Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и направления развития теории и техники сушки дисперсий и растворов в химической, резиновой, пищевой и других родственных отраслях промышленности 11
1.1 Виды и особенности жидких дисперсий и кристаллообразующих растворов как объектов сушки 11
1.2 Типы и конструкции сушильной аппаратуры для сушки дисперсий и растворов 13
1.3 Сушка дисперсий и растворов в распылительных сушилках 14
1.4 Сушка дисперсий и растворов в псевдоожиженном слое на инертном носителе 21
1.5 Методы исследования, расчёта, моделирования и инженерной оптимизации сушильных процессов и аппаратов 25
2. Вопросы разработки и совершенствования методов анализа, классификации и моделирования процессов сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов 33
2.1 Вопросы классификации материалов как объектов сушки. Кинетическая классификация процессов сушки дисперсий и растворов и качество высушиваемых продуктов 33
2.2 Особенности тепло-массопереноса и кинетики сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов 40
2.3 Методология математического моделирования процессов сушки и нагрева дисперсий и растворов 47
2.4 Вопросы совершенствования сушки продуктов в псевдоожиженном слое на инертных носителях 52
3. Экспериментальные исследования процессов сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов синтетического, минерального, растительного и животного происхождения 56
3.1 Виды дисперсий и кристаллообразующих растворов 56
3.2 Виды подложек и образцы 61
3.3 Большая циркуляционная конвективная сушилка 63
3.4 Установка кипящего слоя с инертным носителем 65
3.5 Методика, результаты и качественный анализ экспериментов
4. Обработка экспериментальных данных и получение необходимых тепло-массообменных м и кинетических характеристик сушки и нагрева дисперсий и растворов 111
5. Разработка методики расчёта и моделирования процессов сушки дисперсий и растворов 120
6. Рекомендации по совершенствованию сушильных процессов и оборудования для сушки дисперсий и растворов 128
7. Выводы 133
8. Список литературы
- Типы и конструкции сушильной аппаратуры для сушки дисперсий и растворов
- Методы исследования, расчёта, моделирования и инженерной оптимизации сушильных процессов и аппаратов
- Методология математического моделирования процессов сушки и нагрева дисперсий и растворов
- Большая циркуляционная конвективная сушилка
Введение к работе
Актуальность. Сушка дисперсий и кристаллообразующих растворов относится к массовым процессам химической и родственных отраслей промышленности. К ним относятся жидкотекучие материалы, слаботекучие концентрированные пульпы и практически нетекучие пасты. Это макродисперсные непрозрачные суспензии, эмульсии, пены и их смеси, микродисперсные коллоидные системы и молекулярные прозрачные или окрашенные растворы, превращающиеся при сушке в результате пересыщения и выпадения кристаллов в смешанные суспензии или другие дисперсии в растворах. Их предварительное механическое обезвоживание, а затем термическая сушка производятся с целью получения твердых товарных продуктов - кусковых, зернистых, гранулированных, микрогранулированных или порошкообразных, монолитных или микропористых, синтетического, минерального, растительного или животного происхождения. Сушка может производиться бесконтактно, например, в распылительных сушилках, в кипящем слое и др., а также на различных подложках, например, на обогреваемых контактных барабанах, на инертном носителе в псевдоожиженном слое и т.д. Так производятся разнообразные полупродукты, пигменты и красители, многочисленные продукты оргсинтеза, минеральные соли и удобрения, пищепродукты и др. Эти процессы и оборудование нуждаются в дальнейшем совершенствовании.
Качество высушенных продуктов, особенно термолабильных, часто сильно зависит не столько от кинетики удаления влаги, т.е., собственно сушки, сколько от кинетики их нагрева в процессе сушки. Это вызвано сильной, обычно экспоненциальной, зависимостью происходящих при сушке химических, физико-химических и структурно-реологических превращений от температуры высушиваемого материала.
То есть, здесь имеет определяющее значение, прежде всего, температурная кинетика, а значение диффузионной кинетики сводится просто к достижению заданного конечного влагосодержания продукта. Этим важным в научном и практическом плане и слабо изученным проблемам взаимосвязанной кинетики особое место уделяется в работах школы профессора В.И. Коновалова. При этом для изучения, описания и моделирования процессов сушки этих многочисленных материалов разрабатывается единый методологический подход на базе температурно-влажностных зависимостей и эффективных коэффициентов тепло-массопереноса.
Особенности сушки кристаллообразующих растворов до сих пор практически не изучались, в то время как широко исследованы процессы их выпаривания и кристаллизации. Однако для многих водорастворимых продуктов, например, неорганических и органических сульфатов, красителей, пищепродуктов и др. в промышленности используются процессы сушки.
Соответственно данная работа посвящена актуальным вопросам дальнейшего расширения и обобщения круга высушиваемых материалов различного происхождения, в том числе важным в научном и практическом плане вопросам кинетики сушки кристаллообразующих растворов, а также вопросам совершенствования инертных носителей для сушилок псевдоожиженного слоя.
Работа выполнялась в продолжение Координационного плана АН России по Теоретическим основам химической технологии (тема 2.27.2.8.12) и в соответствии с Планом НИР ТГТУ и ИТЦ ТГТУ с ОАО «Пигмент» (2000 - 2003 гг.; тема № 4/02, 2004 г., «Совершенствование процессов и оборудования для сушки органических пигментов»).
Цель работы. Дальнейшее расширение и обобщение кинетики взаимосвязанных процессов сушки и нагрева для новых практически важных и модельных материалов; совершенствование кинетической классификации исследованных материалов различного происхождения; изучение физического механизма и кинетики сушки кристаллообразующих растворов и дисперсий на типичных вариантах подложек - плоские подложки из различных материалов и инертные носители для псевдоожиженного слоя; разработка инженерных соотношений для концентраций насыщения растворов, давления насыщенного пара и температуры кипения типичных кристаллообразующих растворов; разработка математического описания кинетики и получение основных соотношений тепло-массопереноса для этих процессов; разработка практических рекомендаций по совершенствованию исследуемых способов сушки, сушильной аппаратуры; совершенствование инертных носителей и процессов сушки в кипящем слое.
Объекты исследований. Выполнены эксперименты в широком диапазоне условий по воздушной конвективной сушке кристаллообразующих растворов и дисперсий различного происхождения. Использовались различные типичные и модельные плоские подложки (алюминий, фторопласт, капроновые сетки) и различные инертные носители для псевдоожиженного слоя (алюминиевые,
фторопластовые частицы и их смеси). Объектами сушки были новые, ранее не исследовавшиеся по данной методологии продукты и дисперсии с расширенными диапазонами начальных концентраций: суспензии и пасты Гамма-кислоты, Р-соли, диспергатора НФ; водные дисперсии оптических отбеливателей «Белофор КД-2» и «Белофор КД-93»; латексно-резорцино-формальдегидный адгезионный состав (ЛРФ-состав); растворы поваренной соли и свекловичного сахара; растворы мочевины, аммиачной селитры, едкого натра и хлористого кальция; а также мясо-костная жидкость, тяжелая кукурузная жидкость, коллоиды желатина и крахмала.
Научная новизна. Впервые выделен и обоснован комплекс из шести структурно-кинетических типов дисперсий и растворов, отличающихся числом, наличием или вырождением температурных площадок на кинетических температурно-влажностных кривых при разных режимах сушки, что позволяет анализировать механизм тепло-массопереноса, выбирать соответствующие методы физико-математического описания и устанавливать целесообразные способы и режимы сушки.
Впервые исследованы физические особенности сушки кристаллообразующих растворов и предложено их математическое описание: снижение интенсивности сушки, монотонный рост температуры раствора с выпадающими кристаллами в области площадки мокрого термометра, повышение температуры сушки в области площадки псевдокипения.
Путем сравнительного анализа обоснован новый технологический прием, обеспечивающий: повышение интенсивности сушки в псевдоожиженном слое на бинарном инертном носителе из смеси разнородных частиц, снижение взрывоопасное и возможность повышения качества высушиваемого продукта.
Практическая ценность. Предложены аппроксимации физико-химических свойств кристаллообразующих растворов, необходимые для инженерного расчета процессов сушки. На базе разработанной структурно-кинетической классификации предложены методы инженерного расчета сушки, учитывающие разные типы и свойства растворов и дисперсий, что позволяет выполнять более точные расчеты и более обоснованно выбирать способ и режим сушки. Предложен и запатентован новый эффективный «бинарный инерт» для сушки в псевдоожиженном слое, принятый для практического использования на ОАО «Пигмент», г. Тамбов, и рекомендуемый для других предприятий.
