Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследуемого вопроса и задачи исследования 9
1.1. Характеристики исследуемых материалов 9
1.2. Анализ существующего оборудования для сушки порошкообразных материалов и выбор типа сушилки 10
1.3. Гидродинамика потоков во взвешенном слое и проблема организации активного гидродинамического режима 25
1.4. Современные методы описания тепло- и массопереноса во взвешенном слое 31
1.5.Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи во взвешенном слое 41
1.6. Задачи исследований 44
2. Математическая модель процесса сушки пресс-порошков 46
3. Экспериментальные исследования процесса сушки 57
3.1. Лабораторно- промышленные исследования пресс-порошков как объектов сушки 57
3.2. Исследования процесса сушки пресс-порошков на лабораторном стенде 61
3.3. Исследования гидродинамики сушильного агента 67
3.3.1 Определение области существования взвешенного слоя 67
3.3.2 Исследование полей скоростей ожижающего агента в зоне ОПТ, заполненной вставками
1 З АОпределение тешіофизических параметров пресс-порошков 75
3.4.1 Определение температуропроводности 75
3.4.2 Определение теплоемкости 78
3.4.3. Определение теплопроводности 78
3.4.4. Определение термоградиентного коэффициента 81
3.4.5. Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи 83
4. Инженерный метод расчета комбинированной сушилки 86
4.1 Расчет сушилок 87
4.2 Расчет вспомогательного оборудования 90
5. Практическая реализация разработок 95
Заключение по работе 101
Приложения 102
Список используемой литературы и источников
- Анализ существующего оборудования для сушки порошкообразных материалов и выбор типа сушилки
- Современные методы описания тепло- и массопереноса во взвешенном слое
- Исследования процесса сушки пресс-порошков на лабораторном стенде
- Расчет вспомогательного оборудования
Введение к работе
Сушка влажных материалов - технологический процесс, или точнее -совокупность тепловых процессов переноса тепла и массы. При выборе оптимального режима сушки и рациональной конструкции аппарата, в первую очередь следует обеспечить условия, необходимые для получения требуемых технологических свойств материала. Рациональный способ термообработки и наиболее подходящая конструкция аппарата устанавливаются только для конкретного материала или группы материалов, имеющих сходные физико-химические свойства.
Практически сушильная техника развивается по двум основным направлениям:
- разработка рационального способа сушки и соответствующей конструкции
аппарата для новых технологических производств,
- усовершенствование способов сушки и конструкции сушилок для
действующих производств.
При разработке и внедрении в промышленность многофункциональных
высокоэффективных сушильных аппаратов с активными
гидродинамическими режимами должны быть выполнены два основных условия:
соответствие кинетики сушки балансовым условиям;
соответствие гидродинамических и термодинамических условий процесса сушки изменяющимся состояниям и свойствам материала.
При решении этих задач необходимо выполнить подчас противоречивые условия:
получить наилучшие качественные показатели продукта;
иметь минимальные удельные расходы теплоты и электроэнергии на 1 кг испаряемой влаги или 1 кг готового продукта;
при высокой интенсивности процесса сушки, иметь соответственно минимальные габариты установки и ее небольшую стоимость;
иметь возможность полной автоматизации сушильного агрегата для интенсификации сушки при высоком качестве продукта;
получить обоснованную высокую мощность единичного сушильного агрегата;
добиться оптимального сочетания стоимости высушенного продукта и количества перерабатываемого материала в час.
Выбор способа сушки и аппаратурного оформления не будет полным, если не учесть:
-безопасность процесса с соблюдением требований экологии; -обеспечение технологичности процесса, т.е. организации движения потоков материала и газа в системе, простоты ремонта и обслуживания оборудования, получение продукта с заданной дисперсностью, гранулометрическим составом, плотностью и прочностью частиц, получение не пылящего продукта.
Актуальность проблемы.
Одним из современных методов производства керамических и стеклонаполненных изделий является «сухой» способ. Он основан на формовании изделий из пресс-порошков, представляющих собой многокомпонентные сухие смеси с связующим веществом- 45% водным раствором ПЭГ-115. Наличие связки делает пресс-порошок термолабильным и агригирующимся с широким фракционным составом и представляет собой достаточно сложный объект сушки. В процессе сушки необходимо разрушать агломераты, выдерживать узкий диапазон влагосодержания, проводить сепарацию частиц по крупности (удалять пылевидные частицы), очищать теплоноситель.
