Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и задача исследования 8
1.1. Классификации материалов как объектов сушки 8
1.2. Взаимное влияние физико-механических характеристик материала. Интегральные аутогезионные характеристики 16
1.3. Обоснование выбора аппаратов фонтанирующего слоя с дополнительным подводом теплоносителя и дисковой вихревой камеры с дисмембратором для сушки материалов с повышенными аутогезионными свойствами 27
Глава 2. Теоретические предпосылки 41
2.1. Аналитическое исследование гидродинамики вихревой камеры с дисмембратором и разработка математической модели 41
2.2. Метод определения и расчет влажности материала при сушке в дисковой вихревой камере с дисмембратором 52
2.3. Исследование гидродинамики в аппарате фонтанирующего слоя с хордальными вводами и разработка имитационной модели 58
2.4. Определение интегрального коэффициента аутогезии с использованием коэффициента сохранения формы 70
Глава 3. Экспериментальные исследования 79
3.1. Описание экспериментальной установки с дисковой вихревой камерой, оборудованной дисмембратором 79
3.2. Выбор и характеристика материалов, высушиваемых в вихревом аппарате с дисмембратором 84
3.3. Экспериментальное получение С-кривых отклика в штифтовой зоне дисковой вихревой камеры с дисмембратором 90
3.4. Экспериментальные исследование гидродинамики пристеночной зоны вихревой камеры 98
3.4. Экспериментальные исследование гидродинамики пристеночной зоны вихревой камеры 98
3.5. Исследование процесса сушки материала в дисковой вихревой камере с дисмембратором 108
3.6. Описание экспериментальной установки с аппаратом фонтанирующего слоя с дополнительным подводом теплоносителя 116
3.7. Экспериментальные исследования аппарата фонтанирующего слоя и проверка адекватности имитационной модели 121
Глава 4. Инженерный расчет промышленных аппаратов для сушки материалов с повышенными аутогезионными свойствами 129
4.1. Расчет вихревого дискового аппарата с измельчением материала в дисмембраторе 129
4.2. Расчет сушилки на базе аппарата фонтанирующего слоя с дополнительным подводом теплоносителя 138
Основные результаты и выводы 141
Принятые обозначения 143
Литература 145
Приложения 153
- Взаимное влияние физико-механических характеристик материала. Интегральные аутогезионные характеристики
- Метод определения и расчет влажности материала при сушке в дисковой вихревой камере с дисмембратором
- Выбор и характеристика материалов, высушиваемых в вихревом аппарате с дисмембратором
- Расчет сушилки на базе аппарата фонтанирующего слоя с дополнительным подводом теплоносителя
Введение к работе
Современные экономические условия, рост стоимости энергоресурсов и сырья создают необходимость создания новых аппаратов с активной гидродинамикой и рационального использования существующих типовых аппаратов. В связи с этим, весьма актуальной задачей является разработка оптимального аппаратурно-технологического оформления и расчета процесса сушки, как самого распространенного и самого энергоемкого технологического процесса промышленных производств. Самостоятельной важной задачей является сушка в активных гидродинамических режимах консистентных и сильно слипающихся материалов с повышенными аутогезионными свойствами, к которым относятся многие продукты химических производств, осадки сточных вод, а также большинство продуктов микробиологической промышленности.
Цель работы заключалась в разработке на основе теоретических и экспериментальных исследований математических моделей и рациональных конструкций вихревых аппаратов с активной гидродинамикой для обезвоживания материалов с высокими аутогезионными свойствами, а также уточнения области их применения.
Для достижения указанной цели был выполнен анализ аутогезионных характеристик материалов и разработана классификация материалов по интегральным аутогезионным характеристикам. В основу классификации положена способность материала сохранять форму. Предложена методика численного определения коэффициента аутогезии.
На базе существующих исследований было выбрано оптимальное аппаратурно-технологическое оформление процесса сушки материалов с повышенными аутогезионными свойствами: вихревая камера дискового типа со встроенным дисмембратором. Данная технология применима для всех консистентных материалов за исключением материалов, обладающих
тиксотропными свойствами. Эти материалы выделены в отдельную группу. Для этой группы материалов в качестве оптимального аппаратурно-технологического оформления процесса рекомендуется аппарат фонтанирующего слоя с дополнительными хордальными подводами теплоносителя.
В рамках аналитического исследования указанных технологий была разработана математическая модель дисковой вихревой сушилки с дисмембратором. Выделено три характерные зоны в вихревой камере дискового типа со встроенным дисмембратором: штифтовая, пристеночная и зона выноса. Штифтовая зона аппарата может быть описана как ряд последовательно соединенных ячеек идеального смешения. Для пристеночной зоны принята модель, которая состоит из последовательно-параллельно соединенных ячейки идеального смешение и ячейки идеального вытеснения. Данная модель дополняется учетом рециркуляционного потока и проскока в зоне выноса. Параметры модели были найдены на основании результатов экспериментальных исследований.
Проведено исследование кинетики сушки в вихревой камере дискового типа со встроенным дисмембратором. Отмечено, что для штифтовой зоны аппарата, за счет постоянного «вскрытия» новых поверхностей, сушка протекает в основном в первом периоде. Предложены выражения для расчета скорости сушки и влажности материала после штифтовой зоны. Для рассчета влажности материала после пристеночной зоны рекомендовано использовать известное уравнение для кинетики сушки. Температуру материала при сушке в пристеночном слое рекомендовано рассчитывать на основе полученных зависимостей.
Выполнен анализ структуры потоков в аппарате фонтанирующего слоя с использованием метода имитационного моделирования. Рассматриваемая конструкция аппарата отличается от классической конструкции наличием
трех дополнительных подводов теплоносителя, расположенных в конической части аппарата с хордальностью 0,6. Данные хордальные вводы позволяют интенсифицировать потоки в периферийной зоне, и тем самым решить проблему образования комков в нисходящих потоках фонтана. В аппарате фонтанирующего слоя с хордальными вводами выделено три основные зоны: ядро фонтана, включающее «шапку» фонтана; зона действия хордальных вводов; периферийная зона. Ядро фонтана и зона действия хордальных вводов соответствует ячейке идеального смешения, периферийная зона соответствует ячейке идеального вытеснения. Данная модель дополняется учетом проскока, образующегося в области действия хордальных вводов, и рециклом материала, не попавшего в переливное отверстие. Экспериментальные исследования по гидродинамике фонтанирующего слоя, выполненные на разработанном в рамках данной работы оборудовании, показали хорошую согласованность полученных данных с результатом работы имитационной модели. Анализ модели позволил выявить два параметра, оказывающие сильное влияние на вид кривой отклика. Первым параметром является количество материала, попадающее в поток рецикла. Чем больше доля данного материала, тем более затяжным будет нисходящий «хвост» С-кривой и тем менее равномерным будет обработка материала в аппарате. Вторым параметром является доля материала, попадающая в ячейку идеального вытеснения в периферийной зоне. Этот материал дает явно выраженный второй пик кривой отклика. В случае когда доля ячейки вытеснения невелика, С-кривая убывает без столь явных экстремумов. Уменьшением доли ячейки идеального вытеснения можно добиться еще большей интенсификации работы периферийной зоны, за счет ввода дополнительного теплоносителя по всему периметру периферийной зоны или уменьшения геометрических размеров конусной части аппарата.
На базе проведенных исследований подана заявка на патент новой конструкции аппарата фонтанирующего слоя: «Аппарат фонтанирующего слоя со встречным дополнительным подводом теплоносителя».
В рамках исследования предложены инженерные методы расчета промышленных аппаратов, рекомендуемых в качестве типовых для материалов с повышенными аутогезионными свойствами. Разработаны и реализованы программы инженерных расчетов.
Результаты работы приняты к реализации рядом предприятий химической и смежных с ней отраслей промышленности («РЕАТЭКС», «ПОЛНОХИМ» и др.).
Взаимное влияние физико-механических характеристик материала. Интегральные аутогезионные характеристики
Любой влажный материал, подлежащий сушке, характеризуется комплексом физико-механических характеристик, в том числе: - аутогезионные характеристики; - насыпной вес; - плотность материала; - форма частиц; - угол естественного откоса; - порозность; - склонность к вибрационному уплотнению; - угол обрушения; - диспергируемость; - величина электростатического заряда и др. Исследованиям этих физико-механических характеристик дисперсных материалов посвящено значительное число работ. Экспериментальные значения этих характеристик для дисперсных материалов отличаются большим разнообразием данных, разбросом значений и различной воспроизводимостью результатов, обусловленной особенностью экспериментальной техники. Кроме того, сами наборы таких характеристик ориентированы на оценку поведения дисперсных материалов в том или ином технологическом аппарате — они устанавливают в основном соответствие физико-механических характеристик высушиваемого материала тем условиям, которые создаются в сушилке. Связь различных физико-механических характеристик материалов с его аутогезионными свойствами возможно определить только на эмпирическом уровне. При наличии большого числа различных характеристик и сложном характере связи их с аутогезионными характеристиками, задача классификации материалов по аутогезионным характеристикам становится громоздкой и трудновыполнимой. Первичная классификация дисперсных материалов по аутогезионным свойствам в основу которой положено свойство сыпучести представлена в работе [81]. В качестве основных характеристик материала приняты характеристики, перечисленные в начале данной главы. Каждая из представленных характеристик ранжирована от 1 до 25 в зависимости от влияния на сыпучесть материала. Характеристика наиболее благоприятная для сыпучести материала имеет значение 25.
Согласно приведенным классификационным таблицам (табл. 5-10), материал обладающий идеальной сыпучестью обладает суммой баллов равной 400. Однако, на практике такой материал встретить трудно: даже сухой песок имеет сумму балов порядка 350-360. Для определения балла по свойству необходимо найти свойство в табл. 5-10 и посмотреть бал указанный в первом столбце таблицы. Сумма всех полученных баллов характеризует положение материала в классификации. Следует учесть, что в некоторых случаях, наличие характеристики, отрицательно влияющей на процесс сыпучести, может привести к нулевой сыпучести материала. Примером этого может служить поливинилхлорид с величиной электростатического заряда более 7 пк/г — материал имеет достаточно большое количество баллов по данной классификации, однако на практике его истечение из аппарата невозможно. Именно вопрос критических значений не позволяет утверждать, что данная классификация удобна для оценки материалов по аутогезионным свойствам. Очевидно, что для перехода от данной оценочной классификации к аппаратам, необходимы специальные экспериментальные исследования. Примером сложной взаимосвязи физико-механических характеристик материала также может служить ориентированный граф причинных связей, полученный в работе [81] для ПВХ (рис. 1). Приведенный граф получен при попытке выделить группу физико-механических характеристик влажного дисперсного ПВХ для оценки сыпучести этого материала. При определении взаимного влияния характеристик материала использовалась диаграммная техника причинного анализа. Результатом анализа данного графа стало выделения трех факторов как основы классификации: насыпной вес (Хз), напряжение сдвига (Xs), коэффициент внутреннего трения (Х8). Особо была отмечена взаимообусловленность трех характеристик: угол естественного откоса (Х2), порозность (Х7) и коэффициент внутреннего трения (Xs). Данные характеристики не могут рассматриваться изолированно. На представленном графе аутогезионные характеристики материала (Х9) являются по сути стоковым элементом, а следовательно они определяют влияние всех остальных характеристик. Становится очевидным, что оценка аутогезионной характеристики материала с помощью физико-механических характеристик является бесперспективной.
Второе направление, связанное с попыткой оценить аутогезионные характеристики материала — оценка действующих сил [67]. На оценку величины аутогезионной характеристики материала существенное влияние оказывают структурно-механические свойства контактирующих поверхностей: шероховатость и возможность деформации в зоне контакта, влияющих на площадь контакта частиц; пористость материала; наличие зазора между соприкасающимися частицами; радиусы кривизны контактирующих частиц; форма обрабатываемых частиц и т.д. Все эти факторы необходимо учитывать при расчете данной характеристики. Однако простых и надежных методов количественной оценки аутогезионного взаимодействия частиц на данный момент не существует. Проведенный анализ существующих подходов к классификации аутогезионных характеристик показывает, что успешное решение данного вопроса невозможно без разработки метода интегральной численной оценки аутогезионных характеристик. Такой метод был нами разработан, его описание представлено в следующей главе.
Метод определения и расчет влажности материала при сушке в дисковой вихревой камере с дисмембратором
Решение задачи кинетики сушки материала при одновременном его измельчении связано с решением системы дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса, дополненных зависимостями, определяющими кинетику измельчения исходных частиц [46]. Решение данной задачи является сложным вследствие существенной нелинейности [25, 40, 55], а при переменном значении характерного размера частиц при процессе дробления задача еще более усложняется. Однако то, что измельчение происходит под действием внешних сил и не зависит от параметров процесса сушки, позволяет расширить область применения некоторых упрощающих допущений, особенно по отношению к материалам с повышенными аутогезионными свойствами.
Как следует из уравнения массопереноса при сушке, интенсивность переноса влаги в материале определяется влиянием и взаимодействием полей влажности, температуры и давления. Однако, в процессе непрерывного дробления, когда внутренние слои материала оказываются на поверхности, градиенты влажности и температуры принимают хаотическое направление, и коэффициенты термовлагопроводности «„ и диффузии «v становятся независимыми от влажности и примерно равны:
При сушке в штифтовой зоне, где общее время мало, можно ожидать что условие (21) соблюдается в большинстве случаев. Рост удельной поверхности материала, который происходит за счет вскрытия внутренних слоев с более высокой влажностью, приводит к увеличению первого периода сушки. При сушке материалов с повышенными аутогезионными свойствами период прогрева мал и затраты энергии на разрушение минимальны, поэтому можно утверждать что средняя температура поверхности частицы близка к температуре мокрого термометра. Для данного случая скорость сушки будет определяться скоростью подвода тепла.
Количество тепла в расчете на единицу сухого веса можно определить, используя следующие дифференциальные выражения: где гу — теплота, необходимая для расрушения связи влаги с материалом и ее испарения; Syd(r) — удельная поверхность материала, q — количество тепла, затраченное на сушку; Т„ — температура поверхности частицы. Дополним полученные уравнения уравнением теплового баланса на временном отрезке от 0 до т : где to и t — начальная и текущая температуры газа. Решая совместно уравнения (22) и (23), получаем уравнение скорости сушки: Кроме сушки в условиях вынужденной конвекции, удаление влаги в материале происходит за счет мгновенного испарения с новообразованных поверхностей в объем пограничного слоя, образующегося в момент разлома. Учитывая, что парциальное давление паров в теплоносителе много меньше давления в слое, можно принять, что их плотность зависит только от влажности, а высота пограничного слоя пропорциональна размеру частиц. В этом случае уравнение снижения влагосодержания единицы веса имеет вид: где кх - коэффициент пропорциональности начальной влажности и плотности материала в пристеночном слое; к2 — коэффициент пропорциональности высоты пограничного слоя и размера частиц; к3 — коэффициент, учитывающий замедление испарения по мере роста высоты слоя. Данное уравнение позволяет оценить долю влаги, удаляемой с новообразованных поверхностей, даже не смотря на то, что не учитывается изменение плотности паров и высоты слоя. Решение уравнений (24) и (25) зависит от функции SyAT)=f(T) . Так как эквивалентный диаметр частицы в некоторый момент времени на некотором удалении от центра штифтовой зоны является величиной, зависящей от множества факторов, целесообразно заменить данное значение некоторым упрощением.
Очевидно, что эквивалентный диаметр зависит от количества столкновений с штифтами, поэтому можно предположить, что для большинства случаев эквивалентный диаметр можно принять как: где В — постоянная, определяемая экспериментально и характеризующая изменение определяющего размера частицы вдоль радиуса. Очевидно, далеко не для всех материалов будет сохраняться данная зависимость эквивалентного диаметра от радиуса диска. Так как получить аналитически общий вид зависимости 6=f{R) не представляется возможным, целесообразно определять эту зависимость экспериментально. С учетом (26) удельная поверхность материала будет равна—расходная концентрация, с — теплоемкость газа, Возможен случай, при котором температура мокрого термометра не равна температуре на поверхности частицы, тогда сушка проходит в периоде падающей скорости. В этом случае расчет температуры и влажности материала производится на основании уравнения теплопроводности влажной шарообразной частицы в граничных условиях третьего рода при интенсивности испарения, равной: где к - коэффициент сушки, определяемый экспериментально. Средняя безразмерная температура частицы равна
Выбор и характеристика материалов, высушиваемых в вихревом аппарате с дисмембратором
Культура плесневых грибов (КПГ) и биошрот были выбраны как представители коллоидных, капиллярно-пористых материалов, вся влага которых может быть удалена до требуемой остаточной влажности в первом периоде сушки. Биошрот, представляющий собой культуру плесневых грибов, из которого удалена биологически активная часть, использовался как термостабильный материал, поскольку допустимая температура нагрева КПГ ограничивается 37С.
Эти материалы представляют собой крупнокусковые (7-20 мм) или кашеобразные продукты с явно выраженными аутогезионными свойствами, не склонные к налипанию на стенки: растворитель - вода с примесью растворимых белков. Требуемая конечная влажность 10-12%. На рис. 20а приведены кривые сушки молотого (3=0,6 мм) и исходного биошрота. Из рис. 20а видно, что размер частиц практически не влияет на положение критической точки. Объясняется это, вероятно тем, что КПГ и биошрот — широкопористые продукты, размер пор которых сравним с их диаметром. На рис. 21 приведена зависимость теплоты десорбции влаги из этих продуктов, из которой следует, что до влагосодержания равного 6% вся влага удерживается механически (иммобилизованная влага). При влагосодержании менее 8% КПГ подвергается деструкции, вероятно вследствие обнажения активных центров сорбции. Следует также отметить, что процесс десорбции сопровождается усадкой материала, что приводит к уменьшению влагоемкости и увеличению плотности. На рис. 22 приведены термограммы сушки этих продуктов. Видно, что температура материала быстро повышается до температуры мокрого термометра, а до критической влажности равной 6%, остается постоянной.
Ещё одним представителем материалов с повышенными аутогезионными характеристиками является перхлорвиниловая смола. Продукт представляет собой белые гранулы неправильной формы. При повышенной температуре способность к комкованию частиц перхлорвиниловой смолы усиливается. Продукт характерен тем, что для разрушения частиц, образующих агломераты, требуется или приложить усилия, которые не могут быть получены при дроблении свободным ударом, или применить метод дробления срезом, поскольку ПХВС относится к «пластичным» материалам. Кривая сушки ПХВС представлена на рис. 206. Следует отметить, что свойства влажной ПХВС существенно зависят от условий и длительности хранения.
Кроме указанных материалов часть экспериментов проводилась с аминопластом, адипинатом пилеразина, изоникотиновой кислотой, бобовым шротом и свекловичным жомом, солодковыми ростками, хлебными крошками, ВХВД-40, винифлексом. Основные свойства перечисленных продуктов приведены в табл. 12. Все эти материалы в той или иной степени обладают аутогезионными свойствами.
Гидродинамическая модель аппарата для сушки с одновременным измельчением по материалу определялась снятием С-кривых раздельно для штифтовой и пристеночной зон аппарата. Кривая отклика определялись следующим образом: установка выводилась на заданный режим, и в некоторый момент в центр штифтовой зоны мгновенно вбрасывалось некоторое известное количество метки. На выходе из системы через равные промежутки времени отбирались пробы, концентрация индикатора в которых определялась с помощью прибора ФЭК-56М. Индикация материала проводилась путем увлажнения сухого продукта в насыщенном растворе хромпика (К2СГ2О7). Увлажненный материал подсушивался на воздухе примерно до влажности основного и определялось значение концентрации раствора при концентрации индицированного материала. Проверялось также отсутствие показателей неиндицированного материала. При определении концентрации метки на выходе всего аппарата ( совместно с пристеночной зоной) пробы отбирались через 3, 5, 10 секунд на выходе из аппарата. При снятии кривой отклика только для штифтовой зоны проба отбиралась в вертикальный пробоотборник. С помощью него производилось снятие слоя частиц на конце штифтовой зоны. Принималось, что толщина одного слоя постоянная. Период времени (Лгш) при этом определялся как частное от деления длины снятого слоя на среднюю скорость роста столба материала в пробоотборнике.
Проба взвешивалась и вымачивалась в дистиллированной воде. С целью уменьшения количества анализов одноименные пробы смешивались. После выстаивания, в течение 5-8 дней, определялась концентрация индикатора в полученном растворе. Полученные кривые отклика приведены на рис. 23а.
Расчет сушилки на базе аппарата фонтанирующего слоя с дополнительным подводом теплоносителя
1. На основании анализа литературных данных по различным конструкциям аппаратов, используемых для сушки, выбрано аппаратурно-технологическое оформление, которое может быть рекомендовано как типовое для сушки материалов с повышенными аутогезионными свойствами. Предложены две конструкция аппаратов: дисковой вихревой камеры с дисмембатором для материалов с повышенными аутогезионными свойствами и аппарата фонтанирующего слоя дополнительными хордальными вводами теплоносителя для консистенстных материалов, обладающих свойством тиксотропии. 2. Проведены теоретические и экспериментальные исследования гидродинамической модели для сушки в вихревом аппарате дискового типа с дисмембратором, предложенного в качестве типового для материалов с повышенными аутогезионными свойствами. Установлено наличие трех характерных зон: штифтовой, пристеночной и зоны выноса, различающихся по гидродинамической модели, фактической концентрации и условиям сушки.
Проведена оптимизация конструкции дискового вихревого аппарата для исключения зоны застоя, а также с целью расширения области его применения. 3. На основании теоретического и экспериментального исследования гидродинамики дисковой вихревой камеры с дисмембратором получены выражения, определяющие распределение частиц по времени пребывания и среднее время пребывания материала в аппарате. На основании проведенного исследования получены выражения для расчета влажности материала в штифтовой зоне и зоне выноса. 4. Разработана имитационная модель аппарата фонтанирующего слоя с дополнительными хордальными подводами теплоносителя, рекомендуемого в качестве типового для тиксотропных материалов. Предложены два базовых алгоритма, имитирующих работу ячейки идеального смешения и ячейки идеального вытеснения. На основе данных алгоритмов и предложенной гидродинамической модели имитирована работа всего аппарата фонтанирующего слоя с дополнительным хордальным подводом теплоносителя. На базе имитационной модели проведен анализ структуры потоков в аппарате, и предложен ряд оптимизационных мероприятий. 5. Проведено экспериментальное исследование на разработанной лабораторной установке аппарата фонтанирующего слоя с дополнительным подводом теплоносителя. Полученные экспериментальные данные в сочетании с анализом имитационной модели позволили разработать новую конструкцию аппарата фонтанирующего слоя: «Аппарат фонтанирующего слоя со встречным дополнительным подводом теплоносителя». Оформлена заявка на авторское свидетельство. 6. Разработана классификация консистентных материалов по аутогезионным характеристикам и впервые предложен метод количественного определения аутогезионного коэффициента с использованием коэффициента сохранения формы. 7. Предложены инженерные методы расчета промышленных аппаратов, рекомендуемых в качестве типовых для материалов с повышенными аутогезионными свойствами, и выполнена их программная реализация. 8. Полученные результаты работы используются на ряде промышленных предприятий
