Сушка

Процесс сушки (особенно во II периоде) удобно изображать в координатах {[du/dт], u} (рис. 2,б). В них зависимость (12) изображается прямой линией. Для ряда материалов кинетика сушки в этих координатах имеет более сложный вид.

При пренебрежении продолжительностью периода про-грева влажного материала необходимое время его сушки определится равенством:

В последнее время разработан новый  метод расчета сушки. Было экспериментально установлено, что для одного и  того же материала при разных режимах  сушки и одинаковом u_н величина Nт определяется лишь текущим влагосодержанием . Поэтому в координатах кривая сушки не зависит от ее режима. Т. обр., если опытным путем построить такую кривую, наз. обобщенной кривой сушки, для одного режима, можно, зная N [из ур-ния (11)], построить соответствующие кривые для др. режимов. Выведено единое кинетическое уравнение для описания сразу всех периодов сушки:

где М-масса материала, приходящаяся на единицу его пов-сти; К_об, А, В -параметры кривой, причем А = и_рА + D_A и В = и_pB + D_В; и _А и и_рВ-начальная (соответствует f = 1 при неизменных условиях сушки) и конечная равновесные влажности материала; D_А и D_В-поправки, определяемые кинетикой сушки. Параметр К_об по аналогии с аппроксимацией (12) можно представить в виде: К_об = x'N', где коэф. x' зависит только от св-в материала, а N'-модуль скорости сушки в точке перегиба кривой сушки, т.е. макс. скорость процесса, к-рая определяется в осн. его режимом. Предполагая, что в момент макс. скорости сушки вся теплота, подводимая к материалу, расходуется на испарение влаги, по аналогии с выражением (11) находят ур-ние: N' = [af_уд(q_с - q_м)]/Q_исп. Согласно равенству (15), необходимое время сушки определяется выражением:

Промышленные сушилки В соответствии с многообразием высушиваемых материалов, их св-в и условий обработки конструкции сушилок также очень разнообразны и отличаются: по способу подвода теплоты (конвективные, контактные, специальные); по виду сушильного агента (воздушные, газовые, паровые); по давлению в сушильной камере (атмосферные, вакуумные); по способу организации процесса (периодич. или непрерывного действия); по взаимному направлению движения высушиваемого материала и сушильного агента (в конвективных аппаратах-прямоток, противоток, перекрестный ток); по состоянию слоя влажного материала в аппарате (с неподвижным, движущимся или взвешенным слоем). Ниже рассмотрены применяемые в химических производствах сушилки, к-рые объединены по способу подвода теплоты.

Конвективные сушилки. Необходимая для сушки теплота обычно доставляется нагретым воздухом, топочными газами либо их смесью с воздухом. Если не допускается соприкосновение высушиваемого материала с кислородом воздуха или если пары удаляемой влаги огнеопасны, сушильными агентами служат инертные газы (азот, СО₂ и др.) либо перегретый водяной пар. В простейшем случае сушильный процесс осуществляется т. обр., что сушильный агент, нагретый до т-ры, предельно допустимой для высушиваемого материала, однократно используется в аппарате. Для термолабильных материалов (напр., полиэтилена) сушильный агент только частично подогревается в осн. калорифере, а остальную теплоту получает в дополнит. калориферах, установленных в сушильной камере. В случае материалов, сушка к-рых требует (для предотвращения усадки) повыш. влагосодержания теплоносителя и невысоких т-р (напр., древесина, формованные керамич. изделия), применяют сушилки с рециркуляцией части отработанного воздуха, а также сушилки с промежуточным его подогревом между отдельными зонами и одновременной рециркуляцией. Для сушки огне- и взрывоопасных материалов или при удалении из высушиваемых материалов ценных продуктов (углеводороды, спирты, эфиры и др.) используют сушилки с замкнутой циркуляцией потока инертных газов либо воздуха.

Камерные сушилки. В них высушиваемый материал находится неподвижно на полках, установленных в одной или  неск. сушильных камерах. Засасываемый вентилятором и нагретый в калориферах воздух проходит между полками над материалом. Сушилки работают периодически при атм. давлении и применяются в малотоннажных производствах для материалов с невысокой температурой сушки (напр., красители).

Туннельные сушилки (рис. 3)-камерные сушилки непрерывного действия. Представляют собой длинные (типа коридора) камеры, внутри к-рых по рельсам перемещаются тележки (вагонетки) с лежащим на лотках или противнях высушиваемым материалом. Нагретый воздух обтекает лотки прямо- или противотоком; возможна рециркуляция воздуха. Эти сушилки используют для сушки кирпича, керамич. изделий, окрашенных и лакированных металлич. пов-стей, пищ. продуктов и т.п.

Рис. 3. Туннельная сушилка: 1-камера (коридор); 2-вагонетки; 3-вентиляторы; 4-калориферы.

Ленточные сушилки (рис. 4) обычно выполняют  в виде многоярусного ленточного транспортера, по к-рому в камере, действующей при атм. давлении, непрерывно перемещается материал, постепенно пересыпаясь с верх. ленты на нижележащие (скорость каждой ленты 0,1-1 м/мин). Сушильный агент может двигаться со скоростью не более 1,5 м/с прямо- или противотоком, а также сквозь слой материала при наличии перфорир. ленты. Эти сушилки компактнее, чем камерные и туннельные, и отличаются большей интенсивностью сушки, однако также сложны в обслуживании из-за необходимости ручного труда, перекосов и растяжений лент. Область применения-сушка зернистых, гранулир., крупнодисперсных и волокнистых материалов; непригодны для сушки тонкодисперсных пылящих материалов. Для сушки последних используют ленточные сушилки с формующими питателями, напр. рифлеными вальцами (вальце-ленточные сушилки).

Рис. 4. Ленточная сушилка: 1-камера; 2, 6-загрузочный и разгрузочный бункеры; 3 - ленточный транспортер; 4 - калорифер; 5- вентилятор.

Для обезвоживания пастообразных  и листовых (напр., бумаги) материалов иногда служат непрерывно действующие при атм. давлении петлевые сушилки (рис. 5)-разновидность ленточных сушилок. Влажный материал с помощью питателя подается на бесконечную сетчатую ленту, вдавливается в ее ячейки, проходя через обогреваемые паром валки, после чего поступает в сушильную камеру, где движущаяся сетка образует ряд петель. Посредством автоматич. ударного устройства высушенный материал сбрасывается в разгрузочный шнек. Горячий сушильный агент движется поперек ленты. Такие сушилки обычно работают с промежуточным подогревом воздуха, частичной рециркуляцией его по зонам и обеспечивают большую скорость сушки по сравнению с камерными сушилками, но конструктивно сложны и требуют значит. эксплуатац. расходов.

Рис. 5. Петлевая сушилка: 1-питатель; 2-лента; 3-валки; 4-автоматич. ударное устройство; 5-разгрузочный шнек; 6-вентиляторы.

Барабанные сушилки (рис. 6) распространены благодаря высокой производительности, простоте конструкции и возможности  непрерывно сушить при атм. давлении мелкокусковые и сыпучие материалы (колчедан, уголь, фосфориты, минер. соли и др.). Такая сушилка представляет собой установленный с небольшим наклоном к горизонту (угол a до 4°) цилиндрич. барабан с бандажами. Последние при вращении барабана (с помощью зубчатого колеса от электропривода) с частотой 5-6 мин:¹ катятся по опорным роликам; осевое смещение барабана предотвращается опорно-упорными роликами. Влажный материал через питатель поступает в барабан и равномерно распределяется по его сечению размещенными внутри насадками. Тесно соприкасаясь при пересыпании с сушильным агентом, напр. топочными газами (возможен также контактный подвод теплоты через спец. трубчатую насадку), материал высушивается и движется к разгрузочному отверстию в приемном бункере. Газы поступают из примыкающей к барабану топки и просасываются прямотоком через него вентилятором со скоростью 0,5-4,5 м/с; для улавливания из газов пыли между барабаном и вентилятором установлен циклон. Напряжение рабочего объема барабана по испаренной влаге достигает 200 кг/(м³-ч).

Рис. 6. Барабанная сушилка: 1-барабан; 2-питатель; 3-бандажи; 4-зубчатое колесо; 5 - вентилятор; 6-циклон; 7-приемный бункер; 8-топка.

Сушилки со взвешенным слоем характеризуются  высокими относит. скоростями движения фаз и развитой пов-стью контакта. Осн. гидродинамич. режимы работы: пневмотранспорт (см. также Пневмо- и гидротранспорт); закрученные потоки; псевдоожижение; фонтанирование. При существ. уменьшении в процессе сушки массы частиц дисперсного материала применяются режимы своб. фонтанирования и проходящего кипящего слоя. Среди этих сушилок наиб. распространены пневматические, вихревые камеры, аппараты с кипящим и фонтанирующим слоем, вибрационные.

Пневматич. сушилки (рис. 7) представляют собой одну или неск. последовательно соединенных вертикальных труб длиной 15-20 м. В них через питатель подается влажный материал и вентилятором снизу нагнетается воздух, нагретый в калорифере. Материал увлекается потоком воздуха, движущимся со скоростью 15-25 м/с. В циклоне сухой материал отделяется от воздуха и удаляется через разгрузочное устройство; воздух через фильтр выводится в атмосферу. Для активизации режима сушки в трубы-сушилки вставляют турбулизаторы (расширители, отклоняющие пластины, завихрители и т.п.). Вследствие кратковременности контакта (1-5 с) такие сушилки пригодны для обработки термически нестойких материалов даже при высокой т-ре сушильного агента; их отличают также компактность, простота конструкции, но одновременно повыш. расходы электроэнергии и теплоты (до 8,4 кДж/кг влаги).

Вихревые сушильные камеры-наиб. интересные представители аппаратов с закрученными потоками сушильного агента. Эти камеры представляют собой дисковые аппараты, напоминающие центробежный вентилятор с тангенциальным подводом теплоносителя. Влажный сыпучий или волокнистый материал загружается питателем через боковую часть камеры и под действием газовых струй закручивается, образуя в аппарате кольцевой вращающийся слой. Скорость истечения газа 50-80 м/с, время пребывания в камере материала 10-20 с и 2-3 мин для частиц размером соотв. 0,1-0,2 и 3-4 мм.

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

Рис. 8. Сушилки с кипящим слоем: а, б-односекционные соотв. с ненаправленным и направленным движением материалов (в первом случае-термостойких, во втором-трудно высыхающих, для к-рых необходима высокая равномерность сушки); в, г - многосекционные соотв. с расположением секций одна над другой и разделением их перегородками (для термочувствит. материалов, св-ва к-рых сильно изменяются при сушке); пунктирные линии-газораспределит. решетки.

Сушилки с кипящим слоем (КС, рис. 8) бывают постоянного, расширяющегося, прямоугольного, а также круглого сечения (в последних меньше вероятность образования застойных зон). Работа таких аппаратов существенно зависит от конструкции газораспределит. решеток, до к-рым перемещается материал и к-рые м.б. плоскими, выгнутыми, выпуклыми, с отверстиями разл. конфигурации; через них снизу продувается предварительно нагретый сушильный агент [объемный коэф. теплоотдачи 6-12 кВт/(м·К)]. Используют одно- и многосекционные сушилки. В односек" ционных аппаратах, применяемых часто для удаления поверхностной влаги (уд. влагосъем достигает 1000 кг с 1 м² решетки), вследствие близости по гидродинамике к аппаратам идеального смешения наблюдается значит. разброс времен пребывания частиц материала, что приводит к неравномерности сушки; многосекционные сушилки обеспечивают большую равномерность высушивания материала. Аппараты с КС позволяют обрабатывать разнообразные сыпучие материалы; сушка паст, суспензий и р-ров возможна в кипящем слое инертных частиц (на их нагретой пов-сти).

Сушилки с фонтанирующим слоем-цилиндро-конические, а также вытянутые (в виде желоба) аппараты. В этих сушилках создастся режим фонтана, в ядре к-рого частицы материала движутся вверх в режиме пневмотранспорта, а на периферии медленно сползают вниз. Область применения-сушка плохо псевдоожижаемых зернистых материалов с более крупными частицами, чем в аппаратах с КС.

Вибрационные сушилки бывают с  виброаэрокипящим или с виброкипящим слоем. В первом случае материал ожижает-ся благодаря воздействию вибраций и потока газа, поступающего Через перфорир. днище, во втором-только за счет вибраций. Частота и амплитуда последних обычно 20-60 Гц и 2-10 мм.

Сушилки с виброаэрокипящим слоем используют для сушки слипающихся и комкующихся дисперсных материалов, сушилки с виброкипящим слоем-гл. обр. для досушки материалов или сушки материалов с хорошими сыпучими св-вами.

·

Рис. 9. Сушилки с форсуночным (а, б) и дисковым (в, г) распылепием материалов: I - центральный закрученный подвод сушильного агента (прямоточный аппарат); II-равномерное распределение газов по сечению через решетку; III-равномерная подача газов над факелом распыла по всему сечению камеры; IV-сосредоточенная подача газов под корень факела распыла.

Распылительные сушилки (рис. 9) имеют  цилиндрич. или цилиндро-конич. камеры. В них вязкие жидкие (молоко, кровь, альбумин и т. д.) и текучие пастообразные материалы распыляются в поток горячего сушильного агента мех. и пневматич. форсунками, а также вращающимися с окружной скоростью 100-200 м/с центробежными дисками (расход энергии на распыление 1 т материала составляет соотв. 2-4, 50-70 и 50-100 кВт·ч). При сушке в распыленном состоянии материала, движущегося прямо- или противотоком, а также смешанным током с нагретым сушильным агентом, благодаря большой уд. пов-сти испарения влаги процесс завершается в течение 15-30 с. Производительность сушилок по испаренной влаге 10-20000 кг/ч. Недостатки: громоздкость из-за относительно низкого напряжения рабочего объема сушильной камеры по влаге [до 25 кг/(м³·ч)]; конструктивно сложные и дорогие в эксплуатации распыли-вающие и пылеулавливающие устройства.

Контактные сушилки. Теплота, требуемая  для сушки, передается теплопроводностью от нагретой пов-сти, с к-рой соприкасается высушиваемый материал. Такие сушилки работают под вакуумом или атм. давлением. Применение вакуумных сушилок, несмотря на их более высокую стоимость и сложность по сравнению с атм. сушилками, позволяет обрабатывать чувствительные к высоким т-рам, а также токсичные и взрывоопасные в-ва, получать продукты повыш. чистоты, улавливать пары неводных р-рите-лей, удаляемых из материалов.

Вакуум-сушильные шкафы (рис. 10)-простейшие контактные сушилки периодич. действия. Такая сушилка представляет собой цилиндрич. камеру, в к-рой размещены полые плиты, обогреваемые водяным паром или горячей водой. Материал слоем толщиной до 60 мм находится на противнях, установленных на плитах; напряжение их рабочей пов-сти обычно не превышает 0,5-3,5 кг/(м² · ч) влаги. Во время работы камера герметически закрыта и соединена с вакуум-конденсац. системой и вакуум-насосом. Эти сушилки имеют небольшую производительность и малоэффективны, поскольку сушка в них происходит в неподвижном слое при наличии плохо проводящих теплоту воздушных прослоек между противнями и плитами; материал загружается и выгружается вручную. Однако шкафы универсальны, т.к. обеспечивают возможность сушки разных материалов (в т. ч. легко окисляющихся и выделяющих ценные пары) при оптим. условиях.