ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Основные конструкции сушилок

Большинство промышленных сушилок (около 80%) реализуют конвективную сушку. Более 40% конвективных сушилок составляют барабанные сушилки, при­меняемые для сушки сыпучих материалов (солей, удобрений, химикатов) топочны­ми газами или подогретым воздухом в условиях прямоточного или противоточного движения материала и теплоносителя. Эти сушилки отличает экономичность (до­пускается использование высокотемпературных агентов), значительная производи­тельность и высокая надежность (работают по 6^8 тыс. часов без капитального ре­монта).

Барабанная конвективная сушилка, см. рисунок 5.3, представляет собой вра­щающийся с частотой 2^12 об/мин барабан, установленный под небольшим (~ 4о) углом к горизонтали для пересыпания материала от загрузочной камеры к разгру­зочной. На барабан надеты два бандажа, которыми он опирается на свободно вра­щающиеся ролики, закрепленные на опорной раме и опорно-упорной станции, а также зубчатый венец привода. Упорные ролики, установленные на раме опорно­упорной станции, ограничивают осевое смещение барабана. Для предотвращения сплющивания барабана под бандажи и венец привода устанавливают кольцевые накладки, толщина которых в 1.5^2 раза превышает толщину обечайки барабана. Отношение длины барабана к его диаметру обычно находится в пределах 3.5^7.

Сушильный агент может вводиться в загрузочную (прямоток) или разгрузоч­ную (противоток) камеру, установленные на концах барабана. Большинство бара­банных сушилок работают под небольшим вакуумом (50^250 Па) для исключения выхода в цех запыленного газа, поэтому между камерами и барабаном устанавли­вают уплотнения, предотвра­щающие подсос наружного воздуха, который может при­вести к снижению температуры сушильного агента. Наиболее популярны ленточные уплот­нения (рисунок 5.4), состоящие из многослойной пластиковой ленты, один конец которой за­креплен на неподвижном коль­це камеры, а другой с помощью накладок и проволоки удержи­вается на подвижном кольце, закрепленном на барабане.

Объем барабана заполняют материалом на 15^25%. Внутри барабана устанавливаются насадки, обеспечивающие равномерное распределение материала по его сечению, см. рисунок 5.5: вблизи загру­зочной камеры - приемно-винтовая, а затем - основная (чаще всего подъемно­лопастная или секторная).

Около 25% парка промышленных конвективных сушилок составляют аппара­ты для сушки в режиме псевдоожиженного и фонтанирующего слоя. В них можно сушить сыпучие и пастообразные материалы, а также суспензии и растворы. Применение сушилок кипящего слоя позволяет значительно интенсифицировать процесс удаления влаги из материала за счет развитой поверхности контакта между частицами материала и сушильным агентом, выравнивания влажности и температу­ры в объеме слоя. К недостаткам этих сушилок можно отнести повышенный удель­ный расход энергии, пылеобразование и связанную с ним опасность возникновения взрывоопасных концентраций материала в воздухе.

Простейшая однока­мерная сушилка кипящего слоя, см. рисунок 5.6, представляет собой верти­кальную камеру прямо­угольного сечения, в нижнюю часть которой через специальный люк устанавливаются сменные газораспределительные решетки. Влажный матери­ал загружается в сушиль­ную камеру секторным питателем. Нагретый в ка­лорифере воздух подается под решетку через штуцер и отводится через патрубок в верхней части камеры, огибая по пути отбойник, который выполняет функ­цию первичного сепарато­ра взвешенных частиц ма­териала. Необходимая вы­сота кипящего слоя обес­печивается переливным порогом. Высушенный ма­териал выгружается с по­мощью шнека.

Г азораспределитель­ные решетки предназначе­ны не только для равномерного распределения потока сушильного агента по сечению аппарата, но и поддержки слоя при остановке сушилки (исключают попадание мате­риала в подрешеточное пространство). Наиболее популярные схемы газораспредели­тельных решеток представлены на рисунок 5.7. Для сушки сыпучих материалов реко-

87

мендуют использовать плоские решетки, которые обеспечивают интенсивное пере­мешивание материала вблизи отверстий, т. е. в зоне наиболее высоких температур. Желобчатые решетки, в которые сушильный агент подается тангенциально, обычно используют для сушки волокнистых материалов.

Щелевые решетки представляют собой два ряда колосников, причем оси от­верстий нижнего ряда совпадают с осями колосников верхнего. Эти решетки при­меняются для сушки паст, суспензий и растворов с использованием слоя инертного носителя - фарфоровых шариков или фторопластовой крошки. Жидкий или пасто­образный материал подается через форсунки на поверхность псевдоожиженного слоя инертного носителя. Материал налипает на поверхность гранул носителя, вы­сушивается, скалывается и стирается с поверхности гранул при их соударениях, уносится из камеры пневмотранспортом и выделяется в системе сепарации и пыле­очистки.

Для удаления из мелко­зернистых сыпучих материа­лов (йэ < 6^8 мм) механически связанной влаги в широко ис­пользуется сушка в режиме пневмотранспорта (~ 7% су­шильных установок), которую чаще всего реализуют в тру­бах-сушилках диаметром до 1 м и длиной до 25 м. Скорость теплоносителя в трубах - сушилках весьма велика (10­40 м/с), поэтому время сушки не превышает нескольких се­кунд, материал не перегрева­ется, не спекается, не прили­пает к стенкам трубы.

На рисунке 5.8 представ­лена схема установки для сушки минеральных солей в режиме пневмотранспорта. Материал подается в трубу-
сушилку из бункера шнековым питателем, а горячий воздух - из калорифера. Час­тицы материала подхватываются теплоносителем, интенсивно сушат­ся и транспортируются в циклон. Из циклона высушенный материал удаляется шнеком, а воздух, пройдя систему тонкой пылеочистки, вы­брасывается в атмосферу вентиля­тором. Расширитель на трубе слу­жит для интенсификации сушки путем создания нестационарных условий движения смеси газа с ма­териалом.

Примерно 10% общего числа конвективных сушилок в химиче­ской промышленности составляют распылительные сушилки. Они предназначены для сушки растворов и суспензий с получением готового продукта в виде порошков или гра­нул. Тонкое распыление высуши­ваемого материала создает весьма значительную поверхность испаре­ния, что обеспечивает кратковре­менность процесса сушки (15^20 с), и, как следствие, мягкие условия его проведения: несмотря на прямоточ­ный контакт с высокотемператур­ным сушильным агентом, темпера­тура поверхности материала обычно невысока. Поэтому распылительные сушилки применяют для сушки термочувствительных продуктов биологического и органического синтеза с большой начальной влаж­ностью.

Одна из наиболее распростра­ненных конструкций распылитель­ных сушилок (рисунок 5.9) пред­ставляет собой цилиндрическую камеру с коническим днищем, в верхней части которой установлено устройство для распыления высу-

Распыливающее устройство пред­ставляет собой либо диск на вертикаль­ном валу, получающий интенсивное вращательное движение (до 40000 об/мин) от электропривода с мультипли­катором, либо форсунку. Для распылива - ния суспензий с эрозионной твердой фа­зой применяют диск, показанный на ри­сунке 5.10. Он состоит из стального кор­пуса, сменных сопл, расположенных на 10-20 мм выше защитной сменной пла­стины, которая прижимается к основанию диска гайкой. Такая конструкция создает на поверхности диска дополнительный защит­ный слой твердых частиц, по которому свежая суспензия перемещается к соплам. На рисунке 5.11 изображена пневматическая форсунка, способная распыливать жидкость любой вяз­кости при широком диапазоне дисперсности содержащейся в ней твердой фазы. В цен­тральный штуцер подается сжатый воздух или водяной пар давлением 0.5^0.6 МПа, а в бо­ковой - высушиваемый раствор или суспен­зия. На выходе материал подхватывается по­током воздуха или пара, истекающего из кольцевой щели между корпусом и тарелкой.

