Устройство сушильных аппаратов в процессе массопередачи

Введение

    В различных отраслях народного хозяйства широко распространены процессы удаления жидкости (растворителей) с поверхности или из внутренних слоев различных материалов. В качестве удерживаемых материалами жидкостей могут быть вода, метанол, бензин, метаноло - ацетоновая смесь, бензино - изопропиловая смесь и т. п. Среди существующих способов обезвоживания материалов (сушка, отжатие, центрифугирование, фильтрование, отсасывание, поглощение химическими реагентами и т. д.) особое место занимает тепловая сушка, при которой удаление влаги из материала происходит в основном путем испарения.

 

 Под сушкой понимают совокупность термических и массообменных процессов у поверхности (внешняя задача) и внутри (внутренняя задача) влажного материала, способствующих его обезвоживанию. Обезвоживание материалов, в том числе и сушка, предназначается для улучшения их качества и долговечности, например при сушке древесины, увеличения теплотворности при сушке топлива, возможности длительного хранения при сушке пищевых продуктов и т.д. Поэтому в ряде случаев сушка сопровождается структурно-механическими, химическими, биохимическими, реологическими изменениями высушиваемого материала.

 

 Скорость протекания этих  процессов, степень их завершенности  зависит не только от способа  подвода теплоты к материалу,  но и от режима сушки.

 

Для оценки перспективности способа сушки влажные материалы делят на шесть основных групп: истинные и коллоидные растворы, эмульсии и суспензии; пастообразные материалы, не перекачиваемые насосом; пылевидные, зернистые и кусковые материалы, обладающие сыпучестью во влажном состоянии; тонкие гибкие материалы (ткани, пленка, бумага и т.п.); штучные массивные по объему материалы и изделия (керамика, штучные строительные материалы, изделия из древесины и т.п.); изделия, подвергающиеся сушке после грунтования, окраски, склеивания и других поверхностных работ.

 

 

1.Теория технологии процесса сушки материалов

 

 Сушка-это процесс удаления из материалов влаги, обеспечиваемый ее испарением и отводом образовавшихся паров. Сушка материалов и изделий производится в зависимости от их назначении или последующей обработки. Для ряда материалов в результате сушки увеличивается прочность, долговечность, облегчается обработка, улучшаются теплоизоляционные свойства и т.д.

 

 Различают сушку естественную (на открытом воздухе) и искусственную (в сушилках). При естественной сушке материал можно высушить только до влажности, близкой к равновесной. Преимущество искусственной сушки состоит в ее малой продолжительности и возможности регулирования конечной влажности материала. Аппараты, в которых осуществляют сушку, называют сушилками. По способу сообщения тепла различают конвективные, контактные, терморадиационные, сублимационные и высокочастотные сушилки. Дисперсные материалы, к которым относятся зернистые, порошкообразные, гранулированные, дробленные твердые, а также диспергированные жидкие и пастообразные продукты, в химической технологии высушивают, главным образом, конвективным способом.

 

 В конвективных сушилках тепло процесса несет газообразный сушильный агент (нагретый воздух, топочные газы или смесь их с воздухом), непосредственно соприкасающийся с поверхностью материала. Пары влаги уносятся тем же сушильным агентом. В сушилках многих типов со взвешенным слоем высушиваемого материала сушильный агент служит не только тепло- и влагоносителем, но и транспортирующей средой для дисперсного материала.

 

 Если соприкосновение высушиваемого  материала с кислородом воздуха  недопустимо или если пары  удаляемой влаги взрыво- или огнеопасны, сушильным агентом служат инертные к высушиваемому материалу газы: азот, диоксид углерода, гелий и другие инертные газы или перегретый водяной пар.

 

 Скорость процесса сушки влажного материала нагретым воздухом зависит от интенсивности внешнего и внутреннего тепло- и массообмена, т.к. от этих процессов зависит количество влаги, подведенной к поверхности испарения.

 

В простейшем виде процесс сушки осуществляется таким образом, что сушильный агент, нагретый до предельно допустимой для высушиваемого материала температуры, используется в сушильном аппарате однократно. Этот процесс называется основным. Снижение температуры термолабильных материалов обеспечивается созданием дополнительной поверхности нагрева внутри сушильной камеры или нагреванием воздуха по ходу процесса за счет тепла, полностью вносимого в сушильную камеру. В процессе сушки во влажном материале происходит перенос влаги, как в виде жидкости, так и в виде пара.

 

 Изучение закономерностей переноса влаги и теплоты может идти двумя путями:

-на основе молекулярно-кинетического  метода, т.е. изучения микроскопической  картины происходящих при этом  процессов и осмысливания физической  сущности отдельных составляющих  сложного явления.

-на основе понятий термодинамики  процесса. Изучает макроскопические  свойства тел и системы тел  и процессы их взаимодействия, не интересуясь поведением отдельных  молекул.

 

 Перенос газообразного вещества  может происходить молекулярным  путем за счет хаотического  перемещения отдельных молекул  (диффузия) или за счет направленного  перемещения молекул, когда каждая  из них движется независимо  друг от друга (эффузия), и молярным  путем, когда перемещаются группы, скопления молекул под действием  разности давлений в различных  точках тела.

 

 Для сушки материалов, требующих  повышенной влажности сушильного  агента и невысоких температур, применяют устройства, обеспечивающие  рециркуляцию (возврат) части отработанного  воздуха в сушилку, а также  сушилки с промежуточным подогревом  воздуха между отдельными ступенями  (или зонами) и одновременной рециркуляцией  его. При сушке трудно сохнущего  материала или для улучшения  его сыпучести применяют рециркуляцию  части высушенного продукта, т.е.  возврат его на вход сушилки  и смешение с исходным материалом.

 

 Когда удаляемая из материала  жидкость является ценным продуктом  (спирты, эфиры, углеводороды и  другие растворители), а также  при сушке огне- и взрывоопасных  материалов применяют схемы с  полностью замкнутым циклом инертных  газов, включающие дополнительно  устройства для конденсации и  удаления из системы испаряющейся  влаги и одновременного осуществления  циркулирующих в системе газов.

 

 Перечисленные схемы являются  вариантами основного процесса  и находят широкое применение  во многих производствах химической  промышленности.

 

 Механизм конвективной сушки можно представить следующим образом. При введении влажного тела в нагретый газ происходит перенос тепла к поверхности материала, обусловленный разностью температур между ними, нагрев его и испарение влаги. При этом повышается парциальное давление вблизи поверхности тела, что и приводит к переносу паров влаги в окружающую среду. В результате испарения влаги с поверхности и отвода образовавшихся паров возникает градиент концентрации влаги в материале, являющийся движущей силой внутреннего перемещения ее из глубинных слоев к поверхности испарения. При перемещении происходит нарушение связи влаги с веществом твердого тела, что требует дополнительных затрат энергии сверх той, которая необходима для парообразования. Поэтому скорость процесса зависит от характера или формы связи влаги с сухим веществом материала.

 

 

2.Классификация сушильных аппаратов

   

Промышленные сушильные установки  классифицируют по следующим признакам:

1) по способу подвода теплоты к материалу:

      а) конвективные,

      б) кондуктивные,

      в) радиационные,

      г) электромагнитные,

      д) комбинированные(конвективно-радиационные,

                 конвективно -радиационно – высоко - частотные и т. п.);

 

2) по функционированию во времени:

     а) непрерывного действия,

     б) периодического действия,

     в) полу непрерывного действия;

 

3) по конструкции:

     а) камерные,

     б) шахтные,

     в) туннельные,

     г) барабанные,

    д) трубчатые,

    е) ленточные,

   ж) взвешенного слоя,

    з) распылительные,

    и) сублимационные и др.

 

 Из приведенной классификации  наибольшее распространение получили  конвективные сушильные установки. Эти установки разделяют на несколько групп:

1)по применяемому сушильному агенту на:

       а) воздушные,

      б) на дымовых (топочных) газах,

      в) на неконденсирующихся в процессе сушки газах (азоте, гелии,                        перегретом водяном паре и т.д.);

 

2)по схеме движения сушильного агента на:

     а) однозонные (с однократным использованием сушильного агента, рециркуляцией),

    б) многозонные (с промежуточным подогревом сушильного агента, рециркуляцией его в зонах, рециркуляцией между зонами и т.п.);

 

3)по давлению в сушильной камере на:

      а) атмосферные,

      б) вакуумные;

 

4)по направлению движения сушильного агента относительно материала на:

     а) прямоточные,

    б) противоточные,

    в) перекрестно-точные,

    г) реверсивные.

 

 

3.Устройство сушилок

Конструкции сушилок очень  разнообразны и отличаются по ряду признаков: по способу подвода тепла (конвективные, контактные и др.), по виду используемого теплоносителя (воздушные, газовые, паровые), по величине давления в сушильной камере (атмосферные и вакуумные), по способу организации процесса (периодические и непрерывные), а также по взаимному направлению движения материала и сушильного агента в конвективных сушилках (прямоток, противоток, перекрестный ток). Это крайне затрудняет обобщающую классификацию сушилок. Ниже мы ограничимся рассмотрением групп сушилок, которые находят применение (или перспективны для применения) в химической технологии, объединенных по способу подвода тепла и состоянию слоя высушиваемого материала (неподвижный, перемешиваемый и т. д.).

 

 

4.Барабанная сушилка

 

 В сушильной технике барабанные  сушилки являются наиболее распространенным  типом. Первоначально такие сушилки  представляли собой открытую  вращающуюся трубку, через которую  пропускались горячие дымовые  газы, вступавшие в тепло - и  массообмен с движущимся по трубе материалом. Барабанные сушилки применяются для сушки сыпучих и малосыпучих материалов (колчедан, уголь, фосфориты, минеральные соли, руда, удобрения, песок, различные химические продукты и т.д.). Высокая приспособляемость позволила им найти им найти применение во многих отраслях промышленности и в с/х при индустриальном производстве кормов.

 

4.1Конструкция  и принцип действия барабанной  сушилки

 

 По конструктивному использованию  барабанные сушилки очень разнообразны. Сушилка может быть выполнена  в виде единственной трубы,  может также представлять собой  систему, состоящую из большого  числа труб разных диаметров,  вставленных одна в другую.

 

Барабанные сушилки широко применяются для непрерывной сушки при атмосферном давлении кусковых, зернистых и сыпучих материалов (минеральных солей, фосфоритов и др.)

 

 

Барабанная сушилка  имеет цилиндрический барабан, установленный с небольшим наклоном к горизонту (1/15—1/50) и опирающийся с помощью бандажей 2 на ролики 3. Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 4 и редуктор. Число оборотов барабана обычно не превышает 5 — 8 об мин; положение его в осевом направлении фиксируется упорными роликами 5. Материал подается в барабан питателем 6, предварительно подсушивается, перемешиваясь лопастями 7 приемно-винтовой насадки, а затем поступает на внутреннюю насадку, расположенную вдоль почти всей длины барабана. Насадка обеспечивает равномерное распределение и хорошее перемешивание материала по сечению барабана, а также его тесное соприкосновение при пересыпании с сушильным агентом — топочными газами.

Газы и материал особенно часто движутся прямотоком, что помогает избежать перегрева материала, так как в этом случае наиболее горячие газы соприкасаются с материалом, имеющим наибольшую влажность. Чтобы избежать усиленного уноса пыли с газами последние просасываются через барабан вентилятором 8 со средней скоростью, не превышающей 2— 3 м/сек. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются от пыли в циклоне 9. На концах барабана часто устанавливают уплотнительные устройства (например, лабиринтные), затрудняющие утечку сушильного агента.

 

У разгрузочного конца  барабана имеется подпорное устройство в виде сплошного кольца или кольца, образованного кольцеобразно расположенными поворотными лопатками (в виде жалюзи). Назначение этого кольца — поддерживать определенную степень заполнения барабана материалом; как правило, степень заполнения не превышает 20%. Время пребывания обычно регулируется скоростью вращения барабана и реже — изменением угла его наклона. Высушенный материал удаляется из камеры 10 через разгрузочное устройство 11, с помощью которого герметизируется камера 10 и предотвращается поступление в нее воздуха извне. Подсосы воздуха привели бы к бесполезному увеличению производительности и энергии, потребляемой вентилятором 8.

 

4.2.Устройство внутренней насадки

Устройство внутренней насадки  барабана зависит от размера кусков и свойств высушиваемого материала.

 

Подъемно-лопастная  насадка используется для сушки крупнокусковых и склонных к налипанию материалов, а секторная насадка — для малосыпучих и крупнокусковых материалов с большой плотностью. Для мелкокусковых, сильно сыпучих материалов широко применяются распределительные насадки. Сушка тонкоизмельченных, пылящих материалов производится в барабанах, имеющих перевалочную насадку с закрытыми ячейками. Иногда используют комбинированные насадки, например подъемно-лопастную (в передней части аппарата) и распределительную.

 

4.3.Типы насадок барабанных сушилок:

 

а – подъемно лопастная; б –  секторная; в,г – распределительная; д – перевалочная

 

 

 

5.Достоинства барабанных сушилок

Достоинства:

- интенсивность и равномерность  сушки вследствие тесного контакта  материала и сушильного агента;

- относительная простота и компактность  устройства;

- большая производительность;

- большое напряжение барабана  по влаге, достигает 100 кг/м3  и более;

- Большая экономичность, по  сравнению с шахтными.

 

 К недостаткам  относятся:

- громоздкость при значительных  затратах металла и необходимость  сооружения специального помещения.