ПРОЦЕССЫ ГРАНУЛИРОВАНИЯ в РОМЫШЛЕННОСТИ

РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СУШКА

В химической и других отраслях промышленности мно­гие вещества первоначально получают в виде растворов или суспензий, а затем обезвоживанием выделяют необхо­димый сухой продукт. Если конечный продукт должен быть получен в гранулированном виде, возможна организация процессов по стадиям: обезвоживание и затем гранулиро­вание. В то же время технологически целесообразнее и,
как правило, экономически выгоднее совмещать процессы обезвоживания и гранулирования конечного продукта в одной операции.

Наиболее широко используемым процессом обезвожи­вания является сушка в потоке теплоносителя, обычно на­гретого газа. Для интенсификации процесса сушки необ­ходимо создать максимальную поверхность высушиваемого продукта и обеспечить подвод к нему нужного количества сушильного агента —- газа.

Широко распространенным способом сушки жидкостей является распылительная. Она заключается в дисперги­ровании материала при помощи специальных приспособ­лений (форсунки, диски и т, д.) и высушивании его в пото­ке теплоносителя (дымовые газы, нагретый воздух и пр.). Огромная поверхность диспергированных жидких частиц (суммарная) способствует интенсивному тепло - и массооб - мену их с теплоносителем, благодаря чему они быстро те­ряют влагу и падают вниз в виде сухого продукта. Распыли­тельная сушка пригодна для любых продуктов, которые могут быть поданы в диспергирующее устройство.

Способ обезвоживания распылением обладает рядом преимуществ по сравнению с другими возможными реше­ниями [32]. Благодаря чрезвычайно быстрому протеканию процесса (15—30 с) для сушки любых материалов, в том чис­ле и термочувствительных, можно применять высокотемпе­ратурный сушильный агент, что интенсифицирует процесс. В то же время готовый продукт имеет высокие качествен­ные показатели, сравнимые только с показателями, дости­гаемыми при сушке в глубоком вакууме. Распылительная сушка позволяет получать продукт с заданными физико­механическими характеристиками, такими, как форма час­тиц, конечная влажность и пр. Готовый продукт обладает высокой растворимостью. Применение распылительной сушки радикально преобразует технологию получения сухого продукта из жидкостей, при этом исключаются такие процессы, как фильтрация, центрифугирование, размол и т. п. Сушка распылением осуществляется в широких тем­пературных пределах (60—1200° С), при этом высушивае­мый материал не соприкасается с поверхностями сушилки до момента превращения его в сухой продукт, что исклю­чает коррозию сушильной камеры. Распылительная сушка решает проблему смешения компонентов простым смеше­нием жидкостей. Высокая производительность процесса позволяет создавать установки большой единичной мощ­ности.

К недостаткам распылительной сушки относятся боль­шие габариты установок и сложность оборудования, вы­сокая энергоемкость производства, небольшая объемная масса полученного продукта (порошка), что требует для по­лучения необходимой плотности установки дополнитель­ного оборудования (аппарата для брикетирования и т. п.). Для улучшения технико-экономических показателей (про­изводительности, энергоемкости, себестоимости и т. п.) необходимо интенсифицировать процесс, а с целью улуч­шения качества готового продукта — обеспечить усло­вия получения гранул.

Некоторые физико-химические и кинетические основы процесса сушки. При сушке материала влага из внутрен­них областей тела перемещается к наружным и испаря­ется с его поверхности. Образуется перепад влагосодержа - ния поверхностного слоя и внутренних слоев, что вызывает диффузию влаги к поверхности. Действие механизма пере­мещения влаги из внутренних областей к наружным (кон­центрационной диффузии) осложняется термодиффузией

перемещением влаги от поверхности материала к его ядру, поскольку температура поверхности выше температуры ядра. В капиллярно-пористых телах замечена диффузия скольжения — перенос влаги при испарении ее внутри те­ла направлен противоположно потоку тепла [30]. При рас­пылительной сушке растворов и суспензий испарение происходит во всем объеме капли до образования корки на поверхности ее, а затем продолжается во внутренних областях, причем образовавшийся пар диффундирует сквозь корку в поток теплоносителя.

Среднее влагосодержание и (т) и средняя температура тела 7 изменяются с течением времени. Зная закономернос­ти кинетики процесса сушки, можно рассчитать количество испаренной влаги из материала и расход тепла на сушку. На кинетику сушки значительное влияние оказывают фи­зико-химические свойства самого сохнущего материала, особенно форма связи влаги, определяющие механизм тепловлагопереноса внутри тела. Определение величины локального влагосодержания и и локальной температуры /, т. е. полей влагосодержания и (х, у, z, т) и температуры t (х, у, 2, т), связано с решением системы нелинейных диф­ференциальных уравнений массо - и теплопереноса при

соответствующих граничных условиях, отображающих способ и режим сушки [30].

Гораздо проще определяется изменение с течением вре­мени средних влагосодержания и температуры тела, зави­сящих, в первую очередь, от протекания внешнего тепло - и массообмена.

Обычно для инженерных расчетов достаточно знать ос­новные закономерности протекания процесса сушки и при­ближенные соотношения между средним влагосодержани - ем и временем, а также фор­мулы для расчета расхода теп - . л а, т. е. уравнения баланса. «

На основании анализа ре - | зультатов многочисленных эк - Ц спериментов А. В. Лыковым [30] сделан вывод, что весь процесс сушки разделен на два периода (рис. 49): период постоянной скорости, в кото­ром температура материала постоянна (dt/dx=0), и период падающей скорости — тем­пература материала переменна (dt/dx >0). Влагосодержание в момент перехода перво­го периода во второй называют критическим (1Екр).

