диплом. В последние годы созданы установки кипящего слоя для обезвоживания растворов
 Скачать 1.19 Mb.
|
|
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 1 м3 влажного 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 давлением pП, должен занимать весь объем смеси (1 м3). Поэтому абсолютная влажность равна массе 1 м3 пара, или плотности водяного пара ρП(в кг/м3) при температуре воздуха и парциальном давлении pП. Относительной влажностью, или степенью насыщения воздуха φ называется отношение массы водяного пара в 1 м3 влажного воздуха ρПпри данных условиях, температуре и общем барометрическом давлении к максимально возможной массе водного пара в 1 м3 воздуха ρН (плотности насыщенного пара) при тех же условиях:
В соответствии с уравнением состояния идеальных газов (уравнение Менделеева – Клапейрона)
где Т – абсолютная температура, °К, МП – масса 1 кмоль водяного пара, равная 18 кг/кмоль,R– универсальная газовая постоянная, равная 8314 дж/(кмоль∙град) = 1,99 ккал/(кмоль град), pН – давление насыщенного водяного пара при данной температуре (в T °К) и общем барометрическом давлении, н/м2. Подставляя значения ρП и ρН в выражение (1.1), получим
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
Относительная влажность φ является 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 °C величина ρП, 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, pН уменьшается, а φвозрастает, 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 кг сухого воздуха) – величине, не изменяющейся в процессе сушки. Количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха:
где mП иmС.В. – масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха, кг; ρС.В. – плотность абсолютно сухого воздуха, кг/м3. Для того чтобы установить связь между влагосодержанием x и относительной влажностью φ, подставим в выражение (1.5) значения ρП и ρС.В. , определенные из уравнения (1.2). Тогда где pС.В.– парциальное давление абсолютно сухого воздуха; МС.В. – масса 1 кмоль абсолютно сухого воздуха, равная 29 кг/моль. По закону Дальтона pС.В. равно разности общего давления влажного воздуха P и парциального давления водяного давления в нём:
а из уравнения (1.3)
Подставляя в приведенное выше выражение для x эти значения pП и pС.В., а также численные величины MП и MС.В., получим
Энтальпия I влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха t (в °С) как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха cС.В.t и водяного пара xiП (дж/кг сухого воздуха)
где cС.В. – средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, которая может быть принята приближенно равной 1000 дж/(кг∙град) [0,24 ккал/(кг∙град)]; iП – энтальпия водяного пара, дж/кг. Водяной пар находится в процессе сушки в перегретом состоянии в смеси с воздухом. Обозначим энтальпию водяного пара при 0 °C через r0 (r0 = 2493 ∙103 дж/кг) и примем среднюю удельную теплоемкость перегретого пара сп ≈ 1,97 ∙ 103 дж/(кг∙град). Тогда энтальпия перегретого пара
Подставляя выражение iп и значение cС.В. в уравнение (1.7), получим (в дж/кг сухого воздуха)
При использовании внесистемных единиц энтальпии влажного воздуха выражается соответственно следующим образом (в ккал/кг сухого воздуха):
Кроме x, φ и I при расчетах процесса сушки необходимо знать плотность или обратную ей величину – удельный объем влажного воздуха. Плотность влажного воздуха ρВЛ.В.равна сумме плотностей абсолютно сухого воздуха ρС.В.и водяного пара ρП. Учитывая, что, согласно выражению (1.5), плотность водяного пара ρП = x ∙ ρС.В., плотность влажного воздуха
Плотность абсолютно сухого воздуха из уравнения состояния Подставляя значения ρС.В. и x=0,622 ∙ pП/(P − pП) [см. уравнение (1.6)] в выражение для плотности влажного воздуха, находим или
Из уравнения (1.10) видно, что при данном внешнем давлении P плотность влажного воздуха является функцией парциального давления водяного пара pП и температуры T. В процессе сушки воздух увлажняется (возрастает pП) и охлаждается (уменьшается T). Снижение T оказывает относительно большее влияние на величину ρС.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. |