Материальный и тепловой баланс конвективной сушки

На рис. 170 показана основная схема сушильного процесса. Вы­сушиваемый влажный материал- через загрузочную воронку 3 пос­тупает в сушильную камеру 5, где проводится процесс, сушки, и

Пар

Влажный i материал

/ ТТ Отработанный ■*------- !^ Воздух

Воздух

Шденсот\уХ

,/ i Сухой, материал Рис. 170. Основная схема сушильного процес­са: / — калорифер, 2 — дополнительный подогреватель, 3 — загрузочная воронка, 4 ■+■ вентилятор, 5 — су­шильная камера, 6 — разгрузочная воронка

 

выгружается через раз­грузочную воронку 6. Воздух перемещается вен­тилятором 4. Первона­чально он поступает в ка­лорифер /, обогреваемый паром, нагревается до за­данной температуры и да­лее поступает в сушиль­ную камеру 5, где проис­ходит собственно процесс сушки. Сушильную каме­ру часто n оборудуют до­полнительным паровым подогревателем 2, с по­мощью которого воздуху сообщается дополнительное количество /теплоты для восполнения потерь. Камера оборудована транспортными устройствами для перемещения материала.

Обозначим: Gi — количество влажного материала, кг/ч; G₂— количество материала, выходящего из сушки, кг/ч; W \ — влаж­ность материала до сушки, %; w %— влажность материала после сушки, %; W — количество удаляемой влаги, кг/ч; Х₀— влагосо-держание воздуха* при входе в калорифер, кг/кг сух. возд.; Х\ — влагосодержание воздуха при входе в сушилку, кг/кг сух. возд.; Х₂— влагосодержание воздуха при выходе из сушилки, кг/кг сух. возд.; /q, 1\, Iz — теплосодержание воздуха до калорифера, после калорифера и после сушки соответственно, кДж/кг сух. воз.

Материальный баланс по всему материалу, подвергаемому про­цессу сушки,

Q ^ Qz + W ,                                 (18.6)

192

по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале

_Q100-^_=G loo—-а..                                 _(18<7)'

100         ^г100

Из материального баланса получают количество высушенного материала:

0^0,^=^.                                ■   (18.8)

100—а/2 Количество удаляемой влаги

W = G ₂ ^Wl ~ ^{W 2}.                                    (18.9)

.100— »!.

Общий расход абсолютно сухого воздуха на сушку (кг/ч)

L ^ WIiX ^- X ,).                               "(18.10)

Удельный расход воздуха (кг сухого воздуха на 1 кг удаляемой влаги)

1=1/(Х₂-Х₀).            ■                 (18.11)

Так как воздух, проходя через калорифер, не изменяет своего вла-госодержания Хо—Xi :

1=*\][Х_г-Х&                           (18.12)

Тепловой баланс воздушной сушилки складывается из следу­
ющих показателей:                           .

Приход теплоты                                   Расход теплоты

С воздухом Qbh                                             С отходящим воздухом Q_BK

С влажным материалом Q_BM                             С сухим^матерналом Q_CM

С транспортными устройст-             С транспортными устройствами

вами Qth          ^.                                                                                   Qtk

В калорифере Q «                                - Потери теплоты в окружающую

» В дополнительном подргревате-                                                    среду Q_n

ле <Эд                                 ..          " .                                           '

.Если в сушильную камеру вводится дополнительная теплота в количестве, компенсирующем" все потери, то процесс сушки проте­кает при постоянном теплосодержании воздуха и рассматривается как теоретическая сушка. (/—X ) -диаграмма такого процесса пред­ставлена на рис. 171. Воздух в калорифере от начального состояния А), Х₀, /о в точке А нагревается до t \ в точке В. Нагрев ведется при постоянном влагосодержании (Х₁=Х<>), и на диаграмме это изобра­жается вертикальной линией А — В. Процесс сушки в теоретической сушилке Протекает при постоянном теплосодержании по линии В —С. Его конечное состояние определяется пересечением линии равного теплосодержания и заданной относительной влажности фг (или £г) и определяется точкой С.

В тех случаях, когда дополнительная теплота Qn , не подается в сушильную камеру или ее количества недостаточно для покрытия

193

всех потерь, теплосодержание воздуха при сушке уменьшается, про­
цесс протекает по линии В— С' и его конечное состояние выража­
ется точкой С (1₂').                                           '

Если же количество дополнительно вводимой теплоты Q_Kпревы­шает все потери, теплосодержание отходящего воздуха 1₂будет вы­ше, чем 1\, процесс сушки пойдет по линии В — С" и конечное со­стояние воздуха выразится точкой С" (/г").

Таким образом, конечное со­стояние воздуха определяется в зависимости от количества под­веденной теплоты, теплопотерь и заданной конечной температуры t ₂или относительной влажности ф₂. По найденному таким обра­зом Х₂из уравнения (18.10) опре­деляют общий расход воздуха на сушку.

Рис. шки

171. Диаграмма процесса су-в теоретической и действи­тельной сушилках

В тех случаях, когда в качест­ве теплоносителя применяют ды­мовые газы, процесс сушки гра­фически выражается аналогич­ным образом. Однако, поскольку сушка проводится при значитель­но более высоких температурах сушильного агента, для расчета сушилок применяют специально составленную (/—X )-диаграмму. Теплоемкости дымовых газов мало отличаются от теплоемкости воздуха.

Помимо рассмотренной основной схемы сушильного процесса в ряде случаев применяют ее видоизменения.

х- Сушка с промежуточным нагревом воздуха по .зонам. Сушилка в этом случае состоит из ряда зон, в каждой из которых установлен калорифер. Воздух, поступающий извне, нагревается в первом ка­лорифере и поступает в первую зону, где происходит частичное под­сушивание материалов. При прохождении второго калорифера тем­пература воздуха несколько поднимается, после чего воздух посту­пает во вторую зону, и т. д. Таким образом, в каждой зоне происхо­дят постепенный подогрев материала и удаление влаги. Процесс сушки протекает в более мягких условиях, высушиваемый матери­ал не перегревается, как при сушке по основному варианту. Сушка с промежуточным нагревом воздуха позволяет избежать осмоления, коробления материала и т. д.

Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха. Па этой схеме воздух, прошедший калорифер и сушильную камеру, ув­лажняется и подогревается. Для уменьшения расхода теплоты и обеспечения более мягких условий сушки отработанный воздух частично возвращается и смешивается со свежим. Это повышает его относительную влажность и создает" также более мягкие условия сушки.

194

Скорость сушки

Скорость сушки U определяется количеством влаги W , удаля­емой из массы высушиваемого материала, отнесенной к сухому ма­териалу G_cв единицу времени т, т. е.

</=-?-.                                      (18.13)

По мере проведения процесса скорость сушки изменяется в зависи­мости от следующих факторов:

природы высушиваемого материа­ла (структуры, химического состава, характера связи влаги с материалом

и ДР-);

формы высушиваемого материала (размеров кусков, толщины слоя, от- Ц"  ^Критиче-кая точка ношения величины поверхности вы­сушиваемого •материала к его объ­ему);

начального и конечного влагосодер-     продолжительности сушки

жания материала;

внешних факторов (влажности, тем- р_Нс. 172. Кривая скорости
пературы, скорости движения воздуха,             сушки

омывающего материал);

характера и условий обтекания материала воздухом (переме­шивание высушиваемого материала с воздухом, степени обновления поверхности-—сушка в неподвижном слое или в условиях энергич­ного перемешивания).

Перечисленные факторы связаны между собой сложной зависи­мостью.

На диаграмме (рис. 172) представлена упрощенная зависимость влагосодержания материала, откладываемого по оси ординат, от времени сушки, откладываемого по оси абсцисс. Как видно из при­веденного графика, левая часть этой линии представляет собой прямолинейную зависимость скорости сушки от времени, т. е. уда­ление влаги из материала происходит пропорционально времени. В течение периода / скорость сушки зависит от внешних факторов — температуры, скорости протекания теплоносителя, его влагосодер­жания. В этот период влагосодержание материала велико и влага из Толщи материала поступает довольно быстро за счет диффузии. Он продолжается до тех пор,, пока содержание влаги в материале не уменьшится до определенной величины. В этот момент будет до­стигнута так называемая критическая точка, после которой харак­тер изменения скорости сушки резко изменится- и начнется пери­од//— падающей скорости сушки.

Во время периода // скорость сушки уменьшается и выражается кривой, имеющей асимптотический характер. Скорость сушки в этот период определяется скоростью подвода влаги к поверхности высушиваемого материала, т. е. скоростью диффузии влаги в ма­териале. Очевидно, в этом случае основные факторы, влияющие на

195

процесс,—природа высушиваемого материала, формы и размеры частиц, толщина слоя и др. Длительность каждого периода различ­на* и зависит от свойств высушиваемого материала, его формы и размеров, начальной влажности и других факторов.

Разнообразие свойств высушиваемых материалов, формы и раз­меров частиц, начальной и конечной влажности, .используемых теп­лоносителей вызывает необходимость различных конструктивных решений аппаратуры, удовлетворяющих возникающим требованиям. Этим объясняется применение многочисленных типов сушильных аппаратов, основные из которых будут¹ рассмотрены ниже: Срав­нение интенсивности работы отдельных конструкций проводят по ко­личеству влаги, удаляемой с единицы объема аппаратуры в едини­цу времени (кг/(м³»ч)]; эту величину называют напряжением объ­ема сушилки по влаге.

Устройство сушилок

Конструкции сушилок довольно разнообразны и отличаются по
ряду признаков:                                            .

способу подвода теплоты — конвективные и контактные су­шилки;

используемому теплоносителю — воздух, дымовые газы, пар, электронагрев;

способу организации процесса — сушилки периодического и не­прерывного действия;

взаимному направлению¹ движения -материала и- сушильного агента — прямоточные и противоточные сушилки;

состоянию высушиваемого материала — сушилки с неподвижным слоем, сушилки с непрерывно пересыпаемым материалом и др.

Конвективные сушилки

Туннельная сушилка (рис. 173) представляет собой камеру пря­моугольного сечения 1 значительной длины, внутри которой по рельсовому пути перемещаются вагонетки 2 с высушиваемым ма­териалом. Свежий воздух засасывается вентиляторами 3 и, проходя через калориферы 4, нагревается. Для входа и выхода - вагонеток

Сбежий

воздух 12 3 4                     3 4

Вход Вагонеток

Выход вагонеток

Отрабо­ танный воздух

4                    ЗА Рис. 173. Туннельная сушилка: V — камера, 2 — вагонетки, 3 -• вентиляторы, 4 — калориферы

4= __ / I / /

196

установлены герметично закрывающиеся двери, которые периоди­чески открываются для подачи вагонеток с сырым материалом и одновременного удаления вагонеток с высушенным материалом из противоположного конца сушилки. Сушильный агент —воздух подается противотоком или прямотоком. На рис. 173 показана по­дача воздуха по всей сушилке противотоком, тогда как в каждую вагонетку воздух поступает перекрестным током.

 

/ ™⁷* ;^Ка_г^{мериаясушилка:}                                Рис 175. Ленточная многоярусная

/-калорифер, 2-стеллажи, а-вей-                                                                   сушнлкя- "

тилятор, 4 -наружный калорифер.                           , „„„         ,      сушилка.

5 — перегородки! 6-шибер, 7 —су- / — корпус сушилки, 2 — ведо~мые барабаны,

шильная камера, « — дополнительный J — вентилятор, 4 — загрузочная воронка, 5 —

калорифер * '           ' транспортерная лента, 6 — ведущие барабаны,

/ — перегородки, 8 — калорифер

Туннельные сушилки обычно работают с частичной рециркуля­
цией сушильного агента и предназначаются для сушки больших ко­
личеств штучных керамических изделий. Загрузка и выгрузка ва­
гонеток производится вручную; сушка изделий; находящихся в раз-
ппоиеДГ'Г ^{вагонеток}>^пР^0Текае* неодинаково. Непомерность
процесса сушки и значительные размеры сушилки-существенные
недостатки рассмотренной конструкции  '    • ^сУ^{ществен}Р^ые

7 ^мерная сушилка (рис. 174) состоит из . сушильной камеры

матеоЛл^" Н_Я^Н1Г^РШ Р^азмеЧ*^аю™ противни с высушиваемым 1^Тиалом- ^НакаР^касе Установлены две горизонтальные перего­родки 5, которые делят все пространство камеры на три зоны че­рез которые последовательно проходит сушильный агент Свежий

нао?жном^Ск^Ся^Ыяпп^е_иГ ^Bej™^T0p0M3 >предварительно нагреваясь в
наружном калорифере 4, Воздух поступает в-нижнюю часть сушил-
г™^Д°_п^{ГРеВаеТСЯдополни}тельно во внутреннем калорифере 8, про­
ходит среднюю зону вновь подогревается в калорифер?/и прох£
дит верхнюю зону. На выходе воздуха из сушилки^меется шибер
6 с помощью которого часть воздуха возвращается в цикл, смеши­
ваясь со свежим воздухом. Таким образом, сушилка работает по
схеме промежуточного подогрева и частичной рециркуляции воз­
духа, обеспечивая необходимую температуру воздуха при некото-
рои экономии теплоты.                          -^{у        у v}иек.010

Сушка материала в сушилках этой конструкции происходит в неподвижном толстом слое, поэтому продолжительность сушки ве^'

197

.этика и сушилки обладают малой производительностью. Кроме то-то, такие сушилки не обеспечивают равномерных условий сушки по всем зонам, а необходимость ручной загрузки и выгрузки противней, •на которых происходит высушивание продукта, позволяет применять ^сушилки этого типа только для малотоксичных продуктов и при «ебблыних производительностях.

Ленточные многоярусные сушилки (рис, 175) состоят из корпу­са /, внутри которого расположен ряд транспортерных лент 5 из прорезиненной ткани или металлической сетки. Каждая из беско­нечных лент натянута между.ведущим 6 и ведомым 2 барабанами. Влажный материал поступает в загрузочную "воронку 4. Воздух за­сасывается вентилятором 3 и перед поступлением' в сушилку нагре­вается калорифером 8, расположенным в нижней части сушилки, как показано на рисунке. Ведущие и ведомые барабаны смежных лент смещены друг относительно друга па вертикали. Верхние час­ти смежных лент движутся в противоположных направлениях (на 'рисунке показаны стрелками). Материал на верхней ленте движет­ся слева направо. Дойдя до конца ленты, он высыпается на ниже-.лежащую.ленту и начинает двигаться в противоположном, направ­лении. Такое движение осуществляется многократно, пока мате­риал не достигнет выходного отверстия.

С помощью перегородок 7 в сушилке создается противоток воз­духа относительна высушиваемого материала. При пересыпании с лепты на ленту высушиваемый материал перемешивается и его по­верхность обновляется. Кроме того, в этот момент воздух соприка­сается со всей поверхностью.каждой частицы, что интенсифицирует ■процесс сушки. Ленточные многоярусные сушилки применяются для сушки'сыпучих и кристаллических продуктов, не требуют руч­ного труда на загрузку и выгрузку продукта, довольно компактны.

Петлевые сушилки (рис. 176) устроены следующим образом. Внутри корпуса сушилки 7 расположена бесконечная металлическая лента-сетка 8. Для загрузки служат бункер-питатель / и два на­жимных ролика 2. Лента в виде петель непрерывно перемещается в корпусе сушилки с помощью цепного конвейера 3. В правой части сушилки имеются ударное устройство 4 и шнек 5.

8     7           6,5

Рис. 176. Петлевая сушилка:

/ — бункер-питатель, 2 — нажимные роли­ки, 3 — цепной конвейер, 4 — ударное уст­ройство, 5 — шнек для выгрузки, 6 — вен­тилятор, 7 — корпус сушилки, 8 — беско­нечная металлическая лента

Материал в виде пасты или сильно увлажненных мелких кристал­лов (BaS0₄, ZnS, азокрасители и др.) поступает из бункера / на ■медленно движущуюся алюминиевую ленту 8, запрессовывается в ячейки ленты и поступает в сушильную камеру 7, где происходит процесс сушки. Высушенный материал удаляется из ячеек с по-198

мощью ударного механизма 4, выбивающего материал из ячеек, ш шнека 5. Для сушки применяют дымовые газы, получаемые сжи­ганием природного газа с «оздухом в панельных бесфакельных го­релках. Дымовые газы подаются в сушилку вентиляторами 6. Суш­ка может производиться также нагретым воздухом.

влажный материал

 

Высушенный 1 материал ' [

Рис, 177. Барабанная сушилка:

/ — загрузочный бункер, 2— распределительные лопасти, 3 — бандажи,

4 — корпус сушилки, 5 — циклон, 6 — вентилятор, 7 — бункер, 8 — шнек,

9 — упорный ролик, 10 — редуктор, // — опорные ролики, 12 — топка

Рис.

178. Типы насадки барабанных су^ шилок: а. — подъемно-лопастиая, б — секторная, в— перевалочная

Конструкции сушилок, близ­ких к рассмотренной, применя­ют для сушки листовых и тка­невых материалов, В этих слу­чаях вместо алюминиевое лен­ты используют непосредствен­но высушиваемый материал.

Барабанная сушилка (рис.
17/) состоит из стального ба­
рабана 4 с бандажами 3, опи­
рающимися на опорные ролики         '

//. Барабан сушилки вращается мотором через редуктор, малая шестерня 10 которого входит в зацепление с большой венцовой ше­стерней в средней части барабана. Барабан вращается на опорных роликах с наклоном к горизонту на угол 3—6°. Во избежание осе­вого смещения барабана на одном из бандажей имеются упорные ролики 9, препятствующие его соскальзыванию. Частота вращения барабана невелика — 3—8 об/мин. Влажный материал подаете» питателем через загрузочный бункер / в верхнюю часть барабана,, захватывается расположенными внутри барабана лопастями 2, не­прерывно перемешиваясь, подходит к нижнему концу барабана, по-

19»

ступает в бункер 7 и выгружается разгрузочным шнеком 8. В каче­стве сушильного агента используются обычно дымовые газы, пере­мещаемые через сушилку вентилятором 6. Для очистки газов от •пыля установлен циклон 5. На концах вращающегося барабана для предотвращения утечки сушильного агента установлены лабиринто­вые уплотняющие устройства. Степень заполнения барабана не пре­вышает 20%. Время пребывания материала регулируют изменением частоты его вращения, а также изменением угла наклона к гори­зонту.

В зависимости от крупности и свойств бысушиваемого материала барабан заполняют насадками различной формы. На рис. 178 по­казано устройство насадок барабанных сушилок: подъемно-лопаст­ной, предназначенной для крупнокусковых, склонных к налипанию материалов (рис. 176, а); секторной, применяемой для материалов большой плотности и малосыпучих (рис. 176, б); перевалочной с за­крытыми ячейками, используемой для сильно сыпучих материалов (рис. 178, в)^.В рассмотренных сушилках сушильным агентом поми­мо дымовых газов может служить воздух, предварительно нагретый в калориферах. В барабанных сушилках достигается непрерывное перемешивание материала и, следовательно, хороший контакт с су­шильным агентом. Напряжение объема сушилки по испаряемой влаге достигает 100—'120 кг/(м³-ч). Диаметры барабанов колеб­лются от 1200 до 2800 мм.

Аппараты этого типа применяются для суЩки многотоннажных продуктов — суперфосфата, азотнокислого аммония и др.

Сушилки с кипящим слоем. Наилучший контакт сыпучего ма­териала с сушильным агентом, развитие поверхности соприкосно­вения при ее непрерывном обновлений обеспечивают сушилки с ки­пящим слоем.

В этих аппаратах продолжительность процесса сушки сокраща­ется до нескольких минут, способствуя таким образом повышению их производительности и качества высушиваемого материала при отсутствии его разложения. Сушилки с кипящим слоем применяют­ся в основном для обработки сыпучих зернистых материалов, но в отдельных случаях удается осуществить в них сушку паст, полиме­ров и др. Собственно сушилка (рис. 179) представляет собой верти­кальный конический сосуд 6, расширяющийся кверху, в нижней час­ти которого укреплена решетка 3. Материал' поступает из бункера с питателем 5 и удаляется через штуцер 4. Сушильный агент — го­рячий воздух или топочные газы, разбавленные воздухом,— подает­ся вентилятором 1, проходит смесительную камеру 2 и поступает под решётку 3 сушилки.. Скорость подачи сушильного агента уста­навливают так, чтобы находящийся на решетке высушиваемый ма­териал начал «кипеть» и перешел в псевдоожиженное состояние.

В связи с тем, что частицы высушиваемого материала различа­ются по величине и массе; для обеспечения равномерного кипения всей массы материала корпус сушилки имеет форму расширяюще­гося кверху конуса. При такой форме аппарата более тяжелые час­тицы скапливаются в нижней части, там, где скорость сушильного

200

агента больше, а более мелкие — в верхней его части. Так как наи­
более мелкие и легкие частицы все же уносятся газом, для улавли­
вания частиц установлены последовательно циклон 7 и батарейный
циклон 8. Основная масса высушенного материала нз сушильной
камеры и материал из очистительных устройств 7 и 8 удаляются
транспортером 9.                                                                      ~

Влажный материал

Топочные газы

OmpaSo -

Рис. 179. Сушилка с' кипящим слоем:

/ — вентилятор,- 2 — смесительная камера, 3 — ре­шетка, 4 — штуцер для выгрузки продукта, 5 — бункер с питателем, в — корпус сушилки, 7 — цик­лон, 8 — батарейный циклон, 9 — транспортер

В сушилках с кипящим слоем удаление влаги.с единицы объема
аппарата значительно превышает те же характеристики сушилок
других .типов. Это обстоятельство выгодно отличает рассмотренные
конструкции сушилок, выпускаемых в последнее время в различных
вариантах (многокамерная, ступенчато-противоточная, вихревая,
циклонная, аэрофонтанная).           '

Распылительные, сушилки. Для жидких продуктов, подверга­емых процессу сушки (растворов солей, суспензий, эмульсий), при­меняют, распылительные сушилки. Сушильный агент — воздух или дымовые газы — подается в сушильную камеру, где в мелкораз­дробленном состоянии Находится высушиваемый продукт. В таких условиях создается большая поверхность испарения высушиваемого продукта и обеспечивается хороший контакт с теплоносителем, по­этому сушка происходит чрезвычайно быстро. Даже при высокой температура теплоносителя разложения продукта в распылительных сушилках не происходит, и в результате получают тонкоизмельчен-нын продукт высокого качества.

Устройство распылительной сушилки показано на рис. 180. Вен­тилятор / через калорифер 2 подает нагретый воздух в камеру су­шилки 3, где имеется распыливающее устройство 4. Воздух с взве­шенными частицами высушенного продукта поступает в циклон 5, где улавливаются наиболее крупные частицы. Окончательная тон-

201

кая очистка воздуха осуществляется фильтрованием в рукавном фильтре 6. Высушенный продукт удаляется из аппаратов 3, 5 и 6 шнеком 7.

.^^рш^

 

Рис. 180. Распылительная сушилка:

/ — вентилятор, 2 — калорифер, 3 —камера сушилкя, 4 — распыливадэ-щее устройство, 5 — циклон, 6 — рукавный фильтр, 7 — шнек

t Ж

л

~т

Т

Конденсат Рис. 181. Вакуум-сушильиый шкаф: / — дверца-крышка, 2—корпус (ци лиидрнческнй сосуд),' 3 — польн

Распыление подвергаемых сушке жидкостей производится различными способами: быстро вращающимися дисками, с помощью механических н пневматических форсунок. Распыление дисками пригодно для суспензий и вязких жидкостей, но требует больших затрат энергии. Распыление чистых жидкостей проводится форсунками, в которые подаются жидкости под дав­лением 3—20 МПа. Распыление жид­костей форсунками с помощью сжато­го воздуха (пневматическое распыле­ние) также требует много энергии.

В распылительных сушилках до­стигается хороший контакт материала с сушильным агентом, однако объем сушильной камеры должен быть боль­шим. Поэтому такой способ сушки при­меняется только в тех случаях, когда исходный продукт находится в жидком состоянии. Вариантом распылительных сушилок являют­ся пневматические сушилки, в которых процесс сушки совмещает­ся с пневматическим транспортированием материала.

Контактные сушилки

Вакуум-сушильный шкаф — простейшая конструкция сушиль­ных аппаратов'этого типа (рис. 181). Он представляет собой гори­зонтальный цилиндрический сосуд 2, одна из крышек / которого может легко отодвигаться специальным кронштейном. Внутри ап­парата горизонтально установлены полые плиты 3, обогреваемые паром или горячей водой. Высушиваемый материал помещают на

Рис. 182. Вакуум-сушилка с гребками:

/ — корпус, 2 — паровая рубашка, 3 — мешалка с гребками, 4 — загрузоч­ный люк, 5—штуцер для .присоединения вакуума, 6 — люк для выгрузки,

7 — штангн

противни, устанавливаемые на плиты. Вакуум-шкаф после загруз­ки закрывают и через ловушки откачивают пар в смесн с воздухом вакуум-насосом. В плиты подают теплоноситель. Материал на про­тивнях постепенно нагревается, пары влаги поступают в конденса­тор, где конденсируются, а газы откачиваются вакуум-насосом. За­грузку и выгрузку противней производят периодически вручную. - Сушилки этого типа -пригодны для сушки легкоокисляемых, взрывоопасных и токсичных продуктов. Сушилки такой конструкции мало производительны и требуют большие затрат ручного труда.

Вакуум-сушилка с гребками. В рассмотренных выше вакуум-сушильных шкафах за счет снижения температуры возможна суш­ка легко разлагающихся продуктов, но, как указано, требуются большие затраты ручного труда. В сушилке, представленной на рис. 182, процессы загрузки и выгрузки продукта в значительной мере механизированы.

Сушилка состоит из горизонтального цилиндрического корпуса / с паровой рубашкой 2, верхнего загрузочного люка 4 и нижнего люка для выгрузки 6. Внутри, корпуса имеется мешалка 3 с греб­ками,- близко подходящими к внутренней поверхности корпуса. Ло­пасти мешалки на одной половине длины барабана (в правой час­ти) повернуты таким образом, что при вращении по часовой стрел­ке они перемещают материал от середины к правому ее краю. На

203

левой части сушилки лопасти повернуты в другую- сторону н при вращении по часовой стрелке перемещают материал от средней час­ти к левому краю.

Если, изменить направление вращения мешалки на противепо-ложное, то лопасти начнут перемещать материал от краев сушил­ки к средней части. Привод мешалкн имеет реверсивное устройство, позволяющее через-5—8 мин изменять направление вращения и тем самым периодически перемещать материал от средней части сушил­ки к краям и обратно. Для улучшения условий теплообмена и пред­отвращения осмоления продукта на стенках в сушилку помещают штанги 7, которые при вращении мешалки перемещаются, очищая

Загрузка

Рис. 183. Двухвальцовая сушилка:

/ — корпус, 2 — приводная шестерня, 3 — правый валок, 4 — отвод конденсата, 5 — левый валок, 6—ножи, 7, 8—шнеки с обогревом

нижнюю половину корпуса сушилки и перекатываясь по лопастям в средней ее части. Пары влагн удаляются через штуцер 5, распо­ложенный в верхнем люке аппарата. Напряжение по испаряемой влаге в сушилках этого типа колеблется от 6 до 8 кг/(м³»ч).

Вакуумные сушилки с мешалками применяются в' анилннокра-сочцой и других отраслях химической промышленности. Основное преимущество этих аппаратов перед другими конструкциями — мяг­кие условия сушкн. Кроме'того, обслуживающий персонал почти не соприкасается с высушиваемым материалом, что очень важно при обработке токсичных и взрывоопасных продуктов. В сушилке 'данного типа можно легко осуществлять улавливание неводных рас­творителей, удаляемых в процессе сушки, и обеспечить высокую чистоту высушиваемых продуктов.

В вальцовых сушилках осуществляется непрерывная сушка раз­личных жидкостей и текучих пастообразных материалов прн атмо­сферном давлении и под вакуумом. Двухвальцовая сушилка этого типа, работающая при атмосферном давлении (рис. 183), состоит из корпуса /, внутри которого расположены два валка Зяб, вра-

204

вдающиеся навстречу друг другу с частотой 2—10 об/мин. Валки
обогреваются паром, поступающим через полые цапфы, и конденсат
отводится через сифонные трубки 4. Один из валков 5 вращается
в неподвижно укрепленных подшипниках, а другой 3— в подшип­
никах с подвижными опорами. Это позволяет регулировать зазор
между в.алкамн. На валках 3 и 5 установлены по их образующим
ножи 6 для съема продукта. В нижней части имеются шнеки 7 и 8_Г
также^ обогреваемые паром. Привод одного из валков осуществля­
ется через шестерню 2.                              \

^конде н­сатору ' 3 Материал*

Вальцы могут обогреваться горячей водой или высокотемпера­турными теилоноснтелями. Материал поступает через загрузочную воронку в пространство между вал­ками, захватывается ими в виде тонкой пленки, подсыхает на их поверхности и срезается ножами 6. Окончательное досушивание мате­риала происходит на шнеках 7 н 8. Сушилка работает непрерывно, руч­ная загрузка полностью исключена, но конструкция пригодна только для сушки жидких и пастообразных продуктов.

вакуум-су*

Вальцовая шилка:

Рис. 18.

/ — бункер для высушенного продукта, 2 — герметичный корпус, 3 — валок, 4— нож для съема продукта

Вальцовая вакуум-сушилка пред­ставлена, на рис. 184." Основным рабочим'органом служит валок 3, обогреваемый изнутри паром. Ниж­ней своей частью валок погружен в материал, подвергаемый сушке. Ма­териал непрерывно поступает в аппарат, захватывается валком, по­крывая его тонкой пленкой, подсушивается, срезается ножом 4 и поступает в бункер 1. Все рабочие органы сушилки заключены в общий корпус 2. Производительность по влаге у вакуум-сушилок по сравнению с работающими при атмосферном давлении повыша­ется до 20—30 кг/(м²-ч).

Специальные типы сушилок

В радиационных сушилках необходимая для сушки теплота пе­
редается инфракрасными лучамн. Источниками излучения могут
быть зеркальные лампы с инфракрасным излучением, элементы со­
противления (электрические спирали), а также керамические плиты,
обогреваемые газом. Сушилки этого типа применяются главным об­
разом для сушки листовых тонкослойных материалов и лакокрасок
ных покрытий.                                   -.

Высококачественные диэлектрические сушилки используются для сушки диэлектриков. Сушка проводится в поле токов высокой частоты, получаемых в специальных высокочастотных генераторах.

205

Этот способ нагрева применяется только для сушки диэлектриков, главным образом пластических масс. Он весьма дорог и потому применяется только при сушке ценных продуктов.

В сублимационных сушилках проводят сушку материалов в за­мороженном состоянии под глубоким вакуумом при остаточном давлении менее 1 мм рт. ст. При этих условиях влага в виде льда переходит из твердого состояния непосредственно в парообразное, минуя жидкую фазу. Этот способ также довольно дорог и поэтому применяется -для сушки ценных пищевых продуктов, плазмы крови, медицинских препаратов и др.

Вопросы для повторения. 1. Что называется процессом сушки? 2. Какие основные виды сушки применяются в химической промышленности и в чем их раз­личие? 3. Что называется относительной влажностью, влагосодержанием и теп­лосодержанием влажного воздуха? 4. Какие основные параметры влажного воз­духа нанесены на (/—X ) -диаграмму? 5. Какими основными величинами харак­теризуются влажный, высушенный материал и воздух, подаваемый при конвек­тивной сушке? 6. Какие задачи могут быть решены с помощью (/—X ) -диаграм­мы? 7. Чем характеризуется процесс теоретической сушки? 8. Из каких основных элементов состоит конвективная сушилка? 9. От чего зависит скорость сушки и s каких единицах она выражается? 10. Какие основные типы сушилок применя­ются в химической промышленности? 11. Как устроены и для каких материалов применяются туннельные сушилки? 12. В чем преимущества и недостатки камер­ных сушилок? 13. Каким образом осуществляется перемещение материала в лён-точных многоярусных сушилках? 14. Для каких материалов применяются петле­вые сушилки? 15. Чем объясняется широкое применение барабанных сушилок для сушкн продуктов в крупнотоннажных производствах? 16. В чем основное преимущество сушилок с кипящим слоем? 17. В каких сушилках целесообразно «ушить жидкие, легкоразлагающиеся продукты? 18. В чем преимущества и недо­статки вакуум-сушилок? 19. На каких принципах основана работа специальных типов сушилок?

ГЛАВА 19. ХОЛОД

Общие сведения

Искусственное охлаждение широко применяется' в различных областях народного хозяйства, например для кондиционирования воздуха, замораживания грунтов, хранения пищевых продуктов. К числу химико-технологических процессов, осуществляемых при искусственном охлаждении, относятся проце'ссы кристаллизации, разделения газов, сублимационной сушки, некоторые реакторные процессы. Холодильные процессы используются также в металлур­гии, электротехнике и электронике, ядерной, ракетной и других" об­ластях техники.

Охлаждение всегда связано с переносом теплоты от тела с бо­лее низкой температурой к телу с более высокой температурой. Со­гласно второму началу термодинамики, такой перенос требует за­траты энергии. Поэтому для получения холода необходимо непре­рывно подводить энергию к холодильной установке.

206

Способы получения искусственного холода классифицируются по требуемой температуре охлаждения. Условно различают умерен­ное охлаждение (диапазон температур от +20 до—100° С) и глу­бокое охлаждение (температуры ниже —10d°C). Температуры,, близкие к абсолютному нулю (4 К и ниже), получают только в ла­бораторных условиях.

В процессах искусственного охлаждения теплота от охлажда­емого тела отводится к холодильному агенту, выполняющему роль переносчика теплоты. Температуру холодильного агента снижают с помощью испарения жидкостей с низкой температурой кипения, на­пример NH₃, фреонов (CC1F₂, CHC1F₂) и др., либо расширения предварительно сжатых газов. Так, если испарять NH₃при давле­нии 0,1 МПа.'то он будет кипеть при температуре —34° С. Расшире­ние газов и снижение давления осуществляются в дросселирующих устройствах либо в детандерах.

Процесс расширения идеального газа происходит без изменения энтальпии, и температура его не изменяется. Дросселирование же реальных газов сопровождается понижением температуры, несмот­ря на постоянство энтальпии. Явление изменения температуры ре­ального газа при его дросселировании называется дроссельным эф­фектом. При прохождении газа через детандер — машину, подобную компрессору,—газ, расширяясь, совершает работу.

Помимо испарения низкокипящих веществ и расширения газов для охлаждения используют тепловой эффект плавления, обычно льда, но его можно использовать только до температуры его плав­ления, т. е. до 0° С.

Умеренное охлаждение

Компрессионные холодильные машины. В этих машинах в каче­стве холодильных агентов используются вещества с низкой темпе­ратурой кипения, способные испаряться при температуре ниже ну-

£g Охла жвае- иая спеда Охлаждае­ мая среда

Ёода T :* Q

Рис. 185. Компрессионная холодильная машина:

/ — конденсатор,  2 — компрессор, 3 — испаритель, 4 — дроссель

ля при подводе теплоты от охлаждаемого тела. В результате по­следующего сжатия пара.и охлаждения до обычной'температуры пары вновь превращаются в жидкость. Сжатие паров производит­ся в поршневых компрессорах или турбокомпрессорах.

Работа компрессионной холодильной машины построена по прин­ципу замкнутого цикла (рис. 185). Компрессор 2 засасывает пары холодильного агента и сжимает их до такого давления, .при кото-

207

ром они могут быть сжижены при охлаждении водой в конденсато­ре /. Жидкий холодильный агент из конденсатора подается в дрос­сельный вентиль 4, и давление падает. Жидкий холодильный агент испаряется при низкой температуре в испарителе 3, отнимая теп­лоту от охлаждаемой среды.

Конструкционный материал холодильной " машины и рабочие давления зависят от свойств применяемого холодильного агента. Основными требованиями к веществам, применяемым в качестве хо­лодильных агентов, являются большая скрытая теплота испарения и возможно меньший удельный объем паров. Большая скрытая теплота испарения позволяет уменьшить количество агента, цирку­лирующего в системе, необходимое для достижения заданной холо-допроизводительности,. а малый удельный объем паров приводит к уменьшению размеров холодильной машины. Кроме того, холо­дильный агент не должен быть химически агрессивен-, должен удов­летворять требованию пожарной безопасности и быть по возможно­сти безвредным.

В настоящее время наиболее распространенными холодильными агентами являются фреоны и аммиак. Фреоны представляют собой фторхлорпроизводныё метана. Фреоны безвредны, пожаро- и взры-вобезопасны и не вызывают коррозии конструкционных материалов. Недостаток фреонов — их высокая текучесть, требующая обеспече­ния высокой герметичности систем, и способность растворять сма­зочные масла.

В некоторых; технологических- процессах требуются более низ­кие температуры, чем те, которые могут быть получены при исполь­зований одноступенчатых холодильных машин. Например, односту­пенчатая машина с аммиаком позволяет получить температуру не ниже —34° С. Для достижения более низких температур односту­пенчатые машины малоэффективны либо вовсе непригодны. По­этому для получения более низких температур, применяют двух­ступенчатые или .трехступенчатые машины. Путем двухступенча­того сжатия аммиачных паров можно получить температуры до —50° С, путем трехступенчатого — до —70° С.

В производственных условиях холодильная'установка обычно
обслуживает несколько аппаратов, для охлаждения которых ис­
пользуют промежуточные хладоносители. В качестве промежуточ­
ных хладоносителеи используются холодильные рассолы — водные
растворы солей СаСЬ, MgCl₂, NaCl, которые замерзают только при
низких температурах. Холодильные рассолы подаются с помощью
насосов от испарителя холодильной машины, где они охлаждаются,
к потребителям холода, где они отдают холод и сами нагреваются.
Выбор рассола и его концентрации зависит от требуемой темпера­
туры охлаждения, которая должна, быть выше температуры замер­
зания рассола.                                                                           •

Абсорбционные холодильные установки. Действие абсорбцион­ных холодильных установок основано на поглощении паров холо­дильного агента каким-либо .абсорбентом и последующем выделе­нии его путем нагревания. Вместо сжатия холодильного агента в

208

компрессоре, необходимого для последующей конденсации, в аб­
сорбционной холодильной установке применяются десорбция и от­
гонка холодильного агента из растворителя под избыточным давле­
нием.                             -

Наиболее распространенным холодильным агентом' в абсорбци­онных установках является аммиак, а абсорбентом — вода. Аммиак очень хорошо поглощается водой, причем температура кипения раствора выше, чем аммиака.

В водно-аммиачной абсорбционной холодильной установке (рис. 186) 50%-ный раствор аммиака в-воде поступает в кипятиль­ник /. Пары почти чистого аммиака под давлением поступают в конденсатор 2, где конденсируются при охлаждении его водой. За­тем жидкий аммиак поступает в дросселирующий вентиль 3 и ис­паритель 4. Давление аммиака падает до атмосферного, он испа­ряется и отнимает теплоту от охлаждаемой среды. Из испарителя пары аммиака поступают в абсорбер 5, где поглощаются слабым аммиачным раствором, орошающим абсорбер: Этот раствор посту­пает из кипятильника /, по пути охлаждается в теплообменнике 6 более холодным концентрированным раствором аммиака, перекачи­ваемым на испарение в кипятильник 1 из абсорбера 5. Кипятиль­ник 1 обогревается паром, поступающим в змеевик.

/                                                              . .

Рис. 186. Водно-аммиачная абсорбционная холодильная установка:

/ — кипятильник, 2 — конденсатор, 3 — вентиль, 4 — испаритель, 5 — аб­сорбер, 6 — теплообменник

Количество подводимой теплоты эквивалентно электрической энергии, потребляемой в компрессорной холодильной машине. По­этому абсорбционные холодильные установки рентабельнее ком­прессорных машин, так как позволяют утилизировать Дешевый от-

209

работанный водяной пар. Недостаток абсорбционных установок — их большая металлоемкость.

Холодопроизводительность установок определяется количеством .теплоты, отнимаемой от охлаждаемой среды.

Глубокое охлаждение

Способы умеренного охлаждения не позволяют получить очень низкие температуры. Это объясняется относительно высокими тем­пературами кипения холодильных агентов, применяемых в процес­сах умеренного охлаждения. Тем не менее глубокое охлаждение необходимо в химической технологии для сжижения смесей различ­ных газов с целью их последующего разделения. Для получения глубокого холода пользуются следующими методами, или циклами: дросселированием газа без совершения внешней работы; расшире­нием газа с совершением внешней работы; комбинированным дрос­селированием с расширением газа в детандере.

Экономичность способа глубокого охлаждения определяется за­тратами работы на сжижение 1 кг газа. Наиболее экономичен ком­бинированный способ расширения газа, позволяющий осуществлять сжижение газа с наименьшим расходом энергии.

ЛР

А» '

Рис. 187. Регенера­тивный цикл Линде с однократным  дрос­селированием: / — компрессор, 2 — водя­ное холодильник, 3 — ре­генеративный  теплооб­менник, 4 — дроссель

Рис. 188. Сое­диненные дроссельный и детаидерный циклы: / — детандер, 2— компрессор, 3 — противоточные теплообменники, 4 — дроссель

Циклы с дросселирова­нием газа. Дросселирование-газа не позволяет понизить температуру до уровня, не­обходимого для сжижения газа, даже в случае предва­рительного сжатия газа до очень высокого давления. Поэтому применяется реге­неративный принцип,заклю­чающийся в дополнительном охлаждении сжатого газа перед дросселированием. Последующее дросселирова­ние охлажденного ' сжатого газа приводит к более глубо­кому понижению температу­ры газа. Газ после дроссели­рования подается в противо-точный теплообменник для предварительного охлажде­ния вновь поступающего газа.

Цикл высокого Давления с однократным дросселиро­ванием называется циклом

210

Линде (рис. 187). Газ под давлением р_хпри температуре Т_хзаса­сывается компрессором 1 и сжимается до давления рг- Теплота, вы­делившаяся при сжатии, отводится в водяном холодильнике 2, где газ охлаждается до первоначальной температуры Т\. Далее сжатый газ охлаждается в противоточном регенеративном теплообменни­ке 3 за счет холода «обратных» газов, поступающих после дроссе­лирования. Охлажденный сжатый газ под давлением р₂проходит дроссель 4. В результате давление газа снижается до первоначаль­ной величины р\, газ охлаждается и часть его переходит в жидкое состояние. Несжиженная часть газа направляется в теплообмен­ник 3, где она отнимает теплоту от сжатого в компрессоре газа. При этом «обратный» газ нагревается до температуры Т_хи подает­ся в компрессор для сжатия, после чего цикл повторяется.

Циклы с совершением внешней работы. Расширение предвари­тельно сжатого газа происходит в газовом двигателе, который назы­вается детандером и устроен так же, как поршневой компрессор или турбокомпрессор. Внешняя работа детандера может быть исполь­зована для перекачивания жидкости, нагнетания газа или других целей. В детандере сжатый газ расширяется без обмена теплотой с . окружающей средой. Совершаемая газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается.

При расширении газа в детандере с совершением внешней ра­боты достигается значительно большее, чем при дросселировании, понижение температуры. Однако .эффективность охлаждения с по­мощью этого метода все же недостаточно высока, так как гидрав­лические удары и вихреобразование приводят к выделению тепло­ты, а из-за.несовершенства тепловой изоляции детандера часть хо­лода теряется. Поэтому для получения очень низких температур циклы, основанные на принципе расширения газа в детандере, не используются.

Комбинированные циклы. Для повышения экономичности ох­лаждения при сжижении воздуха и других газов расширение в де­тандере используют только для предварительного охлаждения, а дальнейшее охлаждение до температуры сжижения осуществляют путем дросселирования.

Схема соединенных дроссельного и детандерного циклов пока­зана на рис. 188. Этот цикл отличается от цикла с дросселировани­ем газа тем, что часть газа, поступающего в дроссель 4, расширя­ется в детандере /. При этом газ совершает внешнюю работу, ко­торая отводится на вал компрессора 2, тем самым повышая эффек­тивность холодильной установки. Сжиженная часть газа отводит­ся из установки, а несжиженная подается'для охлаждения сжатого газа- в противоточные теплообменники 3.

Энергетические показатели циклов глубокого охлаждения мож­но сравнивать только в конкретных случаях сжижения того или иного газа. В крупных установках выгодно вводить ^предваритель­ное аммиачное охлаждение, которое позволяет повысить экономич­ность циклов. Для получения жидкого кислорода и азота -в уста­новках большой производительности наиболее экономичен цикл с

211

двукратным дросселированием и аммиачным охлаждением. В уста­новках средней производительности используется цикл с однократ­ным дросселированием, который отличается простотой оборудова­ния и обслуживания. .

Вопросы для повторения. 1. Где применяется искусственное охлаждение? 2. Как классифицируются способы получения искусственного холода? 3. Какие способы получения низких температур вам известны? 4. Что такое дроссельный эффект? 5. Как работают компрессионные холодильные машины? 6. Какие тре­бования предъявляются к холодильным агентам? 7. Каков принцип действия аб­сорбционных холодильных машян? 8.' Какие способы применяются для получения глубокого холода? Чем они различаются?

⇐ Предыдущая34353637383940414243Следующая ⇒

Поделиться: