ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физическая модель обезвоживания до равновесной влажности из "Промышленное обезвоживание в кипящем слое" Достижение равновесной влажности в общем случае является конечным этапом процесса удаления влаги, который принято описывать с помощью так называемой кривой сушки при последовательном испарении влаги в режиме постоянной, а затем уменьшающейся скорости. Очевидно, что в КС при температуре 100 °С картина процесса становится совершенно иной, но возникает вопрос возможно ли достижение равновесного состояния, и, следовательно, глубокой и равномерной сушки в условиях КС, характеризуемого широким спектром времен пребывания частиц в нем. [c.40] Спектр распределения т при различном отношении х к среднему времени пребывания частиц в слое т по [17] показан на рис. 11.5. По мере возрастания т спектр времени пребывания сужается и при то = т определяется условиями идеального вытеснения. [c.41] Продолжительность нагревания и испарения влаги из единичной гранулы, вносимой в КС, по нашим экспериментальным данным составляет 10—20 с таков же порядок расчетного времени полного прогрева гранулы диаметром 1 мм [4]. Таким образом, даже в наиболее интенсивном режиме обезвоживания растворов и кристаллогидратов среднее время пребывания материала в КС на як 2 порядка выше времени нагревания и испарения влаги из единичной частицы (гранулы). Следовательно, практически все порции материала, даже те, которые будут находиться в КС при времени значительно меньшем то, должны успеть достигнуть заданной глубины обезвоживания. Конечно, возможен проскок влажного материала с загрузки на выгрузку при неудачной компоновке этих узлов, но это свидетельствует о дефектах конструкции, а не о физической сущности процесса. [c.42] Однако физическая модель процесса определяется не только значительным превышением то по сравнению с временем потери влаги частицами (при сушке осадков низкой влажности то значительно уменьшается). Достижение равновесного состояния следует рассматривать с учетом специфики структуры КС, характеризуемой по Тодесу, наряду с хаотическим движением частиц определенной упорядоченностью их циркуляции под влиянием сил гравитации по контурам от решетки к верхней границе КС. Многократные циклы перемещения частиц из зоны перегрева у решетки в зону увлажнения, зону ввода сырого материала, создают условия, при которых конечная влажность достигает равновесного значения. Масштаб зоны охлаждения газа определен Тодесом методом оценочных расчетов [4] на основании приближенной корреляции Ыи = (Не, Рг). [c.42] Вводя понятие о характеристическом времени охлаждения газа прн неизменной температуре КС и прогрева твердой фазы при постоянной температуре газа, можно показать, что характеристическое время межфазного теплообмена, определяющего высоту выравнивания температур газа и частиц, соответствует высоте КС порядка 10—20 диаметров частиц, а снижение температуры в е =100 раз ( ) должно происходить на расстоянии 50 . С увеличением размеров частиц высота активной зоны возрастает перелом Лакт/ происходит при размере зерен = 2 мм [34]. Но во всех случаях высота зоны выравнивания температуры газа и частиц значительно меньше общей высоты КС. [c.42] Температуру газов и КС измеряли в одном сечении двумя скрепленными термопарами, передвигаемыми по высоте КС специальным устройством с мерной рейкой. Температуру КС измеряли малоинерционнрй термопарой подобной же термопарой измеряли температуру газов в КС — помещали в металлический корпус с сеткой в торцевой части, через которую просасывали газы со скоростью, примерно равной скорости газа в порах слоя. [c.43] Разность температур газов и слоя порядка 20—30° удалось обнаружить на высоте от решетки 20 мм для песка с = 0,35 мм для песка с = 1 мм — на высоте 50 мм разность температур составила не более 40°. При дальнейшем подъеме термопар температуры газа и КС выравнивались. [c.43] Методом оценочных расчетов межфазного теплообмена [4] показано, что время нагревания зерен на 3 порядка выше времени охлаждения газа (соответственно порядку значения СтСт/СгСг 10 , где Сид — теплоемкости и плотность твердых частиц и газа), но для зерен АТ на те же 3 порядка меньше, чем охлаждения газа за то же время, поэтому скорость межфазного теплообмена у решетки лимитируется не медленной, а наоборот, более быстрой стадией. Для крупных зерен нагревание не лимитируется теплопроводностью внутри зерна, так как его характеристическое время при типичной для неметаллических частиц температуропроводности оказывается на 1,5 порядка ниже, чем характеристическое время нагревания зерна в зоне межфазового теплообмена. Иначе говоря, обосновано считать, что средняя температура зерна практически не отличается от температуры его поверхности. [c.43] Выравнивание температур газа и частиц предполагает завершение роли газа как теплоносителя, далее он проходит через КС в качестве псевдоожижающего агента, с потоком которого удаляется испаренная влага. [c.43] Обмен влагой и ее испарение, сопровождаемое снижением температуры частиц в верхних зонах, должно компенсироваться нагревом частиц в прирешеточной зоне, устойчивость процесса в целом при этом предполагает полную сбалансированность тепло-и массообмена в обеих зонах. [c.44] Масса сухих горячих зерен в КС представляет как бы арену, необходимую для сбалансированного тепло- и массообмена, протекающего как в основном объеме КС, так и его прирешеточной зоне. Существование двух зон с разным характером тепло- и массообмена подтверждается наблюдениями за ходом процесса на промышленных установках. В случае попадания влажных частиц в прирешеточную зону (например, при аварийном снижении высоты КС) происходит слипание материала и замазывание решетки, следовательно, сушка частиц должна протекать в основном объеме КС вне прирешеточной зоны. [c.44] Полученные данные [35, стр. 177] при изучении теплообмена от поверхности к увлажненному КС, в известной мере также подтверждают предложенную модель тепло- и влагообмена. В опытах, проведенных при орошении псевдоожиженного слоя водой, подаваемой на слой при температуре 70 °С установлено, что псевдоожижение, а следовательно, испарение влаги прекращается, если влажность частиц (корунд и активный уголь) превышает некоторое предельное значение установлено также, что влажность воздуха в нижних участках КС незначительна и резко возрастает с высотой, достигая максимума у верхней границы. [c.45] Предложенная схематичная модель предполагает,что реальное температурное поле КС квазистационарно,— в нем существуют непрерывные флуктуации температур, отражающие циклические процессы нагревания — охлаждения частиц изотермичность КС, как системы, поддерживается эффективным перемешиванием, при этом число сухих горячих частиц на несколько порядков превышает число влажных холодных, вводимых в КС. Именно в этом смысле высота КС (его масса) выражает кинетическое ограничение процесса. Подчеркнем, что специфика кинетики определяется в рассматриваемом случае не условиями потери влаги одиночной частицей по схеме частица—газ, а взаимовлиянием ансамбля частиц, находящихся в процессе непрерывного тепло- и влагообмена. Очевидно, Должно существовать критическое соотношение между массой слоя и количеством испаренной в нем влаги, ниже которого стабилизация процесса невозможна. Под критической массой (высотой) КС подразумевается масса (высота), при которой обеспечен стабильный режим псевдоожижения, практическая изотермичность КС и постоянство влажности материала на выгрузке. [c.45] В зависимости от свойств обрабатываемого материала, способа и условий подачи в слой требуемая высота может несколько изменяться рекомендуемые выше значения соответствуют так называемому жесткому режиму с максимальными нагрузками, но в общем случае с ростом нагрузки и влажности сырого материала полезно повышать, в пределах возможного, высоту КС. [c.45] Неоднократно отмечалось (см., например [4, 17]), что расчет поверхности теплообмена при сушке на основе обычной корреляции Ми = ДКе, Рг) может дать расхождение 100—200%. Тем более бесперспективны, с нашей точки зрения, попытки расчета усложненного конвективного и контактного теплообмена в различных зонах КС. [c.46] Для техники сушки существенно понимание, какая из стадий процесса лимитирует возможность его интенсификации. Как мы пытались показать, при сушке в КС неорганических материалов при /ел 100°С возможность интенсификации ограничена допустимой температурой и количеством теплоносителя. При сушке термолабильных материалов (полимеров, пищевых и биологических продуктов и др.) использование высокотемпературных газов и интенсивный режим процесса, как известно, неприменимы для данной группы процессов кинетические ограничения вполне вероятны, но в целом для сушки различных неорганических дисперсных, жидких и других потоков во всех случаях интенсификация обеспечивается только увеличением количества вводимой теплоты. В этом, как нам представляется, состоит принципиальное различие физической природы сушки в КС в сопоставлении с другими конвективными способами, например, в барабанных или трубах-су-шилках. Как известно, в этих сушилках скорость удаления влаги снижается по мере приближения к равновесному состоянию. Если требуется глубокая сушка, необходимо поднимать температуру теплоносителя на выходе, поддерживая значительную разность т1емператур высушенного материала и газов, что снижает термический КПД сушки. [c.46] В барабанной сушилке для достижения конечной влажности соли 0,2—0,3% (масс.) требуется поддерживать температуру отходящих газов на 100—150° выше температуры материала. Распространены случаи, когда глубокую сушку проводят в две или более стадий, поднимая температуру на каждой из них. В отличие от этих приемов при сушке в КС и правильном выборе температуры обеспечено глубокое и равномерное обезвоживание. Для дисперсных материалов, содержащих обычную влагу (не раствор), при /сл= 110—120 °С сушка идет до следов влаги по терминологии некоторых американских фирм гарантируется получение продукта сухого, как кость . Можно повторить, что принципиальное отличие сушки в КС основано на принципиально ином механизме удаления влаги. В обычных конвективных сушилках испарение ее протекает по схеме взаимодействия газ—частица, в аппарате КС частицы как бы сами высушивают друг друга при постоянной тепловой подкачке в прирешеточной зоне. Процесс протекает в условиях эффективного перемешивания, обеспечивающего изотермичность КС и постоянную конечную влажность. [c.46] К этому следует добавить, что учитывать надо не только масштаб аппарата, но также физическую сущность процесса, не соответствующего традиционной схеме — потеря влаги частицей со скоростью, убывающей по мере убывания движущей силы сушки. В реальном КС, благодаря существованию наряду с хаотическим движением направленных контуров многократной циркуляции от загрузки к решетке и обратно, создаются условия, при которых каждая частица или группа частиц достигает равновесной влажности при широком разбросе времени пребывания в КС. Иначе говоря, в слое как бы физически реализуется сушка в многосекционном аппарате видимо, в этом причина того, что необходимость использования многосекционных сушилок крайне редка. [c.47] Теплоту, аккумулированную горячим сухим материалом, можно использовать двумя способами. По одному из них сухой горячий материал охлаждают воздухом, который затем используют в качестве сушильного агента или направляют в топку для сжигания топлива. Такой способ связан с рядом эксплуатационных трудностей, вызванных запыленностью воздуха. Нами был предложен способ использования теплоты горячей сухой соли для высушивания дополнительной части влажного материала путем смешения в псевдоожиженном КС в отдельном аппарате, продуваемом холодным воздухом. [c.47] В аппарате смешения. В табл. 11.1 приведены значения точки росы ф в зависимости от влагосодержания газов. [c.48] Вернуться к основной статье