Сушильные установки. Виды, устройство сушильных установок.

1. Основы теории сушки

Сушкой называют термический процесс удаления влаги из материалов путем ее испарения. Процесс сушки изделий и материалов сопровождается изменением объема, которое называют усадкой. Материал при сушке не должен терять присущих ему свойств, необходимых на последующих стадиях производства.

На основе многочисленных работ, проведенных А. В. Лыковым, П. А. Ребиндером и другими учеными, создана теория сушки капиллярнопористых коллоидных тел. В основу ее положена интенсивность связи влаги с материалом. Сушка — сложный коллоидно-теплофизический процесс, сопровождаемый некоторым изменением свойств материала. Движение влаги по капиллярам, находящимся внутри куска материала, и скорость испарения влаги на поверхности куска или внутри него рассматриваются в зависимости от условий тепло- и массообмена и формы связи влаги с материалом. Тела, подлежащие сушке, делят на три вида: капиллярно-пористые, коллоидные и капиллярно-пористые коллоидные. Влага соединяется с этими телами тремя видами связи: химическим, физико-химическим и физико-механическим.

Химический. Влага входит в состав молекул вещества. При сушке не удаляется, так как с ее удалением материал изменяет свои свойства, поэтому в технологии сушки не рассматривается.

Физико-химический. Влага имеет с материалом физико-химическую связь. Она содержится в капиллярно-пористых коллоидных системах, представителем которых является глина. Эта влага, адсорбированная мельчайшими коллоидными частицами, и влага набухания, для которой характерна осмотическая форма связи с материалом. Физико-химическая влага обладает средней интенсивностью связи с материалом.

Физико-механический. Влага характеризуется самым непрочным видом связи, она имеет с материалом структурную связь при образовании геля, а также удерживается в капиллярах капиллярными силами смачивания и поверхностного натяжения.

Материалы, удерживающие влагу только капиллярными силами, называются капиллярно-пористыми. Они легко сушатся без существенного изменения объема (усадки). К таким материалам относят шлак, песок.

Любой влажный материал в процессе сушки рассматривают как систему, состоящую из сухого материала и воды. Под сухим материалом (только для процессов сушки) понимают абсолютно сухой материал вместе с химически связанной влагой. Таким образом, массу влажного материала представляют в виде:

где Gмв — масса влажного материала; Gмс — масса сухого материала; Gвл — масса физико-химически и физико-механически связанной влаги.

Количественными характеристиками влажного состояния материала является относительная и абсолютная влажность или влагосодержание.

Относительная влажность Woт, %, представляет отношение массы воды ко всей массе влажного материала:

Абсолютная влажность Wаб, %, представляет отношение массы воды к сухой массе материала.

Влагосодержание материала U — отношение массы воды к сухой массе материала, выраженное в долях единицы:

Материал представляет собой многокомпонетную систему, состоящую из твердого скелета, влаги, воздуха и паров воды. Различают три состояния материала по отношению к окружающей среде: влажное, равновесное и гигроскопическое.

Равновесное состояние наблюдается при равенстве парциальных давлений водяных паров на поверхности материала и в окружающей среде. В этом случае сушки материала не происходит.

Влажное состояние — при котором парциальное давление водяных паров на поверхности материала выше, чем парциальное давление водяных паров в окружающей среде. При этих условиях материал отдает (десорбирует) влагу. Воздух, окружающий материал, ассимилирует влагу материала и постепенно насыщается ею.

Гигроскопическое состояние — при котором парциальное давление водяных паров на поверхности материала меньше, чем парциальное давление водяных паров в окружающей среде. В этом случае материал начинает поглощать (сорбировать) влагу из окружающей среды и постепенно переходит в равновесное состояние.

Если влагосодержание материала меньше равновесного (U < Uр), то он будет поглощать (сорбировать) водяные пары из окружающего воздуха, и наоборот, при U > Uр материал будет сохнуть.

Равновесное влагосодержание материала достигает максимума при ф = 100 % и называется в этом случае максимальным гигроскопическим влагосодержанием Uмг или максимальной гигроскопической влажностью материала.

2. Классификация и конструкции сушильных установок

Различие сушимых материалов по физико-химическим и структурномеханическим свойствам, форме, размеру, количеству и т. д. способствоует применению в промышленности разнообразных конструкций сушильных установок. Существует следующая классификация наиболее распространенных сушильных установок.

По способу подвода теплоты к материалу:

а) конвективные;

б) кондуктивные;

в) радиационные;

г) электромагнитные;

д) комбинированные (конвективно-радиационные, конвективно- радиационно-высокочастотные и т. д.).

По функционированию во времени:

а) непрерывного действия;

б) периодического действия;

в) полунепрерывного действия.

По конструкции:

а) камерные;

б) шахтные;

в) туннельные;

г) барабанные;

г) трубчатые;

д) ленточные;

е) взвешенного слоя;

ж) распылительные;

з) сублимационные и др.

Из приведенной классификации сушильных установок наибольшее распространение в промышленности получили конвективные сушилки. Эти установки могут быть разделены на несколько групп по ряду существенных признаков.

По сушильному агенту:

а) воздушные;

б) на дымовых (топочных) газах;

в) на неконденсирующихся в процессе сушки газах (азот, гелий, перегретый водяной пар и т. д.).

По схеме движения сушильного агента:

а) однозонные (с однократным использованием сушильного агента, с рециркуляцией);

б) многозонные (с промежуточным подогревом сушильного агента, рециркуляцией его по зонам, рециркуляцией между зонами и т. п.).

По давлению в сушильной камере:

а) атмосферные;

б) вакуумные.

По направлению движения сушильного агента относительно материала:

а) прямоточные;

б) противоточные;

в) перекрестно-точные;

г) реверсивные.

Выбор сушильного агента проводят на основе комплексного исследования технико-экономических показателей сушильной установки, ее технологической схемы и связи ее с тепловой схемой предприятия.

В пищевой, химической, строительной и других отраслях промышленности широко распространены сушильные установки, в которых получают сухой продукт различной дисперсности из растворов, подвергаемых сушке. На рис. 1. приведены некоторые из возможных схем распылительных сушилок.

Рис. 1. Схемы форсуночных сушильных камер (а, б, в) и схемы сушилок с дисковым распылением (г, д, е)

Раствор с высокой начальной влажностью подается к форсункам (рис. 1, а, б, в) или вращающимся дискам (рис. 1, г, д, е), благодаря которым происходит диспергирование растворов, т. е. распыление его на мелкие частицы (капли). Значительное увеличение поверхности раствора, имеющее место при его диспергировании, способствует ускорению передачи теплоты от газообразного теплоносителя (нагретого воздуха, топочных газов, перегретого пара и др.), поступающего в сушильную камеру к каплям раствора.

В распылительных сушилках принципиально возможно осуществление прямотока (рис. 1, а, в...е) и противотока (рис 1, б) при движении высушиваемого продукта и теплоносителя.

В промышленности наиболее распространены прямоточные сушилки с подачей теплоносителя и раствора сверху сушильной камеры. При такой схеме организации процесса сушки можно применять более высокую начальную температуру теплоносителя (до 800...1000 °С), чем при противотоке, без опасности перегрева высушиваемого раствора. Температура сухих частиц определяется температурой газов на выходе из сушилки.

При противоточной схеме работы сушилки обычно теплоноситель подается снизу камеры, а раствор распыляется сверху. Длительность пребывания частиц во взвешенном состоянии в этом случае больше, чем при прямотоке. Однако максимально возможное количество испаряемой влаги в 1 м3 камеры в час в случае сушки термочувствительного продукта меньше, чем при прямотоке, так как начальная температура теплоносителя во избежание перегрева высушиваемого раствора не превышает 100...150 °С.

Эффективность и технико-экономические показатели работы распылительных сушилок во многом зависят от работы распылителя. К числу важнейших требований, предъявляемых к распылителям, относят качество распыления, т. е. размер получаемых капель и их однородность, обеспечение максимально возможной производительности единичного распылителя, минимальные энергозатраты на распыление, надежность работы и простоту обслуживания и т. д.

В технике распылительной сушки наиболее распространены центробежные механические форсунки, пневматические форсунки и центробежные дисковые распылители.

Такие технологические процессы как сушка, обжиг, производство активированных углей и т. д., предусматривают взаимодействие твердых частиц с капельными жидкостями или газами. Одно из действенных средств ускорения таких процессов — использование взвешенного (псевдоожиженного) слоя, так как перемешивание частиц в аппаратах обеспечивает развитую поверхность тепло- и массообмена.

Псевдоожижение слоя дисперсного материала осуществляется в вертикальных аппаратах самых разнообразных конструкций с горизонтальными решетками, при помощи которых поток теплоносителя, подаваемый снизу вверх, равномерно распределяется по сечению аппарата.

Увеличение скорости ожижающего агента (восходящего потока теплоносителя) от нуля до некоторой величины, называемой критической Wкр, не вызывает изменения взаимного расположения частиц, если их плотность больше, чем ожижающего агента. В этом случае частицы сушимого материала образуют над решеткой неподвижный слой, высота которого остается неизменной.

При достижении критической скорости газа происходит качественное изменение свойств слоя. Слой переходит во взвешенное состояние, расширяется, частицы приобретают подвижность. Образовавшийся слой по своим свойствам (выравнивание поверхности слоя, наличие гидростатического давления на стенки аппарата, «перетекание» из одного аппарата в другой и т. д.) напоминает капельную жидкость; именно поэтому такой слой называют псевдоожиженным. Увеличение скорости выше критической способствует увеличению расстояний между отдельными частицами, а значит, и увеличению в целом объема слоя. Изменение объема слоя в зависимости от изменения скорости ожижающего агента является еще одним качественным отличием псевдоожиженного слоя от неподвижного.

Характерной особенностью псевдоожиженного слоя является неизменная по высоте слоя температура газа и частиц. Лишь на небольшом участке у решетки аппарата наблюдается значительное изменение температуры газа. Неизменная температура частиц позволяет вести расчет процесса сушки в периоде постоянной скорости по уравнению теплового баланса.

Для сушки сыпучих материалов (уголь, гипсовый камень, глина, песок и т. д.) широкое распространение получили барабанные сушилки (рис. 2). Основной частью таких сушилок является вращающийся цилиндрический барабан 3 (см. рис. 2) с частотой вращения от 0,5 до 8 об/мин. Типовые барабанные сушилки имеют длину барабана 8...13 м, диаметр

1,5...2,8 м. Для перемещения сушимого материала вдоль барабана последний имеет угол наклона 3...6°. Для предотвращения осевого смещения барабана один из бандажей, укрепленных на корпусе, упирается в опорно-упорный ролик 8 (7 — опорный ролик). Привод барабана состоит из электродвигателя 4, редуктора 5 и зубчатой передачи 6. В качестве теплоносителя используют обычно топочные газы. Влажный материал из бункера питателем 2 и газы из топки 1 подаются в барабан и движутся в нем прямотоком. В некоторых случаях, когда сушимый материал температуроустойчив, возможно использование противоточной схемы движения материала и теплоносителя.

Для увеличения поверхности тепломассообмена и коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к материалу внутри барабана устанавливают металлическую насадку. При вращении барабана лопасти насадки захватывают и поднимают материал в верхнюю часть барабана; падая затем вниз, материал хорошо перемешивается и омывается топочными газами. Для уменьшения подсосов воздуха через торцевые поверхности барабана при его вращении оба конца корпуса снабжены уплотнительными устройствами 9.

Рис. 2. Барабанная сушилка

Удельный расход теплоты в барабанных сушилках на топочных газах лежит в пределах 3500...6300 кДж на 1 кг влаги; расход теплоносителя

15...25 кг на 1 кг испаренной влаги.

Для сушки лакокрасочных покрытий, тканей, бумаги и т. д. широкое распространение получили сушильные установки, в которых перенос тепловой энергии осуществляется излучением в области инфракрасных и световых лучей. При этом методе сушки количество теплоты, передаваемое 1 м2 материала в единицу времени, как правило, в 20...50 раз больше, чем при конвективном способе подвода теплоты. На рис. 3 приведена принципиальная схема нагрева сушимого материала инфракрасными лучами.

Рис. 3. Схема нагрева материала инфракрасными лучами: 1 — источник излучения; 2 — рефлектор; 3 — облучаемый материал; 4 — испускаемые источником световые и инфракрасные лучи; 5 — отраженная часть лучей; 6 — поглощенная материалом часть лучей; 7 — пропущенная часть лучей

Световые и инфракрасные лучи источника излучения направляются на сушимый материал. Для того чтобы большую часть испускаемых лучей направить параллельным потоком на тело, применяется зеркальный рефлектор. Форма отражающей поверхности рефлектора сильно влияет на характер распределения лучистой энергии по поверхности материала. Лучистая энергия может быть частично рассеяна или поглощена промежуточной средой, находящейся между генератором и облучаемым материалом. В зависимости от физико-химических и физико-механических свойств облучаемого материала лучистая энергия частично отражается, частично пропускается и частично поглощается. Поглощенная лучистая энергия превращается внутри материала или на его поверхности в теплоту, необходимую для сушки.

Широкое распространение в промышленности получили конвективные сушильные установки (рис. 4). Теплота для сушки материалов в них передается конвекцией от горячего газообразного сушильного агента к влажному материалу. Сушильный агент одновременно служит не только теплоносителем, но и влагопоглотителем, поскольку уносит из сушильной установки образовавшиеся в процессе сушки пары влаги. В качестве сушильного агента используют воздух, топочные и другие инертные по отношению к высушиваемому материалу газы (азот, гелий, диоксид углерода и др.), перегретый водяной пар или пар удаляемого из материала растворителя.

При выборе сушильного агента следует учитывать, прежде всего, технологические особенности сушки. Воздух — наиболее дешевый и широко используемый сушильный агент. Его применение особенно эффективно, если сушимый материал не ухудшает свои свойства в присутствии кислорода и не подвержен разложению при высоких температурах. 

Рис. 4. Принципиальная схема непрерывно действующей конвективной сушилки: 1 — вентилятор, 2 — калорифер, 3 — сушилка, 4 — транспортер, 5 — дополнительный подогреватель, 6 — конденсатоотводчик

Экономически оправдано нагревание воздуха до 500 °С в теплообменниках из жаропрочной стали и до 800...1000 °С в регенеративных теплообменниках.

Топочные (дымовые) газы целесообразно использовать при сушке термостойких материалов, не изменяющих качественных показателей при соприкосновении с продуктами горения топлива. чем выше температура используемых топочных газов, тем интенсивнее процесс сушки, тем компактнее сушильная установка. Диапазон температур топочных газов — 250...1200 °С. Для сушки используют дымовые газы из топок производственных котельных, из котлов ТЭЦ, нагревательных, плавильных и обжиговых печей или сооружают специальные топочные устройства, в которых сжигают топливо и отходы технологического производства.

Азот используют в качестве сушильного агента редко и в тех случаях, когда по тем или иным причинам нежелателен контакт сушимого материала или паров удаляемой влаги с кислородом. Поскольку азот получают в специальных воздухоразделительных установках, применяют его в сушилках, работающих по замкнутому циклу. Экономически оправданный уровень начальных температур этого сушильного агента — около 400 °С. В аналогичных случаях можно применять в качестве сушильного агента гелий. Коэффициенты теплоотдачи от гелия существенно выше, чем от воздуха или азота, но, с другой стороны, стоимость получения гелия выше, чем азота. Поэтому в таких случаях требуется тщательный техникоэкономический анализ.

Для сушки многих капиллярно-пористых материалов целесообразно и экономически выгодно применять в качестве сушильного агента перегретый водяной пар атмосферного давления из специального источника или перегретый пар удаляемой из материала влаги растворителя. Использование в качестве сушильного агента перегретого водяного пара атмосферного давления имеет ряд термодинамических, технологических и технико-экономических преимуществ по сравнению с воздухом или топочными газами:

возрастают коэффициенты внутреннего переноса теплоты и массы вследствие более высокой (равной температуре насыщения при данном давлении) температуры материала;

повышаются движущая сила переноса массы (разность концентраций у поверхности материала и в ядре потока сушильного агента) и коэффициент самодиффузии молекул пара в пар в пограничном слое, что обеспечивает более высокие плотности потока массы при удалении свободной влаги;

интенсифицируется внешний теплообмен перегретого пара с материалом;

повышенная температура материала способствует снижению критического влагосодержания, увеличению длительности первого периода сушки;

появляется возможность применения высокотемпературного сушильного агента вследствие отсутствия в нем свободного кислорода (исключено возгорание, окисление материала);

снижаются капитальные и эксплуатационные затраты, так как удельная объемная теплоемкость перегретого водяного пара на 20...30 % выше, чем воздуха;

7) уменьшается удельный расход теплоты за счет реализации замкнутой циркуляции сушильного агента и утилизации большей части теплоты.

Наиболее существенно преимущества перегретого пара проявляются при температурах выше 150...180 °С, причем чем выше температура, тем более эффективно применение перегретого пара.