Исследование процесса сушки с одновременным измельчением в вихревой камере со встроенным дисмембратором кусковых и комкующихся материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Хаустов, Игорь Петрович

• Хаустов, Игорь Петрович
• кандидат технических наук
• 1974

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хаустов, Игорь Петрович

Введение.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

§ I. Влияние измельчения на процесс теплообмена и выбор рационального типа аппарата для сушки с одновременным измельчением.

§ 2. Движение фаз и развитие поверхности контакта в быстроходных штифтовых измельчителях. /5*

§ 3. Анализ возможности использования.уравнений различных авторов для расчета процесса сушки в быстроходных штифтовых измельчителях.

П. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. Ь

§ I. Аналитическое исследование гидродинамической мо^ дели сушилки с одновременным измельчением.

§ 2. Вывод уравнений для оценки влияния измельчения на коэффициент теплообмена и интенсивность допол-, нительного источника тепла.

§ 3. Вывод уравнений для определения влажности материала при сушке с одновременным измельчением.

Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. С

§ I. Описание экспериментальных установок. 6 ?

Щ 2. Выбор и характеристика основных исследованных ми*ерйалов.

§ 3. Экспериментальное изучение кинетики измельчения.

§ Экспериментальное исследование гидродинамики сушилки с одновременным измельчением.

4.1.Гидродинамика газового потока. 8$

4.2. Гидр один амияао штифтов ой зо^н;.

Л.3.Гидродинамическая модель пристеночной зоны.

§ 5. Экспериментальное исследование влияния механического измельчения на теплообмен в штифтовой зоне. ^

5.1.Определение коэффициентов теплообмена при сушке $ штифтовой зоне.

5.2. Сушка материалов в штифтовой зоне.

§ б. Экспериментальное определение мощности источника дополнительного тепла и расчет скорости сушки в пристеночной зоне. ^

6.1. Мощность источника дополнительного тепла. ЮЧ

6.2. Определение влажности материала при сушке в. пристеночном слое.

6.3. Определение температуры материала в пристеночном слое.

§ 7. Оптимизация режима сушки с одновременным измельчением на примере культуры плесневого, гриба.

§ 8. Расчет аппарата для сушки с одновременным.измельчением. . пь

8.1. Расчет промышленного аппарата для сушки культуры плесневого гриба.

8.2. Порядок расчета аппарата при сушке с использованием пристеночной зоны.

Выводы. . £

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса сушки с одновременным измельчением в вихревой камере со встроенным дисмембратором кусковых и комкующихся материалов»

Решения партии и правительства о повышении эффективности научных исследований предусматривают разработку новых более интенсивных процессов и аппаратов, в том числе для химической промышленности. Значительным достижением в деле интенсификации производственных процессов является использование взвешенного слоя для проведения гетерогенных реакций, в том числе, сушки дисперсных материалов. Однако, применение этого метода ограничивается тем, что при обработке кусковых, слипающихся и агломерирующих материалов интенсивность процесса резко падает, а иногда применение аппаратов взвешенного слоя вообще становится невозможным. Преодоление указанного недостатка осуществляется путем введения в аппарат взвешенного слоя перемешивающих или измельчающих органов (послед-кий прием более радикален), что позволяет не только достичь обычных для взвешенного слоя показателей, но и в некоторых случаях превзойти их. Одновременно,,существует большое количество средне-и крупнотоннажных производств, в которых на сушку подаются кусковые, творожистые, агломерирующие материалы, для которых метод сушки с одновременным измельчением является наиболее рациональным. В химической промышленности к таким относятся: аминопласты, некоторые ацетали, многие продукты хлорной промышленности, материалы на основе целлюлозы и ряд других, а также "твердые" продукты микробиологической , анилинокрасочной и пищевой промышленности.

