Расчет и выбор сушильного оборудования

Сушкой называется процесс удаления влаги из веществ (обычно твердых тел).

По физической сущности сушка является процессом совместного теп» ломассопереноса и сводится к перераспределению и перемещению влаги под воздействием теплоты из глубины высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее испарению.

Классификация сушилок. Существуют различные конструкции аппаратов, предназначенных для сушки, они классифицируются по ряду признаков.

Для рассмотрения основных групп сушилок, применяемых в химико-фармацевтической промышленности, ограничимся классификацией по способу организации процесса и состоянию слоя высушиваемого материала. По этому принципу все сушильные аппараты можно разделить на: сушилки периодического действия с неподвижным или движущимся плотным слоем материала и сушилки непрерывного действия со взвешенным слоем.

Несмотря на общую тенденцию в промышленности к переходу на применение сушильного оборудования непрерывного действия, позволяющего интенсифицировать и механизировать процесс, сушилки периодического действия не утратили своего значения. В химико-фармацевтической промышленности, где многие производства относятся к разряду малотоннажных, применение этих сушилок, как показывает мировая практика, в ряде случаев оправдано.

К сушилкам периодического действия можно отнести полочные и барабанные сушилки.

Сушилки непрерывного действия со взвешенным слоем предназначены для сушки сыпучих материалов со свободной и слабосвязанной влагой, которые рассыпаются в процессе подсушки в потоке воздуха или инертного газа.

Процесс сушки проходит в условиях активных гидродинамических режимов взаимодействия между продуктом и теплоносителем. Применение таких процессов дает возможность легко вводить и выводить твердый продукт из зоны сушки, при этом достигается равномерное распределение твердой фазы в слое и его равномерное прогревание. Аппараты с активными гидродинамическими режимами наиболее полно удовлетворяют таким условиям, как: 1) достижение высоких технико-экономических показателей; 2) высокая интенсивность тепло и массообмена; 3) возможность настраивания на режимы, близкие к оптимальным для каждого конкретного продукта.

Сушильные аппараты непрерывного действия, по характеру движения в них материала, можно разделить на сушилки с пневмотранспортом материала (пневматическая и аэрофонтанная сушилки); сушилки с закрученными потоками (циклонная и вихревая); сушилки с кипящим слоем материала и распылительные сушилки.

В некоторых случаях перед сушилкой устанавливают подсушиватель. Использование двухступенчатых и комбинированных .сушилок в. одной установке позволяет обеспечить рациональные гидродинамические режимы и технологические условия сушки продуктов до необходимой остаточной влажности и расширяет область применения сушилок со взвешенным слоем.

Отдельную группу сушилок составляют вакуум - сублимационные сушилки, предназначенные для сушки термолабильных материалов.

Расчет сушильных аппаратовпроизводится в следующей последовательности: 1) по требуемой производительности составляют материальный баланс процесса сушки с определением часового количества испаряемой влаги, сухого продукта и т.д.; 2) составляют тепловой баланс с определением расхода тепла, топлива, пара, сушильного агента и т.д.; 3) исходя из заданного режима сушки и расходов агента сушки, определяют необходимую поверхность тепло— и массообмена, обеспечивающую заданную производительность сушилки. По величине поверхности тепло — и массообмена находят габариты сушильной камеры и определяют необходимое количество сушильных аппаратов.

Материальный баланс сушки.Производительность сушилки по высушиваемому продукту G_вл_*мат определяют из материального баланса стадии (операции), с учетом числа операций в сутки :

Где G_вл.мат — суточная производительность по высушиваемому продушу, кг. Количество свободной влаги, испаряемой в процессе сушки W, будет равно:

где: G_{сух.мат}—количество высушенного материала (с учетом примесей), кг;

W_Hи W_K— начальная и конечная влажность, масс. доли.

Тепловой баланс контактной сушки. При контактной сушке высушивание материала происходит путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку, поэтому расчет контактной сушилки сводится к определению необходимой поверхности теплообмена.

Тепло, передаваемое через стенку, расходуется на нагревание высушиваемого материала до температуры сушки Q_H и собственно на сушку, т.е. на испарение влаги из материала Q_исп и на потери в окружающую средуQ_пот^:

Q= Q_H+ Q_исп+Q_пот, кДж

Количество тепла, необходимое для нагрева материала, определяют как:

Q_H=

где: G —суточное количество высушенного материала, кг;

W_сут— суточное количество удаляемой влаги, кг;

с_мат и с_вл — теплоемкость высушенной части материала (с учетом примесей) и влаги, кДж/кг -К;

t_нач — начальная температура высушиваемого материала, °С;

t_с.нач – начальная температура сушки, соответствующая температуре кипения влаги при данном давлении, °С;

t_с.кон – конечная температура сушки, °С.

Количество тепла, необходимое для испарения влаги, определяется следующим образом:

Q_исп=

где Н—энтальпия паров, образующихся при сушке, при конечной температуре сушки, кДж/кг.

Если обогрев производят паром, то расход последнего определяется из следующего соотношения (в кг):

D= Q_H+ Q_исп+Q_пот/H_п-Н_к

Где H_п и Н_к — энтальпии пара и конденсата, кДж/кг.

Тепловой баланс воздушной сушки. При конвективной сушке высушивание материала производится путем непосредственного его соприкосновения с сушильным агентом, в качестве которого чаще всего используют нагретый в калорифере воздух.

Расход сухого газа (воздуха) на сушку определяют из уравнения:

где x₂ и х₂ — влагосодержание газа на входе в калорифер и выходе из сушильной камеры в расчете на 1 кг абсолютно сухих газов, кг. Начальное влагосодержание газа определяют по уравнению:

где: М_п и М_сг — молярные массы пара и сухого газа, г/моль;

— относительная влажность воздуха;

Р_нп — давление насыщенного водяного пара, кгс/см²;

П— общее давление паровоздушной смеси, кгс/см².

Для пляжного воздуха = 0,622.

Если температура влажного воздуха выше температуры насыщения водяного пара, при общем давлении П, то Р_и.п=П и

X=0.622

Конечное влагосодержание газа можно определить по диаграмме Рамзина или аналитическим методом, совместным решением системы уравнений:

Н₂=(1.01+1.97X₂)t₂+2493X₂

где: Н₁и Н₂—энтальпия воздуха на выходе из калорифера и на выходе из сушильной камеры, кДж/кг сухого воздуха;

q_пот — удельные потери тепла в окружающую среду (q_пот = 125 420 кДж на 1 кг влаги в зависимости от влажности материала; меньшую величину принимают для высоковлажных материалов); 1,01 и 1,97 — удельные теплоемкости сухого воздуха и водяного пара при постоянном давлении, кДж/кг-К; 2493 — удельная теплота парообразования воды при О °С, кДж/кг; t₂—температура воздуха на выходе из сушильной камеры, °С.

H₂=(1,01 + 1,97X₀ )t₁ + 2493X₀,

где t₁— температура воздуха на выходе из калорифера, °С. Если для нагрева воздуха используют паровой калорифер, то расход пара в нем составит (в кг):

где: — коэффициент полезного использования тепла в калорифере (0,98—0,99);

Н_r.n, Н_к— энтальпия пара и конденсата, кДж/кг;

H₀ — энтальпия воздуха на входе в калорифер, кДж/кг.

Пример 3.Определить количество воздуха, необходимого для сушки изоксазолкарбоновой кислоты (ИКК).

Описание технологического процесса. 208,25 кг влажной пасты ИКК (влажность 20 %, содержание основного вещества в пересчете на сухой остаток 98 %) сушат при температуре 135—140 °С до остаточного содержания влаги не более 0,3%. Получают 167,11 кг изоксазолкарбоновой кислоты с содержанием основного вещества не менее 98 % в пересчете на сухой остаток. Количество операций в сутки 1,43.

Решение:

1. Определяем суточное количество влаги W, удаляемое из высушиваемого материала по формуле:

2. Запишем уравнение теплового баланса для воздушной сушки:

Примем q_пот = 125 кДж/кг влаги, C_вл = 4,19 кДж/кг.

Начальная температура воздуха 135 °С. Примем конечную температуру воздуха 60 °С. Температуру материала примем на 2 °С меньше температуры отработанного воздуха. Тогда температура материала в слое равна 58 °С. Начальную температуру влажного материала примем 20 °С.

В 167,11 кг высушенной ИКК содержится 0_,3 % влаги, что составляет 167,11 • 0,003 = 0,5 кг. .Масса сухого остатка: 167,11-0,5= 1.66,61 кг. В нем содержится 98 % ИКК и 2 % примесей. Теплоемкость ИКК с_шт = 1,27 кДж/моль. Теплоемкость примесей принимаем по ИКК.