Главная Коллекция "Revolution" Медицина Процесс сушки в промышленной технологии лекарств

Процесс сушки в промышленной технологии лекарств

Важное место сушки материалов в производстве лекарственных препаратов. Сухие экстракты, витамины и антибиотики. Современные концепции фармацевтической науки в области теории сушки. Образование полиморфных форм и кристаллогидратов лекарственных веществ.

Рубрика Медицина
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 30.11.2014
Размер файла 2,1 M
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

  • Вступление
  • 1. Теоретические основы процесса сушки
  • 1.1 Определение и классификация сушки
  • 1.2 Основные параметры влажного воздуха
  • 1.3 Диаграмма влажного воздуха
  • 1.4 Изображение процессов изменения параметров воздуха на диаграмме
  • 1.5 Равновесие при сушке
  • 2. Материальный и тепловой балансы сушки
  • 2.1 Материальный баланс сушки
  • 2.2 Тепловой баланс сушилок
  • 2.3 Определение расходов воздуха и тепла на сушку
  • 3. Варианты процесса сушки
  • 3.1 Сушка с частичным подогревом воздуха в сушильной камере
  • 3.2 Сушка с промежуточным подогревом воздуха по зонам
  • 3.3 Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха
  • 3.4 Сушка с промежуточным подогревом и рециркуляцией воздуха по зонам
  • 3.5 Сушка топочными газами
  • 4. Характеристика и устройство сушилок
  • 4.1 Конвективные сушилки
  • 4.2 Контактные сушилки
  • 4.3 Специальные сушилки
  • 5. Практическая часть
  • 5.1 Описание препарата
  • 5.2 Блок-схема производства
  • 5.3 Материальный баланс
  • Выводы
  • Список использованной литературы

Вступление

Сушка материалов занимает важное место в производстве лекарственных препаратов как один из самых распространенных массообменных процессов. Сушкой называют процесс удаления из материала растворителя, в результате чего в нем увеличивается относительное содержание сухого вещества. Чаще всего в качестве растворителей применяют воду, поэтому под сушкой подразумевается процесс обезвоживания материалов.

Сушка широко используется в различных отраслях: в химическом, сельском хозяйстве и в химико-фармацевтическом производстве.

Она применяется на различных стадиях технологического процесса: для подготовки сырья и получения полуфабрикатов; часто сушка является завершающим этапом производства, определяющим качество готового лекарственного вещества (эффективность терапевтического действия).

Сушка осуществляется с различной целью: для облегчения и удешевления транспортировки материалов, для повышения их прочности; сушка многих лекарственных препаратов обеспечивает их консервирование и хранение; сушка необходима для последующего измельчения некоторых материалов.

В химико-фармацевтических производствах применяется как искусственная сушка материалов в специальных сушильных установках, так и естественная - на полках в закрытых помещениях, без обогрева и подачи воздуха (в производстве гранул плантаглюцида).

1. Теоретические основы процесса сушки

1.1 Определение и классификация сушки

Сушка - сложный диффузионный процесс, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Следовательно, сушка является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена).

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

Конвективная - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого чаще используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом).

Контактная - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку.

Специальная.

К специальным видам сушки относятся:

· радиационная - путем передачи тепла инфракрасными лучами;

· диэлектрическая - путем нагревания в поле токов высокой частоты;

· сублимационная - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

Из специальных видов сушки, применяемых относительно редко, в фармации получила распространение сублимационная - для высушивания термолабильных веществ - ферментов, гормонов, бактерийных препаратов, препаратов крови и др.

Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным газом (в большинстве случаев воздухом). Поэтому изучение свойств влажного воздуха необходимо при рассмотрении процессов сушки и их расчетов.

1.2 Основные параметры влажного воздуха

При конвективной сушке нагретый воздух передает материалу тепло и уносит влагу, испаряющуюся из материала за счет этого тепла. Сушильный агент (воздух) играет роль тепло- и влагоносителя. При прочих методах сушки находящийся в контакте с материалом влажный воздух используется только для удаления испарившейся влаги, т.е. выполняет роль влагоносителя.

Влажный воздух является смесью сухого воздуха и водяного пара. Влажный воздух как влаго- и теплоноситель характеризуется следующими основными параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией (теплосодержанием).

Абсолютная влажность - это количество водяного пара в кг, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха.

Относительная влажность или степень насыщения воздуха - это отношение массы водяного пара в 1 м3 влажного воздуха при данных условиях (температура, объем, барометрическое давление) к максимально возможной массе водяного пара в 1 м3 воздуха (плотности насыщенного пара) при тех же условиях.

Относительная влажность является одной из важнейших характеристик воздуха как сушильного агента, определяющая его влагоемкость, т.е. способность воздуха к насыщению парами влаги.

В процессе сушки воздух увлажняется и охлаждается, изменяя объем. Поэтому более удобно относить влажность воздуха к единице массы абсолютно сухого воздуха, т.е. вместо абсолютной влажности пользоваться влагосодержанием.

Влагосодержанием воздуха называется отношение количества водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха.

Энтальпия (теплосодержание) влажного воздуха определяется при данной температуре воздуха t (в °С), как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара.

1.3 Диаграмма влажного воздуха

Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определить при помощи i-х - диаграммы, разработанной Л.K. Рамзиным (1918 г.). Диаграмма i-х (рис. 1, 2) построена для постоянного давления р = 745 мм рт. ст. (около 99 кН/м2), которое, по многолетним статистическим данным, принято как среднегодовое для центральных районов бывшего СССР.

