МАШИНОСТРОЕНИЕ

СУШИЛЬНЫЕ АППАРАТЫ ВЗВЕШЕННОГО СЛОЯ

К сушильным аппаратам взвешенного слоя относятся конвективные сушилки кипя­щего слоя, аэрофонтанные и пневматические трубные сушилки, характеризующиеся наличи­ем восходящего потока сушильного газа и взвешенных в нем частиц высушиваемого ма­териала. Сушилки этого типа классифицируют по гидродинамическому режиму, определяе­мому величиной относительной порозности взвешенного слоя 8 = 0,4...!, которая зависит от скорости газового потока и размеров частиц высушиваемого материала.

В области значений 0,4<є<0,55 газо­взвесь материала находится в состоянии псев­доожиженного слоя со свойствами капельной жидкости (четкая граница поверхности, спо­собность течения при перепаде высот и т. п.). Частицы материала равномерно перемешива­ются в слое, не покидая его. Такой режим в технике сушки применяется редко вследствие трудности его поддержания.

В диапазоне величин в = 0,55...0,75 в слое наблюдается движение газовых пузырей с вы­бросом частиц материала над поверхностью, подобно состоянию кипящей жидкости. Пере­мешивание материала происходит более ин­тенсивно, но частицы его не покидают слой. В таком режиме работают сушилки кипящего слоя.

В диапазоне значений порозностей 8 = 0,75... 0,95 имеет место восходяще - нисходящее фонтанообразное движение частиц материала в слое и активное его перемешива­ние. Частицы материала практически не уно­сятся из слоя, но структура его очень неодно­родная. В таком режиме работают аэрофонтан­ные сушилки.

При величине порозности 8» 1 происхо­дит полный унос частиц материала и восходя­щее их движение вместе с потоком сушильного газа. Эта область работы характерна для пнев­матических трубных сушилок (труб-сушилок).

Сушилки кипящего слоя получили широ­кое распространение во многих отраслях про­мышленности. В кипящем (псевдоожиженном) слое высушивают не только сыпучие материа­лы, но и пасты, суспензии, растворы. Растворы и суспензии можно обезвоживать либо на псевдоожиженной инертной насадке, либо в кипящем слое высушиваемого материала. В первом случае высушенный продукт выносится потоком газа из сушильной камеры в виде мел­кой пыли, во втором - сухой продукт получа­ется в виде гранул.

Конструкции сушилок кипящего слоя. Сушилки такого типа могут быть разделены на две группы (рис. 5.2.19, рис. 5.2.20): одно - и многокамерные. Кроме того, существуют два основных типа камер, отличающихся режимом движения псевдоожиженного слоя материала вдоль решетки: с обратным перемешиванием материала в слое и с направленным движением слоя.

Однокамерные сушилки, которые могут быть прямоугольными или круглыми в плане (рис. 5.2.19), просты по устройству, надежны в эксплуатации, обладают высокими экономиче­скими показателями, поэтому они наиболее рас­пространены в промышленности. Причем каме­ры с обратным перемешиванием (рис. 5.2.19, а) наилучшим образом подходят для материалов, которые в исходном состоянии очень трудно или невозможно перевести в псевдоожиженное состояние (высоковлажные комкующиеся, пас­тообразные, жидкие). Псевдоожижение дости­гается путем однородного распределения сы­рья по поверхности или в объеме слоя и за счет полного перемешивания твердых сухих частиц в пределах слоя. Недостатком этих конструк­ций является неравномерная обработка мате­риала, обусловленная широким спектром вре­мен пребывания частиц в зоне сушки.

Если высушиваемый материал способен переходить в псевдоожиженное состояние сра­зу после попадания в кипящий слой, и особен­но, если материал требует однородной сушки, применяют сушилки с направленным движени­ем материала (рис. 5.2.19, б, в), которое вдоль
решетки осуществляется вследствие установки в камере направляющих перегородок, обра­зующих коридоры. Такие сушилки при необ­ходимости могут быть выполнены с подачей нескольких потоков воздуха при разной темпе­ратуре по отдельным зонам газораспредели­тельной решетки - это однокамерные много­зонные сушилки.

В многокамерных одноярусных сушилках (рис. 5.2.20, а) с последовательным движением материала сушильный газ с оптимальной тем­пературой подается в каждую камеру или зону, что очень важно в случае обработки термочув­ствительных материалов. В них при необходи­мости может быть предусмотрена камера или зона для охлаждения продукта. В многокамер­ных многоярусных сушилках (рис. 5.2.20, б) осуществляется ступенчато-противоточное дви­жение материала и газа, что дает снижение расхода газа и высокую эффективность ис­
пользования теплоты. Последнее обстоятельст­во имеет большое значение для сушилок с замкнутым циклом сушильного газа.

Одно - и многокамерные сушилки могут иметь встроенные теплообменные устройства для подвода дополнительного количества теп­лоты непосредственно в псевдоожиженный слой материала. Это позволяет уменьшить как температуру, так и расход воздуха на сушку, т. е. снизить общие энергозатраты. Снижение температуры особенно важно в случае сушки термочувствительных материалов.

Ответственным элементом сушилки ки­пящего слоя является газораспределительная решетка. При сушке многих материалов, осо­бенно термолабильных, от ее конструкции за­висит выбор максимально допустимой темпе­ратуры сушильного агента. Несмотря на то, что температура псевдоожиженного слоя вследст­вие интенсивного перемешивания материала устанавливается невысокой, близкой к темпе­ратуре газа на выходе, температура газорас­пределительной решетки может быть намного выше вследствие нагрева от распределяемого газа. Это может служить причиной коркообра - зования на поверхности решетки, обращенной к кипящему слою, обусловленного наплавле - нием, припеканием или пригоранием продукта. Для предотвращения этих нежелательных яв­лений и обеспечения возможности применения высоких температур сушильного газа рекомен­дуется применять решетки с теплоизолирую­щим слоем или с отверстиями арочно-щелевой формы (рис. 5.2.21).

Для сушки трудноожижаемых, полидис­персных материалов и при значительно изме­няющейся скорости витания высушиваемых

1 2 3 1 3 4 5

Частиц предназначены аэрофонтанные сушил­ки - аппараты цилиндроконической или приз­матической формы. Конусная форма сушиль­ной камеры, высокая порозность взвешенного слоя и устойчивая фонтанообразная циркуля­ция частиц позволяют наилучшим образом применять аппараты этого типа для сушки жидких и пастообразных материалов для полу­чения сухого продукта в пылевидной или гра­нулированной форме (рис. 5.2.22).

Основным элементом пневматической трубной сушилки является вертикальная труба диаметром до 2 м, высотой до 30 м, в которой высушиваемый материал транспортируется по­током сушильного воздуха в режиме, близком к идеальному вытеснению. Пребывание мате­риала в зоне сушки кратковременное, обычно несколько секунд. Количество находящегося в сушилке материала невелико. Эти особенности позволяют использовать пневмотрубы для сушки различных дисперсных материалов (по­рошкообразных, зернистых, гранулированных, в том числе и взрывоопасных).

Пневматические трубы-сушилки могут быть разнообразных конструкций в зависимо­сти от свойств высушиваемого материала и требований к высушенному продукту (рис. 5.2.23, а). Газовзвесь отводится из сушил­ки на разделение в циклон или фильтр. В верх­ней части сушилки может быть установлен

А)

Рис. 5.2.22. Аэрофонтанные сушилки:

А - для получения пылевидного продукта в фонтани­рующем слое керамических шаров; б-для получения гранулированного продукта; 1 - корпус; 2 - решетка; 3 - форсунка;; /- воздух; II - тепоноситель; III - пы - легазовая смесь; IV - раствор (суспензия); V - гранулы
расширитель 6 для удержания крупной фрак­ции в зоне сушки. Карман 1 в нижней части служит в качестве ловушки для крупных не­транспортабельных комков материала во избе­жание их перегрева и разложения. В трубе - сушилке предусматривают устройства для компенсации термического удлинения, напри­мер, в виде мягкой манжеты 5.

Для трудносохнущих материалов или при необходимости сушки до низкой остаточной влажности находят применение двухступенча­тые трубы-сушилки. Преимуществом их явля­ется то, что, создавая на каждой ступени наи­более благоприятный режим сушки, можно вы­сушить материал до требуемой конечной влажности при минимальных затратах тепло­ты. На первой ступени сушки удаляется большая часть влаги при максимально возмож­ной температуре воздуха, на второй - материал досушивается при умеренном температурном режиме.

