Высушивание дисперсных материалов в аппарате с быстро вращающимся ротором

АННОТАЦИЯ

В статье описана кинетика сушки дисперсных материалов в контактном барабанном аппарате с быстро вращающимся ротором. Дана методика определения кривой сушки и кривой скорости сушки экспериментальным путем. На базе общих представлений о сушке и ее законах рассмотрена физическая картина процесса по стадиям, протекающим в сушильной установке.

ABSTRACT

The article describes the kinetics of drying dispersed materials in a contact drum apparatus with a rapidly rotating rotor. A method is given for determining the drying curve and the drying rate curve experimentally. On the basis of general ideas about drying and its laws, the physical picture of the process is considered according to the stages occurring in the drying unit.

Ключевые слова: скорость сушки, кинетика сушки, кривая скорости сушки, тонкодисперсный материал, контактная сушка.

Keywords: drying rates, drying kinetics, drying rate curve, fine material, contact drying.

Введение. Сушка тонкодисперсных материалов с частицами размером менее 50 мкм конвективным методом подвода теплоты нецелесообразна, так как значительная часть частиц обрабатываемого материала выносится из аппарата потоком сушильного агента, в результате чего происходит загрязнение окружающей среды. Также поток подводимой теплоты в таких аппаратах обычно ограничен за счет конвективного теплообмена и недостаточно развитой поверхности теплоподвода.

Перспективным для сушки тонкодисперсных материалов является использование непрерывно действующих аппаратов кондуктивного типа, которые исключают унос высушиваемого материала, например контактных барабанных сушилок с быстро вращающимися ротором [5]. Применяемые на сегодняшний день контактные сушилки типа «Венулет», хотя дают значительный эффект за счет перехода с конвективного теплообмена к кондуктивному теплообмену, имеют значительный недостаток из-за медленно вращающегося перемешивающегося устройства. Вследствие этого внутренняя теплопередающая поверхность барабана используется не полностью. Применение быстровращающегося ротора по сравнению с тихоходными контактными сушилками дает увеличение эффективной теплоотдачи в 2–4 раза вследствие интенсификации перемешивания материала у горячей поверхности и более полного использования теплопередающей поверхности [6].

Объект и метод исследования

В исследуемой нами конструкции аппарата теплота подводится непосредственно от обогреваемой стенки барабана к слою тонкодисперсного материала, что исключает унос частиц, поскольку отсутствует поток теплоносящего сушильного агента. Также быстро вращающиеся лопатки создают равномерный в несколько миллиметров слой дисперсного материала по всей внутренней поверхности теплоподвода, а интенсивное перемешивание и движение материала относительно стенки барабана обеспечивает большие коэффициенты теплообмена между стенкой и слоем материала.

Исследования проводились в аппарате, представляющем с собой неподвижный горизонтальный обогреваемый барабан, внутри которого расположен вращающийся ротор с лопатками (рис. 1). При вращении ротор лопатки увлекает материал и возникающая при этом центробежная сила отбрасывает материал на периферию аппарата, где образуется движущийся слой, контактирующий с нагретой внутренней стенкой барабана. Термообработка материала происходит в данном слое, толщина которого, а следовательно, и время пребывания материала в нем определяются величиной зазора. Теплота к материалу подводилась от конденсации водяного пара через стенку барабана, что позволило контролировать температуру нагрева.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки:

1 – корпус; 2 – ротор; 3 – лопатки; 4 – щтуцер; 5 – питатель; 6 – щтуцер вторичного пара; 7 – выгружной порог; 8 – выход высушенного продукта; 9 – электродвигатель

Вторичный пар с небольшим количеством неконденсирующихся газов выводится из аппарата противотоком движения высушиваемого материала через зазор вблизи вала и конденсируется в теплообменнике. Поэтому исключались потери и загрязнение окружающей среды. Угловая скорость вращения ротора стабилизировалась регулирующим электроприводом.

Для определения скорости сушки в контактном аппарате с быстро вращающимся ротором используют опытные кинетические кривые, полученные экспериментальным путем. Пробу влажного материала для анализа влагосодержания получают через определенные промежутки времени из пробоотборника, расположенного в середине барабана аппарата. Полученные пробы высушиваются в сушильном шкафу. Для каждой пробы рассчитываем влагосодержание материала. Затем строят зависимость влагосодержания от времени – кривую сушки.

На кривой сушки выделяют два периода сушки. В первом периоде влагосодержание материала меняется по прямолинейной зависимости. Этот участок кривой сушки, где влагосодержание материала уменьшается по линии, приближающейся к горизонтали, называют периодом падающей скорости сушки. Скорость сушки определяют, разбивая кривую сушки на равные по времени участки с последующим делением величины убыли влагосодержания на величину отрезка времени. Затем строят зависимость скорости сушки от влагосодержания материала – кривую скорости сушки. С помощью кривой скорости сушки находят величину постоянной скорости сушки в первом периоде, критическое и равновесное влагосодержание материала. Определяют константу скорости сушки во втором периоде, после чего рассчитывают продолжительность сушки в первом и во втором периодах и общее время сушки материала [7].

Обычно сушка дисперсных материалов осуществляется в ленточных, туннельных и шахтных сушилках. В этих конструкциях сушильный агент проходит сквозь неподвижный слой частиц. В лабораторных условиях для определения скорости сушки дисперсных материалов сушильный агент пропускают через сушилку. Внутри ее находится неподвижный слой материала на решетке, которая подвешена на весах. С течением времени изменяют вес слоя. Неточность определения массы влаги, удаленной из материала, заключается в том, что очень трудно учитывать аэродинамическое воздействие движущегося потока сушильного агента на показания весов [1].

С целью упрощения методики определения скорости сушки и для учета гидродинамических особенностей работы конвективной сушилки предложено определять влагосодержание материала по параметрам сушильного агента. Проходя через слой высушиваемого материала, сушильный агент увеличивает свое влагосодержание. С помощью уравнения материального баланса по известному влагосодержанию сушильного агента до и после слоя определяют влагосодержание материала. Опытные значения этого метода существенно зависят от быстродействия и точности приборов для измерения параметров сушильного агента [8].

Рассмотрим процесс сушки дисперсного материала в контактном аппарате с горизонтальным быстро вращающимся ротором. Аппарат представляет собой неподвижный горизонтальный обогреваемый барабан, внутри которого расположен вращающийся ротор с лопатками; при вращении ротора лопатками материал отбрасывается к периферии, где образуется движущийся перемешиваемый слой, контактирующий с нагретой стенкой. Сухой материал предварительно взвешен, а потом увлажнен до определенного влагосодержания. Снизу через слой проходит с заданным расходом подогретый воздух при постоянной температуре на входе в слой [9; 3; 4; 2]. Влагосодержание воздуха до и после слоя фиксируется с помощью приборов в определенные промежутки времени.

По известному расходу и влагосодержанию воздуха определяется количество удаленной влаги за первый промежуток времени:

W₁ = L_{C –B}(x_k – x_H)*τ₁,

где W₁ – количество удаленной влаги из материала, кг;

L_C-B – расход сухого воздуха, кг/с;

x_н, x_к – влагосодержание воздуха перед и после сушки, кг/кг;

τ₁ – первый промежуток времени, с.

Тогда влагосодержание материала для первого промежутка времени:

U₁= ,

где U₁ – влагосодержание материала в первый промежуток времени, кг/кг с.м;

  – количество влаги в материале до сушки, кг;

 – количество сухого материала, кг.

Влагосодержание материала в последующие промежутки времени рассчитывается по формуле:

,

где  – суммарное количество удаленной влаги, кг.

По результатам опытов и расчетов строится кривая сушки, то есть графическая зависимость влагосодержания материала от времени сушки.

Для получения скорости сушки материала в любой точке кривой сушки проводится касательная, тангенс угла наклона которой равен скорости сушки.

Анализ исследований по тепло- и массообменным процессам, протекающим при сушке в роторных сушилках, показывает, что на основании существующих исследований процесса сушки невозможно учесть все характерные особенности и изменения в кинетике такого процесса.

Более полной была бы такая модель, которая учитывала бы изменение температуры материала в каждой из стадий сушки, равновесие между влажным материалом, дополнительный подвод тепла от диссипации энергии за счет быстрого движения дисперсного материала и нагретых конструктивных элементов барабана, а также эффект продольного перемешивания дисперсного материала.

Нами на базе общих представлений о сушке и ее законах рассмотрена физическая картина процесса по стадиям, протекающим в сушильной установке, описаны разработанные математические модели, приведено их решение. В основу разработки математической модели взяты известные законы сохранения энергии и массы вещества, положения из теории сушки и законы равновесия между материалом и сушильным агентом.

Рассмотрим характерные составляющие процессов, протекающих при сушке. Период удаления свободной влаги характерен тем, что испарение идет по законам превращения свободной жидкости в пар. В течение этого периода процесс сушки определяется главным образом скоростью подвода тепла от нагретой стенки к высушиваемому материалу.

Одним из важнейших параметров, определяющих режим сушки, является температура стенки. В непрерывном процессе сушки температура стенки по длине сушилки изменяется за счет отдачи тепла на испарение жидкости, на нагрев материала и лопастей ротора.

Расчет периода удаления связанной влаги отличается от расчета периода удаления свободной влаги тем, что температура поверхности материала повышается, необходимо рассчитывать с использованием измененной зависимости между стенкой и высушиваемым материалом. В результате теплового контакта материала с горячими стенками и лопастями ротора появляется слой высушенного материала, толщина которого постепенно растет. А теплопроводные свойства в высушенном состоянии дисперсного материала не так уж далеки от свойств теплоизоляционных материалов. С этим связано то, что основное сопротивление теплопередаче сосредоточено в зоне материала, контактирующего с теплоотдающей поверхностью. Проходящие в этой зоне процессы существенно зависят от критерия Лыкова. При его малых значениях жидкость не будет успевать подводиться из внутренних слоев материала к поверхности контакта, появится прослойка сухого материала, разделяющая поверхность контакта и поверхность испарения. Температура этого слоя на поверхности контакта одинакова с температурой нагретой стенки, а на противоположенной стороне равна температуре испарения жидкости, определяемой величиной давления в сушильном барабане.

Заключение. Опытным путем, используя параметры сушильного агента, получена кривая скорости сушки. Эти кривые позволяют определять скорость сушки в любое время проведения процесса. Зависимость скорости сушки в первом периоде от скорости сушильного агента показывает, что с увеличением скорости прохождения сушильного агента через слой высушиваемого дисперсного материала за счет конвекции ускоряется процесс сушки.

Условные обозначения:

W – количество влаги, удаленной из материала, кг;

L – расход воздуха, кг/с;

x – влагосодержание воздуха, кг/кг с.в;

t – время сушки, с;

U – влажность материала, кг/кг с.м;

W_L – количество влаги в материале перед сушкой, кг;

G – количество материала, кг;

w – скорость воздуха, м/с

N – скорость сушки, l/с.

Нижние индексы:

с.в. – сухого воздуха;

с.м – сухого материала;

н, к – на входе и на выходе из слоя (начальное и конечное значения);

I, II – первый и второй периоды сушки;

Р – равновесное значение;

Кр – критическое значение;

Пр. кр – приведенное критическое значение.

Верхние индексы:

Оп – опытное значение величины;

Р – расчетное значение величины.

Список литературы:

1. Ахунбаев А.А., Ражабова Н.Р., Вохидова Н.Х. Исследование гидродинамики роторной сушилки с быстро вращающимся ротором // Экономика и социум. – 2020. – № 12-1. – С. 392–396.
2. Мўминов Ж.А., Умаров Э.С., Ортиқалиев Б.С. Оғир юкланишли ва тез ҳаракатланувчи машина қисмларида сирпаниш подшипникларини танлаш // Машинасозлик ишлаб чиқариш ва таълим: муаммолар ва инновацион ечимларю – 2019. – С. 338–340.
3. Мўминов Ж.А., Умаров Э.С., Ортиқалиев Б.С. Чангларни комбинацион тозалаш технологияси // Техник тадқиқотлар журнали. – 2019. – № 2.
4. Оловбардош ғишт ишлаб чиқаришда хом ашёларни саралаш жараёнини тадқиқ қилиш / Р.Ж. Тожиев [и др.] // Техник тадқиқотлар журнали. – 2019. – №. 2.
5. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Массообменные процессы химической технологии. – Химиздат, 2011.
6. Фролов В.Ф. Моделирование сушки дисперсных материалов. – Л. : Химия, 1987. – Т. 208. – С. 208.
7. Фролов В.Ф., Круковский О.Н., Ахунбаев А.А. Сушка высоковлажных тонкодисперсных материалов // Минский международный форум «Тепломассообмен в химико-технологических устройствах». Тез. докл. – 1992. – С. 83.
8. Mirsharipov R.H., Akhunbaev A.A. Research of Hydrodynamic Parameters of Drum Dryer // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – 2020. – Vol. 7. – Issue 11.
9. Mukhamadsadikov K.J., Ortikaliev B.S. Working width and speed of the harrow depending on soil resistivity // Web of Scientist: International Scientific Research Journal. – 2021. – Т. 2. – № 04. – P. 152–158.