автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Особенности процесса сушки хлорида калия в пневматической трубе-сушилке

На правах рукописи

ии^459606

Тимофеев Иван Егорович

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СУШКИ ХЛОРИДА КАЛИЯ В ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ТРУБЕ-СУШИЛКЕ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г зпкзгсз

Томск-2009

003459686

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты производственных процессов» в Пермском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Сафар Хабибуллович Загидуллин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сваровский Александр Яковлевич, доктор технических наук, профессор Кудрявский Юрий Петрович

Ведущая организация:

ОАО «Уралкалий», 618426, Пермский край, г. Березники, ул. Пятилетки, 63

Защита состоится « 3 2009 г. в часов на заседании Совета

по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.08 при Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, корп. 2, ауд. 117.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан «// » -/лу 200А г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент

Петровская Т.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сушка в производстве минеральных удобрений является завершающим технологическим процессом, который в значительной мере определяет качество продукта по содержанию влаги, дисперсному и химическому составу, слеживаемости и др. Для сушки хлорида калия (КС1), являющегося основным видом калийных удобрений, используют барабанные сушилки, сушилки псевдоожиженного слоя и пневматические трубы-сушилки.

В настоящее время наиболее распространенными и изученными являются установки псевдоожиженного слоя. Однако длительный опыт эксплуатации выявил их существенные недостатки. В первую очередь, это неизбежный перегрев высушиваемого материала и связанное с этим снижение термического к. п. д. сушки и необходимость охлаждения продукта перед складированием и др.

К более новым и менее изученным относятся пневматические трубы-сушилки. По некоторым показателям они пока уступают сушилкам псевдоожиженного слоя, но выгодно отличаются простотой конструкции и малой металлоемкостью, легкостью управления, обслуживания и др. Кроме того, они работают под разрежением, что обеспечивает большую безопасность и хорошие санитарные условия.

Перечисленные достоинства позволяют отнести сушилки трубы-сушилки к одним из наиболее перспективных типов аппаратов. Однако в полной мере реализовать их преимущества можно лишь на базе комплексного изучения всех особенностей работы данных аппаратов, включая кинетику сушки, гидродинамику движения двухфазного потока, разработку уточненной математической модели процесса и др.

Диссертационная работа выполнена по результатам поисково-постановочных исследований, планов НИР университета и гранта, удостоенного в рамках «Соглашение о сотрудничестве» от 31 января 2006 г. между ОАО «Уралкалий», ОАО «Сильвинит» и ПГТУ.

Цель работы. Установление основных тепломассообменных и гидродинамических показателей конвективной сушки дисперсного материала и на этой

основе совершенствование конструкции труб-сушилок для более эффективного использования термического потенциала теплоносителя.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать гидродинамику газовзвеси в пневматической трубе;

- определить кинетические закономерности сушки КС1 при различных тепловых и гидродинамических режимах;

- исследовать сушку КС1 в промышленных аппаратах;

- разработать математическую модель сушки хлорида калия в трубе-сушилке.

Научная новизна исследований.

1. На основе экспериментальных исследований движения восходящего двухфазного потока на разгонном участке вертикальной трубы установлена зависимость модифицированного коэффициента трения от геометрических размеров трубы, концентрации материала и относительного критерия Рейнольдса,

= 0,5 ЯеЦ {ИШГ ехр(-4А/Я).

2. Численные значения относительных коэффициентов сушки для первого и второго периодов (0,981±0,016 и 1,038±0,047 1/масс. %), критической влажности между ними (0,97 ± 0,08 масс. %) получены при различных температурах теплоносителя (27 и 40 °С) и начальной влажности хлорида калия (2,59-8,10 %).

3. Из обобщенной кривой сушки, характеризующей разные гидродинамические и тепловые условия процесса, определен кинетический инвариант, связывающий между собой начальную влажность хлорида калия, скорость сушки и время первого периода, АО г¡ = 0,8 Ж„.

4. По данным лабораторных исследований и промышленных испытаний пневматических сушилок и аппаратов псевдоожиженного слоя установлены аналитические зависимости между температурой и влагосодержанием хлорида калия, коэффициенты которых отличаются друг от друга в среднем на 7,0 %.

5. На основе анализа материального и теплового балансов обоснован комплексный безразмерный показатель сушки, выражающий отношение общей

тепловой мощности сушильного агента на входе в аппарат к максимальным затратам тепла на испарение заданного количества влаги, М = снвя Цц 1УН г(гмт)).

6. С учетом известных и вновь полученных зависимостей разработана достаточно полная усовершенствованная математическая модель конвективной сушки хлорида калия в пневматической трубе-сушилке.

Практическое значение работы. Установленные кинетические закономерности сушки КС1 и гидродинамические характеристики движения двухфазного потока использованы при совершенствовании действующих и разработке новых сушильных аппаратов. Теоретические и экспериментальные данные, положенные в основу усовершенствованной математической модели сушки частиц с поверхностной влагой, дают возможность моделировать и оптимизировать сушку аналогичных материалов в дисперсных потоках. Результаты разработки позволяют упростить методику расчета процесса сушки и более эффективно использовать существующее в калийной отрасли оборудование. Основные научные положения, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование уравнения движения двухфазного потока на разгонном участке вертикальной трубы с учетом коэффициента гидродинамического сопротивления и модифицированного коэффициента трения;

- определение влияния начальной влажности хлорида калия и температуры теплоносителя на значения относительных коэффициентов сушки и критической влажности между периодами;

- установление кинетического инварианта как одного из основных характеристик процесса сушки твердых частиц с поверхностным солевым раствором;

- определение в условиях псевдоожижения и пневмотранспорта общей аналитической зависимости между температурой и влагосодержанием хлорида калия при различных гидродинамических и тепломассообменных параметрах;

- теоретическое обоснование комплексного безразмерного показателя сушки, характеризующего определенный тепломассообменный режим и установление возможности его использования в качестве исходного оптимизирующего воздействия.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на применении основополагающих физических законов, надежных методов теоретического и экспериментального исследований. Соблюдается хорошее соответствие результатов лабораторных и промышленных испытаний, опытных и расчетных показателей изучаемого процесса.

Личный вклад автора. Автором внесен основной творческий вклад в большинство опубликованных работ. Осуществлена постановка задач и их решение. Обобщены результаты исследований и установлены закономерности процесса; составлены методики экспериментальных исследований; участие в разработке технических решений.

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные разделы докладывались на Всесоюзн. НТС «Повышение эффективн. и надежн. машин и аппаратов в основной химии», г. Сумы, 1986 г.; Всесоюзн. совещ. «Калийные удобрения и их эффективное использование», г. Солигорск, 1988 г.; Всероссийск. научно-практ. конф. «Проблемы образования, научно-технич. развития и экономики Уральского региона», г. Березники, 1996 г.; Междунар. научн. конф. «Математические методы в технике и технологиях», г. С.-Петербург, 2000 г.; I Междунар. НТК «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем», г. Пенза, 2006г., а также годовых НТК ПермГТУ, 1998 - 2003 г.г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных статьей, в том числе 2 в журналах, рекомендуемых ВАК и получены 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав и общих выводов, изложенных на 137 страницах машинописного текста и 41 рисунке, списка литературы, включающего 133 наименования и Приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, обоснованы и сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе анализируются гидродинамика движения двухфазного потока в вертикальной трубе, состояние техники и технологии сушки в калийной отрасли. Приводятся различные факторы и параметры, влияющие на значения коэффициентов гидродинамического сопротивления и трения при движении дисперсного потока на разгонном и стабилизированном участках вертикальной трубы.

Рассмотрены важнейшие показатели конвективной сушки дисперсных материалов. Выполненный анализ показал, что для хлорида калия отсутствуют значения относительного и температурного коэффициентов сушки, выражения для определения температуры и влагосодержания материала. Для интенсификации сушки и разработки инженерного метода расчета трубы-сушилки необходимо установление зависимостей, учитывающих индивидуальные свойства материала и позволяющие определить основные параметры работы аппарата.

Во второй главе приводятся методики лабораторных исследований гидродинамики движения двухфазного потока на разгонном участке вертикальной трубы, процесса сушки хлорида калия при различных гидродинамических и те-плообменных условиях, определения эффективности использования тепла в пневматической сушилке и испытаний промышленных труб-сушилок по определению температуры, влагосодержания хлорида калия по высоте аппарата. Обработка результатов исследований основывалась на использовании математических методов корреляционного и регрессионного анализов, численных методов решения дифференциальных уравнений с использованием программы МаЛСАБ.

В третьей главе анализируются теоретические предпосылки к определению модифицированного коэффициента трения, обосновывается выбор уравнения движения частиц в вертикальной трубе. Показано, что в уравнении движения наряду с коэффициентами лобового сопротивления и трения интенсивность взаимодействия частиц между собой и со стенкой трубы можно учитывать модифицированным коэффициентом трения.

Обобщены результаты экспериментальных исследований гидродинамики двухфазного потока на начальном участке вертикальной трубы, установлена зависимость модифицированного коэффициента трения от геометрических и гидродинамических параметров, сопоставлены расчетные и опытные значения скорости движения частиц.

На разгонном участке высотой, равной нескольким диаметрам трубы, дисперсный материал склонен к образованию различных пакетов и кратковременных скоплений, носящих вероятностный характер. Для пакетов частиц скорость обтекания газом (и-иг) различна на внешних границах и внутренних. Из-за изменения размеров пакетов относительное число Рейнольдса (Яеотн) может меняться от нуля до неопределенной величины.

В ламинарном и переходном режимах основную роль играет сопротивление трения. Внутри движущегося пакета частиц из-за небольших относительных скоростей превалируют силы трения. В этом случае можно принять £ = ХТР и уравнение движения частиц без учета взаимодействия их между собой и стенкой трубы в общем виде можно представить как:

^ИН = -^СОп(^77>) — ^ТЯЖ (1)

При преобладании в потоке сил инерции (Яета > 3000) правая часть уравнения (1) обычно дополняется двумя слагаемыми, отражающими результат интенсивного взаимодействия частиц между собой и со стенкой трубы. Тогда для шарообразной частицы уравнение движения принимает вид

Коэффициент осаждения Е„ равен вероятности столкновения частиц диаметрами с1г и <1Г В реальном процессе сушки условия для столкновения частиц именно таких размеров практически не будут соблюдаться, так как возможны контакты одной из них и с частицами других размеров. Значение коэффициента восстановления нормальных составляющих скорости частиц кп)1 при

/<«/,/>гоТ1) ](и-иТ1У-8/от,-3/4(ри)/»т,%Ъг1х

с1ит

и

(2)

их взаимных соударениях в реальном аппарате по вышеприведенным причинам оценить правильно также трудно. В результате третье слагаемое в правой части уравнения (2) не только сложно определить численно, но и установить степень его участия в расчете принятых размеров частиц.

Задержку частиц из-за их взаимных столкновений в зоне забрасывания в аппарат следует рассматривать как кратковременное возрастание «условной массы», сила тяжести которой направлена навстречу газовому потоку. При таком допущении уравнение движения двухфазного восходящего потока можно представить как: = ^соп (4ЛС) - ). (3)

Таким образом, если учесть взаимодействие частиц со стенкой трубы и совместное действие коэффициентов Еу1, кщ1, Кт заменить модифицированным

коэффициентом трения Хмтр, то уравнение движения частиц произвольной формы в восходящем потоке на участке сЬ с учетом (3) приобретает следующий вид

¿оТ Ср(и-ит)28мМ ё Л^Яи

сЬ 2 ттит от 2 Р

(4)

Для определения опытного значения Хм.тр использовали уравнение движения одномерного вертикально направленного двухкомпонентного потока _ _ (¡и ,, _ ¿иТ ■ _ ¿Р , р е (и)1

_, Рт У~ё)(Рт)г

Лммр 21) '

Решая (5) относительно км,тр, получим

X 2 ¿о^2Рс1иТ 2 Ррёё 2 Р ^

"мр ~ Рт{\-ё){дт)г <к+ йт <к + рт (1-г)(иг)2 + (ц.)2 Рт (1-?)(й7)2 Х

х^Н- (6)

¿1

Гидродинамические характеристики двухфазного потока исследовали методом отсечек на установке, представленной на рис. 1. Вертикальная труба по

высоте была разделена на три секции высотой 0,35; 0,31 и 0,47 м, между которыми имелись быстродействующие отсекающие устройства.

1 - топка; 2 - вентилятор центробежный; 3 - корпус сушилки; 4 - устройство загрузочное; 5 - камера сепарационная; 6-1 - циклоны ЦН-11; 8 - скруббер Вентури; 9 - каплеуловитель; 10 - вакуум-насос; 11 - э/двигатель; 12 - обводной газопровод; 13 - отсекающее устройство.

В качестве дисперсного материала использовали речной песок фракции (-0,5 + 0,315) мм. Нагрузку варьировали от 150 до 960 кг/ч, скорость воздушного потока под зоной загрузки материала изменяли в пределах 8,5 - 12,9 м/с при его температуре ~20 °С. Исследования проводили в переходной области движения твердой фазы и турбулентной для воздуха. Экспериментальные данные были подвергнуты математической обработке, в результате которой получено уравнение

= 0,5 Reli (А/2))0'1 ехр(-4А/Я). (7)

Алгоритм расчета скорости частиц в вертикальной трубе был составлен на основе уравнений (4 и 7) при следующих условиях: масса и плотность частиц равны 0,1337 мг и 2,547 г/см3, диаметр шаровой частицы 0,465 мм, темпе -ратура воздуха 20 °С, начальная скорость частиц принята равной 0,1 м/с, диаметр и высота трубы 0,1 и 1,15 м. Коэффициент формы частиц песка /принят

равным 1,17. Графическое представление опытных и расчетных значений скорости частиц показано на рис. 2.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Высота трубы, м

Рис. 2. Изменение скорости движения частиц песка по высоте вертикальной трубы. Концентрация материала - 1,22 кг/кг.

Скорость воздуха - 10,4 м/с

Средняя относительная погрешность скорости частиц ( в виде остаточной дисперсии) между данными опыта и расчета в интервале исследованных скоростей (8,5 - 12,9 м/с) составила: для первого участка - 23,7 %, второго - 10,9 %, третьего - 9,6 %.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований кинетики сушки KCl. На первом этапе изучали испарение влаги из тонкого слоя насыщенного эвтонического раствора (KCl+NaCl) с плоской поверхности образца сильвинитовой руды, а также сушку монослоя частиц KCl фракции (-2,0+1,0) мм в естественных условиях при температуре воздуха 27 и 40 °С.

На втором этапе исследовали сушку узкой фракции крупнозернистого (-2,0+1,0) мм и мелкозернистого полидисперсного (-1,0+0,16 мм) KCl топочными газами с температурой 100 - 600 °С на пилотной установке псевдоожи-женного слоя (рис. 1).

Полученные экспериментальные данные показали, что сушка KCl осуществляется в периоды постоянной и падающей скоростей. До 80 % всей влаги испаряется в первом периоде. Резкое изменение угла наклона кривых сушки между этими периодами объясняется изменением микрорельефа поверхности кристаллов KCl из-за вторичной кристаллизации солей из увлажняющего рас-

твора. Критическая влажность КС1 мало зависит от его начальной влажности и ее среднее значение составляет 0,97 ± 0,08 масс. %. Сушка характеризуется двумя относительными коэффициентами, соответствующим двум периодам и их средние значения (0,981±0,016 и 1,038±0,047 1/масс. %) отличаются друг от друга на 5,6 %. Установлена независимость этих коэффициентов от начальной влажности и», масс. % (влагосодержания И7, кг/кг) и теплового режима сушки.

Скорость процесса возрастает с увеличением температуры и скорости теплоносителя, являясь функцией интенсивности подвода тепла. При этом длительности первого и второго периодов сближаются между собой.

В «жестких» режимах сушки в псевдоожиженном слое (ПС) температура соли непрерывно повышается, а текущее влагосодержание однозначно определяется ее температурой. Характер кривых I =/(№) с ростом температуры практически не меняется и при 330 - 600 °С опытные данные описываются уравнением:

/ = 51,08+1,09^-°" (8)

Данные, полученные при разных тепловых и гидродинамических режимах сушки, удовлетворительно укладываются на обобщенную кривую в координатах х Л¥н (рис. 3).

1

о ЮОград.С (8,0 м/с)

д 200 град.С (8,0 м/с)

ж 330 град.С (2,3 м/с)

+ 330 град.С (5,6 м/с)

- 600 град.С (4,4 м/с)

о 150 град.С (8,0 м/с) х 300 град.С (8,0 м/с)

о 330 град.С (4,2 м/с) - 600 град.С (2,3 м/с) а 600 град.С (5,6 м/с)

а»

еж

1,5 2 (N,t)/WH

2,5

3,5

Рис. 3. Обобщенная кривая сушки крупнозернистого (-2,0+1,0 мм) и мелкозернистого (-1,0+0,16 мм) KCl при различных температурах и скоростях теплоносителя

В качестве инварианта сушки предложено равенство NtTi = 0,8 Wu. (9)

Пятая глава посвящена изучению возможности интенсификации тепломассообмена в пневматических трубах-сушилках.

Степень совершенства трубы-сушилки с точки зрения эффективности использования тепла предложено оценить сопоставлением температур теплоносителя и материала на входе и выходе из аппарата в виде коэффициента неиспользованного тепла вг -1Г

К,.

&и ~гн

(10)

С целью определения влияния различных внутренних устройств на интенсивность теплообмена были проведены лабораторные исследования со вставками различной конструкции (рис. А а -в).

Ж

гЬ

Рис. 4. Различные варианты внутренних устройств в верхней части ТС: а - плоская отбойная пластина («тарель»), б - вставка с прорезями, в - вставка демпферная (1) с завихрителем (2)

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Г 1 1 1 01 а 2 4 3 х 4 — о 5 +6 - 7 - 8 —

сь1 л д

сг ^ + О —=г~=—ар—

0,25

0,5

1,75

0,75 1 1,25 1,5 Концентрация материала, кг/кг Рис. 5. Зависимость коэффициента неиспользованного тепла от концентрации материала при температуре 100 °С. «Тарель»: 1 - 9,4 м/с; 2-12,1 м/с; 3 - 14,3 м/с; 4-16,5 м/с. Вставка: 5 - 9,4 м/с; 6 - 12,1 м/с; 7 - 14,3 м/с; 8 - 16,5 м/с

Из анализа полученных результатов следует, что величина Кн т с ростом концентрации материала снижается (рис. 5), причем в сопоставимых условиях эффективность теплообмена в аппарате со вставкой (рис. 4 6) заметно выше, чем используемой в промышленных трубах-сушилках «тарелью» (рис. 4 а).

Это объясняется тем, что в прорезях вставки создается переменное «живое» сечение, изменяется направление движения потока и увеличивается среднее время пребывания частиц в трубе. Установлено также, что коэффициент обладает автомодельностью по отношению к скорости теплоносителя (в изученных пределах 9,4 - 16,5 м/с). Это указывает на целесообразность учета концентрации материала как вспомогательного параметра при оценке эффективности использования тепла в ТС. В результате анализа опытных данных была получена зависимость коэффициента неиспользованного тепла от концентрации материала

Кит=Аехр{-ВМ), (11)

где А и В - опытные коэффициенты.

Для «тарели» А = 0,35; В = 0,63; для вставки А = 0,18; В = 0,64. С учетом выражений (10) и (11) можно приближенно оценить величину температуры зернистых материалов при нагреве в прямоточных пневматических аппаратах с различными внутренними интенсифицирующими устройствами и произвести прогнозную оценку эффективности их использования.

1к=вк-(вн-1н)Аехр(-В^) (12)

Полученные лабораторные данные были использованы при модернизации труб-сушилок на Первом Березниковском калийном рудоуправлении ОАО «Уралкапий» и проектировании труб-сушилок на ОАО «Метафракс», г. Губаха. В промышленном варианте вставка была выполнена в виде демпферного устройства (аналогично рис. 4 в). Общая высота вставки 4 м, площадь поперечного сечения равна удвоенному сечению сушилки при её диаметре равном 0,8 м.

В результате пневмометрических исследований установлено, что внутри такой вставки отсутствует какое либо направленное движение газовой среды, а отмечаются лишь ее колебания. Результаты измерения скорости газового по-

тока в промышленном аппарате подтвердили характер движения аэровзвеси в лабораторной модели демпферной вставки. Внутри нее отчетливо прослеживаются два дисперсных потока, а именно, движущийся по инерции восходящий центральный поток, являющийся продолжением пневматической трубы, и второй - нисходящий кольцевой поток, движущийся вдоль боковой стенки вставки. Основная часть газа, минуя вставку, сразу попадает в кольцевое пространство между ней и концом трубы.

Для определения влияния различных устройств (вставки и плоской «таре-ли») на эффективность сушки были проведены сравнительные промышленные испытания одновременно работающих труб-сушилок (ТС) на БКРУ-1:ТС-1 (со вставкой), ТС-3 (с «тарелью»). Объектами сушки являлись флотационный и галургический КС1 с начальной влажностью 5,20 - 5,22 масс. %. Расход топочных газов составил для ТС-1 - 66258 м3/ч, а для ТС-3 - 78811 м3/ч, производительность обоих аппаратов в среднем составляла 72 ± 0,2 т/ч.

Результаты испытаний полностью подтвердили высокую эффективность использования разработанной конструкции вставки. При сопоставимых условиях эксплуатации удельные затраты условного топлива в сушилке со вставкой (ТС-1) в среднем сократились на 25,3 % по сравнению с ТС-3 с «тарелью». Одновременно достигнуто существенное сближение температур высушенного материала и отработанного теплоносителя, а именно, для мелкозернистого КС1 эта разность не превышала 11 °С, а для галургического КС1 она не достигала даже 8 °С. При работе ТС с «тарелью» эта разность составляет 15 °С и более.

Эти положительные изменения объясняются тем, что внутри вставки возникают локальные участки торможения (подъема) и разгона (падения), а в пространстве между вставкой и верхним концом трубы создаются перекрестные потоки газа и частиц. Благодаря этому увеличивается время пребывания материала в активной зоне сушилки.

В шестой главе проанализированы известные математические модели процесса сушки дисперсных продуктов в ТС. На основе промышленных испытаний разработано достаточно надежное математическое описание процесса

сушки KCl, в данном типе аппарата показана адекватность опытных и расчетных значений температур и влагосодержаний. Система уравнений движения частиц полидисперсного материала, кинетики сушки и нагрева материала совместно с уравнениями теплового и материального балансов представляет собой достаточно полную модель сушки в вертикальной ТС.

Необходимость уменьшения большого числа трудно определимых коэффициентов внешнего и внутреннего тепломассообмена привело к появлению моделей частного характера, касающихся только конкретного материала и основанные на уточняющих предпосылках (Андреева О.В., Титов В.А., Долматова М.О., Озерова Н.В., Рашковская Н.Б.)

Из уравнений баланса массы и тепла определим параметры, влияющие на изменение влагосодержания материала при сушке

GTW{z) + Gx(z) = GTW„+GXll, (13)

GTcT{t) t(z) + G с(в) e(z)+G[x(z)-xK]r(t) = GTcT(0 tH + Gc(0H) в(14)

Принимая во внимание, что массовая концентрация материала (¡и) в потоке равна Gj. IG, после некоторых преобразований уравнений (13) и (14) получим

С (-)., w& „-1 ^с'('•) + в'~с(в) *(«) (15)

W. цr\t)WH

Из уравнения (15) следует, что относительное влагосодержавие Cw(z) является функцией следующих параметров

об)

I м. r(t), W )

Очевидно, что правая часть уравнения (16) также должна представлять собой безразмерный комплекс. Наиболее вероятным ее выражением будет

С„(г) = /

-.RM). (17)

Этот комплекс характеризует отношение общей тепловой мощности теплоносителя на входе в сушилку к максимальным затратам тепла на испарение заданного количества влаги. Выбор начальных параметров процесса обуслов-

лен тем, что они являются определяющими и обеспечивают тот или иной режим сушки. Температура материала, как следует из уравнений (13) и (14), также зависит от параметров (16).

Представление комплексного показателя М (17) в безразмерном виде снимает ограничение на одинаковость начальных влагосодержаний и поэтому ее можно рассматривать как инвариантную характеристику заданного режима сушки. Этот инвариант, в основном и определяет конечные показатели сушки.

Для уточнения зависимости (8) для мелкозернистого KCl, полученной в лабораторных условиях, нами проведены обследования двух типов промышленных сушилок: ТС и ПС. Данные о взаимосвязи температуры и влагосодер-жания материала представлены на рис. 6.

140

Я 120 | 100

* 80 я

Б 60

g, 40 и 20

В о

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Влагосодержание, (0,01) кг/кг Рис. 6. Зависимость температуры KCl от его влагосодержания На полученной кривой имеются три участка. На первом из них в первые секунды нахождения материала в ТС наблюдается резкий скачок температуры материала от -20 до ~55 °С. На втором участке интенсивность испарения влаги превалирует над ростом температуры. На третьем, наоборот, наблюдается резкое повышение температуры при малом изменении влагосодержания.

Для первого прямолинейного участка определена величина температурного коэффициента сушки Ъ (18,14 ± 1,110С/масс. %). Температура KCl на этом участке может быть найдена по формуле: t = tH + b(W^-W,) (18). Для второго и третьего участков установлено уравнение

i = 48,39+1,19 (19)

Границе между вторым и третьим участками соответствует критическое

влагосодержание, близкое к 0,007 кг/кг, при котором характер зависимости / = /(у?) резко меняется.

Для установления связи коэффициентов уравнения (19) с параметрами сушки проведены промышленные испытания на БКРУ-1 с определением значений влагосодержания и температуры мелкозернистого КС1 по высоте ТС. В результате получены следующие зависимости

С;(АН«ф(-*^/Я)]" > (20) 7°'", (21)

М%^гв(1г)' (22) В = (0,29М2-0,53)0'5, (23)

к = 10,76-227,43^ + 2058,06РГ„2, (24) Л = 4,03-2,28 М +0,39 А/2, (25)

1 = снви + хя{г^спвн), (26)

=15,441п/-31,13, при /> 732,7 кДж/кг, (27)

1ит =18,491п/-52,57, при 1< 732,7 кДж/кг. (28)

Уравнения (18) и (21) позволяют найти граничную температуру между первым и вторым участками сушки. Выражения (20-25) справедливы в интервале: в = 350-600°С; = 0,04-0,06кг/кги,и= 1,5-2,0кг/кг.

При сушке КС1 решается внешняя задача, поэтому уравнение тепломассообмена в балансовой форме с учетом концентрации материала, затрат тепла на нагрев твердой фазы и испарение влаги можно выразить как

Теплоту фазового перехода (г„) обычно определяют по температуре кипения жидкости. Вследствие испарения в первом периоде до 80 % количества влаги температуру кипения целесообразно заменить на температуру мокрого термометра.

г = 2502-2,283 г -0,001бг^т. (30)

Как показывают расчеты, относительное число Рейнольдса (Яеотн) в промышленной ТС по высоте меняется мало и его можно определять по начальным параметрам процесса.

С учетом экспериментально полученного отношения / тТ дифференциальное уравнение движения частиц в восходящем потоке приобретает следующий вид

¿иг 0,377 £ р / (и -иг)2 g Я. „, Я и (к с1г ит ит 2 Б

(31)

Таким образом, математическая модель сушки мелкозернистого КС1 в ТС может быть представлена уравнениями (18, 20-31). В результате решения этой модели при начальных условиях: х = 0; V = в = ви; Г = Г„; Жн были определены графические зависимости изменения влажности, температуры КС1, скорости движения частиц, теплоносителя по высоте ТС и сопоставлены с данными 8 опытов (рис. 7 а- в).

Согласно этим данным нестационарность движения двухфазного потока по высоте ТС (пульсации) может быть обусловлена снижением скорости частиц на расстояниях более трех - четырех диаметров трубы от точки ввода.

8,0

£ 7,0

0 6,0

а л 5,0

а

о 4,0

3,0

2,0

1,0

0,0

1 а

А -

5ч Л 1 п - А о . Я

ж

I IX

о

в"

X *

3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 Высота трубы-сушилки, м

теплоноситель---с! = 0,912

<1 = 0,427 мм ...... <1 = 0,2 мм

4 5 6 7 8 9 Высота трубы-сушилки, м

10 11

120

I100

& 80

и

а 60

я

40

ё 20

Я

£ о

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 Высота трубы-сушилки, м

Рис. 7. Изменение влажности (а), скорости движения, (б) и температуры (в) частиц хлорида калия по высоте трубы-сушилки

Ошибка экспериментальных данных, определяемая по дисперсии воспроизводимости, для температуры КС1 составила 5,67 °С, для влажности - 0,56 %.

Адекватность математической модели промышленным условиям по критерию Фишера при уровне значимости, равном 0,05, соблюдается.

Таким образом, полученные зависимости показывают возможность их использования для инженерных расчетов труб-сушилок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Уравнение движения двухфазного потока на разгонном участке вертикальной трубы выражается с учетом двух коэффициентов - лобового сопротивления и трения. Значение модифицированного коэффициента трения в восходящем потоке частиц определяется с учетом концентрации дисперсного материала, относительного критерия Рейнольдса и геометрических размеров трубы,

= 0,5 НеЦ (к/ОГ ехр(-4к/Я)

2. Критическая влажность между периодами (0,97±0,08 масс. %) и их относительные коэффициенты сушки (0,981±0,016 и 1,038±0,047 1/масс. %) мало зависят от начальной влажности хлорида калия (2,59 - 8,10 %) и температуры теплоносителя (27 - 40 °С).

3. Интенсивность сушки хлорида калия в первом периоде оценивается кинетическим инвариантом (Я, г, =0,8 который можно использовать при проектировании сушильных аппаратов.

1

в с \ 7

4. л * о и : :

/ 4 г 8

/

- «1 й 2 Д 3 х 4 ж 5 об + 7 8 —Расчет

4.Уравнения, полученные при лабораторных исследованиях (/ = 51,08+1,09 И^-0'") и промышленных испытаниях ^ = 48,39+1,19 ИТ0-53), справедливы как для условий псевдоожижения, так и пневмотранспорта и отличаются друг от друга коэффициентами в среднем на 7,0 %.

5. Комплексный безразмерный показатель сушки М = с„ вн !{ц г{$и т)), выражающий отношение общей тепловой мощности теплоносителя на входе в сушилку к максимальным затратам тепла на испарение заданного количества влаги, совместно с уравнениями гидродинамики, кинетики и теплового баланса позволяет определить температуру, влажность и скорость частиц хлорида калия по высоте трубы.

6. Пульсирующий характер движения восходящего двухфазного потока в промышленных трубах-сушилках обусловлен снижением скорости частиц на расстояниях более трех-четырех диаметров трубы от места ввода влажного материала.

7. Основу усовершенствованной математической модели составляют аналитические зависимости, установленные при промышленных испытаниях пневматической трубы-сушилки. Адекватность разработанной математической модели при уровне значимости, равной 0,05, выполняется.

8. По результатам выполненных исследований разработаны и внедрены на Березниковском ОАО «Уралкалий» модернизированные трубы-сушилки с интенсифицирующими внутренними устройствами с фактическим экономическим эффектом 71 тыс. руб. и Губахинском ОАО «Метафракс» - 497 тыс. руб.

Условные обозначения

t - температура материала, град.С; \У, (С) - влагосодержание (концентрация влаги); кг влаги / кг сух. материала; в - температура теплоносителя; и - влажность материала, масс.%; N1 - скорость сушки в первом периоде, масс, %/с; г - время; ЛГР- коэффициент трения; Ркн, - силы инерции, сопротивления и тяжести,

соответственно н; коэффициент лобового сопротивления; Лм тр- модифицированный коэффициент трения; отпи - скорость 1-ой частицы и теплоносителя, м/с;

рт,р - плотность частиц и теплоносителя, кг/м3; коэффициент гидродинамического сопротивления i-ой частицы; Е^ - коэффициент осаждения частиц диаметрами dr и d,; кП7,- коэффициент восстановления нормальных составляющих скорости частиц диаметрами dyi при взаимных соударениях; А - коэффициент трения газа без твердой фазы; D - диаметр трубы, м; Кт- коэффициент Гастерштадга; е - порозность двухфазного потока; Р - давление, Па; ft - концентрация материала, кг/кг; h, Н - текущая и общая высоты трубы, м; z - продольная координата, м; с и ст - удельная теплоемкость газа и материала, кДж/(кг К); х - влагосодержание газа, кг/кг; г - теплота фазового перехода, кДж/кг; G,Gj- нагрузка по газу и материалу, кг/ч; b - температурный коэффициент, °С /%; К„от - коэффициент потерь тепла; fMT - температура мокрого термометра, °С; I - энтальпия теплоносителя, кДж/кг; М - комплексный показатель сушки; у - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; dr - диаметр твердой частицы, мм; тТ- масса твердой частицы, мг; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Индексы: «н» - начальное, «к» - конечное, «о» - опыт, «т» - твердое.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Даут В.А., Ожегов В.И., Загидуллин С.Х., Тимофеев И.Е. Опыт внедрения нового оборудования для кристаллизации, фильтрования и сушки пента-эритрита в Губахинском ПО «Метанол» // Пути совершенствования производства пентаэритрита: Сб. научн. тр. НИИХТ (г. Новосибирск). ЧФ НИИТЭХИМ, 1991.-С. 25-32.

2. Пащенко В.Н., Быков В.И., Шаймарданов В.Х., Тимофеев И.Е. Измельчение хлористого калия в процессе сушки. // Известия высших учебных заведений. Химия и хим. технология, 1980, - Т. 23. Вып. 2. - С. 231 - 234.

3. Тимофеев И.Е., Пащенко В Д., Ложкин А.Ф., Коркин А.М., Зайнуллина А.Ш. Совершенствование процесса сушки хлористого калия в трубах-сушилках. // Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии. Тез. докл. Всесоюзного совещания - Сумы, 1986 - С. 168.

4. Тимофеев И.Е., Пащенко В.Н., Калегин А.Д., Загидуллин С.Х. Исследование гидродинамических характеристик двухфазного потока на начальном

участке вертикальной трубы. Интенсивная механическая технология сыпучих материалов: Межвуз. сб. научн. тр. / Иван, хим.-технол. ин-т. - Иваново, 1990. -С. 118-122.

5. Тимофеев И.Е., Пащенко В.Н., Калегин А.Д., Загидуллин С.Х. Влаго-содержание и температура зернистого материала в математической модели сушки // Сб. научн. тр. XIII Междунар. научн. конф., С.-Петербург, 2000. Т. 3. -С. 70-71.

6. Тимофеев И.Е., Пащенко В.Н., Калегин А.Д., Тимофеев И.И. Влияние сепарирующих устройств в осадительной камере пневматической сушилки на эффективность использования тепла. Наука в решении проблем Верхнекамского промышленного региона. Сб. научн. тр. Вып. 2.-Березники, 2002.-С. 230 -237.

7. Тимофеев И.Е., Загидуллин С.Х., Калегин А.Д., Тимофеев И.И. О некоторых закономерностях конвективной сушки хлористого калия // Сб. научн. трудов ПГТУ, т. II. Пермь. Проблемы и перспективы химической промышленности на Западном Урале, 2003 г. - С. 5 -11.

8. Тимофеев И.Е., Загидуллин С.Х., Калегин А.Д., Тимофеев И.И. Изучение некоторых закономерностей сушки технического хлористого калия. // Химическая промышленность, 2005. № 12. - С. 610 - 615.

9. Тимофеев И.Е., Загидуллин С.Х., Мошев Е.Р., Шестаков Е.А., Тимофеев И.И. Математическое описание сушки зернистого материала в пневматической трубе // Сб. научн. статей I Международной НТК. Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем. Пенза, 2006. - С. 206 - 210.

10. A.c. 1382100 СССР, МКИ F26 В 17/10. Сушилка для зернистых материалов / А.М. Коркин, В.И. Городецкий, Н.Ф. Зайцев, А.М. Вахрушев, Б.П. Ха-рин, В.Н. Пащенко, И.Е. Тимофеев. Заявка № 3945902.

11. A.c. 1288470 СССР, МКИ F26 В 17/10. Установка для конвективной сушки. В.Н. Пащенко, И.Е. Тимофеев, А.Ш. Зайнуллина, В.А. Бабушкин, В.Д. Фот, А.М. Коркин. Заявка № 3727068.

Отпечатано в ОАО ИПК «Соликамск». Тираж 110. Заказ 5054.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИКИ И СУШКИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНВЕКТИВНЫХ СУШИЛКАХ

1.1. Гидродинамика движения двухфазного потока в вертикальной трубе 1. 1. 1. Некоторые особенности гидродинамики процесса сушки в пневматических сушилках.

1. 1.2. Гидродинамические характеристики двухфазного потока в вертикальной трубе.

1. 2. Процесс конвективной сушки дисперсного материала

1.2. 1. Кинетические показатели конвективной сушки дисперсных материалов.

1. 2. 2. Анализ работы существующих аппаратов для конвективной сушки хлорида калия.

1. 2. 3. Основные закономерности и расчет процесса сушки хлорида калия в конвективных сушилках.

Выводы.

Цели и задачи исследований.

2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИКИ И ПРОЦЕССА СУШКИ ХЛОРИДА КАЛИЯ

2. 1. Методика лабораторных исследований гидродинамики аэровзвеси на разгонном участке вертикальной трубы.

2.2. Методика лабораторных исследований кинетики сушки.

2. 3. Методика лабораторных исследований эффективности использования тепла в пневматической сушилке.

2. 4. Методика испытаний промышленных труб-сушилок по определению температуры и влагосодержания хлорида калия по высоте аппарата.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ АЭРОВЗВЕСИ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРУБЕ

3.1. Предпосылки к определению модифицированного коэффициента трения при движении восходящего двухфазного потока в вертикальной трубе.

3. 2. Обоснование выбора уравнения движения частиц в вертикальной трубе.

3.3. Анализ результатов гидродинамических исследований.

Выводы.

4. ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ХЛОРИДА КАЛИЯ

4. 1. Результаты экспериментальных исследований кинетики сушки.

Выводы.

5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ТРУБЕ-СУШИЛКЕ

5. 1. Конструктивное совершенствование пневматических сушилок.

5. 2. Анализ результатов лабораторных исследований эффективности использования тепла в пневматической трубе.

5. 3. Опытно-промышленные испытания модернизированной трубы-сушилки с внутренними контактными устройствами.

Выводы.

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ХЛОРИДА КАЛИЯ В ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ТРУБЕ-СУШИЛКЕ

6. 1. Анализ математического описания процесса сушки зернистых материалов.

6. 2. Выявление комплексного показателя конвективной сушки хлорида калия в пневматической сушилке.

6. 3. Оценка адекватности модифицированного коэффициента трения для промышленных условий.

6. 4. Уравнение движения частиц хлорида калия в восходящем потоке.

6. 5. Математическая модель процесса сушки хлорида калия в пневматической трубе-сушилке.

Выводы.

Актуальность работы. Сушка в производстве минеральных удобрений является завершающим технологическим процессом, который в значительной мере определяет качество продукта по содержанию влаги, дисперсному и химическому составу, слеживаемости и др. Для сушки хлорида калия (КС1), являющегося основным видом калийных удобрений, используют барабанные сушилки (далее БС), сушилки псевдоожиженного слоя (ПС) и пневматические трубы-сушилки (ТС).

В настоящее время наиболее распространенными и изученными являются установки ПС. Однако длительный опыт эксплуатации выявил их существенные недостатки. В первую очередь, это неизбежный перегрев высушиваемого материала и связанное с этим снижение термического к. п. д. сушки и необходимость охлаждения продукта перед складированием и др.

К более новым и менее изученным относятся пневматические трубы-сушилки. По некоторым показателям они пока уступают сушилкам ПС, но выгодно отличаются простотой конструкции и малой металлоемкостью, легкостью управления, обслуживания и др. Кроме того, они работают под разрежением, что обеспечивает большую безопасность и хорошие санитарные условия. Перечисленные достоинства позволяют отнести сушилки ТС к одним из наиболее перспективных типов аппаратов. Однако в полной мере реализовать их преимущества можно лишь на базе комплексного изучения всех особенностей работы данных аппаратов, включая кинетику сушки, гидродинамику движения двухфазного потока, разработку уточненной математической модели процесса и др.

Диссертационная работа выполнена по результатам поисково-постановочных исследований, планов НИР университета и гранта, удостоенного в рамках «Соглашение о сотрудничестве» от 31 января 2006 г. между ОАО «Уралкалий», ОАО «Сильвинит» и ПГТУ. и

Цель работы. Установление основных тепломассообменных и гидродинамических показателей конвективной сушки дисперсного материала и на этой основе совершенствование конструкции труб-сушилок для более эффективного использования термического потенциала теплоносителя.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать гидродинамику газовзвеси в пневматической трубе;

- определить кинетические закономерности сушки КС1 при различных тепловых и гидродинамических режимах;

- исследовать сушку КС1 в промышленных аппаратах;

- разработать математическую модель сушки хлорида калия в трубе-сушилке.

Научная новизна исследований:

- на основе экспериментальных исследований движения восходящего двух-ного потока на разгонном участке вертикальной трубы установлена зависимость модифицированного коэффициента трения от геометрических размеров трубы, концентрации материала и относительного критерия Рейнольдса;

- численные значения относительных коэффициентов сушки для первого и второго периодов, критической влажности между ними получены при различных температурах теплоносителя и начальной влажности хлорида калия;

- из обобщенной кривой сушки, характеризующей разные гидродинамические и тепловые условия процесса, определен кинетический инвариант, связывающий между собой начальную влажность хлорида калия, скорость сушки и время первого периода;

- по данным лабораторных исследований и промышленных испытаний пневматических сушилок и аппаратов псевдоожиженного слоя установлена общая аналитическая зависимость между температурой и влагосодержанием хлорида калия;

- на основе анализа материального и теплового балансов обоснован комплексный безразмерный показатель сушки, выражающий отношение общей тепловой мощности сушильного агента на входе в аппарат к максимальным затратам тепла на испарение заданного количества влаги; с учетом известных и вновь полученных зависимостей разработана достаточно полная усовершенствованная математическая модель конвективной сушки хлорида калия в пневматической трубе-сушилке.

Практическое значение работы. Установленные кинетические закономерности сушки КС1 и гидродинамические характеристики движения двухфазного потока использованы при совершенствовании действующих и разработке новых сушильных аппаратов. Теоретические и экспериментальные данные, положенные в основу усовершенствованной математической модели сушки частиц с поверхностной влагой, дают возможность моделировать и оптимизировать сушку аналогичных материалов в дисперсных потоках. Результаты разработки позволяют упростить методику расчета процесса сушки и более эффективно использовать существующее в калийной отрасли оборудование.

Основные научные положения, выносимые на защиту: теоретическое обоснование уравнения движения двухфазного потока на разгонном участке вертикальной трубы с учетом коэффициента гидродинамического сопротивления и модифицированного коэффициента трения; определение влияния начальной влажности хлорида калия и температуры теплоносителя на значения относительных коэффициентов сушки и критической влажности между периодами; установление кинетического инварианта как одного из основных характеристик процесса сушки твердых частиц с поверхностным солевым раствором; определение в условиях псевдоожижения и пневмотранспорта общей аналитической зависимости между температурой и влагосодержанием хлорида калия при различных гидродинамических и тепломассообменных параметрах; теоретическое обоснование комплексного безразмерного показателя сушки, характеризующего определенный тепломассообменный режим и установление возможности использования его в качестве исходного оптимизирующего воздействия.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на применении основополагающих физических законов, надежных методов теоретического и экспериментального исследований. Соблюдается хорошее соответствие результатов лабораторных и промышленных испытаний, опытных и расчетных показателей изучаемого процесса.

Личный вклад автора. Автором внесен основной творческий вклад в большинство опубликованных работ. Осуществлена постановка задач и их решение. Обобщены результаты исследований и установлены закономерности процесса; составлены методики экспериментальных исследований; участие в разработке технических решений.

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные разделы докладывались на Всесоюзн. НТС «Повышение эффективн. и надежн. машин и аппаратов в основной химии», г. Сумы, 1986 г.; Всесоюзн. совещ. «Калийные удобрения и их эффективное использование», г. Солигорск, 1988 г.; Всерос-сийск. научно-практ. конф. «Проблемы образования, научно-технич. развития и экономики Уральского региона», г. Березники, 1996 г.; Междунар. научн. конф. «Математические методы в технике и технологиях», г. С.-Петербург, 2000 г.;

1 Междунар. НТК «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем», г. Пенза, 2006г., а также годовых НТК ПермГТУ, 1998-2003 г.г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных статьей, в том числе 2 в журналах, рекомендуемых ВАК и получены

2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав и общих выводов, изложенных на 137 страницах машинописного текста, 41 рисунка, списка литературы, включающего 133 наименования и Приложения.

Выводы

1. В теории математического описания процесса сушки развиваются как простые, так и сложные модели. Первые из них чаще описывают только первый период, а вторые - оба периода процесса. В наиболее полных моделях в качестве исходных допущений принимают изменение температуры и влагосодержа-ния материала по экспоненциальному закону, что не всегда оправдано.

2. Известная модель процесса сушки хлорида калия проверена на адекватность при производительности аппарата, не превышающей 1,5-3 т/ч.

3. По данным промышленных испытаний установлено численное значение температурного коэффициента сушки хлорида калия для первого участка кривой, отражающей зависимость t — f(W). Для последующих участков этой кривой определена зависимость изменения температуры материала от его вла-госодержания, которая незначительно отличается от уравнения, полученного в ходе лабораторных исследований.

4. На основе анализа теплового баланса конвективной сушки предложен комплексный безразмерный показатель, (инвариант), который отражает максимальные возможности сушилки по количеству испаренной влаги.

4. Гидродинамическое подобие модифицированного коэффициента трения между опытными и промышленными условиями подтверждается четырьмя определяющими критериями, которые различаются для изученных условий не более 15 %.

5. Снижение скорости частиц на расстоянии трех — четырех диаметров трубы от места ввода влажного материала, вероятно, приводит к пульсирующему характеру движения восходящего двухфазного потока в промышленных аппаратах.

6. . Адекватность математической модели промышленным условиям проверена по критерию Фишера. При уровне значимости, равном 0,05, условие адекватности соблюдается.

126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлен характер изменения модифицированного коэффициента трения по высоте вертикальной трубы в зависимости от геометрических и гидродинамических параметров движения двухфазного потока. Обосновано уравнение движения двухфазного потока в вертикальной трубе.

2. Определено, что критическая влажность и относительные коэффициенты сушки хлорида калия не зависят от начальной влажности материала. Установлена зависимость температуры хлорида калия от его текущего влагосодержания при различных тепловых и гидродинамических условиях сушки.

3. Для оценки интенсивности сушки хлорида калия в первом периоде предложен инвариант данного процесса.

4. Предложен комплексный безразмерный показатель сушки (М), позволяющий определять совместно с уравнениями гидродинамики, кинетики и теплового баланса температуру, влажность и скорость частиц хлорида калия по высоте трубы.

5. Определен ряд аналитических зависимостей, составляющих основу уточненной математической модели процесса сушки КС1 в пневматической трубе-сушилке. Установлена адекватность разработанной модели фактическим показателям процесса в промышленном аппарате.

6. Зависимости, полученные в ходе экспериментальных и теоретических исследований, можно использовать в методике инженерного расчета процесса сушки дисперсных материалов в пневматической сушилке.

7. По результатам выполненных исследований разработаны и внедрены на Березниковском ОАО «Уралкалий» модернизированные ТС с фактическим экономическим эффектом 71 тыс. руб. и Губахинском ОАО «Метафракс» с фактическим экономическим эффектом 497 тыс. руб.

1. Амелин А.Г. Общая химическая технология. М.: Химия, 1977. 400 с.

2. Андреева О.В., Парецкий В.М., Светозарова Г.Н. Определение зависимостей между основными параметрами процесса сушки шихты в трубе-сушилке с использованием математической модели // Цветная металлургия, 1998, № 1. -С. 74-78.

3. Бабуха Г.Л., Рабинович М.Н. Механика и теплообмен потоков полидисперсной газовзвеси. Киев.: Наукова думка, 1969. 218 с.

4. Бабуха Г.Л., Шрайбер А.А. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потока. Киев.: Наукова думка, 1972. 174 с.

5. Бажал К.И., Радовольский Г.В. Кинетика влагоотдачи при сушке фильтрационного осадка сахарного производства. // Промышленная теплотехника, 1987, Т. 9, № 1.-С. 101 102.

6. Баумштейн И.П. Об оптимальном управлении процессом сушки в аппаратах с поперечной подачей сушильного агента. // Химическая промышленность, 1964, № 9. с. 54-57.

7. Белов В.Н., Соколов А.В. Добыча и переработка калийных солей. Л.: Химия, 1971.-320 с.

8. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо-и теплообмен в дисперсных системах. Л.: Химия, 1977 — 280 с.

9. Галерштейн Д.М. О распределении дисперсного материала в поперечном сечении потоков газовзвеси. // Исследование процессов переноса в аппаратах с дисперсными системами. Минск.: Наука и техника, 1969. 196 с.

10. Галерштейн Д.Н., Эльперин И.Т. Исследование структуры двухфазного потока. // Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах. Минск.: Наука и техника, 1966. С. 256—264.

11. Галургия. Под ред. И.Д. Соколова. Л.: Химия, 1983. 368 с.

12. Гастерштадт Н. Пневматический транспорт Л.: Сев. зап. обл. промбюро, ВСХН, 1927,- 119 с.

13. Горбис З.Р., Календерьян В.А. Теплообменники с проточными дисперснымитеплоносителями. М.: Энергия, 1975. 296 с.

14. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. М.: Энергия. 1970.-424 с.

15. ГОСТ 20851.4-75 Удобрения минеральные. Методы определения воды.

16. Давитулиани В.В. Приближенный метод расчета динамики сушки в продуваемом слое зернистого материала. // Химическая промышленность, № 6, 1979. -С. 40-42.

17. Дзядзио A.M., Кеммер А.С. Пневматический транспорт на зерноперераба-тывающих предприятиях. М.: Колос, 1967. 295 с.

18. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиз-дат, 1981.-472 с.

19. Догин М.Е., Карпов А.Н. Расчет сопротивления разгонного участка при пневмотранспорте. ИФЖ, 1961, Т.4, № 7. С. 47 - 51.

20. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Оптимизация процессов распылительной сушки. Киев.: Наукова думка. 1984. 238 с.

21. Долматова М.О. Исследование процесса сушки асбестовых руд и сульфидных концентратов в трубах-сушилках с интенсифицирующими вставками. Диссертация канд. техн. наук — Екатеринбург. 2004. — 186 с.

22. Дьячко А.Г., Лодысева М.С., Соловьев А.А., Осипова О.А. Построение математической модели процесса сушки пылевидных металлургических материалов во взвешенном состоянии. // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 1985, №6.-С. 81-85.

23. Дьячко А.Г., Лодысева М.С., Соловьев А.А., Осипова О.А. Новый подход к моделированию процессов сушки во взвешенном состоянии. ГНИИЦМЕТ, № 1885.-90 с. Деп.

24. Дэвидсон Н.Ф., Харрисон Д. Псевдоожижение. М.: Химия, 1974. 728 с. 26.

25. Каганович Ю.Я. Промышленное обезвоживание в кипящем слое. Л.: Химия,1990.- 144 с.

26. Каганович Ю.Я., Злобинский А.Г. Промышленные установки для сушки в кипящем слое. Л.: Химия, 1970. — 176 с.

27. Каганович Ю.Я., Злобинский А.Г., Налимов С.П. Обезвоживание растворов в псевдоожиженном слое. // Хим. промышленность, 1967, № 6. С. 47 - 51.

28. Казакова Е.А. Гранулирование и охлаждение азотосодержащих удобрений. М.: Химия, 1980.-288 с.

29. Калегин А.Д., Воробьев А.В., Баландин В.М., Тимофеев И.Е. Изменение влагосодержания флотоконцентрата по высоте труб-сушилок. // Хим. промышленность, 1978, № 9. С. 46 - 47.

30. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, М.: Химия, 1973.-750 с.

31. Кардашов Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. М.: Химия, 1990. 208 с.

32. Каспер В.И. О некоторых вопросах сушки зерна в пневмогазовых рециркуляционных зерносушилках. // Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах. Минск.: Наука и техника, 1966. — С. 70 — 78)

33. Каспер В.И. Исследование кинетики нагрева и расчет сушки зерна в восходящем потоке газов. ИФЖ, 1964, Т. 7, № 3. С. 10 - 16.

34. Каспер В.И. Исследование процесса сушки зерна в пневмотрубе рециркуляционной сушилки. Канд. диссертация. Минск, 1964. — 164 с.

35. Кис Л.М., Ярушина И.С. Новое в аппаратурном оформлении сушки продуктов калийных производств. Научно-технический реферативный сборник. Серия. -Калийная промышленность. М.: НИИТЭХИМ, 1983. Вып. 6. С. 17 - 18.

36. Коркин A.M., Городецкий В.И., Зайцев Н.Ф., Вахрушев A.M., Харин Б.П., Пащенко В.Н., Тимофеев И.Е. А.с. №1382100. Сушилка для зернистых материалов.

37. Коркин A.M., Ярушина И.С., Тимофеев И.Е., Казакова Н.А. Выбор технологии сушки солей для установок деминерализации шахтных вод. Сб. научных тр. -Пермь, 1987.-С. 25-32.

38. Красников В.В. Закономерности кинетики сушки влажных материалов. // ИФЖ, 1970, Т. 19, № 1.-С. 34-41.

39. Красников В.В. Методы анализа и расчета кинетики сушки. // Хим. промышленность, 1979, № 7. С. 40 - 43.

40. Крылов B.C. Теоретические аспекты интенсификации процессов химической технологии межфазного обмена. // ТОХТ, 1983. Т. 17, № 3. С. 15-30.

41. Куц П.С., Шкляр В.Я., Ольшанский В.Н. Обобщенное уравнение кинетики процесса конвективной сушки влажных материалов. // ИФЖ, 1987. Т. 53, № 1. — С. 90-96.

42. Лабутин В.А., Голубев Л.Г., Сафин Р.Г., Андрианов В.П. Нестационарный тепломассоперенос при сушке понижением давления. //ИФЖ, 1983. Т. 45, № 2. -С. 272-275.

43. Лабутин Г.В., Меламед Р.Н. Труды ВАМИ. Вып. 46, 1960. С. 72.

44. Лисовая Г.К. Разработка комбинированной сушилки (труба и циклон) и исследование в ней процесса сушки минеральных солей. Автореферат диссертации канд. техн. наук. Свердловск, 1986. — 17 с.

45. Лопатин В.В., Жуковский Э.К., Боровский В.Р. Кинетика сушки стружки сахарной свеклы в продуваемом слое. // Промышленная теплотехника, 1986. Т. 8, №5.-С. 28-30.

46. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.

47. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970.^130 с.

48. Лыков М.В., Леончик Б.И. Распылительные сушилки. М.: Машиностроение, 1966.-331 с.

49. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М-Л.: Госэнергоиздат, 1956.-464 с.

50. Любошиц Н.Л. Пневмогазовая зерносушилка с контактным массообменном осциллирующим режимом. // Тепло- и массоперенос. М-Л.: Госэнергоиздат, 1963.-С. 78-88.

51. Любошиц Н.Л. Исследование комплекса нагрев-охлаждение в рециркуляционных сушилках с осциллирующим режимом. // Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах. Минск.: Наука и техника, 1966. — С. 19 — 25.

52. Любошиц Н.Л., Пикус И.Ф., Алханашвили Н.Г. О некоторых закономерностях сушки сахара-песка в пневмотрубе с наружным обогревом. // ИФЖ, 1968. Т. 14, №4.-С. 726-730.

53. Любошиц Н.Л., Тутова Э.Г. К вопросу теплообмена в комбинированной прямоточно-противоточной пневмосушилке. // Вопросы интенсификации переноса тепла и массы в сушильных и термических процессах. Минск.: Наука и техника, 1967. С. 22 - 27.

54. Любошиц Н.Л., Шейман В.А., Тутова Э.Г. Некоторые вопросы интенсификации процессов тепло- и массообмена. // Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах. Минск.: Наука и техника, 1966. — С. 153 — 168.

55. Любошиц Н.Л., Шейман В.А., Тутова Э.Г. Теплообменные аппараты типа «газовзвесь». Минск.: Наука и техника, 1969. С. 216.

56. Лященко П.В. Гравитационные методы обогащения. М.-Л.: Гостоптехиздат, 1940.-358 с.

57. Макаренко К.Д. К вопросу о скорости движения частиц в восходящей газовзвеси // Вопросы интенсификации переноса тепла и массы в сушильных и термических процессах. Минск.: Наука и техника, 1967. — С. 58 67 с.

58. Молоков С.А. Математическое обеспечение исследования критических режимов пневмотранспортирования сыпучих материалов: Диссертация канд. техн. наук. Воронеж, 1999. — 109 с.

59. Муштаев В.Н., Ульянов В.М., Тимонин А.С. Сушка в условиях пневмотранспорта. М.: Химия, 1984. — 232 с.

60. Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов. М.: Химия, 1988.-352 с.

61. Муштаев В.И., Тимонин А.С., Лебедев В.Я. Конструирование и расчет аппаратов с взвешенным слоем. М.: Химия, 1991. 344 с.

62. Обезвоживание растворов в кипящем слое. Под редакцией Тодеса О.М. М.: Металлургия, 1973. 288 с.

63. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. Л.: Химия, 1984. 104 с.

64. Пащенко В.Н., Быков В.И., Шаймарданов В.Х., Тимофеев И.Е. Измельчение хлористого калия в процессе сушки. // Известия высших учебных заведений. Химия и хим. технология, 1980. Т. 23, вып. 2. С. 231 - 234.

65. Пащенко В.Н., Бабушкин В.А., Тимофеев И.Е., Фот В.Д., Лимкин В.А., Вах-рушев A.M., Чистяков А.А., Папулов Л.М. А.с. №1101646. Пневмосушилка для дисперсных материалов.

66. Пащенко В.Н., Катызин Г.П. Влияние аминов на процесс сушки хлористого калия. // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, 1979. Т. 22, вып. 12.-С. 1520- 1521.

67. Пащенко В.Н., Тимофеев И.Е., Зайнуллина А.Ш., Бабушкин В.А., Фот В.Д., Коркин A.M. А.с. №1288470. Установка для конвективной сушки.

68. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. М.: Химия, 1979. 288 с.

69. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1972. -496 с.

70. Полухин А.Н., Шилкин И.Ю., Володин Н.П., Туганов Н.В. Методика определения характеристик двухкомпонентных потоков при пневмотранспорте. // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 1985, № 5—С.56—60.

71. Промышленность минеральных удобрений. Преодоления кризиса и спада на мировом рынке. // Хим. промышленность, 2000, № 2. — С. 9 15

72. Рабинович Г.Д. Теория теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов. Минск.: Изд. АН БССР, 1963.-281 с.

73. Рабинович Г.Д. Расчет теплообменного аппарата типа «газовзвесь». // Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах. Минск.: Наука и техника, 1966.-334 с.

74. Разин М.М. Об инвариантах процесса конвективной сушки. // ИФЖ, 1992. Т. 63, № 4. С. 442 - 448.

75. Разумов И.М. Пневмо- и гидротранспорт в химической промышленности. М.: Химия, 1979.-248 с.

76. Разумов И.М. Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов. М.: Химия, 1972.-240 с.

77. Рашковская Н.Б., Озерова Н.В., Кушакова А.Д., Осинский В.П. К вопросу сушки материалов в пневматической трубе-сушилке. Хим. промышленность, 1983, №3.-С. 178- 180.

78. Репринцева С.М., Федорович Н.В. К вопросу движения дисперсного материала в вертикальных замкнутых каналах. // Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах. Минск.: Наука и техника, 1966. 334 с.

79. Романков П.Г. Развитие теории и практики сушильных и абсорбционных процессов. ТОХТ, 1987. Т. 21, №1. 35 - 43.

80. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. Л.: Химия, 1974. 288 с.

81. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. JL: Химия, 1968.-360 с.

82. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. JL: Химия, 1979.-272 с.

83. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. JL: Химия, 1990. — 384 с.

84. Романов B.C., Лебедев В .Я., Барулин Е.П., Кисельников В.Н. Сушка минеральных солей в двухступенчатой циклонной сушилке. // Технология минеральных удобрений. Межвуз. сб. научн. тр. Л.: ЛТИ, 1979. С. 118 - 122.

85. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия, 1980.-248 с.

86. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия, 1984. — 320.

87. Сажин Б.С., Гудим Л.И., Реутский В.А.Гидромеханические и диффузионные процессы. М.: Легпромбытиздат, 1988. -200 с.

88. Снежкин Ю.Ф., Боряк Л.А. Исследование теплообмена при сушке яблочных выжимок. // Промышленная теплотехника, 1986. Т. 8, № 3. — С. 71 74.

89. Таганцева Т.Д. К вопросу о сушке фрезерного торфа во взвешенном состоянии // Всесоюзное совещание по сушке. Секция энергетическая. М.: Профиздат, 1985.-С. 72-83.

90. Таубман Е.И., Горнев В.А., Мельцер В.Л., Пастушенко Б.Л., Савинкин В.И. Контактные теплообменники. М.: Химия, 1988. 256 с.

91. Теверовский Е.Н., Дмитриев Е.С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. М.: Энергоатомиздат, 1988. — 160 с.

92. Тимонин А.С., Логунов В.Ф., Муштаев В.Н. К расчету термодинамических параметров процесса сушки. // ТОХТ, 1986. Т. 20, № 5. С. 689 - 690.

93. Тимофеев И.Е., Загидуллин С.Х., Калегин А.Д., Тимофеев И.И. Изучение некоторых закономерностей сушки технического хлористого калия.// Хим. промышленность, 2005. № 12. С. 610 - 615.

94. Тимофеев И.Е., Пащенко В.Н., Зайнуллина А.Ш. Определение температуры точки росы на промышленных установках при сушке хлористого калия // Калийные удобрения и их эффективное использование. Тез. Докл. Всесоюзного совещания —Солигорск, 1988.-С. 104

95. Тимофеев И.Е., Пащенко В.Н., Калегин А.Д., Загидуллин С.Х. Влагосодержание и температура зернистого материала в математической модели процесса сушки // Сб. научи, тр. 13 Международной научной конференции, Санкт-Петербург, 2000. Т. 3. С. 70 - 71.

96. Титов В.А. Разработка и исследование математической модели с целью оптимизации процесса сушки в трубах-сушилках. Диссертация на соискание уч. степени к.т.н. Свердловск 1985г. 175 с.

97. Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1981.-296 с.

98. Уланова Е.С., Забелин В.Н. Методы корреляционного и регрессионного анализа в агрометеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. — 207 с.

99. Ульянов В.М., Муштаев В.Н., Плановский А.Н. К расчету гидродинамики дисперсных двухфазных потоков. // Теор. основы хим. технологии, 1977. Т. 11, №5.-С. 716-723.

100. Федоров И.М. Теория и расчет процесса сушки. Л.: Госэнергоиздат, 1955.

101. Филиппов В.А. Конструкция, расчет и эксплуатация устройств и оборудования для сушки минерального сырья. М.: Недра, 1979. 309 с.

102. Филиппов В.А. Технология сушки и термоаэроклассификации углей. М.: Недра, 1987.-287 с.

103. Фролов В.Ф., Фам Суан Тоан. Сушка дисперсных материалов в движущемся слое. // ЖПХ, 1983. Т. LVI, № 6. С. 1401 - 1402.

104. Фролов В.Ф. Моделирование сушки дисперсных материалов. Л.: Химия, 1987.-208 с.

105. Чайченец Н.С., Гинзбург А.С., Мамбеткулов Е.Б., Чайченец С.С. Математическое моделирование процессов в теплонасосной сушильной установке с солнечным коллектором. // ТОХТ, 1992. Т. 26, № 5. С. 725 — 731.

106. Шейман В.А. К вопросу о расчете пневмогазовых сушилок. // ИФЖ, 1963. Т. 6, №4.-С. 61-66.

107. Шейман В.А. Экспериментальное исследование процесса сушки во взвешенном состоянии. // ИФЖ, 1963. Т. 6, № 5. С. 63 - 69.

108. Шейман В.А., Зелепуга А.С. О кинетике нагрева дисперсных материалов при сушке в виброкипящем слое. // ИФЖ, 1969. Т. 17, № 4. С. 600 - 609.

109. Шейман В.А., Каспер В.Н. К вопросу о движении материала в вертикальном потоке газов // ИФЖ, 1963. Т. 6, № 3. С. 63 - 67

110. Шейман В.А., Уваров Ю.П., Бараненко Н.Д., Ермолаев А.Г., Быльков Ю.В., Воробьев А.В. Промышленные сушилки для калийных солей. // Хим. промышленность, 1975, № 4. С. 54 - 58.

111. Шрайбер А.А., Глянченко В.Д. Термическая обработка полидисперсных материалов в двухфазном потоке. Киев.: Наукова думка. 1976. — 155 с.

112. Шрайбер А.А., Милютин В.Н., Яценко В.П. Гидромеханика двухкомпо-нентных потоков с твердым полидисперсным веществом. Киев.: Наукова думка, 1980.-252 с.

113. Шубин А.А., Кисельников В.Н., Волков В.В., Шварева Г.Н. Кинетика сушки полимерных материалов. // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, 1983. Т. 26, № 8. С. 998 - 1001.

114. Юркина М.И., Попов Г.Н. Экспериментальное определение фактора формы частиц галургических продуктов. // Обогащение калийных руд. Труды ВНИИГа. Л.: 1972, вып. 57.- 199 с.

115. Fyhr Christian, Kemp Ian С. Comparison of different drying kinetics models for single particles. Drying Technology. 1998. 16, № 7. P. 1339 - 1369.

116. Kroll К. Forderluft-Trockner: Teil 1. Aufbereitungs-Technik, 1967, № 6. S. 312-323.

117. S. Matsumoto, D.C.T. Pei. A Mathematical analysis of pneumatic drying of grains. J. Heat Mass Transfer, 1984, v. 27, № 6. - P. 843 - 855.

118. Namkung Won, Cho Minyoung. Pneumatic drying of iron ore particles in a vertical tube. Drying Technology. 2004. 22, № 4. p. 877 891.

119. Ottjes J. A., Digital simulation of pneumatic particle transport // Chemical Engineering Science, 1978, vol. 33. P. 783-786.

120. Paixao A.E.A., Rocha S.C.S. Pneumatic drying in diluted phase: Parametric analysis of tube diameter and mean particle diameter: Pap. IADC Inter - Amer. Drying Conf., Sao Paulo, July, 1997. Dryina Technology. 1998. 16, № 9 - 10. - P. 1957-1970.

121. Papai L. A pneumatikus szallitas elmsletsnek tovabbfejiestsse Pattantyus elvei alapjan. Gep. 1985. 37, № 6. P. 201-204.

122. Rubinow S.I., Keller J.B. The transverse force on a spinning sphere moving in a viscous fluid///FluidMech/196l.-V. 11. № 3.-P. 447-459.

123. Sinclair J.L., Jackson P.// AIChE Journal. 1989. № 35(9). P. 1473.

124. Wirth R. E. Critical transport velocity with vertical pneumatic conveying. Worldcongress on particle technology proceedings of the. Nuernberg; BRD, 1986. -P. 339-349.

125. Масса отсечек частиц речного песка по высоте вертикальной трубы