Разработка процесса сушки каменного угля в аппарате с кипящим слоем

Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определяется c помощью I - x - диаграммы, впервые разработанной Л. К. Рамзиным. Диаграмма I - x (cм. рис. 1.1) построена для постоянного давления P = 745 мм.рт. ст. (около 99 кн/м2) которое по многолетним статистическим данным, можно считать среднегодовым для центральных районов России.

Диаграмма имеет угол 135° между осями координат, причем на оси ординат отложены в определенном масштабе энтальпии I, а на наклонной оси абсцисс - влагосодержания x, которые, для удобства пользования диаграммой, спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси координат. На диаграмме нанесены: 1) линии постоянного влагосодержания (x = const) - вертикальные прямые, параллельные оси ординат; 2) линии постоянной энтальпии (I = const) - прямые параллельные оси абсцисс; 3) линии постоянных температур, или изотермы (t = const); 4) линии постоянной относительной влажности (ц = const); 5) линия парциальных давлений водяного пара pП во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.

Линии ц = const образуют пучок расходящихся кривых, выходящих из одной точки (не показанной на диаграмме) с координатами t = ? 273 °C и x = 0. Для того чтобы линии ц = const не подходили очень близко друг к другу, что затруднило бы пользование диаграммой I - x, последняя построена, как указано выше, в косоугольной системе координат. При температуре 99,4 °С давление насыщенного пара pН = В, т.е. становится равным постоянному барометрическому давлению B = 745 мм. рт.ст., для которого построена диаграмма.

В этом случае, согласно выражению (1.4) величина ц = pП/B и уравнение (1.6) принимает вид:

Следовательно, при температурах t ? 99.4 °C величина ц не зависит от температуры и практически является величиной постоянной, так же как и влагосодержание воздуха x (при данном значении pП и B = const). Поэтому при t = 99.4 °C линии ц = const имеют резкий перелом и идут почти вертикально вверх. Незначительное отклонение направления линий ц = const от вертикального объясняется тем, что в области высоких температур значения сП, а значит и ц несколько зависит от температуры.

Линия ц = 100 % соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Эта линия ограничивает снизу расположенную над ней рабочую площадь диаграммы, отвечающую ненасыщенному влажному воздуху, используемому в качестве сушильного агента. Площадь диаграммы, расположенная под линией ц = 100 %, относится к воздуху, пересыщенному водяным паром, и для расчетов сушилок интереса не представляет.

Рисунок 1.1 - Диаграмма I - x для влажного воздуха

На диаграмме І - х по любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все его остальные параметры.

Изображение процессов изменения состояния воздуха на диаграмме. При нагревании влажного воздуха в специальных теплообменниках - калориферах - его относительная влажность ц уменьшается, а влагосодержание х остается постоянным. Поэтому на диаграмме І - х процесс нагрева воздуха изображают отрезком AB (см. рис. 1.2), проводя из точки, отвечающей начальному состоянию воздуха (t0, x0), вертикальную линию x = const вверх до пересечения с изотермой, отвечающей температуре нагрева воздуха t1.

Процесс охлаждения воздуха (имеющего начальную температуру t1) при постоянном влагосодержании до его насыщения изображается вертикалью, проведенной из точки B (характеризующей начальное состояние охлаждаемого воздуха) вниз до пересечения с линией ц = 100 % (отрезок ВС). Точка пересечения линий х = const и ц = 100 % (точка C на рис. 1.2) характеризует состояние воздуха в результате его охлаждения при х = const и называется точкой росы. Изотерма, проходящая через эту точку, определяет температуру точки росы tР. Дальнейшее охлаждение воздуха ниже температуры точки росы (например, до температуры tП) приводит к конденсации из него части влаги и соответственно - к уменьшению его влагосодержания от x0 до xП.На диаграмме процесс охлаждения насыщенного воздуха совпадает с линией ц = 100 % (кривая СЕ).

Рисунок 1.2 - Изображение процессов изменения состояния влажного воздуха на I - x диаграмме

При адиабатической сушке влага из материала испаряться только за счет тепла, передаваемого материалу воздухом. При этом, если температура высушиваемого материала (а следовательно и содержащейся в нем влаги) не изменяется и равна 0°С, то энтальпия воздуха после сушки I2 будет равна его энтальпии перед сушкой І1, так как всё тепло, отданное воздухом на испарение влаги, возвращается обратно в воздух с удаляющимися из материала парами. Одновременно понижается температура и увеличивается влагосодержание и относительная влажность воздуха. Такой процесс носит название теоретического процесса сушки (I2 = I1 = I = const).

Для сушильной практики большое значение имеет адиабатический процесс испарения со свободной поверхности жидкости, сходный с процессом испарения с поверхности влажного материала в начальный период сушки.

После достижения равновесия между влажным воздухом и испаряющейся влагой температура последней примет постоянное значение, равное температуре мокрого термометра tМ. Если в ограниченный объем воздуха внести достаточное количество воды, имеющей температуру tМ, то по истечении некоторого времени воздух станет насыщенным и примет температуру воды, а дальнейший процесс испарения прекратится. Установившуюся температуру мокрого термометра, которую примет воздух в конце процесса насыщения, называют также температурой адиабатического насыщения. Если tМ > 0, то поступающая в воздух испаренная влага W вносит в него некоторое количество тепла W • c • tM, поэтому адиабатический процесс охлаждения воздуха в этом случае происходит с повышением его энтальпии (I2 > I1). Если L - расход сухого воздуха на испарение, то

где c - теплоемкость воды.

Величина W/L показывает увеличение влагосодержания воздуха в процессе его адиабатического охлаждения, равное (xM ? x1), где xМ - влагосодержание воздуха при его полном насыщении влагой при температуре tМ.

Из найденной выше зависимости I1 = I2 ? (xМ ? x1) • c • tМ при x1 = 0 следует:

Уравнение (1.11) служит для нанесения на диаграмму I - x линий постоянной температуры tМ = const (линии постоянной температуры адиабатического насыщения).

Изменение состояния воздуха (температуры, влагосодержания и относительной влажности) при адиабатическом процессе испарения влаги со свободной поверхности жидкости происходит по линии tМ = const.

Разность между температурой воздуха tВ и температурой мокрого термометра tМ характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала носит название потенциала сушки е:

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 (tВ = tМ), величина е становится равной нулю.

1.4 Устройство сушилок

Конструкции сушилок очень разнообразны и отличаются по ряду признаков: по способу подвода тепла (конвективные, контактные и др.), по виду используемого теплоносителя (воздушные, газовые, паровые), по величине давления в сушильной камере (атмосферные и вакуумные), по способу организации процесса (периодические и непрерывные), а также по взаимному направлению движения материала и сушильного агента в конвективных сушилках (прямоток, противоток, перекрестный ток). Это крайне затрудняет обобщающую классификацию сушилок. Ниже мы ограничимся рассмотрением групп сушилок, которые находят применение (или перспективны для применения) в химической технологии, объединенных по способу подвода тепла и состоянию слоя высушиваемого материала (неподвижный, перемешиваемый и т.д.).

Конвективные сушилки с неподвижным или движущимся плотным слоем материала

Камерные сушилки. Эти сушилки являются аппаратами периодического действия, работающими при атмосферном давлении. Они используются в производствах небольшого масштаба для материалов, допускающих невысокую температуру сушки, например красителей. Материал в этих сушилках сушится на лотках (противнях), установленных на стеллажах или вагонетках, находящихся внутри сушильной камеры 1 (рис. 1.3). На каркасе камеры между вагонетками 2 установлены козырьки 3, которые как бы делят пространство камеры на три расположенные друг над другом зоны, вдоль которых последовательно движется сушильный агент. Свежий воздух, нагретый в наружном калорифере 4, засасывается вентилятором 5 и подается вниз камеры сушилки. Здесь он движется (путь воздуха показан на рисунке стрелками), два раза меняя направление и дважды нагреваясь в промежуточных калориферах 6 и 7. Часть отработанного воздуха с помощью шибера 8 направляется на смещение со свежим. Таким образом, сушилка работает с промежуточным подогревом и частичной рециркуляцией воздуха, т.е. по варианту, обеспечивающему низкую температуру и более мягкие условия сушки.

Однако, вследствие сушки в неподвижном толстом слое, сушилки этого типа обладают низкой производительностью и продолжительность сушки в них велика. Кроме того, сушка в них неравномерна из-за неравномерности температур в камере, возникающей за счет частичного прохода воздуха в вышерасположенные зоны кратчайшим путем (через зазоры). Для создания более равномерной циркуляции воздуха в некоторых современных конструкциях камерных сушилок наружный вентилятор заменяют внутренними реверсивными осевыми вентиляторами или применяют эжекторы. В эжекционных камерных сушилках рециркулирующий отработанный воздух подсасывается свежим, что позволяет уменьшить расход электроэнергии на циркуляцию. Обслуживание камерных сушилок требует больших затрат ручного труда, что также является существенным недостатком.

