ПРИМЕР

Определим, например, критическую скорость псевдоожижения частиц d_ч = 1 мм плотностью ρ_м = 2000 кг/м³ воздухом с температурой 125 °С (ρ_г = =0,885 кг/м³, μ_г = = 2,25.10^-5 Па·с).

Эта же скорость может быть определена по графику зависи­мости критерия Лященко от критерия Архимеда п порозноети, приведенному на рис. 82:

Lу = f(Аг, ε),

где Lу = Re³/Ar = w³ρ_г²/(μ_г(ρ_м - ρ_г)g) - критерий Лященко.

_______________

²⁶ В. Д. Г о р о ш к о, Р. Б. Р о з е и б а у м, О. М. Тодес. Приближенные закономерности гидравлики взвешенного слоя и стесненного падения. «Известия вузов. Нефть и газ», 1958, № 1.

По исходным данным приведенного примера Аг = 34300. При порозности ε=0,4 определяем критическое значение критерия Лященко: Lу_кр=8,7-10^-2 и отсюда определяем искомую критическую скорость:

= 0,367 м/сек.

Так как вес слоя остается постоянной величиной, то дальнейшее увеличение скорости газа приводит к увеличению высоты слоя Н и порозности его ε при постоянстве Δр_cл (см. рис. 81):

Δр_cл = h₀(1 – ε₀)ρ_мg = h(1 – ε₀)ρ_мg. (87)

Скорость уноса W_ун равна скорости витания, т. е. скорости осаждения одиночной частицы в неподвижной среде W_ос. Она может быть найдена также с помощью графика на рис. 82. Кривая ε = 1 на этом рисунке (приближение к ε = 1) означает свободное движение частицы, т. е. движение без взаимодействия с другими частицами.

10⁰ 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10² 2 4 6 8 10³ 2 4 6 8 10⁴ 2 4 6 8 10⁵ 2 4 6 8 10⁶ 2 4 6 8

Ar

Рис. 82

Определим, например, скорость уноса по исходным данным приведенного примера. По значению Аг=34300 и ε = 1 находим значение критерия Лященко, отвечающего уносу (витанию отдельной частицы) Lу_ун:

Lу_ун = 4,5·10².

Отсюда

= 6,34 м/сек.

Отношение рабочей скорости газа, отнесенной к полному сече­нию аппарата, к критической скорости называют числом псевдоожижения К:

К = w/w_кр.

Оптимальный режим работы сушилки (см. ниже) определяется значением оптимального числа псевдоожижения, т. е. отношением оптимальной скорости газа к критической скорости K_опт = w/w_кр.

K_опт определяется из технико-экономических соображений и составляет 2-3 и больше.

Значение порозности е изменяется в пределах 0,55—0,75. Она определяется из того же графика (см. рис. 82) как точка пересечения критерия Lу, рассчитанного по принятой скорости газа и критерия Аг. Найдем ε для приведенного примера при числе псевдоожижения К = 2:

w = w_кр·K = 0,368·2 = 0,736 м/с.

Точка пересечения Lу = 0,71 и Аг = 34300 дает ε = 0,49.

Простейшей и наиболее распространенной сушилкой кипящего слоя является о днокамерная сушилка (рис. 83). Влажный материал из бункера 1 питателем 2 (шнековым, как на этом рисунке, или другим) непрерывно подается в сушильную камеру 3 в слой «кипящего» материала. Теплоноситель (топочные газы или нагретый воздух) подается под опорную решетку 7. Разгрузка высушенного продукта производится через течку 5, расположенную над решеткой 7, питанием 6. Отработанный запыленный газ направляется через патрубок 4 на очистку от пыли.

Для снижения уноса пыли из аппарата при большом соотношении максимального и минимального размеров частиц в слое верхняя часть камеры — сепарационное пространство —делается расширяющейся кверху.

Недостатком такой сушилки является смешивание поступающего материала с выходящим, а отсюда неравномерная сушка — проскок недовысушенного материала в готовый продукт. Часто этот недостаток не имеет существенного значения: усреднение влажности продукта происходит во время хранения его на складе. Задача предупреждения смешивания поступающего материала с выходящим из сушилки решается применением многокамерных сушилок.

Многокамерная сушилка с последовательным передвижением материала разделена на секции вертикальными перегородками (рис. 84). Материал находится над опорной решеткой в состоянии псевдоожижения, которое создается пронизывающим его теплоносителем. Теплоноситель подается в каждую секцию, а материал последовательно проходит все секции. Такие сушилки целесообразно применять при сушке материалов, содержащих внутреннюю влагу, когда требуется длительное время сушки, а также при сушке материалов, чувствительных к нагреву, так как в этих сушилках имеется возможность изменять температуру теплоносителя по зонам. Последняя зона может быть использована для охлаждения высушенного продукта в токе холодного воздуха.

Многокамерную сушилку со ступенчатым противоточным движением материала и газа (рис. 85) целесообразно применять при необходимости глубокого высушивания материалов, содержащих внутреннюю влагу, но не чувствительных к нагреву.

Отработанный Влажный

Сухой

Материал

Рис. 85

Переток материала из камеры в камеру, с решетки на решетку затруднен тем, что в переточных трубах любой конфигурации прекращается псевдоожижение материала. Это можно устранить, снабдив перетоки индивидуальной аэрацией. Возможно механическое передвижение материала по схеме, показанной на рис 85. Однако такое передвижение удорожает конструкцию сушилки.

Перспективным оказывается применение «провальных решеток», разделяющих камеры, т.е. решеток с отверстиями без специальных переточных устройств. Они обеспечивают самоустанавливающееся чередование «продува» газа и просыпания материала через каждое отверстие. Такое чередование обусловлено, по-видимому, снижением уровня слоя над отверстием при просыпании материала и передвижением к данному отверстию соседних слоев материала под действием разности «псевдогидростатических» давлений при продуве газа. Высота слоя материала на решетке устанав­ливается в зависимости от сечения отверстий и скорости газа.

Сушилки с кипящим слоем до недавнего времени применялись только для высушивания сыпучих материалов г размерами кусочков от 0,1 до 5 мм. В последнее время разработаны и успешно применяются сушилки с кипящим слоем для высушивания комкующнхся и пастообразных материалов, а также для обезвоживания растворов, расплавов и суспензий. Таким образом, они становятся наиболее универсальными сушилками.

Аэрофонтанная сушилка (рис. 86) представляет собой камеру 3 кониче­ской формы. Влажный материал поступает из бункера 1 через питатель 2 и переносится газом-теплоносителем в камеру сушилки. Следствием конусности является интенсивная циркуляция материала в камере. Материал поднимается, фонтанирует в центральной части камеры сушилки и опускается в ее периферийной части.

Рис. 86

Если все частицы высушиваемого материала близки по размерам и плотности, то высушенные частицы как более легкие уносятся газом из сушилки и улавливаются, например, в циклоне. Для таких материалов в условиях большой начальной влаж­ности их аэрофонтанные сушилки могут оказаться рентабельнее суши­лок кипящего слоя, так как они проще и дешевле.

Рис. 87

Пневм атическая сушилка (труба-сушилка) представляет собой вертикальную трубу 3 постоянного сечения длиной 10-20 м (рис. 87). В один конец трубы (обычно в нижнюю часть, как на рис. 87) подается влажный материал из бункера 1 питателем 2. Он подхватывается горячим газом и на проходе через сушилку высушивается. Из трубы газ со взвешенными в нем частицами поступает в циклон для улавливания высушенного продукта. Исследования показали, что в циклон-аппаратах эффективно продолжается сушка. Это позволяет уменьшить длину сушилки. Из трубы должно быть удалено столько влаги, чтобы предупредить налипание материала на стенки циклона,

Скорость газа в трубе должна быть больше скорости витания (скорости осаждения частиц). Она выбирается в зависимости от размера и плотности частиц от 10 до 35 м/с. Поэтому пребывание материала в сушилке кратковременно. Так как в трубе-сушилке материал движутся в одном направлении (прямотоком), такая сушилка особенно эффективна для удаления поверхностной влаги (первый период сушки) вследствие кратковременности сушки допустимы повышенные' температуры теплоносителя даже для термочувствительных продуктов. Простота устройства трубы-сушилки обусловливает рентабельность сушки многих материалов.

Взвешенный слой - это такое состояние слоя зернистого материала, при пропускании через который газа или жидкости вес частиц уравновешивается силой гидродинамического потока, в результате чего частицы получают свободу относительного перемещения. Взвешенный слой называется еще псевдоожиженным, кипящим.

Скорость газа, при которой начинается псевдоожижение, называется критической скоростью псевдоожижения W_кр. Начиная с W_кр перепад давления в слое =const, т.к. при увеличении скорости газа W слой свободно увеличивается в объеме, т.е. порозность его растет. При дальнейшем увеличении скорости газа наступает второе критическое состояние слоя зернистого материала - начало уноса частиц. Скорость газа, соответствующая началу уноса, называется скоростью витания W_вит, порозность при этом достигает максимального значения =1, взвешенный слой прекращает свое существование.

Для частиц шаровой формы и близкой к ней порозность неподвижного слоя = 0.4, для взвешенного слоя 0,4< <1. В этом интервале изменения порозности скорость газа называется рабочей скоростью взвешенного слоя Wp, Wкр<Wp<Wвит. Отношение рабочей скорости газа к критической есть число псевдоожижения . Все вышеперечисленные параметры можно наглядно проследить на зависимостях сл=f(W) и H=f(W),которые получаются экспериментальным путем на лабораторной установке.

Гидродинамическая сущность процесса псевдоожижения заключается в следующем. Если через слой зернистого материала, расположенного на поддерживающей перфорированной решетке аппарата, проходит поток псевдоожижающего агента (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока.

При плавном увеличении скорости потока от 0 до некоторого первого критического значения происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы неподвижны. На графике процесса псевдоожижения, называемом кривой псевдоожижения и выражающем зависимость перепада статического давления в слое зернистого материала от скорости псевдоожижающего агента (рис.1), процессу фильтрации соответствует восходящая ветвь ОА.

В случае малого размера частиц и невысоких скоростей фильтрации псевдоожижающего агента режим его движения в слое ламинарный и ветвь ОА прямолинейна. В слое крупных частиц при достаточно высоких скоростях псевдоожижающего агента перепад давления может расти нелинейно с увеличением скорости (переходный и турбулентный режим).

Переход от режима фильтрации к режиму псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения критической скорости псевдоожижающего Wпс (точка А, рис.1), называемой скоростью начала псевдоожижения. В момент начала псевдоожижения вес зернистого материала, приходящийся на единицу площади поперечного сечения аппарата уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя

где h₀ - высота неподвижного слоя;

и - плотности твердых частиц и псевдоожижающего агента;

- порозность неподвижного слоя.

где V₀ и V - объем неподвижного слоя и объем частиц.

Рис.1. Изменение перепада давления в слое зернистого в зависимости

от скорости газового (жидкостного) потока, проходящего через слой.

Начиная со скорости начала псевдоожижения и выше перепад давления на слое сохраняет практически постоянное значение и зависимость = f (W) выражается прямой АВ, параллельной оси абсцисс (рис.1). Это объясняется тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента контакт между частицами уменьшается и они получают большую возможность хаотического перемешивания по всем напрвлениям. При этом возрастает среднее расстояние (просветы) между частицами, т.е. увеличивается порозность слоя и, следовательно, его высота h. Так как перепад давления в псевдоожиженном слое остается практически постоянным, высоту такого расширившегося слоя можно определить из следующего условия:

откуда

Для определения величины Wпс существует достаточно большое число полуэмпирических и теоретических зависимостей. В случае монодисперсного слоя сферических частиц можно воспользоваться зависимостью О. М. Тодеса с сотрудниками. При выводе формулы порозность слоя неподвижных сферических частиц принималась равной 0,4.

где

Wпс - скорость начала псевдоожижения, отнесенная к полному сечению аппарата;

d - диаметр сферических частиц.

Эта зависимость дает возможность оценить величину Wпс с точностью ± 20%.Для частиц несферической формы скорость начала псевдоожижения находят с учетом фактора формы, являющегося отношением поверхности шара Sш, объем которого равен объему частицы Vч, к фактической поверхности частицы Sч:

Величина Ф может быть рассчитана по последней формуле или взята по таблицам лишь в случае одинаковой формы всех частиц слоя. Для слоя частиц переменной формы необходимо экспериментальное определение величины Ф.

Верхняя граница псевдоожиженного состояния соответствует скорости свободного витания одиночных частиц (). Очевидно, что при скорости потока, превосходящей скорость витания, т.е. при Wу>Wвит, будет происходить вынос частиц из слоя зернистого материала или так называемый пневмотраспорт.

Скорость витания Wвит можно приближенно определить по формуле О. М. Тодеса с сотрудниками:

где

Обобщением опытных данных при промежуточных значениях порозности была получена формула

По этой формуле можно вычислить скорость, необходимую для достижения дюбой данной доли свободного объема слоя.

Для решения противоположной задачи – расчета при данном значении скорости – последняя формула приводится к виду:

Поиск по сайту: