Конструкции сушильных установок

Различие сушимых материалов по физико-химическим и структурно-механическим свойствам, форме, размеру, количе­ству и т.д. способствовало применению в промышленности разнообразных конструкций сушильных установок. Используется следующая классификация наиболее распространенных су­шильных установок.

По способу подвода теплоты к материалу: а) конвективные; б) кондуктивные; в) радиационные; г) электромагнитные; д) комбинированные (конвективно-радиационные, конвективно-радиационно-высокочастотные и т. д.).

По функционированию во времени: а) непрерывного дей­ствия; б) периодического действия; в) полунепрерывного действия,

По конструкции: а) камерные; б) шахтные; в) туннельные; г) барабанные; г) трубчатые; д) ленточные; е) взвешенного слоя; ж) распылительные; з) сублимационные и др.

Из приведенной классификации сушильных установок наи­большее распространение в промышленности получили конвек­тивные сушилки. Эти установки могут быть разделены на не­сколько групп по ряду существенных признаков. Укажем неко­торые из них:

- по сушильному агенту: а) воздушные; б) на дымовых (то­почных) газах; в) на неконденсирующихся в процессе сушки газах (азот, гелий, перегретый водяной пар и т. д.);

- по схеме движения сушильного агента: а) однозонные (с однократным использованием сушильного агента, с рецир­куляцией); б) многозонные (с промежуточным подогревом су­шильного агента, рециркуляцией его по зонам, рециркуляцией между зонами и т. п.);

- по давлению в сушильной камере: а) атмосферные; б) ва­куумные;

- по направлению движения сушильного агента относительно материала: а) прямоточные; б) противоточные; в) перекрестно-точные; г) реверсивные.

Выбор сушильного агента проводят на основе комплексного исследования технико-экономических показателей сушильной установки, ее технологической схемы и связи ее с тепловой схе­мой предприятия.

В пищевой, химической, строи­тельной и других отраслях промышленности широко распростра­нены распылительные сушильные установки, в которых получают сухой продукт различной дисперсности из растворов, подвергаемых сушке. На рис. 3.19 приведены некоторые из возможных схем распылитель­ных сушильных установок.

Раствор с высокой начальной влажностью подается к форсун­кам (рис. 3.19, а–в)или вращающимся дискам (рис. 3.19, г–е),благодаря которым происходит диспергирование растворов, т. е. распыление его на мелкие частицы (капли). Значительное уве­личение поверхности раствора, имеющее место при его диспер­гировании, способствует ускорению передачи теплоты от газо­образного теплоносителя (нагретого воздуха, топочных газов, перегретого пара и др.)' поступающего в сушильную камеру к каплям раствора.

В распылительных сушилках принципиально возможно осу­ществление прямотока (рис. 3.19, а, в–е)и противотока (рис. 3.19, б)при движении высушиваемого продукта и теплоноси­теля.

В промышленности наиболее распространены прямоточные сушилки с подачей теплоносителя и раствора сверху сушильной камеры. При такой схеме организации процесса сушки можно применять более высокую начальную температуру теплоносителя (до 800–1000 °С), чем при противотоке, без опасности пе­регрева высушиваемого раствора. Температура сухих частиц в основном определяется температурой газов на выходе из су­шилки.

Рис. 3.19. Схемы форсуночных сушильных камер (а–в)и схемы сушилок с дисковым распылением (г–е):

а – прямоточная камера с центральным закрученным подводом теплоносителя; б –ка­мера с равномерным распределением по сечению через газораспределительную решетку; в – камера с радиальным по периферии подводом теплоносителя и центральным от­сосом

При противоточной схеме работы сушилки обычно теплоноси­тель подается снизу камеры, а раствор распыляется сверху. Длительность пребывания частиц во взвешенном состоянии в этом случае больше, чем при прямотоке. Однако максимально возможное количество испаряемой влаги в 1 м³ камеры в час в случае сушки термочувствительного продукта меньше, чем при прямотоке, так как начальная температура теплоносителя во избежание перегрева высушиваемого раствора не превышает 100–150 °С.

Эффективность и технико-экономические показатели работы распылительных сушилок во многом зависят от работы распы­лителя. К числу важнейших требований, предъявляемых к рас­пылителям, относят качество распыления, т. е. размер получае­мых капель и их однородность, обеспечение максимально воз­можной производительности единичного распылителя, мини­мальные энергозатраты на распыление, надежность работы и простоту обслуживания и т. д.

В технике распылительной сушки наиболее распространены центробежные механические форсунки, пневматические форсунки и центробежные дисковые распылители.

Такие технологические процессы, как сушка, обжиг, произ­водство активированных углей и т. д., предусматривают взаимодействие твердых частиц с капельными жидкостями или газами. Одно из действенных средств ускорения таких процес­сов – использование взвешенного (псевдоожиженного) слоя, так как перемешивание частиц в аппаратах обеспечивает раз­витую поверхность тепло- и массообмена.

Псевдоожижение слоя дисперсного материала осуществля­ется в вертикальных аппаратах самых разнообразных конструкций с горизонтальными решетками, при помощи которых поток теплоносителя, подаваемый снизу вверх, равномерно распре­деляется по сечению аппарата.

Увеличение скорости ожижающего агента (восходящего по­тока теплоносителя) от нуля до некоторой величины, называе­мой критической W_кр,не вызывает изменения взаимного распо­ложения частиц, если их плотность больше, чем ожижающего агента. В этом случае частицы сушимого материала образуют над решеткой неподвижный слой, высота которого остается неизменной (участок а b' на рис. 3.20, а).

При достижении критической скорости газа происходит ка­чественное изменение свойств слоя. Слой переходит во взвешен­ное состояние, расширяется, частицы приобретают подвиж­ность.

Рис. 3.20. Изменение высоты слоя h и его гидравличе­ского сопротивления Dр в зависимости от скорости воздуха

Образовавшийся слой по своим свойствам (выравнива­ние поверхности слоя, наличие гидростатического давления на стенки аппарата, «перетекание» из одного аппарата в другой и т. д.) напоминает капельную жидкость. Именно поэтому такой слой называют псевдоожиженным. Увеличение скорости выше критической способствует увеличению расстояний между отдельными частицами, а значит, и увеличению в целом объема слоя (участок b'с). Изменение объема слоя в зависимости от изменения скорости ожижающего агента является еще одним качественным отличием пеевдоожиженного слоя от неподвиж­ного.

Сказанное иллюстрируется рис. 3.20, а,где приведена зави­симость высоты слоя h от скорости теплоносителя.

Перепад давления Dр газа зависит от его скорости при движении через неподвижный слой (рис. 3.20, б). При достиже­нии критической скорости перепад давления теплоносителя в слое, Па, достигает значения, приблизительно равного весу слоя, приходящегося на единицу площади решетки. В этот мо­мент вес слоя уравновешивается гидродинамической силой га­зового потока, равной:

Dр = G/S_реш , (3.1)

где G – вес твердых частиц, Н; S_реш – площадь решетки, м².

Дальнейшее увеличение скорости газового потока на входе в слой от W_кр до W_yнприводит к незначительному увеличению падения давления, поскольку увеличение расстояния между частицами приводит лишь к незначительному увеличению ско­рости обтекания их газом. Большая величина гидравлического сопротивления в момент псевдоожижения, чем определяемая выражением (3.1) (участок от W_крдо W¢_крна рис. 3.20, б), объясняется тем, что на преодоление сцепления между части­цами должно быть затрачено определенное количество энер­гии.

Характерной особенностью псевдоожиженного слоя является неизменная по высоте слоя температура газа и частиц. Лишь на небольшом участке у решетки аппарата наблюдается значи­тельное изменение температуры газа. Неизменная температура частиц позволяет вести расчет процесса сушки в периоде по­стоянной скорости по уравнению теплового баланса.

Широкое использование псевдоожиженного слоя в промыш­ленности привело к большому разнообразию конструктивного оформления аппаратов. Сушилки непрерывного и периодиче­ского действия могут быть одно- и многокамерные. Однокамер­ные сушилки (рис. 3.21) наиболее просты в конструктивном и эксплуатационном отношениях, обладают хорошими экономи­ческими показателями.

Влажный материал из бункера 1 не­прерывно поступает в сушильную камеру 4.Для возможности плавного регулирования количества подаваемого материала установлены дисковый клапан 2 и загрузочный клапан 3.Под решетку подается теплоноситель. Высушенный материал через патрубок 5 поступает в бункер готового продукта. Отработав­ший теплоноситель вместе с испаренной влагой и захвачен­ными мелкими частицами высушиваемого материала отсасы­вается вентилятором 7. Для отделения унесенных из псевдо­ожиженного слоя частиц от газового потока устанавливается циклон 6.В аппаратах такого типа при сушке влажного мате­риала в зависимости от параметров теплоносителя влагосъем с 1 м² решетки достигает 500–1000 кг/ч и более при удельном расходе сухих газов 3–12 кг на 1 кг испаренной влаги.

Рис. 3.21. Схема сушильной установки для песка (с прямоугольной камерой):

I – отработанный воздух; II – сухой материал; III – горячий воздух; IV –влажный материал

Для сушки сыпучих материалов (уголь, гипсовый камень, глина, песок и т. д.) широкое распространение получили бара­банные сушилки (рис. 3.22). Основной частью таких сушилок является вращающийся цилиндрический барабан 3 с часто­той вращения от 0,5 до 8 об/мин.

Типовые барабанные су­шилки имеют длину барабана 8–13 м, диаметр 1,5–2,8 м. Для перемещения сушимого материала вдоль барабана по­следний имеет угол наклона 3–6°. Для предотвращения осевого смещения барабана один из бандажей, укрепленных на корпусе, упирается в опорно-упорный ролик 8 (7 – опорный ролик). Привод барабана состоит из электродвигателя 4,ре­дуктора 5 и зубчатой передачи 6.

В качестве теплоносителя используют обычно топочные газы. Влажный материал из бункера питателем 2 и газы из топки 1 подаются в барабан и движутся в нем прямотоком. В некоторых случаях, когда сушимый материал температуроустойчив, возможно использование противоточной схемы движе­ния материала и теплоносителя. Для увеличения поверхности тепломассообмена и коэффициента теплоотдачи от тепло­носителя к материалу внутри барабана устанавливают метал­лическую насадку. При вращении барабана лопасти насадки захватывают и поднимают материал в верхнюю часть бара­бана, падая затем вниз, материал хорошо перемешивается и омывается топочными газами. Для уменьшения подсосов воз­духа через торцевые поверхности барабана при его вращении оба конца корпуса снабжены уплотнительными устройствами 9.

Рис. 3.22. Барабанная сушилка

Удельный расход теплоты в барабанных сушилках на то­почных газах лежит в пределах 3500–6300 кДж на 1 кг влаги; расход теплоносителя 15–25 кг на 1 кг испаренной влаги.

При оценке размеров барабана пользуются опытно опре­деленной величиной производительности единицы объема бара­бана по испаренной влаге А_б. Эта величина зависит от типа су­шилки, степени заполнения ее объема, от вида сушимого ма­териала, его начального и конечного влагосодержания, а также от режимных параметров теплоносителя. Примерные значения величины А_б, например, для глины при начальной температуре 600–700 °С составляют 50–60 кг/(м³×ч), для угля 30–60 кг/(м³×ч), для торфа 60–75 кг/(м³×ч), для песка 80–100 кг/(м³×ч). С уменьшением начального и конечного влаго­содержания сушимого материала величина А_б уменьшается.

Для сушки лакокрасочных покрытий, тканей, бумаги и т. д. широкое распространение получили сушильные установки, в ко­торых перенос тепловой энергии осуществляется излучением в основном в области инфракрасных и световых лучей. При этом методе сушки количество теплоты, передаваемое 1 м² ма­териала в единицу времени, как правило, в 20–50 раз больше, чем при конвективном способе подвода теплоты.

На рис. 3.23 приведена принципиальная схема нагрева су­шимого материала инфракрасными лучами. Световые и ин­фракрасные лучи источника излучения направляются на су­шимый материал. Для того чтобы большую часть испускаемых лучей направить параллельным потоком на тело, применяется зеркальный рефлектор. Форма отражающей поверхности реф­лектора сильно влияет на характер распределения лучистой энергии по поверхности материала.

Лучистая энергия может быть частично рассеяна или поглощена промежуточной средой, находящейся между генера­тором и облучаемым материалом. В зависимости от физико-химических и физико-механических свойств облучаемого мате­риала лучистая энергия частично отражается, частично пропу­скается и частично поглощается. Поглощенная лучистая энер­гия превращается внутри матери­ала или на его поверхности в теп­лоту, необходимую для сушки.

Таким образом, принципиаль­ная схема сушки инфракрасными лучами включает в себя генератор промежуточную среду – высушиваемый материал. В промышленных терморадиаци­онных сушилках для различных видов сушимого материала и технологии его производства используются генераторы излуче­ния, температура и конструктивное оформление которых раз­личны.

Способ нагрева излучателей вызывает необходимость деле­ния их на:

1) электрические зеркальные инфракрасные лампы накали­вания ЗС-1, ЗС-2, ЗС-3, излучатели с кварцевыми трубками НИК-220-1000тр, трубчатые металлические электронагрева­тели (ТЭН), панельные металлические излучатели, керамиче­ские, неметаллические излучатели и др.;

2) газовые – с газонепроницаемыми панелями, с пори­стыми керамическими плитами или металлическими перфорированными поверхностями, в которых происходит беспламенное сгорание газа.

Рис. 3.23. Схема нагрева материала инфракрасными лучами:

1 – источник излучения; 2 – рефлектор; 3 – облучаемый материал; 4 – испускае­мые источником световые и инфракрас­ные лучи; 5 – отраженная часть лучей; 6 – поглощенная материалом часть лучей; 7 – пропущенная часть лучей

В промышленных терморадиационных сушилках ламповые из­лучатели обычно размещают по вершинам квадратов или равно­сторонних треугольников.

Большое разнообразие сушимых мате­риалов (бумага, лакокрасоч­ные покрытия, ткань, древе­сина и т. д.) и генера­торов излучения приводит к созданию в каждом конкрет­ном случае нетиповой конст­рукции сушильной установки. На рис. 3.24 приведена одна из существующих конструкций терморадиационной сушилки.

Рис. 3.24. Ламповая радиационная сушилка для сушки лакированных элект­ротехнических деталей:

1 – лакировальная ванна; 2 — насосные лакировальные валики; 3 – ленточный конвейер; 4 – зеркальные лампы; 5 – каркас сушилки; 6 –вытяжной воздуховод; 7 – теплоизоля­ционные маты; 8 – приводная звездочка

Вопросы для самоконтроля

1. Какой процесс называется выпариванием?

2. Из каких основных частей состоят выпарные аппараты с паровым обогревом?

3. Что такое дистилляция?

4. В чем отличие устройства установок непрерывной ректификации от установок периодического действия?

5. Какие ректификационные установки более экономичны в тепловом отношении: периодического или непрерывного действия?

6. Чем определяется выбор способа обезвоживания?

7. Как классифицируются наиболее распространенные су­шильные установки по способу подвода теплоты к материалу?

8. Какие основные требования предъявляются к рас­пылителям?

9. Какой слой называют псевдоожиженным?

10. Для сушки каких материалов используются бара­банные сушилки?

4. РЕСУРСО–И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ

ТЕХНОЛОГИИ