Введение к работе
Актуальность. Сушка дисперсных материалов (т.н. ""дисперсий": суспензий, пульп, паст, эмульсий, растворов) на разного рода твердых поверхностях ("подложках") относится к массовым промышленным процессам обезвоживания и термообработки. Это, например: сушка с гранулированием химических, пищевых, фармацевтических, биологических и прочих продуктов (влажный слой на поверхности растущей гранулы или затравки); сушка на инерте; сушка пульп в производстве строительных материалов, бумаг, картонов и другой продукции; лакокрасочные и клеевые покрытия: сушка в «толстом» слое на противнях: сушка «средних» по толщине слоев на транспортирующих лентах: сушка в «среднем» или в «тонком» слое на обогреваемых барабанах: защитные, адгезионные, декоративные покрытия тканей, пленок, бумаги, металлопроката (листов, труб, проволоки и пр.). штучных изделии: обработка тонкослойных покрытий со специальными свойствами (фотокипоматсриалы. магнитные и другие носители информации, люминофоры, лейкопластырь, клеенка); производство многослойных композитных материалов и многое другое.
На практике для таких сушилок и термокамер при инженерном проектировании чаще всего выполняются только балансные расчеты. Режим и время обработки подбираются экспериментальным путем. Иногда удается использовать простейшие эмпирические зависимости для скорости сушки. Более полные расчеты выполняются для некоторых сушилок и материалов пока в основном только в научных работах.
В то же время производительность и экономичность таких сушилок, качество материалов и режим обработки определяются механизмом и кинетикой сушки, причем не только скоростью сушки, но и даже в большей мере - изменением температуры материала. Это связано с сильной температурно-влажностной зависимостью происходящих при сушке и термообработке физико-химических и структурно-реологических превращений в дисперсиях.
Сушка дисперсий на подложках - от текучих жидкостей до твердого сухого продукта - изучена очень слабо. При этом упомянутые "сопутствующие" процессы обычно имеюг определяющее значение.
Поэтому в настоящей работе ставится актуальная в научном и практическом плане задача изучения механизма процесса и моделирования одновременно: температурной и влажностной кинетики, усадки слоя и тепло-диффузионного взаимодействия в высушиваемой дисперсии и подложке.
Работа выполнялась в соответствии и в продолжение Координационного плана АН России по Теоретическим основам химической технологии (тема 2.27.2.8.12 Плана на 1991-1995 гг.) и в соответствии с Планом НИР ТГТУ по Единому заказ-наряду Минобразования РФ (Координационный план «Черноземье» на 1997-2000 г.; тема ЗГ/1997 «Разработка теоретических основ расчета и проектирования оптимальных энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования химических и микробиологических производств»).
Цель работы. Изучение физического механизма и кинетических особенностей сушки характерных разновидностей дисперсий на типичных вариантах подложек; разработка математического описания кинетики и получение основных соотношений тепло-массопереноса для этих процессов: разработка методов приближенной постановки и аналитических решений задач теплопроводности и диф-
фузии: разработка компьютерных инженерных методов расчета процессов сушки дисперсий на подложках; выработка практических рекомендаций по совершенствованию исследуемых способов сушки и сушильной аппаратуры.
Объекты исследований. Выполнены обширные экспериментальные работы по воздушной конвективной сушке дисперсий и растворов органических и неорганических продуктов на различных материалах. В качестве подложек испольювались алюминиевые и фторопластовые пластины и капроновые сетки. В качестве объектов сушки были взяты типовые водные дисперсии: мясо-костная жидкость, тяжелая кукурузная жидкость (обе с канадских предприятий); коллоиды желатина и крахмала; растворы пищевой соли и сахара
Научная новизна. На основе анализа механизма процессов и обработки полученных экспериментальных данных впервые выделено 5 структурно-кинетических типов дисперсий по наличию и числу (образованию или вырождению) температурных площадок на кинетических кривых сушки, связанных, в свою очередь, со структурированием дисперсий при различных режимах сушки и с соответствующим изменением механизмов переноса. Впервые предложены моделыш-аппроксимационные соотношения для поверхностных критических влагосодержа-ний, определяющих границы периодов и зон сушки, основанные на оценке подвижности и структурирования поверхностного слоя. Получены аналитические решения задач теплопроводности и диффузии для многослойных пластины, цилиндра и шара при произвольных, безградиентных и функционально заданных начальных условиях. Показана возможность и реализовано применение полученных решений для переменных граничных условий, переносных свойств и толщин слоев различных высушиваемых материалов в приближенной интервальной постановке по времени и всем переменным.
Практическая ценность. На базе полученных аналитических решений и корреляций для кинетических характеристик разработана и реализована компьютерная методика инженерных расчетов процессов сушки дисперсий на подложках. Показаны возможности совершенствования сушильных процессов и оборудования для обработки дисперсных систем: для выбора способа теплоподвода, вида, формы, свойств и температуры подложки; для расчета размеров и характеристик сушилок; для расчета вариантов и выбора оптимальных технологических режимов. Материалы работы приняты или предложены для практического использования на предприятиях и в научно-исследовательских организациях химической, пищевой и других отраслей промышленности (Тамбовские АО «Синтез», «Пигмент», «Полимермаш», ОАО «Орбита», ОАО «Мясокомбинат «Тамбовский» и др.).
Апробация работы и публикации. По теме диссертации сделано 2 доклада на международных конференциях и опубликовано 6 печатных работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, выводов, списка литературы из 200 наименований и приложений.
Настоящая работа по сушке дисперсий является законченной самостоятельной составной частью проводимых под руководством профессора В.И.Коновалова комплексных исследований по сушильно-термическим процессам, в том числе диссертационных работ Н.Ц.Гаталовой, Е.Н. Туголукова, А.Г. Двойнина. В.Н. Затоны, С.С. Хануни, Е.А.Сергеевой, А.Н.Шикунова. Всем им, а также профессору Т.Кудре (Канада), В.М.Нечаеву, А.А.Фролову, Ю.А.Брусенцову, коллективу кафедры ПАХТ и другим сотрудникам ТГТУ автор выражает благодарность за помощь в работе.