Установки для сушки с одновременным измельчением применяются в промышленности, особенно топливной и строительных материалов, сравнительно давно, и в последние годы появилось большое количество таких установок, предназначенных для мат^иалов других отраслей. Так, иностранные фирмы предлагают свыше десяти типов аппаратов для переработки самых разнообразных материалов; в Советском Союзе разработаны и эксплуатируются сушилки с одновременным;.;измельче-нием для угля, лигнина, зерна, крахмала и некоторых химических продуктов.

С другой стороны, хотя эффективность названного метода сушки подтверждается многими источниками,и этот вопрос затрагивался в работах ряда отечественных и иностранных авторов: М.Ю.Лурье, А.В.Лыкова, И.М.Федорова, П.Ю.Лебедева, О.Кришера, Л.Страха и других, отсутствуют работы, посвященные общению опыта эксплуатации и методу выбора типа и расчета промышленной аппаратуры.

Принимая во внимание потребности промышленности и учитывая перспективность метода сушки с одновременным измельчением, в НИИЖММАШе была поставлена работа по созданию аппарата для комкую-щихся, агломерированных, кусковых материалов химической и смежных отраслей промышленности. Работа включала в себя выбор рационального типа аппарата, уточнение области его применения, исследование закономерностей процесса и разработку инженерного метода расчета, базирующегося на минимальном количестве лабораторных экспериментов.

В результате анализа результатов сушки с одновременным измельчением различных материалов на установках известных конструкций для дальнейших исследований была принята вихревая сушилка со встроенным дисмембратором. Первоначальная конструкция в процессе исследований была усовершенствована, и в результате для намеченного ассортимента продуктов рекомендуется аппарат выполняемый в двух вариантах: "однокаяальный" - для термостойких продуктов, "двух-канальный" - для термочувствительных. Б первом случае, габариты аппарата, мощность дутьевых средств и калориферов уменьшаются за счет использования для сушки тепла измельчения - трения.

Исследования велись на модельном и техЖ'еских материалах. Были переработаны продукты свыше двадцати наименований, и почти во всех случаях было достигнуто требуемое качество продукта при удельных затратах меньших, чем в случае раздельного применения сушки и измельчения.

Проведенные исследования позволили установить основные закономерности для процесса сушки с одновременным механическим измельчением и получить выражения для расчета габаритов аппарата и параметров процесса. На основании проделанной работы был выполнен технический проект установки для сушки культуры плесневых грибов с производительностью 330 кг/час. Указанный проект используется в разработке технологической линии по производству ферментов мощностью 1000 условных тонн в год, пуск которой намечен в 1978 г. Предварительный расчет экономической эффективности показал, что экономия от применения одного аппарата составляет свыше 50 тыс. руб. в год. Одновременно, запросы, полученные от предприятий, свидетельствуют, что для ряда мелкотоннажных производств экспериментальная установка с диаметром ротора 370 мм может рассматриваться как промышленная.

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском и конструкторском институте химического машиностроения, в лаборатории сушилок взвешенного слоя отдела сушильного оборудования под руководством доктора технических наук Б.С.Сажина.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Хаустов, Игорь Петрович

ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных данных по конструкциям, используемых в промышленности аппаратов для сушки с одновременным измельчением, основных свойств материалов химической и смежных отраслей промышленности и результатов обработки этих материалов на сушилках указанного типа установлено, что наиболее рациональной конструкцией является аппарат, использующий метод дробления свободным ударом в потоке сушильного агента. Предложена оригинальная конструкция аппарата, выполняемая в двух вариантах: для термочувствительных и термостойких продуктов. Аппарат прошел испытания на широком ассортименте продуктов химической и смежных отраслей промышленности и показал хорошие результаты при сушке материалов с разнообразными начальными свойствами.

2. Впервые проведено теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамической модели аппарата для сушки с одновременным измельчением. Установлено наличие двух характерных зон: штифтовой и пристеночной, различающихся по гидродинамической модели, фактической концентрации, условиям теплообмена и сушки. Аппарат для термостойких продуктов включает в себя обе эти зоны, для термочувствительных - только штифтовую.

