Оптимизационная модель процессов грануляции и сушки аммофоса в горизонтально-секционированном аппарате кипящего слоя

Сумский государственный университет

Оптимизационная модель процессов грануляции и сушки аммофоса в горизонтально-секционированном аппарате кипящего слоя

Авторы:

А.П. Врагов, д-р техн. наук, проф.;

В.Л. Кирный, магистр

Вступление

В статье предложены методы оптимизационного расчета аппарата для грануляции и сушки продуктов, получаемых из растворов и пульп. Рассмотрен аппарат с продельным перемещением продукта и постепенным наращиванием частиц при их движении до получения гранул заданного размера.

В производстве минеральных удобрений широко используются распылительные кипящего слоя сушилки - грануляторы (РКСГ), позволяющие получать простые и сложные гранулированные удобрения с размером гранул 1,0-4 мм [1]. Однако выбор технологических режимов процессов, проектирование аппаратов, определение конструктивных размеров, предварительная оценка энергетической и экономической эффективности процесса и аппарата представляют сложную многоуровневую техническую задачу, которую возможно оценить с помощью компьютерной техники.

Целью данной работы являются аналитическое исследование и разработка оптимизационной модели процесса и аппарата для грануляции аммофоса в горизонтально-секционированном аппарате РКГС. Эта модель учитывает свойства пульпы и гранулированного продукта, конструктивные особенности и геометрические размеры аппарата, базируется на системе уравнений материальных и тепловых балансов потоков, гидродинамики, тепло- и массообмена, учитывает кинетику роста гранул, их распределения по размерам в процессе роста, а также позволяет оценить технологические показатели интенсивности проводимых процессов.

В качестве объекта исследований выбран гранулированный аммофос - продукт нейтрализации фосфорной кислоты аммиаком [2]. Аммофос представляет собой смесь солей моноаммонийфосфата и диаммонийфосфата и является сложным двойным минеральным удобрением. В данной работе рассматривается процесс получения гранулированного продукта путем распыления пульпы на кипящий слой частиц в секциях аппарата. Часть распыляемой форсунками пульпы попадает на слой гранул, высыхает на поверхности и обеспечивает их рост, другая часть попадает в кипящий слой в виде высохших частиц, становясь центрами гранулообразования. Кипящий слой гранул создается в результате подачи топочных газов в газораспределительное подрешеточное пространство. Применение секционированного аппарата позволяет создать устойчивые условия гидродинамики кипения и более стабильно проводить процессы сушки и гранулирования.

Горизонтально секционированный аппарат РКСГ, представленный на

рис. 1, условно разделен на 3 секции.

В первой секции формируется кипящий слой (КС) гранул как за счет внешнего ретура, так и в результате роста и агломерации частиц. Во второй секции происходит доращивание гранул до некоторого промежуточного размера и в ней сосредоточена основная нагрузка по распыляемой пульпе и удаляемой влаге. Третья секция предназначена для конечного доращивания и досушивания продукционных гранул, количество распыляемой пульпы в ней меньше и скорость роста гранул ниже. Для обеспечения условий перетекания гранул рабочая решетка имеет различное живое сечение и разный для каждой секции диаметр отверстий, а также установлена с уклоном в сторону выгрузки продукта.

Физическая и математическая модели процессов грануляции и сушки

Алгоритм оптимизационного расчета

Алгоритм расчета рассматриваемого аппарата КС включает следующие этапы.

1 Расчет материальных потоков аппарата по удаляемой влаге и сухому остатку для каждой секции в зоне распыла и КС гранул.

Доля пульпы, подаваемой в каждую i-ю секцию, равна

, а с учетом допущения (2) .(3)

Для зоны распыла в каждой секции массовые доли частиц, уносимых потоком газов, R_уi, и частиц ретура, образованных в факеле распыла, R_pетi , равны:

, .(4)

В исходные данные для расчета введены: диаметр частиц ретура и уносимых частиц, диаметр сопла форсунки и предварительный расход сушильного агента на форсунку. Расчет величины приведенного диаметра капель d_к и их числа, характеризующего степень разнородности капель n, освещен в литературе [5] и соответствует принятой конструкции форсунки. После проведения расчета тепловых потоков в аппарате первоначально заданные значения d_у и d_р уточняются в зависимости от скорости истечения пульпы из сопла и скорости испарения влаги с поверхности частиц.

Количество влаги, удаляемой из пульпы в зоне распыла, равно:

(5)

Уравнения материального баланса по удаляемой влаге для любой i-й секции:

- для зоны распыла пульпы

, (6)

- для зоны КС гранул:

,(7)

где - количество внешнего ретура, поступающего в секции аппарата (для первой секции - массовый расход внешнего ретура, для второй и третьей - массовый расход перетекающих из секций гранул).

2 Расчет коэффициентов разбавления топочных газов атмосферным воздухом при сжигании природного газа с учетом их температуры при подаче в зону распыления пульпы и в подрешеточное пространство сушилки.

3 Блок расчета эквивалентного диаметра частиц в кипящем слое в зависимости от массы выделившегося материала при условии постоянного числа частиц в каждой i-й секции аппарата. Представленные расчетные зависимости не учитывают изменения числа частиц при наличии процессов термического растрескивания гранул, их слипания, агломерации и т.д.

где di - текущий диаметр гранул; dэ - среднегеометрический эквивалентный (по массе) диаметр гранул, м.

4 Распределения тепловых потоков для i-й секции и аппарата в целом определяется из условия, что тепло, отдаваемое топочными газами, расходуется на подогрев материала (пульпы и внешнего ретура) и удаление из него расчетного количества влаги. Расчет проводился с учетом изменения плотности, теплоемкости и теплопроводности гранул и сушильного агента.

5 Блок расчетов коэффициентов тепло- и массопередачи в кипящем слое гранул по секция, базирующихся на следующие критериальные уравнения [6].

Для расчетов коэффициентов теплоотдачи в слое гранул применяли уравнения:

где Nuт - тепловой критерий Нуссельта, ; Reкр - число Рейнольдса для кипящего слоя гранул, ; - порозность кипящего слоя гранул.

Для расчетов коэффициентов массообмена в слое гранул использовали формулу

где Nu_D - диффузионный критерий Нуссельта, ; D_х - коэффициент диффузии для паров воды при температуре испарения.

6 Расчеты высоты кипящего слоя в секциях с учетом геометрических размеров рабочей решетки включают систему уравнений:

Кроме того, в отдельные блоки вынесены расчеты перепада давления в секциях (сопротивления кипящего слоя гранул и решеток аппарата) для обеспечения непрерывного перетекания материала в аппарате.

Анализ полученных результатов

На основе математического описания процессов гранулирования и сушки аммофоса и разработанного алгоритма оптимизационного расчета горизонтально секционированного аппарата РКСГ получены следующие данные, характеризующие интенсивность процессов тепло - и массообмена в зоне распыления пульпы, а также в секциях гранулообразования и роста гранул.

Программное обеспечение, объединенное в единую расчетную схему, позволило выявить основные технологические особенности процессов роста и сушки гранул по зонам каждой секции и проанализировать работу аппарата РКСГ в целом.

На рис. 2 представлены графики зависимости критериев Нуссельта теплового (1) и Нуссельта диффузионного (2) от скорости псевдоожижающего агента в КС и диаметра гранул в секциях, рассчитанные для различных режимов грануляции.

Полученные кривые имеют высокую степень аппроксимации (для процесса теплообмена R²_т=0,9965, для массообмена R²_м=0,9995) и отражают влияние эквивалентного размера частиц, конечного размера гранул на выходе из секций и аппарата, а также выбранного режима псевдоожижения.

На основе полученных данных построены графики изменения коэффициентов тепло- и массоотдачи в зависимости от скорости газов в

кипящем слое, диаметра гранул и порозности кипящего слоя, представленные на рис. 3.

Как видим из рис. 3, коэффициент теплоотдачи с ростом гранул увеличивается до определенной величины, а затем практически остается постоянным. Коэффициент массопередачи по секциям изменяется незначительно при увеличении диаметра гранул, что объясняется ограничением доли распыляемой пульпы в секциях и увеличением поверхности растущих гранул.

В качестве критерия оптимальности процессов сушки и грануляции аммофоса выбран технологический показатель интенсивности влагосъема в каждой секции в зависимости от нагрузки по распределяемой пульпе, при этом

,(12)

где W^КС_i - количество влаги, удаляемой в зоне КС каждой секции; S^КС_i - площадь рабочей решетки секции.

Зависимость величины А1 от доли подаваемой в I секцию пульпы с учетом постоянного массового расхода и диаметра частиц ретура, а также диаметра получаемых гранул на выходе из секции представлена на рис. 4. Из рис. 4 видно, что в первой секции, как и в односекционном аппарате, влагосъем с единицы площади решетки КС возрастает с увеличением нагрузки по удаляемой влаге, диаметра частиц и скорости газа в псевдоожиженном слое.

Зависимость вида А=0,0036ln(x1)+0,0302 с достоверностью R²=0,9994 описывает изменение влагосъема при сушке аммофоса топочными газами, поступающими с температурой t_г=200°С при температуре в кипящем слое гранул t_кс=130°С.

Заметим, что в первой секции, где в основном формируется

необходимая для нормальной работы аппарата масса КС гранул, доля подаваемой пульпы не превышает 0,4 общей массы пульпы.

На рис. 5 показаны изменения интенсивности влагосъема во II секции аппарата в зависимости от условий работы первой секции (доли выкристаллизовавшегося в ней продукта), при этом учтено изменение нагрузки во второй секции по удаляемой влаге в интервале (0,1-0,45)W. Максимальная нагрузка по удаляемой влаге во второй секции достигается в случае, когда доля удаляемой влаги составляет 0,5W (при общей доле удаляемой влаги в двух секциях (W₁+W₂)=(0,7-0,9)W).

На рис. 6 показаны изменения интенсивности удельного влагосъема в III секции трехсекционного аппарата с учетом условий работы предыдущих секций (с учетом суммарного расхода пульпы в I и II секциях). Из рис. 6 следует, что при высокой нагрузке первых двух секций влагосъем в третьей секции резко снижается, при этом максимум влагосъема достигается при равном распределении пульпы по секциям. Для III секции характерно значительное падение величины влагосъема при снижении на нее нагрузки, что обусловлено влиянием отношения размеров частиц, сформированных в предыдущих секциях, к размеру продукционных гранул. Проведенный расчет показал узкий диапазон изменения значений суммарного влагосъема с решетки КС аппарата в целом, который находится в пределах от 115 до 130 кг/(м²ч).

Таким образом, разработанные математическая модель процесса и блок-схема расчета позволяют проводить численный эксперимент, на основе которого можно выбирать оптимизированные технологические параметры работы горизонтально секционированной сушилки - гранулятора кипящего слоя, а также управлять размером гранул продукта в зависимости от распределения пульпы по секциям.

Принятые условные обозначения и индексы

G_нач- расход подаваемой в аппарат пульпы, кг/с; Gрет - количество зародышей, подаваемых в зону КС 1- ой секции; V - расход сушильного агента; W - количество удаляемой из пульпы влаги; u - влажность материала в долях от общей массы влажного вещества; Q^кс- количество тепла, вносимого сушильным агентом в зону кипящего слоя, Вт; q - удельный расход тепла в секции; t - текущая температура; tср - средняя разность температур; F, Gгран- соответственно суммарная поверхность и масса гранул в зоне кипящего слоя секции; Vсл- объем кипящего материала в секции; Sкс- площадь газораспределительной решетки секции.

1, 2, 3- нумерация секций; i - параметр материала в секции; кс - зона кипящего слоя; нач, кон - начальное и конечное состояние материала в аппарате; р - зона распыла; рет - ретур; у - унос.

Список литературы

1. Кочетков В.Н. Гранулирование минеральных удобрений. - М.: Химия, 1975. - 223 с.

2. Технология фосфорных и комплексных удобрений / Под общ. ред. С.Д. Эвенчика, А.А. Бродского - М.: Химия, 1987. - 464 с.

3. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. - Изд. 3-е. - Л.: Химия, 1979.

4. Кирный В.Л. О распределении пульпы в секционированной сушилке - грануляторе кипящего слоя//Вісник СумДУ. Серія Технічні науки. - 2003.-№3 (49). - С. 116-120.

5. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984. - 256 с.

6. Расчеты аппаратов кипящего слоя: Справочник /Под. ред. И.П. Мухленова и др. - Л.: Химия, 1986. - 352 с.