автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка аппаратурного оформления и метода расчета процесса сушки высоковлажных материалов от органических растворителей с применением сброса давления

РГ6 од

ГЮСГОВСКАЯ ОРДЕНА ТРУДОВОЙ) КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ] 0" [1$$Д^сЗ§ЕННАЯ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ им. А.Н.ЮСЫГиНА

На правах рукописи УДК 66.047.791/088.8/

ШАКИГОВ АЙДАР ФАИЗОВИЧ

РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНОЙ) ОФОРМЛЕНИЯ И МЕТОДА ■ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА СУШКИ ВЫСОКОВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ СЕГОСА • ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.17.08 Процессы и аппарата химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ '

диссертации на соискание'ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете

Научный руководитель -доктор технических наук,

профессор Л,Г.Голубев

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А.П.Фокин

кандидат технических

наук, доцент Т.Ю.Журавлева

Ведущая организация:

Казанский научна-исоледовательский технологический и проектный институт химико-фотографической' промышленности производственного объединения "Тасма" /КАЗНШТЕХФОТОПРОЕКТ/, г. Казань

Защита состоится 10 - ЮОкА_ 1993 г. в_

часов на заседании специализированного совета К 053.25.06_b Московской ордена Трудового Красного Знамени государственной ' текстильной академии им. Л.Н.Косыгина по адресу: 117918, Москва, М.Калужская ул., д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " ^¡.(о " 1993 г.

Учлшй секретарь " •специализированного совс^а кандидат технических наук, поцент

Л.

о

М.К.Кошзлева

АННОТАЦИЯ

В диссертационной работе изложена результаты теоретических и экспериментальных исследований сушки высоковлакных натериалов от органических растворителей с применением сброса давления, выполненных о целью создания аппаратурного оформления процесса. Разработана математическая модель процесса распыления материалов о различными коллоидно-физическими свойствами. Приведено описание процессов, протекающих в паровой фазе и в материале. Представлены результаты 'теоретических и экспериментальных исследований: выявлено влияние режимных параметров процесса на интенсивность удаления влаги из материала, показана целесообразность использования сушки с применением сброса давления для удаления . легколетучих жидкостей.

Разработана инженерная методика расчета процесса суши с применением сброса давления. Результаты работы реализованы в промышленности. _ • , 1

Автор защищает:

- математическую модель процесса суши высоковлажных материалов от органических растворителей с применением сброса давления;

- результаты математического моделирования и экспериментальных исследований процесса сушка с применением сброса давления;

- конструкцию установки для экспресс-анализа влагосодержания высоковлажных материалов;

- инженерную методику расчета процесса;

- - конструкции установок сушки с применением сброса давления.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

т

Актуальность теш. В химической и в смежных с ней отраслях промышленности уровень организации сушки высоковлажных материалов, содержащих органические растворители, не удовлетворяет современным требованиям. Используемые для этих целей вакуумные стеллажные и барабанные сушилки характеризуются недостаточной интенсивность процесса, низким уровнем механизации и невысоким качеством готового продукта. Б связи с этим задача исследования, разработки методов расчета и аппаратурного оформления процессов сушки, позволяющих перерабатывать высоковлажные материалы, актуальна и имеет важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнялась в соответствий с Координационным планом НИР Академии наук на 1986-90 и 1991-95 гг. по направлению "Теоретические основы химической технологии", пункт 2,27.2.8,13 по проблема "Создание и внедрение аппаратов о плотным продувавши и взвешенными олояш, вакуумных уотановок, работающих в осциллирующем ре ваше, комбинированных сушиюк", а также. в соответствии о Координационным планом важнейших НИР вузов по процесоам в аппаратам химических производств и кибернетике химиао- технологических процессов ро проблеме "Исследований процзооов глубокой • супки полимерных материалов".