На основании теоретическо-экспериментального исследования гидродинамики аппарата получены выражения, определяющие распределение частиц по времени пребывания и среднее время пребывания. Для штифтовой зоны рекомендуется: Г

09 при тшг= ' е*Р (- ««Щ «1

Для пристеночной зоны:

Установлено, что пристеночную зону можно описать как последовательно-параллельно соединенные ячейки идеального перемешивания и идеального вытеснения. Даны выражения для определения их доли в объеме пристеночной зоны и величин^, связывающих их материальных потоков.

3. Установлено, что основной областью применения разработанного аппарата является сушка кусковых, слипающихся и агломерирующих продуктов, нетиксотропных паст для удаления влаги макро- и, в некоторой степени, микрокапилляров и осмотически связанной. Для последнего случая предяаямвимш'.Ц аппарат является первым из применяемых в промышленности. В зависимости от термостойкости продукта должен быть применен тот или иной вариант, причем глубина обработки материала и степень влияния той или иной зоны может быть усилена на основании имеющегося описания гидродинамической модели и внесением конструктивных изменений получено оптимальное значение л конечного результата.

4. Эксперименты показали, что при сушке с одновременным измельчением происходит расширение периода постоянной скорости сушки до значений, не достижимых другими методами. Показано, что при сушке в штифтовой зоне сушка подавляющего большинства химических материалов происходит в первом периоде. Установлено также, что сушка с одновременным измельчением сопровождается явлением самоиспарения влаги в пограничный слой вновь образованной поверхности.

На основании проведенного исследования впервые получены выражения для расчета влажности материала.

Влажность материала при сушке в штифтовой зоне в первом периоде рассчитывается как

- для наиболее распространенного случая.

Влажность материала во втором периоде сушки рассчитывается на основании упрощающего метода А.В.Лыкова, при введении дополнительных членов, учитывающих развитие поверхности в процессе измельчения и мощность источника дополнительного тепла.

5. Экспериментально н теоретически показано, что теплообмен в штифтовой зоне может быть рассчитан с помощью критериальных уравнений,полученных из традиционных дифференциальных уравнений^ дополненных уравнением кинетики измельиения. При этом характер зависимости Nu - изменяется при -Ш-- { . Для обоих облас

1Гя тей получены выражения, позволяющие рассчитать о(э?.

Экспериментально подтверждена возможность использовать при расчетах ^У и среднеинтегральные характеристические числа: Ро, Pd,

Теоретически и экспериментально установлено существование в пристеночной зоне дополнительного источника тепла, определенного как тепло трения - измелмения. Дается зависимость для расчета мощности дополнительного источника тепла.

6. Проведено экспериментальное исследование зависимости конечного распределения частиц по диаметрам при совмещенных процессах измельчения и сушки. Установлено соотношение, определяющее минимальное количество пар рядив штифтов при заданная расходе газа и скорости дробления. Предложены выражения для расчета эквивалентного диаметра частиц после измельчения, содержащие две экспериментальные постоянные.

7. С использованием метода планирования экспериментов показана управляемость аппарата в случае задачи осложненной дополнительными технологическими требованиями и определен оптимальный режим сушки культуры плесневых грибов.

8. Полученные в работе зависимости позволяют рассчитать промышленный аппарат на основе небольшого количества экспериментов. Произведен расчет промышленного аппарата для культуры плесневых грибов мощностью 330 кг/час.

9. Разработанный аппарат для сушки культуры плесневых гри£ов включен в проект промышленной линии по производству ферментов, некоторой намечен в 1978 г.

Аппарат с диаметром ротора 370 мм, после проведенных исследований рекомендован в качестве промышленного для сушки бобового шрота и виноградного жома.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хаустов, Игорь Петрович, 1974 год

1. Н.Я.Авдеев "Расчет гранулометрических характеристикполидисперсных систем"

2. Ростовское книжное издательство, 1966

3. Н.Я.Авдеев "Об аналитическом методе расчетас!едиментомет-рического дисперсного анализа"

4. Изд. Ростовского университета, 1964

5. С,Е,Андреев, В.В.Товаров, В.А.Перов. "Закономерности измельчения и исчисление характеристик гранулометрического состава". МеталлургиздаТ 1959

6. Ю.П.Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В.Грановский. "Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий" Наука, М.,1971- 5. А.Н.М.Андерсен. "Применение принципа подобия к мельницам и процессу размола". Перевод ГПНТБ № 63/89958

7. С.Е.Андреев, В.В.Зверевич, В.А.Перов. "Дробление измель^-чение и грохочение полезных ископаемых", изд."Недра", М., 1966

8. Г.М.Абрамович. "Турбулентные свободные струи жидкостей и газов" Госэнергоиздат, 1948

9. К.С.АЙзенштейн, Е.Д.Щукин. "Азотная промышленность", № 5, 1970

10. Л^. Г.В.Балдин, В.П.Деражинский. Теплоэнергетика, № 2, 1973тшщяш. тжжтш*, ттж, mm

11. В.А.Бесекерский, Е.П.Попов. "Теория систем автоматического регулирования". Наука, М., 1966

12. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. "Справочник по математике" М., Наука, 1964•17. Л.А.Вулис, Б.П.Устеменко. Сборник статей под ред.Г.Ф.Кнорре. Гостоптехиздат, 1958-18. В.А.Волховинский. "Мельничные вентиляторы", Энергия,1971

13. А.А.Гухман, 1ТФ, 1963, № 6- 20. Н.И.Гельперин, О.И.Подгаецкая, М.К.Дубинин

14. Химическая промышленность, № 9, 1962

15. Н.Н.Гельперин. "Основы техники пвевдоожижения", "Химия" 1967

16. З.Р.Горбис. "Теплообмен дисперсных сквозных потоков", Энергия, 1964

17. ИЛ.Шюж&а* ж т. ууШшаш {шшшщшшш.mm

18. И.М.Гундоров. "Экспериментальное исследование процесса тонкого измельчения твердых эпоксидных композиций", А.Р. на соискание ученой степени канд.техн.наук, М.,1970

19. Г.Гребер, С.Эрк. "Основы учения о теплообмене", 0НТИД936

20. Е.Б.Евдокимов, Н.И.Гамаюнов. "Исследование энергии связи * влаги и других растворителей с некоторыми продуктами химического производства. Отчет КПИ, г.Калинин, 1971

21. А.И.Еремеев. "Сушка с разрыхлителем для крахмала" ВНИИсинтезбелок, г.Краснодар

22. А.И.Еремеев. "Исследование процесса сушки кукурузного крахмала в пневматической сушильной установке со встроенным ротором-разрыхлителем в потоке высоконагретого воздуха". Киев, 1969

23. П.А.Жучков» "Специальный курс лекций по расчету тепло-и массообмена в процессах сушки и горения", JI.,1963

24. Л.НЛмач. "Понизители твердости пород при бурении", Изд. АН СССР, 1941

25. М.Н.Захаров. ПМТФ, № 5, 1973

26. Н.А.Кротова, Л.П.Морозова. ДАН, т.177. 1967, № 3• 36. В.Г.Карпенко, В сб.ТМП, т.1У ГЭИ, Минск, 1963

27. П.А.Коузов. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов". Химия, Л.,1971

28. А.Н.Колмогоров. ДАН СССР, № 2, 1941

29. Л.М.Кочетов, Б.С.Сажин, Е.А.Карлик. Химическое и нефтяное машиностроение, № 9, 1969

30. Л.М.Кочетов, Б.С.Сажин, Е.А.Карлик. Химическое и нефтяное машиностроение, №. 2, 1969

31. Л.М.Кочетов. "Тезисы докладов Всесоюзной конференции молодых ученых по тепло- и массообмену. Минск, 1969

32. В.В.Кафаров. Методы кибернетики в химии и химической технологии. "Химия", М., 1971

33. В,В.Кафаров, В.Т.Выгон, Л.С.Гордеев. ТОХТ, т.П, Ш 2, 1968

34. Г.Коря, Т.Корн. Справочник по математике "Наука", М., 1971

35. С.С.Кутателадзе, Боришаяский В.М. Справочник по теплопередаче, Госэнергоиздат, Л.-М., 1959

36. Э.Камке. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, "Наука", М., 1971

37. В.В.Красников. "Кондуктивная сушка" Энергия, М., 1973

38. Н.П.Клеликов, С.Н.Соколов. "Анализ и планирование эксперимента методом максимума правдоподобия", М., "Наука", 1964-49. В.В.Кафаров, В.Л.Перов, В.П.Мешалкин. "Принципы математического моделирования химико-технологических систем", М., "Химия", 1974

39. В.Б«Котов, В.Е.Гошев. "Производство и применение ферментных препаратов за рубежом", ОКТИ и ТЭИ, Микробиопром. М., 1973

40. М.Ф.Казанский. ИФЖ, № 8, 4, 36, 1961

41. А.В.Киселев. В сб."Методы исследования структуры высодис-лерсных и пористых тел". Изд.АН СССР, 1958

42. А.В.Лыков, Ю.А.Михайлов, Теория ¥епло- и массолереноса" М., Госэнергоиздат, 19634 54. А.В.Лыков."Тепло- и массоперенос в процессах сушки". М.-Л., ГЭЙ 1956

43. А.В.Лыков. "Теория сушки" Госэнергоиздат, 1968

44. А.В.Лыков. "Теория теплопроводности", "Высшая школа", М., 19674 58. М.В.Лыков. "Сушка в химической промышленности", Химия, М., 1970

45. А.В.Лыков, П.С.Куц, А.И.Ольшанский. ЙФ1, 1972, 23 .60. П.Д.Лебедев, Б.И.Леончик, И.Т.Эльперин, ИФ1, 1966, № 6 1 61. М.Лева. Псевдоожижение, Гостолтехиздат, 1961 >62. М.Ю.Лурье "Сушильное дело", ГЭН, 1948

46. И.Л.Любошиц, Л.С.Слободкин, Н.Ф.Пикус. "Сушка дисперсных термочувствительных материалов", Наука и Техника, Минск, 1969•64. И.Л.Любошиц.ч "Труды института энергетики" АН БССР, Выл.5, 1958

47. И.ЛЛюбошиц, И.Ф.Пикус, Н.Т.Алханашвили. В сб."Вопросыинтенсификации Переноса тепла и массы в сушильных и термических процессах", Наука и техника, Минск, 1967

48. О.Ливенпшиль. "Инженерное оформление химических процессов Химия, М., 1969

49. Л.Б.Левенсон, Г.И.Прейгерзон. "Дробление и обогащение полезных ископаемых". Гостоптехиздат, 1940

50. М.С.Мецик, В.Д.ПеревертаевСК,"В сб.докладов Ш конференции по поверхностным силам", М., Наука, 1967

51. Н.М.Михайлов. "Вопросы сушки топлива на электростанциях" ГЭИ, 1957

52. М.А.Михеев. "Основы теплопередачи", Госэнергоиздат, М.-Л. 1947

53. Е.В.Маркова, А.Н.Лисенкова. "Планирование эксперимента в условиях неоднородностей", М., Наука, 1973

54. В.И.Максимов. "Повышение стабильности ферментов", ОНТИ и ТЭИ серия I Микробиопрома, М., 1973

55. Л.М.Никитина. "Исследование процесса сушки фрезерного торфа в пневмопаровой сушилке". Автореферат диссертации, Минск, 1954

56. И.Е.Неймарк, Р.Ю.Шейнфайн. "СКГ, его получение, свойства и применение", Наукова думка, Киев, 1973

57. А.И.Ольшанский. В сб. "Вепло- и массообмен в сушилке» и термических процессах", Минск, 1971

58. А.И.Поляков и др. ДАН т.175, 1967, № I

59. П.А.Ребиндер, Е.Д.Щукин. "Успехи физических наук", 1972 т.108, вып.1

60. Г.Д.Рабинович. "Теория теплового расчета", Минск, АН БССР, 1963

61. Е.Л.Рохваргер. В сб."Сушка керамических изделий". ВСНТО Профиздат, 1958

62. Л.А.Расстригин. "Статистические методы поиска оптимума", Наука, 1968

63. Б.С.Сажин, А.А.Корягин, Л.Л.Павловский. "Аппараты для совмещения сушки с другими технологическими процессами", М., 1971

64. Б.С.Сажин. Сб."Техника сушки во взвешенном слое" ЦЙНТИхимнефтемаш, серия XM-I, вып.1,2, 1965

65. Б.С.Сажин. "Современные методы сушки", "Знание", М.,1973•87. П.М.Седов, Чувпило Е.А. "Отчет о поездке во Францию" НИИХиммаш, 1966• 88. П.М.Сиденко. "Измельчение в химической промышленности", Химия, 1968

66. Е.Сцанто. В об.докладов "УШ Международный конгресс по обогащению полезных ископаемых", Л-д 1968

67. Труды института энергетики АН БССР № 5, 1958

68. Т.1.Таганцева. "Экспериментальное исследование процесса сушки фрезерного торфа во взвешенном состоянии". Автореферат диссертации, М., 195592, И.М.Федоров. "Теория и расчет процесса сушки во взвешенном состоянии". М.-Л., ГЭЙ, 1955

69. Г.К.Филоненко, В.К.Коссек. В сб."Тепло- и массоперенос", т.5, М., Энергия, 1966

70. В.В.Харакоз. Автореферат диссертации, 1966, Москва

71. Г.С.Ходаков. "Физика измельчения" Наука, М.,1972•96. И. Е. Хмель ков с кий. "Исследование разрушаемости горных пород свободным ударом". Автореферат диссертации, ИГД им.А.А.Скочинского, М., 1970

72. Д.Худсон. "Статистика для физиков", "Мир", М., 1970

73. Л.М.Черный, ДАН СССР, 72, № 5, 1950

74. M.B.Чернов. "Сушка угля в мельничном вентиляторе". Энергетика, 1972, № 9

75. Г.Шлихтинг. "Теория пограничного слоя", Наука, 1969

76. В.А.Шейман. В сб."Вопросы интенсификации переноса тепла и массы в сушильных и термических процессах", Наука и техника, Минск, 1967

77. В.А.Шейман, ИФК, т.У1, № 3, 1963

78. В.А.Шейман, ИФЕ, т.У1, № 4, 1963ттщшт я», *т ит

79. Т.К.Шервуд. ".Сушка твердых тел", Свердловск-Москва,1935

80. И.Т.Эльперин и.др. "Процессы переноса во встречных струях (газовзвесь)" Минск, Наука и техника, 1972

81. И.Т.Эльперин. ИФ1, 1961, № 5

82. Ю8. Б.Н.Юдаев. "Теплопередача", "Высшая школа", М., 1973

83. Ш. шшшшая* |ятю* щтшвт тюш1. Шимmm щшшттШ} IMV

84. Ю9, я.ишЛ t свр, ам,1нг. . но. T.b. CaHiDtt t RXUyyid> , т#е ЯтЬоЛа^а.» tctubL of

85. Мспснд W^//^^ А/£09, /964.

86. Ш- M. C$ос.f &сЩьнимеv PiogiesttfKc srvety su/ext иcJiemic&em; Biesfetf, /963.

87. H.W, Ooti£ut ТъанзлЖои* o^ Me J?SM£, if. M, N{ i960 R.£. A/ecea ' T ' >

88. Я U< FaJtUHiATcdcf ) fitSME f iQSfy

89. НЧ. А М/ Р^еъз^&исш} P SemusU'Mojti u $ me Сондъыole ва Jes Ибнем^з*'/9&3>