На оси ординат отложены в определенном масштабе энтальпии i, а на наклонной оси абсцисс - влагосодержание х. Угол между осями координат - 135°, но для удобства пользования значения влагосодержания х спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси ординат.

На диаграмме имеются линии:

· постоянного влагосодержания (х = const) - вертикальные прямые, параллельные оси ординат;

· постоянной энтальпии (i = const) - прямые, параллельные оси абсцисс, т.е. направленные под углом 135° к оси ординат;

· постоянных температур, или изотермы (t = const);

· постоянной относительной влажности (ц = const);

· парциальных давлений водяного пара (р) во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.

Рис. 1. Диаграмма влажного воздуха i - х (а)

Линии постоянных температур, или изотермы, задаются при данной температуре t = const двумя произвольными значениями х1 и х2. Затем вычисляют значение i, соответствующее каждому значению х. Полученные точки (х1, i1) и (х2, i2) наносят на диаграмму и проводят через них прямую, которая является изотермой t = const.

Линии постоянной относительной влажности выражают зависимость между х и р при ц = const. Принимая при данном ц = const несколько произвольных температур t1, t2, t3 для каждой из них находят по таблицам водяного пара соответствующие значения р и вычисляют отвечающее ему значение х. Точки с известными координатами (t1, х1), (t2, х2), (t3, х3) и т.д. соединяют кривой, которая является линией ц = const.

Рис. 2. Диаграмма влажного воздуха i - х (б)

При температурах t > 99,4 °С величина ц не зависит от температуры (так как при этом р = 745 мм рт. ст., для которого построена диаграмма) и практически является величиной постоянной. Поэтому линии ц = const при 99,4 °С имеют резкий перелом и идут почти вертикально вверх.

Линия ц = 100 % соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Выше этой линии расположена рабочая площадь диаграммы, отвечающая ненасыщенному влажному воздуху, используемому в качестве сушильного агента.

Линии парциального давления, проведенные в нижней части диаграммы, позволяют определить парциальное давление, если известно положение точки на диаграмме, соответствующей состоянию воздуха.

По диаграмме i-x по любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все его остальные параметры.

1.4 Изображение процессов изменения параметров воздуха на диаграмме

В ходе сушки практический интерес представляет изменение состояния влажного воздуха в следующих процессах:

· нагревание и охлаждение;

· взаимодействие с влажным материалом в условиях постоянной энтальпии воздуха;

· смешение двух потоков воздуха, имеющих различные параметры;

· конденсация воды из паровоздушной смеси.

При нагревании влажного воздуха в специальных теплообменниках (калориферах) его относительная влажность ц уменьшится, а влагосодержание х останется постоянным. Поэтому на i-x - диаграмме процесс нагрева воздуха изображают отрезком АВ (рис. 3, а). Из точки, соответствующей начальному состоянию воздуха A (t0, x0), проводят вертикальную линию х = const вверх до точки В, соответствующей температуре нагрева воздуха f.

Рис. 3. Основные процессы изменения состояния воздуха на диаграмме

Процесс охлаждения воздуха (имеющего начальную температуру t1 при постоянном влагосодержании до температуры t0 изобразится линией ВА (рис. 3, а). При дальнейшем охлаждении воздуха при х = const до пересечения с ц = 100 % (отрезок АС) в точке С получают так называемую точку росы. Изотерма, проходящая через эту точку, определяет температуру точки росы tр. Дальнейшее охлаждение воздуха ниже температуры точки росы (например, до температуры tn) приведет к конденсации из него части влаги и соответственно - к уменьшению его влагосодержания от х0 до хn. На диаграмме процесс охлаждения насыщенного влагой воздуха совпадает с линией ц = 100 % (кривая СЕ).

При адиабатической сушке (рис. 3, б) влага из материала будет испаряться только за счет тепла, передаваемого материалу воздухом. В этом случае энтальпия воздуха перед сушкой il (точка А) будет равна энтальпии воздуха i2 (точка В) после сушки. Такой процесс называется теоретическим процессом сушки и изображается на диаграмме линией АВ, лежащей на прямой i = const.

После достижения равновесия между влажным воздухом и испаряющейся влагой температура последней примет постоянное значение, равное температуре мокрого термометра tм. На диаграмме это соответствует линии ВС и температура в точке С на пересечении ц = 100 % будет соответствовать tм (температуре мокрого термометра).

Разность между температурой воздуха tl (в точке А) и температурой мокрого термометра tм характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала и носит название потенциала сушки.

Потенциал сушки характеризует скорость испарения влаги из материала, которая зависит от состояния воздуха и температуры процесса, т.е. определяется совместным влиянием тепло- и массообмена. Когда воздух полностью насыщается влагой величина е становится равной нулю. Величину tм определяют с помощью психрометра, который состоит из двух термометров. Шарик одного термометра обернут влажной тканью (рис. 4), он называется мокрым. Второй термометр - сухой.

Рис. 4. Психрометр

Помещенные в исследуемом воздухе термометры показывают разную температуру. Их разность (Дt) называется психрометрической разностью температур. Чем меньше относительная влажность, тем интенсивнее происходит испарение воды на поверхности шарика мокрого термометра и тем сильнее он охлаждается. Поэтому с уменьшением относительной влажности воздуха повышается психрометрическая разность температур. По наблюдаемой Дt, пользуясь психрометрическими таблицами, определяют относительную влажность воздуха.

По разности показаний термометров сухого и мокрого можно приближенно определить ц по диаграмме i - х Рамзина (рис. 3, в).

Для этого находим на диаграмме точку пересечения изотермы t с линией ц = 100 % (точка А). Из этой точки, двигаясь по линии постоянной температуры мокрого термометра (tм = const), доходим до пересечения с изотермой tc (точка В). В точке пересечения В находим искомое значение ц. Если на диаграмме Рамзина не нанесены линии tм = const, то искомую относительную влажность воздуха можно приближенно определить, двигаясь от точки А по линии i = const до пересечения с изотермой t. Линии t и i = const близки и при небольших значениях разности (tc - tм) погрешность при таком приближенном определении невелика.

Определение температуры материала, выходящего из сушилки, если его влажность выше критической, проводят по диаграмме Рамзина (рис. 5, а). По заданным параметрам воздуха, выходящего из сушилки, t2 и его влагосодержанию х2 определяют точку А. Поскольку в первом периоде сушки температура влажного материала равна температуре мокрого термометра tм, то, двигаясь от точки А по линии i = const до пересечения с линией ц = 100 %, получают точку В. Через эту точку проходит изотерма tм.

Рис. 5. Определения с помощью диаграммы Рамзина

Для определения парциального давления водяного пара (рис. 5, б) от точки А, соответствующей параметрам воздуха, по линии х = const вниз находят пересечение с линией парциальных давлений (точка В). Для точки В справа находим значение p1.

1.5 Равновесие при сушке

В процессе сушки парциальное давление пара над материалом рм уменьшается и приближается к пределу рм = рп. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью Wр.

Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом рп или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха ц и определяется опытным путем.

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает сушка. При сушке связь влаги с материалом нарушается.

П.А. Ребиндер предложил следующую классификацию форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая.

Химически связанная влага наиболее прочно связана с материалом в определенных (стехиометрических) соотношениях и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена при сушке.

При сушке удаляется в основном влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко удаляется механически связанная влага.

Физико-химически связанная влага объединяет два вида влаги, которые отличаются прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную. Адсорбционная влага прочно удерживается на поверхности и в порах материала и требует для своего удаления большей затраты энергии, чем осмотическая. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами.

В процессе сушки влагу материала классифицируют на свободную и связанную. Свободной называют влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности. Поэтому при наличии в материале свободной влаги рм = рн, где рн - давление насыщенного пара воды над ее свободной поверхностью. Связанной называют влагу, скорость испарения которой из материала меньше скорости испарения воды со свободной поверхности, при этом рм < рн.

Изменение влажности материала в процессе сушки представлено на рис. 6.

Рис. 6. Изменение влажности материала в процессе сушки

Свободная влага будет удаляться из материала при любой относительной влажности, меньшей ц = 100 %. Удаление связанной влаги (после точки А) возможно лишь при влажности окружающей среды меньше равновесной. На рис. 6 вся область, где материал может сушиться, заштрихована. В зоне над кривой равновесной влажности ОАВ сушка невозможна, возможно только увлажнение материала.

2. Материальный и тепловой балансы сушки

2.1 Материальный баланс сушки

Материальный баланс по высушиваемому материалу является общим для конвективной, контактной и других видов сушки. Для составления баланса обозначим:

Gl - количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/ч;

G2 - количество высушенного материала, кг/ч;

u1, u2 - начальная и конечная влажности материала соответственно (считая на общую массу материала), %;

W - количество влаги, удаляемой из материала при сушке, кг/ч.

Тогда материальный баланс будет иметь следующий вид: по всему материалу, подвергаемому сушке:

G1 = G2 + W;

по абсолютному сухому веществу в высушиваемом материале:

G1 * (100 - u1) / 100 = G2 * (100 - u2) / 100

Отсюда следует:

G1 = G2 * (100 - u2) / (100 - u1)

G2 = G1 * (100 - u1) / (100 - u2)

Обычно целью составления материального баланса является определение количество влаги W, удаляемой при сушке:

W = G1 - G2.

Подставляя в выражение значение G2 из уравнения, получим

W = G1 - G1 * (100 - u1) / (100 - u2) = G1 * (u1 - u2) / (100 - u2)

При подстановке в выражение значения Gl из уравнения определим количество удаляемой влаги:

W = G2 * (u1 - u2) / (100 - u1)

Если количество влаги W известно, то из уравнения можно определить количество высушенного материала G2

Эти уравнения являются основными уравнениями материального баланса процессов сушки.

При расчете конвективных сушилок помимо баланса по высушиваемому материалу составляется материальный баланс по влаге, из которого находят расход сухого воздуха на сушку.

2.2 Тепловой баланс сушилок

Рассмотрим тепловые балансы наиболее часто используемых конвективных и контактных сушилок.

Конвективные сушилки. Для составления типового теплового баланса конвективной сушилки воспользуемся ее общей схемой, представленной на рис. 7. На сушку поступает G1 кг/ч исходного материала, имеющего температуру Q1 °С. В сушилке из вещества испаряется W кг/ч влаги и удаляется G2 кг/ч высушенного вещества при температуре Q2 °С. Обозначим удельную теплоемкость высушенного материала См (Дж/кг*град) и теплоемкость влаги - СВ (Дж/кг*град) (для воды Св = 4,19 (кДж/кг*град) или 1 ккал/кг*град)).

Рис. 7. Принципиальная схема конвективной сушилки непрерывного действия (основной вариант процесса сушки)

В сушилку подается влажный воздух, содержащий L (кг/ч) абсолютно сухого воздуха. Перед калорифером воздух имеет энтальпию i0 (Дж/кг) сухого воздуха; после нагрева, т.е. на входе в сушилку, энтальпия воздуха увеличивается до i1 (Дж/кг) сухого воздуха. В процессе сушки в результате передачи тепла материалу, поглощения испаряющейся из вещества (материала) влаги и потерь тепла в окружающую среду энтальпия воздуха изменяется и на выходе из сушилки для отработанного воздуха равна i2 (Дж/кг) сухого воздуха.

При составлении теплового баланса необходимо учитывать, что в сушилке могут быть транспортные устройства, на последних находится высушиваемый материал, например вагонетки, и т.д.

Допустим, масса указанных устройств - GT (кг), удельная теплоемкость их - СT (Дж/кг*град), температура на входе в сушилку - tTH. В сушилке температура транспортных устройств увеличивается и достигает на выходе из сушилки tTK.

В соответствии со схемой (рис. 7) тепло Qk подводится в калорифер K1, установленный перед сушилкой, и в дополнительный калорифер К2 - внутрь камеры сушилки в количестве Qд.

Тогда с учетом потерь тепла сушилкой в окружающую среду Qn будем иметь:

ПРИХОД ТЕПЛА

· с наружным воздухом Li0;

· с высушенным материалом G2CMQ1

· с влагой, испаряемой из материала WCBQ1

· с транспортными устройствами GTСTtTH;

· в основном (внешнем) калорифере Qk

· в дополнительном (внутреннем) калорифере Qд

РАСХОД ТЕПЛА

· с отработанным воздухом Li2

· с высушенным материалом G2CMQ2;

· с транспортными устройствами GTCTtTK;

· потери тепла в окружающую среду Qп

При установившемся процессе сушки тепловой баланс выражается равенством:

Li0 + G2CMQ1 + WCBQ1 + GTCTtTH + Qk + Qд =

= Li2 + G2CМQ2 + GTCTtTK + Qn

Из указанного уравнения можно установить общий расход тепла на сушку:

(Qk + Qд) = L(i2 - i0) + G2CM(Q2 - Q1) + GTCT(tTK - tTH) - WCBQ1 + Qn

Разделив обе части последнего равенства на W, получим выражение для удельного расхода тепла (на 1 кг испаренной влаги):

qk + qд = l(i2 - i0) + qM + qT - CBQ1 + qn

Подставляя значение qk в уравнение, находим:

l(i1 - i0) + qд = l(i2 - i0) + qM + qT - CBQ1 + qn

или

l(i2 - i1) = qд + CBQ1 - qM - qT - qn

Обозначим правую часть уравнения:

(qд + CBQ1) - (qM + qT + qn) = Д

Запишем его в следующем виде:

l(i2 - i1) = Д

i2=i1 + (Д / l)

Входящая в уравнение величина Д выражает разность между приходом и расходом тепла непосредственно в камере сушилки без учета тепла, приносимого воздухом, нагретым в основном калорифере. Величина Д нередко называется внутренним балансом сушильной камеры.

Для анализа и расчета процессов сушки удобно ввести понятие о теоретической сушилке, в которой температура материала, поступающего на сушку, равна температуре сушки, т.е. нет расхода тепла на нагрев материала и транспортных устройств, нет дополнительного тепла в самой сушильной камере и потерь тепла в окружающую среду. Следовательно, для теоретической сушилки qд = CBQ1 = qM = qT = qn = 0 и согласно выражению Д = 0.

При этом в соответствии с уравнением теплового баланса при l ? 0 для теоретической сушилки i2 = i1, т.е. процесс сушки в такой сушилке изображается на i-x - диаграмме линией АВ, для которой i = const (см. рис. 3, б). Указанное означает, что испарение влаги в теоретической сушилке происходит только за счет охлаждения воздуха, причем количество тепла, передаваемого воздухом, полностью возвращается в него с влагой, испаряемой из материала.

В действительных сушилках энтальпия воздуха в сушильной камере обычно не остается постоянной. Если приход тепла в камеру сушилки больше его расхода, т.е. величина Д положительна, то энтальпия воздуха при сушке возрастает (i2>i1). При отрицательном значении Д энтальпия воздуха при сушке уменьшается и i2< i1

Контактные сушилки. Как указывалось, при контактной сушке тепло материалу передается через стенку, разделяющую материал от теплоносителя.

Теплоносителем при контактной сушке чаще бывает насыщенный водяной пар. Поэтому тепловой баланс непрерывнодействующей контактной сушилки (рис. 8) будет отличаться от баланса для конвективной сушилки.

Рис. 8. Принципиальная схема контактной сушилки непрерывного действия

В дополнение к обозначениям, приведенным ранее в балансе для конвективных сушилок, отметим, что расход греющего пара составляет D (кг/ч), его энтальпия - ir (Дж/кг) и температура конденсации - Т °С.

Для такой сушилки запишем:

ПРИХОД ТЕПЛА

· с греющим паром D * ir;

· с высушенным материалом G2CMQ1,

· с испаренной из материала влагой WCBQ1

РАСХОД ТЕПЛА

· с конденсатом греющего пара DCBT;

· с высушенным материалом G2CMQ2;

· с испаренной из материала влагой WiB;

· потери тепла в окружающую среду Qn

Тогда тепловой баланс контактной сушилки:

Dir + G2CMQ1 + WCBQ1 = DCBT + G2CMQ2 + WiB + Qn

или

D(ir - CBT) = G2CM(Q2 - Q1) + W(iB - CBQ1) + Qn

Из уравнения можно определить расход пара D на нагрев высушенного материала, на испарение влаги и компенсацию потерь тепла в окружающую среду/

Для периодических процессов сушки тепловой баланс составляют отдельно для стадий нагревания и сушки. При этом за расчетный принимают больший из расходов пара, полученных для каждой стадии.

