Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы и оборудование для удаления влаги влагосодержащих веществ 12
1.1. Способы удаления влаги 13
1.2. Оборудование для удаления влаги влагосодержащих веществ 29
Выводы 34
Глава 2. Классификация и автоматизированный банк данных оборудования для снижения влажности испарением в вакууме 36
2.1. Классификация вакуумного оборудования 36
2.2. Вакуумные выпарные установки диапазона давления (1,01х105... 4,67х104Па) 40
2.3. Установки низкотемпературного испарения в вакууме диапазона давления (4,67х104 1,33х103 Па) 52
2.4. Вакуумное сублимационное оборудование диапазона давления (1,33х103... 1,33 Па) 60
2.5. Машинный выбор аналога конструкции установок низкотемпературного испарения в вакууме 65
Выводы 73
Глава 3. Синтез структуры и порядок проектирования установки низкотемпера турного испарения влагосодержащих веществ в вакууме (НВ). 74
3.1. Постановка задачи синтеза структуры 74
3.2. Синтез структуры установки НВ 80
3.3. Ресурсная модель установки НВ 94
3.4. Процессная модель установки НВ 98
Выводы 107
Глава 4. Разработка физико-математической модели установки низкотемпера турного испарения влагосодержащих веществ в вакууме 109
4.1. Разработка математической модели, основанной на балансе энергомассопереноса при низкотемпературном испарении влагосодержащих веществ в вакууме 109
4.2. Скорость откачки технологического объема установки НВ 112
4.3. Расчет величины поверхности испарения и поверхности конденсации 115
4.4. Производительность установки низкотемпературного испарения »
влагосодержащих веществ роторного типа 118
4.5. Методика определения основных конструктивных параметров установки НВ 123
Выводы 127
Глава 5. Экспериментальные исследования закономерностей баланса энерго-массопереноса в процессе низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме 129
5.1. Методика эксперимента 129
5.2. Промышленная реализация процесса низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме 140
Выводы 147
Основные результаты работы и выводы 149
Литература
- Оборудование для удаления влаги влагосодержащих веществ
- Установки низкотемпературного испарения в вакууме диапазона давления (4,67х104 1,33х103 Па)
- Синтез структуры установки НВ
- Скорость откачки технологического объема установки НВ
Введение к работе
Электронная промышленность в основе своей отличается большим разнообразием оборудования, процессов, материалов, технологических методов, использующих практически все известные в настоящее время достижения науки и техники. Среди множества задач, стоящих перед производством широкой номенклатуры изделий электронной техники, являются процессы получения чистой, би дистиллированной и де ионизованной воды для чистых помещений, для процессов очистки поверхности полупроводниковых подложек, для мойки стеклянных деталей электровакуумных, СВЧ приборов и различных деталей изделий квантовой электроники.
Технологические процессы, использующие в производстве большие объемы водных растворов, всегда сталкиваются на финишных операциях с проблемой обезвоживания обрабатываемого материала, регенерации сточных вод и выделением из них, содержащихся в них в малых количествах полезных дорогостоящих материалов с начальным влагосодержанием до 98%.
В электронной промышленности — это производство чистых материалов, «мокрые» технологии, связанные с подготовкой и обработкой поверхности, такие как промывка, травление, полировка, процессы производства печатных плат, фотолитография, и другие.
В производстве изделий электронной техники на различных стадиях технологического процесса и для различных типов приборов используется значительное количество чистой воды. Причем в некоторых случаях вода используется на первичной стадии обработки изделия, например, в процессе производства чистых материалов, в других случаях в процессе финишной обработки, например, финишная очистка полупроводниковых подложек. Первичная стадия обычно включает отстой, фильтрацию. Более тщательная очистка достигается вакуумным обезгаживанием. На второй стадии вода обеззараживается, ультрафиолетовым излучением, освобождается от ионов примесей высокочистыми ионнообменными смолами, подвергается ультрафильтрации и подается на рабочие участки.
Отходы этих технологий требуют регенерации исходных материалов и экологически безопасного выделения из них полезных составляющих. В настоящее время в связи с резким сокращением водных ресурсов, отпускаемых на промышленные нужды, возросла необходимость очистки воды после ее использования в процессе производства и возвращения в промышленный оборот.