Рисунок 1.3 - Камерная сушилка: 1 - сушильная камера; 2 - вагонетки; 3 - козырьки; 4,6,7 - калориферы; 5 - вентилятор; 8 - шибер

Туннельные сушилки. Эти сушилки (рис. 1.4) отличаются от камерных тем, что в них соединенные друг с другом вагонетки медленно перемещаются на рельсах вдоль очень длинной камеры прямоугольного сечения (коридора). На входе и выходе коридор имеет герметичные двери, которые одновременно периодически открываются для загрузки материала: вагонетка с высушенным материалом удаляется из камеры, а с противоположного конца в нее поступает новая вагонетка с влажным материалом. Перемещение вагонеток происходит с помощью троса и механической лебедки. Сушильный агент движется прямотоком или противотоком к высушиваемому материалу.

Туннельные сушилки обычно работают с частичной рециркуляцией сушильного агента, и они используются для сушки больших количеств штучных материалов, например, керамических изделий. По интенсивности сушки туннельные сушилки мало отличаются от камерных: им присущи основные недостатки последних (длительная и неравномерная сушка, ручное обслуживание).

Ленточные сушилки. В этих сушилках сушка материалов производится непрерывно при атмосферном давлении. В камере 1 сушилки (рис. 1.5) слой высушиваемого материала движется на бесконечной ленте 2, натянутой между ведущим 3 и ведомым 4 барабанами. Влажный материал подается на один конец ленты, а подсушенный удаляется с другого конца. Сушка осуществляется горячим воздухом или топочными газами, которые движутся противотоком или перекрестным током к направлению движения материала.

Рисунок 1.4 - Туннельная сушилка: 1 - камера; 2 - вагонетки; 3 -вентиляторы; 4 - калориферы

В одноленточных сушилках со сплошной лентой обычно наблюдается неравномерное высушивание материала: во внутренней части слоя, обращенной к ленте, конечная влажность выше, чем в его наружной части, омываемой газами или воздухом.

Более эффективно применение многоленточных сушилок с лентами из металлической сетки. В них сушильный агент движется перпендикулярно плоскости ленты сквозь находящийся на ней слой материала (перекрестный ток). При пересыпании материала с ленты на ленту увеличивается поверхность его соприкосновения с сушильным агентом, что способствует возрастанию скорости и равномерности сушки. Ленточные сушилки могут работать по различным вариантам сушильного процесса.

Ленточные сушилки громоздки (подобно туннельным сушилкам) и сложны в обслуживании главным образом из - за перекосов и растяжения лент; их удельная производительность (на 1 м2 поверхности ленты) невелика, а удельные расходы тепла (на 1 кг испаренной влаги) довольно велики. Кроме того, они непригодны для сушки пастообразных материалов, поэтому для этой цели их используют в комбинации с вальцовыми сушилками.

Рисунок 1.5 - Ленточная сушилка: 1 - камера сушилки; 2 - бесконечная лента; 3 - ведущие барабаны; 4 - ведомые барабаны; 5 - калорифер; 6 - питатель; 7 - опорные ролики

Петлевые сушилки. Сушку пастообразных материалов, а также тонких листовых, (например, бумаги) производят в непрерывно действующих петлевых сушилках, работающих при атмосферном давлении. В сушилках для паст (рис. 1.6) питатель 1 подает материал на бесконечную гибкую сетчатую ленту 2, которая проходит между обогреваемым паром вальцами 3, вдавливающими пасту внутрь ячеек ленты.

Рисунок 1.6 - Петлевая сушилка: 1 - питатель; 2 - бесконечная сетчатая лента; 3 - прижимные вальцы; 4 - цепной конвейер; 5 - направляющий ролик; 6 - автоматическое ударное устройство; 7 - разгрузочный шнек; 8 - вентилятор

Лента с впрессованным материалом поступает в сушильную камеру, где образует петли. Это достигается с помощью шарнирно соединенных звеньев ленты и расположенных на ней через определенные промежутки поперечных планок, опирающихся на цепной конвейер 4. С помощью направляющего ролика 5 лента отводится к автоматическому ударному устройству 6, посредством которого высушенный материал сбрасывается с ленты и выводится из сушилки разгрузочным шнеком 7.

Циркуляция воздуха (или газов) осуществляется с помощью осевых вентиляторов 8, часть которых (на одной стороне камеры) показана на рис. 1.6, причем горячий воздух или газ движется поперек ленты 2. Сушилка обычно работает по варианту с промежуточным подогревом воздуха и частичной рециркуляцией его по зонам.

В петлевых сушилках сушка производится в слое небольшой толщины (равной толщине звеньев ленты, составляющей 5 - 20 мм) при двустороннем омывании ленты горячим воздухом и прогреве запрессованного материала металлическим каркасом (сеткой), нагретой вальцами 3. Это обеспечивает большую скорость сушки по сравнению с камерными сушилками. Вместе с тем петлевые сушилки отличаются сложностью конструкции и требуют значительных эксплуатационных расходов.

Конвективные сушилки с перемешиванием слоя материала

Барабанные сушилки. Эти сушилки широко применяются для непрерывной сушки при атмосферном давлении кусковых, зернистых и сыпучих материалов (минеральных солей, фосфоритов и т.д.).

Барабанная сушилка (рис. 1.7) имеет цилиндрический барабан 1, установленный с небольшим наклоном к горизонту (1/15 - 1/50) и опирающийся с помощью бандажей 2 на ролики 3. Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 4 и редуктор. Число оборотов барабана обычно не превышает 5 - 8 мин-1 положение его в осевом направлении фиксируется упорными роликами 5. Материал подается в барабан питателем 6, предварительно подсушивается, перемешиваясь лопастями 7 приемно -винтовой насадки, а затем поступает на внутреннюю насадку, расположенную вдоль почти всей длины барабана. Насадка обеспечивает равномерное распределение и хорошее перемешивание материала по сечению барабана, а также его тесное соприкосновение при пересыпании с сушильным агентом - топочными газами. Газы и материал особенно часто движутся прямотоком, что помогает избежать перегрева материала, так как в этом случае наиболее горячие газы соприкасаются с материалом, имеющим наибольшую влажность. Чтобы избежать усиленного уноса пыли с газами последние просасываются через барабан вентилятором 8 со средней скоростью, не превышающей 2 - 3 м/сек. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются от пыли в циклоне 9. На концах барабана часто устанавливают уплотнительные устройства (например, лабиринтные), затрудняющие утечку сушильного агента.

Рисунок 1.7 - Барабанная сушилка: 1 - барабан; 2 - бандажи; 3 - опорные ролики; 4 - передача; 5 - опорно - упорные ролики; 6 - питатель; 7 - лопасти; 8 - вентилятор; 9 - циклон; 10 - разгрузочная камера; 11 - разгрузочное устройство

У разгрузочного конца барабана имеется подпорное устройство в виде сплошного кольца или кольца, образованного кольцеобразно расположенными поворотными лопатками (в виде жалюзи). Назначение этого кольца - поддерживать определенную степень заполнения барабана материалом; как правило, степень заполнения не превышает 20 %. Время пребывания обычно регулируется скоростью вращения барабана и реже -изменением угла его наклона. Высушенный материал удаляется из камеры 10 через разгрузочное устройство 11, с помощью которого герметизируется камера 10 и предотвращается поступление в нее воздуха извне. Подсосы воздуха привели бы к бесполезному увеличению производительности и энергии, потребляемой вентилятором 8.

Устройство внутренней насадки (рис. 1.8) барабана зависит от размера кусков и свойств высушиваемого материала.

Подъемно - лопастная насадка используется для сушки крупнокусковых и склонных к налипанию материалов, а секторная насадка - для малосыпучих и крупнокусковых материалов с большой плотностью. Для мелкокусковых, сильно сыпучих материалов широко применяются распределительные насадки. Сушка тонкоизмельченных, пылящих материалов производится в барабанах, имеющих перевалочную насадку с закрытыми ячейками. Иногда используют комбинированные насадки, например подъемно - лопастную (в передней части аппарата) и распределительную.

Типы промышленных барабанных сушилок разнообразны: сушилки, работающие при противотоке сушильного агента и материала, с использованием воздуха в качестве сушильного агента, контактные барабанные сушилки (см. ниже) и др. Диаметр барабана DБ обычно находится с помощью величины напряжения барабана сушилки по влаге А, определяемой по опытным данным.

Объем барабана

сушильный установка топка скруббер

причем длинна барабана L принимается в пределах (3,5 - 7) •DБ. Зная количество влаги W, испаряемой из материала, по уравнению (1.13) определяют DБ.

Рисунок 1.8 - Типы насадок барабанных сушилок: а - подъемно - лопастная; б - секторная; в,г - распределительная; д - перевалочная

Более того рабочий объем барабана сушилки может быть определен с помощью объемного коэффициента теплоотдачи от сушильного агента к материалу бV [в вт/(м3•град)] по уравнению

где Q - тепловая нагрузка, вт; ?t - среднелогарифмическая разность температур между материалом и сушильным агентом, °С.

Методика расчета бV приводится в специальной литературе. Коэффициентом 1,2 учитывается, что материалом занята только часть барабана.

Конвективные сушилки со взвешенным слоем материала

Сушилки с кипящим (псевдоожиженным) слоем. Эти сушилки являются одним из прогрессивных типов аппарата для сушки. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала и сократить (до нескольких минут) продолжительность сушки. Сушилки с кипящим слоем в настоящее время успешно применяются в химической технологии не только для сушки сильносыпучих зернистых материалов (например, минеральных и органических солей), но и материалов, подверженных комкованию, например для сульфата аммония, поливинилхлорида, полиэтилена и некоторых других полимеров, а также пастообразных материалов (пигментов, анилиновых красителей), растворов, расплавов и суспензий.

Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия (рис. 1.9). Высушиваемый материал подается из бункера 1 питателем 2 в слой материала, «кипящего» на газораспределительной решетке 3 в камере 4 сушилки. Сушильный агент - горячий воздух или топочные газы, разбавленные воздухом, который подается в смесительную камеру 5 вентилятором 6, - проходит с заданной скоростью через отверстия решетки 3 и поддерживает на ней материал в кипящем (псевдоожиженном) состоянии. Высушенный материал ссыпается через штуцер 7 несколько выше решетки 3 и удаляется транспортером 8. Отработанные газы очищаются от унесенной пыли в циклоне 9 и батарейном пылеуловителе 10, после чего выбрасываются в атмосферу.

Рисунок 1.9 - Однокамерная сушилка с кипящим слоем: 1 - бункер; 2 - питатель; 3 - газораспределительная решетка; 4 - камера сушилки; 5 - смесительная камера; 6 - вентилятор; 7 - штуцер для выгрузки высушенного материала; 8 - транспортер; 9 - циклон; 10 - батарейный пылеуловитель

В сушилках этого типа с цилиндрическим корпусом наблюдается значительная неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от его средней величины. Поэтому применяют сушилки с расширяющимся кверху сечением, например коническим, как показано на рис. 1.9. Скорость газа внизу камеры должна превышать скорость осаждения самых крупных частиц, а вверху - быть меньше скорости осаждения самых мелких частиц. При такой форме камеры достигается более организованная циркуляция твердых частиц, которые поднимаются в центре и опускаются (в виде менее разреженной фазы) у периферии аппарата. Благодаря снижению скорости газов по мере их подъема улучшается распределение частиц по крупности и уменьшается унос пыли. Это, в свою очередь, повышает равномерность нагрева (более мелкие частицы, поднимающиеся выше, находятся в области более низких температур) и позволяет уменьшить высоту камеры.

Многокамерные сушилки состоят из двух и более камер, через которые последовательно движется высушиваемый материал. Камеры располагаются либо рядом, либо одна над другой (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 -Двухкамерная сушилка с кипящим слоем: 1 - верхняя камера; 2 - нижняя камера; 3 - разрыхлитель

На рис. 1.10 показана двухкамерная сушилка НИИхиммаша, применяемая для высушивания полимерных материалов. Горячий воздух с большой скоростью (60 - 70 м/сек) подается через отверстия решетки, расположенной в нижней части каждой камеры. Материал поступает в верхнюю камеру 1, подсушивается в ней и пересыпается в нижнюю камеру 2, из которой удаляется высушенный материал. Воздух подается в каждую камеру отдельно и отводится из камер в общий коллектор для очистки от пыли, после чего выбрасывается в атмосферу. Над решеткой верхней камеры установлен механический разрыхлитель 3 для комкующегося высушиваемого материала.

Многокамерные сушилки более сложны по конструкции (и соответственно в эксплуатации), чем однокамерные, требуют больших удельных расходов сушильного агента и электроэнергии. Кроме того, процесс в них труднее поддается автоматизации. Применение многокамерных сушилок целесообразно лишь для материалов со значительным сопротивлением внутренней диффузии влаги, требующих длительной сушки, а также для материалов, нуждающихся в регулировании температурного режима сушки (во избежание перегрева). В них удобно совмещать процессы сушки и охлаждения материала.

Для материалов, мало чувствительных к нагреву, применяют двух и трехсекционные ступенчато - противоточные сушилки с кипящим слоем (рис. 1.11). За счет противотока материала и сушильного агента достигается более высокая степень насыщения газа влагой, но высушенный материал соприкасается с наиболее горячим теплоносителем. Для регулирования температуры нагрева в слой материала в секциях помещают змеевики. В таких сушилках выгрузка высушенного материала производится над слоем через переточные патрубки.

Рисунок 1.11 - Ступенчато-противоточная сушилка с кипящим слоем

Чтобы избежать чрезмерного увеличения гидравлического сопротивления, высоту кипящего слоя в сушилках непрерывного действия поддерживают в пределах 400 - 700 мм (в зависимости от свойств высушиваемого материала).

Для сушки небольших количеств различных продуктов применяют периодически действующие сушилки с кипящим слоем. В этих аппаратах эффективно используют подачу сушильного агента импульсами, вызывающими кратковременное псевдоожижение материала. Таким способом удается достичь равномерной сушки материалов, склонных к слипанию, и кристаллических материалов без значительного истирания их частиц.

В определенных условиях значения А при сушке некоторых продуктов в промышленных непрерывно действующих сушилках с кипящим слоем достигают 1250 кг/(м3 •ч).

С помощью сушилок с кипящим слоем при рациональном аппаратурном оформлении процесса достигается экономичная сушка с высоким влагосъемом с единицы объема сушильной камеры. Поэтому при сушке некоторых продуктов (например, солей) сушилки с кипящим слоем вытесняют барабанные и менее эффективные сушилки других типов.

Методика расчета сушилок с кипящим слоем зависит от свойств материала и формы связи с ним влаги. Подробное изложение этих методик приводится в специальной литературе.

Распылительные сушилки. В этих сушилках достигается высокая интенсивность испарения влаги за счет тонкого распыления высушиваемого материала в сушильной камере, через которую движется сушильный агент (нагретый воздух или топочные газы). При сушке в распыленном состоянии удельная поверхность испарения достигает столь большой величины, что процесс высушивания завершается чрезвычайно быстро (примерно за 15 - 30 сек).

В условиях почти мгновенной сушки температура поверхности частиц материала, несмотря на высокую температуру сушильного агента, лишь немного превышает температуру адиабатического испарения чистой жидкости. Таким образом, достигается быстрая сушка в мягких температурных условиях, позволяющая получить качественный порошкообразный продукт, хорошо растворимый и не требующий дальнейшего измельчения. Возможна сушка и холодным теплоносителем, когда распыливаемый материал предварительно нагрет.

Распыление осуществляется механическими и пневматическими форсунками, а также с помощью центробежных дисков, скорость вращения которых составляет 4000 - 20000 об/мин.

Рисунок 1.12 - Распылительная сушилка: 1 - камера сушилки; 2 - форсунка; 3 - шнек для выгрузки высушенного материала; 4 - циклон; 5 - рукавный фильтр; 6 - вентилятор; 7 -калорифер

В распылительной сушилке (рис. 1.12) материал подается в камеру 1 через форсунку 2. Сушильный агент движется параллельным током с материалом. Мелкие твердые частицы высушенного материала (размером до нескольких микрон) осаждаются на дно камеры и отводятся шнеком 3. Отработанный сушильный агент после очистки от пыли в циклоне 4 и рукавном фильтре 5 выбрасывается в атмосферу.

Распыление центробежными дисками (без давления) пригодно для диспергирования суспензий и вязких жидкостей, но требует значительно большего расхода энергии, чем механическое распыливание. Распыливание механическими форсунками, в которые жидкость подается насосом под давлением 30 - 200 ат, более экономично, но применяется только для жидкостей, не содержащих твердых взвесей, вследствие чувствительности этих форсунок к засорению. Распыление пневматическими форсунками, работающими с помощью сжатого воздуха под давлением около 6 ат, хотя и пригодно для загрязненных жидкостей, но наиболее дорого из - за большого расхода энергии; кроме того, его недостатком является неоднородность распыления.

Распылительные сушилки работают также по принципам противотока и смешанного тока. Однако прямоток особенно распространен, так как позволяет производить сушку при высоких температурах без перегрева материала, причем скорость осаждения частиц складывается в этом случае из скорости их витания и скорости сушильного агента (vВИТ + vС.А.). При противотоке скорость осаждения меньше (vВИТ ? vС.А.) и соответственно больше время пребывания частиц в камере. Это позволяет получать высушенный материал с большей плотностью.

Для осаждения мелких частиц (средний размер капель обычно составляет 20 - 60 мкм) и уменьшения уноса скорость газов в камере, считая на ее полное сечение, обычно не превышает 0,3 - 0,5 м/сек. Но даже при таких скоростях унос значителен и требуется хорошее обеспыливание отработанных газов. Для более равномерного распределения сушильного агента по сечению камеры и хорошего смешивания с каплями высушиваемой жидкости используют ввод газа через штуцер, расположенный касательно к корпусу камеры, или через ряд щелей, по ее окружности.

Значения величины А для распылительных сушилок невелики. В определенных условиях они достигают 10 - 14 кг/(м3•ч). Вследствие относительно низкого напряжения камеры по влаге распылительные сушилки представляют собой довольно громоздкие аппараты. Кроме того, оборудование сушилок (распыливающие и пылеулавливающие устройства) является довольно сложным и дорогим в эксплуатации.

Конвективные сушилки с пневмотранспортом материала

Пневматические сушилки. Для сушки во взвешенном состоянии зернистых (неслипающихся) и кристаллических материалов применяют также пневматические сушилки. Сушка осуществляется в вертикальной трубе длиной до 20 м. Частицы материала движутся в потоке нагретого воздуха (или топочных газов), скорость которого превышает скорость витания частиц и составляет 10 - 30 м/сек. В подобных трубах-сушилках процесс сушки длится секунды и за такое короткое время из материала удается испарить только часть свободной влаги.

В пневматической сушилке (рис. 1.13) материал из бункера 1 подается питателем 2 в трубу 3 и увлекается потоком воздуха, который нагнетается вентилятором 4 и нагревается в калорифере 5. Воздух выносит высохший материал в сборник - амортизатор 6 и затем в циклон 7, где отделяется от частиц материала. Высушенный материал удаляется с помощью разгрузочного устройства 8. Отработанный воздух для окончательной очистки от пыли проходит через фильтр 9, после чего удаляется в атмосферу.

Расход энергии в пневматических сушилках значителен, причем он снижается с уменьшением размера частиц материала, который не должен превышать 8 - 10 мм. Для сушки материалов с крупными частицами, а также для удаления из материала связанной влаги пневматические сушилки комбинируют с сушилками других типов. Таким образом, несмотря на компактность и простоту устройства, область применения пневматических сушилок ограничена условиями, указанными выше.

Контактные сушилки

Вакуум - сушильные шкафы. Простейшими контактными сушилками периодического действия являются вакуум - сушильные шкафы, которые в настоящее время используются для сушки малотоннажных продуктов в производствах с разнообразным ассортиментом продукции, где применение высокопроизводительных механизированных сушилок непрерывного действия экономически не оправдано.

Рисунок 1.13 - Пневматическая сушилка: 1 - бункер; 2 - питатель; 3 - труба; 4 - вентилятор; 5 - калорифер; 6 - сборник - амортизатор; 7 - циклон; 8 - разгрузочное устройство; 9 - фильтр

Вакуум - сушильный шкаф (рис. 1.14) представляет собой цилиндрическую (реже прямоугольную) камеру 1, в которой размещены полые плиты 2, обогреваемые изнутри паром или горячей водой. Высушиваемый материал находится в лотках (противнях), установленных на плитах. Во время работы камера герметически закрыта и соединена установкой для создания вакуума, например с поверхностным конденсатором и вакуум-насосом. Загрузка и выгрузка материала производятся вручную.

Рисунок 1.14 - Вакуум - сушильный шкаф: 1 - камера сушилки; 2 - полые плиты

Как и другие вакуум - сушилки, вакуум - сушильные шкафы пригодны для сушки легкоокисляющихся, взрывоопасных и выделяющих вредные или пенные пары веществ. Однако они малопроизводительны и малоэффективны, поскольку сушка в них происходит в неподвижном слое при наличии плохо проводящих тепло зазоров между противнями и греющими плитами. Напряжение рабочей поверхности плит (со стороны материала) обычно не превышает 0,5 - 3,5 кг/(м3•ч) влаги.

Гребковые вакуум - сушилки. В этих контактных сушилках периодического действия скорость сушки несколько увеличивается за счет перемешивания материала медленно вращающейся горизонтальной мешалкой с гребками; вместе с тем, они не требуют ручной загрузки и выгрузки материала подобно вакуум - сушильным шкафам.

Гребковая сушилка (рис. 1.15) состоит из цилиндрического корпуса 1 с паровой рубашкой 2 и мешалки 3. Гребки мешалки закреплены на валу взаимно перпендикулярно; на одной половине длины барабана гребки мешалки изогнуты в одну сторону, на другой половине - в противоположную. Кроме того, мешалка имеет реверсивный привод, автоматически меняющий каждые 5 - 8 мин направление ее вращения. Поэтому при работе мешалки материал (загруженный через люк 4) периодически перемещается от периферии к середине барабана и в обратном направлении. Вал мешалки может быть полым и через него можно также осуществлять нагрев высушиваемого материала. Свободно перекатывающиеся между гребками трубы 5 способствуют разрушению комков и дополнительно перемешивают материал. Разгрузка высушенного материала производится через люк 6. Корпус сушилки соединен с поверхностным или барометрическим конденсатором и вакуум - насосом.

Рисунок 1.15 - Гребковая вакуум - сушилка: 1 - корпус сушилки; 2 - паровая рубашка; 3 - мешалка; 4 - загрузочный люк; 5 - трубы, способствующие перемешиванию материала; 6 - разгрузочный люк; 7 - штуцер для присоединения к вакууму

Производительность сушилки зависит от температуры греющего пара, величины разрежения и начальной влажности материала. В анилинокрасочной промышленности, где главным образом применяются эти сушилки, напряжение их поверхности по влаге колеблется в пределах 6 - 8 кг/(м3•ч), т.е. выше, чем для вакуум - сушильных шкафов, но сушильный агрегат более сложен и требует больших эксплуатационных расходов.

Следует отметить, что применение вакуумных сушилок в химической промышленности, несмотря на их более высокую стоимость и сложность по сравнению с атмосферными сушилками, диктуется технологическими соображениями: они пригодны для сушки чувствительных к высоким температурам, а также токсичных и взрывоопасных веществ, для получения высушенных продуктов повышенной чистоты, а также в тех случаях, когда необходимо улавливание (конденсация) паров неводных растворителей, удаляемых из материалов.

Вальцовые сушилки. В этих сушилках осуществляется непрерывная сушка жидкостей и текучих пастообразных материалов при атмосферном давлении или при разрежении. Основной частью двухвальцовых сушилок (рис. 1.16), наиболее часто применяемых в химической производствах, являются вальцы 2 и 3, медленно вращающихся (n = 2 - 10 об/мин) в кожухе 1 навстречу друг другу. Сверху между вальцами непрерывно подается высушиваемый материал. Греющий пар поступает через полую цапфу внутрь каждого из вальцов, паровой конденсат отводится через сифонную трубку 4. Ввод пара и вывод конденсата производится со стороны, противоположной приводу 5. Вальцы могут также обогреваться горячей водой или высокотемпературными органическими теплоносителями.

Материал покрывает поверхность вальцов тонкой пленкой, толщина которой определяется величиной зазора между вальцами. Обычно ширина зазора не превышает 0,5 - 1 мм и регулируется путем перемещения ведомого вальца 2, имеющего подвижные подшипники, относительно неподвижно установленного ведущего вальца 3. Высушивание материала происходит интенсивно в тонком слое в течение одного неполного оборота вальцов. Пленка подсушенного материала снимается ножами 6, расположенными вдоль образующей каждого вальца. Чем тоньше слой материала на вальцах, тем быстрей и равномерней он сушится. Однако вследствие малой продолжительности сушки часто требуется досушка материала, осуществляемая в горизонтальных лотках с паровым обогревом (досушивателях), в которых вращаются валы с гребками. В сушилке на рис. 1.16 материал после вальцов последовательно проходит сначала верхний досушиватель 7, затем нижний досушиватель 8.

Рисунок 1.16 - Двухвальцовая сушилка: 1 - кожух; 2 - ведомый полый валец на подвижных подшипниках; 3 - ведущий полый валец (установленный неподвижно); 4 - сифонные трубки для отвода конденсата; 5 - привод; 6 - ножи, расположенные вдоль образующей вальцов; 7 - верхние досушиватели; 8 - нижние досушиватели

В одновальцовых сушилках (рис. 1.17) в корыте вращается один полый обогреваемый изнутри барабан (валец). Под ним имеется питающее устройство с мешалкой (на рисунке не показана). Материал тщательно перемешивается в ванне питающего устройства и наносится тонким слоем (толщиной 1 - 2 мм) на валец. В остальном работа сушилки не отличается от работы двухвальцовой сушилки.