2.3 Определение расходов воздуха и тепла на сушку

Технологический расчет конвективных сушилок сводится к определению расхода воздуха и тепла на сушку. Аналитический расчет трудоемок, поэтому его используют в случае необходимости уточнения результатов расчета, в случае малых перепадов температур и влагосодержания сушильного агента. Графоаналитический расчет сушилок с использованием г-х-диаграммы нагляден и дает достаточно точные для практических целей результаты.

Процесс теоретической сушки (рис. 2). Для расчета задают два любых параметра наружного воздуха: температуру t0 и относительную влажность ц0. На пересечении линий t0 = const и ц0 = const находят точку Е, характеризующую состояние воздуха перед калорифером. Из точки в проводят вертикаль до пересечения с изотермой t1 = const, где t1 - температура воздуха после калорифера. Точка А характеризует состояние нагретого воздуха перед входом в сушильную камеру. Вертикальный отрезок ЕА изображает процесс нагрева воздуха в калорифере, протекающий при х0 = х1 =const (x1 - влагосодержание нагретого воздуха).

Из точки А проводят линию i1, которой изображается адиабатический процесс изменения состояния воздуха в сушилке. Кроме величин x0, ц0 и tl при расчете должен быть задан один из параметров отработанного воздуха - обычно t2 или ц2. Поэтому, продолжая линию i1 = const до пересечения с изотермой t2 = const или линией ц2 = const, получают точку В, выражающую состояние отработанного воздуха на выходе из сушилки. Отрезок АВ, параллельный оси абсцисс (i1 = i2 = const), изображает охлаждение воздуха в процессе сушки.

Ломаная линия ЕАВ - графическое изображение всего процесса изменения состояния воздуха в теоретической сушилке (в калорифере и сушильной камере), работающей по основной схеме.

Завершив построение, для точек Е и В находят на диаграмме значения х0 = х1 и х2, для точек Е и А - значения i1 и i0, с помощью которых по уравнению определяют удельный расход тепла qк в основном калорифере. Умножив величины i и qk на W, находят расход воздуха L и тепла Q на сушку.

Для изображения процесса в действительной сушилке (рис. 9) из точки А, характеризующей состояние воздуха перед калорифером, проводят вертикаль до пересечения с заданной изотермой t1 = const, Из точки пересечения В, характеризующей состояние нагретого воздуха перед входом в сушильную камеру, проводят линию i1 = const произвольной длины. На этой линии выбирают любую точку е и откладывают от нее вверх (при Д > 0) или вниз (при Д < 0) отрезок

Рис 9. Изображение процесса действительной сушилки на диаграмме

Конец отрезка еЕ (точка Е лежит на линии процесса в действительной сушке). Поэтому, соединяя точки Е и В и продолжая отрезок BE до пересечения с заданной изотермой t2 = const (или ц2 = const), находят точку С1 или С2, выражающую состояние отработанного воздуха.

Опуская из точки С1 и С2 перпендикуляр на вертикаль АВ, получим соответственно отрезки C1D1 и С2D2, характеризующие увеличение влагосодержания воздуха в сушильной камере в условиях действительного процесса.

При известных параметрах наружного воздуха (обычно t0 и ц0) расчет сушилок возможен и в том случае, если температура нагрева воздуха tl не задана в явном виде, а известны какие-либо два параметра отработанного воздуха (например, t2 и ц2). В этом случае построение процесса начинают от заданной точки (С, С1 или С2). Тогда для теоретической сушилки из заданной точки С проводят линию i1 = const и i2 = const до пересечения с вертикалью в точке В, через которую и проходит искомая изотерма tl = const.

Построение процесса для действительной сушки также начинают от заданной точки С1 (при Д > 0), от которой откладывают вниз (в масштабе энтальпий) отрезок CiKi = Д / l = Д (х2' - x0) и через полученную точку К1 проводят линию i1= const до пересечения с линией х0 = const в точке В. Через эту точку будет проходить искомая изотерма t1 = const. Точку В, характеризующую состояние воздуха при поступлении в сушильную камеру, соединяют с точкой С1. Линия АВС1 изображает процесс в действительной сушилке при Д > 0, когда изменение состояния воздуха в сушильной камере происходит с повышением энтальпии (i2 > i1).

При Д < 0, когда изменение состояния воздуха в сушильной камере происходит с понижением энтальпии (i2 < i1), отрезок С2К2 = Д / l = Д (х2'' - х0) / мi откладывают вверх от заданной точки С2.

Для обеспечения заданных режимов используют различные варианты процесса сушки.

В сушилке основного варианта, т.е. работающей по основной схеме (рис. 7), создаются жесткие условия сушки. Объясняется это тем, что воздух для сушки нагревается однократно до относительно высокой температуры, являющейся обычно предельно допустимой для высушиваемого материала. При нагреве в калорифере влагосодержание воздуха остается неизменным и резко падает его относительная влажность.

В некоторых случаях требуется сушить материал в более мягких условиях: при более низких температурах и во влажном воздухе. Для этого применяют различные варианты процесса сушки.

3. Варианты процесса сушки

3.1 Сушка с частичным подогревом воздуха в сушильной камере

В этом варианте сушки во внешнем калорифере К1 (рис. 7) воздуху сообщают лишь часть тепла, а другая часть передается с помощью дополнительного калорифера К2, установленного в сушильной камере.

На диаграмме (рис. 10) изображен процесс в теоретической сушилке (для простоты), работающий по этому варианту.

Рис. 10. Теоретический процесс сушки с частичным подогревом воздуха в сушильной камере

Из рисунка 10 видно, что воздух нагревается во внешнем калорифере до температуры t1' допускаемой свойствами материала (вертикаль АВ'). Испарение влаги из материала изображается линией В'С, весь процесс сушки представлен на этой диаграмме ломаной линей АВ'С.

Общее количество тепла на нагрев воздуха складывается в данном случае из тепла, подводимого в основном (внешнем) калорифере qк, и тепла, подводимого в дополнительном калорифере qд.

Для суммарного удельного расхода тепла (qк + qд) отношение между величинами qк и qд может изменяться, что будет соответствовать перемещению точки В' между точками А и В по линии х1 = х0 = const. При этом общие расходы тепла и воздуха в сушилке будут те же, что и в сушилке основной схемы, работающей при тех же начальных и конечных параметрах воздуха (ломаная ABC).

Преимущество описанного варианта сушки в том, что в камеру сушилки вводится воздух, нагретый до более низкой температуры, чем по основной схеме сушки. При этом процесс проводят при перепаде температур t1' - t2, меньшем, чем в сушке основной схемы, где этот перепад был бы равен t1 - t2 и потребовалось бы нагреть воздух во внешнем калорифере до температуры t1 (точка В), превышающей допустимую для данного материала (t1').

3.2 Сушка с промежуточным подогревом воздуха по зонам

Работающая по этой схеме сушилка (см. рис 11) состоит из ряда зон, в каждой из которых установлен дополнительный калорифер (на рисунке показаны только две зоны).

Рис. 11. Сушилка с промежуточным подогревом воздуха по зонам:

Согласно этой схеме воздух, нагретый во внешнем калорифере, проходит зону I, где извлекает из материала часть влаги и немного охлаждается, после чего поступает в зону II, на входе в которую нагревается в калорифере К1, сушит материал, после чего вновь подогревается в калорифере К2 и поступает в следующую зону (далее - по числу зон).

В результате воздух проходит последовательно все зоны, в каждой из которых проходит процесс сушки по основной схеме. Изменение состояния воздуха имеет ступенчатый характер и изображается на i - x - диаграмме ломаной линией АВ'С'В''С''В'''С (для теоретической сушилки).

Согласно схеме (рис. 11, а) отработанный воздух каждой предыдущей ступени является исходным для последующей и нагревается в ней при x = const. Тогда х0 = х0' = х1', х2' = х0'' = х2'', х2''= х0''' = х2''', здесь нижние индексы относятся соответственно к исходному, нагретому и отработанному воздуху, а верхние - указывают порядковый номер зоны.

Следовательно, влагосодержание воздуха увеличивается от зоны к зоне; при этом перепад влагосодержаний в каждой зоне пропорционален относительному количеству испаренной в ней влаги.

Общий расход воздуха и тепла в данном случае тот же, что и в сушилке основной схемы, работающей при тех же начальных (точка А) и конечных (точка С) параметрах воздуха. Однако, как видно из рис. 11, температура нагрева воздуха t1 значительно ниже, чем в сушилке основной схемы t3.

Работающую по этому варианту действительную сушилку рассчитывают последовательно от зоны к зоне, производя построение процесса для каждой зоны так, как и для сушилки основной схемы (с однократным использованием воздуха).

Для каждой зоны в соответствии с количеством испаренной в ней влаги (W',W'',... и т.д.) определяют величину Д (Д', Д'',... и т.д.). При этом Д для различных зон могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. При расчете принимают два параметра отработанного воздуха на выходе из сушилки (обычно - t2 и ц2) и два параметра (t и ц) нагретого и отработанного воздуха для каждой зоны. Эти параметры должны соответствовать намеченному режиму сушки по зонам.

На диаграмме i - x (рис. 12) сначала строят процесс в теоретической сушилке, работающей при тех же параметрах (начальных и конечных) воздуха, т.е. по точкам А(х0, ц0) и C(t2, ц2), и получают ломаную ABC. Отрезок на оси абсцисс диаграммы, равный х2 - х0, делят на части пропорционально количеству испаренной по зонам влаги W', W'' и получают точки, характеризующие влагосодержание отработанного воздуха по зонам (х2' х2'',...). Из этих точек проводят линии х = const, ограничивающие пределы изменения состояния воздуха в каждой зоне. Далее построение проводят последовательно для всех зон, начиная от первой, как для сушилок основной схемы (рис. 9).

Рис. 12. Процесс реальной сушки с промежуточным подогревом воздуха по зонам

3.3 Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха

При сушке по этой схеме (рис. 13) часть отработанного воздуха возвращается и смешивается перед наружным калорифером со свежим воздухом, поступающим в сушилку. Иногда смешивание отработанного воздуха со свежим проводят после наружного калорифера.

Рис. 13. Сушилка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха

Параметры смеси, получаемой при смешении L0 кг/ч свежего воздуха и L2 кг/ч отработанного (в пересчете на абсолютно сухой воздух) с различными параметрами (x0, i0 и х2, i2), определяют по правилу аддитивности.

Уравнение на диаграмме i - x представляет собой прямую, проходящую через точки, характеризующие состояние компонентов смеси (свежего и отработанного воздуха). Точка, отвечающая составу смеси, делит эту прямую на отрезки, находящиеся в отношении L2 / L0 = n. В соответствии с этим строят процесс в i - x - диаграмме (рис. 13). По заданным параметрам свежего воздуха (точка А) и отработанного (точка С), и кратности смешения п находят точки А и С. Соединяя точки А и С прямой, находят положение точки М, которая делит прямую АС в отношении AM: МС = L2: L0 = n. Из точки М проводят линию хсм = const до пересечения с линией i1= i2 = const, построенной из точки С. Точка пересечения характеризует состав воздуха на входе в сушильную камеру, а изотерма t1' проходящая через точку B1 -- температуру нагрева этого воздуха (смеси свежего и рециркулирующего воздуха).

Если заданы составы свежего и отработанного воздуха (точки А и С) и допустимая температура нагрева смеси свежего и рециркулирующего воздуха t1', то положение точки В1 находят на пересечении линии i2 = il = const, проведенной из точки С с заданной изотермой t1' = const. Опуская из точки В1 вертикаль до пересечения с прямой АС, находят положение точки М, характеризующей параметры смеси свежего и рециркулирующего воздуха (tСМ, хСМ, цCM).

Отрезок AM отображает процесс смешения свежего и отработанного воздуха, отрезок MB1 - нагрев смешанного воздуха в наружном калорифере, линия В1С - изменение состояния воздуха в процессе сушки. Весь процесс сушки изображается ломаной АМВ1С.

Построение этого процесса в действительной сушилке проводят после построения его в теоретической, работающей в тех же пределах изменения состояния воздуха, так, как было описано для рис. 9.

При сушке с частичной рециркуляцией материал сушится при более низких температурах воздуха, чем в сушилке основной схемы - t1' < t1. При добавлении части отработанного воздуха к свежему увеличиваются объем циркулирующего воздуха, а следовательно, и скорость его движения через сушилку, что способствует более интенсивному тепло- и влагообмену.

Для сушилки с рециркуляцией требуются больший расход энергии на вентилятор, значительные капитальные затраты, чем для сушилки основной схемы. Поэтому выбор кратности циркуляции воздуха следует проводить на основе технико-экономического расчета.

3.4 Сушка с промежуточным подогревом и рециркуляцией воздуха по зонам

При сушке по этому варианту совмещаются достоинства обоих вариантов, из которых он состоит. Такой способ применяют в тех случаях, когда предъявляются высокие требования к равномерности сушки во влажном воздухе при относительно низких температурах.

В работающей по такой схеме (рис. 14) сушилке частичная рециркуляция воздух а осуществляется вентиляторами (в1, в2, в3), находящимися в зонах сушилки. Перед сушилкой смешиваются свежий воздух (характеризуемый точкой А на диаграмме i - x) и часть конечного отработанного воздуха, состояние которого определяется точкой С3. Смесь свежего и рециркулирующего воздуха, параметры которой соответствуют точке М, в свою очередь, смешивается с отработанным воздухом зоны I, параметры которой характеризуются точкой С1. Новая смесь, имеющая состав, отвечающий точке М1, подается вентилятором в1 зоны I в калорифер К и нагревается в нем (точка B1). Далее смесь поглощает влагу из материала в зоне I, при этом ее состояние меняется по линии В1С1 (на диаграмме показаны три зоны). Состав отработанного воздуха зоны I характеризуется точкой С1, а весь цикл изменения состояния воздуха в этой зоне - замкнутой ломаной ММ1В1С1М1. Часть отработанного воздуха зоны I рециркулирует в зоне, а другая - поступает в зону II. Здесь отработанный воздух зоны I (точка C1) смешивается с частью отработанного воздуха зоны II (точка С2), смесь направляется в калорифер К2, после чего поглощает влагу из материала в зоне II и т.д. Процессы изменения состояния воздуха в зоне I (MM1B1C1M1), зоне II (С1М2В2С2М2) и зоне III (C2M3B3C3M3) протекают аналогично. При этом в каждой зоне осуществляется многократная циркуляция воздуха.

Рис. 14. Сушка с промежуточным подогревом и рециркуляцией воздуха по зонам

Из рис. 14 видно, что построенные процессы проводятся в каждой зоне для сушилки с частичной рециркуляцией, а процесс в целом строится для сушилки с промежуточным подогревом воздуха по зонам.

Различные варианты сушки и их сочетания позволяют обеспечить наиболее благоприятные с технической точки зрения и экономичные режимы сушки.

3.5 Сушка топочными газами

Такая применяется в тех случаях, когда допустима высокая температура греющего агента на входе в сушилку. В результате высокой влагопоглощающей способности топочных газов обеспечивается большой потенциал сушки.

Используемые для сушки газы (после сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива либо отработанные газы котельных, промышленных печей и др.) должны быть продуктами полного сгорания топлива и не содержать золы, сажи, загрязняющих материал. Поэтому газы подвергают сухой или мокрой очистке перед поступлением в сушилку. Обычно температура топочных газов превышает предельно допустимую для высушиваемого материала и поэтому их разбавляют воздухом для получения сушильного агента с требуемой температурой.

При обычных значениях коэффициента избытка воздуха б > 3 - 5 плотности и теплоемкости топочных газов и воздуха очень близки, поэтому при графоаналитическом расчете газовых сушилок можно пользоваться i - x - диаграммой для влажного воздуха, но построенной для более высоких температур (см. рис. 2).

При сушке топочными газами применяют главным образом сушилки, работающие по основной схеме, а также сушилки с частичной рециркуляцией газов. Построение процесса в сушилке основной схемы приведено на рис. 15.

Рис. 15. Построение процесса сушки топочными газами (основной вариант процесса сушки)

После определения влагосодержания и энтальпии топочных газов по уравнениям исходя из принятых значений б и КПД топки находят по диаграмме положение точки Г, характеризующей состояние газов на выходе из топки. Соединяя прямой точку Г с точкой А, характеризующей состояние наружного воздуха, определяют положение точки М на прямой АГ. В соответствии с уравнением положение точки М, характеризующей состояние смеси газов и воздуха, т.е. сушильного агента перед входом в сушилку, зависит от соотношения количеств газа и воздуха. Наклонная прямая AM изображает процесс смешения газов с воздухом. Наклон прямой AM тем меньше, чем больше влажность топлива и чем меньше его теплотворная способность. Далее построение проводят, как для действительной воздушной сушилки (рис. 9).

Влагосодержание сушильного агента в точке М больше влагосодержания воздуха в точке А на величину - х0. Это увеличение влагосодержания сушильного агента происходит за счет влаги, выделяющейся при сжигании топлива, а также окисления водорода топлива и содержащихся в нем углеводородов (особенно при сжигании в топке газообразного топлива). Следовательно, увеличение влагосодержания смеси происходит вне камеры сушилки. Состояние газов без учета тепла испарения влаги и окисления некоторых компонентов топлива в топке представлено на диаграмме точкой К (рис. 15), лежащей на пересечении линий t1 = const и х0 = const.

Сравнивая величину q1 с удельным расходом тепла q в воздушной сушилке, работающей при одинаковых начальных и конечных параметрах сушильного агента, можно установить, что удельный расход тепла на 1 кг испаренной влаги больше в газовых сушилках, чем в воздушных (q1 > q). Однако критерием сравнения указанных сушилок должен быть не удельный расход тепла, а расход топлива на 1 кг испаренной влаги, который ниже для сушилок, работающих на топочных газах. Экономия топлива, а также меньшие капитальные затраты в связи с отсутствием воздухонагревательных устройств относятся к числу преимуществ сушки топочными газами по сравнению с сушкой горячим воздухом.

4. Характеристика и устройство сушилок

4.1 Конвективные сушилки

В конвективных сушилках сушильный агент, предварительно нагретый в калорифере, движется в сушилке и соприкасается с высушиваемым материалом. При этом сушилка может работать по основной схеме (рис. 2 и 7), т.е. с однократным нагревом сушильного агента или с частичным подогревом воздуха в сушильной камере (рис. 10) или другими вариантами, в которых температура сушки будет ниже, чем в сушилке по основной схеме, при одинаковом общем расходе тепла.

В зависимости от назначения используют камерные, туннельные, ленточные и барабанные сушилки.

Камерные сушилки (рис.16) являются аппаратами периодического действия, работающими при атмосферном давлении. Их используют в малотоннажных производствах при невысокой температуре сушки, например при сушке таблеточной массы. Материал в этих сушилках сушится на лотках (противнях), установленных на стеллажах или вагонетках, находящихся внутри сушильной камеры 1. На каркасе камеры, между вагонетками 2, установлены козырьки 3, которые делят пространство камеры на три, расположенные друг над другом зоны, вдоль которых последовательно движется горячий воздух. Свежий воздух, нагретый в калорифере 4, подается вентилятором 7 вниз камеры сушилки. Здесь он движется (путь воздуха показан на рисунке стрелками), два раза меняя направление и дважды нагреваясь в промежуточных калориферах 5 и 6. Часть отработанного воздуха с помощью шибера 8 направляется на смешивание со свежим. В результате сушилка работает с частичной рециркуляцией воздуха и промежуточным подогревом, т.е. по варианту, обеспечивающему низкую температуру и более мягкие условия сушки.

Рис.16. Камерная сушилка

Однако вследствие сушки в неподвижном толстом слое сушилки указанного типа имеют низкую производительность, а длительность процесса в них большая. Кроме того, в этих сушилках имеют место большие потери тепла при выгрузке материала и большие затраты ручного труда.

Туннельные сушилки (рис.17) отличаются от камерных тем, что в них соединенные друг с другом вагонетки 2 медленно перемещаются на рельсах вдоль очень длинной камеры прямоугольного сечения (коридора). На входе и выходе сушилки имеются герметичные двери, которые открываются для загрузки и выгрузки материала. Вагонетка с высушенным материалом удаляется из камеры, а с противоположного конца в нее поступает новая вагонетка с влажным материалом. Перемещение вагонеток механизировано. Сушильный агент может подаваться прямотоком или противотоком.

Рис.17. Туннельная сушилка

Такие сушилки обычно работают с частичной рециркуляцией сушильного агента и используются для сушки больших количеств штучного материала. По интенсивности сушки туннельные сушилки близки к камерным сушилкам. Туннельным сушилкам присущи основные недостатки камерных сушилок (длительная и неравномерная сушка, ручное обслуживание).

Ленточные сушилки (рис. 18). В сушилках этого типа сушка материалов производится непрерывно при атмосферном давлении.

Рис. 18. Ленточная сушилка

В камере 1 сушилки слой высушиваемого материала движется на бесконечной ленте 2, натянутой между ведущими 3 и ведомыми 4 барабанами. Влажный материал из бункера подается питателем 6 на один конец ленты, с другого конца материал пересыпается на нижерасположенную ленту и так до последней ленты, с которой высушенный материал пересыпается в приемник высушенного материала 8. Сушка осуществляется горячим теплоносителем, который движется противотоком или перекрестным током к направлению движения материала. Такая многоленточная сушилка успешно работает в производстве холосаса на стадии сушки шрота из семян шиповника.

...

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены