Процессы сушки материалов и изделий • СУШКА - удаление жидкости (чаще всего влаги-воды, реже иных жидкостей, напр. летучих орг. растворителей) из веществ и материалов тепловыми способами. • Осуществляется путем испарения жидкости и отвода образовавшихся паров при подводе к высушиваемому материалу теплоты, чаще всего с помощью т. наз. сушильных агентов (нагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы, перегретый пар). • Сушке подвергают влажные тела: твердые-коллоидные, зернистые, порошкообразные, кусковые, гранулированные, пастообразные, жидкие (суспензии).
Теоретические основы процесса сушки • Влажность w, u Паросодержание x парогазовой смеси (кг пара/ кг сухого газа) Влагоcодержание x паровоздушной смеси (кг вод. пара/кг сухого воздуха)
Удельная теплоемкость – аддитивная величина уд. теплоемкостей сухого газа и пара. При этом различают уд. теплоемкость смеси, отнесенную к 1 кг парогазовой смеси и уд. теплоемкость влажного газа, отнесенную к 1 кг сухого газа
Уд. энтальпия влажного воздуха I (к. Дж/кг сухого воздуха) Связь между параметрами влажного воздуха обычно определяют графически по диаграмме Рамзина
Изображение процесса сушки на диаграмме Рамзина • Линия AB – подогрев воздуха в калорифере • Линия BC – сушка I
Плотность влажного воздуха вл в Здесь р – общее давление паровоздушной смеси; р0 – нормальное давление (0, 1013 МПа или 760 мм рт. ст. ); Т 0=273 0 К Удельный объем влажного воздуха, приходящийся на 1 кг сух. воздуха.
Rв = 287 Дж/(кг К) Расход сухого воздуха в сушилке L ( в кг/с) где W – производительность сушилки по испаряемой влаге, кг/с; l – удельный расход сухого воздуха, кг/кг испаряемой влаги Здесь х0 и х2 – начальное и конечное влагосодержание воздуха
СТАТИКА СУШКИ Суммарный материальный баланс и баланс по влаге дает: Из материального баланса по влаге в воздухе следует При расчете по абсолютно сухому продукту
L; t 2; x 2; I 2 6 7 сн; G н; wн; н 3 2 L; t 1; x 1; I 1 ск; Gк; wк; к L; t 0; x 0; I 0 5 4 Пневматическая сушилка: 1 – бункер; 2 – питатель; 3 – труба; 4 – вентилятор; 5 – калорифер; 6 – циклон; 7 – фильтр.
Тепловой баланс сушки 1. Для калорифера и сушилки будем иметь 2. Тепловая нагрузка калорифера Из (1) и (2) будем иметь для сушилки Или иначе Принимают Qпот=0, 05 Qкал
При наличии транспортных устройств • где I 0, I 1 и I 2 – теплосодержание воздуха на входе в калорифер, после калорифера и на выходе из сушилки, • Gтр. у и стр. у – масса и теплоемкость транспортирующих устройств
сн=сwwн + cм(1 – wн); ск=сwwк + cм(1 – wк). t I 1 В t 1 I 2 tм т tcр I 0 t 2 t 0 tр I 1=I 2 =const D С А 0 2 =1 С рп х0=х1 хпр х2 I х2 рп ср х
Тепловой поток, передаваемый сушильным агентом материалу, определяется уравнением Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 , где при условии, что вся влага испаряется при температуре мокрого термометра: нагревание влажного материала Q 2 = Wrи испарение влаги нагревание высушенного материала
Здесь G – производительность сушилки по сухому продукту, кг/с; см и сw – уд. Теплоемкости материала и влаги, к. Дж/(кг К); tм т – температура мокрого термометра, 0 С. С другой стороны где - коэф. теплоотдачи другой стороны от горячего воздуха частице, Вт/(м 2 К); Fс – площадь поверхности частиц, вводимых в сушилку в единицу времени, м 2/с; tср – средняя разность температур между воздухом и материалом
t, t 1 t 2 к м н tср
ДИНАМИКА СУШКИ • Продолжительность сушки в общем случае определяется интенсивностью влагоотдачи от материала, и скоростью подвода тепла к материалу. • Разделяют несколько периодов процесса сушки – «период постоянной скорости» и «период падающей скорости» • В течение первого периода влага испаряется со всей поверхности материала так же, как она испаряется с зеркала испарения некоторого объема жидкости. В этом периоде скорость сушки постоянна и определяется лишь скоростью внешней диффузии, т. е. диффузии паров влаги с поверхности материала в окружающую среду. • Во втором периоде скорость сушки определяется внутренней диффузией - перемещением влаги изнутри материала к его поверхности. С началом второго периода поверхность подсохнувшего материала начинает покрываться коркой и поверхность испарения влаги постоянно уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления внутренней диффузии и к непрерывному уменьшению скорости сушки.
• Продолжительность сушки для первого периода сушки (периода постоянной скорости): • Для второго периода сушки (периода падающей скорости) • здесь N – скорость сушки в первом периоде (кг воды/кг сухого в-ва/сек); u. H, u. KP, u. K – начальное, критическое, равновесное и конечное влагосодержание материала (считая на сухое вещество) Скорость сушки в первом периоде N определяют либо опытным путем, либо через коэффициент массоотдачи. Например, скорость испарения воды с влажной поверхности материала, обдуваемым воздухом, может быть найдена, как где w – скорость воздуха над материалом.
Ввиду трудности расчета динамики сушки (диффузия влаги в различные периоды сушки, скорость и продолжительность сушки) на практике часто ограничиваются статическим расчетом по средним данным, принимая за исходную величину среднее количество влаги, испаряемое в единице объема сушильной камеры (для конвективных сушилок) или на единицу греющей поверхности (для контактных сушилок), т. е. величину напряжения сушилки по влаге AV в кг/м 3*ч или в кг/м 2*ч. Материал Размер частиц d, мм Плотность частиц тв, кг/м 3 Насыпная плотность материала, нас, кг/м 3 Уголь каменный 10 -40 1350 800 1, 09 32 -40 Известняк 1 -15 2650 1800 0, 92 45 -65 Глина 0, 2 -0, 5 1600 1380 0, 92 50 -60 Песок 0, 5 -2 1500 1200 0, 8 80 -88 Тогда объем сушильного аппарата определяется как где W — количество удаляемой влаги, кг/с Теплоемкость см· 10 -3 Дж/(кг·К) Напряжение по влаге, Av, кг/(м 3·ч)
Конструкции промышленных сушилок • q q Сушилки для зернистых, гранулированных или порошкообразных материалов: Барабанные сушилки Сушилки в псевдоожиженном слое Пневмотранспортные сушилки Шахтные сушилки (в плотном слое) • q q q Сушилки для пастообразных материалов и суспензий: Вальцевые сушилки Ленточные сушилки Распылительные сушилки • Сушилки для готовых изделий q Камерные сушилки q Туннельные сушилки
Барабанные сушилки – самый распространенный тип в промышленности Барабанная сушилка БН 2, 8 -18 НУ-01
• Средняя скорость движения материала вдоль оси вращающейся сушилки где • D – диаметр, м n – частота вращения, 1/сек Y - угол естественного откоса материала. – уклон сушилки, град. Средний коэффициент заполнения сушилки, принимаемый от 0, 1 до 0, 25
Сушилки псевдоожиженного слоя Основными отличительными особенностями такого способа сушки являются : • улучшенный контакт высушиваемого материала с сушильным агентом • практическая изотермичность всего псевдоожиженного слоя • существенно неравномерное время пребывания отдельных порций материала в зоне сушки Псевдоожижение дисперсного материала вертикальным потоком сушильного агента сопровождается интенсивным перемещением отдельных частиц и их агломератов по всему объему слоя. Обычно принимают для материала - режим полного (идеального) перемешивания и для сушильного агента - режим полного (идеального) вытеснения.
Расчет сушилок псевдоожиженного слоя Скорость сушильного агента принимается в 2– 3 раза большей по сравнению с критической скоростью начала псевдоожижения, вычисляемой по максимальному эквивалентному диаметру полидисперсного материала: Коэффициент теплоотдачи к поверхности частиц среднего объемно-поверхностного размера определяется по соотношению: Средняя разность температур между сушильным агентом и материалом определяется на основе предположения об идеальном перемешивании материала и вытеснении агента: где температура материала на выходе из аппарата к принимается меньше температуры Tк на 3 -5 град. Суммарная тепловоспринимающая поверхность всех частиц в ПС и необходимый объем слоя материала где d и — соответственно среднее значение диаметра и коэффициент формы частиц
Конструкции сушилок псевдоожиженного слоя • Сушилки с кипящим слоем: а, б-односекционные соотв. с ненаправленным и направленным движением материалов; • в, г - многосекционные соотв. с расположением секций одна над другой и разделением их перегородками
• Многокамерная сушилка с последовательным передвижением материала • Многокамерная сушилка со ступенчатым противоточным движением материала и газа
• Аэрофонтанная сушилка (сушилка фонтанирующего слоя) • • Схемы аппаратов фонтанирующего слоя Фонтанирование дисперсного материала в восходящем потоке воздуха представляет собой одну из разновидностей псевдоожижения, осуществляемую в цилиндроконических или в конических аппаратах (см рис. ). Поскольку вертикальные компоненты скорости воздуха в таком аппарате имеют максимальные значения вблизи нижнего, подводящего воздух патрубка, то режимы фонтанирования наиболее благоприятны при псевдоожижении материалов значительной полидисперсности.
Пневмотранспортные сушилки • • Пневматическая сушилка 1 — бункер; 2 — питатель; 3 — труба; 4 — вентилятор; 5 — калорифер; 6 — сборникамортизатор; 7 — циклон; 8 — разгрузочное устройство; 9 — фильтр.
Шахтные сушилки (в плотном слое)
Распылительные сушилки • Распылительная сушилка: 1 — камера сушки; 2 — форсунка; 3 — шнек для выгрузки высушенного материала; 4 — циклон; 5 — рукавный фильтр; 6 — вентилятор; 7 — калорифер.
Форсунки распылительных сушилок • Гидравлические (центробежные) • Механические (с вращающимся распыливателем)
Расчет распылительных сушилок • Наиболее сложная часть расчета кинетики процесса сушки капель влажного материала начинается с определения их размеров, зависящих от условий распыления исходного продукта. Так, для дискового распыления часто используются соотношения для среднеповерхностного (d) и максимального (dмакс) размеров капель • в которых Gн, и — соответственно расход распыляемого продукта, его кинематическая вязкость и поверхностное натяжение; Dд и n — соответственно диаметр диска и скорость его вращения, мин– 1; l — смоченный периметр диска; для лопастных и сопловых дисков l = zh и , где z — число каналов в диске; h — высота лопасти; dc — диаметр сопла. При расчете сушилок скорость сферических капель принимают 50 45 % от их скорости витания. Диаметр аппарата связан с расходом подаваемой жидкости • • Во избежание слипания капель и образования агломератов объёмная доля дисперсной фазы e 2 принимается не более 5%. Диаметр аппарата не может быть меньше ширины распыла форсунки во избежание оседания капель на стенках аппарата.
• • • Высота сушильной камеры находится после определения времени необходимого для высушивания капель исходного материала до заданного влагосодержания порошкообразного сухого продукта, для чего вычисляются коэффициенты массоотдачи от сушильного агента к поверхности осаждающихся в камере капель (частиц). На участке неустановившегося движения капель рекомендуется корреляционная формула Num = 2 + Re 0, 60 Prm 0, 33, где в которой D — коэффициент диффузии паров влаги в воздухе; г — плотность воздуха; u. CP — среднее арифметическое значение скорости капли на участке торможения между ее начальной скоростью, равной окружной скорости распыливающего диска на его внешнем диаметре Dд, и конечной скоростью капли в конце участка торможения. Для участка установившегося движения капель со скоростью их витания vв коэффициент массоотдачи 2 (также в кг/(м 2 с · кг/кг), можно определять по несколько иному корреляционному соотношению Num = 2 + 0. 51 Re 0, 52 Prm 0, 33, где Далее принимается среднее значение b для всего аппарата и определяется время пребывания капель в зоне их сушки, необходимое для удаления W кг влаги: - среднее интегральное значение разности влагосодержаний сушильного агента и капель в аппарате
Распылительные сушилки
Вальцевые сушилки • Вакуум-сушилки: а — одновальцовая; б — двухвальцовая; 1 — полый барабан (валец); 2 — корпус; 3 — корыто; 4 — распределительный валик; 5 — нож; 6 — шнек; 7 — приёмный колпак; 8 — сборник; 9 — вальцы; 10 — наклонные стенки.
Ленточные сушилки • Ленточная петлевая сушилка: 1 -питатель; 2 -лента; 3 -валки; 4 автоматич. ударное устройство; 5 -разгрузочный шнек; 6 -вентиляторы.
• • Ленточная сушилка. Справа – вязкий материал, продавленный через ячейки сетки
Камерные и тоннельные сушилки