автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Непрерывная сушка дисперсных материалов в аппаратах лотковой и цилиндрической формы с движущимся псевдоожиженным слоем

САНКТ-ПЕГ1Е?БЛЭГСКЖ1 ТЖСйОПЖЖИл ИЕСТШТ

На драгах рукописи

. .КОйКЛРЕВ Сергей Аркадьевич ШРЕРЫВНАй рЛ1КА'деаЕРСЫЫХ ыШК!М0В

в л1шлра.ш дотшзой. и- шмин^р^газзакоч форлы •. с двшщшся дсьвдоожшшШ гаош

05.17.08 - Дродессм и апаарагы

-.химической технологии .

А В Т О РЕ О Е Р А Г диссертация на соискание ученой степ спя кандцгдга технических,наук

Санкт-Петербург 19 92

■j

"I

ошя шмятххш РАБОТЫ

Актуальность работа. 3 настоящее врамя все с олеа широкое распространение получают суш'лыше аппараты лоткового типа с, танг^нциально-целеЕК.ш газорасдределительнши реаеткали. Лояв-ление новых .-лодифшсаций таких устройств и кх использование для сушки новых групп дисперсных матеояалов (Д.Д), делают актуальными проводнице исследования но изучении процессов движения а перемешивания Езапглодействуицдх фаз в таких аппаратах, а не-. • достаточно разработанные для таких аппаратов модельные представлении л игсаенерные методы расчета процессов непрерывной сушки требует их дальнейшего развития. 1

Работы выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ АН ¿ССР (пункт 2.27.2.8.3 "Исследование и разработка теоретических основ, методов расчета и элективных конструкций аппаратов для лроэедешь» процессов суиа, термообработки и гранулирования дисперсных п лшднах материалов" ).

Цельп работу являлась раз-аботка методики расчета конвективных сушилок с перекрестным движением Д..1 и псевдоояажавдего / сутилького агента в аппар: гах лотковой и цилиндрической фэруц, дая чего были выполнены следу orate этапы исследований:

-I. Проведен анализ конструкции аппаратов дсевдоожияенного слоя ii рат:ов их работы с поиском рационального конструктивного решения для группы исследуемых продуктов.

2. Исследованы гидродинамические особенное^ движения ДМ и определены коэффициенты продольного квазидиаупиошюго дере-мешваг-ия материалов ( D ) и средних ско. эстей (движения Цы.

3. Разработаны математические описания процессов непрерывной сугчи да в аппаратах яспедованных конструкции я на г-•ой заново создала соответствующая методика расчета;

4. Выполнены ькслегиментальнао исследования по определению шнетических параметров поцессов сутки ряда ДМ, а тавае'арове-;онн опыты по непрерывной сушке этих .материалов.

Научная новизна даисерташлнной работы состоит: в разработке :<г тематических описаний непрерывного про дссса сушш Д1Л б квазздда^йузшшюм лркблвяешхи прл постоянно к переменном коэффициенте D б аппаратах лотковой и цилиндр ческой цор:.ш при различных способоах подачп влаяного ыатераа - в экспериментальном определена! значений коэффициенте перемешивания 1> для аппаратов ПС лотового л циливдрэтеслс типов я е определена средних скоростей двикения слоя матер! л& б цшпцщрическоы аппарате;

Драктгррокая ценность .х реализация работы состоят в onj деление некоторых паралетрой газораспределительных решеток i уйтогий процесса, обеспечивающих надежную работу сулилок да .еру .ты исследованики ¿¡¡.I. На основании полученных результат о: разработана методика расчета конвективных аппаратов логково: 1 п щшшд рпческото типов при перекрестном движении тедлонос: те.чя и супимого продукта. Разработанная методика исаользова прх расчете и проектировании опытно-дро;.ш1_;еншх я дромнше аппаратов для сушка сульгат-сульалта натрия (СОН) и грудин ла-лерних материалов иТШ, АБС), Процессы непрерывной сушка да материалов, исследованные в проведенной работе, внедрега производство.

Адэобдпил работы. Основные результаты работы долояени Всесоюзной конференции "Проблемы создания экологически чист регионов" г.Волге.град IS91 г. и па научно-технЕческиг. сема pax ШО "Техуглерод" в I986-U90 гг.

Публикации, аг материалам диссертации опубликованы 3 i чат: ю работы.

Струтура п объем работы. Диссертация coctcjt из введ 36 рисунков, 10 приложений н_ 32 страницах; сппсок тируемой литературы включает 112 источников.

I. ЛИХЗРАТУРШЙ ОБЗОР

В первой главе приведен литературный обзор по теория и практике суасл Д..1 в аппаратах псеЕдоопагкенного и фонтанирующего слоя. Дан анализ существущих конструкций газораспределительных устройств как основного элемента такого рода аппаратов. Отмечена недостаточная язученность вопросов гвдродкна-Г.ШЮ1 ДЕК&уцегося слоя псевдос:агаешюго материал^. Рассмотрена, существующие модельные представления о процессах супит Д!,1 ж приведены основные причины малой их пригодности дая полного • расчета непрерывных процессов в аппаратах лоткового е цилиндрического тагов.

2. ТЗОРЕГИЧЕСКДЯ ЧА.СТЬ

Для опксан;л процесса непрерывной суппи дасперснш: мате-рпалов в аппарате лоткового типа в оскоеном используется од- . нопараметрическая квазздиаТуз;:онная ;,юдель (рис.1):

^Ши) _ вщ.,5ц . ;

эх [ эх) эх эт <х)

где - 0 - коэффициент таазлда^фузнойного пералепивашш цате рка^а в продольной направления х .

