ВЛИЯНИЕ ВРАЩЕНИЯ СУШИЛЬНОГО БАРАБАНА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

АННОТАЦИЯ

В статье проанализированы влияние скорости вращения на параметры движения материалов в сушильном барабане: степень распределения материала по поперечной поверхности аппарата, среднее время его пребывания в аппарате и степень загрузки. В качестве модельного материала в опытах использовали минеральное удобрение, произведенное в суперфосфатном цехе цеха АС-72 АО “Farg’onaazot”.

ABSTRACT

The article analyzes the effect of rotation speed on the parameters of movement of materials in a drying drum: the degree of material distribution over the transverse surface of the apparatus, the average time of its stay in the apparatus and the degree of loading. As a model material in the experiments, we used a mineral fertilizer produced in the superphosphate shop of the AS-72 shop at Farg'onaazot JSC.

Ключевые слова: сушильный барабан, степень распределения, среднее время пребывания, степень загрузки, длина падения, минеральное удобрение.

Keywords: dryer drum, distribution degree, average residence time, load degree, fall length, mineral fertilizer.

Введение. Наиболее распространенный вид сушки - это метод конвективной сушки, который отличается простотой конструкции барабанных сушилок, используемых в этом процессе, высокой производительностью работы и универсальностью. Поэтому использование этих сушильных аппаратов в различных отраслях экономики растет, но у этого типа сушилок есть и определенные недостатки. Например, можно упомянуть сложность обеспечения интенсивности сушки, рациональное использование теплоносителя, используемого для сушки, оптимизация гидродинамических параметров и минимизация энергозатрат. Поэтому вопросы определения и обоснования оптимальных параметров в этом типе устройств являются актуальными. Было проведено множество исследований для определения оптимальных параметров этих факторов [1-4]. Однако представленные данные о характере распределения материала в сушилке и временных параметров различны и порой противоречать друг другу.

Сушильный барабан состоит из цилиндрического корпуса, наклоненного относительно горизонта, обрабатываемый продукт загружается с одного конца и выгружается с другого конца. Количество тепла, необходимое для сушки материала, определяется использованием противоположно или параллельно направленного горячего воздуха. Для улучшения контакта материала с горячим воздухом внутри цилиндрического барабана установлены специальные насадки. При вращении барабана частицы продукта поднимаются вверх насадками по внутренней стенке барабана и разбрасываются в поток горячего воздуха в виде дождя из твердых частиц с определенной высоты. Основная часть процесса сушки осуществляется при прохождении этих твердых частиц через поток горячего воздуха. Поэтому интенсивность процесса сушки зависит, от того что, насколько насадки равномерно распределяют материал по оси аппарата и насколько равномерно распыляется материал по поверхности поперечного сечения барабана.

Исследователями были предложены и изучены различные конструкции барабанных насадок [5-7]. Движение высушиваемых частиц внутри вращающегося барабана зависит от конструкции насадки и параметров ее работы. Это создает сложности при математическом моделировании движения дисперсных материалов. Движение частиц в барабане очень сложное, при этом частицы скользят и перекатываются в самой насадке, а при разлете частиц из насадки они ударяются друг о друга и движутся неравномерно из-за столкновений с движущимся потоком воздуха. После этого частицы, падающие из насадки, сталкиваются со слоем движущегося материала, который перекатывается внизу барабана и перемешивается [1].

Хотя простота, высокая эффективность и универсальность конструкции барабанных сушилок позволяют широко использовать их в различных отраслях народного хозяйства, есть такие вопросы, как равномерное распределение высушиваемого материала в потоке горячего воздуха, рациональное использование горячего воздуха и минимизация энергопотребления по-прежнему требуют исследований.

Аналитический метод исследования. Для моделирования этих процессов исследователи предложили различные модели. Процессы тепло- и массообмена можно интенсифицировать за счет улучшения условий контакта высушиваемого материала и теплоносителя. Для этого требуется распределительное устройство, позволяющее равномерно распределять материал по всей поверхности барабана. Этого можно достичь за счет более полного использования энергии горячих газов для улучшения процессов тепломассообмена между газом и твердой фазой в сушильном барабане. Решение этой проблемы достигается за счет увеличения поверхности контакта и времени между газом и твердой фазой. Среди различных рассмотренных вариантов наиболее важными являются:

• обеспечить равномерное распределение распыляемого насадками материала по сечению барабана;
• повысить коэффициент заполнения барабана материалом;
• увеличить время пребывания в зоне сушки частиц материала.

Знание количество материала в насадке, количество материала, распыляемого из насадок, очень важно при определении оптимального коэффициента загрузки аппарата. Тот факт, что количество материала в барабане меньше оптимального значения, приводит к снижению его производительности. И наоборот, избыток материала приведет к образованию в аппарате слоя, не участвующего в процессе сушки, и перегрузит аппарат. Это приводит к снижению интенсивности процесса сушки и излишним энергозатратам. Если насадка выбрана без учета свойств материала в технологической барабанной сушилке, если ее конструкция недостаточно адаптирована к высушиваемому продукту, это приведет к ряду недостатков при распределение материала. Р.Ж.Тожиев и его сотрудники проанализировали негативную ситуацию при распределение материала в поперечном сечении поверхности барабана в сушилке, оснащенной Г-образной насадкой [2]. Исследователи отмечают следующие негативные последствия:

Во-первых, неравномерное рассеивание материала из насадок в сушилке создает открытые зоны в дожде распределяемого продукта по сечению барабана. Образование этой зоны способствует свободному проходу потока горячего воздуха и следовательно, снижает количество тепла, получаемого высушиваемым материалом и снижает интенсивность процесса сушки.

Во-вторых, наличие открытой зоны по поперечному сечению сушилки увеличивает расход теплоносителя, что в свою очередь увеличивает вынос мелкодисперсных частиц материала потоком теплоносителя, что приводит к повышению температуры отходящих газов и неэффективному расходу теплоносителя при сушке.

Еще одним важным параметром, определяющим процесс сушки, является среднее время пребывания материала в аппарате. Первым, кто определил это время, были S.J. Friedman и W.P. Marshal По результатам лабораторных исследований барабанной сушилки диаметром 0,203 м и длиной 1,2 м с использованием кварцевого песка с гранулометрическим составом 2÷10 мм предлагается следующее эмпирическое уравнение для изменения материала во времени в аппарат в зависимости от скорости вращения барабана и от угла наклона барабана [6]:

                                                              (1)

На основании исследований S.J. Friedman и W.P. Marshal, E.B.Arruda [7-10] предложил уточненное уравнение для определения времени пребывания:

                                                (2)

где: G _s - расход твердого вещества (кг/мин), G _f - расход газа (кг/мин), d _p - диаметр частицы (м), D - диаметр сушилки (м), и L _t - его длина (м), α - в радианах, N _R - в об/мин.

Второй член уравнения E.B.Arruda отрицателен для параллельного потока и положителен для противотока и, таким образом, представляет член сопротивления воздушного потока. В работе E.B.Arruda использован барабанный аппарат прямоточного типа.

Методика проведения эксперимента

Нами, в качестве перспективного варианта представлена конструкция насадки, состоящая из двух частей. На основании этого была разработана улучшенная схема конструкции насадки. На рисунке 1 конструктивная схема сушильного барабана и на рисунке 2 представлена фотография насадки и схема установки насадки на барабан. Преимущество насадки перед существующими конструкциями состоит, прежде всего, в том, что ее выливающаяся часть материала образует определенный уклон, что обеспечивает резкое сокращение открытых зон в сушилке. Также, детали установлены на полукруглой конструкции, что предотвращает застревание (залипание) материала в насадке.

Проведены экспериментальные исследования для проверки результатов теоретических предположений и сравнение степени распределения материала по поперечной поверхности аппарата, распыляемого на барабанной сушилке по сравнению с другими типами насадок. В качестве модельного материала при проведении опытов использовали суперфосфатное минеральное удобрение, произведенное в цехе суперфосфата цеха АС-72 АО «Farg’onaazot». Согласно технологическому регламенту производства супперфосфатных минеральных удобрений цеха АС-72М АО «Farg’onaazot» влажность удобрения 10 % по ГОСТ 20851.4, гранулометрический состав удобрения по ГОСТ 21560.1 должен содержать 30% частиц размером менее 1 мм  и 70% частиц  размерами 1 ÷ 6 мм.

На кафедре «Технологические машины и оборудование» Ферганского политехнического института была разработана лабораторная барабанная сушилка Ø 0,4×2,0 метра для сушки минеральных удобрений и проведены эксперименты (рисунок 3). Эксперименты проводились в два этапа.

1-корпус сушилки; 2-поддон; 3-вентилятор; 4-калорифер; 5-насадка; 6-двигатель; 7-редуктор; 8-опорный ролик; 9-бункер для продукта; 10-манометр; 11-анемометр; 12-термометр; 13-ЛАТР; 14-вытяжная труба; 15-бункер выгрузки продукции.

Рисунок 1. Конструктивная схема барабанной сушилки

1-корпус барабана; 2-первая часть насадки; 3-вторая часть насадки

Рисунок 2. Схема установки предлагаемой насадки на барабан

Рисунок 3. Общий вид барабанной сушилки

Для определения наиболее оптимальной конструкции барабанных насадок были проведены исследования с L-образным плоской насадкой, параллельной оси вращения аппарата, трехсоставной насадкой под углом к оси вращения аппарата и U-образной насадкой состоящей из двух частей, параллельных оси вращения барабана. Поперечная поверхность наполнения барабана определяли путем фотографирования степени наполнения поперечной поверхности со стороны барабана. Пример фотографии при определении степени заполнения поперечного сечения барабана приведен на рисунке 4, а полученные значения степени заполнения в процентах от общего сечения барабана приведены в таблице 1.

Рисунок 4. Образец фото для определения степени наполнения поперечной поверхности со стороны барабана

Таблица 1.

Полученные значения при определении степени заполнения сечения барабана, %

Анализируются результаты этих исследований можно сделать вывод, что в данном случае по равномерности распределения материала по поперечному сечению барабана U-образная насадка показывает явное преимущество, поскольку в этом случае покрытие поверхности барабана по распределению материала было более высоким, чем при использовании насадок других типов.

Исследование предлагаемой насадки позволило сделать следующий вывод: обеспечить равномерное распределение сушильного материала по сечению барабана можно с помощью новых типов внутренних распределительных устройств, так как существующие конструкции не могут полностью решить эту задачу. Использование существующих конструкций только увеличивает расход транспортируемого материала, но между ними остается «мертвая» зона, где нет тепло- и массообмена между газом и частицами. В ходе опытов определяли среднее время пребывания минерального удобрения в лабораторной установка при различных значениях числа оборотов барабана и угла наклона. Среднее время пребывания продукта измеряли в лабораторной сушилке с помощью индикаторов (окрашенных частиц). В ходе опытов определяли число оборотов барабана в диапазоне n=3,0-6,0 об/мин, с шагом 1,0 об/мин, производительность установки варьировалась в пределах G_м=0,02-0,05 кг/с с шагом 0,01 кг/с и угол наклона барабана относительно горизонта составил α=1⁰, α=2⁰ и α=3⁰.

Результаты эксперимента представлены на рисунках 5-10.

Рисунок 5. Зависимость коэффициент наполнения W поперечного сечения барабана от производительности барабана G_M при угле наклона барабана 1⁰

1 - n = 3,0 об/мин, 2- n = 4,0 об/мин, 3- n = 5,0 об/мин, 4- n = 6,0 об/мин

С помощью метода наименьших квадратов по экспериментальным данным были получены и решены отдельно для каждой точки графических связей следующие уравнения регрессии. Определены корреляционные ошибки (R).

Аналогичные результаты получены при других значениях углах наклона барабана. Данные представлены на рисунках 6-7, и эмпирических уравнениях (7) - (14).

Рисунок 6. Зависимость коэффициент наполнения W поперечного сечения барабана от производительности барабана GM при угле наклона барабана 20

1 - n = 3,0 об/мин, 2- n = 4,0 об/мин, 3- n = 5,0 об/мин, 4- n = 6,0 об/мин

Эмпирические уравнения зависимости коэффициент наполнения поперечного сечения барабана от производительности барабана при угле наклона барабана 2⁰.

Рисунок 7. Зависимость коэффициент наполнения W поперечного сечения барабана от производительности барабана GM при угле наклона барабана 30

1 - n = 3,0 об/мин, 2- n = 4,0 об/мин, 3- n = 5,0 об/мин, 4- n = 6,0 об/мин

Эмперические уравнения зависимости коэффициент наполнения поперечного сечения барабана от производительности барабана при угле наклона барабана 3⁰.

Также в экспериментах были определено среднее время пребывания материала при указанных выше параметрах вращающегося барабана.

Рисунок 8. Зависимость времени пребывания материала τ в барабане от производительности барабана GM при угле наклона барабана 10

1 - n = 3,0 об/мин, 2- n = 4,0 об/мин, 3- n = 5,0 об/мин, 4- n = 6,0 об/мин

С помощью метода наименьших квадратов по экспериментальным данным были получены и решены отдельно для каждой точки графических связей, следующие уравнения регрессии.

Аналогичные результаты получены при других значениях углах наклона барабана. Данные представлены на рисунках 9-10, и регрессионные уравнения (19) - (26).

Рисунок 9. Зависимость времени пребывания материала τ в барабане от производительности барабана GM при угле наклона барабана 20

1 - n = 3,0 об/мин, 2- n = 4,0 об/мин, 3- n = 5,0 об/мин, 4- n = 6,0 об/мин

Эмпирические уравнения зависимости времени пребывания материала в барабане от производительности барабана при угле наклона барабана 2⁰.

Рисунок 10. Зависимость времени пребывания материала τ в барабане от производительности барабана GM при угле наклона барабана 30

1 - n = 3,0 об/мин, 2- n = 4,0 об/мин, 3- n = 5,0 об/мин, 4- n = 6,0 об/мин

Эмпирические уравнения зависимости времени пребывания материала в барабане от производительности барабана при угле наклона барабана 3⁰.

Выводы. Из рисунков (5)-(7) видно, что увеличение производительности барабана приводит к увеличению коэффициента распределения материала по поперечному сечению барабана в среднем на 8-10%. Кроме того, увеличение число оборотов вращения барабана приводит к увеличению коэффициента завесы материала по поперечному сечению барабана в среднем на 7-8%.

Из рисунков (8)-(10) видно, что увеличение производительности барабана приводит к уменьшению времени пребывания материала в барабане в среднем на 14-17%. Кроме того, увеличение число оборотов вращения барабана приводит к уменьшению времени пребывания материала в барабане в среднем на 27-38%. Полученные нами экспериментальные данные хорошо согласуются уравнением E.B.Arruda (2) по среднему времени пребывания материала в барабане.

Список литературы:

1. Kemp I. C. Comparison of particles motion correlations for cascading rotary dryers //Proceedings of the 14th International Drying Symposium (IDS), São Paulo, Brazil, B. – 2004. – С. 790-797.
2. Тожиев Р. Ж. и др. Анализ процесса сушки минеральных удобрений в барабанном аппарате //Universum: технические науки. – 2021. – №. 8-1 (89). – С. 31-36.
3. Fernandes N. J., Ataíde C. H., Barrozo M. A. S. Modeling and experimental study of hydrodynamic and drying characteristics of an industrial rotary dryer //Brazilian Journal of Chemical Engineering. – 2009. – Т. 26. – №. 2. – С. 331-341.
4. Юнин В. А. и др. Процесс сушки измельченного растительного материала в барабанной сушилке //Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. – 2020. – №. 1 (57). – С. 335-349.
5. Алтухов А. В. Методология совершенствования и расчета барабанных сушильных агрегатов: дис. – Шымкент, 1999.–312 с.
6. Friedman S. I. RWR Marshall-Studies in Rotary Drying //Chem. Engng. Progr. Bd. – 1949. – Т. 45. – С. 482.
7. Arruda E. B. et al. Comparacao do desempenho do secador roto-fluidizado com o secador rotatorio convencional: secagem de fertilizantes. – 2008.
8. Mujumdar, A. S. (2006). Rotary Drying. In Handbook of Industrial Drying (pp. 177-198). CRC Press.
9. Ахунбаев А. А. Гидродинамическая модель движения в барабанном аппарате с учетом влияния продольного перемешивания //Universum: технические науки. – 2021. – №. 9-1 (90). – С. 34-38.
10. Тожиев Р. Ж. и др. Оптимизация конструкции сушильного барабана на основе системного анализа процесса //Universum: технические науки. – 2020. – №. 11-1 (80). – С. 59-65.