В работе рассматривается процесс сушки тел, небольших по размерам, что позволяет допускать, что перепады влаго­содержания внутри тела малы.

Стадия, в которой происходит подогрев материала, называется начальной, для нее характерна медленная убыль влагосодержания. Для дисперсных материалов эта стадия незначительна. В дальнейшем влагосодержание материала уменьшается по линейному закону (кривая сушки имеет вид прямой), при этом убыль влагосодержания в единицу времени (скорость сушки) будет постоянной. Поверхность материала в течение этого времени имеет температуру, рав­ную температуре адиабатического насыщения воздуха (температура мокрого термометра).

Ядро материала прогревается медленнее. Его темпера­тура становится равной температуре мокрого термометра позже, чем поверхностные слои. Когда температура ядра и поверхности становится одинаковой, перепад между ними
и температурой воздуха будет постоянной величиной. При неизменном коэффициенте теплообмена интенсивность сушки также будет постоянной — это период постоян­ной скорости, характеризующийся неизменной темпера­турой материала (dt/dx—O). Начиная с некоторой величины влагосодержания U7KP, температура материала повыша­ется, причем рост температуры ядра отстает от роста тем­пературы поверхности, а скорость сушки уменьшается (кривая сушки асимптотически приближается к равновес­ному влагосодержанию). Этот период называют периодом падающей скорости сушки.

Кинетические зависимости процесса. Процесс обезво­живания капель растворов, содержащих нелетучие вещест­ва (соли и т. п.) в растворенном виде, существенно отли­чается от испарения капель чистых жидкостей. По сущест­ву при обезвоживании протекают два процесса: испарение растворителя и сушка твердого остатка. При рассмотре­нии испарения капель чистой жидкости можно принять, что условия протекания процесса по сечению капли одно­родны, но при обезвоживании растворов условия можно считать однородными только в начальный момент (при по­догреве капли). Как только начинается интенсивное испа­рение с поверхности капли, по сечению ее возникает гради­ент концентрации растворенного вещества, диффузия раст­ворителя будет направлена к поверхности капли, а раство­ренного вещества — к ее центру.

В работе [75] установлен и описан математически про­цесс диффузионного массопереноса в капле при испарении ее. При этом принимается, что накопление растворенного вещества в поверхностном слое в единицу времени равно ко­личеству этого вещества, помещающемуся в объеме испа­рившейся жидкости. Использовано также эксперименталь­но установленное соответствие скорости испарения dm/dx капель водных растворов скорости испарения капель чистой воды такого же диаметра. Твердая фаза появляется тогда, когда поверхностная концентрация становится насыщенной.

На практике очень важно знать величину xs— время испарения капли от момента ее образования до начала кри­сталлизации (выделения твердой фазы на поверхности капли). В работе [75] выведено следующее уравнение для определения хs’

(d2Q/AR2) In (ск/с„) мет

Ts Ф2 + 2р 1п (ск/с0) > (

где с0 — начальная концентрация раствора; ск — конеч­ная концентрация раствора; Ф, {3 — расчетные величины, зависящие от свойств раствора и размеров капли.

Обычно уравнения, выведенные для расчета времени по­явления твердой фазы и концентрации растворенного ве­щества у поверхности капли, сложны и неудобны для инже­нерных расчетов, поскольку включают, как и приведенное выше уравнение, величины, характеризующие диффузион­ные свойства растворенных веществ, скорость испарения, за­висимость текущего диаметра капли от времени, которые обычно неизвестны.

Рассмотрим несколько подробнее физику процесса гра­нулирования растворов распылением их в высокотемпе­ратурную газовую среду. Обезвоживание капель сопро­вождается значительным и быстрым изменением их разме­ров, при аналитическом рассмотрении этого процесса не­обходимо учитывать движение границы раздела фаз капля— газовая среда, а также нестационарность процесса, вызван­ную концентрационными и температурными градиентами в капле. Это очень сложный, малоизученный процесс.

В работе [32] описываются различные варианты обра­зования твердой фазы в капле, зависящие от параметров факела распыла, аэродинамики распылительной установ­ки, параметров теплоносителя и свойств распыляемой жид­кости. Твердая фаза может образовываться одновремен­но во всем объеме капли либо вначале в центре капли (или на поверхности) и оттуда распространяется к поверхности (или центру). Решение первого варианта заключается в опре­делении температурных и концентрационных полей в объеме капли — частицы при равномерном распределении источников (стоков) тепла [31].

В двух случаях образование твердой фазы может рас­сматриваться как задача о сопряжении двух температур­ных (концентрационных) полей при наличии особого гра­ничного условия на подвижной границе раздела. Такого рода задачи (с фазовыми превращениями на движущейся поверхности раздела фаз) относятся к так называемым за­дачам Стефана.

В последние годы предложено несколько решений за­дач о затвердевании капель с учетом различных условий (упрощений). Известно решение задачи о затвердевании шара с учетом изменения температуры фронта кристалли­зации в предположении, что затвердевание начинается с поверхности шара и далее концентрически распространя­ется вглубь. Выведена формула для расчета времени пол­ного затвердевания шара, решения которой возможны при использовании определенной связи между температурой фронта кристаллизации и линейной скоростью кристалли­зации

Решение задачи при обезвоживании влажных частиц с учетом структурно-механических изменений является еще более сложным, чем рассмотренная выше задача о пе­реносе тепла при затвердевании сферы с учетом превраще­ния фаз на движущейся границе раздела.

Известно, что при гранулировании распылением раст­воров в газовой среде могут формироваться монолитные, полые, сферические или многогранные частицы. Твердая корка, образовавшаяся на поверхности частицы, оказы­вает огромное влияние на интенсивность дальнейшей суш­ки ее и на размеры и характеристики готового продук­та. Авторы работы [75] экспериментально установили, что скорость испарения после образования корки на кап­лях водных растворов неорганических солей уменьшается незначительно по сравнению со скоростью испарения со свободной поверхности капли, что связано с большой по­ристостью корки.

При распылении растворов эмульсий и суспензий, от­личных от растворов неорганических солей (растворов пигментов, молока, экстракта кофе и т. п.), установлено зна­чительное различие в интенсивности обезвоживания капель на стадиях испарения с поверхности капли и сушки после образования корки.

Исследования, проведенные в Институте технической теплофизики АН УССР О. А. Кремневым и А. А. Долин­ским [20; 28], по испарению и сушке единичных капель не­которых растворов высокомолекулярных веществ, к кото­рым относится ряд медицинских препаратов (антибиотики, кровозаменители), показали, что процесс обезвоживания капель растворов при температуре газовой среды выше 100° С существенно отличается по характеру от процесса сушки, протекающего при температуре теплоносителя ни­же 100° С. При этом подтверждена установленная многими исследователями периодичность процесса сушки капель и установлено наличие еще одного периода, протекающего при постоянной температуре, равной температуре кипе­ния раствора в капле.

А. А. Долинским [20] на основании большого количест­ва экспериментов установлено, что распылительная суш­ка водных растворов, содержащих нелетучие твердые ве­щества, при температуре теплоносителя выше температуры кипения соответствующего раствора, включает пять пе­риодов: прогрева капли; испарения капли при температу­ре, близкой к температуре мокрого термометра; образова­ния корки, в котором температура повышается от темпе­ратуры мокрого термометра до температуры кипения; обезвоживания при температуре капли, ррвной темпера­туре кипения раствора; сушки капли (частицы) до равно­весной влажности, когда температура ее приближается к температуре теплоносителя.

В работах [20; 28] описаны существенные особенности при испарении и сушке капель коллоидных растворов, а также намечены пути интенсификации процесса распыли­тельной сушки, результатами которых явилась разработ­ка двухступенчатого метода распылительной сушки вы­соковлажных термочувствительных растворов, который теперь широко применяется в производстве медицинских препаратов, и пр.

Большой интерес представляет создание физической модели процесса, т. е. установление кинетических зависи­мостей для каждой стадии процесса обезвоживания раст­воров с целью интенсификации его и получения данных для расчета установок. Такие исследования проводятся в Институте теплофизики АН УССР. Они показали зна­чительное влияние природы раствора и внутренних процес­сов переноса на интенсивность и температуру испарения капли, характер термограмм обезвоживания и теплообмен с внешней газовой средой, длительность и другие харак­теристики процесса.

Для отдельных стадий процесса распылительной сушки выведены кинетические зависимости [20]. Выше отмеча­лось, что обезвоживание капель растворов в целом явля­ется нестационарным процессом. Интенсивность испарения

влаги с поверхности капли до момента коркообра-

зования не изменяется или несколько увеличивается в том случае, если эффект уменьшения диаметра больше эффекта повышения температуры равновесного испаре­ния. После образования корки интенсивность испарения (сушки) уменьшается, стремясь в пределе к нулю. В тече­
ние периода кипения интенсивность процесса практически постоянна, следовательно, это период постоянной скорости обезвоживания. В работе [20] отмечается ошибочность принимаемого зачастую предположения, что при распыли­тельной сушке внутренние процессы обезвоживания не лимитируют интенсивность внешнего процесса переноса.

Использовав интегральный метод Гудмена, А. А. До­линской [201 в результате решения уравнений теплопро­водности и диффузии для внешней (газовой) и внутренней (жидкой) сред получил расчетные соотношения, позволяю­щие определить температуру, концентрацию газовой и жидкой сред и продолжительность стадий процесса. При этом скорость испарения капли с учетом релаксации внеш­него температурного поля и движения поверхности раздела фаз представлена как скорость испарения капли чистой жидкости в стационарных условиях, умноженная на фактор нестационарности, зависящий от текущей координаты по­верхности раздела фаз С и координаты фронта изменения температуры.

Принятая модель диффузионного переноса массы внут­ри испаряющейся капли раствора математически представ­лена в виде зависимости, позволяющей определить прост­ранственно-временное изменение концентрации раствора в капле при 0 < г < С(т):

где Oj — координата фронта изменения концентрации в капле.

Испарительная стадия заканчивается при достижении поверхностным слоем некоторой определенной концентра­ции сн, связанной с концентрацией коркообразования cs следующей зависимостью (при т = С):

(165)

Экспериментально установлено, что концентрация с„ для истинных растворов является концентрацией насыще­ния, для коллоидных — концентрацией, определяющей максимальное гигроскопическое влагосодержание вещест­ва при температуре поверхности испарения Те.

Концентрация коркообразования cs(cKpi) является од­ной из основных характеристик процесса обезвоживания

раствора (по экспериментальным данным либо по соответ­ствующим формулам). Продукт, полученный распылитель­ной сушкой, обычно представляет собой полидисперсный порошок, состоящий из частиц, различных по форме и плот­ности. Рассмотрим причины, оказывающие влияние на структурно-механические характеристики частиц: форму, прочность, насыпную массу и т. п.

В литературе (31] отмечается, что одним из преимуществ распылительной сушки является возможность регулиро­вания дисперсности и насыпной массы получаемого про­дукта за счет изменения параметров процесса. Это поло­жение подтверждено рядом экспериментов, авторами изу­чены некоторые закономерности изменения размеров час­тиц при распылительной сушке (31; 60]. Однако единого представления о причинах, определяющих физико-меха­нические характеристики высушенных частиц (дисперсность, структура, форма, насыпная масса, прочность и т. п.), нет. Ряд авторов 131; 32] описывает получение полых гранул при распылительной сушке, но указывает на разные при­чины получения этой формы.

В работе (74] описано поведение подвешенной капли раствора в процессе обезвоживания и указано, что особен­ности поведения отличаются для растворов различных со­лей и разных условий сушки. Если при испарении влаги со свободной поверхности происходит постепенное умень­шение размеров капли, то с момента начала коркообразова - ння процесс обезвоживания будет во многом определяться природой растворенного вещества и температурой воздуха. В работе [60] предлагается следующий механизм образова­ния полых горшковидных частиц: вследствие потери воды и малой деформируемости поверхностного слоя высыха­ющей капли интермицеллярная жидкость оказывается под отрицательным давлением порядка 100 МПа. Если поверх­ностный слой обладает пластичностью, т. е. способен заметно деформироваться, частица не является точным шаром.

В работе (39] отмечается, что образование полых частиц является следствием градиентов температуры, влажности и давления внутри частиц коллоидных растворов, образу­ющих эластичную пленку, представляющую собой значи­тельное сопротивление для выхода пара в определенный момент сушки. Форма частицы — монолитная или полая —• 'оказывает значительное влияние на плотность частицы;

насыпную массу порошка, сопротивление частиц различным разрушающим усилиям — сжатию, сдвигу, истиранию.

Качество готового продукта оценивается по его дис­персности и стабильности насыпной массы. На насыпную массу продукта, полученного при сушке растворов распы­лением, влияют метод распыления, начальная концентра­ция раствора, параметры процесса, свойства распыляемого раствора.

Большой интерес представляет выяснение связи интен­сивности процессов тепловлагопереноса ‘и структурных преобразований в материале в условиях распылительного обезвоживания, а также определение влияния различных факторов (добавки, акустическая коагуляция и т. д.) на дисперсность и структуру частиц.

В институте технической теплофизики АН УССР про­ведены исследования влияния режимных параметров на кинетику обезвоживания одиночных капель с целью полу­чения информации об особенностях и закономерностях процесса и расчет кинетических характеристик процесса, необходимых для анализа и расчета установок по обезво­живанию композиций синтетических моющих средств (СМС) в диспергированном состоянии. В ходе экспериментов изу­чалось влияние начального влагосодержания (начальной концентрации по сухому веществу) раствора СМС, темпера­туры воздуха, скорости его, начального диаметра капли как на интенсивность и длительность отдельных периодов, так и на общую длительность процесса. Опыты проводилсь сдвумя композициями моющих средств — СМС-I иСМС-П.

Исследование обезвоживания капель различных компо­зиций СМС заключалось в том, чтобы снять кривые убыли массы, температурные кривые и кинограммы при опреде» ленных режимных параметрах, к которым относятся тем­пература и скорость теплоносителя, его влагосодержание. Для этого одиночная капля подвешивалась на стеклянную подвеску и убыль ее массы определялась в стационарных условиях. В потоке теплоносителя капля подвешивалась на спай термопары и происходящие с ней изменения фикси­ровались киносъемкой.

В производственных условиях концентрация компози­ции, поступающей на распыление, составляет около 50%, температура теплоносителя — 300—400°С на входе, 90— 100°С — на выходе. Но с целью выяснения определенных закономерностей интенсивности обезвоживания опыты
проводились с растворами композиций, начальная кон­центрация которых по сухому веществу с0 составляла 5, 10, 20, 30, 40, 50%. В статических условиях температура воздуха в камере варьировалась в пределах f=(120...300)°C, но в течение всего времени обезвоживания капли темпера­тура воздуха оставалась постоянной.

На рис. 51 представлены термограммы процесса, из ко­торых видно, что изменение температуры капли в процессе обезвоживания носит сложный характер, особенности ко-

торого определяются теплофизическими и термодинами­ческими свойствами растворов. На температурных кривых можно выделить пять отдельных периодов обезвоживания капли при £=(120...240)°, соответствующих рассмотренным выше периодам. Наличие и длительность периодов обезво­живания зависит, как видно, из термограмм, от концент­рации растворов и температуры.

На основании экспериментов сделан вывод о том, что интенсивность процесса распылительной сушки компози­ций GMC в значительной степени определяется механизмом и условиями внутреннего процесса тепловлагопереноса в одиночной капле (частице).

Поскольку обезвоживание капель растворов с началь­ной концентрацией с0 = (30...50)% протекает в основном
в сушильной стадии, то структурно-механические характе­ристики корочки, образующейся почти в самом начале про­цесса, определяют как интенсивность удаления влаги из частицы и длительность обезвоживания, так и окончатель­ный размер и плотность высушенной частицы.

Тепловлагообмен в таких нестационарных условиях не описан, следовательно, отсутствуют расчетные соотноше-

ния для определения скорости сушки и длительности обез­воживания одиночных капель. Из этого вытекает важность экспериментальных исследований, позволяющих получить эмпирические уравнения для расчета кинетики процессов тепломассообмена при обезвоживании капель в газовой сре­де. В работе [30] по термограммам определена длительность отдельных периодов и всего процесса, получены зависимос­ти продолжительности испарительной стадии [т12= f(c0)l и всего процесса обезвоживания от начальной концентра­ции [тобщ = f(c0)L Из рис. 52 видно, что продолжитель­ность испарительной стадии обезвоживания т12 практически линейно зависит от начальной концентрации в диапа­зоне с0 = (5...40)%. Зависимость общего времени обезво­живания капель растворов СМС Товщ от начальной концент­рации носит экспоненциальный характер.

В настоящее время одним из широко распространенных методов интенсификации распылительной сушки является увеличение температуры теплоносителя. Экспериментально установлено, что при повышении температуры воздуха со 120 до 300°С продолжительность процесса значительно уменьшается (см. рис. 52). Анализ этих графических за­висимостей показал, что с повышением температуры интен­сифицируется не только внешний процесс тепловлагооб - мена, но возрастает и скорость внутреннего влагопереноса.

Как отмечалось выше, при обезвоживании растворов на­блюдается период кипения, дли­тельность которого зависит от начальной концентрации раст­воренного вещества с0 и темпе­ратуры теплоносителя. Чем ни­же начальная концентрация с0, тем продолжительнее период кипения при данной темпера-

С точки зрения обеспечения качества продукта период кипе­ния является наиболее опасным, так как раствор, находящийся под корочкой, имеет температу­ру порядка /кип. иногда это длительное время. Поэтому важно знать зависимость между температурой высуши­ваемого материала и его влагосодержанием в любой момент времени, что дает возможность избежать неже­лательных перегревов термочувствительного материала.

пазоне Икрі < и < Икр2 и UKps < и < Ырави ПраКТИЧЄСКИ является постоянным.

В процессе обезвоживания размеры капли изменяются неоднократно. При сушке высоковлажных растворов до первой критической влажности наблюдается уменьшение размеров капли. Изменение размеров частицы в сушильной стадии во многом определяется упругими свойствами обра­
зовавшейся твердой корочки. Так, если она малоэластична и коэффициент влагопроводности через нее мал, то в периоде кипения частица сильно раздувается. При этом плотность ее уменьшается, она становится более хрупкой и податли­вой к разрушению.

На основании кинограмм процесса получены зависимос­ти изменения размеров частиц при обезвоживании капель растворов композиции СМС. При начальной концентрации с0=30% сушка капель раствора до второго критического влагосодержания протекает при линейном изменении диа­метра, т. е. dbldx = const, а затем капля увеличивается в размерах (раздувается). Чем выше температура воздуха, тем значительнее раздувание частиц. При сушке растворов с более высокой начальной концентрацией с0 = (40...50)% размеры капли в начале процесса не изменяются, а затем, в период кипения, капля также резко раздувается.

На основании проведенных с растворами СМС экспери­ментов сделаны выводы, которые могут представлять прак­тический интерес при разработке процессов гранулирова­ния разнообразных растворов методом распылительной сушки:

процесс обезвоживания капель растворов композиций СМС с концентрациями, применяющимися в производст­венных условиях, протекает в сушильной стадии, так как начальное влагосодержание меньше первого критического (влагосодержания коркообразования);

проведение процесса при высокой температуре воздуха (300—420°С) сопровождается значительным раздуванием частицы, что приводит к снижению ее удельной плотнос­ти и уменьшению механической прочности образующейся тонкой сферической оболочки;

на интенсивность процесса сушки значительное влия­ние оказывает скорость потока воздуха.

Распылительные устройства. В общем случае распыле­ние жидкостей — это процесс превращения сплошного не­прерывного потока в поток дисперсных частиц. При рас­пылении резко увеличивается поверхность, диапазон уве­личения от 1 : 100 до 1 : 50 000 [51].

Распыление—это процесс увеличения поверхности жидкости, осуществляемый посредством перевода ее в ста­тически неустойчивое состояние — тонкой струи, нити, пленки, а затем в статически устойчивое — капли. Ста­тически устойчивым является состояние, при котором
свободная энергия поверхности минимальна, что, как изве­стно, для капли соответствует сферической форме.

Распыление—сложный физический процесс, связанный с воздействием на поверхность струи аэродинамических сил, зависящих от скорости струи; разнообразными возму­щениями, которые могут быть вызваны вибрацией струи или сопла, изменением формы сопла и т. п.

На распыление необходимо затратить определенное ко­личество энергии, которая расходуется как на создание но­вой поверхности (преодоление сил поверхностного натя­жения), так и на преодоление сил вязкости и сообщение вновь образованным каплям кинетической энергии.

Отличие способов распыления состоит, прежде всего, в разнообразии сообщения струе энергии, достаточной для ее распада.

В работе [51] предложена классификация способов рас­пыления (рис. 54). Простейшим способом механического распыления является струйное, при котором струя с боль­шой скоростью истекает из отверстия малых размеров. При этом па поверхности струи возникают волнообразные дефор­
мации, приводящие к распадению струи на мелкие капли и образованию факела распыленной жидкости. Чем выше скорость истечения, тем меньше величина нераспавшейся части струи. На рис. 56 изображен типичный факел распы­ленной струи. При соударении двух струй на поверхности пленки появляются волны и радиальные складки, приво­дящие к разрушению ее.

В центробежных форсунках жидкость приобретает ин­тенсивное вращение в камере закручивания, куда она по­ступает через тангенциальные каналы, а после истечения из сопла — образует пленку, представляющую собой полый конус. Пленка быстро теряет устойчивость и распадается на капли.

Ультразвуковое распыление жидкости происходит под давлением колебаний пластинки с ультразвуковой часто­той. Это приводит к возникновению на поверхности жидкос­ти, подаваемой на колеблющуюся пластинку излучателя, стоячих волн, с гребней которых срываются капли, обра­зующие факел.

При распылении жидкости вращающимися дисками или барабанами жидкостная пленка, сбрасываемая с бара­бана центробежной силой, становится неустойчивой, по­падая в воздух, и дробится на мелкие капли. При малом расходе жидкости она стекает в виде нитей, при увеличе­нии расхода нити сливаются, образуя пленку.

Распыливать струю можно, поместив ее в электри­ческое поле, под действием которого на поверхности возникают деформации, приводящие к диспергированию жидкости.

Пневматическое, или газовое, распыление отличает­ся от прочих способов тем, что при его осуществлении жид­кость вытекает в движущийся поток газа и для распы­ления ее используется кинетическая энергия газа. При пневматическом распылении струя жидкости может вводи­ться в газовый поток соосно или под углом. Во всех случаях на границе раздела фаз образуются неустойчивые волны, приводящие к распадению струи. Установлено, что закру­чивание потока относительно оси пленки приводит к рас­ширению факела распыленной жидкости, улучшению рас­пределения капель в пространстве и уменьшению их раз­меров [51].

Распылители должны отвечать требованиям высокой производительности; надежности и износоустойчивости;

возможности регулировки в ходе процесса; получения моно - дисперсного распыла; определенной формы факела распыла; минимальных энергозатрат; простоты обслуживания. Ни одна из существующих конструкций полностью этим требо­ваниям не удовлетворяет, но разработаны высокопроизво­дительные распылители, обеспечивающие получение про­дукта требуемого качества.

Наибольшее распространение в технике гранулирова­ния способом распылительной сушки получили вращающи­еся диски (насадки), обеспечивающие распыление жидкости с помощью центробежных сил, возникающих при вращении дисков с большой скоростью; механические (гидравли­ческие) форсунки, обеспечивающие большую скорость истечения жидкости при повышенном давлении; пневма­тические форсунки, в которых жидкость распыляется под действием потока воздуха или неагрессивного газа; кон­струкции с вращающимися форсунками, совмещающими свойства дисковых распылителей и форсунок; конструкции вибрационного типа, в которых распыление жидкости происходит под действием звуковых или ультразвуковых колебаний.

При выборе распылительного устройства необходимо одновременно учитывать производительность, обеспечи­ваемую дисперсность распыла, технологическую пригод­ность.

Основой расчета форсунок является определение раз­меров при заданной производительности.

Механические форсунки. Область применения форсу­нок этого типа очень широка, так как с их помощью можно распылять вещества, обладающие различными свойствами. Они позволяют получать довольно узкие пределы величин капель и различные формы факела распыления, а также полый или заполненный факел. Пропускная способность форсунок этого типа составляет от нескольких литров до нескольких кубических метров в час.

Механические форсунки (прямоструйные, форсунки с механическими завихрителями, центробежные) обладают большим коэффициентом полезного действия, но лишь ме­нее 1 % энергии идет на увеличение поверхности.

Распад струи в общем случае зависит от ее турбулиза - ции, увеличивающейся при повышении давления и ско­рости истечения. Обычно механические форсунки работа­ют под давлением 5,1—25 МПа, что обеспечивает турбули-
зацию струи. При турбулентном истечении всегда имеется радиальная составляющая скорости, способствующая рас­пылению жидкости. Отсюда был сделан естественный вывод, что придание струе вращательного движения с помощью механических завихрителей должно способствовать ее дис­пергированию. Предложены разнообразные конструкции механических форсунок этого типа (рис. 55).

Из рассмотренного выше

механизма распада струи сле­дует, что на дисперсность распыла оказывают влияние свойства жидкости (вязкость, f поверхностное натяжение), давление (скорость истече­ния), конструкция форсунки.

При диспергировании чистых жидкостей вязкость в мень­шей степени влияет на распад струи, чем поверхностное на­тяжение, но при распылении растворов она изменяется гораздо сильнее, чем поверх­ностное натяжение, и в этом случае ее влияние на дис­персность распыла велико [31]. Зависимость расхода от давления р описывается следующим уравнением:

(168)

где F — площадь выходного сечения форсунки; [2]

Wo (і+ Vi—ч)Уч*

где WtP — средняя тангенциальная скорость; WQ — средняя осевая скорость.

При распылении механическими форсунками расход мощности (кВт) [51]

N-™I

102т)и * где т|и — КПД насоса; G — секундный расход, м3/с, Н —

полный напор, м.

Прямоструйные форсунки требуют очень малого сече­ния выходного канала, по­скольку они обеспечивают распад струи за счет ее высо­кой кинетической энергии, приводящей к образованию волн на поверхности жидко­сти.

Форсунки с завихрителя - ми и центробежные допуска­ют значительно большие сече­ния выходного канала, по­скольку струя на выходе из них сильно турбулизова - на. Центробежные форсунки обычно применяют для грубо­го распыла, они дают факел в виде зонта и малочувстви­тельны к загрязненным раст­ворам. При распылительной сушке получается продукт, неоднородный по составу. На рис. 56 [51] поясняется действие центробежной форсунки: жидкость поступает в камеру закручивания по тангенциальным каналам, ось которых смещена относительно оси сопла. В камере жид­кость приобретает вращательное движение и при выходе
из сопла ее частицы, не испытывая действия центростреми­тельных сил, разлетаются по прямолинейным траекториям, образуя факел.

Дисковые распылители. Принцип действия распылите­лей этого типа состоит в том, что при вращении диска на поверхности жидкости, находящейся на нем, под действием центробежной силы образуются круговые волны, приво­дящие к диспергированию жидкости. Поскольку распыле­ние на дисках определяется центробежной силой, оно за­висит от числа оборотов диска, его диаметра, расхо­да жидкости, ее вязкости.

На рис. 57 изображена схема, поясняющая дейст­вие дискового распылите­ля. Так же, как и при рас­пылении механическими форсунками, распад жид­костной пленки, образую­щейся при вращении дис­ка, происходит вследствие турбулентности потока и действия на поверхность ее аэродинамических сил, возникающих из-за трения о воздух.

Экспериментально установлено наличие двух механизмов распада струи при дисковом распылении, обусловленных преобладанием либо турбулентности потока, либо дейст­вием аэродинамических сил. При преобладании первого ме­ханизма распыл более равномерный. Величина капель и однородность распыления зависят от окружной скорости диска и производительности (толщины пленки жидкости). Условием получения примерно однородного продукта явля­ется постоянная подача раствора, гладкая поверхность диска, отсутствие вибрации при вращении с окружной ско­ростью не менее 60 м/с [31]. При меньшей величине окруж­ной скорости наблюдается явно выраженный неоднородный распыл.

При распылении растворов на дисках весьма важно знать величину факела, поскольку в дальнейшем его раз­меры затруднительно изменить конструктивными измене­ниями диска. Эффективность работы всего грануляцион-
но-сушильного агрегата будет в значительной степени зависеть от соответствия размеров сушильной камеры диа­метру факела. При несоответствии этих размеров либо объем камеры используется неэффективно, либо часть про­дукта попадает на стенки, что приведет к порче его и зара­станию аппарата. Факел, образуемый вращающимся дис­ком, располагается в горизонтальной плоскости, за диа­метр его принимают диаметр окружности, внутри которой оседает 90—95% всего распыленного раствора [31]. При уве­личении производительности диаметр факела растет вслед­ствие увеличения толщины пленки жидкости и связанной с этим неоднородности распыла. При увеличении частоты вращения диска диаметр факела уменьшается. Для увели­чения плотности потока капель на 1 мг площади аппарата применяют многоярусные диски, что позволяет уменьшить диаметр факела и увеличить однородность продукта.

Затраты энергии (кВт) при распылении на дисках [511

N = NK + NT= 1,095 • 10-5Gn (я2 - -£) + ^ (~)3,

где N к — затраты энергии на сообщение кинетической энергии раствору; NT — потери на трение между диском и возду­хом; г0 — расстояние по радиусу от оси до места подачи раствора на диск, м; п — число оборотов диска в секунду; G — производительность, кг/ч.

Пневматические форсунки. Форсунки этого типа обес­печивают распыление жидкости с большой скоростью при низком давлении с помощью сжатых газов или воздуха. Они требуют малых затрат энергии, надежны в работе и из­носоустойчивы, так как у них велико поперечное сечение отверстия, что уменьшает опасность засорения форсунки. Пневматическими форсунками распыляются высоковяз­кие жидкости, в них изменением соотношения количеств газа и жидкости обеспечивается регулировка размеров капель.

В зависимости от способа контакта жидкости и газа раз­личают конструкции форсунок с внутренним и внешним сме­шением. Форсунки с внутренним смешением не нашли широкого распространения, так как дают полидисперсный распыл. В форсунках внешнего смешения используются пря­молинейные либо вращающиеся потоки воздуха. Диапа­зон применяемого давления воздуха составляет от 1 до 700 кПа. Скорость газа на выходе из форсунки составляет боль­
шей частью от 100 до 250 м/с, а количество его обычно того же порядка, что и количество распыляемой жидкости. Уста­новлена зависимость дисперсности распыла от скорости газа: чем выше скорость, тем меньше размеры капель.

Пневматическая форсунка внешнего смешения с цент­ральной подачей раствора (рис. 58) состоит из корпуса /, штуцера подачи раствора 2, наконечника 3 и штуцера вво­да воздуха 4. Она обеспечива­ет узкий и длинныйфакел рас­пыла. Воздух может подавать­ся тангенциально, в резуль-

Рис. 58. Пневматические форсунки внешнего смешения:
а — с радиальным вводом сжатого воздуха; б — с тангенциальным
вводом сжатого воздуха.

тате чего он получает вращательное движение, что способ­ствует диспергированию истекающей из сопла жидкости. Производительность пневматических форсунок обычно со­ставляет 100—200 кг/ч, поскольку при увеличении произ­водительности растет неоднородность распыла. Применя­ются форсунки этого типа, как правило, при гранулирова­нии растворов в низкотемпературных газах, однако извест­ны конструкции, обеспечивающие производительность до 650 кг/ч при высоких температурах сушки (400—600°С).

Дисперсность распыла пневматической форсункой оп­ределяется физическими свойствами раствора и газа, ско­ростью истечения газа, отношением количеств жидкости и газа, а также геометрическими размерами форсунки.

Каждая из конструкций форсунок обладает определен­ными достоинствами и недостатками. Так, механические форсунки просты и компактны, работают бесшумно, весьма экономичны и позволяют получать требуемую форму фа­кела, обеспечивая в то же время высокую производитель­ность: до 5000 кг/ч. К недостаткам их относятся малые размеры выходного отверстия, зачастую менее 1 мм, что приводит к забиванию и выходу форсунок из строя, невоз­можность распыления пульп и регулирования производи­тельности форсунки в процессе работы.

Этих недостатков лишены дисковые распылители, поз­воляющие распылять суспензии и пасты, не засоряющиеся и надежные в работе устройства. Диски позволяют изменять производительность на 20—25%, не изменяя существенно качества распыла, при этом они весьма экономичны. Но дисковые распылители весьма сложны и дороги, требуют тщательного ухода и больших производственных площадей.

Пневматические форсунки, как и диски, распыляют раст­воры с любой вязкостью, устройство их весьма несложно, они позволяют в широких пределах регулировать расход и дисперсность распыла. К недостаткам их относится боль­шой расход энергии (50—60 кВт на 1 т раствора) [31J, а также трудность получения удовлетворительного распыла при большой производительности, поэтому при распыле­нии большого количества раствора приходится ставить параллельно несколько десятков форсунок.

Распылительные установки для гранулирования раство­ров и пульп. Разнообразие свойств высушиваемых раст­воров требует разработки соответствующих конструкций установок. Не существует универсальных установок, при­годных для распылительной сушки любых веществ. В работе [31] описаны схемы распылительных установок, позволяю­щих получать порошкообразные продукты из растворов.

Сравнительно редко удается получить гранулированный продукт непосредственно при распылительной сушке. С этой целью предлагается в факел распыла пневмотранспор­том вводить пыль из циклонов. Распыление может произ­водиться механическими форсунками или центробежными дисками, размер образующихся гранул около 1 мм. Вслед­ствие укрупнения готового продукта уменьшается пыле - унос и облегчается очистка отходящих газов.

В настоящее время распылительные сушилки все чаще используют в качестве первой ступени технологической
установки, подавая полученный в них порошкообразный продукт на гранулирование в аппаратах кипящего слоя и других устройствах. При этом используются положитель­ные стороны распылительных сушилок: возможность вы­деления твердой фазы из высоковлажных растворов, высо­кая производительность, большие температурные напря­жения и т. п. В конце технологического процесса получа­ется гранулированный продукт. Такова установка фирмы «Ниро-Атомайзер» для производ­ства сухого молока (рис. 59).

В распылительной сушилке получается продукт, склонный к агломерированию (влажность 18%), который поступает в ви­брационный гранулятор-сушил­ку, где частицы агломерируются, высушиваются и охлаждаются.

Гранулированный продукт по­ступает на затаривание.

НИИУИФ[3] разработан спо­соб производства гранулирован­ных продуктов, заключающийся в том, что в качестве центров гранулообразования использу­ется мелкий порошок продукта, полученный в распылительной сушилке из исходной пульпы, часть которой применяется затем при гранулировании в качестве связующего.

Технологическая схема получения гранулированных удобрений на базе аммофоса [58] показана на рис. 60. В нейтрализатор 1 подается фосфорная кислота (30% - ная Р20Б) и аммиак, образующаяся пульпа распыляется в сушилке 6 при t = (600...650)°С. Сухой аммофос поступает в бара­банный гранулятор 10, куда для улучшения гранулообразо­вания подается исходная пульпа. Влажные гранулы досу­шиваются в барабане 13 и охлаждаются в холодильнике 16.

В настоящее время большинство моющих средств полу­чают способом распылительной сушки в башнях высотой
до 30 и диаметром до 6 м. Башни изготавливают из бетона, кислотоупорной стали или из обычной стали с внут­ренней футеровкой. Для распыления композиции моющих* средств, имеющей концентрацию 45—55%, применяют как дисковые, так и форсуночные распылители.

На рис. 61 изображена сушильная башня для произ­водства моющих средств [35]. По периметру ее в верхней

части расположены форсунки высокого давления (механи­ческие), имеющие сменные вкладыши с диаметрами ка­нала истечения 2,5; 3,5; 4 мм и более. Обычно число фор­сунок составляет 6—8 шт. При уменьшении количества работающих форсунок ухудшаются физические свойства продукта (размер и структура частиц, насыпная масса), увеличивается удельный расход тепла.

Давление на форсунках составляет 3,5—13 МПа и ре­гулируется числом оборотов насоса высокого давления. Поток распыленных частиц композиции высушивается горячим газом, температура которого при поступлении в

башню достигает 250—350° С, а в зоне распыления состав­ляет 160—200° С. Работа башни зависит от формы конуса распыления. При засорении форсунки ее заменяют новой. Унос мелких фракций из баш­ни составляет от 10 до 25%.

Очистная система задержива­ет до 99,8% этого количества.