Лекция № 14. Расчет и конструирование сушильной установки

Влагу можно удалять из материалов механическими способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается с помощью тепловой сушки.

Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажным материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Сушка бывает искусственной - в специальный сушильных установках, и естественная - на открытом воздухе.

Сушка (высушивание) твердых материалов (сокращенно ТМ) состоит в удалении влаги (более или менее полном) из влажных материалов путем ее диффузии из твердого материала и испарения. Необходимость удаления влаги из материала может быть обусловлена разными причинами, например:

- влажный продукт может портиться при хранении, так как влага вредно воздействует на товарные свойства некоторых материалов: слеживание; смерзание в зимнее время; образова­ние плесени (на поверхности пищевых и других продуктов);

- влажность полупродуктов может быть вредна на после­дующих стадиях их переработки: действовать как каталитический яд; ухудшать качество конечных продуктов (например, влага в волокнообразующих полимерах существенно снижает
качество нити при продавливании расплавов полимеров через
отверстия фильеры);

- перевозки высушенного материала потребителю, особен­но на дальние расстояния, обходятся дешевле, нежели влажно­го - более тяжелого.

Сушке подвергают не только твердые влажные материалы; в химической и ряде смежных отраслей промышленности влагу нередко удаляют также из суспензий и растворов.

При большом содержании влаги в исходном материале час­тичное ее удаление возможно механическими методами - осаждением, фильтрацией, центрифугированием; экономически (по затратам энергии) они значительно выгоднее сушки и, где возможно, их следует применять. Однако достаточно полного удаления влаги с их помощью добиться не удается, более глубокое удаление влаги требует использования сушки с большими затратами теплоты на испарение влаги.

Сушка влажных материалов - энергоемкий процесс: на удаление 1 кг влаги требуется затратить по крайней мере теплоту ее испарения (далее увидим, что обычно в 1,5-2,0 раза больше). 12-13% топлива расходуется на высушивание твердых материалов. Чтобы осуществить процесс сушки с максимальной эффективностью, в том числе - с приемлемыми затратами и получением конечного продукта заданной влажности необходимо знать физико-химические основы процесса, представлять себе принципы работы сушильных владеть методами технологического расчета.

В химической технологии наиболее широко распространено высушивание материалов от воды. Поэтому в дальнейшем рассмотрение сушильных процессов строится на примере обезвоживания твердых материалов; переход к построению схемы процесса и к расчету удаления какой-либо иной влаги принципиальных затруднений не вызывает. Объектом последующего изложения являются в основном непрерывные процессы сушки: они более производительны, проще в управлении, позволяют получать стабильный конечный продукт.

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 используют нагретый воздух или топочные газы;

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.

Последние три вида сушки применяются относительно редко и называются специальными видами сушки.

Принципиальные схемы конвективной и контактной сушки приведены на рисунке 53.

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); по взаимному направлению движения материала и сушильного агента в конвективных сушилках (прямоток, противоток).

Сушилки периодического действия отличаются низкой производительностью, громоздки. Сушка в них производится в неподвижном толстом слое (вакуум-сушильные шкафы, шкафные воздушные циркуляционные сушилки) или при перемешивании материала (гребковые вакуумные сушилки). Поэтому, как правило, вместо малопроизводительных сушилок периодического действия применяют сушилки непрерывного действия, в которых достигается сокращение продолжительности сушки, улучшается качество продукта, облегчается обслуживание.

Рисунок 53 - Принципиальные схемы сушки.

а - конвективная; б - контактная.

Сушилки, работающие с использованием топочных газов, более производительны и экономичны, чем воздушные сушилки.

Для сушки кусковых и сыпучих материалов применяют барабанные и гребковые сушилки. Сушку многих сыпучих мелкоизмельченных материалов можно более эффективно проводить в сушилках с кипящим слоем.

Сушка пастообразных материалов связана с налипанием их на стенки сушильных аппаратов и с образованием корки на поверхности высушиваемого материала, что приводит к резкому увеличению длительности сушки. Наиболее пригодными для таких материалов являются петлевые и вальцово-ленточные или вальцово-барабанные сушилки непрерывного действия.

Применение вакуум-сушилок целесообразно в тех случаях, когда атмосферные сушилки не могут быть использованы, например, при сушке быстро окисляющихся, взрывоопасных или выделяющих токсические пары веществ.

На рисунке 54, а представлена конструкция одной из конвейер­ных сушилок, применительно к сушке зернистых материалов ее чаще называют ленточной.

В сушильной камере 1 находится транспортирующее устройство — два вра­щающихся барабана 2, на которых натянута "бесконечная" лента 6. Исходный влажный ТМ из бункера 7 питателем 3 подается на ленту и перемещается по ней противотоком к потоку СА(сушильного агента). В сушильной камере расположены пластины 4 и 5, направляющие ТМ на ленту и СА (I)в пространство над лентой.

Ленточная сушилка работает непрерывно, ее производи­тельность достаточно высока. В приведенном варианте в су­шилке нет потерь теплоты с транспортными приспособлениями (поскольку они целиком размещены внутри сушильной камеры). Однако неравномерность сушки здесь не устранена. Поэто­му используют многоленточные сушилки, принцип работы кото­рых ясен из рисунка 54 ,6. Эти сушилки дороже, но "перетря­хивание" высушиваемого материала при его переходе с ленты на ленту существенно повышает равномерность сушки. Число последовательно расположенных лент в таких сушилках достигает десятка..

Рисунок 54 - Ленточные сушилки: a- одноленточная сушилка, б- многоленточная сушилка; 1 - сушильная камера, 2 - вращающиеся барабаны, 3 - питатели, 4- направляющие перегородки для ТМ, 5 - то же, для СА, 6 - ленты, 7 - загрузочный бункер; I- горячий СА, II - отходящий СА, III - влажный ТМ, IV-высушенный ТМ

Отличительная особенность сушилок с псевдоожиженнымслоем состоит в широких возможностях эффективного высушивания материалов с разнообразными свойствами (от хорошо сыпучих зерен до растворов) и условиями процессов (высокие и умеренные температуры, непрерывные и полунепрерывные режимы, равномерная и пульсирующая подача СА и др.). Соот­ветственно этим свойствам и условиям аппараты с псевдоожи­женным слоем конструктивно оформляются по-разному. Во всех случаях в этих аппаратах СА служит ожижающим агентом.

Особенностью и достоинством сушилок с псевдоожи­женным слоем является выравнивание температур в объеме слоя, поскольку псевдоожиженный ТМ движется в сушилке в режиме, близком к идеальному перемешиванию. Это означает, что в основание слоя можно подавать СА с достаточно высокой температурой, но во всем его объеме температура должна поддерживаться (если необходимо - с помощью теплообменных устройств в слое) на уровне, приемлемом для ТМ и необходимом для сушки - соответственно тепловому балансу.

На рисунке 55 а, показана прямоугольная сушильная камера 1 снаходящейся над ней расширенной сепарационной зоной 2.

На рисунке 55 б, представлен аппарат для обезвоживания растворов: в нем соче­таются процессы выпаривания и сушки.

На рисунке 56 а, показана коническая аэрофонтанная сушилка.

Рисунок 55 - Сушилки с псевдоожиженным слоем:

а - аппарат для сушки зернистых материалов: 1 - сушильная камера, 2 - сепарационная зона, 3 - бункер исходного ТМ, 4 - шнековый питатель, 5 - газораспределительная решетка, 6 - дутьевые камеры, 7 - поворотные заслонки, 8 - газоход (коллектор), 9- короб для вывода высушенного ТМ, 10 - сливной порог; I - горячий СА, I - отработанный запыленный СА, III - исходный ТМ, IV -высу­шенный ТМ; б — аппарат для обезвоживания растворов или суспензий:

1 - камера кипящего слоя, 2 - сепарационная зона, 3- разбрызгиватель, 4- труба для вывода ТМ, 5- питатель, 6 - газораспределительное устройство, 7- камера смешения, 8- кольцевой канал, 9 - топка. 10 - форсунка;

I -топливо (газ, жидкость), II - воздух на сжигание, III— вторичный воздух, IV — пылегазовая смесь, V - раствор, суспензия, VI - высушенный ТМ.

Исходный ТМ подается (III)из бункера 3 питателем 4 в трубопровод, где подхватывается потоком (I)сушильного агента и пневмотранспортом вносится в сушильную камеру 1. В ней устанавливается направленная циркуляция ТМ: восходящий пневмотранспорт в относительно узком центральном канате (и фонтан над ним), нисходящий движущийся слой у стенок камеры, иногда еще - псевдоожиженный слой в кольцевом пространстве между этими зонами. От­работанный СА выводится (II)из сушилки к пылеулавливающим устройствам, ТМ выводится (IV)через наклонную трубу 5 и питатель 4. В некоторых кон­струкциях аэрофонтанных сушилок в основании конуса устанавливают газорас­пределительные решетки; тогда влажный ТМ подают непосредственно всушиль­ную камеру - в зону движущегося слоя.

В аэрофонтанных сушилках сравнительно крупные зерна (размером несколько миллиметров) вовлекаются в достаточно интенсивное движение при умеренных расходах СА (псевдоожижение потребовало бы чрезмерно высоких его рас­ходов). Причина: площадь поперечного сечения центрального канала много меньше площади сечения аппарата над фонтанирующим слоем. Значит, для восходящего транспорта зерен в канале потребуются приемлемые расходы СА, так как его ско­рость в канале значительно выше, чем над слоем. По этим же причинам в аэрофонтанных сушилках возможна работа с поли­дисперсными материалами, причем — без существенного уноса мелочи (пыли).

Аэрофонтанная сушилка обычно близка к аппаратам иде­ального перемешивания. Дело в том, что продолжительность одного оборота зерна (т.е. цикла "восходящий пневмотранспорт в канале - нисходящее движение у стенок - восходящий пневмотранспорт в канале"), как правило, значительно меньше среднего времени пребывания зерна в фонтанирующем слое.

Аэрофонтанная сушка может быть организована в цилиндро-коническом варианте, а также в призматическом аппарате. Схе­матически (без узлов питания и вывода ТМ) призматическая сушилка с щелевым вводом СА (или СА, несущего исходный ТМ) показана на рисунке 56 б.

Рисунок 56 - Аэрофонтанные сушилки: а - коническая, б - призматическая;

1 - сушильная камера, 2 - воздухопровод, 3 - бункер исходного ТМ, 4 - питатель, 5- опускная труба, 6 - щелевой ввод газа или газовзвеси;

I -горячий СА, I I -отходящий СА, III- исходный ТМ, IV- высушенный ТМ, V — горячий СА или газовзвесь его с исходным ТМ.

Для удаления свободной влаги в химической и фармацевти­ческой промышленности широко используются пневмотранспортные сушилки (иначе - трубы-сушилки) (рисунок 57).

Горячий воздух (I),движущийся со скоростью, превышающей скорость ви­тания твердых частиц подхватывает мелкоизмельченный ТМ, опускающийся (VI)по наклонной трубе 9. Высушивание происходит при движении (II)газовзвеси по трубе 1. Далее газовзвесь попадает в расширительную камеру 2, откуда ТМ по наклонной трубе 3 движется совместно с воздухом в циклон 4 и далее (III) - на мультициклоны и фильтры (на схеме не показаны) для отделения высушенных твер­дых частиц. Осевшие в циклоне 4 более крупные частицы выводят­ся (V)из него и могут быть собраны в приемнике высушен­ного материала. Однако часто (такой случай и представлен на рисунке) эти крупные частицы (или агломераты мелких частиц) оказываются не высушенными до приемлемой остаточной влаж­ности; тогда их по стоякам 7и9 возвращают в трубу-сушилку, присоединяя к потоку (IV)ис­ходного влажного материала из бункера 5. Скорость газа в пневмотранспортной сушилке обычно нахо­дится в диапазоне 10—30 м/с.

Рисунок 57 - Пневмотранспортная сушилка:

1 – пневмотранспортная труба, 2 – распределительная камера, 3-наклонная труба, 4 – циклон, 5 - бункер исходного ТМ, 6,7,9 – транспортные трубы, 8 – шнековый питатель-транспортер; I -горячий СА, I I – газовзвесь, I I I –отходящий запыленный СА, IV - исходный ТМ, V- возврат недостаточно высушенного ТМ, VI - смесь исходного и возвращаемого ТМ.

Рассмотрение конвективных аппаратов завершим распылительной сушилкой, используемой для обезвоживания растворов и суспензий (рисунок 58).

Раствор (суспензия) подается (III)по трубе 4 на быстро вращающийся диск 3, дробящий жидкостной поток и разбрызгивающий капли. Они падают в широкой сушильной камере 1, куда подается (I) из коллектора 2 по нескольким (по окружности камеры 1)вводам 5 горячий СА. Высушенный сыпучий ТМ транспортируется медленно вращающимся гребковым устрой­ством 6 к отверстию вывода, откуда с помощью шнекового питателя 7 выводится (IV)из сушилки. Отра­ботанный СА, несущий мелкую пыль ТМ, проходит через фильтры 8, расположенные в кольцевом пространстве аппарата, и выводится (II)из него. Уловленный в фильтрах материал собирается и присоединяется к основному потоку IVвысушенного ТМ.

В распылительных сушилках тоже невелико время контакта ТМ с горячим СА, и потому их также можно использовать для сушки термолабильных материалов. Для распылительных су­шилок, как и для пневмотранспортных, характерны высокие расходы.

Рисунок 58 – Распылительная сушилка: 1 – сушильная камера, 2 – коллектор СА, 3 – вал с диском, 4 – трубка для подачи раствора (суспензии), 5 – вводы СА по окружности аппарата, 6 – гребковое устройство, 7 – шнек, 8 – фильтры; I-горячий СА, II – отходящий СА, III – раствор или суспензия, IV- высушенный ТМ.

Конструкция барабанной сушилки приведена на рисунке 59.

Рисунок 59 - Конструкция барабанной сушилки.

Общие принципы расчета барабанной сушилки:

1. Параметры топочных газов, подаваемых в сушилку.

2. Параметры отработанных газов. Расход сушильного агента.

3. Определение основных размеров сушильного барабана.

Общие принципы расчета сушилки с псевдоожиженным слоем:

1. Расход воздуха, скорость газов, диаметр сушилки.

2. Высота псевдоожиженного слоя.

3. Гидравлическое сопротивление сушилки.

Литература: 1 осн.[292-311].

Контрольные вопросы:

1. Типы сушильных агрегатов.

2. Принципиальные схемы сушки.

3. Конструкции ленточных сушилок.

4. Конструкции сушилки с псевдоожиженным слоем.

5. Конструкции аэрофонтанных сушилок.

6. Конструкции пневмотранспортных и распылительных сушилок.

7. Конструкция барабанной сушилки.

Дата добавления: 2014-12-10