Пневматические трубы-сушилки могут быть использованы для сушки крупнодисперс­ных и трудносохнущих материалов и в одно­ступенчатом варианте, для чего применяют технологический прием сушки с рециркуляци­ей продукта (ретур). При этом целесообразно подавать на ретур крупные фракции продукта, предварительно отсепарировав их и смешав с исходным материалом. В некоторых случаях полезно измельчать материал в процессе сушки (рис. 5.2.23, б).

Расчет сушильных аппаратов взве­шенного слоя. Уравнение связи материально­го и теплового (в удельных величинах) балансов имеет следующий вид:

L =

Gv АХ

_ (/П К +Ям+Яс+ Я пот - сж®0 - Ядоп)^и А) ~сг*к "Лт. к^О

(5.2.16)

Где а - удельный расход сушильного газа; L - расход сушильного газа по сухой его части; GT - производительность сушилки по сухому веществу материала; /п к - энтальпия пара при конечной температуре парогазовой смеси; qM - теплота, необходимая для нагрева мате­риала; qc - теплота адсорбционно связанной влаги; qn0T - тепловые потери; сж - теплоем -

Кость влаги в материале; 9q - начальная тем­пература материала; <7Д0П - количество допол­нительно вводимой теплоты; Аи = Uq - ик - изменение влагосодержания материала от на­чального Uq до конечного ик ; Iq - начальная энтальпия сушильного газа; сг - удельная теп­лоемкость сухого газа; Xq - начальное влаго - содержание сушильного газа.

Для сушилок кипящего слоя при разме­щении теплообменных элементов непосредст­венно в псевдоожиженном слое высушиваемо­го материала удельное количество дополни­тельного количества теплоты <7Д0П, исполь­зуемое в балансовом уравнении (5.2.16), можно рассчитать по уравнению теплопередачи:

Qjxon ~ '

W

Где К^ - коэффициент теплопередачи через стенку греющего элемента; F^ - площадь те-
плообменной поверхности; t^ - температура

Теплоносителя в греющем элементе; t - сред­няя температура газа в кипящем слое; W - про­изводительность по испаряемой влаге.

Величиной <7д0П можно задаться при

Расчете материального и теплового балансов, а затем рассчитать по формуле (5.2.17) требуе­мую площадь поверхности теплообмена и

Проверить возможность конструктивного ее размещения в слое. На практике удается ввести в процесс дополнительно до 80 % требуемого для сушки количества теплоты. Поэтому при­нятая величина <7Д0П должна быть ограничена суммой:

Qmu< 0,8(/ПіК + ?м + Я с Я пот с ж® о)'

Учитывая, что сушка - процесс тепломас - сообменный, кинетически требуемую высоту

Взвешенного слоя Нсп можно представить в виде произведения:

HCn=htmt=hX™X' (5.2.18)

Где ht, hx - высота, эквивалентная одной единице переноса, рассчитываемая соответст­венно по уравнениям тепло - или массоперено -

Са; mt, тх - число единиц переноса, выра­женное соответственно через изменение тем­ператур или влагосодержаний газа и материа­ла.

Если лимитирующей стадией теплопере - носа является внешняя теплоотдача (при кри­терии Ві<0,1), то высоту единицы переноса ht можно рассчитать из уравнения теплоот­дачи:

H cL ' aFygS{\ - є)

Где с - приведенная теплоемкость влажного га­за; а - коэффициент теплоотдачи от газа к час -

Г? G

Тицам материала; rvл =----------- - удельная по -

У Ч^э

Верхность материала; у - фактор формы час­тиц; d3 - эквивалентный диаметр частиц; S - площадь сечения псевдоожиженного слоя, нормального потоку газа, м2; є - относительная порозность слоя.

При использовании уравнения массоот­дачи (при условии, что диффузионный крите­рий Від < 0,1) высота единицы переноса ~ ■

Рр^уд5(1-є)

Где Р - коэффициент массоотдачи от частицы к газу; р - плотность газа при усредненных па­раметрах.

Коэффициент теплоотдачи к частицам материала в псевдоожиженном слое можно рассчитать по обобщенным соотношениям: при Re/s < 200

(R Л13

Nu = 0,0161—1 Рг0'33; (5.2.19) при Re/є > 200

Nu = 0,41—1 Рг0'33. (5.2.20)

Для расчета межфазного коэффициента массоотдачи в псевдоожиженных слоях надеж­ные зависимости отсутствуют. Однако, допус­кая аналогию между процессами тепло - и мас - сообмена, можно принять диффузионный кри­терий Ыид = Nu. Таким образом, расчет ко­эффициента массоотдачи можно выполнить по уравнениям (5.2.19), (5.2.20), заменив в них критерий Nu и Рг соответственно на диффузи­онные критерии и Ргд.

Принцип аналогии процессов тепло - и массообмена дает возможность рассчитать ко­эффициент массоотдачи, если известен коэф­фициент теплоотдачи (или наоборот), по соот­ношению Кришера:

А =Ср(/>~Ф/?н)= срМп (3 Р Мп + МТХ'

Где Р - общее давление; ф - относительная влажность газа; рн - давление насыщенного пара при температуре влажного газа; А/п, Мг - молекулярная масса соответственно па­ра и газа; Х - влагосодержание газа.

В уравнении (5.2.18) число единиц пере­носа в общем случае определяется средней ин­тегральной разностью параметров газа и мате­риала, которая может быть выражена также от­ношением изменения параметров газа к сред­ней движущей силе. Таким образом, в зависи­мости от используемого параметра выражение для числа единиц переноса имеет следующий вид:

'^JozLl (522і)

' Jf-e д,

<о '

Или

= (".22)

Где 0 - температура материала; X* - равно­весное материалу влагосодержание газа; At,

Ах - средняя движущая сила процесса суш­ки, выраженная соответственно через разность температур или влагосодержаний газа

В кипящем или фонтанирующем слое ма­териал находится в условиях идеального сме­шения, и его параметры равны конечным. Движение газа логично рассматривать в режи­ме идеального вытеснения. Тогда интегрирова­ние уравнений (5.2.21) и (5.2.22) приводит к выражениям:

І ~ тХ =1п—ї-------------------- ~

Практически идеальное вытеснение пото­ка газа нарушается на небольшом удалении от газораспределительной решетки, и газ в псев - доожиженном слое материала оказывается в значительной степени в условиях перемешива­ния. Поэтому с целью обеспечения запаса можно принять состояние газового потока в условиях идеального смешения.

В этом случае интегрирование уравнений (5.2.21), (5.2.22) приводит к соответствующим выражениям:

Tn - tK At mt = - У—- =---- ; (5.2.23)

Хк-Х0 АХ

Г"Х=—*------------------- - = —---------- • (5-2.24)

Хк-Хк Хк-Хк

Для определения числа единиц переноса по уравнениям (5.2.23), (5.2.24) необходимо знать конечную температуру продукта и рав­новесное ему влагосодержание газа. При рас­чете материального и теплового балансов ко­нечную температуру продукта принимают в пределах 9К = (0,6...0,95)/К, и несовпадение ее с истинным значением не вносит большой по­грешности в результаты балансовых расчетов. Однако при расчете числа единиц переноса не­обходимо знать истинное значение температу­ры продукта и соответствующее состоянию продукта равновесное влагосодержание газа.

Нахождение истинных значений конеч­ных параметров может быть осуществлено следующим образом. Из принципа аналогии процессов тепло - и массообмена со всей оче­видностью следует mt = тх. В этом случае из выражений (5.2.23) и (5.2.24) можно рассчи­тать

(5.2.25)

Уравнение (5.2.25) представляет собой

*

Уравнение прямой линии в координатах X, 0, которая является геометрическим местом ис­тинных значений координат конечных пара­метров продукта. Для нахождения искомой точки необходимы данные гигроскопического равновесия продукта, определяемого изотер­мами десорбции при некоторых принятых зна­чениях конечной температуры и заданной ко­нечной влажности материала. При этом можно построить кривую в тех же координатах. Точка

Пересечения даст истинные координаты X* и

Ек.

Согласно принятой модели идеального смешения газовой и твердой фаз все необходи­мые для расчета параметры и характеристики газа и материала следует принимать для конеч­ных условий процесса сушки. Для однокамер­ных сушилок с направленным движением ма­териала и для многокамерных целесообразно разделить кипящий слой на последовательные зоны и выполнить расчеты для каждой зоны отдельно.

Кинетический расчет пневматических трубных сушилок имеет особенности, обуслов­ленные низкой концентрацией материала в га­зовом потоке и кратковременностью пребыва­ния материала в трубе. В связи с этим сушке в пневматической трубе-сушилке обычно под­вергают дисперсные материалы, интенсивность
внешнего тепло-, массообмена которых, по меньшей мере, на порядок меньше интенсив­ности внутреннего тепло-, массопереноса, т. е.

При условии, когда критерии Ві<0,1 и Від <0,1. В этом случае принято рассматри­вать внешнюю задачу тепломассообмена, ко­торая может быть решена через уравнение мас­соотдачи или теплоотдачи. Решение этих урав­нений позволяет найти кинетическое время процесса сушки т по одному из следующих уравнений:

Т =

Уру іхк~хо), р Р FyjAx

APv ('о

A FyjxKt

Ыид = Nu. Тогда обобщенное уравнение

(5.2.26) можно представить в аналогичном виде.

Площадь сечения сушилки взвешенного слоя, нормального потоку сушильного газа, на­ходят из уравнения расхода:

S = V/ м -

Где V - объемный расход с\ шильного газа, оп­ределяемый из материального баланса: w - скорость потока сушильного газа в рабочем се­чении аппарата.

Скорость потока газа, обеспечивающая заданную порозность взвешенного слоя в су­шилках кипящего и фонтанирующего слоя, численно равна скорости стесненного осажде­ния (витания) частиц. Скорость стесненного осаждения (с учетом порозности 8) можно оп­ределить по > ниверсальной зависимости

Где ру - объемная плотность материала; Р -

Коэффициент массоотдачи; Д^- - средняя движущая сила процесса сушки (средняя раз­ность рабочих и равновесных влагосодержаний

Газа); А, - движущая сила процесса сушки (средняя разность температур газа и материа­ла).

Кроме того, труба-сушилка представляет собой аппарат идеального вытеснения с прямо­точным движением газа и материала. При дви­жении газовзвеси в трубе параметры твердой и газовой фаз изменяются от начальных до ко­нечных значений. Поэтому пользуются сред­ним значением движущей силы, которая с дос­таточной для практики точностью может быть определена среднелогарифмическим значени­ем. Причем более точное приближение к сред - неинтегральному значению получается в слу­чае, если начальное равновесное состояние газа и материала принять не при начальной темпе­ратуре материала, а при температуре мокрого термометра.

Коэффициент массоотдачи можно рас­считать по обобщенному критериальному уравнению:

Ыид =2 + 0,51 Re0'52 Рг®-33. (5.2.26)

При умеренных температурах сушки имеет место подобие полей температур и кон­центраций в пограничном слое газа, в связи с чем принимают тождество между диффузион­ным и тепловым критериями Нуссельта:

Аг 8

(5.2.27)

,61Л/АГ84-75

Справедливой в диапазоне чисел Re < 2-Ю5.

Скорость осаждения частиц неправиль­ной формы рассчитывается умножением ско­рости, определенной по формуле (5.2.27), на поправочный коэффициент формы ср. Для при­ближенных расчетов рекомендуют принимать для частиц окр>глой формы ф = 0,77, углова­тых ф = 0,66, продолговатых ф = 0,58, пластин­чатых ф = 0,43.

Скорость осаждения также для всех ре­жимов обтекания (Re<2 105) с учетом стес­ненности потока и неправильности формы час­тиц можно рассчитывать по формуле

ДЬб7 + /ГфАгє4,75 - Т367 Re = -------------- , (5.2.28)

0,588/гф

Где = 11-10ф - коэффициент, учитываю­щий влияние формы частиц: ф - коэффициент сферичности частиц: ф = 0,8...0,9 для частиц округлой формы без резких выступов, с резки­ми выступами ф = 0.65...0,8, для угловатых, продолговатых ф = 0.4...0,65. для пластинча­тых, хлопьевидных ф = 0,2...0,4 и для волок­нистых ф = 0,2.

