Динамика термо-вакуум-импульсной сушки инертного конструкционного сгорающего материала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Динамика термо-вакуум-импульсной сушки инертного конструкционного сгорающего материала

Мадякин Владимир Федорович,

Енейкина Татьяна Александровна,

Осипова Анастасия Юрьевна,

Солдатов Сергей Васильевич,

Игнатьева Светлана Юрьевна,

Гатина Роза Фатыховна

Федеральное казенное предприятие “Государственный научно-исследовательский институт химических продуктов”, г. Казань

Аннотация

Исследовано влияние режимов сушки жестких сгорающих картузов из инертного материала (целлюлоза - поливинил-ацетат - алюминий) на скорость влагоудаления. Показано, что конвективная сушка даже при наиболее высокой температуре равной 110 ^оС является наименее эффективной. Установлено, что из четырех вариантов термо-вакуум-импульсной сушки наибольшая скорость удаления влаги характерна для режима совмещения термо-вакуум-импульсного прососа горячего теплоносителя (70 ^оС, вакуум 5 кПа) через слой материала течение 5 минут с одновременным нагревом обогреваемой формы до требуемой температуры. Количество импульсов зависит от влажности материала. Такой режим позволяет сократить время сушки примерно в 8 раз по сравнению со штатным процессом.

Ключевые слова: термо-вакуум-импульсная сушка, конвективная сушка, сгорающий материал, жесткий сгорающий картуз.

Введение

Современный технологический процесс изготовления жестких сгорающих картузов (ЖСК) методом фильтрационного литья является многостадийным дискретно-непрерывным процессом с циклической и непрерывной работой аппаратов. Единая технологическая линия стадий производства требует согласования интенсивностей материальных потоков всех операций:

Ш фазы подготовки компонентов;

Ш фазы формирования изделий;

Ш фазы конечных операций.

Одной из операций фазы формирования изделий является операция сушки заготовок, которые имеют влажность 60-75 % масс. В опытно-промышленных условиях заготовка сушится в аппарате шкафного типа (рис. 1) горячим воздухом до влажности 1.5-2.0 % масс. в течение 6-7 часов при температуре 60-70 ^оС, после чего поступает на операцию горячего прессования.

Рис. 1. Аппарат сушки шкафного типа: а - аппарат сушки шкафного типа: 1 - патрубок подвода горячего воздуха; 2 - датчики температуры; 3 - патрубки отвода воздуха из шкафа; б - схема движения воздуха при сушке: 1 - потоки воздуха; 2 - ЖСК

Анализ производительности фаз (табл. 1) показал, что сдерживающим фактором является длительность сушки изделий, организованная по периодическому способу.

Табл. 1. Производительность основных аппаратов опытно-промышленной технологии инертных конструкционных материалов

В основе процесса лежит принцип конвективной сушки, то есть когда тепло, необходимое для нагревания материала и испарения влаги передается от нагретого воздуха [1]. Заготовка стоит на перфорированной полке. При такой организации процесса внутри материала создается градиент температуры, а на поверхности формируется адсорбционный слой с более плотной структурой, замедляющий испарение влаги. Основными технологическими параметрами сушки являются толщина материала, его состав и температура воздуха, которая не должна быть выше температур разложения или размягчения компонентов, входящих в состав материала изделия.

В гетерогенных системах для интенсификации внешнего тепло- и массообмена важно снижение или разрушение пограничного барьера (адсорбционного слоя) на границе раздела фаз, поэтому большое значение имеет перевод технологических процессов в объемные. Одним из способов интенсификации внешнего и внутреннего тепло- и массообмена является термо-вакуум-импульсное (ТВИ) воздействие на капиллярно-пористый материал, которое позволяет в неравновесных термодинамических условиях обеспечить интенсификацию различных техно-логических процессов в 5 и более раз [1, 2]. Поэтому определенный интерес представляет возможность интенсификации сушки ЖСК за счет применения вакуума, так как уменьшение давления резко увеличивает интенсивность испарения влаги за счет повышения коэффициента массообмена, который в первом приближении обратно пропорционален давлению [3].

В связи с этим целью работы является исследование кинетики сушки инертного сгорающего материала (ИСМ) жестких картузов в экспериментальном термо-вакуум-импульсном сушильном аппарате.

Экспериментальная часть

Объекты исследования. В опытно-промышленных условиях на аппарате формования по техно-логии фильтрационного литья был изготовлен жесткий сгорающий картуз следующего состава [4], % масс.: Целлюлоза марки Э - 72.2; Поливинилацетат - 25.0; Алюминий - 2.8.

Из полученных корпусов ЖСК были изготовлены образцы в виде шайб с диаметром 120-125 мм и толщиной 10-12 мм. Высушенный материал представляет коллоидное капиллярно-пористое тело с жесткой пространственной структурой плотностью ? 0.25-0.30 г/см³.

Экспериментальный стенд. Экспериментальный стенд, представленный на рис. 2, состоит из теплогенератора, вакуумного насоса, ресивера, запорно-регулирующих и отсечных клапанов, воронки Бюхнера с рубашкой, крышки, колбы Бунзена, термостата и компьютера (ПК).

Система управления построена на базе двух программируемых восьмиканальных микропроцесссоров ОВЕН ТРМ 138. Установка оснащена датчиками температур (хромель-копелевые термопары ДТПL011-0.5/1.5), манометрами.

В процессе эксперимента измеряются следующие параметры:

Ш температуры исследуемого объекта в трех местах, среды в камере, теплоносителя на входе и на выходе из камеры, охлаждающей воды на входе и на выходе из теплообменника-конденсатора;

Ш избыточное давление в камере во время конвективного нагрева;

Ш величина вакуума в ресивере и в камере во время вакуумирования.

Для осуществления связи ПК с ТРМ 138, подключенные через преобразователь интерфейса ОВЕН АС4, используется программное обеспечение SCADA-система OWEN PROCESS MANAGER. Модульная конструкция экспериментального стенда позволяет осуществлять быструю смену камер, запорного оборудования и контрольно-измерительных приборов.

Методика проведения экспериментов. Изделие взвешивали до и после сушки. ТВИ-сушка различными режимами осуществлялась в ТВИ-установке.

КС - Конвективная сушка образцов проводилась в термошкафу ШС-3. Через каждые 40-60 мин. образцы взвешивали и определяли изменение влажности и до тех пор, пока они не достигнут постоянной массы.

Рис. 2. Экспериментальный стенд для отработки термо-вакуум-импульсных технологий: 1 - Воронка Бюхнера с рубашкой, 2 - крышка, 3 - колба Бунзена, 4 - воздухонагреватель, 5 - термостат, 6 - ресивер, 7 - вакуумный насос, 8 - восьмиканальный измеритель-регулятор, 9 - компьютер, 10 - термопары, 11 - датчик давления, 12 - электромагнитный клапан, 13 - исследуемый образец

термический вакуумный импульсный сушка

Ф+КС+ТВИС - нагрев осуществляется конвективным способом (КС) до требуемой температуры с одновременным нагревом до этой температуры воронки Бюхнера, в которую помещался изучаемый образец (здесь Ф - обогреваемая форма). В линии вакуумирования за это время набирается вакуум до значения не менее 5 кПа. Затем осуществляется импульсное вакуумирование в течение 5 минут. Количество циклов устанавливается индивидуально в зависимости от содержания влаги. Сушку ведут до постоянного веса.

Ф+ТВИП+ТВИС - нагрев осуществляется ТВИ-прососом (ТВИП) горячего теплоносителя через слой материала с одновременным нагревом до этой температуры воронки Бюхнера, в которую куда помещался изучаемый образец. Сначала набирается вакуум 5 кПа. При достижении требуемого значения отрицательного давления включается промышленный фен с температурой подаваемого воздуха Т = 50-70 ^оС и скоростью подачи 475 л/мин, а затем осуществляется импульсное открытие электромагнитного клапана. Время нагрева ТВИ-прососом материала выбирается индивидуально и зависит от его влажности. Чем суше материал, тем быстрее он нагреется. Для осуществления ТВИ-сушки (ТВИС) снова набирается вакуум 5 кПа. После достижения требуемого значения вакуума отключается линия нагрева и осуществляется вакуумирование в течение 5 минут. Сушку ведут до достижения постоянной массы материала.

Ф+ТВИП - сушка осуществляется ТВИ-прососом горячего теплоносителя через слой материала в течение 5 минут с одновременном нагревом до этой температуры воронки Бюхнера, в которую помещался изучаемый образец. Количество импульсов зависит от влажности материала.

Т_п - температура образца при ТВИ-прососе (ТВИП), ^оС; Т_вак - температура образца при вакуумировании (ТВИС), ^оС.

Определение скорости влагоудаления. Средняя скорость влагоудаления находится по формуле (1):

Wср = (Wн - Wк) / ф, (1)

где Wн - начальное влагосодержание образца, % масс.; Wк - конечное влагосодержание образца, % мас.; ф - время сушки, мин.

Определение влажности образца. Влажность материала определяется по формуле (2):

ц = ((m₁ - m₂) / m₁)·100%, (2)

где m₁ - масса образца до сушки, m₂ - масса образца после сушки.

Результаты и их обсуждение

Исследовалась динамика сушки образцов различными способами, описанными в экспериментальной части. На рис. 3-5 представлены кривые конвективной и ТВИ-сушки образцов при скорости подачи горячего теплоносителя 475 л/мин и температурах 110, 50 и 70 ^оС, а на рис. 6-8 скорости удаления влаги при аналогичных режимах сушки.

Рис. 3. Кривые конвективной сушки образца: при 110, 50 и 70 ^оС

Рис. 4. Кривые ТВИ-сушки образцов при температуре 70 ^оС для различных способов организации процесса

Рис. 5. Кривые ТВИ-сушки образцов при температуре 50 ^оС для различных способов организации процесса

Из рис. 3 видно, что повышение температуры конвективной сушки динамично снижает время сушки (табл. 2). Так, увеличение температуры с 50 до 70 ^оС повышает интенсивность конвективной сушки в 1 периоде в 2.2 раза, а до 110 ^оС - в 4.2-9.5 раза. Поскольку образцы ЖСК, изготовленные на основе инертного материала (целлюлозы), не содержат энергоемких компонентов, то это позволяет на практике при том же аппаратном оформлении интенсифицировать процесс сушки за счет увеличения температуры подаваемого воздуха.

Рис. 6. Кривые скорости сушки образца при конвективном режиме: а - 110 ^оС; б - 50 и 70 ^оС

Однако, несмотря на повышенную в 2 раза температуру (Т = 110 ^оС), среди рассмотренных способов наименее эффективным является конвективный способ сушки. Средняя скорость удаления влаги составляет W_ср = 2.97%/мин. Он самый длительный и энергозатратный. Более интенсивным способом сушки является ТВИ - сушка в режиме (Ф+КС+ТВИС), для которой при 50 ^оС средняя скорость удаления влаги составляет 3.4%/мин, а для (Ф+ТВИП+ТВИС) - 5.4%/мин. Наиболее интенсивным является ТВИ - сушка в режиме (Ф+ТВИП). Средняя скорость удаления влаги равна 10.4%/мин (табл. 2). Обогрев формы в режиме ТВИП способствует ускорению процесса сушки.

Рис. 7. Кривые скорости сушки образца при температуре 70 ^оС для различных способов организации процесса

Рис. 8. Кривые скорости удаления влаги при 50 ^оС для различных способов организации процесса

Табл. 2. Средние скорости удаления влаги и время сушки при различных режимах ТВИ - сушки

Из рис. 7 видно, что, как и в случае с низкотемпературной ТВИ сушкой, при 70 ^оС характер распределения кривых удаления влаги для различных режимов не изменился. Самым длительным способом сушки по-прежнему является конвективный. Это объясняется следующим. Известно [3], что увеличение температуры с 50 до 70 ^оС уменьшает длительность сушки за счет снижения вязкости воды и увеличения интенсивности ее испарения. Однако увеличение температуры при конвективной сушке до 110 ^оС не в состоянии интенсифицировать этот процесс, так как градиент температуры, возникающий в материале, направлен внутрь от его поверхности и тормозит перемещение влаги, происходящее за счет градиента влажности. Отрицательный температурный градиент снижает общий поток влаги, создаваемый градиентом влажности, до 30% [5]. В случае с ТВИ - сушкой снижение давления в камере приводит к тому, что внутри материала возникает избыточное давление, в результате чего создается положительный градиент избыточного давления, совпадающий по направлению с градиентом влажности и, тем самым, способствующий увеличению интенсивности сушки.

Поэтому более интенсивным способом по сравнению с конвективным является сушка в режиме (Ф+КС+ТВИС), при которой при температуре 70 ^оС средняя скорость удаления влаги составляет 3.9%/мин, а для (Ф+ТВИП+ТВИС) - 6.93%/мин. Самым скоростным способом является сушка в режиме (Ф+ТВИП) со средней скоростью удаления влаги 12 %/мин.

На примере образцов, высушенных в режиме (Ф+ТВИП+ТВИС) при Т = 70 ^оС, на рис. 9 и 10 представлен характер изменения температуры материала от времени сушки и содержания влаги.

В период прогрева температура материала увеличивается и достигает температуры мокрого термометра, соответствующей данному состоянию окружающего воздуха. Эта температура держится в течение I периода постоянной скорости сушки пока в материале присутствует свободная влага. В этот период температура материала мало меняется Т = 48-50 ^оС (рис. 10), и пока влагосодержание инертного образца высоко и больше гигроскопического влагосодержания давление пара жидкости над материалом равно давлению насыщенного пара свободной жидкости. Влажность I периода находится в интервале 83.8-17.8 % масс. Если влагосодержание материала становится меньше гигроскопического, то наступает II период падающей скорости сушки, характеризующийся увеличением температуры материала до совпадения с температурой сушильного агента (Т = 70 ^оС), давление пара жидкости в материале меньше давления насыщенного пара свободной жидкости. При достижении равновесной влажности давление паров жидкости над поверхностью тела равно давлению паров в среде и испарение влаги прекращается.

Рис. 9. Зависимость температуры образца в процессе ТВИ-сушки в режиме (Ф+ТВИП+ТВИС) при 70 ^оС от времени сушки

Рис. 10. Зависимость температуры образца в процессе ТВИ-сушки в режиме (Ф+ТВИП+ТВИС) при 70 ^оС от содержания влаги

При вакуумировании температура материала сначала резко падает (на 15-20 ^оС). Это является следствием испарения из материала значительного количества влаги. Все 3 периода сушки в вакууме протекают так же, как и при воздушной сушке. В I периоде сушки температура снижается до одного и того же значения (30-40 ^оС), равного температуре испарения при давлении окружающей среды. Во II периоде сушки (в области ниже гигроскопического влагосодержания) снижение температуры при падении давления становиться все меньше. К моменту, когда влагосодержание образца приближается к равновесному, снижения температуры не происходит, то есть сушка прекращается.

В критической точке заканчивается I период и начинается II период. Критическая точка кривых вакуумирования соответствует W = 17.8 % масс, при переходе через которую начинается резкое снижение скорости влагоудаления.

Таким образом, результаты исследований показали, что самым производительным режимом ТВИ-сушки инертных образцов является (Ф+ТВИП) в обогреваемой форме, но он требует больших затрат электроэнергии по сравнению с ТВИ-сушкой в режимах (Ф+КС+ТВИС) и (Ф+ТВИП+ТВИС). По критериям интенсивности сушки, скорости влагоудаления, энергосбережения и показателю «цена-качество» наиболее приемлемым является режим (Ф+ТВИП+ ТВИС). Этот режим позволяет, в принципе, сократить длительность сушки ЖСК по сравнению со штатным вариантом в 8 раз.

Выводы

1. Изучена динамика удаления влаги из целлюлозно-ацетатного материала инертного жесткого сгорающего картуза при температурах теплоносителя 50, 70 и 110 ^оС при конвективной сушке и различных способах организации процесса термо-вакуумно-импульсной сушки.

2. Сравнение скорости удаления влаги и времени сушки материала до влажности 1.5 % масс. показало, что наиболее эффективными являются термо-вакуум-импульсные (ТВИ) процессы с прососом горячего теплоносителя через слой материала в режимах (Ф + ТВИ-просос) и (Ф + ТВИ-просос + ТВИ-сушка).

3. По критериям интенсивности сушки, скорости влагоудаления, энергосбережения и показателю «цена-качество» наиболее приемлемым является термо-вакуум-импульсный (ТВИ) режим (Ф + ТВИ-просос + ТВИ-сушка). Этот режим позволяет, в принципе, сократить длительность сушки жестких сгорающих картузов по сравнению со штатным вариантом конвективной сушки в 8 раз.

4. При сушке жестких сгорающих картузов на основе ацетат-целлюлозного материала по штатной технологии рекомендовано поднять температуру воздуха до 100-110 ^оС.

Литература

1. Абрамов Я.К. Технологические процессы термо-вакуум-импульсного воздействия. Конверсия в машиностроении. 2002. №5. С.28-30.

2. Абрамов Я.К. Сушка сельхозпродуктов конвективно-вакуум-импульсным воздействием. Конверсия в машиностроении. 2002. №5. С.20-28.

3. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия. 1968. 470с.

4. Альмашев Р.О., Романько Н.А., Енейкина Т.А., Солдатов С.В., Кипрова А.В., Таразова Э.Н., Гатина Р.Ф., Михайлов Ю.М. Гидрохимическое осаждение поливинилацетата из водной дисперсии. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. №5. С.49-54.

5. Сафин Р.Р. Вакуумная сушка пиломатериалов при конвективном теплоподводе. Казань: Казан. гос. технол. ун-т. 2006. 124с.

Размещено на Allbest.ru