Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 13
1.1. Способы получения полимерных порошков 13
1.2. Основные закономерности процесса сушки 20
1.3. Аппаратурное оформление процесса сушки порошкообразных материалов 28
Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследований 41
Глава 2. Экспериментальные исследования процесса сушки порошка полиэтилена 43
2.1. Исследование процесса удаления органического растворителя из порошка полиэтилена 45
2.2. Исследование сорбционно-структурных характеристик порошка полиэтилена 56
2.3. Исследование процесса сушки в условиях естественной конвекции. 63
2.4. Исследование кинетики сушки порошка полиэтилена в режиме фильтрующего слоя 68
Выводы 79
Глава 3. Математическое моделирование процесса сушки порошка полиэтилена 80
3.1. Математическая модель процесса удаления остаточного растворителя из порошка полиэтилена 80
3.2. Математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена в режиме фильтрующего слоя 93
Выводы 103
Глава 4. Аппаратурно-технологическое оформление процесса сушки порошка полиэтилена. методика расчета сушилок 104
4.1. Сушилка для сушки порошка в режиме фильтрующего слоя 105
4.2. Вакуумная сушилка с кондуктивным подводом теплоты 112
Выводы 120
Заключение 121
Список литературы 123
- Основные закономерности процесса сушки
- Исследование сорбционно-структурных характеристик порошка полиэтилена
- Математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена в режиме фильтрующего слоя
- Сушилка для сушки порошка в режиме фильтрующего слоя
Введение к работе
Актуальность темы исследования:
Полиэтилен - один из многотоннажных термопластов. Он находит широкое применение в различных отраслях промышленности, транспорта и сельском хозяйстве. Переработка отходов полиэтилена с целью получения тонкодисперсных порошков имеет большое значение не только с позиции охраны окружающей среды, но и с точки зрения сокращения расхода первичных полимеров, поскольку в условиях дефицита сырья полимерные отходы являются мощным сырьевым ресурсом.
В настоящее время имеются отходы полиэтилена низкой плотности, как в твердом виде, так и в виде полимерного геля. Например, в процессе формирования фибриллярной структуры синтетической кожи методом селективной экстракции органическим растворителем образуется гель полиэтилена. Разработана технология выделения полимерной фазы в виде тонкодисперсного порошка из гелей полиолефинов путем упруго-деформационного измельчения полимерного геля. Гель полиэтилена перерабатывается с помощью аппарата шнекового типа.
Получаемые по этой технологии порошки могут быть использованы не только как наполнители в композиционных материалах, но и как сорбенты нефтепродуктов. Полученный порошок не уступает таким порошкообразным сорбентам как Turbo-Jet (Франция), Peat-Sorb (Канада), Эколан (Россия), СибСорбент-1 (Россия).
Образующийся в шнековом аппарате порошок полиэтилена насыщен органическим растворителем. Поэтому разработка эффективного и экологически безопасного способа сушки полимерного порошка от органического растворителя является актуальной научно-технической задачей.
Научно обоснованный выбор способа сушки полимерного порошка от органического растворителя и режимных параметров этого процесса предполагает знание ряда характеристик объекта сушки: сорбционно-структурных, тепловых, гигротерми-ческих, структурно-механических, технологических. Применение методов математического моделирования позволяет достоверно прогнозировать рациональные конструкционные и технологические параметры при разработке аппаратурно-технологического оформления процесса сушки.
Объект исследования: процесс сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.
Предмет исследования: закономерности процесса сушки, технологические режимы.
Цель работы: разработка рационального способа сушки порошка полиэтилена низкой плотности от органического растворителя (толуола) и создание методики расчета оборудования для его реализации.
Для достижения заявленной цели решались следующие задачи:
экспериментальное исследование процесса удаления органического растворителя из порошка полиэтилена низкой плотности и составление его математического описания;
определение свойств порошка полиэтилена как объекта сушки;
выявление кинетических закономерностей сушки порошка полиэтилена при различных тепловых и гидродинамических режимах;
разработка аппаратурно-технологического оформления процесса сушки полимерного порошка от органического растворителя;
- разработка математической модели процесса сушки полимерного порошка
при конвективном способе подвода теплоты;
- разработка методики расчета сушильных установок для порошка полиэтилена.
Научная новизна:
-
Разработана математическая модель процесса удаления остаточного органического растворителя из порошка полиэтилена в токе водяного пара, позволяющая прогнозировать продолжительность процесса и влагосодержание порошка.
-
Установлены сорбционно-структурные характеристики порошка полиэтилена, полученного методом упруго-деформационного измельчения, и дана его характеристика, как объекта сушки
-
Получены критериальные уравнения для расчёта коэффициентов тепло- и массоотдачи при сушке порошка полиэтилена нагретым воздухом в режиме фильтрующего слоя.
-
Разработана математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена при конвективном способе подвода теплоты, позволяющая прогнозировать рациональные режимно-технологические параметры процесса.
Практическая значимость работы:
-
Предложен двухстадийный процесс сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.
-
Разработана методика расчета оборудования для сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.
3. Выявлены рациональные режимно-технологические параметры процессов
удаления остаточного органического растворителя из порошка полиэтилена в токе
водяного пара и сушки порошка полиэтилена при конвективном подводе теплоты.
4. Предложено аппаратурно-технологическое оформление двухстадийного
процесса сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.
5. Разработано программное обеспечение моделирования и расчета процесса
сушки порошка (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2016613416).
Методология и методы исследования:
Экспериментальные исследования производились на установках лабораторного масштаба. Математическое моделирование процесса сушки порошка полиэтилена от органического растворителя основывалось на классических уравнениях теории сушки. Расчеты, обработку результатов эксперимента и численное решение уравнений производили на ЭВМ. Численная реализация разработанных методик расчета выполнялась с использованием современных программных комплексов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментальных исследований процесса сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.
-
Математические модели процессов удаления остаточного растворителя из порошка полиэтилена, сушки полимерного порошка в режиме фильтрующего слоя.
-
Результаты численного эксперимента по моделированию процесса сушки порошка полиэтилена.
4. Методику расчета оборудования для сушки порошка полиэтилена от органи
ческого растворителя.
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов
диссертационного исследования обоснована корректностью математических
расчетов, основанных на фундаментальных положениях теории сушки, и
использованием методов математического моделирования и сравнительного анализа. Достоверность основных положений и выводов, сформулированных в работе, подтверждена хорошим согласованием расчетных и экспериментальных данных. Основные результаты работы опубликованы в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и прошли апробацию на конференциях различного уровня.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: VI Всероссийская науч.-техн. студен. конференция «Интенсификация тепло- и массообмен-ных процессов в химич. технологии» (Казань, 2010); XXIV Международная науч. конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-25» (Волгоград, 2012); XXXXXXV, XXXXXXVI и XXXXXXVIII Всероссийские науч.-техн. конференции. студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (Ярославль, 2012, 2013, 2015); Международная научн.-практ. конференция «Инновационные энергоресурсосберегающие технологии» (Москва, 2012); Региональная студенческая науч. конференция ДНИ НАУКИ-2013 «Фундаментальные науки - специалисту нового поколения» (Иваново, 2013); Международная научн.-техн. конференция «Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК» (Иваново, 2014); Международная науч.-техн. конференция «Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-27» (Саратов, 2014); IV Междунар. науч.-техн. конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2015), Всероссийская науч. – практ. конференция, посвященной 50-летию г. Нижнекамск (Нижнекамск, 2016).
Личный вклад автора состоит в выборе направлений исследования, постановке конкретных задач, разработке методик экспериментов и их реализации, научном анализе и интерпретации полученных результатов. Изложенные в диссертации результаты отражают самостоятельные исследования автора.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 5 таблиц. Список литературы включает 116 наименований.
Основные закономерности процесса сушки
Одним из процессов, определяющих качество изделий из пластмасс, является глубокая сушка исходных гранулированных полимеров. Рациональная организация процесса сушки и разработка аппаратов для этого процесса требуют исследования внутридиффузионных свойств гранулированных полимерных материалов, анализа сорбционного равновесия и движущей силы процесса. Большое количество полимерных материалов для последующей переработки их в изделия выпускаются в виде гранул размером 0,2 - 4 мм. Высокое содержание влаги в этих исходных полимерах снижает качество изделий из них, а в некоторых случаях даже малое количество ее (около 0,01 %) вызывает деструкцию расплава полимера [24]. Поэтому сушке подвергают полимеры, находящиеся в различных состояниях: растворы и суспензии, пастообразные, мелкодисперсные и гранулированные [25, 26].
Сушка влажных материалов является сложным физико-химическим процессом, включающим перенос влаги и теплоты внутри материала, парообразование, перемещение водяного пара от поверхности через диффузионный пограничный слой в ядро газовой фазы, а также перенос теплоты от поверхности к газовой среде или в обратном направлении через пограничный слой [27 - 30].
При сушке все влажные материалы согласно классификации А.В. Лыкова [28, 31] подразделяют на три группы в зависимости от их коллоидно-физических свойств и, в частности, от способности изменять размеры при удалении влаги. Первую группу образуют коллоидные материалы, которые при удалении влаги значительно сжимаются, но сохраняют эластичные свойства. Вторая группа состоит из капиллярно - пористых материалов, которые при удалении влаги почти не сжимаются и становятся хрупкими. Третья группа состоит из коллоидных капиллярно - пористых материалов, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между первой и второй группами: стенки пор этих материалов эластичны и могут поглощать влагу. На основе анализа структурных и кинетических свойств материалов, составляющих твердую фазу в процессах сушки, адсорбции, экстрагирования, предложена единая для этих процессов классификация твердой фазы, а точнее -классификация систем твердая фаза - распределяемое вещество [26]. Эта классификация является дальнейшим развитием принятой системы деления влажных материалов А.В. Лыкова. Она отражает кинетические особенности массопереноса в отдельных группах материалов, что дает возможность выбрать соответствующее математическое описание процесса [32]. Большое значение при составлении математического описания имеет выбор тех явлений, которые наиболее сильно влияют на общую тенденцию протекания процесса и принятия допущений, позволяющих пренебречь второстепенными явлениями, с целью упрощения модели и сведению к минимуму затрат машинного времени на ее реализацию [33, 34]. В общем случае перенос теплоты и вещества внутри материала описывается системой дифференциальных уравнений [35].
В настоящее время принадлежность материала к тому или иному классу определяют на основе структурно-сорбционных исследований [32].
Традиционные методы исследования структуры имеют свои достоинства, недостатки и соответствующие области применения. Они достаточно полно изложены в литературе [26, 36]. В [37] изложен способ дополнительного исследования структурных особенностей влажных материалов, основанный на анализе зависимости плотности материала от его влагосодержания.
В зависимости от продолжительности сушки все полимеры можно разделить на три группы [26, 32]. К первой группе относятся полимеры, размер частиц которых составляет от десятков до сотен микрометров. Они содержат в основном поверхностную, легко удаляемую влагу. Время сушки подобных материалов измеряется секундами. Вторая группа полимеров содержит кроме поверхностной еще и связанную влагу, удаление которой продолжается несколько минут. Третья группа, наиболее обширная, представлена гранулированными полимерными материалами, размеры частиц которых составляют несколько миллиметров, она характеризуется значительным временем сушки (несколько часов). Это время необходимо для диффузии влаги внутри частиц к их поверхности.
По ряду особенностей протекания процесса массопереноса при сушке, полимеры существенно отличаются от классических капиллярно-пористых дисперсных материалов. Наиболее часто сушка на стадии изготовления полимеров производится после экстрагирования низкомолекулярных соединений в водной среде или после гранулирования. При этом удаляется в основном за короткий промежуток времени (десятки секунд) поверхностная влага в аппаратах с активным гидродинамическим режимом (труба - сушилка, кипящий и фонтанирующий слои, аппараты ВЗП (со встречными закрученными потоками)) при интенсивных режимах тепло- и массопереноса. Внутренняя влага удаляется только частично или остается полностью. Это приводит к неизбежности проведения глубокой сушки гранулята непосредственно перед переработкой его методами, в которых за основу приняты расплавы полимерных материалов. Удаление внутренней влаги занимает несколько часов, и проведение этого процесса в аппаратах интенсивного режима нецелесообразно [32].