При изменении скорости сушильного газа и других условий псевдоожижения относи­
тельную порозность взвешенного слоя можно рассчитать по следующим формулам:

При использовании уравнения (5.2.27) 2Л0,21

18Re+0,36Re Аг

При использовании уравнения (5.2.28)

\2

(0,588fyRe+V367) -367

0,21 In

K^Ar

Для обеспечения однородного псевдо­ожижения, а также при возможности размеще­ния в слое дополнительных теплообменных

Элементов высота слоя должна быть #сл = = 0,2... 1,5 м (большие значения принимают для мелких, полидисперсных и трудноожижаемых материалов). Поэтому при необходимости рас­считанную по формуле (5.2.18) величину

#сл следует увеличить до рекомендуемой. Высота сушильной камеры должна включать и высоту сепарационной зоны //сеп, которую принимают

#сєп = (1-"4)#сл'

Где большие значения принимают для мелких материалов.

Гидравлическое сопротивление сушилки кипящего слоя складывается из гидравлических сопротивлений собственно слоя, газораспреде­лительной решетки и местных сопротивлений при входе и выходе сушильного газа. Сопро­тивление псевдоожиженного слоя определяет­ся эффективным весом находящегося в нем ма­териала. Для системы газ - твердое тело

&Рсп =(Рм. к-Р)0-Є)£ясл =

= Рм. кО-е)^Ясл- Для эффективного газораспределения гидравлическое сопротивление решетки реко­мендуют принимать А/?реш =(0,3...0,55)A/?CJ1,

Но не менее 500 Па.

Скорость потока газа в трубе принимают

И>г = (1,5...2)w*, где w* - скорость витания

Небольших по размеру частиц материала. Ми­нимальная скорость газа должна быть не меньше 5 м/с во избежание конвекционного перемешивания в трубе, а максимальная - не более 40 м/с во избежание высоких гидравли­ческих потерь.

Общая высота сушилки Н складывается из участка разгона Яр и участка стационарного

Движения частиц материала Н^: Н = //р +

+//qj. На участке стационарного движения скорость частиц среднего размера принимают постоянной. поэтому

~-(Wi - ws) тс

Где w4 - скорость частиц на участке стабили­зированного движения; wB - скорость витания частиц среднего эквивалентного диаметра; Тст ~ время движения частиц на участке ста­билизированного движения.

Скорости w* и wB рассчитывают из уравнений (5.2.27), (5.2.28), как скорости сво­бодного осаждения, т. е. без учета влияния кон­центрации частиц в потоке газа. Время тст со­ставляет часть общего кинетического времени сушки т:

Тст =

Где Тр - время разгона частиц от начальной

Скорости (обычно w4H - 0) до конечной wH. Время разгона частиц можно рассчитать по ус­редненной скорости частиц на участке разгона, высоту которого определяют по уравнениям кинетики нестационарного движения частиц [44].

В связи с тем, что в трубе-сушилке име­ются два гидродинамически отличающихся участка, коэффициенты массо - или теплоотда­чи рассчитывают отдельно для каждого участка.

Если расчетная высота трубы-сушилки получается чрезмерно большой (более 30 м), принимают двухступенчатый вариант установ­ки или применяют рециркуляцию продукта. Во втором случае вследствие более интенсивного использования объема сушильной зоны сокра­щается требуемая для процесса высота сушил­ки. Расчет процесса сушки с рециркуляцией материала можно свести к расчету при отсут­ствии рециркуляции, если характеристики по­ступающего на сушку материала связать с ко­нечными характеристиками материала. Для этого вводят параметр кратности рециркуляции по сухой части материала

Гт =Срц/Ст, где Gpu - расход сухой части продукта, воз­вращаемой на вход сушилки.

Расход смеси материала, поступающей в сушилку, GCM = GT + Gpu = GT (l + rT), a удельный расход воздуха на сушку GCM = L/GCM. Учитывая, что величина дви­жущей силы при рециркуляции материала из­менится незначительно, можно рассчитать время сушки, подставив в них асм вместо а.

Гидравлическое сопротивление трубы - сушилки представляют в виде суммы отдель­ных составляющих потерь давления в трубе вертикального пневмотранспорта: на поддер­жание скоростного напора, трение несущего газового потока о стенки трубы, местные со­противления, на подъем материала, на поддер­жание материала во взвешенном состоянии, на изменение количества движения материала на участке разгона, на трение частиц материала о стенки трубы.