Вопрос № 1. Виды влаги в материале и способы ее удаления. Тепловая сушка горючих веществ и материалов
Лекция № 3. Технологическое оборудование для проведения процессов сушки и химических процессов пожаровзрывоопасных производств
1. Виды влаги в материале и способы ее удаления
2. Основные типы сушилок
3. Аппараты для проведения химических процессов пожаровзрывоопасных производств
В промышленности и сельском хозяйстве часто приходиться удалять влагу из твердых материалов (сырья, продуктов, полуфабрикатов, готовых изделий) при подготовке их к переработке, транспортировке, использованию и хранению с целью улучшения структурно–механических и термических свойств материалов, увеличения теплотворной способности топлива, уменьшения массы материалов, изменения их физико–химических свойств и других показателей.
Под влагой мы будем понимать любую жидкость, находящуюся в твердом материале, в суспензии или в растворе (например, вода в древесине, пищевых продуктах и тому подобных материалах; растворители и разбавители в лаках и красках; метанол в смеси с порошкообразным полиэтиленом; бензин в резиновом клее и т.д.).
В наиболее широком смысле влагу, находящуюся в твердом материале (ТМ), можно классифицировать на свободную и связанную. Свободной называют влагу, удерживаемую материалом только в результате механического сцепления. Такая влага ничем не отличается от разлитой на какой–нибудь поверхности.
Связанной называется влага, удерживаемая материалом какими–либо дополнительными (помимо механического сцепления) силами: физической адсорбции, капиллярными, гигроскопическими и др. Эту влагу при сушке надо оторвать от материала, затратив дополнительную энергию.
Связь влаги с материалом может быть механической, физико–химической и химической. Механически с твердым материалом связана поверхностная влага и влага, заполняющая поры и крупные капилляры в материале при его смачивании. Такая влага легко удаляется из материала и обычно называется внешней. Физико–химически с твердым материалом связана влага, поглощенная поверхностью мелких капилляров (адсорбционная влага) или проникшая внутрь клеток органического материала вследствие диффузии (структурная и осмотическая влага). Химически связана с твердым материалом гидратная влага (или кристаллизационная), которая в процессе сушки обычно не удаляется. В отличие от внешней, влагу, прочно связанную с материалом, называют гигроскопической.
В зависимости от формы связи влаги с материалом она может быть удалена различными способами:
механическими – прессованием, отсасыванием, фильтрованием и центрифугированием. Эти способы используются в тех случаях, когда требуется частичное удаление внешней влаги;
физико–химическими – путем поглощения влаги гигроскопическими веществами (хлористым кальцием, спиртом, серной кислотой и др.). Эти способы применяются главным образом для удаления влаги из газов;
тепловыми – испарением, выпариванием, конденсацией и вымораживанием. Эти способы применяются, когда требуется практически полное удаление внешней влаги и частично гигроскопической.
Тепловой сушкой, или просто сушкой, называется процесс удаления влаги из материала с использованием тепловой энергии для ее испарения. Различают естественную и искусственную сушку. Естественную сушку производят на открытом воздухе без искусственного нагревания и без принудительного подвода сушильного агента. Этот способ сушки достаточно продолжителен, не поддается регулированию, а материал имеет сравнительно большую конечную влажность.
Искусственная сушка производится путем, искусственного подвода тепла к высушиваемому материалу, в том числе при помощи нагретого сушильного агента, который после поглощения им испарившейся влаги из материала отводится специальными вытяжными устройствами (вентиляторами, дымососами и т.п. устройствами). В качестве сушильных агентов используются воздух, дымовые газы, водяной пар, азот и другие газы.
По своей физической сущности сушка является сложным тепломассообменным процессом. В процессе сушки влага перемещается из внутренних слоев материала к его поверхности, с которой она испаряется. Пар диффундирует через пограничный слой на границе раздела фаз в сушильный агент и отводится от поверхности материала. Таким образом, осуществляется перенос до 90 % всей влаги. Скорость переноса влаги обусловливается движущей силой процесса, представляющей собой разность концентраций или разность парциальных давлений пара влаги у поверхности материала и в окружающей среде. Перенос незначительного количества влаги происходит также за счет термодиффузии вследствие перепада температур в пограничном слое.
ВЫВОД ПО ВОПРОСУ:
Процессы высушивания различных материалов применяются достаточно широко целью повышения качества веществ, удешевления транспортировки. Удалить влагу из материала возможно многими способами: механическим отжимом, центрифугированием и т.д. К массообменным процессам относится тепловая сушка. Для лучшего уяснения пожарной опасности процесса сушки необходимо рассмотреть устройство и работу некоторых видов сушилок.
Вопрос № 2. Основные типы сушилок. Классификация сушилок.
На производствах встречается большое количество различных сушилок, отличающихся как по способу подвода тепла к высушиваемому материалу, так и по конструктивному устройству и по другим признакам.
По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушилок:
— конвективные сушилки, в которых нагретый сушильный агент передает тепло высушиваемому материалу при непосредственном соприкосновении с последним;
— контактные сушилки, в которых тепло от теплоносителя к высушиваемому материалу передается через разделяющую их стенку;
— радиационные сушилки, в которых высушиваемый материал нагревается инфракрасными лучами;
— высокочастотные (диэлектрические) сушилки, в которых материал нагревается в поле токов высокой частоты;
— комбинированные сушилки (радиационно–конвективные, контактно–конвективные, а также сушилки, в которых осуществляется несколько теплообменных процессов).
В зависимости от конструктивного устройства сушилки подразделяются на: камерные, туннельные, шахтные, ленточные, барабанные, вальцовые, сушилки с кипящим слоем и другие.
Указанные виды сушилок в свою очередь отличаются по ряду признаков: по организации процессов (периодические и непрерывные); по величине давления в сушильной камере (атмосферные и вакуумные); по видам транспортных устройств: с тележками, с вагонетками, с конвейером (ленточным, цепным, пластинчатым).
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
2.5. Сушка
Сушка широко применяется в химической, химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Относительно широкое распространение сушка получила в области обработки осадка городских сточных вод (барабанные сушилки, сушка во встречных струях). Процессы термического удаления той части влаги, которую невозможно удалить механическим путем, могут также найти применение при обработке ПО, которые необходимо подготовить к транспортированию и дальнейшей переработке (например, гальванические шламы), а также при обработке некоторых отходов химической, пищевой и других отраслей промышленности. Сушка осуществляется конвективным, контактным, радиационным и комбинированными способами.
Метод сушки выбирают на основе технологических требований к высушиваемому продукту и с учетом технико-экономических показателей. Процесс сушки осуществляется за счет тепловой энергии, вырабатываемой в генераторе тепла. Генератором тепла могут служить паровые или газовые калориферы, топки, работающие на твердом, жидком или газообразном топливе, инфракрасные излучатели и генераторы электрического тока. Выбор генератора тепла обычно определяется схемой и методом сушки, физическими свойствами высушиваемого материала и требуемым режимом сушки. При возможности целесообразно использовать тепло отходящих газов или отработанного пара, при этом одновременно утилизируются тепловые отходы.
По технологическим признакам сушилки можно классифицировать следующим образом:
· · по давлению (атмосферные и вакуумные);
· · по периодичности процесса (периодического, полунепрерывного и непрерывного действия);
· · по способу подвода тепла (конвективные, контактные, радиационные и сушилки с нагревом материала токами высокой частоты);
· · по роду сушильного агента (воздушные, газовые и сушилки на перегретом или .насыщенном паре);
· · по направлению движения материала и теплоносителя (прямоточные, противоточные и перекрестного тока);
· · по тепловой схеме (калориферные, с дополнительным внутренним обогревом, с рециркуляцией части отработанного воздуха, со ступенчатым подогревом и комбинированные, например, со ступенчатым подогревом и рециркуляцией);
· · по способу обслуживания (с ручным обслуживанием и механизированные);
· · по способу нагрева (с паровыми, огневыми воздухоподогревателями, путем смешения с продуктами сгорания, с электронагревом;
· · по циркуляции теплоносителя (с естественной, искусственной циркуляцией, однократной и многократной циркуляцией).
Типовые конструкции сушилок следующие: шкафные, камерные, туннельные, шахтные, ленточные, барабанные, вальцевые (контактные), пневматические, распиливающие, с кипящим слоем, вибрационные.
Конвективная сушка воздухом или газом является наиболее распространенной. В воздушной сушке, так же как и в газовой, тепло передается от теплоносителя непосредственно высушиваемому веществу. Для получения материала необходимого качества особое внимание должно уделяться технологическому режиму сушки, правильному выбору параметров теплоносителя и режиму процесса (выбор оптимальной температуры нагрева материала, его влажности и т.д.). Оптимальный режим сушки, влияющий на технологические свойства материала, зависит от связи влаги с материалом.
По мере удаления влаги с поверхности материала за счет разности концентрации влаги внутри материала и на его поверхности, происходит движение влаги к поверхности путем диффузии. В некоторых случаях имеет место так называемая термодиффузия, когда движение влаги внутри материала происходит за счет уменьшения разности температур на поверхности и внутри материала. При конвективной сушке оба процесса имеют противоположное направление, а при сушке токами высокой частоты — одинаковое.
Сушка — процесс тепломассообменный. Удаление влаги с поверхности тесно связано с продвижением ее изнутри к поверхности. Сушка отличается от выпаривания тем, что в первом случае удаление влаги происходит при любой температуре, если А Р = Рц* — .Рд», во втором — если давление образующихся паров равно давлению окружающей среды (например, кипение воды происходит при давлении, равном барометрическому). Выпаривание происходит из всей массы жидкости, при сушке же влага удаляется с поверхности высушиваемого материала. Выпаривание — более интенсивный процесс, чем сушка, однако не все материалы можно подвергать выпариванию. Так, влага из твердых материалов удаляется только тепловой сушкой.
При сушке некоторых материалов до низкой конечной влажности тепло расходуется не только на подогрев материала и испарение влаги из него, но и на преодоление связи влаги с материалом.
Критериями выбора основных типов сушилок для обработки ПО являются их исходные свойства (консистенция, влажность, гранулометрический состав, токсичность, пожаро-взрывоопасность и т.д.), требования, предъявляемые к конечному продукту (физико-химические и механические свойства), вопросы технологии, стоимостные показатели.
Ниже рассматриваются основные типы сушилок, которые могут применяться в технологии обработки промышленных отходов.
Барабанные сушилки широко используются в химической промышленности для сушки сыпучих, мелкокусковых и зернистых материалов. В таких сушилках тепло передается от сушильного агента непосредственно высушиваемому материалу внутри сушильного барабана, т.е. в барабанных сушилках применяют конвективный способ передачи тепла.
Рис. 28. Барабанная сушилка
1 — барабан; 2 — разгрузочная камера; 3 — группа роликов; 4 — привод; 5 — зубчатый венец; 6 — опора с боковыми роликами; 7 — уплотнение: 8 — загрузочная камера, 9 — бандаж; 10 — кожух
Существуют также конструкции барабанных сушилок, в которых тепло передается через обогреваемую стенку. В качестве сушильного агента используют воздух или дымовые газы. Барабанные сушилки не следует отождествлять с другими типами сушилок, например трубчатыми и шнековыми .
Барабанная сушилка для сушки сыпучих материалов Представляет собой цилиндрический барабан 1 (рис. 28), с прикрепленными к нему бандажами 9, опирающимися на группы роликов 3 и приводимых во вращение от привода 4 через зубчатый венец 5, укрепленный на барабане. Мощность Электродвигателя привода барабана зависит от геометрических размеров сушилки и колеблется от 2,5 до 200 кВт. Зубчатая венцовая пара закрывается кожухом 10.
Барабан устанавливается с небольшим наклоном, который регламентирует время пребывания материала и определяется экспериментально или расчетом. Отечественной промышленностью выпускаются барабанные сушилки диаметром 1—3,5 М и длиной 6—27 м, производительностью по испаряемой влаге 0,3-15 т/ч.
Высушиваемый материал подается в загрузочную камеру 8 питателем (на схеме не показан), установленным над течкой. Материал поступает на приемно-винтовую насадку, приваренную под углом 60°. Длина насадки от 700 до 1100 мм в Зависимости от диаметра барабана. Число лопастей насадки 8—16. Приемно-винтовой насадкой материал подается на основную насадку. Для равномерного распределения высушиваемого продукта между двумя вилами насадок делается разрыв от 50 до 250 мм. При вращении барабана лопасти насадки подхватывают материал, поднимают его и сбрасывают. В это время продукт продувается сушильным агентом и высушивается. За счет установки барабана под небольшим наклоном (до 6°) материал постепенно передвигается к разгрузочной камере 2.
Сушильный агент и материал в барабане движутся относительно друг друга прямотоком или противотоком. Во избежание уноса высушиваемого продукта в первом случае скорость газа не должна превышать 3 м/с. Объем барабана заполняется материалом на 20 %.
Сушилки с кипящим слоем. К сушилкам конвективного типа относятся сушилки с так называемым кипящим, или псевдоожиженным, слоем. Их широко применяют в химической промышленности для сушки зернистых, сыпучих, а в ряде случаев и пастообразных материалов. Продолжительность сушки материала в кипящем слое резко сокращается. Преимущества этого способа сушки заключаются в интенсивном перемешивании твердых частиц и теплоносителя, в большей площади поверхности контакта фаз, а также в простоте конструкции сушилки.
При подаче воздуха через слой зернистого материала снизу (рис. 29) последний фильтруется. С повышением скорости газа увеличивается давление на частицы и при достижении критической скорости (скорость псевдоожижения) частицы поднимаются и хаотически циркулируют в слое.
В состоянии псевдоожижения частицы твердого материала интенсивно перемешиваются в слое, в результате чего увеличивается площадь поверхности контакта фаз, а температуры и концентрации во всем объеме выравниваются. Скорость процессов при этом резко возрастает. Таким образом, использование кипящего слоя для сушки материалов позволяет добиться ее равномерности при высокой интенсивности процесса.
Возможность регулирования температуры и времени пребывания материала в сушилке до некоторой степени компенсирует недостаток, связанный с повышенными расходами электроэнергии для создания давления воздуха в 0,003— 0,005 кПа (300-500 мм вод. столба).
В сушилках с кипящим слоем обычно сушат продукт с размерами зерен от 0,1 до 5 мм. Как правило, эти сушилки отличаются высокой надежностью. Они могут работать как холодильники для продуктов в потоке холодного воздуха. Сушилки с кипящим слоем делятся по технологическому назначению на периодические, полунепрерывные и непрерывные.
Рис. 29. Схема однокамерной сушилки с кипящим слоем
2 — топка; 3 — сушилка; 4 — загрузочное устройство:
5 — дымосос: 6 — циклон; 7 — затвор;
Наибольшее распространение получили сушилки непрерывного действия. Сушилки периодического действия используются в основном для мелких производств.
По виду теплоносителя сушилки делятся на воздушные, газовые и воздушно-радиационные, в которых осуществляется дополнительный подвод тепла с помощью инфракрасных излучателей. Сушка производится горячим воздухом либо горячими дымовыми или инертными газами.
Распылительные сушилки. Сушка распылением широко применяется для обезвоживания концентрированных растворов веществ, в результате чего готовый продукт получается в виде порошка или гранул.
В качестве сушильного агента используют горячий воздух, дымовые и инертные газы. При сушке распылением материал не перегревается и температура на поверхности обычно в пределах 60—70°С. Это объясняется тем, что при малых размерах частиц (до 4—5 мкм) испарение идет очень быстро, и материал не успевает нагреться за то время, пока частица соприкасается с горячими газами, имеющими температуру до 1200°С. Несмотря на то, что время сутки составляет 15—30 с, поверхность материала не пересыхает. Возможна сушка и холодным теплоносителем, когда распиливаемый нагретый материал высушивается в токе холодного воздуха и оседает уже в виде твердых частиц.
|
Рис. 30. Общая схема распылительной сушильной установки 1 — воздуходувка: 2 — теплообменник: 3 — сушильная камера;4 — распылительный диск: 5 -дымосос; 6 — циклон
Рис. 31. Схема сушилки со встречными струями 1 — стояк; 2 — разгонные трубы; 3 — камера сгорания; 4 — сопло; 5 — приемо-раздаточный бункер; 6 -шнековый питатель: 7 -транспортер; 8 — бункер готовой продукции; 9 -воздушно-проходной сепаратор; 10 — батарейные циклоны; 11 — шлюзовые затворы; 12 — трубопровод ретура: 13 — мокрый скруббер; 14 — дымосос
Сушка растворов, перегретых перед распылением, способствует уменьшению размеров сушильных камер. Качество продукта в распылительной сушилке высокое, так как он не подвергается ни окислению, ни термическому разложению. Готовый продукт получается однородным. Производительность установок значительная, они работают в непрерывном цикле, что позволяет провести автоматизацию процесса. Применение распылительных сушилок дает возможность ликвидировать предшествующие процессы фильтрации и центрифугирования, упростить обслуживание сушилок.
Недостатки распылительных сушилок следующие:
· · отсутствие циркуляции теплоносителя, что приводит к повышенному расходу электроэнергии;
· · громоздкость конструкции, большие габариты;
· · сложность распыливающих и пылеулавливающих устройств;
· · сравнительно высокая стоимость сушилки.
Несмотря на перечисленные недостатки, область применения распылительных сушилок непрерывно расширяется.
Схема сушильной установки представлена на рис. 30. Воздvx воздуходувкой 1 подается в сушильную камеру 3. Проходит в теплообменник 2. Нагрев может быть паровым, газовым, Центрическим; вместо воздуха могут использоваться дымовые газы. В камере горячий газ встречается с каплями продукта, распыленного с помощью распылительного диска 4, Газ отсасывается дымососом 5, проходя предварительно через циклон 6, и выбрасывается в атмосферу. В качестве осадительных устройств используются циклоны, рукавные фильтры или орошаемые скрубберы. Распыление осуществляется при помощи вращающихся дисков, механических или пневматических форсунок.
Влагосъем с 1 м 3 действующих распылительных сушилок W превышает обычно 10-12 кг. Влагосъем А = W / VкТ, где W — количество испаряемой влаги, кг; Vк— объем сушильной камеры, м 3 ; Т — время сушки, ч.
Ориентировочно считают, что в зависимости от начальной температуры теплоносителя tr н влагосъем принимает следующие значения:
На рис. 31 представлена схема сушилки со встречными струями (по разработкам НИИКВОВ и ВНИИхиммаш). Обезвоженный на вакуум-фильтрах или центрифугах осадок транспортером подается в приемно-раздаточный бункер 5, туда же поступает высушенный осадок. Смесь равномерно подается в два двухвалковых шнековых питателя 6, с помощью которых продавливается через фильтры в разгонные трубы 2, куда с большой скоростью поступают горячие газы, выходящие из сопел камер сгорания 3. Осадок захватывается потоком газа и выбрасывается через разгонные трубы в стояк сушильной камеры 1. В стояке 1 оба потока сталкиваются, в результате чего происходит измельчение частиц осадка, увеличение суммарной площади поверхности тепло- и массообмена, что способствует интенсивной сушке осадка.
Из сушильной камеры газовая взвесь выносится в воздушно-проходной сепаратор 9, в котором происходит доосушка осадка с одновременным разделением газовой взвеси.
Отходящие газы отсасываются в батарейные циклоны 10 и затем дымососом 14 подаются в мокрый скруббер 23. Высушенный осадок выводится из сепаратора через шлюзовые затворы 11 и подается в бункер готовой продукции. Туда же направляется пыль, уловленная в циклонах.
Для установки в качестве топки применяют камеры сгорания авиационных двигателей, например, РД-ЗМ-50, переведенные на газообразное топливо.
Применяемые в настоящее время сушилки со встречными струями имеют производительность по испаряемой влаге 3—5 т/ч.
Источник