Технология производства некоторых полимеров включает стадию сушки от жидкостей, являющихся активными растворителями по отношению к твердой фазе, типичный пример - сушка нитроцеллюлозы от этанола. На примере листовой нитроцеллюлозы рассмотрена возможность применения феноменологического уравнения молекулярной диффузии Фика для описания внутреннего массопереноса при конвективной сушке от этанола, являющегося активным растворителем полимера [38]. Исследованиями показано [25, 26, 39], что при ограниченной растворимости низкомолекулярных веществ в полимерах в большинстве случаев наблюдается не аномальная [26, 40], а нормальная диффузия, при которой перенос влаги подчиняется закону Фика. Наименьшие отклонения от закона Фика отмечаются для полимеров, находящихся в высокоэластичном состоянии. Коэффициент диффузии для таких систем при постоянной температуре зависит только от концентрации [32]. При сушке высоковлажностных дисперсных волокнообразующих полимеров во взвешенном слое (например, поливинилхлорида - ПВХ) факторами, затрудняющими процесс, являются налипание материала на стенки аппарата и комкование. Эти негативные эффекты, связанные с адгезионными характеристиками влажных материалов, были исследованы в работе [41].
В работе [42] рассматривается непрерывный процесс сушки гранул поликапроамида в токе азота при противоточной схеме движения. Согласно имеющимся данным большая часть влаги удерживается в поликапроамиде физико-химическими связями, и процесс сушки лимитирован внутренним массопереносом. Сопоставление коэффициентов массопроводности при экстрагировании и сушке поликапроамида позволяет проследить аналогию порядка значений коэффициента и характера зависимости его от определяющих параметров, что подтверждает единый механизм внутреннего массопереноса -по закону активированной молекулярной диффузии в обоих процессах [43 - 45].
Поскольку сушка является типичным тепло- и массообменным процессом, то ее кинетика будет определяться в первую очередь формой связи влаги с материалом. В зависимости от величины энергии связи влаги (воды) с сухим веществом материала различают (по классификации П.А. Ребиндера [46]) следующие формы:
а) Химическая (ионная и молекулярная) связь. Химически связанная вода может быть выделена из молекулы соединения при помощи химической реакции или прокаливания. В процессе сушки она не удаляется.
б) Физико-химическая (адсорбционная и осмотическая) связь.
в) Физико-механическая связанная связь. Физико-механическая связанная влага называется свободной и может быть удалена даже механическим путем. При исследовании процесса сушки имеют дело с физико-химической и физико механической формами связи влаги с материалом.
При термической сушке влажного материала различают три участка: период прогрева материала, периоды постоянной и падающей скорости сушки [26, 27, 29, 47 - 49] (рис. 1.1).
Исследование сорбционно-структурных характеристик порошка полиэтилена
Под сорбционно-структурными характеристиками материала понимают суммарный объем его пор и кривые распределения объема пор по радиусам [27, 29]. Данные характеристики входят в выражения для коэффициентов внутреннего массопереноса и определяют диффузионное сопротивление, оказываемое пористой структурой материала в процессе сушки [26 - 29, 53, 98, 99].
В работе [27] приведены пять типов петель гистерезиса на кривой сорбции-десорбции. По мнению Дубинина М.М. [107] существенное влияние на форму гистерезисной петли оказывают размер и форма пор в материале.
В структуре материала встречаются следующие виды пор: микропоры, переходные поры и макропоры [26, 27, 29, 101]. Данная классификация основывается на различных видах диффузии воздуха в капиллярах разного размера, а также на разных способах заполнения их влагой.
Зависимость радиуса пор, заполненных по механизму капиллярной конденсации, от выражается формулой Томсона - Кельвина [26 - 29, 99, 102].