В кондуктивных сушилках все тепло пе­редается высушиваемому материалу тепло­проводностью от нагретой поверхности, а воздух или другие газы предназначены только для удаления испаряющейся влаги из рабочего объема аппарата. Кондуктивная сушка может осуществляться при атмо­сферном давлении или при вакууме (легко окисляющиеся, термолабильные, пожа - ро - и взрывоопасные материалы).

Вальцеленточные сушилки (рисунок 5.12), предназначенные для сушки паст, занимают промежуточное положение между кондуктивными и конвективными. Кондуктивная часть сушилки - это валец, предназначенный для предварительного формования и подсушки материала. Поверхность вальца покрыта кольцевыми ка­навками трапецеидального профиля. Поступающая из бункера паста впрессовывает - ся в эти канавки пресс-валком. Валец и пресс-валок обогреваются изнутри водяным
паром. Паста, подсушенная в канавках валка, снимается специальными гребенками, транспортером подается на ленточный конвейер и, проходя сушильную камеру, до­сушивается уже в режиме конвективной сушки. В качестве несущего полотна кон­вейера обычно используют плетеную металлическую сетку. Сушильный агент (то­почные газы или нагретый воздух) циркулирует в камере, продувая материал сверху вниз и проходя перед повторным использованием систему очистки и подогрева.

Среди разнообразных конструкций кондуктивных сушилок отметим ротор­ные вакуумные сушилки, см. рисунок 5.13. В отличие от всех рассмотренных это сушилки периодичес-кого действия, широко применяемые в производствах органи­ческого синтеза.

Сушильная камера роторной вакуумной сушилки - это горизонтальный цилин­дрический барабан с рубашкой, внутри которого установлен реверсивный ротор. Барабан заполняется влажным материалом не более чем наполовину. Его обогрев осуществляется водяным паром, жидкими или парообразными ВОТ. Пары влаги удаляются вакуум-насосом.

Направление вращения ротора через каждые 5^8 мин. автоматически меняется на противоположное. Гребки ротора изогнуты на левой половине барабана влево, а на правой - вправо, так что при вращении ротора в одну сторону высушиваемый материал перемещается к концам барабана, а при изменении направления вращения - к его середине. При выгрузке материала ротор вращается так, чтобы материал пе­ремещался к середине барабана, где находится разгрузочный люк.

В терморадиационных су­шилках в качестве инфракрасных излучателей используются либо электролампы, либо нагреваемые газом или электричеством панели, см. рисунок 5.14. В современных сушилках с газовым обогревом, применяемых для высушивания тонких слоев защитных покрытий (лаков, эмалей), эффективно ис­пользуются излучающие насадки с беспламенным горением.

Мощность теплового потока при инфракрасном излучении в 30 - 70 раз больше, чем при конвек­тивной сушке.

Рассмотрим методику технологического расчета наиболее распространенных конвективных сушилок непрерывного действия (барабанной и кипящего слоя), а также кондуктивной сушилки самой простой конструкции - валковой.

Расчет барабанных сушилок. В качестве сушильного агента в них, как прави­ло, используются топочные газы с начальной температурой 500-700 оС. Расчет ки­нетики сушки осложняет неопределенность величины поверхности материала, обте­каемого сушильным агентом (~ 10% материала падает с верхнего уровня его подъе­ма насадкой, а основная часть материала представляет собой плотный слой, обду­ваемый сушильным агентом вдоль наружной поверхности).

Необходимый расход тепла в сушилке определяется как сумма расхода тепла на испарение влаги из материала = W-r0
и на нагрев влажного материала QHarp = Он-(сы + св-ин)-(ім - 0н) + Ок-(см + св-ик)-( 0к -

Q

с учетом потерь тепла в окружающую среду:

Q = (1+п)( Qhoh + Qn^). (5.6)

Здесь 0н, 9к - температуры материала на входе и выходе из сушилки;

r0 - удельная теплота парообразования при средней температуре материала

0ср = (0н + 0к)/2;

- расход влаги, удаляемой из материала;

Он, Ок - производительность сушилки по влажному и высушенному материа­лу (кг/с), причем Он = Ок + W;

ин, ик - влажность материала до и после сушки (кг влаги/кг общей массы); ґм - температура мокрого термометра для сушильного агента (вначале при­нимается, затем уточняется),

см, св - удельные теплоемкости сухого материала и влаги (Дж/кг/К);

П - доля потерь тепла от его общих затрат (~ 10%).

Необходимый расход сушильного агента (топочных газов)

X 2 - xi

причем их начальное влагосодержание (х1) принимается равным влагосодержанию атмосферного воздуха (х0), а конечное (х2) определяется по I-x диаграмме Рамзина, см. приложение Г, с использованием значений энтальпии газов I1 при начальной температуре t1 и удельных потерь тепла в сушилке

А = ^нагр + П( Qndi + Qn^J/W ==> Ii - I2 = A‘(*2 - *l), где I2 - энтальпия топочных газов при конечной температуре t2 (обычно равной 0к).

Замечание. Температура мокрого термометра 4 топочных газов и их влагосо­держание в непосредственной близости от поверхности материала хнас определяются на 1-х диаграмме Рамзина по точке пересечения линий I2 = const и ф = 1 (линия на­сыщения атмосферного воздуха). Если полученное значение 4 отличается от перво­начально принятого более чем на 10%, необходимо вернуться к определению значе­ния Q^.

Необходимый рабочий объем барабана ¥ряб = W/Av определяется по значению удельной объемной влагонапряженности Av (кг вла - ги/м3/с), которое принимается по данным экспериментов, например при температу­ре t1 = 500 oC и ин < 10% Av ~ 0.008 кг/м3/с.

По значению Ураб в каталоге выбирается стандартный барабан ближайшего объема с размерами D6xL6, см. приложение Г, а затем производится уточненный расчет объема барабана (V) и удельной объемной влагонапряженности.

Необходимая продолжительность сушки материала определяется по эмпириче­ской формуле

X = 2* рн-Рм'( ин - ик)/АЛ2- ( ин - uк)],

где рн - насыпная плотность материала,

Рм - коэффициент заполнения барабана материалом (0.15-0.3), а среднее время пребывания материала в барабане - по формуле

Тпреб = 2- Рн' У'вм!(Сн + GK + Оу),

где Оу = Ок-5у - унос мелких фракций материала;

5у ~ 0.03-0.08 - доля уноса сухого материала.

Замечание: при правильном выборе значений Vи Av должно выполняться усло­вие: Тпреб > Т.

Необходимая частота вращения барабана определяется по формуле

n = Лн'^б/Об/Тпреб/1Е(а),

где кн - коэффициент, определяемый видом насадки (для лопастных и секторных кн ~ 0.7),

а - угол наклона барабана к горизонтали (3-6о),

При расчете барабанных сушилок часто требуется определить эквивалентный диаметр частиц материала, которые могут быть унесены потоком сушильного агента:

где рч - плотность частиц материала;

рг, рг - плотность и динамическая вязкость топочных газов при их средней тем­пературе;

Ar - критерий Архимеда, значение которого определяется по графику зависимо­сти Ly = f(A r);

Ly = w3- рг2^/рг/(рч - рг) - критерий Лященко, определяемый по значению ско­рости топочных газов в свободном сечении барабана

w = ^/[0.25-л-Д2-(1- Рм - Рн)];

рн - коэффициент заполнения барабана насадкой (~ 0.04-0.08);

Vг = L[1+( х0 + х2)/2]/рг - средний объемный расход топочных газов.

Расчет сушилок кипящего слоя. В качестве сушильного агента в них обычно используется подогретый воздух с начальной температурой 100-150 оС. Расчет ки­нетики сушки требует предварительного определения значений критического икр и равновесного ир влагосодержания материала. В ходе расчета требуется определять скорость витания самых мелких частиц материала wEHT и проверять выполнение ус­ловия WEht < W.

Необходимый расход тепла в сушилке (Q) и расход сушильного агента (L) оп­ределяются так же, как и для барабанной сушилки.