Граничные условия записывается в общепринятом виде условий Данквертса:

ь/ и0= иГ Ц

_ ^ ¿и | , ^и

»0

(2)

Для некоторых .материалов кинетику сушки их частиц оказывается возмскнш аппрок-хлировать периодов постоянной либо ЛЕнейно убывающей скоростью сушки: Ыи^Ъ] = - ' - ^

Тогда уеаенся уравнегш* (I) с условиями (2) имеют вид ' '

SdU/dXh KU ;

Jpn суш:е в аппарате лоткогого типа с Сонтанируюпдал с: £•.*» определение средней по всему поперечному сечеккю аппарат (piic.2) ти.шературы и с:,орооти сушильного агента связано с обходкгостыи анализа слезного характера двЕзешш материала сусального агента в каздом поперечном сечешш ая:"аоата. Ир: то, .что е сечении слоя движение газа .юг:ио считать плоски™ npz этод осноЕИц.ж кскодшмп векитанамп гакой илос::ой ;.;одел яллязтея скорссгв двлсзндя частиц, скорость и тег.шература в зонах фонтана .1 л оиускащелзся плотном слое Д..1. У.леньиен колит отва газа, проходящего через ладцое ао следующее его чокге в ^оне фонтана, определяется на оскозо клеягдхся в Л ратуре репешгИ задач- ламснарпой унльтрацкл сушильного arc через плотную часть слоя материала. Анализ та:;¡о: решены; п зал, что скорость оттока газа кз фонтана в плотную часть с .гаке аркьдь лънвйкоЁ по ыасоте слоя, а общее количество ретекзвдего из зонк в зону газа - определять по формуле (<!

\

\

Ряс Л. Способа подачи

1! бигрузки до в

аппарате лоткового типа

Ряс.2. Схема двилензя ДМ . л сушильного агента в поперечно.м сечении аппарата йонтанпруюдего суп

Время пребывания частиц в фонтане находилось численным по-шаговым расчетом по уравнению динамики движения частиц, а время пребывания в плотной части слоя определялось на ос-, нове полученной пллуэмпирической сТормулыС

(б)

о

где д= 9,ь1 и/с ; О - корреляционный коэффициент.

Значения кинетических параметров процесса сушки частиц ( N и К) в каждом поаеречйом сечении слоя рассчитывались как средневзвешенные значения эти., параметров, вычисляемые • по значениям температур и скоростей сушильного агента в зонах фонтана и плотной части ¿¡Ьнтаннрувщего слоя.

Дри сушке материалов, склонных во влааном состоянии к комкованию шш адгезии'по отношению к стенкам аппарата,те- • пользуется рассредоточенная подача материала (рис.1), что .

лгявсуих к изменению линейной скорости движения материала вдоль аппарата. При д: скретной додаче материала в нескольким местах скорость движения материала таксе дискретно изменяете в точках подачи. Дифференциальное уравнение процесса непрерывной сушки в атом случае записывается аналогично модели (] для катдо?; иг бон с той разницей, что в качодок зоне старость движения материала будет превышать эго скорость в предыдущей зоне. Решение системы уравнений для линейно убывающей скоростг стыки имеет вид

[и,-С«е*х + Сас^

' ш- >С5еъ**+ Сцемх (6)

-. 4

Б обще.« случав точек подачи влакного материала монет бнгв несколько и тогда решение сиотшы типа (I) соответстве ес усложняется:

и* = С,е +' С£е

^С^Лс^4* ««

Знач'ния коистрнт интегрирования Ср С£Т С^ находят« из гран"чных условий стыковки'влагосод ер^ганъл а потоков влг ;лг-х,ду зонами.

При организации непрерывного распределения подаваемо» материала вдоль ко.ордпьаты X (рис.1) скорость движения мат' риала будет увеличиваться цепрернвно. Если дая некоторых т: пов аппаратов дополнительно предусмотрена непрерывная выгр ка материала вдоль направления его движения, то дифи.ерепда альное уравьение, описывающее процесс непрерывной сушки пр мет '¿ид:

i ЭЦ

D Ъ<с

Частиц.; случаем здесь ягпяется равномерная загрузка п ' выгрузка продукта VjXi=Vb = COnst, VH(х)= Vhи const , что яри линейно убывающей скорости суш.: дает следующий вцц решения дифференциального уравнения (8):

им- «рйГ[с.о(м» - C2V(A , l8)

где: . .

Л = • К а Уб + (к/АЫ .

п H-Sc4 ъи О ' * V* - Vm '

t4 Л \|AiVB-V^[Vo + (V&-VmW] ; UfA.tl . V(A,b)

- функции Уитекке^а. В случае постоянства кинетического параметра W= const. решение уравнения (8) имеет вид, ачало-гичный (9) с некоторыми отличиями в структуре napa.ieu *юв А и

г.

В процессе сушки ряда материалов мозет' гропсходнт- за- Г меткое уменьшение объема высушиваемых частиц (je. усадка), что мозет изменять линейную скорость движения материала вдоль аппарата. Таким se изменениям скорости движения материала могут сопровождаться и другие эффекты, например дстирание и частично."; унос материала. В работе предпринята попытка интегрального учета такого рода процессов линейной аппроксимацией изменен л скорости движения материала l/'ADWo4 j VhMJx v , три этом решение уравнена (8) дифгоу донной модели вновь . •

сводится к виду (9) с соответствующими отличияыи яара-летров А мЪ и постоянных интегрированвя С^ + С£.