Цель работы - разработка и экспериментальная проверка математической модели процесоа сушки высоковлйЕных материалов о применением сброса давления;

- исследование свойств материалов для получения необходимой информации для проведения математического моделирования процесса, выявление закономерностей протекания рассматриваемого процесса методами машинного екопершланта;

- промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна;

- разработана математическая модель процесса оуяда» висоно-влажних материала о применением сброса давленая для случаев распыления коллоидного раствора а оуспенаии-,

- на основании -проведенного математического моделирования исследуемого процесса * адалекц факторы, определяющие интенсивность удаления влаги из материала, что позволило сформулировать рекомендации по использовании способа сушки о применением сброса давления.

Новизна аппаратурного оформления процеооов и экспериментальных установок подтверждена авторскими свидетельствами и решениями о выдаче патентов на изобретения, .

Практическая ценность и реализация р^ботц. Разработанные математическая модель процесоа и инженерная методика расчета, результаты проведенных исследований использованы при создании /стало- эк для сушки суспензии фторопласта, ооушивания кремний-органического депсишмар шта,. нанесения защитного покрытия х

переработки органических удобрений, внедрены на Копейском заводе "Пластмасс", Казанском медико-инструментальном заводе, Казанском валялыю-войлочном комбинате, в Казанском НПО "Завод СК им. Кирова" и промншленно-внедренческой фирме Пронком. Разработанное аппаратурное оформление позволяет существенно интенсифицировать процесс, обеспечит!? практически полное улавливание паров растворителя и его последующую рекуперацию, повысить качество конечного продукта.

Подтвержденный экономический эффект от внедрения разработок составляет 256 тис.руб. (в ценах 1990 г.)

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на ГУ-ой Всесоюзной'научной конференции "Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии", 1989 г., г.Казань; на П-ой Республиканской научно-технической конференции "Актуальные проблемы физики, химии, математики и их приложений", 1989 г., г.Казань; на межгосударственных конференциях "Тепломассообмен и гидродинамика в турбулентных течениях" а "Обработка жидких сред электромагнитными полями", -

1992 г., г.Алушта.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в т.ч. 5 авторских свидетельств.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Обютй объем - 143 страницы, из них 118 страниц основного текста, 45 рисунков и 5 таблиц. Список литературных ис-трчников содержит 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулирована цель исследований, указаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрено состояние техники сушки высоковлажных материалов от органических растворителей, описаны структурно-кинетические особенности суши материалов, отличающихся по своим коллоидно-физическим свойствам; дан анализ современных представлений о сушке с применением сброса давления. Выявлено,

что в настоящее время для суши внсоцовлажннх материалов применяются различные виды конвективной распылительной сутки. Однако наличие специфических свойств у ряда химических продуктов /Ценность и токсичность удаляемых растворителей, окисляемость .кислородом воздуха/ затрудняет её использование, Для'переработки таких материалов, как суспензия фторопласта во фреоне, средства химической защиты растений, продукция хишко-фармацевтичесной промышленности может быть рекомендована сушка с применением сброса давления в вакуумируемый объем. Описываемые в литературе исследования по сушке сбросом давления посвящены, в основном, удалению воды, в них не уделено должного внимания вопросам улавливания паров удаляемой влаги, поэтому они не позволяют получить надежные результаты, необходимые для разработки аппаратурного оформления процесса,

В заключительной части первой главы сформулированы задачи исследований.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований процесса сушки высоковлажных материалов, содержащих органические растворители с применением сброса давления. Приведено математическое описание тепло-и ыассопереноса в паровой фазе и материале. При рассмотрений процессов в паровой фазе использовано допущение об отсутствии инертного газа и равенстве интеноив-ностей парообразования и удаления влаги из объема сушильной камеры. Исходя из этих допущений, параметры паровой фазы описываются следующими уравнениями:

Р =

_ 3-Г-/?г'Т " д/

Р-'Ук

}

(Тип - Т) Г- V*-рпр Спр-Т + СпРТТип=0. /V

Рассмотрены случаи распыления коллоидного раствора и суспензии, дисперсная фаза которой представляет собой капиллярно-пористое тело.

Величина влагосъема для суспензий при сбросе дахзния оп-

ределяетоя выражением:

&и- с*'а6г4а " то . /з/

В случае распыления коллоидного раствора удаление часта влаги при вскипании приводит к пересыщению раствора и выделению из него твердой фазы. Величина влагосьема для коллоидных растворов определяется по формуле:

//- С* ' Цн ( Тн - Тире) /4/

Математическое описание процесса удаления влаги из материала после распыления базируется на дифференциальных уравнениях тепло-и массопереноса А.В.Лыкова. В первом периоде сушки суспензий скорость удаления влаги из материала определяется интенсивностью теплоподвода к поверхности испарения: ( I.