Апробация работы. Результаты работы доложены на Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 2004 г.), Международных симпозиумах по сушке (Китай, IDS'2002; Бразилия, IDS'2004), Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Казань, 2002 г.), научных конференциях ТГТУ (2000 - 2004 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ и получено положительное решение на выдачу патента на изобретение.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора, пяти основных глав, выводов, списка литературы из 199 наименований и трех приложений.
Настоящая работа по сушке кристаллообразующих растворов и дисперсий является законченной самостоятельной составной частью проводимых в школе профессора В.И. Коновалова комплексных исследований по разнообразным сушильно-термическим процессам. Она непосредственно продолжает диссертационные работы С.С. Хануни, Е.А. Сергеевой, А.Н. Пахомова, И.Л. Коробовой, А.Н. Колиуха, Д.В. Козлова по научному направлению Н.Ц. Гатаповой. Всем им, особенно А.Н. Пахомову и Д.В. Козлову, а также профессору Т. Кудре (Канада), Н.П. Утробину, А.Н. Утробину, А.И. Леонтьевой, А. А. Фролову, коллективу кафедры «Химическая инженерия (ПАХТ)» ТГТУ автор выражает благодарность за помощь в работе.
Типы и конструкции сушильной аппаратуры для сушки дисперсий и растворов
Основным экспериментальным методом исследования процессов сушки в настоящее время является метод, заключающийся в периодическом отборе проб высушиваемого материала в процессе сушки, то есть материал периодически взвешивается и по полученным экспериментальным точкам строятся кривые убыли влаги. Такой метод весьма прост, но кинетические кривые, получаемые таким образом не всегда информативны, так как могут быть пропущены важные участки на кинетических кривых, которые отражают процессы образования плёнок и корок на поверхности высушиваемого материала. В современных исследованиях по сушке стремятся к непрерывной и одновременной регистрации убыли влаги в материале и изменения температуры. Эти исследования необходимы также для уточнения эффективных кинетических характеристик и изучения новых процессов и материалов. Подходы такого рода в различных областях сушки развиваются В.Ф. Фроловым [144], А.А. Долинским [29], В.И. Коноваловым [53-66] и др.
Данный подход использовался и в настоящей работе, где при помощи электронных весов на магнитной подвеске проводилось непрерывное измерение влажности высушиваемых материалов, а также записывалась температура тонкого слоя на подложках. При этом удалось выявить основные возможные типы кинетических кривых сушки и нагрева, на которых обнаруживаются площадки вблизи температуры мокрого термометра и температуры кипения.
Методология этих работ развивается в школе профессора В.И. Коновалова, в том числе применительно к дисперсиям и растворам - по научному направлению Н.Ц. Гатаповой. Данная работа входит составной частью в это направление.
1.5.2 Существуют различные методы расчёта сушильных аппаратов, которые, в основном, на практике сводятся к обычным балансным расчетам, часто с использованием сушильной диаграммы Рамзина (за рубежом - диаграммы Молье), а время сушки задается из лабораторных или полупромышленных экспериментов. Приведем некоторые особенности расчёта сушилок кипящего слоя с инертным носителем.
Расчёт сушилок с кипящем слоем инертного носителя должен учитывать свойства материала инерта и продукта, а также форму связи влаги в нём. Для высушиваемого материала, содержащего, главным образом, поверхностную влагу (то есть процесс идёт в первом периоде сушки) основным фактором, определяющим интенсивность процесса, является скорость подвода тепла в кипящий слой [8, 85, 91,106,107,112]. Работать рекомендуется при сравнительно высоких скоростях газа, число псевдоожижения может достигать довольно больших значений.
От температуры слоя зависит конечная влажность материала, но выбранная температура не должна превышать предельную температуру термической устойчивости (температура плавления или разложения). Температуру уходящих газов рекомендуется выбирать выше точки росы во избежание конденсации паров влаги на стенках аппарата [8, 21,39,85, 91, 106,107, 112]. Сушку дисперсий на поверхности псевдоожиженного слоя инертных тел можно условно разбить на четыре стадии, происходящих в сушилках непрерывного действия одновременно, а в сушилках периодического действия последовательно: распыление высушиваемого влажного материала, которое может быть внешним или внутрь слоя; процесс наслоения и роста оболочки продукта на инертном носителе (при сушке без инерта - это грануляция); разрушение, скол или шелушение оболочки, образовавшейся на поверхности инертных тел; унос и частично досушка в режиме пневмотранспорта, а часто - далее в циклоне или рукавном фильтре, что может приводить к нарушениям их работы из-за залипання. Физический анализ и математическое описание этих стадий как в отдельности, так и в совокупности является весьма сложной задачей. Практическое значение пока мало из-за большой возникающей суммарной погрешности.
При проведении процесса сушки в кипящем слое инертных тел удаление подавляющей части влаги из высушиваемого материала происходит в нижней части аппарата, где находятся инертные тела. Поэтому расчёт сушилки производят как расчёт аппарата со взвешенным слоем. В настоящее время существует два подхода к решению проблемы расчёта аппаратов с кипящим слоем: первый -на основе теории подобия, который устанавливает условия подобия модели и оригинала, даёт возможность обобщить единичные эксперименты в безразмерных критериях и распространить найденные зависимости на подобные системы; второй - математическое моделирование, которое позволяет на основании физической картины процесса составить систему дифференциальных уравнений, для которых ряд коэффициентов определяется на основании лабораторных исследований [8,32,85,106].
Первый путь физического моделирования кажется простым и поэтому привлекательным для инженерного проектирования. При этом масштабы берутся из условий единственности, когда искомые функции зависят от многих критериев подобия. Однако необходимое для подобия обеспечение равенства даже двух критериев обычно не удается из-за противоречивости требований. Поэтому создание идентичных условий физического моделирования в двух разных аппаратах с псевдоожиженным слоем мало реально. Возможны только частные подходы приближенного и последовательного моделирования. Однако вопрос о методике переноса данных, полученных на установках малого масштаба, в промышленные условия также до конца не решён. Поэтому каждую новую промышленную установку псевдоожиженного слоя приходится проверять сначала на лабораторных, затем на пилотных установках и т.д.
Методы моделирования можно разделить на методы физического моделирования и математического. Если касаться вопросов физического моделирования аппаратов, рассматриваемых в данной работе, то большая циркуляционная сушилка (БЦС) и малая установка кипящего слоя с инертным носителем (УК-СИН) как раз и есть физические модели промышленных объектов и процессов.
Общее число осложняющих явлений, определяющих кинетику типичных промышленных процессов, достигает сотен. Например, для процессов сушки многих материалов (жидкотекучих, дисперсных, пастообразных, формованных, штучных, волокнистых, рулонных) первичной является кинетика сушки одиночной частицы (слоя, нити, профиля), включающая: 1) «элементарные» явления собственно сушки, как процесса внешнего и внутреннего теплоподвода и переноса тепла и влаги: внешний теплоподвод, например, конвекцией, кондукцией и излучением; внутренний теплоподвод, например, при высокочастотной и сверхвысокочастотной сушке; теплопроводность по твердому скелету и поровой влаге с взаимообменом; капиллярный и пленочный перенос жидкости; внешнее и внутреннее испарение жидкости; диффузионный и фильтрационный перенос жидкости и пара; натекание, защемление и расширение воздуха; углубление поверхности или зоны испарения; а также стефановский поток, термодиффузия, эффузия и пр.; всего можно насчитать более 30 явлений этой группы; 2) «осложняющие» явления, сопровождающие промышленные процессы сушки: усадка, коробление, трещинообразование, разрушение; миграция и кристаллизация растворённых веществ; пленко- и коркообразование; внутреннее и поверхностное поро- и пузыреобразование; отверждение, полимеризация, реакции активных групп пропиточных составов или покрытий с материалом, окисление, деструкция и др. химические превращения; "естественное" или принудительное формообразование, термомеханические вытяжка и усадка, перестройка поровой структуры, перестройка аморфной, кристаллической, ориентационной и надмолекулярной структуры вещества и другие деформационно-реологические превращения; явления этой группы еще более многочисленны.
Методы исследования, расчёта, моделирования и инженерной оптимизации сушильных процессов и аппаратов
В процессах и аппаратах для анализа и описания невзаимосвязанных явлений чаще всего используются [59] исходные физические представления и соответствующие им математические модели, например, следующих видов: 1) градиентной природы; 2) экспоненциально-степенной природы; 3) интегрально-релаксационные представления, учитывающие зависимость характеристик переноса от скорости сдвига, непосредственно от времени, влияние предыстории, конечность скорости переноса.
На их основе строятся линейные или нелинейные, дифференциальные или дифференциально-интегральные уравнения полей соответствующих характеристик процессов или обычно более простые по форме разновидности уравнений кинетики процессов. В процессах и аппаратах это, прежде всего, уравнения полей рассчитываемых физических характеристик сплошной среды: температур, концентраций, скоростей, давлений. При этом, если переносные свойства сред (напр., коэффициенты теплопроводности А,, диффузии D, вязкости ц.) являются переменными, то в дифференциальных уравнениях соответствующих полей «потенциалов переноса» Р(х, у, z, х) градиентам WT, VC, VH будут соответствовать «дивергентные» члены div (к grad 7), div (D grad С), div (ц grad и ). При постоянных переносных коэффициентах - они выносятся за знак производных, и в уравнениях полей вместо дивергентных будут члены с операторами Лапласа V2T, V2C, V2H . В правую часть могут входить также источниковые и дополнительные члены. Общее балансное приращение количества тепла или массы в неподвижных средах выражается частной производной по времени, в движущихся - субстанциональной производной. В результате модели полей такого рода математически оказываются во многом аналогичными, несмотря на их различную физическую сущность.
Единый подход к рассмотрению именно этой группы процессов методами математического анализа и стал основой современной математической теории переноса.
Рассматриваемые поля физических характеристик сплошной среды связаны с фундаментальными физическими полями как с особой формой существования материи, определяющими, в конечном счете - вместе со свойствами микрочастиц, все взаимодействия и свойства материи, не являющейся в действительности сплошной средой: электромагнитными полями (включающими в т.ч. излучение); гравитационными полями (определяющими в т.ч. «свободную» конвекцию); волновыми полями частиц в квантовой физике и химии (обуславливающими, в т.ч. химические взаимодействия).
Для инженерных расчётов широко используются также получаемые на основе тех же первичных градиентных законов переноса интегральные «единые кинетические закономерности» (ЕКЗ) в виде обыкновенных дифференциальных уравнений для скоростей гидравлических, тепловых и диффузионных процессов. Характерно, что эти же ЕКЗ используются в наиболее распространенных граничных условиях 3-го рода для замыкания уравнений полей. В схожем стиле рассматриваются и излучение, и механические процессы. А.Н. Плановским была также выдвинута и осуществлена методологическая идея изложения на базе ЕКЗ также и химических процессов.
Для комплексных технологических процессов, включающих взаимозависимые явления переноса импульса, тепла, вещества и пр., исходные модели могут комбинироваться в многооператорные линейные или нелинейные уравнения и системы уравнений (теория тепло-массообмена, линейная и нелинейная термомеханика необратимых процессов).
Наибольшее распространение в процессах и аппаратах как в России, так и за рубежом для описания таких процессов имеет система уравнений А.В. Лыкова, учитывающая «перекрёстные эффекты» и построенная на базе линейной ТНП «применительно к переносу энергии и вещества в газовых смесях, растворах, дисперсных системах и пористых телах». В частности, для тепло- и массо-переноса при сушке коллоидных капиллярно-пористых тел «для зональной системы расчёта» получается модельная система линейных взаимосвязанных уравнений, каждое из которых включает по три оператора Лапласа: дТ/дт = КиУ2Т+КпУ2Э + Kl3V2p; 50 /дт = K2lV2T+ K22V2Q + K23V2p ; (2.10) dp /дт = K3lV2T + К32У2Є + К33Ч2р. В систему входят 9 термодинамических коэффициентов Ку, которые выражаются алгебраическими соотношениями, в свою очередь включающими 6 «емкостных» и 6 «кинетических» характеристик переноса (коэффициенты тепло-, массо- и баропроводности X, D, ар\ термо- и бароградиентные коэффициенты 8, 8Р; «критерий» фазового превращения є). Поскольку переносные характеристики фактически в процессе сушки всегда изменяются, должны рассчиты 49 ваться средние значения всех этих коэффициентов в пределах зон. Нужно определять также границы зон. Если, кроме временных зон, требуется учитывать координатные зоны, то приходится решать задачи для слоистых тел, составных тел или задачи с подвижной границей. При необходимости учитываются источники и стоки. В аналитических решениях начальные условия по зонам должны определяться функционально как конечные распределения предыдущих зон. В граничные условия дополнительно входят зависимости для внешнего тепло- и массообмена. При наличии химических или деформационно-реологических превращений систему нужно еще соответственно дополнять.
Предложены также другие фундаментальные подходы к описанию и моделированию взаимосвязанных процессов переноса и превращения энергии и вещества, в том числе, в интенсивно развивающейся общей «теории нелинейных процессов». Последние, во многом принципиально новые подходы, приводят в конечном счете к системам нелинейных дифференциальных уравнений с частными производными, интегро-дифференциальным и интегральным уравнениям, а также используют специфический математический аппарат статистической физики, нелинейной термомеханики и пр. Они моделируют многие специфичные, до сих пор неясные или недоступные для описания в пределах «линейных систем» свойства и взаимодействия, важные и уже нашедшие практические приложения в ряде технологических процессов.
Разрабатываются также универсальные методологические подходы к построению математических моделей различных типов исследуемых объектов, «безотносительно к конкретным областям приложений», в т.ч. дискретных, статистических.
Методология математического моделирования процессов сушки и нагрева дисперсий и растворов
На монолитные подложки (фторопласт и алюминий) высушиваемый состав наносили либо при комнатной температуре (Го «20 С), либо при температуре, соответствующей температуре в сушилке (Го«Гс), для чего перед непосредственным нанесением состава на подложку её прогревали до температуры сушки. Таким образом, в одном случае образцы можно назвать «горячими», а в другом - «холодными».
После сушки монолитный образец охлаждали до комнатной температуры и производили опыт по его чистому нагреву при температуре сушки, что позволяло определять коэффициенты теплоотдачи асух для нагрева подложки с высушенным остатком. Это давало возможность имитировать конечную стадию сушки.
Коэффициенты тепло- и массоотдачи аисп ,рисп при "чистом" испарении влаги определяли путём сушки исследуемых веществ на редких сеточных образцах, для которых влиянием структуры сетки на испарение можно пренебречь. Это дало возможность имитировать первый период сушки.
Используемые в экспериментах подложки представляли собой пластины толщиной 2 мм с фрезерованными бортиками с высотой и шириной 0,8 мм - для монолитных образцов; каркас из тонкой медной проволоки с закреплённой на нём подложкой - для сеточных, тканевых, шнуровых подложек. Материал сеточного образца - капрон (нейлон-6), с диаметром нити 0,2 мм, размером ячейки 0,5x0,5 мм, толщиной 0,32 мм. Толщина тканевых подложек была равна 0,75 мм. В большинстве экспериментов использовались «малые» подложки с размер 45x35 мм.
Теоретическая толщина слоя жидкости, удерживаемого на плоской поверхности образцов, определялась по формуле: 5=(2a(l-cos0)/pg)05; и для высушиваемых дисперсий составляла «2,9 мм. Но, благодаря бортикам, толщину наносимых дисперсий удавалось уменьшить до 0,8-1 мм (в зависимости от дозировки).
Для точного нанесения составов на подложки были использованы специальные лопаточки, которые позволяли равномерно наносить пасты, и шприцы -для нанесения жидких дисперсий.
Сами подложки горизонтально крепились пружинами к прямоугольной рамке, которая помещалась непосредственно в рабочую царгу сушилки. Используемая схема крепежа позволяла сохранять требуемое положение образцов во время сушки, а также исключала нежелательные биения образцов в потоке сушильного агента и переливы дисперсий и растворов через их борта.
Принятые по литературным данным [74, 75, 129, 109, 132, 152 и др.], результатам собственных измерений и сопоставительного анализа теплофизиче-ские свойства используемых монолитных подложек представлены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Теплофизические свойства монолитных подложек
Основные экспериментальные исследования выполнялись на большой циркуляционной конвективной сушилке (БЦС) кафедры «Химическая инженерия» ТГТУ, схема которой изображена на рис. 3.2.
Рабочие характеристики сушилки: диапазоны температур сушильного агента от 20 до 200 С; диапазоны скоростей обдувающего воздуха от 1,5 до 11 м/с; размеры рабочей царги БЦС 240x240 мм.
Температурный режим сушилки контролируется при помощи блока регулирования калорифера (поз. 3, рис. 3.2) и пульта управления (поз. 4, рис. 3.2), где находятся приборы, показывающие текущие параметры воздуха в сушилке и состояние отдельных устройств БЦС.
Для исключения выбросов или подсосов атмосферного воздуха через отверстия для рамки и штанги весов и для большей стабильности показаний весов в аппарате установлены два нагнетательных вентилятора (типа Ц 9-57), обеспечивающих требуемую скорость воздуха (до 11 м/с). Измерение скоростей воздуха в рабочей царге БЦС производилось при помощи трубки Пито-Прандтля.
Изменения температуры и убыль веса образца по ходу эксперимента записывались на диаграммную ленту приборов типа КСП-4. Температура измерялась термопарой ХК диаметром 0,15 мм, закрепленной на подложке, и включающейся в работу при опускании рамки с образцом в рабочую царгу сушилки и одновременном замыкании очищаемых ртутных контактов. Убыль веса регистрировалась с помощью специальных весов на магнитной подвеске, первоначально разработанных и освоенных на кафедре В.М. Нечаевым. Калорифер
Электронное демпфирование колебаний позволяет отфильтровать большую часть помех от пульсаций воздуха, а автоматическая компенсация изменения веса позволяет удерживать образец в заданном положении, независимо от изменения веса и условий сушки, что обеспечивает постоянство аэродинамической составляющей, действующей на взвешиваемый образец. Установленные в БЦС два вентилятора настраиваются для работы в режиме примерно нулевого напора в рабочей царге, что оказывается также необходимым для точности взвешивания, и устраняет вредные подсосы или выбросы через рабочую щель царги, открываемую при вводе образца в камеру.
Максимальный вес, удерживаемый электромагнитной компенсационной схемой, составляет 50 - 300 г. Диапазон измеряемого веса: от 3 до 7 г. Чувствительность весов при диапазоне шкалы 5 г составляет 0,01 г. Линейность весов составляет 98,7 %.
По результатам экспериментов на БЦС диаграммные ленты размечались, данные заносились в специальные бланки отчётов, на основании которых затем строились кинетические кривые сушки и нагрева, а также регистрировались результаты визуальных наблюдений и пр.
Большая циркуляционная конвективная сушилка
Как было показано ранее, если зависимость Т(и) задаётся отдельным явным выражением, а источниковые члены удаётся учесть в эквивалентных переносных коэффициентах или в эквивалентных граничных условиях, то взаимосвязанную систему из 2-х или 3-х уравнений с 2-мя или 3-мя операторами Лапласа или дивергентными членами можно трансформировать к системе уравнений теплопроводности и диффузии с одним оператором: дРіІдх=А1Ч2Рі или дРі/дх = а{ di\(kiVPi). (5.1) Здесь для теплопроводности: Р == Т\А = Х/ср; а = ср; к=Х; для диффузии: Р = С (или и); А = D; а = 1; к = D. Температурно-влажностные кривые Т(и) для всех рассмотренных материалов удается выразить однотипными кусочными зависимостями по периодам и зонам, границы которых соответствуют смене лимитирующих явлений в процессе сушки. Участки с монотонным изменением температуры аппроксимируются предложенными зависимостями, годными в широком диапазоне соотношений потоков тепла и влаги. Например, для гиперболической аппроксимации имеем: / ч u + bT bT AT Т(и)= , где ф=- , Ьтбаз =—. (5.2) аил-с т.баз и Здесь граничные коэффициенты а и с находятся по координатам начала и конца зоны, температурный коэффициент Ьт - из модельных физических соображений через относительный наклон ТВЗ ф к диагонали базового графика 6Т. баз в начальной точке.
Для ТВЗ с перегибами при вырождении температурных площадок рекомендуются разработанные двухдуговые аппроксимации [65, 116, 172].
Источниковые члены qv = (єг/с) ди І дх в исходном уравнении теплопроводности определяются механизмом фазового превращения: - в 1-м периоде конвективной сушки обычно є да 0; - во 2-м периоде часто можно принять є да 1, что соответствует поверхностному и объемному испарению; - возможно также кусочно-ступенчатое задание s для более сложного изменения механизма испарения.
Тогда для 1-го периода получаем учитывающие сток тепла на поверхности тела / эквивалентные граничные условия (ГУ) 3-го рода в виде
Здесь аэф учитывает теплоподвод конвекцией и излучением; рисп - коэффициент массоотдачи при поверхностном испарении; ап, Ь„ - коэффициенты уравнения для концентрации насыщенного пара у поверхности Снас(7) = ап+ЬпТ; Cmc= Cmc(Pmc(T(l,x)), где РШС(Т) аппроксимируется уравнением Антуана.
Текущая температура на поверхности тела 7Д7, т) да Гмт в уравнениях (5.3) - (5.4) находится итерациями (1-й итерационный цикл) из баланса #исп аисп\/ с мт ) гтяси гРисп ( нас (/ мт ) с ]» (5-5) где аисп и (Зисп выражаются предложенными критериальными уравнениями (см. 5.7), аппроксимирующими кинетический по своей природе характер испарения в этой области, что ранее не учитывалось. Во 2-м периоде объемный сток тепла войдет в эквивалентную теплоемкость: du, .. „ сэкв = ст + сж и г ТЬт (5 -6) ах Термо- и бароградиентный влагоперенос в уравнении диффузии учитывается эквивалентным коэффициентом диффузии Эф совместно с температур-но-влажностной зависимостью.
Весьма важно, что при используемом «жестком» задании ТВЗ можно без большой погрешности применять грубые оценочные величины )Эф. Теплофизи-ческие же свойства известны или определяются несравненно точнее, чем диф 122 фузионные. Граничные условия массопереноса: - для 1-го периода конвективной сушки это обычные ГУ-3 поверхностного испарения; - для 2-го периода - традиционные «условные» ГУ-3, отнесенные к перепаду фактических и квазиравновесных концентраций влаги на поверхности материала. Численные решения для тепло- и массопереноса, особенно с химическими и деформационными превращениями, на практике также обычно требуют специальных подходов, в том числе из-за разнотипности (в т.ч. «разного тензорного ранга» процессов) уравнений в моделирующих системах. Для вышерас-смотренных процессов это: - нелинейные уравнения в частных производных, - нелинейные обыкновенные дифференциальные уравнения, - интегро-дифференциальные уравнения - системы алгебраических уравнений.
Они необходимы из-за сильного изменения переносных характеристик во времени и по сечению тела, нелинейных граничных условий, источников и стоков, из-за изменения геометрии тела в процессе обработки.
Определяющим в конечном счете является физическая корректность получаемых уравнений переноса, граничных условий и аппроксимаций переносных характеристик и математическая корректность вычислений.
Для инженерных расчётов используются приведённые ранее (см. Гл. 2) аналитические решения уравнений теплопроводности и диффузии для конкретных случаев многослойных тел в форме пластины (цилиндра, шара) с эквивалентными несимметричными ГУ при произвольных начальных условиях (НУ).
В нашем случае было достаточно даже 2-х слоев, хотя при необходимости число слоев может быть произвольным.
Возможно получение аналитических решений для тел конечных размеров и составных; но для тел сложной формы, по-видимому, целесообразнее использовать численные методы.
Счёт ведётся по «достаточно малым» временным интервалам. На 1-м участке принимается фактическое начальное распределение (обычно равномерное или кусочно-ступенчатое). На последующих интервалах за НУ расчётной зоны принимаются конечные распределения предыдущей зоны.
Изменение кинетических, ёмкостных и геометрических характеристик по интервалам принимается кусочно-ступенчатым (пересчёт выполняется из балансных соотношений).
Задаваемая в явном виде взаимосвязь температурных и влажностных полей обеспечивается итеративным счётом (2-й итерационный цикл): в конце каждого «достаточно малого» интервала базовые точки Т-и должны соответствовать ТВЗ, что обеспечивается корректировкой наименее надёжной переносной характеристики (коэффициентов диффузии или внешней массоотдачи). Время счёта одного полного варианта обычно не превышает нескольких минут. Графоаналитической и компьютерной обработкой экспериментальных данных получены все необходимые для расчета кинетические зависимости и те-пло-массопереносные характеристики.
Похожие диссертации на Кинетика процессов сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов
