Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния вопроса и постановка задач исследования 7
1.1 Гидродинамика виброкипящего слоя 7
/././ Порочность виброкипящего слоя 7
1.1.2 Перемешивание материала в слое 12
1.2 Теплообмен в виброкипящем слое 17
1.2.1 Механизм теплообмена псевдоожюісеппого слоя с поверхностью нагрева 17
1.2.2 Теплообмен поверхностей с омывающим их виброкипящим слоем 25
13 Сушка материалов в виброкипящем слое 36
ГЛАВА 2. Теоретическая часть 46
2.1 Аналитическое исследование теплообмена в аппаратах кипящего слоя с погруженными в слой вибрирующими поверхностями нагрева 46
2.2 Матсматическое описание кинетики сушки и изої СРМ Сорбции 62
23 Об условиях перехода от аппарата периодического -дейст вия к аппаратам
непрерывного действия 64
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования 69
3.1 Описание экспериментальной установки 69
3.2 Выбор исследуемых материалов и их характеристики 75
33 Исследование гидродинамики кипящего слоя с погруженными в него вибрирующими поверхностями нагрева 82
3.3.1 Порозность 82
3.3.2 Перемешивание материала в слое 90
3.4 Исследование теплообмена в кипящем слое с погруженными в него вибрирующими поверхностями нагрева 100
3.4.1 Методика проведения эксперимента 100
3.4.2 Результаты исследований 103
3.5 Исследование процесса сушки 115
3.5.1 Методика проведения эксперимента 115
3.5.2 Результаты исследований 118
ГЛАВА 4. Разработка промышленного образца 122
4.1 Разработка опытно-промышленного образца сушильного аппарата кипящего слоя с вибрирующими поверхностями нагрева, погруженными в слой(ВКСМ) 122
4.1.1 Разработка технологической схемы 122
4.1.2 Оптимальные условия проведения процесса сушки 124
4.1.3 Методика расчета сушильного аппарата кипящего слоя с погруженными в слой вибрирующими поверхностями нагрева (аппарата ВКСМ) 128
4.1.4 Пример расчета сушильного аппарата кипящего слоя с погруженными вибрирующими поверхностями нагрева для сушки ПВХ 132
4.2 Методы и средства снижения виброакустической активности аппаратов с
виброкипящим слоем 137
4.2.1 Методика расчета уровней звукового давления на рабочих местах экспериментальной и опытно-промышленной установок вибросушилок 137
4.2.2 Методика расчета уровней шума, создаваемого встроенной в аппараты с виброкипящим слоем вентиляционной системой 142
4.2.3 Методика расчета эффективности средств снижения иіума при работе аппаратов с виброкипящим слоем 160
Общие выводы и основные результаты работы 182
Литература
- Теплообмен в виброкипящем слое
- Матсматическое описание кинетики сушки и изої СРМ Сорбции
- Исследование гидродинамики кипящего слоя с погруженными в него вибрирующими поверхностями нагрева
- Оптимальные условия проведения процесса сушки
Введение к работе
Сушка - один из самих распространенных и энергоемких технологических процессов в химической, текстильной и других отраслях промышленности. На сушку расходуется до 15-20% от всех энергетических затрат промышленного производства. В химической промышленности большинство продуктов высушивается в дисперсном состоянии, что обусловливает все возрастающее применение для их сушки различных гидродинамических режимов взвешенного слоя. Однако, во многих случаях реализация режимов взвешенного слоя затруднена из-за повышенных адгезионно - когезионных свойств высушиваемого материала. Эффективными в таких случаях могут являться сушилки с виброкипящим слоем (ВКС), но они обладают недостаточной тепловой мощностью из-за малых скоростей потока теплоносителя (газа) сквозь слой при работе в безуносном режиме, что обусловливает сравнительно узкую область применения сушилок ВКС и невысокую производительность по испаренной влаге. Поэтому увеличение тепловой мощности сушилок с виброкипящим слоем и расширение области их применения является актуальной научной и технической задачей.
Указанная задача может быть решена при дополнительном подводе тепла в кипящий слой с помощью вибрирующих нагревательных поверхностей, погруженных в слой, что позволяет снижать расход воздуха за счет подвода основной части тепла в слой кондуктивным способом. Однако, закономерности, особенности осуществления процессов сушки в аппаратах указанного типа до сих пор остаются неизученными, что затрудняет их проектирование, оптимизацию и внедрение на рынок. Необходимо разработать инженерную методику расчета и выдать рекомендации промышленности по созданию опытно-промышленной установки кипящего слоя с погруженньши в слой вибрирующими поверхностями нагрева (ВКСМ). При этом необходимо определить возможный шумовые характеристики на рабочих местах обслуживающего персонала от вибропривода сушильной установки, и в случае превышения санитарных норм подобрать и спроектировать технические решения, обеспечивающие допустимые по ГОСТ уровни звукового давления.
Данная работа является попыткой систематического исследования метода повышения эффективности процесса за счет введения в слой высушиваемого материала вибрирующих поверхностей нагрева при одновременном значительном сокращении расходов воздуха.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Б.С. Сажину за научное руководство работой, а также всем сотрудникам кафедры процессов и аппаратов химической технологии за помощь при выполнении работы.
Теплообмен в виброкипящем слое
Наиболее существенными факторами, влияющими на интенсивность теплообмена между поверхностью и псевдоожиженным слоем, являются, как известно, скорость и физические свойства ожижающего агента, размер твердых частиц и геометрические характеристики системы [5]. В случае же виброкипящего слоя определяющими факторами являются также амплитуда и частота вибрации.
Стройной теории, одинаково успешно объясняющей влияние всех факторов на теплообмен, до сих пор не существует. Однако предложены отдельные теоретические модели, представляющие собой попытки с определенных позиций описать механизм теплообмена между псевдоожиженным слоем и поверхностью нагрева.
Теоретические представления о механизме теплообмена псевдоожиженного слоя с поверхностью, можно условно разделить на три группы.
Модель Викке и Феттинга предполагает наличие у теплообменной поверхности пленки газа толщиной 5г , за которой следует пограничный слой твердых частиц 5Ч и, далее "ядро" кипящего слоя, имеющего практически постоянную температуру. В пограничном слое твердых частиц происходит движение твердой фазы в основном параллельно теплообменной поверхности со скоростью и (однако, как отмечают авторы, не исключено и поперечное движение частиц из пограничного слоя в "ядро"). На начальном участке коэффициент теплоотдачи равен a f (1-9) Поскольку перепад температур сосредоточен практически в газовой пленке 6Г.
По мере прогрева пограничного слоя твердых частиц перепад температур сосредоточивается в основном на слое, вследствие его малой эффективной теплопроводности Лс,. Поэтому коэффициент теплоотдачи сильно уменьшается и стремится к «и (1-Ю) Для промежуточной зоны Викке и Фетганг получили уравнение: 1-е а= + »//» (1.11) 1Н где A, ={l-s)CTySTu Н - высота теплообменной поверхности. Недостатком модели, предложенной Викке и Фетгингом, является наличие большого числа неизвестных параметров (5г, 5т, и, Хсл), взаимосвязь которых с основными характеристиками кипящего слоя (диаметром частиц и скоростью газа) не определена, что делает предложенные уравнения неприменимыми для практических расчетов.
По модели С.С.Забродского предполагается, что в каждый данный момент времени у теплообменной поверхности находится ряд частиц с расстоянием по осям между частицами и между соседними слоями, равным fl-ff„V , 0,807rfr «-= Г (1.12) о 1 = Х ) {\-s)l Поскольку толщина прослойки газовой среды между стенкой и частицами ближайшего к ней ряда в различных местах различна, предлагается ввести среднюю толщину прослойки: S =6 + -6 Время смены частиц в первом ряду определяется следующим образом: _ L 0,807 .1 т = и, (1.13) (1.14) где и,, - скорость, нормальная к поверхности теплообмена.
Таким образом, частица принявшая порцию тепла за период времени т, вновь уходит в ядро слоя. Чем меньше время пребывания частицы около поверхности нагрева, тем меньше количество тепла, переносимого одной частицей за один цикл движения, а тепловой поток от этой, поверхности нагрева больше. Это объясняется тем, что при ускоренном движении число частиц, активно участвующих в единицу времени в теплообмене, увеличивается в большее число, раз, чем уменьшается количество тепла, воспринимаемое каждой частицей. cm
Коэффициент теплоотдачи, отнесенный к разности температур стенки и ядра (Т, и Тя) кипящего слоя, равен: а = -$— = CTyTW(і - є)(] - екї) = т т cm я = СтГМ\-є) 1-ехр d в + — 1,21Л, CTyTW{\-e) (1.15)
Анализируя большое количество экспериментальных данных различных авторов, СС.Забродский предложил для расчета максимального коэффициента теплообмена эмпирическую формулу: «„,»=35,8/»2W3b (1.16)
Выражение (1.16) тождественно выражению (1.15), что объясняется тем что как в модели Викке и Феттинга, так и в модели С.С.Забродского рассматривается нестационарный прогрев.
Модели Викке и Феттинга, а также модели С.С.Забродского качественно хорошо объясняют причину высоких значений коэффициента теплоотдачи (интенсивной сменой частиц у поверхности и нестационарным их прогревом).
Промежуточной между этими двумя моделями является модель Миклея и Фейербенкса. По этой модели предполагается, что в псевдоожиженном слое движутся группы частиц с близкими скоростями, так называемые "пакеты", и проскакивают "пузыри газа, свободные от частиц". "Пакеты" подходят из ядра слоя к теплообмен-ной поверхности и двигаясь, некоторое время вдоль нее, прогреваются, а затем уходят обратно в ядро кипящего слоя, где распадаются и перемешиваются с остальными частицами. В промежутках между двумя приходами пакетов поверхность омывается газовым пузырем.
За время соприкосновения пакета с поверхностью происходит нестационарный теплообмен, авторы работы [180] рассматривают прогрев "пакета" как прогрев сплошной среды с эффективной теплопроводностью Хтф, равной эффективной теплопроводности неподвижного слоя зернистого материала.
Для определения усредненного, но поверхности и во времени значения коэффициента теплоотдачи в соответствии с принятой моделью получена формула: «WVVrA, (1.17) где An и уп- соответственно теплопроводность и удельный вес пакета; Sn - фактор, учитывающий перемешивание частиц, а также движение и геометрическую форму "пакета". Для проверки справедливости предложенной модели Миклей. Фейербенкс Хауторн [180] поставили серию опытов, результаты которых показали вполне удовлетворительное совпадение с расчетными значениями, что подтверждает справедливость модели теплоотдачи к кипящему слою, предложенной Миклеем и Фейербенксом.
Матсматическое описание кинетики сушки и изої СРМ Сорбции
В общем случае кривые кинетики сушки имеют вид S - образных Кривых [99]. Такой вид кривых, показывает, что скорость процесса сушки, пропорциональная тангенсу угла наклона касательной к соответствующей точке кинетической кривой, проходит через максимум и принимает минимальные значения в начальный и конечный периоды процесса сушки. Начальный участок кинетической кривой обычно считают периодом разогрева высушиваемого материала, участок максимальной скорости - первым периодом или периодом постоянной скорости сушки, и, наконец, конечный участок - периодом падающей скорости сушки. В последнем случае скорость процесса сушки изменяется пропорционально разности текущей и равновесной влажности высушиваемого материала.
Хотя такая трактовка процесса сушки в общем является правильной, она имеет тот недостаток, что предполагает существование трех совершенно различных законов сушки для процесса сушки, представляющего собой органическое единство трех вышеупомянутых стадий.
В данной работе сделана попытка вывести общее для всех трех периодов уравнение кинетики сушки.
Верхнюю часть кинетической кривой (т.е. участок кривой выше точки перегиба) в первом приближении можно рассматривать как повернутый на 180 относительно точки перегиба нижний участок кривой.
Это позволяет предположить, что кинетика начального периода сушки, как и кинетика периода падающей скорости сушки, определяется близостью начального состояния высушиваемого материала к равновесному состоянию, соответствующему начальной температуре материала и влажности окружающего его воздуха.
Далее, предположим, что суммарная скорость процесса сушки в произвольный момент времени должна быть пропорциональной произведению движущих сил процесса сушки в начальный и конечный периоды сушки (поскольку кинетическое уравнение должно быть общим для обоих периодов), т.е.: = K{U]p-U)(U-U2p), (2.54) где U - относительная влажность высушиваемого материала; т - время; Up,Uр - начальная и конечная равновесные влажности материала; К - константа скорости процесса сушки, предполагаемая постоянной.
Так как начальная и конечная равновесные влажности материала представляют собой верхнюю и нижнюю асимптоты кинетической кривой, качественно уравнение (2.54) вполне соответствует рассмотренным выше особенностям кинетики сушки.
Необходимо также отметить, что уравнение (2.54) не противоречит принципам термодинамики необратимых процессов, в соответствии с которыми скорость любого процесса вблизи равновесного состояния определяется удаленностью текущего состояния от равновесного.
Особенностью рассматриваемой задачи является то, что процесс сушки представляет собой переход от начального равновесного состояния к конечному, в связи с чем возникает необходимость учитывать удаленность текущего состояния системы как от начального, так и от конечного состояния равновесия. В результате интегрирования уравнения (2.54) получим уравнение: где Ц, - фактическая начальная влажность материала.
Аналогичный метод (метод асимптот) был использован и для математического описания изотерм сорбции- десорбции, форма которых, как известно, сходна с формой, кинетических кривых для процесса сушки. При этом физическая интерпретация уравнения, описывающего изотермы сорбции, естественно отличается от интерпретации уравнения кинетики сушки.
Было предположено, что внутренняя структура пористого материала находит свое отражение в числе и ориентации асимптот изотерм сорбции-десорбци, причем наиболее часто встречаются изотермы с числом асимптот от 1 до 2, которые ориентируются либо параллельно оси р, либо параллельно оси U (относительное парциональное давление паров). Для случая двух асимптот рр и О, направленных параллельно оси U было получено уравнение для определения скорости изменения параметра ф по параметру и в следующем виде: -- = K{ ppp)-q , (2.56) где К - коэффициент пропорциональности. В результате интегрирования уравнения (2.56) получено алгебраическое уравнение, описывающее изотерму сорбции: В(р (2.57) U = — -In { Р»- Р) где & - ; фм - максимальное значение р, найденное экспериментально.
Максимальные относительные отклонения расчетных значений от экспериментальных не превышают 5%.
Процессы сушки штажных дисперсных материалов осуществляются обычно в аппаратах непрерывного действия.
При осуществлении процесса сушки в аппарате непрерывного действия с виброкипящем слоем, как и для любого другого сушильного аппарата, существенным является вопрос о времени пребывания материала в слое.
В общем случае время пребывания материала в аппарате непрерывного действия представляет собой случайную величину, среднее значение которой может быть определено следующим образом: где Gai - вес слоя, кг; Q.,,- весовая подача (отвод) материала, кг/час.
Другой характеристикой времени пребывания, как и любой случайной величины, является дисперсия. Формула для определения дисперсии времени пребывания имеет самые различные выражения в зависимости от конструктивных особенностей аппарата, от степени продольного перемешивания, от условии на границах системы. Поскольку теоретическое определение времени пребывания затруднено, для этой цели используется индикаторный метод. Суть его состоит в том, что на вход аппарата вводится индикатор ("меченое" вещество), а на выходе аппарата через определенные промежутки времени производится отбор проб и определяется доля индикатора в выходящем потоке. Таким образом, получается функция распределения времени пребывания с(т).
Исследование гидродинамики кипящего слоя с погруженными в него вибрирующими поверхностями нагрева
Экспериментальное исследование гидродинамики кипящего слоя с погруженными в него вибрирующими поверхностями проводилось с целью выявления гидродинамических особенностей и получения данных о порозности и перемешивании в слое. Кроме того, часть исследований по гидродинамике проводилась с целью определения параметров выведенных выше уравнений теплообмена в аппарате ВКСМ.
Порозность является важнейшей характеристикой виброкипящего слоя. Она позволяет судить о состоянии слоя, его структуре, количестве материала в объеме аппарата и в значительной степени определяет кинетические закономерности процесса сушки. Поэтому одной из основных задач экспериментальных исследований было изучение порозности, выявление зависимости порозности от рабочих параметров процесса: амплитуды и частоты колебаний вибрирующих элементов, погруженных в слой, а также скорости воздуха. Методика проведения эксперимента Исследование порозности виброкипящего слоя проводилось на холодной модели. В качестве исследуемых материалов применялись Поливинилхлорид эмульсионный (dq, = 0,3 мм) и мономер для производства шинного корда (dq, = 0,02 мм).
Порозность слоя определялась через высоту виброкипящего и эффективную высоту компактного слоя: і К
В ходе эксперимента менялись параметры вибрации (амплитуда А = 0,5-4,5 мм и частота вибрации /= 16 - 26 Гц) и скорость воздуха Ve= 0,5 - 3 см/с.
Для лучшей оценки шіияния каждого параметра на порозность было принято проведение опытов по сериям, в каждой из которых менялся один из параметров при постоянстве остальных. Было проведено 6 серий опытов.
В первых трех сериях изменялось ускорение вибрации при неизменных частоте вибрации и скорости воздуха.
В последующих трех сериях при поддержании постоянных параметров вибрации изменялась скорость воздуха.
Полученные экспериментальные данные приведены в приложении 1. По этим данным были построены кривые зависимости порозности слоя от параметров вибрации и кривые зависимости порозности от скорости воздуха и частоты вибрации (рис. 3.7 - 3.10).
Установлено, что при увеличении относительного ускорения вибрации от О до 2,5-2,8 g происходит некоторое снижение порозности (уплотнение слоя), что по-видимому, объясняется снижением при этих параметрах вибрации внутреннего трения в системе оптимальной самоукладке частиц (рис. 3.7). При дальнейшем увеличении ускорения вибрации происходит возрастание порозности - слой разрыхляется, и переходит в состояние виброкипения. Абсолютная величина порозности зависит как от частоты, так и от амплитуды вибрации. Так чем ниже частота вибрации, тем большая порозность может быть создана при одинаковых ускорениях вибрации.
Такое же влияние частоты вибрации на порозность было замечено при изучении зависимости порозности от скорости воздуха (рис. 3.9) Выявлено, что с увеличением скорости воздуха растет порозность слоя, причем большее значение порозности достигается при меньших частотах вибрации при прочих равных условиях.
Интересно, отметить, что в условиях аппарата виброкипящего слоя обычной конструкции (т.е. с вибрирующей газораспределительной решеткой) решающее влияние на порозность оказывает не частота, а амплитуда колебаний.
При обработке опытных данных использовался принцип соответственных состояний. С применением указанного принципа была построена обобщенная зависимость порозности от ускорения вибрации (рис. 3.8), для математического описания которой обозначим;
Оптимальные условия проведения процесса сушки
В настоящее время при проектировании новых сушильных аппаратов на первый план выдвигается проблема создания безуносных аппаратов большой тепловой мощности с активными гидродинамическими режимами. Таковы требования, предъявляемые ко второму поколению типовых сушилок со взвешенным слоем материала.
Из имеющихся типовых сушилок таким требованиям частично удовлетворяют только аппараты с виброкипящим слоем, для усовершенствования которых в свете новых требований, предъявляемых ко второму поколению сушилок со взвешенным слоем материала, необходимо: резкое повышение тепловой мощности сушилки; снижение уноса пылевой фракции.
Значительное повышение тепловой мощности сушилок с виброкипящим слоем может быть достигнуто с помощью поверхностей нагрева, погруженных в слой. За счет введения в слой нагревателей можно в 2,5-3 раза повысить тепловую мощность сушилки. При этом появляется возможность значительно сократить расход воздуха (за счет того, что основную долю - не менее 80-90%тепла в слой вводить кондуктивно), что способствует решению другой проблемы - снижению уноса пылевой фракции.
Схема сушилки кипящего слоя с вибрирующими поверхностями нагрева, погруженными в слой, представлена на рис.4.1 Основным элементом аппарата является вибрирующий теплообменник 1, помещенный с сушильную камеру 2. Теплообменные поверхности, соединенными коллекторами 3, выполнены из вертикальных панелей 4. Вибрация теплообменника осуществляется с помощью дисбаласового вибратора 5, установленного с торцевой части сушильной камеры. В нижней части сушильной камеры во фланцах закреплена газораспределительная решетка 6 для подачи ожижающего агента, подаваемого через газоподающие короба 7. Подача ожижающего агента осуществляется сеикционированно с учетом явления комкообразования в периоде подогрева материала и интенсивного паровыделения в периоде постоянной скорости сушки. Загрузка влажного материала осуществляется через загруженный штуцер 8. Загруженный материал под действием вибрации и продуваемого сушильного агента взвешивается между панелями 4 теплообменника и, отдавая влагу, перемещаясь от панели к панели, движется к разгрузочному штуцеру 9, откуда из сушильного аппарата отводится готовый продукт. Для сушки продукта ПВХ используется в качестве ожижающего агента инертный газ - азот. Поэтому установка работает в замкнутом цикле. Ожижающий агент с частично унесенной мелкой фракцией материала поступает в установку для обеспыливания 10, в качестве которой может быть использован аппарат ВЗП, и далее в газовый холодильник 1KB газовом холодильнике происходит выделение основной массы влаги, уносимой сушильным агентом. После газового холодильника газ поступает в каллеотделитель 12 и с помощью вентилятора 13 через газовый теплообменник 14 снова подается к газораспределяющим коробам 7 для ожижения высушиваемого материала.
Для обеспечения оптимальных условий проведения процесса сушки необходимо создать в аппаратах благоприятную гидродинамическую обстановку и интенсивный теплообмен. Как было показано выше, гидродинамическая обстановка в аппарате характеризуется порозностью слоя, перемешиванием материала в слое, а также структурой потоков. Порозность слоя зависит от параметров вибрации и скорости воздуха и в значительной степени определяет кинетические закономерности процесса сушки. Для сокращения продолжительности сушки следует увеличить порозность слоя. Исходя из этих соображений, целесообразно осуществлять процесс сушки при ускорениях вибрации А б) =6 + lg , Такие ускорения вибрации могут быть получены при частоте со = 165 рад/с и амплитуде А = 2,5мм. Указанные параметры вибрации были отмечены как оптимальные и в ходе изучения перемешивания материала в аппарате и выбора оптимального теплового режима.
Качество сушки в аппарате непрерывного действия, как известно, зависит от времени пребывания материала в аппарате. Для приближения модели аппарата к модели идеального вытеснения необходимо уменьшить продольное перемешивание в аппарате, для чего длина аппарата должна быть достаточно большой. Обычно принимается отношение