я.

¿1 м

дТ

дг

/V

При описании второго периода сушки рассмотрена задача углубления поверхности испарения. Во влажной зоне для определения полей влагосодержания и температуры использованы дифференциальные уравнения тепло-и массопроводности:

.дт \дг2 2 Ъъ) \дг г дг/

Для зоны испарения - приближеннее решение А.В.Лыкова.

В отличие от суспензий в коллоидных растворах влага находится в связанном состоянии и её испарение происходит только с поверхности частицы. Кинетику удаления влаги из частицы коллоидного раствора при отсутствии фазовых превращений в глубине частицы и пренебрежимо малом фильтрационном потоке можно описать дифференциальными уравнениями тепло-и массопроводности. При этом начальные условия сформулированы следующим образом:

и(0)=Ш-ли , т(0-,0<г<к)* Сж'и'Т"1с* Се'Ъ ' м

С* ■ и Сс

В процессе сушки величина частицы коллоидного раствора нет прерывно уменьшается. Текущий радиус частицы в зависимости от влагосодержания определяется выражением: ,

р Л[1ГШШШ . /э/

к Цзг Рх-и+рс .

■В конце главы представлена блок-схема программного обеспечения решения предложенной математической модели,

В третьей главе описаны лабораторные установки, разработанные для экспериментального исследования процесса;

- установки дня исследования свойств объектов сушки{

- установки для физического моделирования процесса сушки с применением сброса давления.

Экспериментальное исследование сушки с применением сброса давления осуществлялось на установках, созданных на кафедре "Оборудование химических заводов" Казансткого государственного технологического университета. Эксперименты проводились на суспензии фторопласта Ф-4-Ф' во фреоне-ПЗ и коллоидной системе желатина-метиловый спирт, В ходе опытов варьировались начальная температура материала / 7н - 373 - 453К/, начальное-влагосодер-жание материала / Цн - 5-8 кг/кг/ и остаточное давление в сушильной камере / Р = 10 - 60 кПа/. Для определения влагосодержания материала создана вакуумная сушильная установка экспресс-анализа, конструкция которой защищена авторским свидетельством.

Установлена адекватность разработанной математической модели изучаемому процессу. В результате математического моделирования определены факторы (начальная температура материала, давление р сушильной камере), влияющие на интенсивность удаления алагд из материала при г,ше с применением сброса давления. Выявлены особенности протекания процесса сушки в суспензиях и код-

лоидных растворах.

Исследования сушки суспензии

М/й О,а 0,5

М

Да

о ш то ч^кА^ы

Рис.1. Зависимость величины влагосьема при сбросе давления от скрытой теплоты парообразования удаляемой влаги ?

6 *

3 -_______

т т 39} ¡,н «I тм,к

Рис.2. Зависимость конечного влагосодержания раствора желатины от начальной температуры материала

фторопласта показали, что основная доля влаги из суспензии удаляется при вскипании /рис.1/. Возникающий при этом градиент температуры в частице способствует удалению остаточной влаги. При сушке коллоидных растворов, когда перенос тепла и массы в материале лимитируется внутридиффузионным сопротивлением, решающее значение приобретает размер частиц. Установлено, что о увеличением начальной температуры материала уменьшается размер частиц, образующихся в результате сброса давления. Анализируя влияние режимных параметров на кинетику процесса, можно сделать вывод, что понижение остаточного давления в сушильной камере, как и повышение начальной температуры материала /рис,2/, приводит к интенсификации процесса.

В четвертой главе изложена разработанная инженерная методика расчета процеоса сушки о применением оброса давления, дано описание внедренных конструкторских разработок.

В результате изучения свойств фторопласта Ф-4СФ во фреоне-, 113 создана полупромышленная установка сушки суспензии фторопласта. Схема установки /рис.3/ является принципиальной основой разработанных и внедренных в промышленность сушилок.

у

д РостВори'тель

Рис.3. Схема полупромышленной установки для сушки

•' • суспензии фторопласта: I - теплообменник; 2 - камера сушки; 3 - распылительное устройство; 4 - конденсатор; 5 - вакуумный насос; 6 - сборник высушенного продукта; 7 - сборник конденсата; 8 - скребок

Основные показатели внедренных сушильных установок приведены в табл.1. Их практическое использование существенно интенсифицирует процесс, позволяет перейти к непрерывной организации процесса, обеспечивает полное улавливание паров удаляемого растворителя- и его дальнейшую рекуперацию, сокращает производственные площади, занимаемые оборудованием.

В основу предлагаемого инженерного метода расчета положена математическая модель сушки высоковлажных материалов от органи-

Таблица I

Основные показатели разработанных установок ж используемых в промызяленности

№ № п/п

Показа-

тели

вил процесса

Определение вла-! госодержания ма-! териала (сиккатив", лак)

Сушка суспензии фтороплас-] та во фреоне

Осушивание ! Нанесение за-нремнийоргани-! щитного покры-ческого депсиш4- тня (лак) меризата !

Переработка

органических

удобрений

сушш,-ный

внедрен¿вакуум-! внедрен-! раамар 1 аибдран! аышёк-.' ьнедрён-в&расан-! ьнёдр>зн-

|шкаф

I

ная ус-!вая " !ная установка! стеллах!тановка |ная су-! ¡ппшса |

ная ус-!тивная !ная установка! сушилка! тановка ? I

I !

,ная !ная уста-;сушилка !новка

I Испаряемая влага

органический растворитель

фреон

вода

органически! растворитель

водные растворы

органических

соединений

2. Продолжи- 18-24 0,85-1 18-26 0,7-1,0 20-24 0,25-0,5 16-24 1,0-1,5 0,75-1,0 0,50-0,65 тельность процесса,

"Ч

3. Эконоыи- 50

ческий (ожидаемый)

эффект,

тыс.руб.

(в ценах

1990 тГ)

83

173

67

(ожидаемый)

1500 .(ожидаемый)

Место Копейский знедре- завод няя "Пластмасс"

Промышенно- Казанское НПО Казанский Птицеферма

внедренческая "Завод С£ медико-инстру- "Юбилейная"

фирма Пронком, им. Кирова ментальный Татарстан

г.Казань I завод

ческих растворителей о применением оброоа давления.

Расчет производится в следующей последовательности;

1. Оценка величины влагосъема при сбросе давления за счет вскипания влаги по формулам /3/, /4/ и /7/.

2. Определение продолжительности удаления оставшегося количества влаги по продолжительности I и П периодов оушки:

т- , _1_ Рп и«р< -Цр Ло/ ■

Л/ IГчг '

3. Расчет высоты сушильной камеры на основе равенства продолжительности сушки материала и времени движения частицы в сушильной камере.

4. Расчет теплообменника нагрева материала и конденсатора паров влаги по балансовым уравнениям.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Доказана возможность применения метода сушки сбросом давления для удаления органических растворителей из высоковлажных материалов и показаны его преимущества перед другими методами удаления влаги.

2. На основе комплексного анализа предложена классификация влажных материалов как объектов сушки с применением сброса давления. Показано, что в результате мгновенного вскипания влаги при сбросе давление высушиваемый материал становится мелкодисперсным и приобретает структуру, характерную для объектов сушки с размерами пор более 1000 А , вследствие чего сокращается продолжительность сушки.

3. Установлены зависимости остаточного влагосодержания и производительности сушильных аппаратов от основных параметров процесса (начальная температура материала, давление в сушильной камере) и свойств высушиваемых материалов.

4. Разработана оригинальная конструкция установки для экспресс-анализа влагосодержания высоковлакных материалов, новизна которой подтверждена авторским свидетельством.

. • '5. Разработаны математическая модель и научно обоснованная

инженерная методика распета процесса сушки высоковлалмых материалов от органических растворителей о применением сброса.давления.

6, Предложено аппаратурной оформление процесса сушки различных высоковлшшых материалов от органических растворителей. Инженерные разработки зашщены пятью авторскими свидетельствам!. Основные результаты работы внедрены в промшленпость с экономическим эффектом,

ОСНОЫШЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Р - давление. Па; f - поверхность г о юю^ло со о б ¡лен а маге риала в аппарате, ir\ Т - температура, К; Ук - объемная производительность конденсатора, и3/о\ JU - молярная масса, кг;

Rr- универсальная газовая постоянная, Дя/(кмолыК); 3 - поток массы о поверхности материала в аппарате, кг (мЗ о); о(.- коэффициент теплоотдачи, Вт/(1Г«К); р - плотность, кг/м3 ; С- теплоемкость удельная, Дд/(кг«К); U - Елагосоддржщгаа, кг/кг;

4 U. - Елагооъем, кг/кг; 2<р- удельная теплота парообразования, Да/кг; А » В - коэффициента в уравнении Антуана; (j - удельная теплота кщсталлизсацт, Дд/кг; Т - текущее вреш, с; - текушая координата, м; M - масса, хсг; - радиус частицы,

м; X - коэффициент теплопроводности, Вг/(м«К); Q - коэффициент ыассопроводности, м2/cî 0 - относительный коэффициент тер-модаффузии, I/Kj fJ - скорость сушки, I/c; х - относительный коэффициент сушки.

ИНДЕКСЫ

Ж - жидкость; Пр- пар; К - копечныИ; H-начальный; НОС - насыщенный; С - сухой; M - материал; П - поверх-

ность; кр - критический.

Основное содержание работы излояено в следующих публикациях:

1. Сафин Р.Г., Голубев ¿1.Г., Галнмов Р.Д., Шакиров А.Ф., Пузаков В.Б. Исследование процесса сушки высоковла'шых материалов сбросом давления // Промышленная теплотехника. - 1993. - № 3.

2. Шакиров А.Ф., Пузаков В.Б., Сафин Р.Г. Исследование процесса вакуум-распылитолыюй сушки, В кн.: Интенсификация тепло- и массообменних процессов в химической технологии. - Казань, 1989, - С.71.

3. Шакиров А.Ф., Пузаков В.Б., Сафш Р.Г. Математическая модель процесса сушки коллоидных растворов сбросом давления. В кн.: Актуальные проблемы физики, химии, математики и их приложений.

- Казань, 1989. - С.41.

4. Санин Р.Г., Дашков В.А., Шакиров А.Ф., Голубев Л.Г. Тепломассообмен при сушке высокошжиых материалов сбросом давления // Тез.докл.межгосуд.конф.: Обработка жидких сред электромагнитными полями. Тепломассообмен л гидродинамика в турбулентных течениях.

- Алушта, 1992. - С.94.

5. А.о. 1746277 /СССР/, МКИ G OI N -25/56. Способ определения влагосодержашш коллоидных растворов /Р.Г.Сафан, В.АДашков, ■

■ А.Ф.Шакиров, Л.Г.Голубев.

6. A.c. 1753927 /СССР/, МКИ С23С 13/00. Способ нанесения фторсодер-жаших покрытий на металлическую поверхность /Р.Г.Сафин, В*АЛапн ков, А.ФЛИакиров, Л.Г.Голубев.

7. Сафин P¿r., Ладков В.А., Шакиров А.Ф., Голубев Л.Г. Способ получения органического удобрения. Подсштельное решение от 18.10.91 по заявке 4901735.

8. Сафин Р.Г., Лашков В.А., Шакиров А.Ф., Голубев Л.Г. Устройство для обезвоживания суспензии. Положительное решение от 19,06.92 по заявке 4931794.

9; Сафин Р.Г., Лашков D.A., Шакиров А.Ф., Голубев Л.Г. Установка для фильтрации. Положительное решение от 27.12.91 по заявке 4932016.

Сдано в печать 22.04.9? Подписано в производство 22.04.93 . формат бум. 60x84/16 Бумага множит.

Усл.п.л.1,0 Уч.-изд. 0,75

Заказ 282 Тирах 75

Ротапринт'MITA, II74I9. Москва, Донская, 26