В настоящее время известен ряд методов определения пористой структуры материалов: пиктометрический метод, адсорбционный метод, метод статистической обработки микрофотографий, метод ртутной порометрии, фильтрационный метод Б.В. Дерягина, метод электронной микроскопии, рентгеновский метод, метод капиллярной пропитки, метод радиоактивных индикаторов [26, 27, 29, 101, 103, 104]. Наиболее рациональным для исследования внутрипористой структуры материалов как объектов сушки следует считать адсорбционный метод, основанный на обработке экспериментально полученных изотерм сорбции - десорбции. Этот метод даёт возможность оценить не геометрические размеры реальных пор в материале, а особенности строения материала как объекта сушки с учётом видов связи влаги с материалом, влияние изменения пористой структуры материала на механизм массопереноса [27, 29].
По изотермам сорбции и десорбции можно рассчитать эффективный радиус пор и общий объем пор в материале, получить кривую распределения объема пор по радиусу, а по изотермам, представленным в координатах уравнения М.М. Дубинина - объем микропор. Изотермы сорбции и десорбции позволяют определить формы связи влаги с материалом и условия хранения материала [27, 29].
Изотермы сорбции - десорбции водяного пара представляют собой зависимости равновесного влагосодержания материала Uр от равновесной относительной влажности воздуха в процессе сорбции (или десорбции) при постоянной равновесной температуре [27, 29].
Исследования по определению равновесной влажности были проведены тензиметрическим (статическим) методом для фракции порошка полиэтилена низкой плотности с размером частиц 40 - 100 мкм. Навеска материала помещалась в эксикатор, где создавалась среда с различной относительной влажностью воздуха. Для создания заданного парциального давления водяных паров использовались растворы серной кислоты различной концентрации. Материал выдерживался в эксикаторе до установления равновесия, которое контролировалось периодическим взвешиванием исследуемых навесок. Влагосодержание материала определяется по разности его масс до и после выдерживания в эксикаторе.
Суммарный удельный объем микропор найден с помощью преобразованного уравнения Дубинина [27]: где Up - равновесное влагосодержание материала; Vмикр - объем микропор; ж -плотность жидкости; В - константа, характеризующая абсорбент; -коэффициент аффинности; Т - температура; - относительная влажность воздуха.
Полученные в опытах данные представлены на рис. 2.13. В области малых значений изотермы выпуклостью обращены к оси равновесного влагосодержания материала, что характерно для мономолекулярной адсорбции. При значениях 0,9 имеет место крутой подъём вверх участка изотерм, обращенного выпуклостью к оси относительной влажности воздуха, что характерно для области капиллярной конденсации в переходных порах.
Изотерма, построенная в координатах ln Up и lg(1/), имеет вид прямой линии (рис. 2.14), отсекающей на оси отрезок, по которому можно определить влагосодержание материала, соответствующее заполнению микропор.
Суммарный удельный объем микропор рассчитан по формуле: Vмикр=Uмикр/pж. (2.3)
Значение Имикр определено по графику: In Uмикр = -5. Суммарный удельный объем микропор для исследованного образца порошка полиэтилена, полученного методом упруго-деформационного измельчения полимерного геля, составил: Умикр = е-5/1000 = 6,7410-6 м3/кг. (2.4)
По экспериментальной изотерме десорбции получены интегральная и дифференциальная кривые распределения объема переходных пор по радиусам (рис. 2.15 и 2.16). Максимальный радиус капилляров, содержащих при данной относительной влажности воздуха конденсированную влагу, рассчитан по формуле Томсона - Кельвина [27, 29]. Суммарный удельный объем пор, заполненных жидкостью при соответствующем равновесном влагосодержании ир, определен по выражению:
По влагосодержанию материала Up при относительной влажности = 1 при десорбции (рис. 2.13) определен суммарный удельный объем микропор и переходных пор:
Анализ полученных результатов позволяет охарактеризовать порошок полиэтилена как переходнопористый материал с присутствием существенного количества микропор.
Определение равновесных влагосодержаний образцов полимерных материалов при повышенных температурах связано со значительными трудностями. Для расчетного определения этих зависимостей можно рекомендовать метод Пасса [105], который заключается в следующем.
На экспериментальной изотерме десорбции отмечают ряд точек и соответствующие им равновесные влагосодержание Uр1, Uр2, Uр3, …, Uрn и і, 2, з, …, п. По температуре, при которой построена опытная изотерма, и значениям і, 2, з, …, п находят температуру точки росы для всех значений Uр, т.е. tтр1, tтр2, …, V. Затем определяют между температурой воздуха и температурой точки росы для всех значений Uр: где tо - температура построения изотермы; tтрi - температура точки росы при i-ом значении Uр.
Каждому значению Uр соответствует значение і, не зависящее от температуры. Для построения изотермы при новой температуре воздуха t находят температуру точки росы:
Для построения изотермы, например, при новой температуре t = 60 оС, при расчете по методу Пасса сначала определяем температуру точки росы для всех значений Uр по i-d диаграмме, затем по формуле (2.8) находим і, температуру точки росы по формуле (2.9) и относительную влажность воздуха по формуле (2.10). При опытном построении изотермы десорбции порошка полиэтилена при tо = 20 оС и = 0,024 равновесное влагосодержание Uр = 0,0066 кг вл/кг а.с.м., а tтр = - 25 оС. При t = 60 оС и Uр = 0,0066 кг вл/кг а.с.м. уже будет соответствовать другая относительная влажность воздуха, которая определяется из i: i = tо - tтр = 45 оС = 60 - tтр, откуда tтр = 60 - 45 = 15 оС.
Математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена в режиме фильтрующего слоя
После стадии отгонки растворителя в токе водяного пара материал содержит до 20% влаги. Влагосодержание полимерного порошка не должно превышать 0,2 - 0,3 %. Сушка тонкодисперсного материала в режиме фильтрующего слоя позволяет снизить до минимума пылеунос. Тем самым сокращаются капитальные и эксплуатационные затраты на систему пылеулавливания.
С целью прогнозирования рациональных режимно - технологических параметров процесса и его продолжительности, разработана математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена в режиме фильтрующего слоя. Разработанная математическая модель процесса включает в себя уравнения материального баланса по влаге для материала и сушильного агента, уравнения теплового баланса по газовой и твердой фазам в дифференциальной форме, позволяющие рассчитать влажность и температуру порошка, влагосодержание и температуру сушильного агента [116].
При составлении математического описания процесса принимались следующие допущения: газовая фаза движется в режиме идеального вытеснения; параметры материала и газа по поперечному сечению аппарата постоянны; форму частиц материала принимаем шарообразной.
При пропускании потока сушильного агента через слой неподвижного зернистого материала процесс сушки протекает в нестационарном режиме. Для составления математического описания внутри слоя на высоте z выделяем элементарный объем dV=Sdz и записываем уравнения материального и теплового баланса.
Для перехода от системы исходных дифференциальных уравнений к расчетным конечно разностным соотношениям применим метод баланса. Этот метод позволяет получить консервативные разностные схемы, которые удовлетворяют законам сохранения вещества и энергии. Для этого запишем балансовые уравнения для слоя материала толщиной z (рис. 3.16).
Первое слагаемое левой части характеризует поступление влаги с газовым потоком из нижележащего п-1 слоя. Второе слагаемое соответствует потоку влаги, испаряющейся с поверхности частиц материала. Третье слагаемое - это вынос влаги газовым потоком из n-го слоя. Правая часть уравнения по физическому смыслу - это скорость накопления (убыли) влаги в п слое. В этом уравнении Хп - влагосодержание в текущий момент времени; Хп - через время Ах. Перепишем уравнение (3.38) в виде
Расчетные уравнения (3.42), (3.52), (3.53), (3.54) применяются последовательно для каждого слоя материала и для каждого временного слоя. Алгоритм расчета реализован средствами пакета Mathcad.
Для проверки применимости и адекватности предложенной математической модели процесса сушки порошка полиэтилена в режиме фильтрующего слоя были взяты результаты экспериментов, представленные в разделе [2.4], для высоты слоя Нсл = 0,7 м. При расчетах в качестве исходных данных принимались следующие параметры: диаметр аппарата dап = 0,064 м; масса сухого порошка тп = 0,048 кг; давление в аппарате: Рап = 1 атм; влагосо держание воздуха хв = 0,01 кг вл/кг; удельная теплоемкость полиэтилена: сп = 1739 Дж/(кгК); плотность полиэтилена п = 930 кг/ м3; теплоемкость воздуха св = 1000 Дж/(кгК). На рисунке 3.17 показаны зависимости изменения влагосодержания полимерного порошка от времени процесса при различной температуре сушильного агента (воздуха). На этом рисунке сплошные линии отображают результаты расчетов по предложенной математической модели (уравнения 3.32 - 3.34, 3.35), а точки соответствуют экспериментальным данным. Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными показало их хорошее соответствие. Средняя относительная ошибка не превышает 8,5 %.
На рис. 3.18 приведена зависимость длительности сушки для порошка полиэтилена с начальной влажностью 20% от температуры сушильного агента.
Как и следовало ожидать, с увеличением температуры воздуха продолжительность процесса уменьшается и при температуре 100 оС составляет 2100 с. Применение сушильного агента с температурой выше 100 оС нежелательно вследствие возможного слипания частиц порошка.
На рис. 3.19 - 3.21 приведены некоторые результаты расчетов при начальной температуре воздуха 100 оС и среднем диаметре частиц 0,3 мм.
График рисунка 3.19 иллюстрирует характер изменения температуры воздуха на выходе из слоя во времени процесса. На рис. 3.20 и 3.21 приведены профили температуры и влагосодержания материала по высоте слоя в различные моменты времени, иллюстрирующие продвижение фронта испарения. Протяженность зоны интенсивного тепломассообмена соответствует приблизительно 0,2 общей высоты слоя материала. Ниже этой зоны расположен слой сухого материала, прогретого почти до температуры сушильного агента, выше слой влажного материала.
После окончания процесса сушки следует стадия охлаждения материала атмосферным воздухом. Расчет этой стадии также выполнен на базе приведенной выше математической модели. Рис. 3.22 и 3.23 иллюстрируют изменение температуры воздуха на выходе из аппарата и профили температуры материала по высоте слоя в различные моменты времени.
Предложенная математическая модель отражает наиболее важные особенности моделируемого процесса и позволяет расчетным путем прогнозировать его рациональные параметры.
Сушилка для сушки порошка в режиме фильтрующего слоя
Сушилка для сушки порошка в режиме фильтрующего слоя показана на рис. 4.2.
Целью расчета сушилки является определение расхода воздуха и времени обработки.
При расчете сушилки в качестве исходных данных задаются следующие параметры:
1. начальная и конечная влажность материала Uн и Uкон, кг вл/кг а.с.м.;
2. масса порошка полимера в слое тп, кг;
3. средний диаметр частиц dч, м;
4. давление в аппарате Рап, Па;
5. температура сушильного агента tг, оС;
6. насыпная плотность порошка насып, кг/м3;
7. плотность частиц порошка ч, кг/м3.
Проводится анализ полученных результатов. При увеличении температуры сушильного агента уменьшается время сушки. Повышение температуры воздуха свыше 90 оС нецелесообразно, так как наблюдается размягчение и слипание полимерных частиц. Если полученные результаты не удовлетворяют проектировщика, то проводится корректировка проектных параметров и расчет повторяется с пункта 1.
Алгоритм расчета реализован средствами пакета MATHCAD. Влияние параметров процесса: диаметра аппарата, размера частиц порошка, относительной скорости воздуха на расход воздуха и время процесса сушки приведены на рис. 4.4 - 4.6. На основании методики, предложенной выше, выполнен численный эксперимент для производительности 50 кг по сухому материалу с 20% содержанием влаги.
Анализ графиков показывает, что с увеличением рабочей скорости воздуха, диаметра аппарата и размера частиц порошка продолжительность процесса уменьшается, массовый расход воздуха возрастает.