Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния теории и техники сушки кизельгура 8
1.1. Обоснование регенерации кизельгура 8
1.2. Характеристика кизельгура 8
1.3. Анализ способов регенерации кизельгура и оборудования 14
1.4. Способы и аппараты для проведения процессов тепло-и массообмена с использованием закрученных потоков теплоносителя 16
1.5. Гидродинамика аппаратов с закрученными потоками теплоносителя 28
1.6. Тепло- и массообмен при сушке влажных дисперсных материалов в аппаратах с закрученным потоком теплоносителя 37
1.7. Процессы термического разложения органических веществ в условиях ограниченного доступа кислорода 43
1.8. Основные выводы, постановка цели и задач иследования 47
Глава 2. Характеристика кизельгура как объекта термической регенерации 49
2.1. Изотермы десорбции кизельгура 49
2.2. Определение физико-механических свойств кизельгура 51
2.2.1. Плотность кизельгура 51
2.2.2. Насыпная плотность кизельгура 51
2.2.3. Коэффициент плотности укладки 53
2.2.4. Порозность слоя 54
2.2.5. Углы естественного откоса 54
2.2.6. Гранулометрический состав 56
2.3. Дифференциальный термический анализ кизельгура 57
2.4. Теплофизические свойства кизельгура 61
2.5. Исследование реологических свойств кизельгура 69
Глава 3. Математическое моделирование процесса термической регенерации кизельгура 72
3.1. Описание процесса термической регенерации в тепломассообменном аппарате 72
3.2. Моделирование процесса сушки кизельгура 73
3.3. Программа расчета процесса сушки кизельгура 78
3.4. Анализ результатов моделирования процесса сушки кизельгура 81
3.5. Моделирование процесса нагревания частиц до температуры пиролиза органической массы 85
Глава 4. Экспериментальные исследования процесса термической регенерации кизельгура 86
4.1. Экспериментальные исследования процесса предварительного подсушивания для обеспечения сыпучих свойств кизельгурового шлама 86
4.1.1. Исследование кондуктивного способа сушки кизельгурового шлама 86
4.1.2. Исследование процесса ИК-сушки кизельгурового шлама 89
4.2. Экспериментальные исследования процесса сушки во взвешенном слое с активным гидродинамическим режимом 91
4.3. Экспериментальные исследования пиролиза кизельгурового шлама 94
4.3.1. Описание экспериментальной установки и принципа ее работы 94
4.3.2 Описание работы установки и методика проведения экспериментов 96
4.3.3. Результаты экспериментальных исследований процесса пиролиза кизельгурового шлама пивоваренного производства 102
4.4. Создание пилотной экспериментальной установки для осуществления термической регенерации кизельгура в активном гидродинамическом режиме и ее апробация в промышленных условиях 106
4.4.1 Конструкция и принцип действия пилотной экспериментальной установки для осуществления термической регенерации кизельгура . 106
4.4.2. Определение оптимальных параметров работы установки 112
4.4.3. Анализ регрессионных моделей 115
4.4.4. Многофакторный статистический анализ процесса 116
4.5. Исследование качественных показателей кизельгура в процессе осветления пива 126
Глава 5. Практическая реализация результатов исследования 129
5.1. Термодинамическая оценка эффективности процесса термической регенерации кизельгура 129
5.1.1. Энергетический анализ процесса регенерации кизельгура 129
5.1.2. Эксергетический анализ процесса регенерации кизельгура 134
5.2. Новые технические решения обеспечения процесса термической регенерации кизельгура 142
5.2.1. Печь для термической регенерации адсорбента 142
5.2.2. Установка для тепло-массообменной обработки многокомпонентных продуктов 146
5.2.3. Способ автоматического регулирования процессом термической регенерации кизельгура 153
Основные выводы и результаты работы 166
Библиографический список 167
Приложения 177
- Способы и аппараты для проведения процессов тепло-и массообмена с использованием закрученных потоков теплоносителя
- Теплофизические свойства кизельгура
- Конструкция и принцип действия пилотной экспериментальной установки для осуществления термической регенерации кизельгура
- Способ автоматического регулирования процессом термической регенерации кизельгура
Введение к работе
Актуальность работы. На предприятиях пивоваренной отрасли наибольшее распространение получили кизельгуровые фильтры: они надежны, просты в устройстве и экономически выгодны.
Однако существует ряд проблем, связанных с использованием кизельгура: ограниченность ресурсов высококачественного диатомита, а также большие расходы на утилизацию. Поэтому в настоящее время ученые сосредоточили усилия на следующих направлениях: поиск новых методов регенерации кизельгура; использование альтернативных материалов и оборудования для фильтрования.
