Аннотация

В результате математического моделирования и анализа исследований опытно-промышленных испытаний получено кинетическое уравнение процесса сушки сыпучих и дисперсных материалов в сушильных барабанах со смешанным режимом термообработки, учитывающее начальный и конечный диаметр, плотность и влагосодержание высушиваемого материала.

Тепло– и массообменные процессы сушки в барабанных сушильных агрегатах широко представлены в различных производствах химической, нефтехимической, металлургической, легкой и пищевой промышленности Казахстана и стран СНГ. Они используются в качестве основного технологического оборудования для проведения процессов сушки сыпучих и дисперсных материалов. Широкий спектр областей применения тепло– и массообменных аппаратов показывает их доминирующую роль в вышеперечисленных отраслях промышленности, т.е. они определяют технико–экономические показатели производств.

Анализ показывает, что среди всего многообразия конструкций сушильных установок широкое распространение (более 80%) получили барабанные сушильные агрегаты. Такую популярность они имеют благодаря надежности в работе, простоте конструкции и эксплуатации. Барабанные сушилки универсальны, поскольку позволяют подвергать термообработке широкий спектр материалов, отличающихся как физическими свойствами, так и дисперсным составом (галит, измельченная древесина, семена подсолнечника, семена хлопчатника, хлопок–сырец и др.). Они позволяют достичь равномерной влажности готового продукта и имеют высокую производительность при небольших рабочих объемах.

Исследование компьютерных программ при моделировании разных способов возбуждения колебаний позволяет определить точностные и частотные характеристики программ.

Сушка является одной из важнейших операций, определяющих не только качество готовой продукции, но и технико–экономические показатели производства в целом.

Так как процесс сушки является весьма энергоемким, то разработка высокоэффективных сушилок указанного типа и методов повышения их эффективности имеет важное экономическое значение.

Анализ литературных и патентных данных показывает, что на сегодняшний день при проектировании барабанных сушилок используются устаревшие данные и методы расчета. К тому же, на протяжении многих лет комплексных исследований, направленных на интенсификацию процессов тепло– и массообмена в них, практически не проводились, а результаты немногочисленных проведенных работ можно использовать только для решения узких задач, т.к. они связаны либо с конкретным материалом, либо с определенной конструкцией сушилки.

Однако в настоящее время отсутствует научно обоснованная методика расчета тепло– и массообменного процесса сушки, учитывающая особенности начального и конечного диаметра, плотности и влагосодержания материала.

Таким образом, разработка тепло– и массообменного процесса сушки в сушильных барабанах, учитывающая его начальный и конечный диаметр, плотность и влагосодержание материала, является актуальной задачей.

В процессе сушки сыпучих и дисперсных материалов в барабанных сушильных агрегатах с наклоном в сторону загрузки в качестве критерия оптимальности выбрана производительность по сухому продукту (1)–(4) [1]:

где

В результате опытно–промышленных испытаний сушильного барабана со смешанным режимом термообработки [2] и математической обработки экспериментальных данных получено кинетическое уравнение процесса сушки дисперсных матералов (галита) в сушильном барабане со смешанным режимом термообработки [3]:

В формулах (1)–(5):

G–производительность сушилки по сухому продукту, кг/ч; М; А–коэффициенты; П–температурный коэффициент; К–коэффициент влажности;t_вх–температура агента сушки на входе в барабан, °С; t_вых–температура сушильного агента на выходе из барабана, °С; ρ_сv_с–массовая скорость сушильного агента в барабане, кг/(м²с); v_с–скорость сушильного агента, м/с; D_б–диаметр барабана, м; φ–коэффициент заполнения барабана, %; L_б–длина барабана, м; ω_н и ω_к–начальная и конечная влажноть материала, %; n–частота барабана, об/мин; α–угол вращения барабана,°С; d_н–угол вращения начальный эквивалентный диаметр частицы (определяется по фракционному составу при просеивании), м.

Коэффициент заполнения барабана – φ определяем по формуле (6) [3]

Однако вышеуказанное уравнение (5) не учитывает изменения диаметра, плотности и влагосодержания материала в процессе сушки.

Плотность частиц дисперсного материала определяется массой в единице объема частицы [4]:

Плотность твердой фазы в материале (скелета тела) определяется отношением массы сухого вещества (твердой фазы) к объему, занимаемому сухим веществом [4]:

Плотность ρ_т называют также плотностью скелета тела, а иногда – истинной плотностью.

Важными характеристиками состояния дисперсных систем является относительная пористость частиц ε_м и пористость неподвижного слоя ε₀. С помощью этих параметров можно установить связь между плотностями дисперсных систем.

Таким образом, критическую плотность материала [4] можно рассчитывать по плотностям твердой и жидкой фаз, пользуясь принципом аддитивности.

В момент образования агломерата составляющие частички стремятся к максимально плотной упаковке, что обусловлено стремлением системы к уменьшению свободной энергии [5]. При правильной гексагональной укладке сферических монодисперсных частичек в агломерате относительная пористость (ε_м) достигает 0,2595 [4]. Для полидисперсных сферических частичек относительная пористость ε_м может достигать 0,15–0,2, для частичек неправильной формы относительная пористость ε_м = 0,4 [4].

При изменении состояния частицы отсуспензии (капли) до агломерата (твердой частицы) размер ее изменяется в соответствии с плотностью и влагосодержанием (влажностью). При этом конечный размер частицы (d_k) ограничен критическим влагосодержанием (C_кр). Если частицы суспензии способны деформироваться, то плотность и размер агломератов будут изменяться и после достижения критической влажности. Иногда аномальные изменения наблюдаются и на более ранних стадиях. Например, при сушке некоторых растворов и латексов плотность вторичных образований уменьшается, а размеры увеличиваются. Это может быть следствием внутреннего парообразования и формирования полых структур [5].

Конечное значение плотности материала (ρ_к) при известной начальной плотности (ρ_н) определяется выражением (10) [4]:

где ρ_н – начальная плотность материала, кг/м³; р_к – конечная плотность материала, кг/м³; d_н – начальный диаметр частицы, м; d_к – конечный диаметр частицы после сушки, м; С_н – начальное влагосодержание материала; С_к – конечное влагосодержание материала.

Преобразуем выражение (10) относительно начального диаметра частицы d_н:

Если влажность материала (ω) задана в процентах от общей его массы, то начальное и конечное влагосодержание целесообразно пересчитать по формулам (15), (16) [4]:

Выразив начальное и конечное влагосодержание С_н и С_к через начальную и конечную влажности ω_н и ω_к согласно выражениям (15), (16), получим

В результате преобразования кинетического уравнения (5), т.е. поставив значение начального диаметра d_н (17) и математической обработки с помощью персонального компьютера (ПК) и применения новых инновационных технологий согласно разработанной блок–схеме, получено универсальное кинетическое уравнение процесса сушки сыпучих и дисперсных материалов в сушильном барабане со смешанным режимом термообработки (18), учитывающее начальный и конечный диаметр, плотность и влагосодержание высушиваемого материала:

Уравнение (18) справедливо только для сушильных барабанов, установленных с наклоном в сторону загрузки.

Вывод

В результате математического моделирования и анализа исследований опытно–промышленных испытаний получено кинетическое уравнение процесса сушки сыпучих и дисперсных материалов в сушильном барабане со смешанным режимом термообработки, учитывающее начальный и конечный диаметры, плотность и влагосодержание высушиваемого материала.

Список использованной литературы

1. 1.Стерлин Д.М. Сушка в производстве фанеры и древесностружечных плит. – М.: Лесная промышленность. – 1977. – 383 с.
2. Байтуреев А.М., Турдалиев Т.Т., Байтуреев С.А., Турдалиев Б.Т. Способ сушки сыпучих и зернистых мате– риалов // Инновационный патент Республики Казахстан № 27779. 2013. Бюл. № 12.
3. Байтуреев А.М. Математическое моделирование и получение критериального уравнения процесса сушки дисперсных материалов в барабанной сушилке со смешан– ным режимом термообработки // Химия и химическая тех– нология. Ташкент. – 2009. – № 2(24). – С. 69–71.
4. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Суш– ка дисперсных материалов в химической промышленно– сти. – М.: Химия. – 1978. – 288 с.
5. Ульянов В.М., Овчинников Ю.В. Коллоидный жур– нал. – 1971. – Т. 33, № 5. – С. 757–763.