Аппаратурно-технологическое оформление процессов сушки

Современная техника сушки чрезвычайна разнообразна. Стремление к интенсификации процессов сушки и повышению производительности единичного агрегата, совмещение сушки с другими технологическими операциями привело к созданию разнообразных конструкций и, техно­логических схем сушильных установок [47, 50, 102].

Известны случаи применения для сушки одного материала различ­ных сушильных установок. Тем не менее, для сходных по своим физи­ко-химическим и структурно-механическим свойствам материалов реко­мендуется ограниченное количество способов сушки и конструкций су­шилок, использование которых проверено практикой и экономически целесообразно.

В связи с задачей выбора способа сушки влажные материалы де­лят на шесть основных групп [26]:

1) жидкотекучие материалы – истинные и коллоидные растворы, эмульсии и суспензии, т.е. материалы, которые можно перекачивать на­сосами;

2) пастообразные материалы, которые не перекачиваются насосами;

3) твердые дисперсные материалы, обладающие сыпучестью во влажном состоянии: пылевидные, зернистые и кусковые;

4) тонкие гибкие материалы: ткани, пленки, бумага, картон;

5) штучные, массивные, крупногабаритные материалы и изделия: керамика, элементы строительных конструкций, изделия из древесины;

6) изделия, подвергающиеся сушке после грунтования, окраски, склеивания и других работ на поверхности.

Рассмотрим основные особенности сушки, конструкции сушилок и методы расчета, характерные для различных групп материалов.

6.5.1. Сушка жидкотекучих материалов. Для получения сухого мате­риала из жидкотекучих растворов или суспензий используют сушилки: вальцовые, вакуум-вальцовые, распылительные, вакуум-распылитель­ные, со слоем инертного твердого носителя, вихревые и т. д.

При производительностях 10–20000 кг/ч по испаренной влаге наи­более распространены распылительные сушилки (рис. 6.24) в связи с их конструктивной простотой, малым термическим воздействием на материал в процессе сушки, возможностью регулирования конечных значений влагосодержания сушимого материала, высокой экономично­стью, технологической простотой процесса из-за отсутствия таких про­межуточных стадий, как фильтрация, центрифугирование, кристалли­зация, размол и т. д. [50, 105]; К недостаткам этого способа сушки можно отнести небольшую удельную объемную влагонапряженность установок = 10÷20 кг/(м³·ч) и как следствие – значительные габариты установки, повышенные расходы электроэнергии, необходимость применения систем пылеочистки отходящего сушильного агента.

Принципиальные схемы наиболее распространенных распылитель­ных сушилок приведены на рис. 6.24 [50]. Раствор с высоким (да 1000–1400%) начальным. влагосодержанием подается к распиливаю­щему устройству (на рис. 6.24,а–в –диску; г–е – механической или пневматической форсунке).

Значительное увеличение поверхности материала при его дисперги­ровании способствует ускорению передачи теплоты от сушильного агента Распиливающее устройство чаще всего расположено в верхней части цилиндрической (схемы в, г) или цилиндрически-конической (схемы а, б, д, е) сушильной камеры. Сушильный агент (воздух, то­почные газы, перегретый пар и т. п.) подается прямотоком (схемы а– г е) или противотоком (схема д) в сушильную камеру через специ­альные газоподводящие устройства, способствующие равномерному распределению его по камере. Прямоток позволяет использовать су­шильный агент с высокой начальной температурой (до 800–1000 °С), как правило, без опасности перегрева материала, поскольку до 80– 90% теплоты передается раствору в зоне факела распыла, что приво­дит к резкому снижению его температуры. Температура сухих частиц определяется в основном температурой сушильного агента на выходе из камеры.

Эффективность и технико-экономические показатели работы распы­лительных сушилок во многом зависят от работы распылителя. К чис­лу важнейших требований, предъявляемых к распылителям, относят качество распыления, т. е. размер получаемых капель и их однород­ность, высокую производительность единичного распылителя, минимальные энергозатраты на распыле­ние, надежность работы, простоту обслуживания и т. д.

Механические форсунки грубого распыла работают при давлении 0,2– 0,5 МПа, при тонком распыле (диа­метр капель. не превышает 200– 250 мкм); давление раствора должно быть 15–20 МПа. Производитель­ность одной форсунки составляет в среднем 300–600 кг/ч, максималь­ная – до 4000 кг/ч. Удельный (на 1000 кг раствора) расход электроэнер­гии не превышает 2–4 кВт-ч/т раствора. В пневматических форсунках используют распиливающий агент с давлением 0,4–0,6 МПа. Его расход – 0,4–0,7 м³/кг раствора. Рас­ход электроэнергии на 1 т раствора существенно выше, чем при меха­ническом распыле (до 50–70 кВт·ч/т раствора). Наиболее распрост­ранены в качестве распылителей центробежные диски (рис. 6.25). При диаметре до 400 мм производительность дисков достигает 20–25 т/ч. Расход энергии при этом составляет 5–10 кВт-ч/т раствора.

Рис. 6.25. Центробежные диски:

а – одноярусный; б – многоярусный

На конструкцию и габариты камеры влияют: интенсивность тепло-и массообмена между сушильным агентом и диспергированным мате­риалом, скорость и траектории движения капель и частиц, а также ад­гезионные свойства продукта [50, 105].

Расчеты промышленных установок выполняют обычно в два эта­па – на стадии проектирования и на стадии аппаратурного оформле­ния. На стадии проектирования устанавливают расходы энергии, су­шильного агента, основные размеры сушильной камеры (диаметр, вы­соту). В этом случае целесообразно использовать методики расчета, учитывающие влияние лишь основных из указанных выше факторов. На стадии аппаратурного оформления при разработке новых высоко­эффективных сушильных установок необходима подробная информа­ция о движении капель и сушильного агента в камере и влиянии от­дельных теплотехнических и конструктивных факторов на процесс суш­ки и габариты установки. В этом случае необходимо пользоваться сложными расчетно-аналитическими методиками.

6.5.2. Сушка твердых дисперсных материалов.Конвективная сушка твердых дисперсных сыпучих материалов проводится в сушилках сплотным слоем, с полувзвешенным и полностью взвешенным слоями материалов.

Слой сыпучего материала характеризуется сложной внутренней структурой. Объем слоя, V₁ всегда больше объема твердых частиц в нем V₂.

Расчеты показывают, что порозность плотного слоя шарообразных частиц равногодиаметра лежит впределах от 0,259 до 0,476. Однако в зависимости от распределения частиц по размерам, их формы и раз­мера, способа укладки и уплотнения слоя эта величина может быть больше или меньше указанных значений. Плотным называют слой, ес­ли ε=0,25-0,45. Для взвешенного слоя ε стремится к единице. В по­лувзвешенном состоянии частиц порозность изменяется от 0,4 до 1.

Рис. 6.26. Сушилки с плотным слоем дисперсного материала: → → – ввод и вывод соответственно сушильного агента и материала

В конвективных сушилках с плотным слоем сушильный агент пода­ется вдоль (рис. 6.26,а, б) или через (рис. 6.26,8, г) него. В полочных сушилках с периодической (рис. 6.26,а) загрузкой и разгрузкой мате­риала сушильный агент забирается вентилятором 1 из помещения, сме­шивается с частью уже отработавшего агента, нагревается в калорифе­ре 2 и по' вентиляционным коробам 3 подается к материалу, лежащему тонким слоем на полках 4. В отличите от полочных камерные сушилки могут работать непрерывно. В этом случае материал подается на верх­нюю полку, дно которой составляют узкие продольные пластины. Че­рез определенный промежуток времени пластины поворачиваются в вертикальное положение вдоль продольной оси, давая возможность материалу пересыпаться на вторую полку. С нижней полки высушен­ный материал ссыпается в бункер. Циркуляция сушильного агента осуществляется так же, как и в полочных сушилках. В турбинных су­шилках (рис 6.26,6) в качестве нагнетателя используют воздушные турбины /, расположенные в центре сушилки и вращающиеся на верти­кальном валу. Полки (тарелки) 4 с материалом вращаются с частотой около 2 об/мин. Специальные сбрасыватели способствуют перемеще­нию материала с полки на полку.

В существующих сушилках D_H достигает 12 м, А_F= 1,5÷10кг/(м²•ч) (меньшие значения – для сушки воздухом химических веществ до влагосодержания около 1%, большие – для сушки топочными газами); ¢=0,67-0,8 (меньшие значения для сушилок с F_n до 100 м², большие –для сушилок с F_a до 1000 м²). Расход электроэнергии на привод полок в таких сушилках составляет 5–6 кВт·ч/т испаренной влаги, скорость сушильного агента между полками – около 2 м/с.

Рис. 6.27. Ленточная cушильная установка для сушки дисперсных и волокнистых материалов в движущемся слое:

1 – ленточный транспортер; 2 – ворошители; 3 – вывод рециркуляционного воздуха; 4–материал; 5 – вход свежего воздуха; 6 – калорифер; 7– вентилятор; 8 – распределительный канал

К сушилкам с плотным слоем, в которых сушильный агент фильтру­ется сквозь слой материала снизу вверх или сверху вниз, относятся шахтные (рис. 6.26,в) и ленточные (рис. 6.26,г). В шахтных сушилках материал перемещается сверху вниз под действием силы веса сплош­ной массой. Время его пребывания в шахте регулируется количеством отводимого снизу высушенного материала. Для уменьшения гидравли­ческого сопротивления слоя материала и повышения равномерности сушки сушильный агент подают в несколько рядов нагнетающих коро­бов 5 и отводят соответственно в такое же количество отводящих коро­бов 6 (рис. 6.26,в). Расстояние между коробами по вертикали обычно составляет 150–200 мм, а по горизонтали – до 100 мм. Условную ско­рость сушильного агента, рассчитанную на незаполненное сечение шах­ты, принимают равной 0,3–0,4 м/с.

Ленточные сушилки (рис. 6.26,г, 6.27) представляют собой аппара­ты непрерывного действия с ленточным транспортером, на рабочем по­лотне которых располагают слоем сушимый материал (зернистый, кус­ковой, волокнистый и др.). Эти сушилки нельзя применять для обезво­живания тонкодисперсных пылящих материалов, так как пыль может проваливаться через рабочее полотно и оседать на калориферах. За­грузку материала осуществляют питателем. В качестве сушильного агента могут быть использованы топочные газы или воздух с темпера­турой не более 400 °С. Для нагревания и циркуляции воздуха в сушил­ке установлены калориферы и вентиляторы. Сушильный агент цирку­лирует сквозь слой материала сверху вниз поперек камеры. Возможны и другие направления: снизу вверх, попеременно, вдоль транспорте­ра прямотоком и противотоком. Скорость сушильного агента не долж­на превышать 1,5 м/с. Ленточные сушилки бывают секционными; ко­личество секций можно менять в зависимости от производительности и температурного режима.

Рис. 6.28. Схемы сушилок с полувзвешенным состоянием дисперсного материала: → → –ввод и вывод соответственно сушильного агента и материала

Наиболее просто расчет ленточной сушилки выполнять по влагонапряженности A_f. Среднее значение A_f составляет 5÷18 кг/(м²·ч). Максимальное значение A_F достигался при сушке топочными газану и составляет примерно 30 кг/(м²·ч).

Сушилки с полувзвешенным состоянием материала (рис. 6.28) ис­пользуют для сушки дисперсных и в том числе кусковых материалов. В них часть материала находится во взвешенном состоянии, что увели­чивает поверхность тепломассообмена. К таким сушилкам относится валковая сушилка (рис. 6.28,а), имеющая в нижней части камеры два вала с насаженными на них лопатками-билами для дробления и раз­рыхления материала. Сушильный агент, двигаясь над материалом, пронизывает и высушивает его. Отработавший сушильный агент очища­ется в пылеочистных сооружениях.

Барабанные сушилки широко применяются в крупнотоннажных производствах, поскольку имеют большую производительность, надеж­ны, просты в эксплуатации и экономичны. Основным узлом таких сушилок (рис. 6.28,б; 6.29) является вращающийся от электропривода барабан /, устанавливаемый на двух роликовых опорах 2 и 3 с накло­ном в 3–4°, как правило, в сторону выгрузки материала. Для предот­вращения осевого смещения, один из бандажей барабана опирается на опорно-упорный ролик 3. Барабан вращается с частотой 8– 12 об/мин. В качестве сушильного агента обычно используют топочные газы. Влажный материал и топочные газы подаются в барабан и дви­жутся в нем прямотоком. Для термоустойчивых материалов возможно использование противотока (рис. 6.28,6). Для увеличения поверхности тепломассообмена и коэффициента теплоотдачи от сушильного агента к материалу внутри барабана устанавливают насадку: в начале барабана – приемно-винтовую, а далее по ходу материала – основную в ви­де лопастей, секторов или их комбинации. При вращении барабана ло­пасти насадка захватывают из нижней части барабана – «завала» – материал и поднимают его в верхнюю часть. Падая затем вниз, мате­риал хорошо перемешивается и размельчается. При этом увеличивается поверхность его соприкосновения с сушильным агентом.

Рис. 6.29. Барабанная прямоточная сушилка:

1 – барабан; 2, 3 – роликовые опоры; 4 – вход сушильного агента; 5 – влажный материал; 6 – приемно-винтовая насадка; 7 – вывод сушильного агента; 8 – насадка лопастная; 9 – высушен­ный материал

Удельный расход теплоты в барабанных сушилках на топочных га­зах составляет 3500–6300 кДж, а удельный расход сушильного аген­та–15–25 кг (на 1 кг испаренной влаги). При выборе размеров ба­рабана пользуются экспериментально установленной производительно­стью единицы объема барабана по испаренной влаге A_v, зависящей от степени заполнения объема сушилки, вида сушимого материала, его начального и конечного влагосодержаний, а также от режимных пара­метров сушильного агента.

Барабанная контактная сушилка типа СБК может быть использо­вана для сушки дисперсных материалов, но без непосредственного со­прикосновения продукта с теплоносителем. Исходный продукт съемным шнеком, расположенным на центральной трубе сушилки, подается в межтрубное пространство. Теплоноситель (пар или горячая вода) по­ступает в центральную трубу и затем в жаровые трубы, обогревая их. При вращении барабана продукт пересыпается, контактируя с нагре­тыми поверхностями труб, и высыхает. Сушилка имеет три камеры: для загрузки продукта; для разгрузки продукта и отсоса паров; для отвода теплоносителя.

В настоящее время известны разнообразные конструкции сушилок, с «кипящим» или псевдоожиженным слоем, принципиальные схемы ко­торых изображены на рис. 6.28,в, г [50, 68, 98]. Распространению этих сушилок способствуют такие их достоинства, как большое количество теплоты, передаваемой в единице объема слоя за счет развитой по­верхности материала, изотермичность слоя по высоте и ширине, широ­кий спектр свойств и состояния сушимых материалов (дисперсных, па­стообразных, жидких).

При большом разнообразии конструкций сушилок с кипящим слоем для всех них характерно наличие газораспределительного устройства, представляющего собой решетку, которая обеспечивает равномерный подвод. сушильного агента к слою, а также поддерживает материал при отсутствии потока сушильного агента. Подачу влажного материа­ла, как правило, производят в верхней части сушилки, а отвод – в нижней, на уровне газораспределительной решетки. Однокамерные су­шилки (рис. 6.28,8) могут быть цилиндрическими, прямоугольными, с постоянным или увеличивающимся сечением по высоте. Многокамер­ные сушилки (рис. 6.28,г) имеют вертикальное или горизонтальное рас­положение камер. В многокамерных сушилках достигаются большие тепловая экономичность и равномерность сушки материала.

Количество испаряемой влаги в расчете на 1 м² газораспредели­тельной решетки имеет широкие пределы – от 60 до 3000 кг/(м²-ч). Описание процессов гидродинамики и тепломассообмена в кипящем слое, а также методы их расчетов приведены в [50, 68, 98].

Недостатком сушилок с кипящим слоем является повышенный рас­ход сушильного агента [50]. Сушилки с виброкипящим слоем (рис. 6.28,5), в которых движение частиц, материал а происходит в основном за счет механических воздействий, обладают лучшими показателями, чем установки с кипящим слоем. Вибрационные воздействия на материал возникают при колебательном движении всей сушильной камеры или помещении в слое вибрирующих перегородок. Разработанные НИИХиммаш сушилки с виброкипящим слоем имеют площадь решетки 0,6–8,0м², производительность по испаренной влаге 20–400 кг/ч, па­раметры вибрации: амплитуду 0,5–2,0 мм, частоту вращения 145– 300 рад/с.

Аэрофонтанные сушилки относятся к установкам с полувзвешенным слоем, поскольку в центре таких сушилок дисперсный материал пнев­мотранспортом движется вверх, а по стенкам камеры возвращается в слой. Аэрофонтанные сушилки бывают без поддерживающей решетки (рис. 6.28,е) и с решеткой (рис. 6.28,ж) [50]. Угол конусности таких сушилок принимают обычно в интервале 30–70°. Практически апро­бированное отношение максимального диаметра камеры к минималь­ному, обеспечивающее устойчивую работу сушилки, равно 3–10. Ско­рость газа (рис. 6.28,е) в узком сечении сушилки в .1,5–2,0 раза выше скорости витания частиц; для сушилки на рис. 6.28,ж она близка к ско­рости витания.

Среди сушилок со взвешенным слоем материала выделяют установ­ки с прямолинейным движением сушильного агента и материала (па­дающий слой) (рис. б.30.а), трубы-сушилки (рис. 6.30,6, в) и установки с закрученным потоком сушильного агента [спиральные (рис. 6.30,г), вихревые (рис. 6.30,(5), циклонные (рис. 6.30,е)]. В сушилках с падающим слоем движение материала внутри шахты сверху вниз оп­ределяется гравитационными силами. Сушильный агент движется пря­мотоком или противотоком, однако при небольших скоростях движения он практически не влияет на свободное падение материала. Из-за крат­ковременного пребывания материала в таких сушилках их используют для удаления лишь свободной влаги. Ввиду малых концентраций ма­териала в единице рабочего объема сушилки и относительных скоро­стей движения сушильного агента и материала интенсивность сушки также невелика. Высота таких сушилок достигает 40–60 м, поэтому их редко используют в сушильной технике.

В трубах-сушилках влажный материал подается питателем в ниж­нюю часть вертикальной трубы. Сушильный агент (как правило, то­почные газы) подается ниже места ввода материала со скоростью, до­стигающей 40–50 м/с, что превышает скорость витания частиц. Он подхватывает материал и транспортирует его в верхнюю часть трубы. Одновременно осуществляется высушивание материала. Как и в су­шилках с падающим слоем, время пребывания материала в сушилке составляет несколько секунд, поэтому возможно удаление из материа­ла лишь свободной влаги. Для увеличения времени пребывания мате­риала используют его рециркуляцию (рис. 6.30,6). Отделение высушен­ного материала от сушильного агента осуществляют в пылеочистных устройствах, через которые проходит весь материал (рис. 6.30,6). Ес­ли используют расширитель (рис. 6.30,в), то большая часть высушенного материала выводится из расширителя, что значительно снижает нагрузку на систему пылеочистки.

Одним из простых и вместе с тем достаточно эффективных методов интенсификации конвективной сушки дисперсных материалов является использование закрученных потоков сушильного агента. Закрученный поток можно создать путем установки тангенциальных газоходов, спи­ральных и лопастных завихрителей и др. Преимущество закрученного потока по сравнению с прямым заключается в том, что он позволяет в несколько раз увеличить среднюю относительную скорость движения фаз и повысить концентрацию твердого материала в аппарате. Части­цы твердого материала, движущиеся в аппарате, постоянно соударяют­ся со стенкой, благодаря чему средняя скорость их движения невелика (несколько метров в секунду), а относительная скорость движения га­за материала достигает высоких значений и близка к скорости газа. Высокая относительная скорость фаз обусловливает интенсивное проте­кание процессов тепло- и массообмена, а повышенная концентрация твердой фазы – большую поверхность контакта фаз, приходящуюся на единицу объема аппарата. Средняя продолжительность пребывания ма­териала в аппаратах с закрученным потоком выше, чем в трубах-су­шилках. Это обстоятельство в сочетании с высокой интенсивностью процесса позволяет обезвоживать материалы со значительным коли­чеством связанной влаги.

Рис. 6.30. Схемы сушилок взвешенного слоя

Для сушилок с закрученным потоком характерно сравнительно вы­сокое гидравлическое сопротивление. При сушке слипающихся высоко­влажных материалов возможно налипание твердых частиц на стенки. В настоящее время в промышленности применяют спиральные (рис. 6.30,г), вихревые (рис. 6.30,б) и циклонные (рис. 6.30.е) сушилки, от­носящиеся к аппаратам с закрученным потоком [98].

Сушильный тракт спиральной сушилки выполнен в виде плоской бифилярной спирали, расположенной в вертикальной плоскости. Спираль­ный канал 1 прямоугольного сечения образован спиральными лента­ми 2 и 3, стенкой 5 и крышкой. Спиральные листы навиты концентри­чески, образуя в центре плавный S-образный переход 4, а на перифе­рии корпуса – входной и выходной патрубки. Влажный материал, взвешенный в газе, транспортируется от входного патрубка к выходно­му и высушивается, проходя путь от периферии к центру, а затем в обратном направлении. Спиральные одноступенчатые пневмосушилки с успехом заменяют многоступенчатые трубы-сушилки, при этом они имеют значительно меньшие габариты и менее металлоемки. В НИИХиммаш разработан ряд типоразмеров вихревых сушилок (рис. 6.30,5) с диаметрами камеры от 500 до 1500 мм [98]. Вихревая каме­ра представляет собой горизонтальный цилиндр длиной 0,3–0,4 диа­метра. В нижней части корпуса 2 расположено жалюзийное устройст­во, состоящее из нескольких вогнутых пластин 5, поворачивающихся вокруг неподвижных осей. К жалюзийному устройству примыкает га­зораспределительный короб 6. В камере можно расположить дополни­тельный тангенциальный газоход 1 для пневматической подачи мате­риала в аппарат. В центральной части торцевой стенки аппарата име­ется отверстие 3, к которому примыкает улиткообразный канал 4 для вывода газовзвеси.

Влажный порошкообразный материал загружают питателем в бо­ковую часть камеры, и под действием газовых струй, истекающих в камеру через тангенциальные шлицы, образованные пластинами 5, он вовлекается во вращательное движение. Сепарируясь к стенке, мате­риал образует в аппарате кольцевой вращающийся слой, пронизываемый струями газа, выходящими через тангенциальные шлицы; толщи­на слоя достигает 100–150 мм, что обеспечивает время пребывания материала в камере от 10 до 200 с в зависимости от размера частиц.

Сушильный агент и частицы, поступившие в циклонную сушилку (рис. 6.30.е), движутся по спирали вниз и далее по центральной трубе пневмотранспортом в систему пылеулавливания. Нестационарные ус­ловия взаимодействия фаз обеспечивают высокую интенсивность суш­ки и снижение габаритов установки по сравнению с трубами-сушил­ками.

Глава седьмая