АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СУШКИ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ В БАРАБАННОМ АППАРАТЕ

 

АННОТАЦИЯ

В статье анализируются процесс сушки суперфосфатных минеральных удобрений, проблемы и конструкция применяемого оборудования. Представлены результаты экспериментов по определению кинетических кривых процесса сушки минеральных удобрений. На основе анализа предложены уравнения для расчёта процесса сушки при различных параметрах барабанной сушилки.

ABSTRACT

The article analyzes the drying process of superphosphate mineral fertilizers, the problems and the design of the equipment used. The results of experiments to determine the kinetic curves of the drying process of mineral fertilizers are presented. Based on the analysis, equations are proposed for calculating the drying process for various parameters of the drum dryer.

 

Ключевые слова: барабанная сушилка, суперфосфат, кинетические кривые, расход материала, температура теплоносителя.

Keywords: drum dryer, superphosphate, kinetic curves, material consumption, coolant temperature.

 

Введение: В настоящее время при конвективной сушке значительного ряда химических удобрений широко используются барабанные сушилки, простота конструкции которых и достаточно высокие технико-экономические показатели обеспечили им широкое применение в промышленности перед другими видами сушилок. Конечные результаты сушки удобрений зависят от теплофизических параметров материала и теплоносителя, характера движения по аппарату, агентов участвующих в процессе. Одна из основных причин этого заключа­ется в том, что качество продукта зависит от исход­ной влажности сырья. Поэтому важно изучить воз­можность энергетически эффективного сочетания условий и параметров конвектив­ной сушки, выбрать оптимальные варианты реали­зации и на этой основе обеспечить экспортное качество продукции. Следовательно, сушка является одним из основных процессов при произ­водстве минеральных удобрений, и от этого про­цесса зависят зернистость, качество и экспортные свойства удобрений [1; 3; 4]. Поэтому необходимо про­водить исследования в данной области. На основании изложенного были проанализиро­ваны существующие проблемы процесса производ­ства суперфосфатных минеральных удобрений цеха АС-72М АО «FARG’ONAAZOT» одного из крупнейших химических предприятий Республики Узбекистан. На рис. 1 представлена технологическая схема про­изводства суперфосфатных минеральных удобрений.

 

Рисунок 1. Технологическая схема производства суперфосфата

1 - барабанный сушильный аппарат; 2 - барабанный гранулятор; 3 - горизонтальный смесительный реак­тор; 4 - калорифер; 5 - вертикальный смесительный реактор; 6 - ковшовый элеватор; 7 - молотковая дро­билка; 8 - сито; 9 - циклон НИОГАЗ; 10 - полый скруббер; 11 - вентилятор; 12 - центробежный насос; 13 - ленточный конвейер; 14 - бункер-питатель; 15 - барабанный охладитель.

 

Аналитические методы исследования. Из­вестно, что процесс производства суперфосфатных удобрений на АО «FARG’ONAAZOT» включает: смешение мелочи фосфорита с серной кислотой в реакционной среде, гранулирование смеси с распылением сульфата аммония, сушка гранулированных удобрений, раз­деление на гранулометрические составляйте согласно регламенту и упаковка готовых продуктов [7]. Разра­ботанная технологическая схема считается энерге­тически эффективной по сравнению с существующими классическими линиями такого типа. К сожалению, качество и экспорт производимых продуктов не отвечают нынешним требованиям. С целью определения исследуемой проблемы проведен системный анализ процесса сушки минеральных удобрений в барабанном аппарате.

Экспериментальные методы исследования.

Исследование влияния скорости теплоносителя на температуру материала.

Эксперименты по определению кинетических кривых процесса сушки минеральных удобрений проводились на лабораторной установке [2]. В экспериментах были изменены следующие параметры.

1. G_M – расход материала. G_M = 0,02; 0,03; 0,04; 0,05 кг/с;

2. Ʋ – скорость теплоносителя в барабане. Ʋ = 1,5; 1,8; 2,1; 2,4 м/с;

3. n – скорость врашения барабана. n = 2,5; 3,0; 3,5; 4,0 об/мин;

В экспериментах установили следующие начальные параметры. Начальная влажность предварительно увлажненных минеральных удобрений составляла 29%. Начальная температура сушильного агента из калорфера была установлена на 100⁰С. Температуру воздуха измеряли на входе и выходе барабана электронной термопарой. Начальную температуру материала измеряли с помощью электронной термопары. Температура высушиваемого материала на входе в барабан составляла 21⁰С. Во время эксперимента были измерены температуры высушиваемого материала и нагревающего агента, покидающего барабан. В ходе эксперимента отбирали образцы высушиваемого материала и определяли их влажность. Влажность образцов в стеклянных пробирках с крышкой, определяют путем их сушки при 105⁰C в течение 3 часов в сушильном шкафу. Результаты эксперимента представлены на рисунках 1-8.