Формула (9) дает распределение 1Кх) влагосодеркания по длине аппарата; среднее значение влагосодержания материала, Еыгг.укаамого из сушилки определится по 4ор;луле (10)

г

ц.-с-Ы -V*+$(^-Ум)ЦМе1)С

(Ю

о

В работа предпринята ¡.¿пытка использования квазидиф^У-зионкой модели, сформулированной для лотка, применительно к дилиццрзческому аппарату с вращательным движение!* слоя, для чего следовало ?1:слер:-г,;енталько определить значения скоросте такого вращательного двшен^я. Скорость направленного двине-ния ..¡атериала здесь будет иметь постоянное значение вдоль траектории двшения, что приводит к дифференциальному уравн« кию процесса непрерывной суша; (II):

решение которого для случая аадающией скорости сушки шеет вид:

иск\- -т ♦ (I

где и ^г- собственные числа задачи. Среднее Елагосоде кание материала, вггругаемого из аппарата, определяется по формуле (10), в которой \/к = У0. Ув = Ун, \/= + \/Б. Условный объе;.'.нкЛ расход Ув определяется по формуле

и*Ср Т

где т = (€" / К ^»а ) - сроднее, число оборотов слоя ДМ за время его пребывания в аппарате (✓'.

Решения, получешшэ в предположение о постоянстве коэ1£-фицле.чта продольного перемешивания Д.1 могут быть использова-нк для анализа процессов непрерывной сушки в достаточно протяженных аппаратах, для которых юано пренебречь влиявчеи ■ тор:,евых стенок аппарата на величину С) . В общем случае торцеьке стенки аппарата должны оказивать демпфирующее влияние на пульсащгонное д^джение частиц л их пакетов в направлении, перпендикулярном стенка. В работе предпринята попытка рассмотреть задачу КЕазндаЙузионного перемешивания дви-пуцегося да в нетрадиционной постановке. При этом предполагалось линейное затухание коэффициента О вблизи торцевых стенок аппарата, что позволило отказаться от граничных усло-еий Данквертса (2) с начальным скачком влагосодержания п равенством нулю производной влагосодэряания по координате ,х на выходе из аппарата. Вкз зоны действия стенок (£< х< 1-- Б") величала О вновь предполагалась гостсянной. Анадитччесгчо репения для линеГлто убывающей скорости супки выраяается для относительно малого участка 8 через функции Бесселя, а па основном участке сходны с формулой (3)Пол; чени также решения для случая распределенной додачи Д|Д, которые описываются на основном участке однохи.ранетпзчесзшш Сункциями Уитоккера и (А, "Ь ), V(А, Ь ), а в области £ суммой функций Кугл-мерг и двухларачетрлческои £унвдта ЬТ(А, В, Ь ) Уитеккера.;

Иной, макроккнетическпй метод' анализа непрерывных процессов ме:%азного тепломассообмена заключается.в опредатении ! плотности распределения материала по времени его пре-

бывания в аппарате. При теоретическом анализа использовалась о.ункция елияш'л (13), которая соответствует доздузионному • " распространению мгновенно поданного точечного возмущения в безграничной неподвияной среде:

Яри этом значение среднего влагосодбр&ания; выгруяаамого из аппарата материала вычисляется интегрированием влагосодер-•здания всех частиц:

где и IX^ - зависимость текущего влагосодержания частиц материала от времени их сушки.

Для реального аппарата конечной дайны наиболее надежным методом определения среднего конечного Елагосодерхания про- . дукта на выходе из аппарата представляется использование плотности' распределения матер. :ала по времени пребывания, непосредственно получаемой в опытах с .мечеными частицами: . °° '

и = ^ ит ^(я а^с (15)

' Результаты анализа рассмотренных в работе моделей не-ирергшяого процесса с} лки показали, что различия в распределении влаг- содержаний по длине аппарату для случаев О = сопь1 II . О = уог оказываются не слишком оилительзши, и что наиболее трчнке результаты дает макро- _ тютич'ес?ий ыетод о экспериментальной кривой ^СС) ..Однако судественао, что этот' метод дает только усредненное конечное златосодержите материала, но не в состоянии определить распределение Шх) влаго содержания материал по длине аппарата»

3. ЗКСЕШШЖШНЫЕ ИССДдаЛАШ'Л

Для одисанин процесса суаки на основе сформулированных модальных гредставлений необходимо располагать значениям кинетических параметров и, К, и скорости иГ. движения ДМ.

Олредаяение особенностей кичетики сушки слуяшш основой использования гой или иной модели описания процесса непрерывной сушки да. Опыты- по кинетике сушки исследованной группы материалов проводились ла лабораторной установке с дифференциальным слоем пред став итатьной порции продукта, что позволяло относить получаема кинетические даннге к тем значениям теьшературы и спорости сушильного агента, с которыми контактировал материал. Обработка полученных результатов с помощью ЭВМ дозволила получить удобго;« для использования елпроксгма-цел вида

лг/к = в, (16)

Определения коэффициентов продольного перемешцваяпя ' проводились на моделях с размером лотка 0,2 х 0,55 м и цилиндрического аппарата. - диаметром 325 дм тлетог ,эм импульсного . возмущения т£пссера. Концентрации трассера (подкрашенные частицы тех лв'материалов) в отбираемых на выходе'из аппарата-пробах определялись счеткш истодом. Обработка результатов • опытов на ЭШ позволила представить ьх в ззвдо следующих корреляционных соотношений:

для лотка (Н/р¿У* ^ ^ (17)

длящшщцра Ре-&1, ( Н/Оа)р5 (^')Р<г : (18)

Константы * Ьц и. -- в зависимостях (16), (17) д (18) для различных материалов имеют разные значения.

В цилиндрическом аппарате скорость вращательного дви-

жения иГр да находилась экспериментально с ко.лоцью поплавка,. . погруказмого на разную глубину дсеЕдоозякенного слоя. Отмечено существование пределов вращательного движения слоя. Для группы исследованных материалов зна- зния относительной скорости вращательного движения протравлены шш&океимацпонной заг эсшлос-тыо

> •г* ПЦ М

к* \ 1и|

»ста)

глГср« &5

V*I

в которой значения коэффициентов Ь5, т^ + ГЯ^ зависят от конкретного материала.

Завершающей частью экспериментальных исследований было проведетеопытов ао непрерывной сушке исследуемых материалов в аппаратах лоткового тша (размерами С,2 х 1,0 и 0,6 х1,6 м) в в цилиндрическом аппарате диаметром 0,6 и. Эксперименты проводились при температурах ¿-азо-воздушной смеси от 250 до 400° С, срёднерасходных скоростях сушильного агента от 1,7 до 2,8 м/с при сушке ССН, АГК-1 в лотковом Е цилиндрическом аппаратах,' а для лодймврных материалов - при температурах возду ха СО ■» 100° 0 и его скоростях 0,8 + 1,2 т/о. Результаты с достаточной.для практики точностью соответствуют распределениям влагосодержаний ¡материалов по длине аппарата, рассчитавши ао лрс^лояеннш в работе математическим описаниям непрерывных процессов сушки." , .

'. • 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕШВАЩЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Ьа- основе получе'тшх в.работе теорегиче<}ких и эксперта талышх результат разработана методика расчета процессов непрерывной сушки ДЦЛ в аппаратах псездоогакенного слоя, применимая для определения основное параметров процесса или необходимых габариов аппаратов.

Алгоритм расчета представляет собой следующую последовательность вычислительных операций:

1. Исходними данными для расчета являются производительность сушильного аппарата ао материалу; его начальное и требуемое конечное вл aro содержание; гредвгоителыше дагтне по скоростям температурам сушильного агента, при которых по происходит механического или термического разрушения продукта.

2. В поел едущем расчетном Злоке определяются когтчество суш льного агелтэ, фгльтрующегося из шептана в плотную часть слоя (4), значения компонента Ъ з* времени пребывания *СП частиц материала в плотной части слоь. (17), (18) и (19); значения среднегснтегральной томп-зратурц суппиьпого агента относительной скорости движения частиц з роптало п по корраюш-ционным соотношении (16) получаются значопгл скоростей оупяи частиц в фонтане и ъне его, а такав значения отех параметров, усреднешшо для всего 'поперечного сеченая слоя.

3. В следующем структурном фрагменте расчета осуществляется выбор расчетных формул для определения конечного рлаг^-содеркаияя материю при заданной длине аппарата в завпенмоо-гн от условий подета л выгрузки. В случае дискретно .расльяде-ле -¡ioí; подачи (выгрузке) конечное влагосодераанпв Ш опреде--лялось по соотношениям (G), (7); при равномерно распределенной лодаче и выгрузке значение влагосодоржа. яя выгружюмого материала получалось по зависимостям (9) с (10). В частном случае загрузки и выгрузят продукта соответственно в начало

п конце аппа~ата расчет конечного ьлагосодорзапия материала производился по формуле (3).

Аналогичные расчеты конечного злагосодержания да с переменной величиной коэс№ициента D и изкепешшмп граничными' . условиями производились по формула».!,. приведенным в диссертация.

4. Для апларатог цилиндрической сборки скорости вращате-льпого движения Д.1 кцчпмыгоюь по соотношении (19), после чего конечное влагосодергдние продукта определялись по решениям (10), (12),' (13).

В К 3 о д ы

1. Исследованные виды газораспределительных решеток позволяют получать в сушильЕ -х ыпаратах лоткового и цплиндркчес-кого вида дисперсные материалы с требуемой низкой конечной влажность» менее 1% при устойчивой циркуляции материалов в слое, что значительно уменьшает отлохеше продуктов на стенка: аааарата и на решетке.

2. Сформулированные и анализируемые в работе мода .л процессов непрерывной сушки дисперсных материалов в аппаратах : • лоткового типа с продольным перемешван:тем материала и дискретно распределенных подаче и выгрузке продукта^ позволили получить аналитические решения, по которым возможно рассчиты-т вать распределение влагосодерзания материала вдоль аппарата.

3. Получены решения для распределения влагосодержанзя продукта пс длине аппарата при непрерывных, равномерно распределенных "загрузке и выгрузке материала вдоль аппарата, а так ке в случае изменения объема сушимых частиц.. Получены решения в предположении о линейном затухании коэффициента ктзцдиф$у знойного. перемешивания.'1 материала вблизи торцевых ■ стенок'аппарата; такие решенир но требуют использования гра-нячьш: условий Данквертса»

4. Кв-зиди^йузионные модели, развитые дая аппаратов лот-ковогу типр, возможно применять для. аппаратов цилиндрической аорыы с циркуляционным характером движения, дисперсного материала. '. '

5. Дроведешые е^еяерииенти по кинетике сушки дисперсных материалов (сульф г-стаьфщ цатрия, полимеры ПВХ, АБС, ■технический углерод и нехоторые модельные ыатепиалы, например активированный уголь А1К-1 и ыелкопористый селикагель) по определению величин кочедицьентов продольного пэремешква-иш дксперсыых материалов, по изменению просиля скоростей двтаення дисперсных материалов в цшшндрстеском аппарате показали возможность использования результатов цроведеннцу

измерений в качество исходных данных для расчета процессов непрерывной сушки исследованной группы дисперсных продуктов.

6. Произведенные численные расчета позволили псучить значения кинетических параметров процесса сушки в каждом попе-речпы сечении ашарата с учетом неравномерной структуры фонтанирующего слоя и с различишь значениями температур и расходов газа в сонгане и в периферийной части слоя.

7. Данные по непрерывной сушке, аолучепные дл^ группы ис-следоЕанных материалов ла экспериментальных, опнтно-проьшдшен-ных и превышенных аппаратах ..огкевого и шшшдричоского типа, показали совладение экспериментальных и расчетных результатов с достаточной для практических целей точностью, что подтверждает адекватность развитых в работе модельных представлений реальным процессам-непрерывной сушки дисперсных материалов.

8. На основе полученных результатов теоретического и экспериментального исследования разр-ботана методика расчета, . позволявшая определять рэопределение влагосодержания непрерывно высунихаемнх дисперсных матегталов по длино аг "аратл при разливших способах подачи влаяного материала иди находить необходимые габариты агшаратов исследованных конструкций. •■

Обозначения

' Ь а - диаметр цалиндричесдсо.-о аппарата, м; Ь - ширина лотка, м; 0,- эхеигвалентянй диаметр лотка,?м; о - еозоци--циент продольного аорелешисапия материала,« /с; ат - длмлетр частицы, м; - расход цаиьтруюь.Л'ося в плотную часть слоя-сушильного агента, и^/ч; Н - высота цсевдоолиаенного слоя, м; г*- - текущая координата высоты слоя, м; /Л К - кинетические параметры сушки, кг вл.Дкг с.м. с); I. - дига аппарата,■ м; , 1*г - радиуса фонтанирующего слоя в полярных координатах, м; ■ (х) - распределение влагосодержания материала вдоль координаты х, кг гл.Дкг с.м.); Но, (Лк, и - начально о, конечное, среднее Елагссодергапие материала, кг,'(кг с.м.) ¡о \'0, Ук - начальный и конечны-"' объемный расход материала, м /с: 2 УйМ|УнЭД- распределенные нодача и выгрузка продукта, м / (м м с) ; w - число псевдооаазения; т'Л и&р - ланей ная средняя скорость двинения материала в аппарате, м/с;

Ф - ¿актор формы частиц; к<> - коэффициент фильтрации плотной чисти слоя, :<г/(..!'-' с); оС - угол наклона стенки

лотка б полярных координатах, рад; 5" - рассто>*лиз влияния торцевой стенки аппарата, м: н - динамическая вязкость сушильного агента, lia с; о (с) - плотность распределения по вре-иена/л пребывания частзщ материала в аппарате, с"1 ; G к , £ с , f п , £ф - порозность материала насыпная, средняя, плотной части и в фонтане сдоя; К - среднее время пребывания частиц материала в аппарате, с; 'Сп.'^ф - время пребыванил чгэтии в плотной и фонтапирущек части слоя, с; Af= -

критерий Архшеда; Ре = u/L/o - даи^йузионныи критерий Лекле.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Кошкареа С.А., Фролов B.w., Кононенко В.Д. К вопросу создания экологически чистых процессов сулгд дисперсных материалов в аппаратах с псбвдоояЕаешшм слоем. Тезисы всесоюзной конференции "Концепции создания экологически чистых регионов", - г.Волгоград, - 1931. - C.ïlîo-IdS.

2. Кошкарев С.А., Фролов В.&., Кононенко В.Д. Непрерывная сушка кристаллических солей в аппаратах лоткового vnna с дви-

. кдамся-псевдоояивеннш слоем. -¡ДшсЗУо Сб.тр. ЛТШЛ -Л., 1991., —С.93—SB.

■З^'Кошкараз С.А."Фролов B.Ù.', Кононенко В.Д. Сушка гранулкро-• вашшх материалов в аппарате Фонтанирующего слоя с танген-"циалько-шолеаой .решеткой. НежВУЗ. Сб.тр. по ТОХТ ИХТМ, Ива' ново, - Ï99Z,.— с.68 - 76. •'

/

САНШ'-ЩТЕРБУРГСШ! ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТГОТ

НЕПРЕРЫВНАЯ СУШКА ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АППАРАТАХ ЛОТОВОЙ И ЦШШНДРИЧЕСШ ФОРШ С ДВЖГЩШСН ПСЕВДОШШЕННЫМ СЛОМ

05.17*08 - Процессы и аппараты химической технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Кошкарев Сергей Аркадьевич

Научный руководитель: д*т,н., профессор Фролов

Санкт-Петербург 1992

СОДЕРЖАНИЕ

11 Стр.

ВВДЕНИЕ . . . .............. . . . . 4

ОБОЗНАЧЕНИЯ . .................. 7

■ I ; ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ................ 9

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОЙ СУШ В АППАРАТАХ

ЛОТКОВОЙ И ЩЩЩРШВСКОЙ ФОРМЫ С ДВИШУЩИМСЯ

ЩВДООШШШШ СЛОЕМ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ ... 41

2.1. Описание процесса непрерывной сушки в аппарате лоткового типа е направленным движением псёв-доожиэсенного дисперсного материала..... 41

2.2. Определение кинетических параметров Я и К процесса сушки............... 45

2.3. Сушка при различных способах подачи исходного

• влажного материала ............ . 49

2.4. Описание процесса непрерывной сушки в лотковом аппарате с движущимся псевдоожияенным слоем с учетом изменения коэффициента продольного перемешивания ..... ...... ...... 55

2*5. Описание процесса сушки дисперсных материалов в аппарате цилиндрического типа с зонально-щелевой газораспределительной решеткой * . • 63

2.6. Макрокинетический метод расчета непрерывной сушки в аппаратах с движущимся псевдоокикенным слоем......*..................65

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СУШИН И

ДВИШШШ ШадООЯИШШОГО ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА . 68

3.1. Исследование гщродинамических особенностей

процесса псевдоожижения дисперсных материалов 68

3.1*1. Исследование особенностей гидродинамики

# фонтанирующего слоя на модели прямоугольной

лотковой сушилки ...... ........ 68

3.1,2. Исследование особенностей гидродинамики

псевдоошшенного слоя в цилиндрической модели

Стр*

сушилки с зонально-щелевыми решетками .... 71

3.2. Исследование продольного перемешивания дисперсных материалов ....... **.».* 76

3.2.1* Модель сушилки лоткового типа (прямоугольной формы)................. 76

Аппарат цилиндрической формы с зонально-щелевыми газораспределительными решетками . . 33

3.3* Экспериментальное исследование кинетики сушки

дисперсных материалов.................87

3.4. Непрерывная сушка дисперсных материалов . . ♦ 94

3.4Л. Лотковая сушилка прямоугольной формы ... 94

3.4.2. Цилиндрическая сушилка с зонально-щелевой

решеткой ............................102

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА НЕПРЕРЫВНОЙ СУШКИ . , 109

4.1. Методика расчета процесса непрерывной сушки

в аппарате лоткового типа фонтанирующего слоя с тангенциально-щелевой решеткой .„..«. 109

4.2. Расчет цилиндрических аппаратов сушки с зонально-щелевой газораспределительной решеткой и организованным движением псевдоожиженного

слоя дисперсного материала . ........ 117

4.3. Методика расчета сушки в аппаратах лоткового и цилиндрического типа макрокинетическим

методом ................... 121

ВЫВОДЫ . ♦ . .................. 125

СШСОК ЛИТЕРАТУРЫ................ 127

ПРИЖШШ.................... 135

*

ШЭДШЙЕ

Появление новых модификаций таких устройств и их использование для сушки новых групп дисперсных материалов делают актуальными проводимые исследования по изучению процессов движения и перемешивания взаимодействующих фаз в таких аппаратах, а недостаточно разработанные модельные представления и инженерные методы расчета процессов непрерывной сушки требуют юс дальнейшего развития. Работа выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательных работ АН GGGP (пункт 2.27.2.8.3 "Исследование и разработка теоретических основ, методов расчета и эффективных конструкций аппаратов для проведения процессов сушки, термообработки и гранулирования дисперсных и жидких материалов".

Задачей исследования была разработка методики расчета конвективных сушилок с перекрестным движением выбранной группы дисперсных материалов и псевдоожижающего сушильного агента в аппаратах лотковой и цилиндрической формы с различными газораспределительными решетками. При этом в работе были поставлены следующие этапы:

I. Провести анализ конструкций аппаратов псевдоожиженного слоя, режимов их работы с поиском рационального конструктивного решения для группы исследуемых продуктов,

2» Исследовать гидродинамические особенности движения дисперсных материалов и определить коэффициенты продольного квазидиффузионного перемешивания материалов и средние скорости их движения в аппарате*

3. Выполнить экспериментальные исследования по определению кинетических параметров сушки ряда дисперсных материалов, а также провести опыты по непрерывной сушке этих материалов.

4. Разработать математические описания процессов сушки

дисперсных продуктов для принятых к исследованию конструкций газораспределительных устройств при различных способах загрузки продуктов в сушилку, На основе полученных экспериментальных данных и развитых модельных представлений создать методику расчета основных параметров сушильных аппаратов и газораспределительных решеток,

Оушка дисперсных продуктов является сложной технической задачей. В настоящее время все более широкое распространение получают сушильные аппараты лоткового типа с тангенциально-щелевыми газораспределительными решетками. Они находят применение для целого ряда дисперсных продуктов, в том числе высокоадгезионных и термолабильных. Для сушки высоковлажных продуктов, имеющих повышенную адгезионность по отношению к стенкам аппаратов, в промышленности получают распространение сушилки с движущимся псевдоожизкенным слоем материала. Как правило, данные аппараты работают в активных гидродинамических режимах по сушильному агенту. При этом достижение низкого требуемого конечного нлаго-с©держания продуктов (1% и менее) в аппаратах таких типов становится трудноосуществимым ввиду значительного продольного перемешивания материалов. Подавление эффекта продольного перемешивания в сушилках может достигаться его секционированием. Данное техническое решение в ряде случаев нецелесообразно использовать ввиду значительных капитальных затрат. Введение в слой дополнительных перегородок, снижающих продольное перемешивание материала в аппарате, не всегда можно использовать, особенно в случае, когда материал имеет повышенные адгезионные свойства. Другим путем снижение перемешивания в аппарате является выбор прямоугольной формы его поперечного сечения, или организация циркуляции * материала в псевдоожиженном слое, которая при сохранении интенсивного движения создавала бы некоторый градиент среднего влаго-

содержания материала между местами загрузки влажного материала * и выгрузки сухого продукта.

*

ОБОЗНАЧЕНИЯ

- диаметр цилиндрического аппарата, м; & - ширина лотка, м;

Т)э- ~ эквивалентный диаметр лотка, м;

О - коэффициент продольного перемешивания материала, м^/с; о1т - диаметр частицы, м;

б?" расход фильтрующегося в плотную часть слоя сушильного агента, м^/ч;

И - высота псевдоокиженного слоя, м;

Ь - те^щая координата высоты слоя, м;

^ К - кинетические параметры сушки, кг вл./Скг с.м. с);

Ь - длина аппарата, м;

радиусы фонтанирующего слоя в полярных координатах, м;

V - распределение влагосодержания материала вдоль координаты х, кг вл./(кг с.м.);

цс^ц - начальное, конечное, среднее влагосодержание материала, кг/С кг с.м.);

л

УйУк - начальный и конечный объемный расход материала, м /с; У8 распределенные подача и выгрузка продукта, м с)

V/ - число псевдоожижения;

УГ - линейная средняя скорость движения материала в аппарате, м/с;

Ф - фактор формы частиц;

о

Кр - коэффициент фильтрации плотной части слоя, кг/(м с); оС - угол наклона стенки лотка в полярных координатах, рад; & - расстояние влияния торцевой стенки аппарата, м;

- динамическая вязкость сушильного агента, Па с;

р (т)- плотность распределения по временам пребывания частиц материала в аппарате, ;

' бн^с^п,^" порозность материала насыпная, средняя, плотной части и в фонтане слоя;

€ - среднее время пребывания частиц материала в аппарате, с;

<-<р - время пребывания частиц в плотной и фонтанирующей части слоя» с;

- критерий Архимеда;

Ре. - диффузионный критерий Пекле.

Индексы

а - аппарата; п - плотный;

& - верхний; Р " равновесный;

г - газа; с - слоя;

к - конечный; ср - средний;

м - мокрый; т - твердый;

н - нижний; ? - фонтан.

о - начальный;

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Конвективная сушка дисперсных материалов, является одним из сложных физико-химических процессов в химической технологии. Для анализа принято условно выделять две стадии процесса: внешний и внутренний тепломассоперенос. На стадии внешнего тепломассообмена происходит перенос тепла и влаги с поверхности влажных частиц дисперсной фазы в газовую среду. Под внутренним тепломас-сопереносом понимают перенос тепла и влаги внутри капиллярно-пористых частиц.

При внешнем тепломассообмене движущими содами процесса кон-вентивной сушки являются разность концентрации паров в пределах пограничного слоя и температур сушильного агента и частиц. Разность температуры между массой сушильного агента и поверхностью частиц влажного материала создает тепловой поток, а градиент концентрации поперек пограничного слоя обеспечивает отвод паров влаги от поверхности влажного материала.

Теория сушки рассматривает внешний тепломассообмен на основе совместного решения системы уравнений движения, неразрывности потока сушильного агента

Щк + дгос/)огг * - 4-$г<*е1Р+ )> Э % "

* Л г (рй?г) ~ о д<- * (1.2)

а также конвентивно-диффузного механизма переноса паров влаги и теплоты в движущемся сушильном агенте

+ ?гас(С) - I) \7гС (1.3)

+ ~ Я ФгС (1.4)

В уравнениях (1Л) - (1.4) совместность процессов переноса

эс

Л

количества движения, массы и тпелового потока определяется зависимостью кинетических коэффициентов от потенциалов переноса. Решение системы (1.1) - (1.4) может быть получено лишь для самых простых случаев, например, для шара, бесконечной пластины при постоянных коэффициентах переноса / I / . Для дисперсного материала с частицами произвольной формы и различных размеров анализ внешнего тепломассообмена теоретическими методами на основе системы (1.1) - (1,4) приводит к необходимости эмпирических методов»

Использование экспериментальных данных по кинетике сушки влажных материалов в виде зависимости между критериями подобия, получаемых из уравнений (1.1) - (1.4), позволяют описать внешний

тепломассообмен. Вид связи между критериями подобия зависит от конкретных условий обтекания поверхности влажных частиц материала потоком сушильного агента. Так, например, при вынужденном движении воздуха вдоль влажной поверхности критериальные уравнения имеют вид

для теплообмена ^ = 2 + А Не? Рг0,ь*ви (1.5)

для массообмена 2 + Й Рг^ ик (1.6)

Величины аппроксимационных постоянных в уравнениях (Х.5) -(1.6) имеют различные значения для ламинарного, переходного и турбулентного режима движения потока сушильного газа.

Перенос влаги и теплоты внутри капиллярно-пористых влажных материалов может происходить за счет различных одновременно действующих факторов, которые часто объединяются в единый градиентный закон переноса влаги под действием единого потенциала Ф переноса

(¡т д^с^ (1.7)

где (//м - поток влаги;

Ят- коэффициент влагопроводности материала.

Потенциал <0Г суммарно учитывает все потенциалы элементарных процессов переноса влаги, которые зависят от локальных значений температуры и влагосодержания материала. Поэтому и поток влаги зависит от градиентов этих величин:

^•-Дш рт [чи + В- (1.8)

где Ат/(ртСт} " коэффициент потенциалопроводности;

- коэффициент переноса влаги под действием градиента температуры в материале;

рР - плотность сухого материала. Подстановка кинетического соотношения (1.8) и закона теплопроводности Фурье

- Л дгао!^ (1.9)

в уравнения сохранения массы влаги и теплоты приводит к дифференциальным уравнениям для нестационарных полей влагос одержания и температуры внутри капиллярно-пористого материала:

Ш. = а* (Чгц + (1.10)

эг

„ гуй«^ с йс ъи

= а V и + £ -г-

- м V - ■ - с ЭГ С1л1)

Уравнения (1.10) и (1.11) справедливы для постоянных значений коэффициентов С}т, Ц - коэффициента температуропроводности, £ - коэффициента внутреннего фазового превращения, С -теплоемкости материала, %с - удельной теплот^ парообразования.

При нагревании влажных частиц материала начинается парообразование внутри его пористой структуры. Возрастающее давление пара приводит к образованию градиента давления V Р » что вызывает дополнительное перемещение влаги. Слагаемое фильтрационного переноса влаги в материале вводится в уравнение (1.8):

Аналогичное слагаемое появляется в уравнении описывающее^ нестационарное поле потенциала :

Ц-= от £ Чгь + ¿р \?*р) илз)

Замыкающим является уравнение баланса паровой фазы, при избыточном давлении внутри пористого материала

— = - 6 — (I 14)

Система, описывающая нестационарные поля ^ и Р в про-

цессе сушки влажного материала, состоит из уравнений CI.II), (1.13), (1.14).

Условия однозначности для такой системы формулируются в

ввде Р|«-Ро;.

+ С1Л5)

Первое из уравнений системы (1.15) - это баланс теплоты на поверхности материала; второе является балансом влаги на границе тела. Третье уравнение отражает равенство давлений влажного воздуха на внешней границе и в потоке сушильного агента.

Решение системы уравнений для процесса внутреннего тепло-массопереноса внутри влажного тепла в общем виде оказывается невозможным. Кроме того, коэффициенты переноса являются переменными величинами, зависящими от ряда факторов (температуры, влагосодер-жания материала).

Получаемые решения для простого случая сушки изотропной частицы правильной геометрической формы в сушильном агенте с постоянными параметрами и при постоянных коэффициентах внутреннего

переноса оказываются чрезвычайно громоздкими, Функциональная зависимость кинетических коэффициентов переноса $ , &т * температуры и влагосодержания не позволяет получать описание сушки для ансамбля неизотропных частиц произвольных форм и размеров. Отмечаются трудности экспериментального получения точных значений этих коэффициентов при широком диапазоне влагосодержаний и температур /8, 9/ , Такие измерения осложняются возможными внутренними фазовыми превращениями и существованием термоградиентного переноса влаги внутри материала. Все это потребовало иного, подхода к описанию процесса сушки.

Известно большое число попыток, связанных с разработкой более или менее простых моделей кинетики процесса сушки. Например, в модели, которая известна как модель массопроводности, предполагается незначительное влияние термоградиентного переноса внутри материала. Считалось, что скорость нагрева частиц значительно превышает скорость влагопереноса. Это приводит к развитию процесса сушки внутри материала. Влияние температурного уровня процесса учитывается зависимостью коэффициента массопроводности от температуры. Суммарный эффект переноса учитывается коэффициентом эквивалентной массопроводности Сэ:

^ « - ЪьраЫС , (1.16)

а элементарный баланс массы внутри влажного материала приводит к уравнению

* ¿¿(Г {- Ъз ^г&с/С) * О (1.17)

Данное нелинейное уравнение при произвольной зависимости от температуры не имеет решения в квадратурах. Коэффициент Ъэ определяется экспериментально /5 /,

Дополнительные соотношения, определяющие взаимосвязь локальных

значений температуры и влагосодержания сушимого материала, а также некоторые эффективные коэффициенты позволяют уменьшить необходимые для описания количество уравнений. В этом случае получается эквивалентное уравнение нестационарной теплопроводности /10 /. Нестационарное поле влагосодержаний получено из решений данного уравнения постулированием связи величин Т и Ы .

Анализ процесса сушки ещё более усложняется для реальных полидисперсных материалов. Уравнения, связывающие параметры сушильного и дисперсной фазы, требуют интегрирования по распределению размеров частиц /II, 12/ . Данные модельные представления относительно кинетики сушки справедливы для тел правильной формы с изотропной структурой вещества. Для дисперсных систем применение таких моделей кинетики связано с необходимостью использования трудноопределяемых коэффициентов, учитывающих реальные свойства материалов. Предположения о связях полей температуры и влагосодержания так же привносятся в модели извне.

При сушке дисперсных материалов, обладающих развитой поверхностью, происходит изменение температуры сушильного агента. Каждая частица контактирует с сушильным агентом различных параметров. Данные по кинетике сушки материалов получают в опытах с частицами при фиксированных внешних параметрах.

Отмеченные недостатки предопределили развитие модельных представлений* базирующихся на экспериментально получаемых данных о кинетике сушки и нагрева модельных частиц влажного материала. В кинетических опытах средние по объему порции м