При использовании в среднем 1 кг кизельгура на 30 л пива ежегодно производится несколько тысяч тонн кизельгурового шлама, который предприятия за собственные средства должны утилизировать. Однако проблема состоит в том, что кизельгуро- вые отходы ввиду значительного количества связанного азота могут привести к накоплению в земле и воде нитратов.
Одним из перспективных направлений является термическая регенерация кизельгура. При этом образуется материал, который снова может использоваться для фильтрации пива. Однако высокие температуры ведут к качественным изменениям продукта. Доля пригодного кизельгура составляет, в большинстве случаев, малую величину. Поэтому разработка тепло- и ресурсосберегающего способа термической регенерации кизельгура, режимные параметры которого обеспечивают высокие качественные показатели регенерируемого кизельгура с точки зрения его повторного использования в процессе осветления пива является актуальной задачей.
Данная работа выполнена в рамках приоритетных направлений развития науки и техники в пищевой отрасли, в рамках государственного контракта № 16.515.11.5008 между Департаментом приоритетных направлений науки и технологий Министерства образования и науки Российской Федерации и Общества с ограниченной ответственностью «ТЕХИНМАШ» по теме: Проведение прикладных исследований в области технологии переработки и утилизации отходов производства пищевых и кормовых продуктов», а также в рамках государственного контракта № П459; Федеральной целевой программы «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» по теме «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования».
Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является научное обеспечение и разработка способа термической регенерации кизельгура для повторного его использования в процессе осветления пива и разработка инновационных технологических и конструкторских решений при практической реализации процесса.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
анализ современного состояния технологии и техники для регенерации кизельгура;
изучение основных качественных параметров кизельгура как объекта термической регенерации;
синтез и анализ математической модели термической регенерации кизельгура;
разработка методик и экспериментальной установки для исследования процесса термической регенерации кизельгура и осуществление исследований, подтверждающих теоретические предпосылки повышения эффективности процесса термической регенерации;
численное решение математической модели и сравнение полученных теоретических зависимостей с экспериментальными данными;
осуществление термодинамической оценки эффективности процесса термической регенерации путем его эксергетиче- ского анализа;
разработка технических решений для реализации высокоэффективного процесса термической регенерации и создание системы автоматического управления данным процессом.
Научная новизна. Исследовано влияние влажности кизельгура на изменение его физико-механических свойств как объекта термической регенерации. На основании дифференциального термического анализа и теплофизических исследований выделены температурные интервалы влагоудаления, изучен механизм прогрева материала в зависимости от начальной влажности. Исследовано поведение влажного кизельгура во взвешенно-закрученном режиме. Исследованы кинетические закономерности обезвоживания кизельгура в аппарате с закрученным потоком фаз. Разработана математическая модель, описывающая движение и обезвоживание частицы кизельгура под воздействием закрученного потока теплоносителя.
Практическая значимость работы заключается в разработке способа регенерации кизельгура во взвешенно-закрученном потоке.
Разработаны оригинальные конструкции установок, позволяющих осуществить процесс термической регенерации в активном гидродинамическом режиме.
Новизна технических решений подтверждена положительное решением о выдаче патента РФ на изобретением по заявке № 2011104755, заявл. 09.02.2011.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях (г. Воронеж, 2010, 2011); (г. Москва, 2011), отчетных научных конференциях ВГТА (г. Воронеж, 2010-2011).
Результаты работы экспонировались на постоянно действующих межрегиональных выставках г. Воронежа: II областной выставке инновационных проектов «Промышленность Воронежской области 2010»; «Продторг 2011»; «Пивной сезон. Напитки 2011»; VI международной выставке «Агротехмаш-2011» и отмечены 3 дипломами выставок.
Результаты работы используются в учебном процессе в качестве материалов курсового и дипломного проектирования.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 монография и 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 137 наименований. Приложения к диссертации представлены на 20 страницах.
Способы и аппараты для проведения процессов тепло-и массообмена с использованием закрученных потоков теплоносителя
Процесс сушки является заключительной стадией многих технологических процессов в различных отраслях промышленности, который в значительной степени определяет теплоэнергетические показатели производства и качество готового продукта. Повышение интенсивности процесса сушки, создание высокоэффективных сушильных устройств позволяет значительно снизить энергоемкость процесса и улучшить качественные показатели высушиваемых материалов [19, 38, 40].
Использование в промышленности высокоинтенсивных аппаратов с активными гидродинамическими режимами, которые весьма успешно реализуется в аппаратах с закрученными потоками теплоносителя, обеспечивающие во многих случаях более высокие технико-экономические показатели, приводит к экономному энергопотреблению, эффективному улавливанию продуктов уноса и паров растворителей, получению продукта заданного высокого качества, полной безопасности и технологичности процесса [10, 64, 65].
Применение закручивающих устройств обеспечивает увеличение коэффициентов тепло- и массообмена связанного с повышением относительной скорости движения фаз в закрученном потоке в 3...4 раза по сравнению с прямолинейными потоками [42, 61, 65, 90, 102]. Это создает благоприятные условия для интенсификации тепло- и массообмена и повышению эффективности процесса сушки.
При движении дисперсного материала в аппаратах с закрученными потоками происходит непрерывное взаимодействие частиц друг с другом и со стенкой сушилки, что приводит к увеличению относительной скорости движения взаимодействующих фаз, времени пребывания материала в аппарате, повышению концентрации твердой фазы [96, 110].
Особенно сильно взаимодействие между частицами при полидисперсном составе высушиваемого материала [10, 65 ].
Аппараты, использующие принцип закрученного потока, можно разделить на пять основных групп;
пневмотрубки с различными вставками;
аппараты циклонного типа;
вихревые аппараты;
аппараты со встречными закрученными потоками;
спиральные прямоточные аппараты.
В пневмотрубках с винтовыми вставками закручивание осуществляют по объемной спирали [64, 65, 90, 102]. Эксплуатация этого типа сушилок подтверждает ряд их преимуществ. Двигаясь по спиральной траектории, частицы отбрасываются на внешнюю стенку канала, что приводит к значительному числу соударений частиц между собой и стенкой, повышению относительной скорости, увеличению истинной концентрации и интенсификации межфазного тепло- и массообмена.
В то же время, для аппаратов этого типа характерны следующие недостатки: высокое гидравлическое сопротивление, сложность изготовления, высокий абразивный износ продукта и рабочих поверхностей аппарата, необходимость установки устройств для выделения дисперсной фазы, трудность чистки внутренних поверхностей аппарата при нарушении технологического режима.
Наиболее простыми по конструкции являются циклонные сушилки. Они представляют собой цилиндрическую или цилиндро-коническую камеру с тангенциальным вводом газовзвеси в верхнюю часть цилиндра [18, 65].
Частицы дисперсного продукта входят в тангенциальный патрубок циклона вместе с потоком сушильного агента и практически мгновенно (за 0,01...0,03 с) оказываются на внутренней стенке аппарата. Значительную часть времени пребывания частиц материала в циклонном аппарате составляет время их движения по внутренней стенке циклона. Такая конструкция позволяет обеспечить эффективные условия взаимодействия фаз и увеличить время пребывания материала в аппарате. Важным преимуществом циклонных сушилок является их компактность. Недостатком циклонных сушилок является трудность регулирования времени пребывания материала в аппарате, невысокая удерживающая способность [64, 94].
Вихревые сушилки (рис. 1.4) по сравнению с циклонными характеризуются лучшей сепарирующей и большей удерживающей способностью, компактностью и возможностью развивать высокую поверхность контакта фаз. Вихревые сушилки [64] обеспечивают весьма активный гидродинамический режим с высокими относительными скоростями газа и частиц, но они значительно ближе к аппаратам идеального смешения, чем циклонные сушилки и пневмотрубы.
Существенным достоинством вихревых камер является различное время пребывания частиц материала в зависимости от размеров и начальной влажности, что дает возможность успешно исинертного носителя в аппаратах этого типа позволяет обрабатывать материалы с повышенной адгезионной способностью, жидкой или пастообразной консистенции.
Недостатками этого типа сушилок являются: повышенный расход сушильного агента на поддержание материла во взвешенном состоянии, невозможность сушки высоковлажных материалов [18]. На рис. 1.4 показана вихревая сушилка системы «Конвекс» [64]. Аппарат с вертикальной осью закрутки представляет собой цилиндрическую камеру 3 с входным патрубком 1 и съемной крышкой 4. Отверстие в днище камеры соединяет ее с улиткой 6 и выходным патрубком 7. Отбойное кольцо 5, имеющее экранный выступ овальной формы, выполнено сменным для регулирования удерживающей способности камеры. Газовзвесь влажного материала входит тангенциально в вихревую камеру и закручивается. Частицы больше определенного критического размера сепарируются, образуя вращающееся кольцо. Вновь вводимый материал постоянно вытесняет циркулирующие во внутренних слоях частицы, которые захватываются воздухом и выносятся через центральное отверстие в улитку 6, из которой через выходной патрубок 7 выводятся наружу. Сушилки данного типа можно применять для сушки большого числа продуктов. Так, хорошие результаты получены при сушке древесной щепы, суспензионного ПВХ, а также ряда продуктов с очень тонкопористой структурой. Аппараты спирального типа по существу представляют собой горизонтальный пневмотранспортный канал с уменьшающим радиусом кривизны. Газодисперсная смесь выгружается в центральной части спирального аппарата обычно через циклон, в котором происходит отделение дисперсного материала от сушильного агента.
