ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2008, том 42, № 6, с. 638-653
УДК 66.047-912
СУШКА В АКТИВНЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ
© 2008 г. Б. С. Сажин, В. Б. Сажин*, Е. В. Отрубянников, Л. М. Кочетов
Московский государственный текстильный университет им. АН. Косыгина *Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
sazhinbc@pochta.ru Поступила в редакцию 07.07.2008 г.
Показано, что активизация гидродинамических режимов - один из путей решения проблемы повышения эффективности процессов сушки, который включает решение вопросов интенсивности и экономичности процесса, а также качества готового продукта. Рекомендован метод оценки степени активности гидродинамического режима. Разработана стратегия выбора оптимального аппаратур-но-технологического оформления процесса сушки, включающая комплексный анализ подлежащих сушке материалов и классификацию влажных дисперсных материалов по сорбционно-структурным характеристикам с учетом адгезионно-аутогезионных свойств. Рекомендованы типовые аппараты для каждого класса материалов. Выделена проблема сушки материалов с повышенными адгезион-но-аутогезионными свойствами. В качестве примера рассмотрена сушка в вихревых аппаратах с одновременным измельчением.
Повышение эффективности процессов сушки имеет большое значение для экономики страны, так как сушка является самым распространенным и самым энергоемким технологическим процессом промышленных производств.
Активизация гидродинамического режима сушки приводит к интенсификации тепло- и массообме-на в процессе сушки. Однако при этом возрастают затраты на дутьевые средства и нагрев теплоносителя. Если эти затраты превышают эффект от увеличения интенсивности процесса, то такой режим не может называться активным гидродинамическим режимом [1]. Начиная с 70-х годов прошлого столетия появились сотни и даже тысячи технических решений, авторы которых претендуют на разработку аппаратов с активными гидродинамическими режимами для сушки конкретных материалов. В действительности большинство из предложенных аппаратов нельзя отнести к сушилкам с активной гидродинамикой, потому что многие авторы отождествляют активную гидродинамику с режимами повышенных скоростей газовых потоков. Фактически к активным гидродинамическим режимам можно отнести только такие режимы, когда средствами гидродинамики достигается существенная интенсификация процесса при его экономичности и высоком качестве высушенного продукта [2]. Поэтому один и тот же гидродинамический режим для разных случаев может быть как активным, так и неактивным в зависимости от технологической задачи и характеристики материала как объекта сушки [3].
В качестве примера можно взять две задачи по сушке дисперсных материалов. Первая - широкопористый материал с большим влагосодержанием.
Можно показать, что активным гидродинамическим режимом здесь будет пневмотранспорт, обеспечивающий за счет больших скоростей газа достаточное количество тепла и в то же время - достаточное время обработки материала в аппарате (несколько секунд). Однако этот режим не будет активным для второй задачи - сушки микропористых материалов с небольшой начальной влажностью, так как он, во-первых, не обеспечивает требуемого времени обработки материала (несколько минут) и, во-вторых, количество теплоносителя из-за большой скорости потока в режиме пневмотранспорта избыточно для данного случая и большая часть тепла будет буквальным образом "выбрасываться" в трубу. Активным гидродинамическим режимом для второй задачи будет виброкипящий слой, в то время как для первой задачи он таковым не является. Активный гидродинамический режим должен обеспечить высокую эффективность процесса, т.е. сочетание интенсивности и экономичности процесса с высоким качеством получаемого продукта с учетом затрат (не только по основному аппарату, но и по всей установке, включая вспомогательное оборудование).
Известно, что мощным средством интенсификации процессов сушки является применение режимов взвешенного слоя [4]. Однако отнесение всех сушилок с взвешенным слоем заведомо к сушилкам с активными гидродинамическими режимами в корне ошибочно, так как каждый гидродинамический режим может быть активным только для определенной группы материалов, сходных по своим свойствам. Основным критерием при этом может служить характеристика структуры пор в высушиваемом материале, определяющая диффузионное
сопротивление при сушке и необходимое время обработки материала во взвешенном слое, достаточное для достижения требуемой остаточной влажности. В качестве основного показателя размеров пор материала предложен критический диаметр пор йкр (наименьший диаметр пор, из которых по технологическим условиям надо удалять влагу), позволяющий оценить наибольшее в процессе сушки эффективное диффузионное сопротивление (т.е. сложность технологической задачи и необходимое время обработки в условиях взвешенного слоя). Критический диаметр пор йкр может быть определен из кривых распределения пор по размерам, полученных на основе совместного анализа изотерм сорбции-десорбции и уравнения Томсона-Кельвина [1]. Использование для этой цели других методов (ртутной или газовой порометрии, микроскопического анализа и др.) в отличие от указанного метода позволяет определять чисто геометрические размеры пор без учета взаимодействия удаляемой влаги со стенками пор материала. Разработаны экспресс-методы определения критического диаметра пор [2, 3]. Предложена классификация материалов по величине критического диаметра пор.
Большинство подлежащих сушке материалов во всех отраслях промышленности, включая топливно-энергетический комплекс - это дисперсные или диспергируемые материалы. При сушке дисперсных материалов (особенно комкующихся) для правильного выбора конструкции сушильного аппарата и комплектующего оборудования (питателей, дозаторов и др.) необходимо учитывать адгезионно-аутогезионные свойства обрабатываемых материалов, т.е. эффекты налипания на стенки аппарата, комкование и т.п., препятствующие нормальному течению процесса. Адгезионно-аутогезионные характеристики подвергаемых различным видам обработки материалов оказывают значительное влияние не только на отдельных участках технологической линии, но и в целом определяют ход протекания технологического процесса, обуславливая создаваемую внутри аппарата гидродинамическую обстановку.
С целью оценки адгезионно-аутогезионных свойств была проведена классификация дисперсных материалов, где адгезионно-аутогезионные свойства учтены посредством ранга адгезионно-аутогезионного коэффициента Ка, связанного с углом естественного откоса дисперсного материала [1, 2, 4-7]. По рейтингу адгезионно-аутогезионного коэффициента от 1 до 5 баллов, устанавливается степень сыпучести или "липкости" материала (идеально сыпучий материал, например песок в песочных часах, имеет Ка = 1, а липкий влажный пастообразный материал, например влажная глина - Ка = 5).
Однако эта классификация содержит градацию обрабатываемых материалов, в основном, органо-лептическим методом и не вскрывает механизма ад-
гезионно-аутогезионного взаимодействия дисперсных частиц, что не позволяет численно определить силу адгезионно-аутогезионного взаимодействия контактирующих тел.
В связи с этим были рассмотрены различные теоретические подходы к численной оценке адгезионно-аутогезионных свойств материалов и расчетные методы определения данных свойств с учетом природы сил, обуславливающих адгезионно-аутоге-зионное взаимодействие, структурно-механических свойств контактирующих поверхностей и формы обрабатываемых частиц [6].
Силы, определяющие адгезионное взаимодействие, можно условно разделить на две группы [8-10]. Первая группа сил обусловливает взаимодействие частиц с поверхностью до непосредственного соприкосновения тел (к числу таких сил относятся молекулярные). Вторая группа сил возникает при контакте частиц с поверхностью (капиллярные силы и силы электрического взаимодействия за счет двойного слоя в зоне контакта).
Молекулярная компонента сил адгезии обусловлена свойствами соприкасающихся тел и зависит от размеров частицы, площади истинного контакта и свойств поверхности (шероховатости). При взаимодействии двух сферических частиц
Fм
ЛЯч 12 Н2
(1)
При взаимодействии сферической частицы и плоскости
ЛЯч
6 Н
(2)
где А - константа молекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса (Л = п2'^ппХ,,); п{ , п,- числа молекул г и] в 1 см3; - константа, которая характеризует дисперсионное взаимодействие (Ху = =-3/2Н[у^Л\'; + у^аа,); Н - постоянная Планка; V, и V - частота колебаний взаимодействующих электронных осцилляторов; а, и а, - поляризуемость молекул г и
При контакте частиц с поверхностью возможна деформация зоны контакта, в результате чего становится возможным появление сил отталкивания [8]. Таким образом, с учетом поправки на деформацию в зоне контакта
Еол = (ЛЯч/6Н2)(1 + Якон/3ЯчН),
(3)
где Якон - радиус площади контакта частицы с поверхностью. При упругом контакте величина Якон может быть рассчитана по формуле Герца [8]:
Якон = 3/0.75Яч^пРи[(1 -ц2)/Е + (1 -^2)/Е], (4)
где Р^ - сила прижатия, Н; - коэффициенты Пуассона; Еъ Е2 - модуль упругости для каждого материала, Па.
Влияние деформации на адгезионное взаимодействие можно учесть, используя характеристику твердости контактирующих тел У, определяющую контактную деформацию и равновесие между силами притяжения и упругого отталкивания:
Р = Р + п р Р
ад соп кон вз
или Рад = Рсоп( 1 + Р,з/У) ,
(5)
где Р,з - сила взаимодействия между поверхностью и частицей в расчете на 1 см2 площади поверхности контакта (удельное давление адгезии); Рсоп - равновесная между силами притяжения и сопротивлением деформации (Рд = пИ1кон У).
Сила адгезии, обусловленная в основном силами молекулярного взаимодействия, с учетом влияния шероховатости поверхности примет вид
Рад = 1.2еа[Ячф/(Яч + ф)]и1г, (6)
где £ - энергия в расчете на одну молекулу, Дж; а - постоянная решетки, зависящая от физико-химических свойств контактирующих тел; ф - приведенный радиус шероховатой поверхности, а выражение Рчф/(Рч + ф) характеризует
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.