1. При числе оборотов барабана 2,5 об/мин – const.

1– G_М=0,02 кг/с; 2– G_М=0,03 кг/с; 3–G_М=0,04 кг/с; 4– G_М=0,05 кг/с;

Рисунок 2. Зависимость скорости теплоносителя в барабане от его температуры на выходе из барабана

 

2. При числе оборотов барабана 3 об/мин – const.

1– G_М=0,02 кг/с; 2– G_М=0,03 кг/с; 3–G_М=0,04 кг/с; 4– G_М=0,05 кг/с;

Рисунок 3. Зависимость скорости теплоносителя в барабане от его температуры на выходе из барабана

 

Аналогичные графики были получены для зависимостей скорости теплоносителя в барабане от его температуры на выходе из барабана при числе оборотов барабана 3,5 и 4,0 об/мин.

Из рисунков 2- 3 видно, что температура теплоносителя на выходе из барабана зависит от скорости нагревающего воздуха. Как видно, из графиков, увеличение скорости воздуха во время экспериментов привело к повышению температуры на выходе из барабана. Как видно, из рисунков 2-3, при скорости нагревающего воздуха на входе в барабан Ʋ=1,5 м/с и при расходе высушиваемого материала G_М=0,02 кг/с температура воздуха, поступающего в барабан, снизилась с t₁=100⁰С до t₂=72,4⁰С. При скорости воздуха Ʋ=1,8 м/с и производительности G_М=0,02 кг/с температура воздуха на выходе снизилась до t₂=74,8⁰С. При скорости воздуха Ʋ=2,1 м/с и расходе высушиваемого материала G_М=0,02 кг/с, температура воздуха на выходе составило t₂=78,7⁰С, а при скорости воздуха Ʋ=2,4 м/с и расходе высушиваемого материала G_М=0,02кг/с температура воздуха на выходе равнялось t₂=82,4⁰С. Кроме того, увеличение расхода материала с 0,02 кг/с до 0,04 кг/с привело к снижению температуры на выходе материала с t₂=72,4⁰С до 64,9⁰С. Снижение температуры воздуха, выходящего из барабана, наблюдалось и при других скоростях греющего воздуха.

Следующие эмпирические формулы были получены с использованием метода наименьших квадратов для графических зависимостей, показанных на рисунках 2-3. [2]:

1. При числе оборотов барабана 2,5 об/мин – const.

1) Q_унм=0,02кг/с;           y = 11,3x + 55,04           R² = 0,9902          (1)

2) Q_унм=0,03кг/с;           y = 11,933x + 52,03       R² = 0,9754          (2)

3) Q_унм=0,04кг/с;           y = 12,3x + 48,19           R² = 0,9883          (3)

4) Q_унм=0,05кг/с;           y = 11,033x + 47,86       R² = 0,9562          (4)

2. При числе оборотов барабана 3,0 об/мин – const.

1) Q_унм=0,02кг/с;           y = 11,333x + 57,4        R² = 0,9797          (5)

2) Q_унм=0,03кг/с;           y = 13,667x + 50,5         R² = 0,9946          (6)

3) Q_унм=0,04кг/с;           y = 10,9x + 53,37           R² = 0,9936          (7)

4) Q_унм=0,05кг/с;           y = 11,267x + 49,53       R² = 0,9825          (8)

3. При числе оборотов барабана 3,5 об/мин – const.

1) Q_унм=0,02кг/с;           y = 11,767x + 57,98       R² = 0,9667          (9)

2) Q_унм=0,03кг/с;           y = 12,2x + 55,31           R² = 0,997            (10)

3) Q_унм=0,04кг/с;           y = 11,983x + 52,745     R² = 0,9877          (11)

4) Q_унм=0,05кг/с;           y = 11,367x + 51,36       R² = 0,9924          (12)

4. При числе оборотов барабана 4 об/мин – const.

1) Q_унм=0,02кг/с;           y = 10,967x + 60,89       R² = 0,9551          (13)

2) Q_унм=0,03кг/с;           y = 13,467x + 54,29       R² = 0,9826          (14)

3) Q_унм=0,04кг/с;           y = 11,6x + 55,23           R² = 0,9671          (15)

4) Q_унм=0,05кг/с;           y = 11,667x + 52,6         R² = 0,9798          (16)

 

Исследование зависимости изменения влажности материала от скорости вращения барабана.

1) При скорости теплоностеля Ʋ=1,5 м/с-const.

 

1– G_М=0,02 кг/с; 2– G_М=0,03 кг/с; 3–G_М=0,04 кг/с; 4– G_М=0,05 кг/с;

Рисунок 4. Зависимость влажности материала U от скорости вращения барабана n

 

2) При скорости теплоностеля Ʋ=1,8 м/с-const.

 

1– G_М=0,02 кг/с; 2– G_М=0,03 кг/с; 3–G_М=0,04 кг/с; 4– G_М=0,05 кг/с;

Рисунок 5. Зависимость влажности материала U от скорости вращения барабана n

 

Аналогичные графики были получены для зависимостей влажности материала U от скорости вращения барабана n при скорости теплоностеля Ʋ=2,1 м/с и Ʋ=2,4 м/с.

На рисунках 4-5 показана зависимость влажности высушенного материала от скорости вращения барабана. Число оборотов барабанов изменяли ступенчато с шагом 0,5 об/мин от n=2,5 об/мин до n=4,0 об/мин. Увеличение n с 2,5 до 4 об/мин при производительности барабана G_М=0,02 кг/с привело к увеличению конечной влажности материала с 9% до 10,7%. Повышение расхода материала также привело к увеличению конечной влажности. В частности, влажность материала, выходящего из барабана, составляла 9% при скорости вращения барабана n=2,5 об/мин и при производительности G_М=0,02 кг/с. При скорости вращения барабана n=3 об/мин и производительности G_М=0,02 кг/с влажность материала на выходе из барабана составляет 9,5%, а при увеличение числа оборотов барабана до n=3,5 об/мин, влажность материала на выходе из барабана составило 10,2%, а при n = 4 об/мин конечная влажность материала составило 10,7%.

Следующие эмпирические уравнения были получены путем обработки данных указанных на рисунках 4-5, с использованием метода наименьших квадратов.

1) При скорости теплоностеля Ʋ=1,5 м/с-const:

y = 1,16x + 6,08             R² = 0,9953                             (17)

y = 0,9x + 7,85              R² = 0,9666                             (18)

y = 0,62x + 9,51             R² = 0,9468                             (19)

y = 0,48x + 10,79           R² = 0,9931                             (20)

2) При скорости теплоностеля Ʋ=1,8 м/с-const:

y = 0,96x + 6,18             R² = 0,9931                             (21)

y = 0,98x + 7,04             R² = 0,9942                             (22)

y = 0,64x + 9,02             R² = 0,9143                             (23)

y = 0,84x + 8,72             R² = 0,9692                             (24)

3) При скорости теплоностеля Ʋ=2,1 м/с-const:

 y = 0,88x + 5,89            R² = 0,9979                   (25)

y = 0,9x + 6,75              R² = 0,9666                             (26)

y = 0,54x + 8,72             R² = 0,9526                             (27)

y = 0,5x + 9,45              R² = 0,8993                             (28)

4) При скорости теплоностеля Ʋ=2,4 м/с-const:

y = 0,68x + 6,04             R² = 0,9797                             (29)

y = 0,96x + 6,03             R² = 0,9846                             (30)

y = 0,62x + 7,86             R² = 0,9468                             (31)

y = 0,7x + 8,1                R² = 0,9761                             (32)

Исследование зависимости изменения влажности материала от расхода материала

1) при числе оборотов вращения барабана n=2,5 об/мин-const.

 

1– Ʋ=1,5 м/с; 2– Ʋ=1,8 м/с; 3– Ʋ=2,1 м/с; 4– Ʋ=2,4 м/с;

Рисунок 6. Зависимость влажности материала U от G_М расхода материала

 

2) при числе оборотов вращения барабана n=3,0 об/мин -const.

 

1– Ʋ=1,5 м/с; 2– Ʋ=1,8 м/с; 3– Ʋ=2,1 м/с; 4– Ʋ=2,4 м/с;

Рисунок 7. Зависимость влажности материала U от G_М расхода материала

 

Аналогичные графики были получены для зависимостей влажности материала U от G_М расхода материала при числе оборотов вращения барабана n=3,5 об/мин и n=3,0 об/мин.

Следующие эмпирические уравнения были получены путем их обработки данных показанных на рисунках 5–6, с использованием метода наименьших квадратов.

1) при числе оборотов вращения барабана n=2,5 об/мин-const.

y = 84x + 5,81               R² = 0,9561                             (33)

y = 81x + 6,99               R² = 0,9406                             (34)

y = 82x + 6,68               R² = 0,9524                             (35)

y = 84x + 5,81               R² = 0,9561                             (36)

2) при числе оборотов вращения барабана n=3 об/мин-const.

y = 89x + 7,86               R² = 0,9834                             (37)

y = 95x + 7,25               R² = 0,971                               (38)

y = 89x + 6,71               R² = 0,9932                             (39)

y = 73x + 6,72               R² = 0,9841                             (40)

3) при числе оборотов вращения барабана n=3,5 об/мин-const.

 y = 75x + 8,7       R² = 0,9947         (41)

y = 72x + 8,18               R² = 0,9969                             (42)

y = 71x + 7,64               R² = 0,9894                             (43)

y = 71x + 7,09               R² = 0,9817                             (44)

4) при числе оборотов вращения барабана n=4 об/мин-const.

y = 66x + 9,39               R² = 0,9991                             (45)

y = 65x + 8,85               R² = 0,9657                             (46)

y = 66x + 8,24               R² = 0,9595                             (47)

y = 68x + 7,62               R² = 0,9554                             (48)

 

Исследование зависимости изменения температуры материала от скорости вращения барабана.

1) При расходе матерала G_М=0,02 кг/с-const.

 

1– Ʋ=1,5 м/с; 2– Ʋ=1,8 м/с; 3– Ʋ=2,1 м/с; 4– Ʋ=2,4 м/с;

Рисунок 8. Зависимость температуры материала t от скорости вращения барабана n

 

2) При расходе матерала G_М=0,03 кг/с-const.

 

1– Ʋ=1,5 м/с; 2– Ʋ=1,8 м/с; 3– Ʋ=2,1 м/с; 4– Ʋ=2,4 м/с;

Рисунок 9. Зависимость температуры материала t от скорости вращения барабана n

 

Аналогичные графики были получены для зависимостей температуры материала t от скорости вращения барабана n при расходе матерала G_М=0,04 кг/с и G_М=0,05 кг/с. Следующие эмпирические уравнения были получены путем обработки данных указанных на рисунках 8-9, с использованием метода наименьших квадратов.

1) При расходе матерала G_М=0,02 кг/с-const .

y = -3,38x + 54,66         R² = 0,9995                             (49)

y = -3,7x + 53,95           R² = 0,9865                             (50)

y = -3,72x + 52,29         R² = 0,9907                             (51)

y = -3,8x + 50,45           R² = 0,9571                             (52)

2) При расходе матерала G_М=0,03 кг/с-const .

y = -3,96x + 54,57          R² = 0,995                               (53)

y = -3,86x + 52,27          R² = 0,9988                             (54)

y = -4,04x + 50,58          R² = 0,9977                             (55)

y = -3,9x + 48,3             R² = 0,9982                             (56)

3) При расходе матерала G_М=0,04 кг/с-const .

 y = -4,02x + 52,74                  R² = 0,9957                             (57)

 y = -4x + 50,85    R² = 0,9995         (58)

y = -4,16x + 49,07         R² = 0,9955                             (59)

y = -3,8x + 45,75           R² = 0,9863                             (60)

4) При расходе матерала G_М=0,05 кг/с-const .

y = -4,16x + 51,12         R² = 0,9923                             (61)

y = -4,18x + 49,31         R² = 0,9997                             (62)

y = -4,2x + 47,4             R² = 0,9982                             (63)

y = -4,32x + 45,74         R² = 0,9961                             (64)

Выводы:

1. Увеличение числа оборотов барабана привело к увеличению конечной влажности материала и снижению температуры потока.

2. Повышение характеристик материала привело к увеличению влажности материала на выходе и снижению температуры на выходе.

3. Увеличение скорости нагревающего воздуха в барабане привело к снижению конечной влажности материала и увеличению температуры выходящего воздуха.

 

Список литературы:

1. Алтухов А.В. Методология совершенствования и расчета барабанных сушильных агрегатов: Автореф. дис. ... д-ра наук. – Шымкент, 1999. – 312 с.
2. Артиков А.А. Компьютерные методы анализа и синтеза химико-технологических систем. – Ташкент : Voris nashriyot, 2012. – 457 с.
3. Математическое моделирование процессов обезвоживания обогащенного минерального сырья : монография / В.Н. Павлыш, Е.И. Назимко, И.В. Тарабаева, В.Г. Науменко [и др.]; под общ. ред. проф. В.Н. Павлыша, проф. Е.И. Назимко. – Донецк : ВИК, 2013. – 289 с.
4. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. – Л. : Химия, 1990. – 388 с.
5. Фролов В.Ф., Круковский О.Н., Ахунбаев А.А. Сушка высоковлажных тонкодисперсных материалов // Минский международный форум «Тепломассообмен в химико-технологических устройствах». Тез. докл. – Минск, 1992. – С. 7.
6. 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.
7. Optimized dryer design based on system process analysis / R. Tojiev, R. Mirsharipov, A. Axunbaev, N. Abdusalomova // Universum: Технические науки: научный журнал. – М. : МЦНО, 2020. – № 2 11(80). – Ч. 1. – 96 с. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://7universum.com/ru/ tech/archive/category/1180.