В результате анализа известных сушильных агрегатов и проведенных исследований предложен новый комбинированный аппарат с модифицированным псевдоожиженным слоем, который в наилучшей степени позволяет решить поставленные задачи.
Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (код 201- «Производственные технологии») 2001-2004 г.г.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке: -аппарата с модифицированным псевдоожиженным слоем;
процесса сушки в нем различных пресс-порошков (Б-17, Т-1000, Т-4000);
модели тепло- и массобмена в них.
Цель диссертационной работы:
- с использованием математической модели процесса, исследовать и
разработать процесс сушки пресс-порошков из композиционных материалов
с новым связующим. Создать на их основе новое оборудование,
удовлетворяющее требованиям производства керамических и
стеклонаполненных изделий.
-определить способ и режимы сушки пресс-порошков, при которых обеспечивается прессуемость и отсутствие трещин, изломов и т.п. в изделиях после прокаливания, и, в конечном счете, необходимое качество конденсаторов и стеклонаполненных изделий.
разработать математическую модель сушки, позволяющую в результате анализа решений оптимизировать процесс и оборудование, алгоритм и инженерную методику расчета аппарата, обеспечивающего непрерывный, управляемый, высококачественный процесс.
внедрить разработки в промышленность.
Научная новизна.
1. Исследована сушка новых пресс-порошков на основе связующего 45%
водного раствора ПЭГ-115, найдены оптимальные концентрации
содержания связки, при которых прессуемые изделия удовлетворяют всем требованиям ТУ.
Разработаны новый способ и конструкция двухфазной вихревой системы, обеспечивающие различное время обезвоживания частиц: крупных - большее время сушки, мелких - меньшее, за счет организации потоков с помощью вставок, размещенных в камере.
Реализована гидродинамика вихревого потока полидисперсных частиц, позволяющая одновременно с процессом сушки проводить и процесс сепарации частиц.
Разработана установка - комбинированная сушилка, включающая в себя аппарат с активным гидродинамическим режимом, обеспечивающая заданный процесс сушки, пылеотделение и сепарацию.
Найдены неизвестные ранее теплофизические и диффузионные характеристики пресс-порошков.
На основе использования уравнений тепло-и массообмена и данных идентификации разработана математическая модель сушки пресс-порошков.
Практическая ценность работы.
Разработан алгоритм инженерного расчета установки, включая камеру очитки теплоносителя, а также вспомогательное оборудование.
Разработаны, спроектированы, изготовлены и внедрены в электронной промышленности три установки - АОПС-2 для пресс-порошка Б-17, производительностью 70 кг/час; АОПС-3 для пресс-порошка Т-1000, производительностью 100 кг/час; АОПС-4 для пресс-порошка
производительностью 150 кг/час. Установка внедрена также резинотехнической промышленности для сушки мела и каолина. Разработаны оптимальные режимы сушки указанных пресс-порошков. Надежность работы сушилок проверена длительной эксплуатацией в составе линий по приготовлению пресс-порошков и наполнителей резинотехнических изделий. Автор защищает:
Результаты экспериментальных исследований сушки новых пресс-порошков с определением оптимальных концентраций связующего 45% водного раствора ПЭГ-115.
Математическую модель и инженерный метод расчета аппарата сушки с вспомогательным оборудованием.
Результаты экспериментов по определению геометрических, диффузионных и тепло-и массообменных характеристик пресс-порошков.
Результаты численных экспериментов исследования скорости теплоносителя в камере аппарата со вставками - завихрителями.
Апробация работы.
Основные положения работы доложены на: -П-ой и Ш-ей Всесоюзной научно-технической конференции - «Повышение эффективности тепло-и массообменных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и производстве химических волокон» (г. Москва, 1985 и 1989 г.);
научной конференции - «Повышение эффективности современных процессов и аппаратов химических производств» (г. Харьков, 1985 г.);
XV Всесоюзной конференции - «Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем» (г. Одесса, 1989 г.);
- XVI Международная научная конференция - «Математические методы в
технике и технологиях» (г. Кострома,2004г.).
Анализ существующего оборудования для сушки порошкообразных материалов и выбор типа сушилки
Выбор наиболее целесообразного типа аппарата для сушки дисперсных материалов, к числу которых относятся пресс-порошки Б-17, Т-1000 и Т-4000, в работе осуществлен на основе анализа значительного количества разнообразных факторов, влияющих на процесс сушки, наиболее существенными из которых являются: - характеристика материалов как объектов сушки; - производительность аппарата; - технологические требования к сушке, с учетом всех процессов, необходимых для получения качественной продукции; - требования экологической и производственной санитарии; - энергетические и экономические требования.
Анализ литературы /12,16,36,39,44,55/ показал, что в настоящее время выбор оптимального или даже просто целесообразного типа сушильного аппарата для таких материалов как пресс-порошки является сложной задачей системного анализа процессов и аппаратов химической технологии, и в рамках строго логической детерминации пока еще не осуществим. Практически подобный выбор осуществляют на основе оценки, иногда количественной, но в большинстве случаев качественной - на основе соответствия известного типа аппарата свойствам высушиваемого продукта. Важнейшими характеристиками материалов, используемых, при подобной оценке являются /55/: - величина удельной поверхности, размер и объем пор определяющие в совокупности диффузионное сопротивление внутреннего массопереноса; - тепловые характеристики, определяющие термическое сопротивление при сушке; - формы связи влаги с материалом, определяющие энергию, которую необходимо затратить на сушку и влияющие на механизм переноса тепла и влаги внутри материала; - гидравлические характеристики.
Определение полного набора указанных свойств является сложной и объемной задачей, требующей весьма продолжительных экспериментальных работ. Поэтому, чтобы ускорить выбор наиболее целесообразного типа аппарата, в настоящей работе было решено провести оценку существующего современного сушильного оборудования на предмет соответствия высушиваемому продукту. На начальном этапе выбора для оценки использовалась таблица показателей предварительного выбора сушильных аппаратов, разработанная НИИХИММАШ и представленная в работе /55/. В предыдущем разделе представлены необходимые для выбора свойства пресс-порошков.
После проведенной оценки существующего сушильного оборудования, из многих представленных аппаратов было отдано предпочтение группе сушилок типа "взвешенный слой" (ВС), как наиболее перспективной для полидисперсных материалов /54,55/, так как только они позволяют обеспечить тепло - и массоперенос к каждой отдельной, склонной к агрегатированию, частице. В эту группу входят агрегаты: - кипящего слоя (КС), и проходящего кипящего слоя (ПКС); -фонтанирующего слоя (ФС) и аэрофонтанные (АЭ); - виброкипящего слоя (ВКС); - вихревого слоя (ВС); - пневмотранспорта (ПТ); - с закрученными потоками (ЗП); - со встречными закрученными потоками (ВЗП).
Выбранный список сушилок следует дополнить аппаратами с организованным псевдоожиженным слоем (ОПС), разрабатываемыми на кафедре МАХП ТГТУ и выделенными в отдельный класс пневматическими спиральными сушилками (ПСС) /55/, а также комбинированными установками различного вида.
Современные методы описания тепло- и массопереноса во взвешенном слое
Закономерности процесса сушки влажного тела определяются одновременным протеканием ряда физических явлений переноса тепла и массы, теплообменом между поверхностью материала и окружающей средой (внешним теплообменом), испарением влаги с поверхности материала (внешним массообменом), перемещением тепла и влаги внутри материала (внутренним тепломассопереносом). Общий метод анализа процесса сушки дисперсных материалов во взвешенном слое, независимо от типа сушилки, основан на аналитическом или численном решении дифференциальных уравнений тепломассопереноса, с учетом изменений параметров сушильного агента по длине аппарата /52/. Поскольку распределение потенциалов тепла и влаги, для отдельной частицы, по длине аппарата всегда является функцией исследуемого процесса, и искать эти функции следует, решая сопряженную задачу внешнего и внутреннего тепломассопереноса в полной постановке, например в виде, представленном в работе /53/. Однако решение задачи в полной постановке требует чрезмерных, неоправданных усилий вычислительного характера, причем при их решении, как правило, понижается уровень правдоподобности результата /44/. Таким образом, более простой подход, основанный на использовании краевой задачи к анализу процесса, становится оправданным. Система уравнений внутреннего тепломассопереноса, записываемая в рамках краевой задачи в самом общем виде, т.е. когда задача является нелинейной, имеет вид:
В случае, когда пренебрежительно, малы градиент давления и производные от переменных a(T,U) и am(T,U), где а и ап - соответственно температуропроводность и влагопроводность, уравнения внутреннего тепломассопереноса в сферической системе координат записывают в виде
Граничные условия для системы уравнений (1) начинают формулировать в виде равенства потоков влаги, подводимого к наружной поверхности частицы изнутри её объема и отводимого от наружной поверхности в поток сушильного агента за счет конвективной массоотдачи /52/: -атРт\—- + S— 1 = ;„ (5) При этом выражение для потока влаги ;„, для первого периода сушки записывают согласно модели неподвижной пленки /18/ в виде: h=P{P„-P) (6) где: р - коэффициент массоотдачи при испарении, индекс "м" относится к температуре мокрого термометра. Для второго периода сушки поток влаги от поверхности высушиваемой частицы записывают следующим образом /1/: j„=PpT(Un-U.)=KpTR{u-U.) (7) где: К- коэффициент скорости сушки; U. - равновесное влагосодержание. Или иначе, в виде, удобном для описания, когда влагосодержание сушильного агента заметно изменяется по ходу движения материала: атРт =др„ хРмАи ш о ; (8) где: х - MIG отношение массовых расходов высушиваемого материала и сушильного агента; A = Rr/Rn - отношение газовых постоянных сушильного агента и паров воды; Хт - начальное и конечное влагосодержание.
В качестве граничных условий теплообмена при сушке дисперсных материалов во взвешенном слое записывают условия конвективного теплообмена между потоком сушильного агента и поверхностью влажного материала /1,52, 53,64/. При этом учет кондуктивной составляющей, связанной с контактом частиц различной температуры, производится с помощью получаемого из опытов коэффициента теплообмена - а. где: tc - температура сушильного агента; г - теплота испарения.
Величина tc определяется из уравнения теплового баланса как для случая прямо- так и противоточного движения потоков сушильного агента и высушиваемого материала из выражения /52/:
Исследования процесса сушки пресс-порошков на лабораторном стенде
С целью установления требуемого влагосодержания был изготовлен лабораторный стенд комбинированной установки для сушки пресс-порошков, рис. 1.16. Для пресс-порошка Б-17 исследования сушки и определение оптимального количества связующего проводились на кафедре. Другие пресс-порошки сушились на Псковском заводе радиодеталей, на том же стенде.
В заводских условиях было найдено оптимальное количество связующего вещества, 45%-го водного раствора ПЭГ-115. Для пресс-порошков Б-17 и Т-1000 - 7%, Т-4000 - 8%, состав, которого помещен в приложение 3. В процессе подбора содержания связующего выяснилось, что с уменьшением конечного влагосодержания до 0,1%, увеличивается количество пылевидных частиц в высушенном продукте, в связи, с чем приходилось увеличивать давление прессования в 1,5 2 раза (приложение 3).
Увеличение его до 1 % заметно снижало текучесть, затрудняя подачу пресс-порошков в пресс-формы, что снижало производительность, но главное, снижалось качество годных изделий. Для пресс-порошков были определены границы остаточного влагосодержанияіік = 0,2% (приложение 3), которые не снижают качество годных изделий и производительность оборудования.
Лабораторно-промышленные исследования позволили определить: оптимальные содержание связующего; технологические характеристики прессового оборудования; состав порошков, полидисперсность (і 20); конечное влагосодержание (UK = 0,5%). С целью углубленного изучения процесса сушки и создания промышленных сушилок было принято решение продолжить исследование на специально созданном стенде на кафедре МАХПТГТУ,рис.3.4.
Для построения кривой кинетики сушки пресс-порошков была подготовлена лабораторная установка, оборудованная с учетом опыта проведения предварительных лабораторно-промышленных исследований. Лабораторный стенд рис.3.4, аналог промышленных сушилок, был оборудован средствами слежения и регулирования температурным режимом, устройством для отбора проб пресс-порошков в камере сушилки. Исследования производились в следующем порядке. Включали вентилятор-1 и по дифференциальным манометрам - 4,18 при регулировании задвижками -2,19 устанавливали необходимый расход воздуха через диафрагмы -3,17. Воздух, поступающий в камеру-23, через газораспределительную решетку 15 нагревался в электрокалорифере 20 до температуры 100С. В прогретую до90С камеру сушки 24 дозатором 22 в непрерывном режиме подавался влажный пресс-порошок. Температура в камере контролировалась термопарами 16, и фиксировалось прибором КСП-4-26.
Для определения влагосодержания пресс-порошка по высоте аппарата были установлены пробоотборники 7. Для выгрузки агрегатов из камеры сушки было выполнено перегрузочное отверстие 11. Оно было выполнено в наклонной перегородке 9, разделяющей камеру сушки на сепарационную 23 и бункерную зоны. Выгрузка пресс-порошка из бункерной зоны осуществлялась дозатором 12 при помощи привода 13. В аппарате очистки 5 пылевидные частицы собирались в бункере 8.
На рисунке 3.5.а показана схема расположения термопар и пробоотборников в сушильной камере, и направления потоков пресс-порошка и теплоносителя. По высоте аппарата были установлены семь пробоотборников и рядом с каждым из них установлена термопара.
Схема пробоотборника изображена на рисунке 3.56. Отбор проб происходил следующим образом. К установленному пробоотборнику- гибким шлангом присоединялся осадительный фильтр-2, к основанию которого герметично присоединялся бюкс-4. Вентилятор 3 засасывал через щелевидный разрез в пробоотборнике из потока частицы, которые собирались в бюксе, отдельно для каждого пробоотборника.
Снятие кривых кинетики сушки проводилось в условиях, соответствующих работе реального аппарата. Отбор проб вели периодически при установившемся режиме работы, определяемом по температурному режиму и расходу ожижающего агента, с помощью прибора КСП-4 и тарированных диафрагм. Полученные пробы пресс-порошков были исследованы на остаточное влагосодержание путем досушивания их до постоянного веса.
Время пребывания частиц в зоне ПС-ОПТ определялось по секундомеру с точностью до 0,2 с. В пресс-порошки, подаваемые в камеру, вводилась порция подкрашенного пресс-порошка, и визуально наблюдался момент входа в камеру и момент выхода из камеры цветного пятна с фиксацией времени пребывания. Агрегаты пресс-порошков, размером более 0,8 мм, образующиеся в результате подпрессовки в дозаторе, накапливались в прирешеточной зоне. Время пребывания этих частиц регламентируется высотой кипящего слоя, устанавливаемого размером и местом расположения перегрузочного отверстия 11, рис.3.4 в наклонной перегородке 9.
Как показали эксперименты и промышленная эксплуатация установок, размеры агрегатов трудно предсказуемы и время их обезвоживания колеблется от 2 до 8 с. Частицы пресс-порошков размером менее 0,8 мм обезвоживаются в режиме организованного пневмотранспорта не более 2 с. При одинаковом расходе теплоносителя, время пребывания мелких частиц в сепарационной зоне 24 рис 3.4, регламентируется их размером и размером вставок завихрителей. Определение размера вставок и их размещение рассмотрено в следующем разделе.
Расчет вспомогательного оборудования
Промышленная реализация разработок настоящей диссертации проводилась на Псковском заводе радиодеталей. Внедрение осуществлялось в несколько этапов. На первом этапе был проведен ряд предварительных работ на лабораторной комбинированной сушилке, описанной ранее в третьей главе. Работы проводились как в лаборатории кафедры МАХП, так и на ПЗР в цехе №1, для чего лабораторный стенд перевозился на завод, монтировался там в составе поточной линии приготовления пресс-порошка и затем испытывался и эксплоатировался некоторое время. После окончания испытаний аппарат был возвращен на кафедру. На лабораторной сушилке были проведены работы со всеми исследуемыми порошками (Б-17, Т-1000, Т-4000). После завершения предварительного этапа работ, закончившегося изготовлением нескольких промышленных партий пресс-порошков, были спроектированы, а затем изготовлены и внедрены три промышленные сушилки, по одной для каждого вида пресс-порошка.
Для всех пресс-порошков использовался одинаковый алгоритм постановки на производство процесса сушки и оборудования для его реализации. Вначале на лабораторной сушилке корректировался установленный ранее с помощью математической модели и затем опытным путем проверенный режим сушилки. При этом, коррекцию проводили в условиях рабочей производительности сушилки, используя в качестве исходного сырья полуфабрикат пресс-порошка непосредственно после протирочного устройства.
Основными критериями, по которым оценивалась работа установки, были: конечная влажность пресс-порошка, которая определялась в ЦЗЛ завода качеством прессованных деталей; качество обжига (по этому критерию судили о стабильности конечной влажности высушиваемого продукта); стабильность и устойчивость работы сушилки и вспомогательного оборудования, стабильность работы шнековых питателей, отсутствие завалов в прирешёточной зоне сушилки и, наконец, стабильность работы хвостового пылеуловителя АВЗП.
В процессе испытаний удалось решить все проблемы, связанные с переходом от опытных разработок к промышленным. Для пресс-порошка Т-4000 удалось вначале установить причины брака, появляющегося периодически на стадии обжига, и как выяснилось связанного с неправильной дозировкой пластификатора, а затем и устранить его, установив норму в 7% масс связующего (ПЭГ-115) в производстве конденсаторов К15-5 группы Н-70. Кроме того для этого же пресс-порошка путем повышения конечной влажности до уровня 0,1%, и введения в состав смеси пластификатора-ликоподия было значительно снижено давление прессования по сравнению с первоначальным. Снижение давления прессования позволяет увеличивать срок службы пресс-форм, прессового оборудования, а также исключить налипание пресс-порошка на пуансон пресс-формы, что повышает производительность.
При испытаниях были обнаружены недостатки в работе питателя в устройстве загрузки. Двухшнековый дозатор с диаметром шнека 25мм и с таким же шагом, вследствие создаваемой им подпрессовки порошков, не обеспечивал непрерывную работу сушилки, так как создавал завалы в зоне ПС. Поэтому он был заменен на одношнековый с диаметром 90мм и увеличивающимся переменным шагом. Такими питателями впоследствии были укомплектованы сушилки для всех пресс-порошков.
В процессе опытно-промышленной эксплуатации было установлено, что в питающем бункере при достаточно длительной работе установки образуются «своды» из пресс-порошков. Для их устранения в бункер был подан воздух от заводской сети, Р =0,1+0,15 МПа, который включался либо на постоянную работу, параллельно с сушилкой, либо периодически по усмотрению оператора. С его помощью сводообразование было полностью устранено.
Для очистки пресс-порошка Б-17 (поскольку именно с него были начаты работы по промышленному освоению сушилки) от металлических примесей на раме установки был смонтирован магнитный сепаратор заводской разработки, применяющийся для очистки других пресс-порошков. В нем постоянное магнитное поле создается в катушке с внутренним диаметром 100мм, куда вставляются десять дисков с шагом 30мм по высоте. В дисках по всей площади просверлены отверстия 06мм, для прохождения пресс-порошка. Катушка содержит 2000 витков провода диаметром 2мм и имеет наружный диаметр 300мм. Для улучшения прохождения пресс-порошка сквозь пакет дисков катушка подвергается вибрации дебалансным вибратором. Контроль и регулировку магнитного поля осуществляют по амперметру, поддерживая ток в пределах 5...8А. Указанный магнитный сепаратор, как показали эксперименты, удовлетворял предъявляемым требованиям при условии производительности сушилки до 70кг/час, но не обеспечивал очистку от металлических включений при производительности выше 70кг/час. Поэтому на последующих установках были смонтированы более мощные магнитные сепараторы. В них пресс-порошки протекают по зигзагообразному лабиринту между рассеченным тором прямоугольного сечения, на который одеты четыре катушки внутреннего сечения 300x150мм по 1000 витков каждая. Контроль и регулировку работы магнита, так же как и ранее, осуществляли по амперметру, поддерживая ток в пределах 8...10А. Описанные магниты обеспечили требуемую степень отмагничивания пресс-порошков от металлических включений и были введены в состав сушилок.