Преимущества режима идеального вытеснения проявляются в этих аппаратах в увеличении движущей силы процесса. Интенсивное взаимодействие частиц дисперсного материала со стенкой приводит, с одной стороны, к торможению частиц, а с другой - к существенной хаотизации их движения. Все это обуславливает увеличение относительной скорости движения фаз, создание благоприятных условий для подвода тепла к частицам высушиваемого материала за счет значительной турбулизации на границе раздела фаз, а следовательно приводит к интенсификации процессов тепло- и массообмена [18,64, 65]. Конструкция спиральной сушилки с бифилярной навивкой канала обеспечивает рекуперацию тепла по длине пневмотракта и снижение тепловых потерь в окружающую среду.
Помимо этого спиральные аппараты характеризуются малыми габаритами, технологичностью изготовления. К недостаткам спиральных сушилок относится незначительное время пребывания материала в зоне сушки (несколько секунд), недостаточного для удаления связанной влаги.
Аппараты со встречными закрученными потоками (СВЗП) представляют собой вертикальную цилиндрическую камеру, в нижнюю часть которой по оси камеры через завихритель подается закрученный поток горячего сушильного агента вместе с частью влажного дисперсного материала. В верхнюю часть камеры тангенциально вводится второй поток сушильного агента со второй частью влажного материала [1, 65]. Вращение центрального и периферийного потоков газа и материала происходит в одну сторону, но их осевое (вертикальное) движение направлено внутри аппарата в разные стороны. Благодаря одностороннему вращению вторичный поток как бы подкручивает центральный поток, обеспечивая равномерность вращения сушильного агента и дисперсного материала по всей высоте аппарата.
Теплофизические свойства кизельгура
Научное обоснование способа сушки влажного кизельгура, а также правильное понимание механизма переноса теплоты и влаги, определяется в основном теплофизическими характеристиками обрабатываемого материала.
К числу теплофизических характеристик относятся: удельная теплоемкость с, Дж/(кгК), коэффициент теплопроводности Я, Вт/(мК), коэффициент температуропроводности а, м7с.
Теплофизические характеристики кизельгура являются функциями состояния и свойств вещества, зависящие от многих факторов, к которым следует отнести химический состав и структуру. При этом, важное значение имеет характер изменения теплофизических характеристик от основных параметров влажного материала.
От правильного расчета затрат количества теплоты на регенерацию кизельгура зависит экономичность работы сушильной установки и качество готового продукта. Существующие методы определения теплофизических характеристик влажных материалов довольно сложны и делятся на две группы: стационарного и нестационарного потока тепла.
В стационарных методах [40] поток теплоты, проходящий через исследуемый образец на протяжении всего опыта должен оставаться постоянным по величине и направлению, при этом, температурное поле остается постоянным. Однако эти методы длительны и требуют очень строгого выполнения граничных условий.
Методы нестационарного потока [35] характеризуются переменным температурным режимом в испытуемом образце, кратковременным тепловым воздействием на материал, во время которого не изменяется его гидротермическое состояние, и малым градиентом, что положительно сказывается на результатах. Основное преимущество этих методов быстрота проведения эксперимента.
При определении теплофизических характеристик использован метод нестационарного теплового режима, основанный на рещении задачи теплопроводности для начальной стадии процесса, а именно метод двух температурно-временных точек, разработанный В.С. Волькенщтейн [35], который позволяет определить коэффициент температуропроводности а, коэффициент теплопроводности Я и удельную теплоемкость с.
Начальная стадия охватывает малые промежутки времени, характеризуемые числом Фурье Fo 0,55 [69]. Эксперимент, основанный на теории этой стадии теплопроводности является непродолжительным. При этом исключается влияние эффекта термовлагопроводности на исследуемые тепловые свойства.
Задача сводится к совместному рещению дифференциальных уравнений теплопроводности для одномерного потока
Схема экспериментальной установки показана на рис. 2.13. Начальная температура материала и эталона в течении всего опыта поддерживались постоянной. Теплоприемник 2 сечением 70x70 мм и длиной 150 мм изготовлен из органического стекла и имеет следующие характеристики: а, =15,7м2/с, Л,=0,1839 Вт/м-К, сэ = 10,88 Дж/(кг-К), рэ = 1075 кг/м". Его боковая поверхность изолирована пенопластом. Вода из термостата 1 подается в нагреватель 5. Температура воды поддерживалась на 10... 15 К выше начальной температуры образца кизельгура.
К исследуемому материалу и теплоприемнику нагреватель прижимается с помощью пружинных защелок. На границе соприкосновения исследуемого образца пивной дробины и эталона, имеющих температуру Т расположен один из спаев дифференциальной термопары 6, второй спай помещен в нагревателе, температура которого Т„. Показание гальванометра 7, включенного в цепь термопары последовательно с реостатом 8, будет соответствовать разности температур Т„ - Т. При соприкосновении образца температура спая на границе образца и эталона начнет увеличиваться с течением времени, а показания гальванометра будут уменьшаться.
В ходе эксперимента фиксируется время г, и г?, в течении которого температура на границе раздела эталонного тела и исследуемого образца достигнет заданного значения ЛТі и ЛТ2 соответственно.
Точность измерений тепловых характеристик в ходе эксперимента оценивалась по критерию Стьюдента. Относительные погрешности определения а и Я при надежности 0,9 и и = 5 не превышали 5 %.
Как видно из рисунка 2.13, в интервале влажности от О до 150 % величины а, Я и с возрастают до значения, определяемого относительной величиной теплопроводности воды и кизельгура, так как в области капиллярной конденсации на теплоперенос влияние оказывает свободная влага. Зависимости а = / (W), Я =/ (W) и с = f (W) являются монотонно возрастающими, их графики в данном интервале влажности не имеют переломных точек [32].
Рост кривых a =f(W), Я = / (W) для кизельгура можно объяснить, влиянием «водных мостиков», согласно основным положениям теории А.Ф. Чуд-новского [113, 114], теплопереноса во влажных пористых материалах. Теплопроводность сухой пивной дробины мала из-за точечного соприкосновения частиц материала. Однако по мере увеличения количества адсорбированной влаги начинает расти, так как через водную пленку, образующей «мосты», теплота распространяется непрерывным потоком от частицы к частице материала.
Наряду с этим была установлена зависимость теплофизических характеристик кизельгура от температуры. Как видно из рисунков 2.14...2.17 с увеличением температуры а. Яис монотонно возрастают. Используя экспериментальные данные и расчетные формулы (2.11), (2.12), (2.13), были определены теплофизические характеристики для кизельгура при различной влажности и температуре материала.
Конструкция и принцип действия пилотной экспериментальной установки для осуществления термической регенерации кизельгура
Для исследования процесса термического пиролиза была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис. 4.18). В проведенных исследованиях и предварительной оптимизации термодинамических характеристик тепло- массообменной установки учитывалась суммарная энергоёмкость процесса, которая складывалась из энергии, затрачиваемой на работу газового теплогенератора и дымососа.
Процесс термической регенерации в установке включает в себя целый комплекс разнообразных физических явлений, таких как инжекция, самоиспарение влаги при давлении ниже атмосферного, сушка в закрученном потоке, гидродинамическая сепарация частиц кизельгура, пиролиз органических веществ [13, 97, 116, 118]. При этом на протекание каждого из указанных явлений оказывает влияние множество различных факторов.
При проектировании установки руководствовались следующими требованиями;
- возможность изменения технологических параметров процесса термической регенерации кизельгура в широких пределах;
- возможность с целью сравнения проводить процесс, как в режиме пиролиза, так и в режиме выжигания;
- реализация различных схем энергоподвода, использование разнообразных источников тепловой энергии;
Установка позволяет при проведении исследований варьировать технологические параметры процесса термической регенерации кизельгура в широких пределах, численные значения которых указаны в таблице 4.6.
Пилотная экспериментальная установка для осуществления термической регенерации кизельгура (рис. 4.19) состоит из цилиндроконической камеры 1, к цилиндрической части которой подключен тангенциальный патрубок 3 для ввода газовзвеси сыпучего кизельгура, камеры выгрузки сухого продукта 3, верхней части камеры в виде крышки 4 и нижней конической части камеры в виде конфузора 5.
По оси цилиндроконической камеры в ее цилиндрической части 1 размещена полая вставка 6 в виде чередующихся элементов, имеющих расширяющуюся и сужающуюся части. Над верхним срезом полой вставки 6 расположен отражатель 7. К конфузору в нижней части камеры присоединен патрубок ввода теплоносителя 8для проведения процесса термического разложения органической составляющей кизельгурового шлама, который соединен с газовым теплогенератором (тепловой пушкой) 9 марки FubagBrise ЗОМ 12.5-31.2 кВт (рис. 4.20), подключенным к источнику газа (пропан 1,5 bar).
Для создания газовзвеси и ввода ее в тангенци альный патрубок на его входе установлен эжектор 12, обеспечивающий расход газовзвеси до 50 м". Для этого к всасывающей камере эжектора присоединен загрузочный бункер 13 с регулировочным устрой ством 14 и установленной на нем щайбой 15, с воз можностью обеспечения между ней и внутренней поверхностью кольцевого зазора. А к соплу эжектора ІИІІ fc присоединен патрубок 16, связывающий с нагнета ж:: д тельной линией теплоносителя.
Работа пилотной экспериментальной установки при осуществлении исследования термической регенерации кизельгура осуществляется следующим образом. Сыпучий кизельгур, предварительно обезвоженный, механическим способом в декантере и тепловым способом в электросушилке, от слабо связанной влаги до влажности обеспечивающей сыпучесть засыпают в загрузочный бункер 13, в котором предварительно выставляют величину кольцевого зазора.
Одновременно запускают в работу газовый теплогенератор 9 в который подают горючий газ из баллона (не показан). Открывают вентиль подачи теплоносителя в эжектор12, под действием энергии потока которого создается разрежение в его всасывающей камере, за счет чего происходит поступление из бункера 13 через кольцевой зазор сыпучего кизельгуро-вого шлама, последующее смешивание теплоносителя с частицами кизельгурового шлама и подача в цилиндрическую часть камеры 1 в виде газовзвеси через тангенциальный патрубок 2, где она подсушивается в закрученном потоке до равновесной влажности. Подсушенные частицы опускаются в нижнюю коническую часть 15 цилиндроконической камеры 1, где подхватываются потоком теплоносителя, подаваемого в конфу-зор через патрубок 8 от газового теплогенератора (тепловой пушки) 9 с температурой пиролиза или выжигания в диапазоне о 400 до 600 С, которая контролируется с помошью измерителя температуры 10 марки Овен УКТ-38 (рис. 4.22) и датчика температуры марки Овен ДТКП 054 (рис. 4.23).
Процесс термического воздействия продолжается в активном гидродинамическом режиме, при котором происходит окончательное досушивание невысохших частиц и начало пиролиза или выжигания. В центре потока осуществляется фонтанирование частиц кизельгурового шлама, а по периферии опускаются закрученные тангенциальным потоком подсыхающие частицы кизельгура, при этом ядро фонтана вращается вокруг вертикальной оси. Направление вращения ядра фонтана совпадает с направлением движения тангенциального потока. При обезвоживании и разложении органических компонентов частицы кизельгура поднимаются вверх и захватываются потоком теплоносителя, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 6. По мере движения теплоносителя через полую вставку 6 его скорость падает до скорости витания частиц кизельгура из-за увеличения проходного сечения, обусловленного расширяющейся конфигурацией вставки 6, и образуется взвешенный слой, в котором идет окончательная досушка частиц кизельгура до влажности 2...3%.
Далее частицы кизельгура поднимаются вверх и захватываются потоком теплоносителя, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 6. В самой верхней расширенной части происходит термическое разложение остатков органических компонентов расположенных в порах частиц кизельгура при температуре 400...550 С в результате чего их вес снижается до уровня, при котором осуществляется их унос. Отражатель 7 отклоняет частицы смеси в радиальном направлении, в результате чего легкие частицы смеси попадают в камеру выгрузки 3, в которой происходит разделение продукта и отработанного теплоносителя, а более тяжелые частицы смеси возвращаются во взвешенный слой. Отработанный теплоноситель удаляется из камеры выгрузки 3.
Способ автоматического регулирования процессом термической регенерации кизельгура
Для обеспечения эффективного функционирования оборудования для термической регенерации кизельгура разработана система автоматической оптимизации процесса.
Схема (рис. 5.6) для реализации автоматического регулирования процессом термической регенерации кизельгура содержит декантер 1 со шнеко-вым рабочим органом 2, имеющий привод 3. Декантер 1 соединен при помощи конусообразного питателя 4 с кондуктивной электросушилкой 5, имеющей нагревательные элементы 6 и транспортирующий шнек 7 с приводом 8. Выходная горловина кондуктивной электросушилки 5 в свою очередь соединена конусообразным питателем 9 с камерой всасывания инжектора 10, который имеет греющую рубашку и соединен с цилиндроконической камерой 11 тепломассообменного аппарата 12, выступающего в качестве оборудования для теплового воздействия на продукт в активном гидродинамическом режиме. Внутри цилиндрической части камеры 11 установлена полая вставка 13 с чередующимися узкими и расширяющимися частями, имеющая на внешней поверхности канал регулируемого сечения для отвода паровой фазы из зоны сушки. В качестве оборудования для подготовки теплоносителя используются газовый теплогенератор 14 с горелкой 15 и газодувкой 16, воздушный компрессор 17 с электронагревателем 18, мембранный генератор 19. Система аспирации отработаного теплоносителя включает конденсатор 20 дымосос 21, циклон 22 и электростатический фильтр 23.
Схема также включает, насосы 24-28, вентили 29-45, линии: подачи 46 ки-зелыурового шлама в декантер 1, удаления 47 из него жидкой фракции, подачи 47 обезвоженного механическим путем в декантере 1 кизельгурового шлама в кондуктивную электросушилку 5, подачи 48 сыпучего кизельгурового шлама и подачи 49 теплоносителя в виде обедненной кислородом воздушной смеси в эжектор 10 тепломассообменного аппарата 12, подачи 50 их смеси из эжектора 10 В тепломассообменный аппарат 12, подачи 51 воздуха в мембранный аппарат 19, подачи 52 обогащенного кислродом воздуха в горелку 15 газового теплогенератора 14, подачи 53 природного газа в газовый теплогенератор 14, подачи 54 отработанного теплоносителя из тепломассообенного аппарата в циклон 22, подачи 55 части отработанного теплоносителя после отделения от твердых частиц кизельгура на рециркуляцию путем подмешивания к продуктам сгорания, удаления 56, 57 и 58 частиц кизельгура крупной, средней и мелкой фрации, соответственно из тепломассообменного аппарата 12, циклона 22 и электростатического фильтра 23, подачи 59 в горелку 15 газового теплогенератора 14 отработанного теплоносителя после отделения от него жидкой фазы в виде конденсата путем подмешивания его к природному газу, подачи 60 охлаждающей среды в конденсатор, удаления 61 жидкой фазы в виде конденсата из конденсатора 20, подачи 62 части теплоносителя в виде смеси продуктов сгорания из газового теплогенератора 14 и подмешиваемого к нему части отработанного горячего теплоносителя в греющую рубашку эжектора 10, подачи 63 теплоносителя в ввде смеси продуктов сгорания из газового теплогенератора 14 и подмешиваемого к нему части отработанного горячего теплоносителя в нижнюю часть тепломассообменного аппарата 12.
В схеме предусмотрены датчики: расхода 64-82, влажности кизельгу-рового шлама 81-84, кизельгура 85, 86, 87, отработанного теплоносителя 88 после отделения от него частиц кизельгура, отработанного теплоносителя 89 после отделения от него влаги, давления 90-91 в мембранном генераторе 19, давления 92-94 в тепломассообменном аппарате 12, температуры 95 - 102, уровня 103 - 107, мощности 108 электронагревателя 18 воздушного компрессора 17, мощности 109 нагревательных элементов 6 кондуктивной электросушилки 5, мощности электроприводов ПО—120, микропроцессор 121 (А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, 3, И, К, Л, М, Н, О, П, Р, С, Т, У,Ф, X, Ц, Ч, Ш, Щ, Э, Ю, Я, 0, 0, Е, , , Л , К, , К,, Ц, Г, Ж, X,, Ч, Ъ, у, у, I, Н - входные каналы управления, а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к, л, м, н, о, п, р, с, т, у, х, ц, ч, ш, щ - выходные каналы управления), исполнительные механизмы 122-148.
Вторичные Приборы, цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи на схеме не показаны.
Способ автоматического регулирования процессом термической регенерации кизельгура осуществляют следующим образом.
Исходный кизельгуровый шлам (например, пивоваренного производства) с влажностью 80 -90 % измеряемую датчиком 81 после кизельгурового фильтра (не показан) по линии 46 поступает через вентиль 39 во внутреннее пространство корпуса декантера 1, где попадает в зону действия шнекового рабочего органа 2 и под действием центробежных сил происходит отделение от него мехническим путем жидкой фракции (влаги), которая удаляется по линии 47. А обезвоженный механическим способом в поле центробежных сил от слабо связанной влаги кизельгуровый шлам с влажностью 55-70 %, измеряемую датчиком 82, подается при помощи конусообразного питателя 4 по линии 47 в кондуктивную электросушилку 5, где благодаря температуре, определяемой датчиком 90 нагревательных элементов 6 выпаривается еще часть влаги до обеспечения сыпучей консистенции продукта, соответствующей переходной влажности 50...55 %, измеряемой датчиком 84. Одновременно транспортирующий шнек 7, который приводится во вращение с помощью привода 8, транспортирует кизельгуровый шлам к выходной горловине кондуктивной электросушилки 5, из которой он конусообразным питателем 9 по линии 48 через шлюзовой затвор 37 подается в камеру всасываня инжектора 10. При этом через патрубок 15 в инжектор вводится под напором теплоноситель, при движении которого образуется разрежение обеспечивающее забор сыпучего продукта из питателя 9 и последующее его смешивание с теплоносителем и образованием газовзвеси. За счет разряжения происходит испарение части влаги (4 - 6 %) из сыпучего продукта. После этого, полученная газовзвесь тангенциально подается в цилиндроконическую камеру 11 массообменного аппарата 12, где она подсушивается в закрученном потоке до промежуточной влажности (например, 2 - 6 %). При конвективном нагреве от теплоносителя (температура которого измеряется датчиком 96) частиц продукта до 100-150 С происходит выделение и испарение внешней и несвязанной влаги. Подсыхаемые частицы кизельгурового шлама, опускаются по криволинейной траектории в нижнюю коническую часть цилиндрокониче-ской камеры 11, где захватываются потоком теплоносителя, подаваемого по линии 50. Процесс сушки продолжается в активном гидродинамическом режиме. В центре потока осуществляется фонтанирование частиц продукта, которые опускаются по периферии, закрученные тангенциальным потоком, при этом ядро фонтана вращается вокруг вертикальной оси. Направление враще 157 ния ядра фонтана совпадает с направлением движения тангенциального потока. Высыхая частицы кизельгурового шлама поднимаются вверх и захватываются потоком теплоносителя, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 13. По мере движения теплоносителя через полую вставку 13 его скорость падает до скорости витания частиц кизельгурового шлама из-за увеличения проходного сечения, обусловленного расширяющейся конфигурацией вставки 13, и образуется взвешенный слой, в котором идет как досушка частиц кизельгурового шлама до конечной влажности 2-3 %, так и осуществление процесса пиролиза органических компонентов при температуре теплоносителя от 300 до 550 С, измеряемые датчиками 92 и 91, установленными на входе и выходе тепломассообменного аппарата 12. Далее частицы продукта поднимаются вверх и захватываются потоком теплоносителя, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 13. В самой верхней части полой вставки 13 происходит окончательное разложение органической составляющей кизельгурового шлама с выделением углеводородных газов и паров. Частицы смеси при взаимодействии с отражателем, расположенным при выходе газовзвеси из ци-линдроконической камеры 11 тепломассообменного аппарата 12, отклоняются в радиальном направлении, в результате чего происходит разделение продукта и отработанного теплоносителя, а более тяжелые частицы смеси с наличием в них влаги или органических включений возвращаются во взвешенный слой. Причем легкие частицы кизельгура освобожденные от влаги и органики вместе с отработанным теплоносителем через окна в цилиндроко-нической камере 11 попадают в пространство, образованное цилиндрической частью камеры и внешним кожухом тепломассообменного аппарата 12, в которой крупно-дисперсная фракция при потере скорости оседает в этом пространстве, а отработанный теплоноситель удаляется из пространства в линию 34 дымососом 21 и далее в аспирационную систему сепарирования и улавливания крупных фракций кизельгура. При этом в циклоне 22 улавливается средне-дисперсная фракция кизельгура, а в электростатическом фильтре 20 его мелкодисперсная фракция. Так как при прохождении через аппарат теплоноситель имеет достаточно высокую температуру, поэтому часть его может быть обратно возвращена для целей термического воздействия на продукт через линию 55 путем подмешивания его в поток теплоносителя, который создается путем сгорания природного газа в теплогенераторе 14 нагнетаемого в него газодувкой 16. Причем по линии 59 к природному газу подаваемому по линии также подмешивается рециркулируемый теплоноситель в виде горючего газа, полученного в результате газификации органической составляющей продукта в результате сухой его перегонки в полой вставке 13, при работе тепломассообменного аппарата 12 в режиме пиролиза при температуре 300-550С в условиях ограниченного доступа кислорода. Предварительно из горючего газа удаляется влага с помощью охлаждающей среды (воды или атмосферного воздуха), подаваемой в конденсатор 20 по линии 60, температура которой измеряется датчиком 95, а расход датчиком 75.
