47

Содержание

Введение

Значительные успехи, достигнутые в нашей стране и за рубежом при использовании техники кипящего слоя для целого ряда процессов, основаны, прежде всего, на исключительно благоприятных условиях взаимодействия твердых частиц и газов в псевдоожиженных системах (развитая поверхность ча­стиц и жидкостноподобная текучесть слоя), его изотермичности и сравнительной простоте промышленных агрегатов, легко поддающихся полной механизации и автоматизации.

Наиболее широкое применение в промышленной практике в 60 – х годах нашли установки кипящего слоя для сушки различных материалов. Эта отрасль инженерной техники развилась чрезвычайно быстро. Первые сообщения об использовании аппаратов кипящего слоя для сушки по­явились примерно 20 лет назад. В России и за рубежом (главным образом, в США) существует множество сушильных установок кипящего слоя с производительностью одного аппарата от 2 – 3 до 1000 т/ч.

В технике сушке подвергается множество материалов, различающихся химическим составом, дисперсностью и структурой, адгезионными свойствами и термочувствительностью, содержа­нием и формой связи влаги с материалом и другими свойствами. В химической промышлен­ности процессы массо –и теплопереноса при сушке иногда осложняются протекающими одно­временно химическими реакциями.

Наибольшее применение новый прогрессивный метод сушки нашел в химической, углеобогатительной отраслях промышленности и в цветной металлургии.

В кипящем слое высушивают самые различные материалы: высоковлажные, комкующиеся, слипающиеся, горючие, тонкодисперсные порошки и крупные частицы с размерами до 35 – 40 мм. В последние годы созданы установки кипящего слоя для обезвоживания растворов.

Многообразие высушиваемых материалов, широкий диапазон производительности единичного агрегата и различные пути подхода к разработке инженерного оформления процесса, обусловили появление целого ряда модификаций способа и конструкций аппаратов кипящего слоя для сушки и обезвоживания. Сушильные установки кипящего слоя могут различаться следующими особенностями.

Конфигурация аппарата в зоне слоя и соответственно гид­родинамический режим процесса. Существуют аппараты цилиндрические, цилиндроконические и конические с обычным режимом псевдоожижения или с фонтанирующим слоем. Сечение аппарата бывает круглым, квадратным, прямоугольным с различным соотношением сторон. Известны аппараты с двумя и более зонами, например, для сушки и охлаждения, со ступенчатым изменением площади сечения по высоте и др.

Загрузка влажного материала в аппарат кипящего слоя. Загрузка производится над слоем с помощью обычных питателей или ниже уровня слоя при использовании специальных устройств. Известны также способы рассредоточенной загрузки по фронту слоя специальными забрасывателями. Растворы и пастообразные суспензии подаются в аппарат с помощью различ­ных распылительных форсунок, которые располагаются над слоем, сбоку или снизу слоя. Используются форсунки механические, пневматические или комбинированные. Существуют также сушилки кипящего слоя, в которых распыление раствора или суспензии осуществляют в токе теплоносителя над слоем или снизу через сопло, находящееся на уровне решетки.

Выгрузка сухого материала. Выгрузка производится на уровне слоя через переливной порог или на уровне решетки с помощью подпорного регулирующего устройства. В некоторых установках для обезвоживания растворов применяют пневмосепарирование сухого материала по крупности (мелкая фракция возвращается в слой). Известны установки, работающие с полным выносом сухого продукта из слоя инертных частиц и др.

Способ ввода тепла в слой. В подавляющем большинстве установок все тепло, необходимое для сушки, вносится с теплоносителем, являющимся в то же время псевдоожижающим агентом. В некоторых установках часть тепла передается через теплопередающие поверхности.

Конструкция газораспределительной решетки. Используются плоские перфорированные решетки, беспровальные с газораспределительными колпачками, с соплами для ввода теплоносителя и ряд других конструкций.

Перечисленные особенности не исчерпывают всего многообразия сушки в кипящем слое, появляются описания новых приемов и типов аппаратов.

1. Сушка

1.1 Основные сведения

Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, уменьшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.

Влагу можно удалять из материалов механическими способами (отжимом, отслаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т.е. с помощью тепловой сушки.

Этот процесс широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами (например, фильтрованием), а окончательное ­– сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

В химических производствах, как правило, применяется искусственная сушка материалов в специальных сушильных установках, так как естественная сушка на открытом воздухе – процесс слишком длительный.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Как будет показано ниже, удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло – и массообмена (влагообмена). По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

1) конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

2) контактная сушка – путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3) радиационная сушка – путем передачи тепла инфракрасными лучами.

4) диэлектрическая сушка – путем нагревания в поле токов высокой частоты.

5) сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной, но своеобразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.

Последние три вида сушки применяют относительно редко и обычно называются специальными видами сушки.

Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным газом (в большинстве случаев воздухом). При конвективной сушке влажному газу (являющемуся сушильным агентом) принадлежит основная роль в процессе. Поэтому изучение свойств влажного газа необходимо при рассмотрении процессов сушки и их расчетах.

1.2 Основные параметры влажного газа

При конвективной сушке сушильный агент передает материалу тепло и уносит влагу, испаряющуюся из материала за счет этого тепла. Таким образом, сушильный агент играет роль тепло – и влагоносителя. При прочих методах сушки находящийся в контакте с материалом влажный газ (обычно воздух) используется лишь для удаления испарившейся влаги, т.е. выполняет роль влагоносителя.

Влажный газ является смесью сухого газа и водяного пара. В дальнейшем под влажным газом будет подразумеваться только влажный воздух, учитывая, что свойства топочных газов и влажного воздуха отличаются лишь количественно. Влажный воздух как влаго – и теплоноситель, характеризуется следующими основными параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией (теплосодержанием).

Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в кг, содержащегося в 1м³влажного воздуха. С достаточной для технических расчетов точностью можно считать, что влажный воздух подчиняется законам идеальных газов. Тогда водяной пар как компонент газовой смеси (влажного воздуха), находясь под парциальным давлениемp_П, должен занимать весь объем смеси (1м³). Поэтому абсолютная влажность равна массе 1м³пара, или плотности водяного пара ρ_П (вкг/м³) при температуре воздуха и парциальном давленииp_П.

Относительной влажностью, или степенью насыщения воздуха φ называется отношение массы водяного пара в 1 м³влажного воздуха ρ_П при данных условиях, температуре и общем барометрическом давлении к максимально возможной массе водного пара в 1м³воздуха ρ_Н (плотности насыщенного пара) при тех же условиях:

(1.1)

В соответствии с уравнением состояния идеальных газов (уравнение Менделеева – Клапейрона)

и

(1.2)

где Т– абсолютная температура,°К, М_П– масса 1кмольводяного пара, равная 18кг/кмоль, R – универсальная газовая постоянная, равная 8314дж/(кмоль∙град)= 1,99ккал/(кмоль град),p_Н– давление насыщенного водяного пара при данной температуре (вT °К) и общем барометрическом давлении,н/м².

Подставляя значения ρ_П и ρ_Н в выражение (1.1), получим

(1.3)

Если температура воздуха ниже или равна температуре насыщения, соответствующей общему (барометрическому) давлению (т.е. ниже примерно 100 °С), то максимально возможное давление водяного пара равно давлению сухого насыщенного пара, которое может быть взято из международных таблиц водяного пара при данной температуре воздуха.

Если температура воздуха выше температуры насыщения, то максимально возможное давление водяного пара будет равно общему, или барометрическому, давлению B. В этих условиях

(1.4)

Относительная влажность φявляется одной из важнейших характеристик воздуха как сушильного агента, определяющая его влагоемкость, т.е. способность воздуха к насыщению парами влаги.

При нагревании воздуха приблизительно до 100 °Cвеличина ρ_П, входящая в выражение (1.3), возрастает и соответственно снижается φ; дальнейшее повышение температуры происходит при φ =const. При охлаждении воздуха в процессе сушки, которое сопровождается поглощением влаги из материала,p_Нуменьшается, а φ возрастает, в отдельных случаях вплоть до насыщения воздуха (φ= 1).

В процессе сушки воздух увлажняется и охлаждается и соответственно изменяет свой объем. Поэтому использование в качестве параметра воздуха значение его абсолютной влажности усложняет расчеты. Более удобно относить влажность воздуха к единице массы абсолютно сухого воздуха (1 кгсухого воздуха) – величине, не изменяющейся в процессе сушки.

Количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1кгабсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха:

(1.5)

где m_Пи m_С.В.– масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха,кг; ρ_С.В.– плотность абсолютно сухого воздуха,кг/м³.

Для того чтобы установить связь между влагосодержанием xи относительной влажностью φ, подставим в выражение (1.5) значения ρ_Пи ρ_С.В., определенные из уравнения (1.2). Тогда

где p_С.В.– парциальное давление абсолютно сухого воздуха;М_С.В.– масса 1кмольабсолютно сухого воздуха, равная 29кг/моль.

По закону Дальтона p_С.В.равно разности общего давления влажного воздухаPи парциального давления водяного давления в нём:

pС.В.= P – pП

а из уравнения (1.3)

pП= φ∙pН

Подставляя в приведенное выше выражение для xэти значенияp_Пиp_С.В., а также численные величиныM_ПиM_С.В., получим

(1.6)

Энтальпия Iвлажного воздуха относится к 1кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздухаt(в°С) как сумма энтальпий абсолютно сухого воздухаc_С.В.tи водяного параxi_П(дж/кгсухого воздуха)

I = cС.В .t+ xiП

(1.7)

где c_С.В.– средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, которая может быть принята приближенно равной 1000дж/(кг∙град) [0,24ккал/(кг∙град)];i_П– энтальпия водяного пара,дж/кг.

Водяной пар находится в процессе сушки в перегретом состоянии в смеси с воздухом. Обозначим энтальпию водяного пара при 0 °Cчерезr₀(r₀ = 2493 ∙10³дж/кг) и примем среднюю удельную теплоемкость перегретого парас_п ≈ 1,97 ∙ 10³дж/(кг∙град). Тогда энтальпия перегретого пара

iп= r0 +cп∙ t = 2493∙10^3+1,97∙10^3 ∙t

(1.8)

Подставляя выражение i_пи значениеc_С.В.в уравнение (1.7), получим (вдж/кгсухого воздуха)

I= (1000+1,97∙10^3 ∙x)∙t + 2493∙10^3∙x

(1.9)

При использовании внесистемных единиц энтальпии влажного воздуха выражается соответственно следующим образом (в ккал/кгсухого воздуха):

I= (0,24+0,47∙x)∙t + 595∙x

(1.9а)

Кроме x,φиIпри расчетах процесса сушки необходимо знать плотность или обратную ей величину – удельный объем влажного воздуха. Плотность влажного воздуха ρ_ВЛ.В. равна сумме плотностей абсолютно сухого воздуха ρ_С.В. и водяного пара ρ_П. Учитывая, что, согласно выражению (1.5), плотность водяного пара ρ_П=x∙ρ_С.В., плотность влажного воздуха

ΡВЛ.В.=ρС.В.+ρП=ρС.В.∙ (1 +x)

Плотность абсолютно сухого воздуха из уравнения состояния

Подставляя значенияρ_С.В.иx = 0,622 ∙ p_П/(P − p_П) [см. уравнение (1.6)] в выражение для плотности влажного воздуха, находим

или

(1.10)

Из уравнения (1.10) видно, что при данном внешнем давлении Pплотность влажного воздуха является функцией парциального давления водяного параp_Пи температурыT. В процессе сушки воздух увлажняется (возрастаетp_П) и охлаждается (уменьшаетсяT). СнижениеTоказывает относительно большее влияние на величинуρ_С.В.и, как следует из уравнения (1.10), плотность воздуха при сушке увеличивается. При увлажнении воздуха содержание в нем водяного пара (обладающего меньшим молекулярным весом, чем сухой воздух) возрастает за счет снижения содержания сухого воздуха. Поэтому с увеличением влажности воздух становится легче.

1.3 I – x диаграмма влажного воздуха

Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определяется cпомощьюI – x –диаграммы, впервые разработанной Л. К. Рамзиным. ДиаграммаI – x (cм. рис. 1.1) построена для постоянного давленияP = 745 мм .рт. ст. (около 99 кн/м²) которое по многолетним статистическим данным, можно считать среднегодовым для центральных районов России.

Диаграмма имеет угол 135°между осями координат, причем на оси ординат отложены в определенном масштабе энтальпииI, а на наклонной оси абсцисс – влагосодержанияx, которые, для удобства пользования диаграммой, спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси координат. На диаграмме нанесены: 1) линии постоянного влагосодержания (x =const) – вертикальные прямые, параллельные оси ординат; 2) линии постоянной энтальпии (I =const) – прямые параллельные оси абсцисс; 3) линии постоянных температур, или изотермы (t =const); 4) линии постоянной относительной влажности (φ =const); 5) линия парциальных давлений водяного параp_Пво влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.

Линии φ = const образуют пучок расходящихся кривых, выходящих из одной точки (не показанной на диаграмме) с координатамиt = − 273°Cиx = 0. Для того чтобы линии φ =constне подходили очень близко друг к другу, что затруднило бы пользование диаграммойI – x , последняя построена, как указано выше, в косоугольной системе координат. При температуре 99,4 °Сдавление насыщенного параp_Н = В, т.е. становится равным постоянному барометрическому давлениюB = 745 мм. рт .ст., для которого построена диаграмма.

В этом случае, согласно выражению (1.4) величина φ = p_П/B и уравнение (1.6) принимает вид:

Следовательно, при температурах t ≥ 99.4 °C величина φ не зависит от температуры и практически является величиной постоянной, так же как и влагосодержание воздухаx(при данном значенииp_ПиB =const). Поэтому приt = 99.4 °Cлинии φ =const имеют резкий перелом и идут почти вертикально вверх. Незначительное отклонение направления линий φ =constот вертикального объясняется тем, что в области высоких температур значения ρ_П, а значит и φ несколько зависит от температуры.

Линия φ = 100 % соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Эта линия ограничивает снизу расположенную над ней рабочую площадь диаграммы, отвечающую ненасыщенному влажному воздуху, используемому в качестве сушильного агента. Площадь диаграммы, расположенная под линией φ = 100 %, относится к воздуху, пересыщенному водяным паром, и для расчетов сушилок интереса не представляет.

Рисунок 1.1: – Диаграмма I–x для влажного воздуха.

На диаграмме І – хпо любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все его остальные параметры.

Изображение процессов изменения состояния воздуха на диаграмме. При нагревании влажного воздуха в специальных теплообменниках – калориферах – его относительная влажность φ уменьшается, а влагосодержаниехостается постоянным. Поэтому на диаграммеІ – хпроцесс нагрева воздуха изображают отрезкомAB(см. рис. 1.2), проводя из точки, отвечающей начальному состоянию воздуха(t0, x0), вертикальную линиюx =constвверх до пересечения с изотермой, отвечающей температуре нагрева воздухаt₁.

Процесс охлаждения воздуха (имеющего начальную температуру t₁) при постоянном влагосодержании до его насыщения изображается вертикалью, проведенной из точкиB(характеризующей начальное состояние охлаждаемого воздуха) вниз до пересечения с линией φ = 100 %(отрезокВС). Точка пересечения линийх =constи φ = 100 %(точкаCна рис. 1.2) характеризует состояние воздуха в результате его охлаждения прих =constи называется точкой росы. Изотерма, проходящая через эту точку, определяет температуру точки росыt_Р. Дальнейшее охлаждение воздуха ниже температуры точки росы (например, до температурыt_П) приводит к конденсации из него части влаги и соответственно – к уменьшению его влагосодержания отx₀доx_П.На диаграмме процесс охлаждения насыщенного воздуха совпадает с линией φ = 100 % (криваяСЕ).

Рисунок 1.2: – Изображение процессов изменения

состояния влажного воздуха на I–xдиаграмме.

При адиабатической сушке влага из материала испаряться только за счет тепла, передаваемого материалу воздухом. При этом, если температура высушиваемого материала (а следовательно и содержащейся в нем влаги) не изменяется и равна 0 °С, то энтальпия воздуха после сушкиI₂будет равна его энтальпии перед сушкойІ₁, так как всё тепло, отданное воздухом на испарение влаги, возвращается обратно в воздух с удаляющимися из материала парами. Одновременно понижается температура и увеличивается влагосодержание и относительная влажность воздуха. Такой процесс носит название теоретического процесса сушки (I₂ = I₁ = I =const).

Для сушильной практики большое значение имеет адиабатический процесс испарения со свободной поверхности жидкости, сходный с процессом испарения с поверхности влажного материала в начальный период сушки.

После достижения равновесия между влажным воздухом и испаряющейся влагой температура последней примет постоянное значение, равное температуре мокрого термометра t_М. Если в ограниченный объем воздуха внести достаточное количество воды, имеющей температуруt_М, то по истечении некоторого времени воздух станет насыщенным и примет температуру воды, а дальнейший процесс испарения прекратится. Установившуюся температуру мокрого термометра, которую примет воздух в конце процесса насыщения, называют также температурой адиабатического насыщения. Еслиt_М > 0, то поступающая в воздух испаренная влагаWвносит в него некоторое количество теплаW ∙ c ∙ t_M, поэтому адиабатический процесс охлаждения воздуха в этом случае происходит с повышением его энтальпии (I₂ > I₁). ЕслиL–­­ расход сухого воздуха на испарение, то

L∙(I2 −I1) = W∙c∙tM

или

где c– теплоемкость воды.

Величина W/Lпоказывает увеличение влагосодержания воздуха в процессе его адиабатического охлаждения, равное (x_M − x₁), гдеx_М– влагосодержание воздуха при его полном насыщении влагой при температуреt_М.

Из найденной выше зависимости I₁ = I₂ − (x_М − x₁) ∙ c ∙ t_Мприx₁ = 0 следует:

I1= I2 − xМ∙с∙tM

(1.11)

Уравнение (1.11) служит для нанесения на диаграмму I – xлиний постоянной температурыt_М =const(линии постоянной температуры адиабатического насыщения).

Изменение состояния воздуха (температуры, влагосодержания и относительной влажности) при адиабатическом процессе испарения влаги со свободной поверхности жидкости происходит по линии t_М =const.

Разность между температурой воздуха t_Ви температурой мокрого термометраt_Мхарактеризует способность воздуха поглощать влагу из материала носит название потенциала сушки ε:

ε = tВ −tМ

(1.12)

Потенциал сушки характеризует скорость испарения влаги из материала, которая зависит от состояния воздуха и температуры процесса, т.е. определяется совместным влиянием тепло – и массообмена. Когда воздух полностью насыщается влагой (t_В = t_М), величина ε становится равной нулю.