Продолжительность процесса сушки определяется по формуле

в - коэффициент массоотдачи, определяемый из критериального уравнения (5.3). Скорость сушильного агента в кипящем слое, необходимая для вычисления критерия Рейнольдса, рассчитывается по значению критерия Лященко, которое оп­ределяется по графику зависимости Ly = f(Ar), где

Ar = ^йР-рг-фм - РгЖ2 -

критерий Архимеда; рг, щ - плотность и динамическая вязкость сушильного агента.

Длительность сушки т не должна быть больше (и намного меньше) среднего времени пребывания частиц материала в слое

тпреб ^сл ^реш рм •(1 - е)Юк,

где є ~ 0.75 - порозность слоя псевдоожиженного материала, ксл = (80-100)-й0 - высота псевдоожиженного слоя,

й0 - диаметр отверстий газораспределительной решетки (1.5, 2.5, 3, 5 мм),

£реш = L/(рг•w) - необходимая площадь решетки.

Необходимые размеры газораспределительной решетки (ширина В и длина Н) определяются ее площадью и заданным значением отношения Н/В:

H/B

а необходимые размеры сепарационной зоны сушилки - по соотношению

B _ I1'1 * ^еш * w

сеп H/B * wBHT ’

где скорость витания частиц материала минимального размера

^вит вит Рг/(йтш рг),

причем критерий Рейнольдса для скорости витания определяется по значению кри­терия Архимеда, вычисленного при d = dmin.

Расчет валковых сушилок. Рабочим элементом этой сушилки является полый гладкий валок, обогреваемый изнутри насыщенным водяным паром, нижняя часть которого погружена в корыто с суспензией высушиваемого материа­ла. При вращении валка материал тонкой пленкой налипает на горячую поверхность обечайки, высыхает за один оборот и срезается ножом. Частота вращения валка ре­гулируется в зависимости от необходимого времени сушки. Его геометрические размеры (внутренний диаметр D и длина обечайки L) определяются заданной про­изводительностью сушилки.

Уравнение теплового баланса контактной сушки:

бп = бвл + бм +Q по^

где бп = Оп • гп - теплота конденсации греющего пара,

Оп - его расход,

гп - удельная теплота парообразования при температуре конденсации /п; бвл = W • ro - расход тепла на испарение влаги из материала,

W - расход удаляемой влаги,

ro - удельная теплота парообразования при температуре окружающего воздуха;

Qm = Gh • [cM • (1 - uH) + c • Мн] • [0.5 • (tCT2 + /пев) - to] - расход тепла на нагрев ма­териала,

Gh - массовый расход влажного материала,

см, мн - его удельная теплоемкость и начальная влажность,

св - удельная теплоемкость воды,

/ст2, /пов, to - температура наружной стенки валка, поверхности материала и ок­ружающего воздуха;

Qhot - потери тепла в сушилке.

Необходимая площадь поверхности валка

F = Qп / [K • (tn - /пов) • ф] = п • (D + 2•Sc)2 • (LID), (5.7)

где K - коэффициент теплопередачи,

ф ~ 0.75 - степень активности контакта материала с поверхностью валка,

5С - толщина стенки валка

Коэффициент теплоотдачи к высушиваемому материалу ам определяется из уравнения равенства тепловых потоков

M • rO _ ам • (/пов - tе),

где M = 0.0015 • vm0'8 • (рн - ро) - удельная убыль влаги из материала, vm - скорость движения материала (окружная), рн - давление насыщенных паров влаги,

ро - парциальное давление паров влаги в окружающем воздухе.

Замечание. Для определения значения K необходимо найти значения темпера­тур внутренней /ст1, наружной /ст2 поверхности валка и поверхности материала /пов. Поскольку определяемым параметром является также и значение D, следует соста­вить и решить систему уравнений равенства тепловых потоков: отдаваемого кон­денсирующимся паром, проходящего через стенку валка и через слой материала, дополненную уравнением (5.7).

По рассчитанной поверхности валка и заданному отношению его длины к диа­метру определяются значения D и L.