Исследование процесса сушки с одновременным измельчением в вихревой камере со встроенным дисмембратором кусковых и комкующихся материалов

Решения партии и правительства о повышении эффективности научных исследований предусматривают разработку новых более интенсивных процессов и аппаратов, в том числе для химической промышленности. Значительным достижением в деле интенсификации производственных процессов является использование взвешенного слоя для проведения гетерогенных реакций, в том числе, сушки дисперсных материалов. Однако, применение этого метода ограничивается тем, что при обработке кусковых, слипающихся и агломерирующих материалов интенсивность процесса резко падает, а иногда применение аппаратов взвешенного слоя вообще становится невозможным. Преодоление указанного недостатка осуществляется путем введения в аппарат взвешенного слоя перемешивающих или измельчающих органов (послед-кий прием более радикален), что позволяет не только достичь обычных для взвешенного слоя показателей, но и в некоторых случаях превзойти их. Одновременно, существует большое количество средне-и крупнотоннажных производств, в которых на сушку подаются кусковые, творожистые, агломерирующие материалы, для которых метод сушки с одновременным измельчением является наиболее рациональным. В химической промышленности к таким относятся: аминопласты, некоторые ацетали, многие продукты хлорной промышленности, материалы на основе целлюлозы и ряд других, а также «твердые» продукты микробиологической, анилинокрасочной и пищевой промышленности.

Установки для сушки с одновременным измельчением применяются в промышленности, особенно топливной и строительных материалов, сравнительно давно, и в последние годы появилось большое количество таких установок, предназначенных для мат^иалов других отраслей. Так, иностранные фирмы предлагают свыше десяти типов аппаратов для переработки самых разнообразных материаловв Советском Союзе разработаны и эксплуатируются сушилки с одновременным-.-измельче-нием для угля, лигнина, зерна, крахмала и некоторых химических продуктов.

С другой стороны, хотя эффективность названного метода сушки подтверждается многими источниками, и этот вопрос затрагивался в работах ряда отечественных и иностранных авторов: М. Ю. Лурье, А. В. Лыкова, И. М. Федорова, П. Ю. Лебедева, О. Кришера, Л. Страха и других, отсутствуют работы, посвященные общению опыта эксплуатации и методу выбора типа и расчета промышленной аппаратуры.

Принимая во внимание потребности промышленности и учитывая перспективность метода сушки с одновременным измельчением, в НИИЖММАШе была поставлена работа по созданию аппарата для комкую-щихся, агломерированных, кусковых материалов химической и смежных отраслей промышленности. Работа включала в себя выбор рационального типа аппарата, уточнение области его применения, исследование закономерностей процесса и разработку инженерного метода расчета, базирующегося на минимальном количестве лабораторных экспериментов.

В результате анализа результатов сушки с одновременным измельчением различных материалов на установках известных конструкций для дальнейших исследований была принята вихревая сушилка со встроенным дисмембратором. Первоначальная конструкция в процессе исследований была усовершенствована, и в результате для намеченного ассортимента продуктов рекомендуется аппарат выполняемый в двух вариантах: «однокаяальный» — для термостойких продуктов, «двух-канальный» — для термочувствительных. Б первом случае, габариты аппарата, мощность дутьевых средств и калориферов уменьшаются за счет использования для сушки тепла измельчения — трения.

Исследования велись на модельном и техЖ’еских материалах. Были переработаны продукты свыше двадцати наименований, и почти во всех случаях было достигнуто требуемое качество продукта при удельных затратах меньших, чем в случае раздельного применения сушки и измельчения.

Проведенные исследования позволили установить основные закономерности для процесса сушки с одновременным механическим измельчением и получить выражения для расчета габаритов аппарата и параметров процесса. На основании проделанной работы был выполнен технический проект установки для сушки культуры плесневых грибов с производительностью 330 кг/час. Указанный проект используется в разработке технологической линии по производству ферментов мощностью 1000 условных тонн в год, пуск которой намечен в 1978 г. Предварительный расчет экономической эффективности показал, что экономия от применения одного аппарата составляет свыше 50 тыс. руб. в год. Одновременно, запросы, полученные от предприятий, свидетельствуют, что для ряда мелкотоннажных производств экспериментальная установка с диаметром ротора 370 мм может рассматриваться как промышленная.

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском и конструкторском институте химического машиностроения, в лаборатории сушилок взвешенного слоя отдела сушильного оборудования под руководством доктора технических наук Б. С. Сажина.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

ВЫВОДЫ.

1. На основании анализа литературных данных по конструкциям, используемых в промышленности аппаратов для сушки с одновременным измельчением, основных свойств материалов химической и смежных отраслей промышленности и результатов обработки этих материалов на сушилках указанного типа установлено, что наиболее рациональной конструкцией является аппарат, использующий метод дробления свободным ударом в потоке сушильного агента. Предложена оригинальная конструкция аппарата, выполняемая в двух вариантах: для термочувствительных и термостойких продуктов. Аппарат прошел испытания на широком ассортименте продуктов химической и смежных отраслей промышленности и показал хорошие результаты при сушке материалов с разнообразными начальными свойствами.

2. Впервые проведено теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамической модели аппарата для сушки с одновременным измельчением. Установлено наличие двух характерных зон: штифтовой и пристеночной, различающихся по гидродинамической модели, фактической концентрации, условиям теплообмена и сушки. Аппарат для термостойких продуктов включает в себя обе эти зоны, для термочувствительных — только штифтовую.

На основании теоретическо-экспериментального исследования гидродинамики аппарата получены выражения, определяющие распределение частиц по времени пребывания и среднее время пребывания. Для штифтовой зоны рекомендуется: Г.

09 при тшг= ' е*Р (- ««Щ «1.

Для пристеночной зоны:

Установлено, что пристеночную зону можно описать как последовательно-параллельно соединенные ячейки идеального перемешивания и идеального вытеснения. Даны выражения для определения их доли в объеме пристеночной зоны и величин^, связывающих их материальных потоков.

3. Установлено, что основной областью применения разработанного аппарата является сушка кусковых, слипающихся и агломерирующих продуктов, нетиксотропных паст для удаления влаги макрои, в некоторой степени, микрокапилляров и осмотически связанной. Для последнего случая предяаямвимш'.Ц аппарат является первым из применяемых в промышленности. В зависимости от термостойкости продукта должен быть применен тот или иной вариант, причем глубина обработки материала и степень влияния той или иной зоны может быть усилена на основании имеющегося описания гидродинамической модели и внесением конструктивных изменений получено оптимальное значение л конечного результата.

4. Эксперименты показали, что при сушке с одновременным измельчением происходит расширение периода постоянной скорости сушки до значений, не достижимых другими методами. Показано, что при сушке в штифтовой зоне сушка подавляющего большинства химических материалов происходит в первом периоде. Установлено также, что сушка с одновременным измельчением сопровождается явлением самоиспарения влаги в пограничный слой вновь образованной поверхности.

На основании проведенного исследования впервые получены выражения для расчета влажности материала.

Влажность материала при сушке в штифтовой зоне в первом периоде рассчитывается как.

— для наиболее распространенного случая.

Влажность материала во втором периоде сушки рассчитывается на основании упрощающего метода А. В. Лыкова, при введении дополнительных членов, учитывающих развитие поверхности в процессе измельчения и мощность источника дополнительного тепла.

5. Экспериментально н теоретически показано, что теплообмен в штифтовой зоне может быть рассчитан с помощью критериальных уравнений, полученных из традиционных дифференциальных уравнений^ дополненных уравнением кинетики измельиения. При этом характер зависимости Nu — изменяется приШ— {. Для обоих облас.

1Гя тей получены выражения, позволяющие рассчитать о (э?.

Экспериментально подтверждена возможность использовать при расчетах^У и среднеинтегральные характеристические числа: Ро, Pd,.

Теоретически и экспериментально установлено существование в пристеночной зоне дополнительного источника тепла, определенного как тепло трения — измелмения. Дается зависимость для расчета мощности дополнительного источника тепла.

6. Проведено экспериментальное исследование зависимости конечного распределения частиц по диаметрам при совмещенных процессах измельчения и сушки. Установлено соотношение, определяющее минимальное количество пар рядив штифтов при заданная расходе газа и скорости дробления. Предложены выражения для расчета эквивалентного диаметра частиц после измельчения, содержащие две экспериментальные постоянные.

7. С использованием метода планирования экспериментов показана управляемость аппарата в случае задачи осложненной дополнительными технологическими требованиями и определен оптимальный режим сушки культуры плесневых грибов.

8. Полученные в работе зависимости позволяют рассчитать промышленный аппарат на основе небольшого количества экспериментов. Произведен расчет промышленного аппарата для культуры плесневых грибов мощностью 330 кг/час.

9. Разработанный аппарат для сушки культуры плесневых гри? ов включен в проект промышленной линии по производству ферментов, некоторой намечен в 1978 г.

Аппарат с диаметром ротора 370 мм, после проведенных исследований рекомендован в качестве промышленного для сушки бобового шрота и виноградного жома.