При производстве сверх чистого гранулированного кварца, использующегося в качестве исходного материала для изготовления волоконно-оптических линий связи и устройств управления излучением, требуется последовательный ряд операций, которые проходят при различных температурах с СВЧ нагревом, с большим потреблением воды и применением водных кислотных и щелочных растворов для промывки кварцевого песка. После финишной промывки в де ионизованной воде требуется очень мягкий режим обезвоживание при температурах не превышающих 50 - 70 °С. Все растворы, использовавшиеся в этом много операционном процессе, в дальнейшем должны подвергаться регенерации, а вода проходить тщательную очистку.
Для повышения экологической безопасности и экономичности технологических процессов, протекающих в чистых комнатах, требуется создание оборудования, позволяющее перерабатывать сточные воды и стоки систем очистки газов, выделяя из них полезные твердые составляющие и чистую воду, пригодную для дальнейшего технического использования.
Экономичность и эффективность рассмотренных технологических процессов может быть обеспечена с помощью установок низкотемпературного испарения в вакууме.
Следует отметить, что процесс низкотемпературного испарения, за счет использования в процессе охлаждения фазового перехода пар - вода, позволяет значительно повысить эффективность охлаждения активных элементов твердотельных квантовых генераторов, мощных СВЧ приборов и панелей систем питания и управления мощными приборами наземного базирования.
Низкотемпературное испарение влагосодержащих веществ в вакууме с одновременным отбором чистой воды при температурах 10 — 80 °С требуют совершенно новых экономичных и экологически безопасных подходов.
Подобные задачи имеют место в химической, медицинской, пищевой, сельхозперерабатывающей и других отраслях промышленности. Особенно остро стоят эти проблемы для производств с годовыми объемами в сотни и миллионы тонн, при необходимости получения влажности конечного вещества от 1 до 14% [26,28,43, 64, 65,98].
Низкотемпературное испарение влагосодержащих веществ в вакууме может применяться:
- при необходимости сохранения первоначального состава твердых частиц материала, который он имел в водном растворе и регенерации чистой воды;
- при утилизации производственных и бытовых стоков;
- при утилизации и переработке отходов различных производств [40, 101, 102, 103].
Внедрение высоких технологий, одним из направлений которых является технология низкотемпературного испарения в вакууме позволяет решить выше перечисленные задачи.
Реализация этой технологии представляет собой сложную комплексную проблему, которая требует одновременного решения ряда физико-химических, теплофизических, вакуумных, материаловедческих, машиностроительных, измерительных и управленческих задач. Реализовать данный процесс в достаточно узких требуемых диапазонах температур и давлений невозможно без широкого применения современных средств автоматизации..
Низкотемпературное испарение влагосодержащих веществ в вакууме представляет собой процесс разделения в диапазоне температур от 10 до 80 °С в вакууме исходного материала влажностью до 98% на три составляющие: твердую фазу, влажностью до 1%, чистую воду и незначительный экологически безопасный выхлоп.
Процесс низкотемпературного испарения в вакууме имеет широкие возможности применения. С его помощью получены различного рода вещества с конечной влажностью до 1% [46].
Это чистый порошкообразный гранулированный кварц, который в качестве сырья используется в производстве волоконнооптических линий связи и устройств управления излучением; различные пищевые порошки;; кормовые добавки; высококачественные комплексные органические удобрения и др.
Актуальность работы — развитие экологически безопасной высокопроизводительной технологии низкотемпературного испарения в вакууме и автоматизированного оборудования для ее реализации, позволяющего возвращать в промышленный оборот чистую воду; получать чистые материалы; продукты с длительным сроком хранения, при сохранении большинства полезных свойств исходного продукта; перерабатывать отходы различных дорогостоящих технологических процессов в ценные вторичные материалы. А так же выявление индивидуальных особенностей физико-химических процессов технологии низкотемпературного испарения в вакууме для различных видов исходных влагосодержащих веществ, влияющих на конструктивные особенности технологического оборудования..
Целью данной работы является синтез структуры и обоснование конструктивных параметров автоматизированного оборудования низкотемпературного испарения; в вакууме во взаимосвязи с: физико-химическими явлениями технологического процесса, обеспечивающими сохранение полезных свойств исходных материалов большой первоначальной влажности и высокую производительность.
