Безуносные сушилки с встречными закрученными потоками с вращающимся кольцевым слоем дисперсного материала

Размещено на http://www.allbest.ru/

безуносные сушилки с встречными закрученными потоками с вращающимся кольцевым слоем дисперсного материала

Сажин В.Б.

Российский инвестиционно-инновационный фонд «Научная Перспектива»,

Россия, г. Москва

Сажин Б.С.

Российский инвестиционно-инновационный фонд «Научная Перспектива»,

Россия, г. Москва

Аннотация

Проведен анализ сушилок с встречными закрученными потоками, где режим сушки сопровождается пылеулавливанием. Рассмотрены характеристики режима вращающего кольцевого слоя, открытого и описанного авторами. Установлено, что режим вращающегося кольцевого слоя позволяет в широких пределах управлять гидродинамикой сушилки ВЗП, что существенно увеличивает область рационального применения таких установок.

Ключевые слова: сушка, дисперсные материалы, встречные закрученные потоки, гидродинамика, вращающийся кольцевой слой

Решению задач ресурсосбережения при сдерживании неблагоприятных последствий техногенеза и снижении экоущерба способствуют исследования по сушке в аппаратах с встречными закрученными потоками (ВЗП). Сушилки ВЗП, как было открыто и описано авторами и их учениками, позволяют осуществлять процесс с одновременным улавливанием пылевой фракции [1-6].

Важнейшими характеристиками сушилок ВЗП, определяющими эффективность протекающих в них тепломассообменных процессов являются удерживающая способность и порозность слоя дисперсных частиц. Указанные характеристики взаимосвязаны и определяются как геометрическими характеристиками слоя, так и гидродинамическими параметрами процесса.

Опыты по оценке удерживающей способности вращающегося кольца дисперсных частиц проводились на специально созданной экспериментальной установке (включающей аппарат ВЗП (с патрубками нижнего и верхнего ввода и выхлопной трубой, внутри которого был лопаточный завихритель с отбойной шайбой), ротаметры, шнековые питатели; контрольные циклоны; фильтр санитарной очистки; специальная диафрагма; водокольцевой насос; регулировочные вентили входа и выхода газа; калорифер и устройства контроля) согласно алгоритму исследования, установленному при вычислительном планировании эксперимента [4; 7]. В рамках установленного общего расхода газа через аппарат подбирались потоки газа по каналам для установления режима вращающегося кольца (вращающегося пристеночного потока газовзвеси). В момент, когда наблюдался срыв частиц в нижнюю часть рабочей камеры опыт прекращался. По производительности шнекового питателя подсчитывалось количество твердой фазы, введенной в аппарат за время опыта. Определялась масса частиц, удерживаемых в кольце, и порозность слоя.

Исследования показали, что удерживающая способность и порозность вращающегося кольца дисперсных частиц зависят от соотношения расходов газа по каналам и характеристик обрабатываемого материала.

Наиболее благоприятная рабочая область изменения гидродинамических параметров соответствует диапазону изменения от 0,7 до 1,1. При изменении соотношения в диапазоне от 0,2 до 1,8 при неизменном общем расходе газа порозность слоя изменяется по кривой с минимумом, который составляет 0,6?0,7, а значение максимальной порозности доходит до 0,9. При соотношении расходов газа по каналам порозность составляет 0,80,90. Этот режим соответствует режиму работы аэрофонтанных сушилок. Опыты показывают, что данный режим сопровождается уносом дисперсных частиц в выхлопную трубу. Дальнейшее увеличение соотношения приводит сначала к уменьшению порозности слоя до значения 0,60,7 (при ), а затем снова к её росту. Получена модель кольцевого потока газовзвеси и установлены характеристики режима кольца (геометрические размеры, удерживающая способность по материалу, скорость вращения и другие) в зависимости от гидродинамических параметров. В результате переведения полученных зависимостей в безразмерный вид установлено вполне приемлемое соответствие модели объекту (погрешность менее 15%)

Показана возможность вполне корректно рассчитывать параметры процесса сушки для режима образования вращающегося кольцевого слоя, что позволяет рассчитывать процесс сушки дисперсного материала в условиях управляемой гидродинамики процесса при высокой эффективности сушки и обеспечении безуносного режима по пылевой С целью уточнения типового аппаратурно-технологического решения для сушки истирающихся материалов и материалов с повышенными адгезионно-когезионными свойствами (Ка-к до 4), при сушке которых желательно уменьшить эффект трения материалов о стенки аппарата, была исследована гидродинамика в модифицированном аппарате ВЗП - противоточном вихревом аппарате с расширяющимся конусом (ВЗПРК)

Проведены аналитические и экспериментальные исследования безуносной сушилки со спутными закрученными потоками. Впервые для аппаратов данного класса осуществлено численное моделирование движения газовой фазы на основе Кт - ? модели турбулентности [4; 5; 8-10]. Рассмотрено установившееся движение газовой фазы в прямоточном аппарате на основе совместного решения системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса для осесимметричной задачи, уравнения непрерывности и двух уровней Кт - ? модели турбулентности. Математическая модель включала дифференциальные уравнения в цилиндрической системе координат движения вязкого несжимаемого газа, уравнения сохранения импульса и массы, где коэффициент турбулентной вязкости определяется соотношением Колмогорова-Прандтля, а для замыкания системы дифференциальных уравнений использована Кт - ? модель турбулентности, и включены два дифференциальных уравнения для кинетической энергии турбулентности (Кт) и скорости ее диссипации (?), а также граничные условия для принятой схемы движения закрученных потоков

Получено численное решение разработанной математической модели с применением метода конечных разностей. Движение газовой фазы в аппарате характеризовалось функцией тока. Получены линии тока газа при различных режимно-конструктивных параметрах. Анализ позволил рекомендовать рациональные конструктивные характеристики аппарата и режимы его работы.

С целью увеличения времени пребывания материала в безуносных сушилках с закрученными потоками, которое недостаточно для многих дисперсных материалов даже при сушке в СВЗП в режиме "кольца", было проведено комплексное аналитическое и экспериментальное исследование в безуносных комбинированных вихревых сушилках (СВЗП-ВК). Установлено, что среднее время пребывания частиц материала в аппарате СВЗП-ВК значительно больше, чем в СВЗП, а гидродинамическая модель сушилок СВЗП-ВК характеризуется числом ячеек 2,5?3,4, что значительно превосходит данные по кипящему слою, для которого обычно nя = 1,2?1,5.

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что из исследованных аппаратов в качестве типовых целесообразно рекомендовать СВЗП для широкопористых материалов, сушка которых продолжается в условиях эффективного гидродинамического режима несколько секунд и СВЗП-ВК для тонкопористых материалов, сушка которых продолжается от десятков до сотен секунд.

Суммируя результаты, можно заключить, что экспериментально подтверждено: при определенных режимах работы аппарата ВЗП образуется устойчивое вращающееся кольцо частиц дисперсного материала, что способствует дополнительной задержке материала в аппарате и положительно сказывается на проведении процесса сушки. Изучены параметры вращающегося кольца (порозность, среднее время пребывания частиц в кольце, удерживающая способность), сняты С-кривые отклика. Эксперимент подтвердил адекватность разработанной математической модели. Также в результате комплекса аналитических и экспериментальных исследований безуносной сушилки со спутными закрученными потоками впервые для аппаратов данного класса осуществлено численное моделирование движения газовой фазы на основе Кт - ? модели турбулентности. Разработана стохастическая модель процесса улавливания готового продукта в аппарате СВЗП, позволяющая в отличие от других известных детерминированных моделей получить непосредственную оценку эффективности этого процесса - массу уловленного продукта, что необходимо для расчёта интегрального показателя эффективности работы аппарата СВЗП. Предложен эксергетический функционал, позволяющий получить объективную оценку эффективности использования потенциала сушильного агента, с помощью которого показана возможность перехода от двухступенчатой сушки суспензионного поливинилхлорида (ПВХ) к одноступенчатой, что позволило сократить число аппаратов в сушильной установке с восьми до двух. Экспериментально установлен диапазон рациональных соотношений потоков газовзвеси по каналам в аппарате с вращающимся кольцевым слоем дисперсного материала, соответствующий режиму устойчивого существования кольца, при котором обеспечивается высокая эффективность сушки (до 25 секунд при числе псевдоячеек 6-8 и изменении влагосодержания до 0,1%) и улавливания (не менее 99% при размере пор свыше 60 Ангстрем).

сушилка закрученный поток пылеулавливание

Список литературы

1. Сажин Б.С. Основы техники сушки [Текст]. М., Химия, 1984, 320 с.

2. Сажин, Б.С. Научные основы техники сушки/Б.С. Сажин, В.Б. Сажин [Текст]. М.: Наука, 1997, 448 с.

3. Сажин, Б.С. Эксергетический анализ работы промышленных установок/Б.С. Сажин, А.П. Булеков, В.Б. Сажин [Текст]. - М.: Изд-во МТИ. 2000. - 297 с.

4. Сажин В.Б. Научные основы техники сушки дисперсных материалов при эффективных гидродинамических режимах взвешенного слоя. Дисс… доктора техн наук [Текст]. М., РХТУ ми. Менделеева, 2000. Т. 1 - 617 с., Т. 2 - 203 с.

5. Сажин Б.С., Акулич А.В., Сажин В.Б. Математическое моделирование движения газа в сепарационной зоне прямоточного вихревого аппарата на основе (кт-?)-модели турбулентности [Текст]. ТОХТ. 2001, т 35, № 5, с. 472-478.

6. Сажин, В.Б. Выбор и расчёт аппаратов с взвешенным слоем /В.Б. Сажин, М.Б. Сажина [Текст]. М.: РосЗИТЛП. 2001. - 336 с.

7. Сажин, В.Б. / В.Б. Сажин, М.Б. Сажина. Сушка в закрученных потоках: теория, расчёт, технические решения [Текст]. М.: РосЗИТЛП. 2001. - 324 с.

8. B. Sazhin and V. Sazhin Scientific Principles of Drying Technology[Текст, англ.] /New York-Connecticut (USA)-Wallingford (U.K.): Begell House Inc.-2007.-506 PP.

9. Сажин, Б.С. Научные основы термовлажностной обработки дисперсных и рулонных материалов / Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. М.: Химия, 2012, 776 с., ил.

10. Сажин, В.Б. Научные основы стратегии выбора эффективного сушильного оборудования /В.Б. Сажин, Б.С. Сажин [Текст]. М.: Химия, 2013, 544 с., ил.

Размещено на Allbest.ru