Для достижения этой цели в работе поставлены и выполнены следующие задачи:
выбор и обоснование основных режимов процесса низкотемпературного испарения в вакууме, обеспечивающих, сохранение полезных свойств исходного влагосодержащего вещества и требуемой производительности;
создание банка данных существующего оборудования на основе разработанной классификации этого типа установок, позволяющего автоматизировать выбор аналога оборудования в целом или отдельных его систем;
синтез структуры оборудования низкотемпературного испарения в вакууме, определение порядка проектирования установок и разработка алгоритмов управления процессом низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме;
исследование взаимосвязи баланса энергомассопереноса в рабочем объеме и производительности оборудования и разработка инженерной методики расчета основных конструктивных параметров установок для низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме;
построение модели, описывающей процесс низкотемпературного испарения в вакууме, обеспечивающей выбор и обоснование основных режимов процесса, позволяющих сохранять полезные свойства ценных влагосодержащих веществ;
создание экспериментального стенда для исследования и отработки технологии низкотемпературного испарения в вакууме;
разработка промышленной установки для низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме.
На защиту выносится:
1. Теоретически и экспериментально обоснованный баланс энергомассопереноса процесса низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, обеспечивающий сохранение полезных свойств ценных влагосодержащих веществ и требуемую производительность;
2. Разработанная классификация и построенный на ее основе автоматизированный банк данных по существующим установкам и ее отдельным системам. ,
3: Модель процесса низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, обеспечивающая выбор и обоснование основных режи мов процесса.
4. Алгоритм выбора основных конструктивных параметров оборудования низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, базирующийся на законе баланса энергомассопереноса.
5. Методика и результаты экспериментальных исследований технологии низкотемпературного испарения в вакууме различных материалов.
В работе выбраны и обоснованы диапазоны температур и давлений для проведения процессов низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме с точки зрения обеспечения требуемых параметров качества и производительности; выбраны управляющие и контролирующие величины автоматизированного технологического процесса низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме и; предложен алгоритм управления этим процессом; обоснованы методы расчета конструктивных параметров оборудования низкотемпературного испарения в вакууме, порядок его проектирования, на основе выявленных взаимосвязей между входными и выходными параметрами процесса; введен коэффициент коррекции теплопередачи в процессе низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, снижающий эффективную площадь теплообмена относительно теоретической.
В результате выполнения комплекса перечисленных задач
- построен банк данных по существующим установкам на основе разработанной классификации;
- разработана структура оборудования на основе определения взаимосвязи с алгоритмами управления процессом;
- построена модель, описывающая процесс низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, обеспечивающая выбор и обоснование основных режимов процесса, позволяющих сохранять полезные свойства исходного вещества;
- разработаны алгоритмы выбора конструктивных параметров оборудования на основе анализа взаимосвязи баланса энергомассопереноса в рабо чем объеме усановки;
- создан экспериментальный стенд для исследования и отработки технологии низкотемпературного испарения в вакууме различных влагосодер-жащих веществ;
- проведена идентификация параметров модели установки на основе анализа экспериментальных данных;
В настоящее время, на основе выполненных в составе работы теоретических, экспериментальных и конструкторских работ изготовлена и внедрена промышленная установка.
Методы исследований.
Теоретические исследования проводились на основе теории газодинамики, теории испарения и сушки, теории теплопередачи, базировались на основных положениях вакуумной техники, тепло- и массопереноса, теории построения графов, матричного исчисления, таблиц соответствия, [3, 5, 6, 1Ц 13, 15, 22 - 25, 34, 52 - 56, 59, 60 - 63, 66, 69, 83, 87, 89, 97].
Экспериментальные исследования режимов и физико-химических особенностей низкотемпературного испарения влагосо держащих веществ в вакууме проводились на экспериментальной установке.
Практическая значимость:
1. Создана инженерная методика расчета основных конструктивных параметров оборудования.
2. Разработано программное обеспечение, реализующее предложенный метод выбора аналога и расчета основных конструктивных параметров оборудования.
3. Создан экспериментальный стенд для отработки технологии низкотемпературного испарения в вакууме различных влагосодержащих веществ.
4. Проведена идентификация параметров модели установки на основе анализа экспериментальных данных.
5. Изготовлена и внедрена промышленная установка.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. Лично автором проведена классификация оборудования обработки влагосодержащих веществ испарением в вакууме; подготовлен банк данных этого оборудования в виде удобном для обработки его машинными методами; создана методика обоснования выбора основных параметров установки низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, в основе которой лежит закон баланса энергомассопереноса и взаимосвязь свойств влагосодержащих веществ, физико-химических характеристик технологического процесса и параметров технологического оборудования.
Разработан и создан лабораторный стенд для проведения экспериментальных исследований и промышленная установка низкотемпературного испарения в вакууме производительностью 5 тонн в сутки по исходному материалу, влажностью 92%.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались на Научно-технической конференции молодых ученых ИМАШ РАН (Москва, ИМАШ, 2001), на семинаре филиалов и акционерных обществ ФГУП, (Москва, Гостиничный комплекс «Измайлово», 2002), на семинаре в МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, МГТУ, 2003), на кафедре МИЭМ «Технологические системы электроники» (Москва, МГИЭМ,2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 патента на изобретение и одна заявка на патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 111 наименований и приложения. Общий объем работы: 160 страниц, 8 таблиц, 4 графика, 38 рисунка.
Оборудование для удаления влаги влагосодержащих веществ
Вследствие разнообразия условий удаления влаги из влагосодержащих, веществ имеется много конструкций установок для реализации этого процесса [17, 57, 58, 77, 80, 81]. Вне зависимости от вида первичного источника тепла (воздух или дымовые газы) оборудование объединяют в группы по двум признакам: давлению, при котором происходит испарение воды, и способу организации процесса (периодический или непрерывный). Соответственно этим признакам различают: 1) атмосферное сушильное оборудование непрерывного и периодиче ского действия; 2) оборудование для испарения влаги в вакууме непрерывного и периодического действия.
Атмосферные сушилки непрерывного действия характеризуются непрерывной и равномерной загрузкой и выгрузкой материала, а также установившимся состоянием процесса во времени. Давление в них равно атмосферному или отличается от него незначительно.
В непрерывно действующих сушилках проведение процесса возможно при прямотоке, противотоке и перекрестном токе высушиваемого материала и влагоносителя. Взаимное направление движения материала и влагоносите-ля выбирают в зависимости от свойств материала и необходимых условий сушки.
Атмосферное сушильное оборудование периодического действия характеризуются периодической загрузкой и выгрузкой материала, причем в процессе сушки материал находится в покое или подвергается перемешиванию.
Сушилки периодического действия менее экономичны, чем непрерывно действующие, так как требуют значительного расхода тепла на нагрев и охлаждение камеры для каждой операции, а также больших затрат физического труда и т. д. Неравномерность сушки в них выше, чем в непрерывно действующих сушилках. Наряду с этим периодически действующие сушилки имеют более простую конструкцию, процесс в них легче регулируется.
Оборудование для испарения влаги в вакууме работает при давлении в технологическом объеме, значительно меньше атмосферного. В условиях вакуума снижаются потери тепла с отработанным влагоносителем, появляется возможность лучше улавливать ценные (или агрессивные) пары,. выделяющиеся из материала, и уменьшать потери вещества. Применение вакуума приводит, однако, к усложнению конструкции установок.
Если материал не допускает высокой температуры или подвержен окислению, его сушат при разрежении в вакуумных установках. Эти уста новки применяют также для сушки материалов, склонных к пылеобразова-нию или выделяющих вредные пары, а также для обработки взрывоопасных материалов.
Интенсивное удаление влаги происходит в первый период (период постоянной скорости выделения влаги), когда температура материала близка к температуре кипения воды при данном вакууме. Во второй период (период падающей скорости влагоотделения) температура материала повышается, приближаясь к температуре теплопередающей поверхности испарения. При этом скорость удаления влаги уменьшается, и температура материала может достигнуть недопустимой величины, что вызывает необходимость снижать давление греющего пара. Но такое изменение режима весьма затруднительно, особенно в непрерывно действующих установках. В вакуумных установках может быть использован для обогрева низкотемпературный отработанный пар или конденсат.
Благодаря описанным достоинствам вакуумные установки получили широкое распространение в промышленности, несмотря на сложность конструкции и необходимость герметизации соединений.
Проведение технологических операций, даже с использованием в процессе обработки агрессивных компонентов, в герметичном или даже вакуумном технологическом пространстве позволяет сделать эти процессы экологически безопасными с контролируемыми стоками и выхлопами, а главное, снизить потери тепла до минимума.
Конструирование оборудования — область инженерной деятельности, наиболее сложная для автоматизации; [73]. Задача заключается в создании комплексных автоматизированных систем подготовки производства в машиностроении, выполняющих, кроме расчета, выбор наиболее рациональных конструкторских решений, компоновку оборудования из составляющих его элементов, подбор этих элементов, технологическое проектирование, выдачу проектной документации в готовом виде и т. п.
Установки низкотемпературного испарения в вакууме диапазона давления (4,67х104 1,33х103 Па)
Здесь представлены параметры, используемые для построения банка данных диапазона давлений от 4,67x104 до 1,33x103 Па. Этот тип оборудования может работать в двух различных температурных диапазонах: от 10 до 140 С. При температуре от 80 до 140 С процесс испарения проводится в условиях перегретого водяного пара, а при температуре от 10 до 80 С — в условиях давления насыщенного водяного пара над поверхностью испарения, характерного для рабочей температуры испарения.
В условиях перегретого водяного пара требуются более мощные средства откачки парогазовой смеси. Суммарное воздействие более высокой температуры, чем это требуется для рабочего давления, и более мощных средств откачки позволяет интенсивнее вести процесс испарения, повысить производительность процесса. На рис. 2.11. представлена схема вальцеленточной сушилки [38]. Конструкция такой вакуумной установки применяется для термочувствительных влагосодержащих материалов. Установка состоит из большого обогреваемого 1 и малого охлаждаемого 2 вальцов, связанных бесконечной лентой 3. Материал для сушки распыляется в подающей трубе 4, где происходит предварительное удаление воздуха. Такая дегазация материала позволяет в дальнейшем избежать неравномерности сушки вследствие образования пузырей. После освобождения от воздуха обрабатываемый материал поступает в ванну 5, откуда он при помощи подающих роликов 6 намазывается тонким слоем на стальную ленту. Лента проходит обогреваемый валец 1 и затем лучистый нагреватель 8, после чего уже высушенный материал попадает на холодный валец 2. Охлаждение необходимо для того, чтобы пластичный материал затвердел, и его можно было беспрепятственно снимать с ленты. Однако нельзя слишком сильно охлаждать валец, чтобы не допустить конденсации на нем влаги, выделяющейся из обрабатываемого вещества. Большой валец нагревается изнутри паром, маленький валец охлаждается водой.
Недостатком этого типа оборудования является необходимость использования в качестве первичного теплоносителя перегретый пар (140С). Дополнительный и основной нагрев ленты, осуществляемый путем нагрева большого вальца, позволяет получить на ленте температуру близкую к 100 С. Такие режимы не допустимы для работы с термочувствительными веществами.
Более щадящим режимом являются температуры от 10 до 80 С. В рассматриваемом диапазоне давлений можно сохранить без изменения ценные свойства исходного влагосодержащего вещества. Именно этот режим характерен для процесса низкотемпературного испарения в вакууме. Низкотемпературное испарение в вакууме (НВ) — это безотходная энергосберегающая технология, в процессе которой происходит фракционирование исходного влагосодержащего материала на три составляющие: сухое твердое вещество, чистую воду, которую можно использовать, и незначительный экологически безопасный выхлоп.
Низкотемпературное испарение используется в электронике для получения чистой, би дистиллированной и де ионизованной воды для чистых помещений, для процессов очистки поверхности полупроводниковых подложек, для мойки стеклянных деталей электровакуумных, СВЧ приборов и различных деталей изделий квантовой электроники; применимо к сушке древесины, обезвоживанию продуктов питания, медицинских препаратов, отходов спиртопроизводства, переработки овощей, фруктов, пивных дрожжей, отходов сельхозпроизводств и т. д.
Процесс НВ используется: 1) для сохранения первоначального состава материала, который он имел в жидком состоянии, удалив из него только воду в необходимом количестве; 2) когда при получении конечного вещества целесообразно выделить водный дистиллят, пригодный для дальнейшего использования; 3) когда исходный материал несет небезопасные вещества, попадание которых в жидкие и газообразные отходы технологического процесса недопустимо. Процесс НВ отличается от обычной сушки, при которой меняются структурно-механические, технологические и биохимические свойства материала, постоянным соотношением зольной и органической составляющей. Сухой материал отличается от первоначального только процентным содержанием воды, сохраняя свою структуру и процентный состав полезных компонентов. Кроме того, в процессе НВ происходит обеззараживание веществ от различных бактерий.
На рис. 2.12. представлена многостадийная установка периодического действия [104]. Данная вакуумная установка представляет собой герметичную камеру, смонтированную на жесткой раме
Синтез структуры установки НВ
На основе этих систем построены ресурсная и процессная модели технологической установки.
На этапе построения структуры учитываются входные и выходные параметры технологического процесса, их взаимосвязи, диапазоны их регулировки и необходимые точности поддержания.
1. Функционально-технологическая система объясняет заданное протекание физико-химических явлений, определенная последовательность которых, собственно, и составляет требующийся технологический процесс.
2. Кинематическая схема установки обеспечивает работу всех ее подвижных звеньев в соответствии с требованиями технологического процесса. Кинематическая схема включает в себя приводы и исполнительные механизмы. Приводы могут быть электрические, гидравлические, пневматические, пьезоэлектрические, магнитные, тепловые, пружинные и другие. Механизм, по определению профессора Крайнева А. Ф., представляет собой «геометрически изменяемую систему тел, предназначенную для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемое движение другого твердого тела и/или силового воздействия одного или нескольких звеньев на другие звенья или объекты» [54]. В технологической установке кинематическая схема обеспечивает решение задач, определяемых функцио нально-технологической системой.
3. Система формирования и поддержания вакуумной технологической среды создает и поддерживает требующиеся для нормального протекания технологического процесса поля (тепловые, магнитные, электрические, ультразвуковые, рентгеновские, частотные); различного рода излучения; состав газовой или жидкой среды и так далее.
4. Система энергопитания приводов механизмов и устройств различных систем оборудования обеспечивает энергоснабжение как отдельных механизмов, систем, устройств, так и всей установки в целом. Энергетическая система установки может включать в себя электрическую, пневматическую, гидравлическую, газовую, тепловую и другие сети.
Система управления установкой тесно связана с системой питания и обеспечивает подачу энергии потребителям дистанционно вручную или автоматически в нужное время и в необходимых количествах.
Контрольно-измерительная система включает в себя датчики и измерительные приборы, которые контролируют параметры технологического процесса, положение отдельных механизмов и систем, задают режим их работы. Сюда же входят блоки первичной обработки сигналов, микропроцессорная и вычислительная техника, которые анализируют данные первичных контрольно-измерительных приборов и выдают управляющие сигналы и команды, обеспечивающие логику протекания технологического процесса.
Функционально системы питания и управления, контроля и измерения параметров объединяются в единое целое, обеспечивающее поддержание характеристик технологического процесса, требующуюся последовательность операций, их продолжительность и уровень воздействия на обрабатываемый объект. Архитектурно это единое целое оформляется, как единые блоки системы питания и управления установкой и рабочее место оператора. Последнее может не входить в состав установки, тогда оно формируется, как рабочее место оператора на площадях участка, цеха, где располагается данное технологическое оборудование.
5. Ресурсная модель системы строится на основе структуры технологической установки и определяет возможности реализации физико-химических, технологических и информационных процессов, протекающих в системе. Ресурсная модель отображает взаимосвязь элементов системы через материальные, энергетические и информационные потоки.
6. Процессная модель системы описывает процессы, которые отражает ресурсная модель. Процессная модель описывает функции и алгоритм управления процессами, реализованными в системе.
Здесь ставиться задача разработки алгоритма построения систем на основе взаимодействия их со структурой установки и с выявленными зависимостями между входными и выходными параметрами.
В основе процесса низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме (процесса НВ) лежит баланс энергомассопереноса, обеспечивающий получение сухого вещества, требующейся влажности при сохранении всех полезных свойств исходного материала. (ЧА-Ї- МП) »МК Заданной влажности со свойствами (3.1) исходного материала где qA - поток тепла, подводимый к исходному материалу, Мп — поток воды, удаленной в процессе испарения исходного материала, Мк - поток конечного вещества, заданной влажности с требующимися свойствами.
Процесс НВ — это разделение исходного влагосодержащих вещества массой Мн и влажностью Wi в диапазоне температур от +25 до +90 С и давления от 1,01х105 до 1,33 Па натри составляющие: воду, массой Мп,конечный сухой материал массой Мк, влажностью W2 и незначительный экологически безопасный выхлоп. Функционально-технологическая система установки НВ может быть представлена в следующем виде (рис. 3.2.).
Скорость откачки технологического объема установки НВ
Производительность установки низкотемпературного испарения влаго-содержащих веществ большой первоначальной влажности оценивается по количеству испаренной влаги Мп, по количеству обрабатываемого в единицу времени исходного материала Мн и по количеству получаемого конечного вещества Мк. Любое автоматическое технологическое оборудование служит для совершения полезной работы. В ходе работы установка совершает рабочие и холостые ходы [71, 94,95]. Рабочими ходами называются такие движения, во время которых производится непосредственная обработка материала. Холостыми ходами называются такие вспомогательные движения, которые служат для подготовки условий, необходимых для совершения рабочих ходов.
Любая автоматическая технологическая установка в процессе изготовления изделия совершает производительную работу, связанную с технологическими движениями, обеспечивающими обработку изделия; и вспомога 119 тельными движениями, обеспечивающими загрузку исходного материала, подачу в зону обработки инструмента и выгрузку готового изделия.
При низкотемпературном испарении подача исходного влагосодержа-щего вещества высокой влажности до 98%, обеспечивается насосом, который формирует его в виде потока Мн и подает в зону «горячей» обработки на теплообменники (рис. 3.2.). Одновременно в герметичную полость теплообменников подается поток горячей воды, который формирует поток тепла Яд через поверхность испарения теплообменника А (рис. 4.1.). Поток тепла через поверхность А-является инструментом, который обеспечивает обработку — удаление влаги исходного вещества до необходимой влажности. Перемещение исходного материала производится скребками ротора-ворошителя. Процесс непрерывный;
Технологическое оборудование, в котором инструмент, совершая технологическое действие, перемещается вместе с обрабатываемым изделием, называется роторным. Характерной особенностью роторной установки является совмещение во времени рабочих и холостых ходов.
В случае установки низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме воздействие на исходный материал потока тепла \\ через поверхность теплообменников А все время сопровождает обрабатываемый материал, перемещающийся по поверхности испарения. В то же время процесс загрузки и выгрузки происходит в процессе обработки тепловым потоком исходного вещества. Исходный материал загружается на теплообменники постоянно, либо в виде дозированных порций, либо в виде непрерывного потока.
Особенностью низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ является то, что в результате этого процесса появляется два конечных продукта: водный конденсат и твердое сухое вещество, с требующейся конечной влажностью W2. И водный конденсат, и конечный материал имеют товарную ценность. Важно то, что водный конденсат, получающийся в результате низкотемпературного испарения, как правило, является экологиче 120 ски безопасным, подлежащим дальнейшему использованию в производстве. В то время как центрифугирование исходного влагосодержащего вещества, пропускание его через прессфильтры, сгустители позволяют получить конечный материал пониженной влажности и отходы, которые чаще всего даже не подлежат сливу в канализацию.
Взаимосвязь потока исходного материала М„, первоначальной влажностью Wi, потока конечного вещества Мк, влажностью W2 и потока тепла qA, поступающего через поверхность испарения теплообменника, определяются системой уравнений (4.6).
Так как по определению в процессе низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме конечный и начальный материал должен отличаться только влажностью, то количество воды Мп, которое необходимо испарить для получения конечного вещества влажностью W2 определяется как разность (формула 4.2). Эта разность и характеризует производительность оборудования низкотемпературного испарения по воде:
В основе низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме лежит баланс энергомассопереноса (формула 4.6), то есть баланс между потоками исходного вещества Мн, потоком испаренной влаги М„ и потока тепла qA, необходимого для того, чтобы поддержать постоянный отток воды от обрабатываемого материала, до тех пор, пока не получится конечное вещество, требующейся влажности W2 С другой стороны поток тепла qA, необходимый для поддержания потока испаряемой влаги Мп, может быть определен, как поток тепла, необходимый для нагрева и испарения того же количества влаги.
При этом потери тепла на излучение и за счет теплопроводности внутри вакуумного объема при рабочих температурах в диапазоне 10 -г- 80 С незначительны.
Похожие диссертации на Разработка и исследование процесса и оборудования низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме
