СУШКА ПОРОШКА ПОЛИЭТИЛЕНА ОТ ОРГАНИЧЕСКОГО РАСТВОРИТЕЛЯ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат наук Шкурин Юрий Михайлович

• Шкурин Юрий Михайлович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Шкурин Юрий Михайлович

Список условных обозначений

Введение

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Способы получения полимерных порошков

1.2. Основные закономерности процесса сушки

1.3. Аппаратурное оформление процесса сушки порошкообразных

материалов

Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследований.... 41 Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ПОРОШКА ПОЛИЭТИЛЕНА

2.1. Исследование процесса удаления органического растворителя из порошка полиэтилена

2.2. Исследование сорбционно-структурных характеристик порошка полиэтилена

2.3. Исследование процесса сушки в условиях естественной конвекции

2.4. Исследование кинетики сушки порошка полиэтилена в режиме

фильтрующего слоя

Выводы

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПОРОШКА ПОЛИЭТИЛЕНА

3.1. Математическая модель процесса удаления остаточного растворителя из порошка полиэтилена

3.2. Математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена в

режиме фильтрующего слоя

Выводы

Глава 4. АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПОРОШКА ПОЛИЭТИЛЕНА. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СУШИЛОК

4.1. Сушилка для сушки порошка в режиме фильтрующего слоя

4.2. Вакуумная сушилка с кондуктивным подводом теплоты

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Ar - критерий Архимеда; В - константа, характеризующая абсорбент; Bi - критерий Био;

С - относительная массовая концентрация в твердой фазе, кг /кг тв.фазы;

с - удельная теплоемкость, Дж/(кг*^;

Ст - постоянная Сатерленда;

d - диаметр, м;

D - коэффициент диффузии,

F - площадь поверхности, м2;

G - расход, кг/с;

g - ускорение свободного падения, м/с2; Н - высота, м; i - энтальпия, кДж/кг; ] - поток испаряемой влаги, Вт; K - коэффициент теплопередачи, Вт^м2^; Kc - коэффициент сушки; L - длина, м; m - масса, кг;

М - молекулярная масса, кг/кмоль;

п - числовой коэффициент;

N - количество;

№ - критерий Нуссельта;

P - парциальное давление водяного пара, Па;

ДР - гидравлическое сопротивление;

р - количество теплоты, Вт/м3;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/мольК;

Re - критерий Рейнольдса;

г - радиус, м;

г* - удельная теплота парообразования, Дж/кг; Б - площадь поверхности, м2; БИ - критерий Шервуда; 1 - температура, оС;

и - влагосодержание, кг влаги/кг полимера;

V - объем, м3;

W - скорость, м/с;

х - влагосодержание, кг влаги/кг;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);

в - коэффициент массоотдачи, м/с;

в* - коэффициент аффинности;

5 - толщина, м;

е - порозность слоя;

0 - угол смачивания, град;

X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

^ - динамический коэффициент вязкости, Пас;

V - кинематический коэффициент вязкости, м2/с;

^ - коэффициент гидравлического сопротивления; р - плотность, кг/м3; о - поверхностное натяжение, Дж/м2; т - время, с;

л- *

т * - время, соответствующее началу второго периода сушки, с;

ф - относительная влажность воздуха;

ф* - коэффициент объемного заполнения;

у, ф - поправочные коэффициенты.

индексы:

А - растворитель; В - водяной пар; ап - аппарат; а.с. - абсолютно сухой; в - вода; вл - влага; вп - водяной пар; г - газ; гп - греющий пар; д - диффузионный; ж -жидкость; и - испарение; к - конденсат; кон - конечный; кр - критический; кам

камера; микр - микропоры; мт - мокрый термометр; м - материал; насып -насыпная; 0, н - начальный; н.п. - над поверхностью; нас - насыщенный; пор -поры; пер - переходный; п - порошок; п.с. - псевдоожиженый слой; пот -потери; р - равновесный; сумм - суммарный; сл - слой; сух - сухой; ст - стенка; стан - стандартный; суш - сушка; сушил - сушилка; тв - твердый; т - тепловой; тл - теплоноситель; тр - точка росы; ч - частица; уд - удельный; э -эквивалентный; эф - эффективный.

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «СУШКА ПОРОШКА ПОЛИЭТИЛЕНА ОТ ОРГАНИЧЕСКОГО РАСТВОРИТЕЛЯ»

Актуальность темы исследования:

Полиэтилен - один из многотоннажных термопластов. Он находит широкое применение в различных отраслях промышленности, транспорта и сельском хозяйстве. Переработка отходов полиэтилена с целью получения тонкодисперсных порошков имеет большое значение не только с позиции охраны окружающей среды, но и с точки зрения сокращения расхода первичных полимеров, поскольку в условиях дефицита сырья полимерные отходы являются мощным сырьевым ресурсом.

В настоящее время имеются отходы полиэтилена низкой плотности, как в твердом виде, так и в виде полимерного геля. Например, в процессе формирования фибриллярной структуры синтетической кожи методом селективной экстракции органическим растворителем образуется гель полиэтилена. Разработана технология выделения полимерной фазы в виде тонкодисперсного порошка из гелей полиолефинов путем упруго-деформационного измельчения полимерного геля. Гель полиэтилена перерабатывается с помощью аппарата шнекового типа.

Получаемые по этой технологии порошки могут быть использованы не только как наполнители в композиционных материалах, но и как сорбенты нефтепродуктов. Полученный порошок не уступает таким порошкообразным сорбентам как Turbo-Jet (Франция), Peat-Sorb (Канада), Эколан (Россия), СибСорбент-1 (Россия).

Образующийся в шнековом аппарате порошок полиэтилена насыщен органическим растворителем. Поэтому разработка эффективного и экологически безопасного способа сушки полимерного порошка от органического растворителя является актуальной научно-технической задачей.

Научно обоснованный выбор способа сушки полимерного порошка от органического растворителя и режимных параметров этого процесса предполагает знание ряда характеристик объекта сушки: сорбционно-

структурных, тепловых, гигротермических, структурно-механических, технологических. Применение методов математического моделирования позволяет достоверно прогнозировать рациональные конструкционные и технологические параметры при разработке аппаратурно-технологического оформления процесса сушки.

Объект исследования: процесс сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.

Предмет исследования: закономерности процесса сушки, технологические режимы.

Цель и задачи работы: разработка рационального способа сушки порошка полиэтилена низкой плотности от органического растворителя (толуола) и создание методики расчета оборудования для его реализации.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- экспериментальное исследование процесса удаления органического растворителя из порошка полиэтилена низкой плотности и составление его математического описания;

- определение свойств порошка полиэтилена как объекта сушки;

- выявление кинетических закономерностей сушки порошка полиэтилена при различных тепловых и гидродинамических режимах;

- разработка аппаратурно-технологического оформления процесса сушки полимерного порошка от органического растворителя;

- разработка математической модели процесса сушки полимерного порошка при конвективном способе подвода теплоты;

- разработка методики расчета сушильных установок для порошка полиэтилена.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель процесса удаления остаточного органического растворителя из порошка полиэтилена в токе водяного пара,

позволяющая прогнозировать продолжительность процесса и влагосодержание порошка.

2. Установлены сорбционно-структурные характеристики порошка полиэтилена, полученного методом упруго-деформационного измельчения, и дана его характеристика, как объекта сушки

3. Получены критериальные уравнения для расчёта коэффициентов тепло- и массоотдачи при сушке порошка полиэтилена нагретым воздухом в режиме фильтрующего слоя.

4. Разработана математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена при конвективном способе подвода теплоты, позволяющая прогнозировать рациональные режимно-технологические параметры процесса.

Теоретическая значимость работы:

1. Изложены математические модели процесса удаления остаточного растворителя из порошка полиэтилена в токе водяного пара и сушки полимерного порошка при конвективном способе подвода теплоты.

2. Получены критериальные уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи при сушке порошка полиэтилена нагретым воздухом в режиме фильтрующего слоя.

Практическая значимость работы:

1. Предложен двухстадийный процесс сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.

2. Разработана методика расчета оборудования для сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.

3. Выявлены рациональные режимно-технологические параметры процессов удаления остаточного органического растворителя из порошка полиэтилена в токе водяного пара и сушки порошка полиэтилена при конвективном подводе теплоты.

4. Предложено аппаратурно-технологическое оформление двухстадийного процесса сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.

5. Разработано программное обеспечение моделирования и расчета процесса сушки порошка (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016613416).

Методология и методы исследования: Экспериментальные исследования производились на установках лабораторного масштаба. Математическое моделирование процесса сушки порошка полиэтилена от органического растворителя основывалось на классических уравнениях теории сушки. Расчеты, обработку результатов эксперимента и численное решение уравнений производили на ЭВМ. Численная реализация разработанных методик расчета выполнялась с использованием современных программных комплексов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований процесса сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.

2. Математические модели процессов удаления остаточного растворителя из порошка полиэтилена, сушки полимерного порошка в режиме фильтрующего слоя.

3. Результаты численного эксперимента по моделированию процесса сушки порошка полиэтилена.

4. Методику расчета оборудования для сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов диссертационного исследования обоснована корректностью математических расчетов, основанных на фундаментальных положениях теории сушки, и использованием методов математического моделирования и сравнительного анализа. Достоверность основных положений и выводов, сформулированных в работе, подтверждена хорошим согласованием расчетных и экспериментальных данных. Основные результаты работы опубликованы в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и прошли апробацию на конференциях различного уровня.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: VI Всероссийская науч.-техн. студен. конференция «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химич. технологии» (Казань, 2010); XXIV Международная науч. конференция «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25» (Волгоград, 2012); ХХХХХХ^ XXXXXXVI и XXXXXXVШ Всероссийские науч.-техн. конференции. студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (Ярославль, 2012, 2013, 2015); Международная научн.-практ. конференция «Инновационные энергоресурсосберегающие технологии» (Москва, 2012); Региональная студенческая науч. конференция ДНИ НАУКИ-2013 «Фундаментальные науки -специалисту нового поколения» (Иваново, 2013); Международная научн.-техн. конференция «Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК» (Иваново, 2014); Международная науч.-техн. конференция «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-27» (Саратов, 2014); IV Междунар. науч.-техн. конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2015), Всероссийская науч. - практ. конференция, посвященной 50-летию г. Нижнекамск (Нижнекамск, 2016).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка и 5 таблиц. Список литературы включает 117 наименований.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. Способы получения полимерных порошков

Полиэтилен - один из многотоннажных термопластов. Он находит широкое применение в различных отраслях промышленности, транспорта и сельском хозяйстве. Переработка отходов полиэтилена с целью получения тонкодисперсных порошков имеет большое значение не только с позиции охраны окружающей среды, но и с точки зрения сокращения расхода первичных полимеров, поскольку в условиях дефицита сырья полимерные отходы являются мощным сырьевым ресурсом. Кроме того, порошки полиолефинов являются хорошими сорбентами нефти и нефтепродуктов, что решает еще одну важную экологическую проблему, как ликвидация разливов нефти и нефтепродуктов [1].

В настоящее время известно несколько способов получения полимерных порошков: суспензионная полимеризация, переосаждение из растворов, криогенное измельчение, дробление при нормальной температуре с использованием комбинированного ударного, сдвигового воздействия, резания и истирания [2, 3, 4].

Наиболее часто используемым способом получения полимерных порошков является суспензионная полимеризация [5]. В суспензии при полимеризации мономер, который обычно содержит нерастворимый в воде инициатор (например, перекись бензоила, динитрил азо-бис-масляной кислоты) диспергируется при интенсивном перемешивании в соответствующей среде, в которой либо он частично растворим, либо нерастворим совсем. Таким образом, полимеризация происходит в капельках мономера. Добавление небольшого количества защитных коллоидов или мелкораздробленных неорганических веществ, предотвращающих соединение мономерных капелек или коагулирование полимерных частиц в ходе реакции, увеличивает диспергирование мономера в воде.

В качестве диспергируемой среды при радикальной полимеризации применима только вода. Если мономер частично растворяется в воде или полимер нерастворим в мономере, полимер выпадает в осадок в виде частичек разнообразной формы и размеров. Если мономер и инициатор в воде нерастворимы, а полимер в мономере растворим, образуется полимер в виде шариков. Такую суспензионную полимеризацию называют бисерной [6, 7, 8].

Почти все способы получения механическим путем порошковых материалов базируются на двух физических принципах: ударном воздействии, которое приводит к разрушению (для достаточно твердых и хрупких материалов), и резании (для относительно мелких и пластичных тел). Осуществляются они в шаровых, молотковых, струйных, вибромельницах -диспергаторах и т.п. [9].

Разработано большое число различных типов оборудования для механического измельчения отходов полимеров [3, 9, 10-13]. При выборе типа оборудования, необходимо учитывать несколько факторов, а именно: физическое состояние полимера (упругое, вязкоупругое, высокоэластическое) в условиях измельчения, вид пластмассовых отходов, их размеры и количество, необходимая степень измельчения и конечный размер дробленого материала. Если же требуется измельчать крупные отходы, их заранее подготавливают, режут, используя специальные дисковые пилы, ленточнопильные станки, на более легкие куски. После предварительной обработки отходы полимеров измельчаются на стандартном оборудовании. Для повышения производительности процесса измельчения иногда используется предварительное уплотнение отходов, таких как отходы пенопластов, пленочные обрезки и т.п. Для этих отходов это является необходимым, т.к. они обладают низкой насыпной плотностью. В этом случае используются дисковые уплотнители.

В 80-х - 90-х годах прошлого века В.Г. Никольским и другими был открыт способ высокотемпературного (упруго-деформационного) измельчения полимеров, позволяющий получать тонкодисперсные порошки при сдвиговом

деформировании ряда термопластов и смесей полимеров в области температур вблизи фазового перехода (кристаллизации) [1, 3, 4, 9].

Принцип этого способа дробления заключается в использовании поля механических сил, при котором среда подвергается воздействию со сдвигом. Процесс сводится к "накачиванию" упругой энергии в материал, запасаемой им при действии высокого давления. При сдвиговом деформировании энергия затрачивается на образование новых поверхностей. Измельчение довольно просто реализуется в экструдерах, снабженных материальным цилиндром, внутри которого вращается шнек с винтовой нарезкой, подающий материал в специальную роторную головку, установленную в конце машины. Поэтому иногда процесс называют экструзионным измельчением. Метод позволяет видоизменять средний размер полученного порошка путем изменения температуры и величины зазора между измельчающим ротором и цилиндром. Полученные порошки находят применение при нанесении антифрикционных, защитных и декоративных покрытий, формировании пленок и пористых фильтров, ротационном формовании баков и других изделий, получении нетканых и подкладочных текстильных материалов [14-17, 18].

Для высокодисперсного измельчения кристаллизующихся термопластов (полиолефинов, полиамидов и др.) применяются установки с предварительным охлаждением измельчаемого полимера до температуры ниже температуры его хрупкости (- 190 оС). Низкотемпературное измельчение позволяет получить порошки с размером частиц 40 - 160 мкм [11, 14, 18]. Криогенное измельчение несмотря на затраты, связанные с использованием хладагентов, находит все более широкое применение при производстве полимерных порошков. По данным [19], расход жидкого азота составляет в среднем 4 кг на 1 кг порошка.

Получение полимерных порошков методом выделения из растворов -сложный процесс. При нем происходят химические, физико-химические, термодинамические, гидродинамические, теплофизические, реологические и другие изменения. Существует несколько различных способов выделения полимера из растворов. Добиться этого можно введением не растворителя,

изменением температуры раствора, концентрированием полимерного раствора путем испарения растворителя.

При выделении полимеров методом осаждения, к раствору полимера добавляют третий компонент. Он должен хорошо смешиваться с растворителем, в котором полимер имеет ограниченную растворимость. Систему переводят из однофазного состояния в двухфазное. Чтобы добиться этого состояния изменяют количество третьего компонента либо обеспечивают переход системы через бимодальную точку путем изменения температуры или давления. Формообразование обусловлено взаимодействием микрообъемов компонентов при фазовом переходе системы.

Выделить полимер можно путем изменения температуры системы полимер + растворитель. Однофазный раствор полимера в одном или нескольких растворителях переводят в область ограниченной растворимости, охлаждая или нагревая раствор до температуры выше или ниже критической температуры полного взаимного смешения. В результате образуется рыхлый осадок с высоким содержанием данного полимера. Иногда растворитель заранее насыщают порошкообразными наполнителями, они играют роль центров формообразования при охлаждении.

Существуют способы выделения полимеров, которые основаны на концентрировании полимерного раствора при испарении растворителя. Их можно разделить на несколько групп. Первая группа включает способы, в результате которых процесс формообразования происходит после того, как основная часть растворителя уже удалена и система полимер + растворитель находится в стеклообразном состоянии. К ним относится способ концентрирования полимерного раствора до получения массы, пригодной для дробления. Дробление происходит до частиц необходимого размера, поступающих затем на сушку.

Вторая группа включает способы выделения полимеров из растворов, в которых формообразование и удаление растворителя протекает одновременно. Эти способы предусматривают концентрирование раствора вследствие его

перемешивания. Достичь формообразования частиц можно усилением сдвига. Порошкообразный полимер играет роль центров формообразования. Активная поверхность полимерного порошка обеспечивает вязкое капиллярное течение полимерного раствора, при этом молекулы растворителя проникают вглубь полимерных частиц, в результате происходит набухание полимера. Ускорить процесс уплотнения частиц и удаления растворителя с их поверхности можно перемешиванием. Полученный полимер подвергают дроблению.

Третья группа объединяет способы получения полимера, при которых растворитель испаряется из диспергированного раствора. Таким образом, процессы формообразования опережают процессы массообмена. В эту группу входит способ диспергирования полимерного раствора при его эмульгировании в дисперсионной среде с последующим удалением растворителя. Обычно дисперсионная среда и растворитель взаимно нерастворимы или ограниченно растворимы друг в друге, дисперсионная среда инертна по отношению к полимеру. Вязкость полимерного раствора выше, чем дисперсионной среды [20, 21].

Есть иные способы выделения частиц полимера: раствор полимера диспергируют в горячую воду с температурой, превышающей температуру кипения растворителя. Это является необходимым условием, т.к. при впрыске раствора полимера в горячую воду происходит удаление растворителя. После этого частицы всплывают из-за разницы в плотности полимерного раствора, воды и выделенных полимерных частиц.

Другой способ формообразования полимерных частиц предусматривает применение контактных устройств с высокой степенью сдвига. При этом способе происходит непосредственное взаимодействие раствора полимера и потока теплоносителя, перемещающегося со звуковой или сверхзвуковой скоростью. Максимально возможное превращение потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую обеспечивается при использовании сопла Лаваля. Значительные усилия сдвига создаются при впрыске полимерного

раствора в поток теплоносителя. В результате происходит дробление струи под действием касательных напряжений.

Иногда используются комбинированные способы для повышения эффективности процесса выделения полимеров. Например, полимерный раствор в совместимом с водой органическом растворителе диспергируют водяным паром, который подается через форсунку. Влажные частицы полимера выпадают в конденсате водяного пара, который, не растворяя полимер, обусловливает его осаждение в новой системе. Согласно другому способу, к полимерному раствору добавляют дисперсионную среду и при перемешивании получают эмульсию. Далее приливают четвертый компонент, инертный по отношению к полимеру и дисперсионной среде и смешивающийся с растворителем. Образуется новая трехфазная четырехкомпонентная система. Процесс сопровождается выделением дисперсных частиц полимера [20].

Существуют и другие способы получения полимерных порошков. При синтезе по методу Филлипса [22] (при среднем давлении) путем добавления к образовавшемуся раствору полимера в алкилбензоле осадителя (спирта) можно получить порошкообразный полиэтилен.

Разработан непрерывный процесс производства полиэтилена - порошка, который заключается в следующем [2]. Полимер растворяют в толуоле в двухчервячной шприц-машине при 110 °С, (соотношение полимер: растворитель = 1:1). Затем раствор охлаждают в смесителе или на вальцах. Полученный продукт высушивается, а затем в воздушном сепараторе разделяется на фракции с частицами определенного размера. Отделенный при сушке растворитель регенерируется.

По другому способу [2] полимер растворяют в трихлорэтилене (1:1) при 80 °С и осаждают из раствора добавлением воды (50 л на 400 л раствора) при перемешивании и охлаждении массы до 35 °С. Трихлорэтилен и воду удаляют под вакуумом.

Технология, разработанная в ЛТИ им. Ленсовета [23], предусматривает применение кондиционного полиэтилена, а также отходов его производства и применения.

По этой технологии полимер в виде гранул, стружки, обрезков ленты растворяют в растворителе (толуол, ксилол, уайт-спирит) при 80 - 110 °С; концентрация раствора 15-20 % масс. При полном растворении полимера раствор при работающей мешалке охлаждают. Выделившийся порошок отделяют от растворителя. Сделать это можно фильтрованием или центрифугированием. Далее сушат, а растворитель используют повторно.

Технология переработки полимерных материалов в порошки имеет в настоящее время большое значение в связи с необходимостью утилизировать разнообразные отходы производства и потребления пластиков, резин, текстиля и т.д.

1.2. Основные закономерности процесса сушки

Одним из процессов, определяющих качество изделий из пластмасс, является глубокая сушка исходных гранулированных полимеров. Рациональная организация процесса сушки и разработка аппаратов для этого процесса требуют исследования внутридиффузионных свойств гранулированных полимерных материалов, анализа сорбционного равновесия и движущей силы процесса. Большое количество полимерных материалов для последующей переработки их в изделия выпускаются в виде гранул размером 0,2 - 4 мм. Высокое содержание влаги в этих исходных полимерах снижает качество изделий из них, а в некоторых случаях даже малое количество ее (около 0,01 %) вызывает деструкцию расплава полимера [24]. Поэтому сушке подвергают полимеры, находящиеся в различных состояниях: растворы и суспензии, пастообразные, мелкодисперсные и гранулированные [25, 26].

Сушка влажных материалов является сложным физико-химическим процессом, включающим перенос влаги и теплоты внутри материала, парообразование, перемещение водяного пара от поверхности через диффузионный пограничный слой в ядро газовой фазы, а также перенос теплоты от поверхности к газовой среде или в обратном направлении через пограничный слой [27 - 30].

При сушке все влажные материалы согласно классификации А.В. Лыкова [28, 31] подразделяют на три группы в зависимости от их коллоидно-физических свойств и, в частности, от способности изменять размеры при удалении влаги. Первую группу образуют коллоидные материалы, которые при удалении влаги значительно сжимаются, но сохраняют эластичные свойства. Вторая группа состоит из капиллярно - пористых материалов, которые при удалении влаги почти не сжимаются и становятся хрупкими. Третья группа состоит из коллоидных капиллярно - пористых материалов, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между первой и второй группами: стенки пор этих материалов эластичны и могут поглощать влагу.

На основе анализа структурных и кинетических свойств материалов, составляющих твердую фазу в процессах сушки, адсорбции, экстрагирования, предложена единая для этих процессов классификация твердой фазы, а точнее -классификация систем твердая фаза - распределяемое вещество [26]. Эта классификация является дальнейшим развитием принятой системы деления влажных материалов А.В. Лыкова. Она отражает кинетические особенности массопереноса в отдельных группах материалов, что дает возможность выбрать соответствующее математическое описание процесса [32]. Большое значение при составлении математического описания имеет выбор тех явлений, которые наиболее сильно влияют на общую тенденцию протекания процесса и принятия допущений, позволяющих пренебречь второстепенными явлениями, с целью упрощения модели и сведению к минимуму затрат машинного времени на ее реализацию [33, 34]. В общем случае перенос теплоты и вещества внутри материала описывается системой дифференциальных уравнений [35].

В настоящее время принадлежность материала к тому или иному классу определяют на основе структурно-сорбционных исследований [32]. Традиционные методы исследования структуры имеют свои достоинства, недостатки и соответствующие области применения. Они достаточно полно изложены в литературе [26, 36]. В [37] изложен способ дополнительного исследования структурных особенностей влажных материалов, основанный на анализе зависимости плотности материала от его влагосодержания.

В зависимости от продолжительности сушки все полимеры можно разделить на три группы [26, 32]. К первой группе относятся полимеры, размер частиц которых составляет от десятков до сотен микрометров. Они содержат в основном поверхностную, легко удаляемую влагу. Время сушки подобных материалов измеряется секундами. Вторая группа полимеров содержит кроме поверхностной еще и связанную влагу, удаление которой продолжается несколько минут. Третья группа, наиболее обширная, представлена гранулированными полимерными материалами, размеры частиц которых составляют несколько миллиметров, она характеризуется значительным

временем сушки (несколько часов). Это время необходимо для диффузии влаги внутри частиц к их поверхности.

По ряду особенностей протекания процесса массопереноса при сушке, полимеры существенно отличаются от классических капиллярно-пористых дисперсных материалов. Наиболее часто сушка на стадии изготовления полимеров производится после экстрагирования низкомолекулярных соединений в водной среде или после гранулирования. При этом удаляется в основном за короткий промежуток времени (десятки секунд) поверхностная влага в аппаратах с активным гидродинамическим режимом (труба - сушилка, кипящий и фонтанирующий слои, аппараты ВЗП (со встречными закрученными потоками)) при интенсивных режимах тепло- и массопереноса. Внутренняя влага удаляется только частично или остается полностью. Это приводит к неизбежности проведения глубокой сушки гранулята непосредственно перед переработкой его методами, в которых за основу приняты расплавы полимерных материалов. Удаление внутренней влаги занимает несколько часов, и проведение этого процесса в аппаратах интенсивного режима нецелесообразно [32].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шкурин Юрий Михайлович, 2017 год

_ / / -

А У '

1 _| - - - 1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 высота, z/H

Рис. 3.10. Зависимости изменения расхода растворителя по высоте аппарата с различной продолжительностью процесса. Время, с: 1 - 160; 2 - 320; 3 - 480; 4 - 640; 5 - 800

и и

ctf

£ С

о и

S

«

о

и «

о

Й й а

0.065 ^

0.06 -

0.055 -

0.05 -

0.045

0 0.2 0.4 0.6 высота, z/H

Рис. 3.11. Зависимости изменения расхода водяного пара по высоте аппарата с различной продолжительностью процесса. Время, с: 1 - 160; 2 - 320; 3 - 480; 4 - 640; 5 - 800

Для проверки применимости и адекватности предложенной математической модели процесса удаления растворителя из полимерного порошка с помощью водяного пара были взяты результаты экспериментов, представленные в разделе [2.1]. При расчетах в качестве исходных данных принимались следующие параметры: средний диаметр частиц порошка ёч = 120 мкм; расход водяного пара Овп = 0,00001 кг/с; масса полимерного порошка тп = 0,003 кг; удельная теплоемкость полиэтилена: сп = 1739 Дж/(кг-К); плотность полиэтилена рп = 930 кг/ м3; удельная теплоемкость толуола ст = 2500 Дж/(кг-К). На рисунках 3.12 - 3.15 показаны зависимости изменения температуры, и массы полимерного порошка от времени процесса при различном давлении водяных паров в аппарате. На этих рисунках сплошные линии отображают результаты расчетов по предложенной математической модели (уравнения 3.9; 3.10; 3.12 -3.14), а точки соответствуют экспериментальным данным. Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными показало их хорошее соответствие. Средние относительные ошибки для зависимостей изменения температуры и массы во времени не превышает ~ 11 % и ~ 4 % соответственно.

85

1,

оС 75 65 55 45 35 25

0 5 10 15 20 25 30

Время, мин

Рис. 3.12. Зависимости изменения температуры полимерного порошка от времени процесса: 1 - Р = 0,5 атм; 2 - Р = 0,4 атм; 3 - Р = 0,3 атм. ▲ , ♦, ■ - экспериментальные данные;--расчетные данные

6,5

3,5 Н------

0 5 10 15 20 25 30

Время, мин

Рис. 3.13. Зависимость изменения массы полимерного порошка от времени процесса при Р = 0,5 атм. ♦ - экспериментальные данные;--расчетные данные

6,5

6

5,5 т, г

5

4,5 4 3,5

10 15 20 Время, мин

25

30

Рис. 3.14. Зависимость изменения массы полимерного порошка от времени процесса при Р = 0,4 атм. ▲ - экспериментальные данные;--расчетные данные

0

5

Время, мин

Рис. 3.15. Зависимость изменения массы полимерного порошка от времени процесса при Р = 0,3 атм. ■ - экспериментальные данные;--расчетные данные

3.2. Математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена в

режиме фильтрующего слоя

После стадии отгонки растворителя в токе водяного пара материал содержит до 20% влаги. Влагосодержание полимерного порошка не должно превышать 0,2 - 0,3 %. Сушка тонкодисперсного материала в режиме фильтрующего слоя позволяет снизить до минимума пылеунос. Тем самым сокращаются капитальные и эксплуатационные затраты на систему пылеулавливания.

С целью прогнозирования рациональных режимно - технологических параметров процесса и его продолжительности, разработана математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена в режиме фильтрующего слоя. Разработанная математическая модель процесса включает в себя уравнения материального баланса по влаге для материала и сушильного агента, уравнения

теплового баланса по газовой и твердой фазам в дифференциальной форме, позволяющие рассчитать влажность и температуру порошка, влагосодержание и температуру сушильного агента [116].

При составлении математического описания процесса принимались следующие допущения: газовая фаза движется в режиме идеального вытеснения; параметры материала и газа по поперечному сечению аппарата постоянны; форму частиц материала принимаем шарообразной.

При пропускании потока сушильного агента через слой неподвижного зернистого материала процесс сушки протекает в нестационарном режиме. Для составления математического описания внутри слоя на высоте ъ выделяем элементарный объем ёУ=Б • ёъ и записываем уравнения материального и теплового баланса.

Баланс по влаге для твердой фазы:

(1 -8)• ёУ • рм= "руд •• (!-£)• в• (рнп-Р), (3.24)

5т

где е - порозность слоя; рм - плотность материала; и - влагосодержание порошка; р - коэффициент массоотдачи; Рн.п, Рг - парциальные давления паров воды над поверхностью материала и в газовой фазе; Буд - удельная поверхность материала; т - время.

Тепловой баланс для твердой фазы:

см(1 -8Ж • рм51(7,т)/оТ = aFyдdV(1 -8^г(7 ,т) -1(7,т)] -РудёУ(1 -8)Р(РНП. -Рг)С, (3.25)

где см - теплоемкость материала; а - коэффициент теплоотдачи; X - температура; Хг - температура газа.

Баланс по влаге для газовой фазы:

О г • X г (7, т) - О г ^ X г (7, т) + ^ + Р • Буд • ёУ • (1 - 8) • (Рн.п. - Рг) = ёУ • 8 • р м, (3.26)

где Ог - расход абсолютно сухого воздуха; Хг - влагосодержание воздуха; рг -плотность воздуха.

Тепловой баланс по газовой фазе:

О г • 1 г (г, т) - а г 1 г (г, т) + 5 г т) + а • Руд • ёУ • (1 - в) • (1 -1 г) = ёУ • в • рг, (3.27)

5г

&

где 1г - энтальпия влажного воздуха.

1 г = (сг + свп • X) • 1 г + X• г:, (3.28)

*

где сг - теплоемкость сухого воздуха; свп - теплоемкость водяного пара; г вп -теплота парообразования.

Частные производные от энтальпии газа по времени и координате т.

(3.29)

^^ = (сг + свп • х) + (свп • 1Г +гп ^

5т

51 г т)

5г

5т

(сг + сВп • х) • , 7 + (сВп • 1 г + гш)■

5г

ат

5х^, т) 5г

(3.30)

С учетом (3.29), (3.30) уравнение (3.27) примет вид:

-Ог • (сг + свп • х)•^ф^ёг-Ог • (свп • 1 г + С)ёг + а• Руд • • ёг• (1 -е)• (1 -1 г) =

5г

ч 51 г (г, т) , - 5х(г, т)

(сг + свп • х) ~^ + (свп • 1 г + Гвп ) •■ ' )

5т

5т

5г

•е• Рм • 8ап •

(3.31)

Преобразуя уравнения (3.24) - (3.26), (3.31), получим:

Р •5им=-р• Р • (Р -Р),

Км Л г -1 уд V-1 н.п. *г/)

дт

см • Рм • ё1(г,т)Мт = а • Буд • [1 г (г,т) - 1(г,т)] - в • Руд • (Рн п. - Рг) • ^, е • Р г • Зал + О г = в • Руд • 8ап • (1 - е) • (Рнп-Рг),

5т

5г

о / ч 51 г (г,т) 51 г (г,т)

В • Рг • Бап • (сг + свп • х) • , 7 + О г • (сг + свп • " г

5т

= а • Руд • Бап • (1 - е) • (1 -1 г) - (свп • 1 г + Гвп )

5г

5х£(^т) 5хг(X т)

е • Рг • Зап--~- + аг •

5т

5г

(3.32)

(3.33)

(3.34)

(3.35)

С учетом формулы (3.34) уравнение (3.35) примет вид:

о / ч 51 г (г,т) 51г (г,т)

е • Рг • Бап • (сг + свп • х) • ^ + Ог ^ (сг + свп • х)

дт

5г

(3.36)

= а • Руд • Бап • (1 - е) • (1 - 1 г ) - (свп • 1 г + г! ) • в • Руд • Бап • (1 - е) • (Р_ - Рг ),

где Баи - площадь поперечного сечения аппарата.

Краевые условия для полученной системы уравнений (3.32 - 3.34, принимались следующие:

3.36)

и(7,0) = и н; 1(7,0)=1Н; хг (0, т) = хгн; 1г (0, т) = 1ГН. (3.37)

Для перехода от системы исходных дифференциальных уравнений к расчетным конечно разностным соотношениям применим метод баланса. Этот метод позволяет получить консервативные разностные схемы, которые удовлетворяют законам сохранения вещества и энергии. Для этого запишем балансовые уравнения для слоя материала толщиной А7 (рис. 3.16).

Дz

хг,п-1

Рис. 3.16. Расчетная схема

Составляем уравнения баланса по влаге для газовой фазы в п слое:

*

о г хЧ + в • Буд • 8ап • (1 - е)(Рн.п. - Рг) - о г хП = ^^ 8ап • Д7 • г • р г.

Дт

(3.38)

Первое слагаемое левой части характеризует поступление влаги с газовым потоком из нижележащего п-1 слоя. Второе слагаемое соответствует потоку влаги, испаряющейся с поверхности частиц материала. Третье слагаемое - это вынос влаги газовым потоком из п-го слоя. Правая часть уравнения по физическому смыслу - это скорость накопления (убыли) влаги в п слое. В этом уравнении Хп - влагосодержание в текущий момент времени; Хп* - через время Дт. Перепишем уравнение (3.38) в виде:

-—Дт-(Огх;_1 + в • Буд • 8ап • Дг(1-г)(Рн.п. - Рг)) = хП - Хп + Ог •Дт •хП . (3.39)

§апД2 • г • Рг 8апДг • г • Рг

Введем обозначение:

К = Дт • О г

1 • ^ г• Рг

(3.40)

С учетом (3.40) выражение (3.39) запишется следующим образом:

К • хп-1 +

в • Буд • (1 - г) • Дт

гР г

(Р„-Рг ) = хП(1 - К1) - хп.

(3.41)

Выражаем в явном виде значение влагосодержания газа в п ячейке в

момент времени т + Дт:

К^- + хП + в • гул(1 - г)Дт(Рн.п - Р,п)/(г • рг) 1 -

(3.42)

Далее составляем тепловой баланс для п слоя по газовой фазе:

сг. Ч (п + п у \ 1П - 1П* . Ог (сг + Свпхп)1П - Ог (Сг + Свпхп-1)1П-1 грг3ап (Сг + Свп хп) +

Дт Дz

= aFудS(1 - г)^п - 1П) - (свП 1П + ГвП) вFудSаП(1 - г)(Рн.п. - Рг)

(3.43)

Выражаем в явном виде значение температуры газа в п-ой ячейке в момент времени т + Дт:

Дт

1г* = 1г +

фДп (сг + свп хп)

х^ | (Сг + сВпхп-1)1Гп-1 -1 (Сг + Свпхп)1гп + aFyлSaп (1-г)^ - О - Ы + Гп)в FyлSaп(1 - г)(Рн.п - Рг)

Введем следующие обозначения:

. (3.44)

а1 =

гРгSап (Сг + Свп хп)

Дт

О

а2 = (Сг + Свпхп) ,

О г,

а3 = (Сг + Свп хп-1) ,

а 4 = а • Руд • Saп • (1 " г) ,

а 5 = в • Руд • Saп (1 - г)(Рн.п.-Рг).

(3.45)

(3.46)

(3.47)

(3.48)

(3.49)

С учетом введенных обозначений (3.45) - (3.49), уравнение (3.44) можно

записать в виде:

а11 п - а11 п + а21 п - а31 п-1 = а41п - а41 п - а5Свп1 п - а5Гвп .

Сгруппируем слагаемые, содержащие общий множитель:

1 п(а1 + а 2 + а 4 + а 5Свп ) = п + а 31 п-1 + а 41п - а 5Г]

5 вп •

(3.50)

(3.51)

Выражаем в явном виде значение температуры газа в п-ой ячейке в момент времени т + Дт:

1 п =

а11 п + а31 п-1 + а41п - а5Гвп а1 + а 2 + а 4 + а 5С вп

(3.52)

хп =

Записывая уравнение материального баланса по влаге, содержащейся в материале и уравнение теплового баланса, получаем следующие расчетные формулы относительно влагосодержания и температуры материала в п-ом слое: ип = и; -Рудв (Рн.п.п -Рг,п)Аг/Рм, (3.53)

1п = < + а• Руд(1г,п - <)А//смРм), (3.54)

Расчетные уравнения (3.42), (3.52), (3.53), (3.54) применяются последовательно для каждого слоя материала и для каждого временного слоя. Алгоритм расчета реализован средствами пакета МаШсаё.

Для проверки применимости и адекватности предложенной математической модели процесса сушки порошка полиэтилена в режиме фильтрующего слоя были взяты результаты экспериментов, представленные в разделе [2.4], для высоты слоя Нсл = 0,7 м. При расчетах в качестве исходных данных принимались следующие параметры: диаметр аппарата ёап = 0,064 м; масса сухого порошка тп = 0,048 кг; давление в аппарате: Рап = 1 атм; влагосодержание воздуха хв = 0,01 кг вл/кг; удельная теплоемкость полиэтилена: сп = 1739 Дж/(кгК); плотность полиэтилена рп = 930 кг/ м3; теплоемкость воздуха св = 1000 Дж/(кгК). На рисунке 3.17 показаны зависимости изменения влагосодержания полимерного порошка от времени процесса при различной температуре сушильного агента (воздуха). На этом рисунке сплошные линии отображают результаты расчетов по предложенной математической модели (уравнения 3.32 - 3.34, 3.35), а точки соответствуют экспериментальным данным. Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными показало их хорошее соответствие. Средняя относительная ошибка не превышает ~ 8,5 %.

0,1 0,09 0,08 6 0,07

I 0,06

£ 0,05 § 0,04 0,03 0,02 0,01 0

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600

т, сек

Рис. 3.17. Зависимости изменения влагосодержания полимерного порошка от времени процесса: 1 - ^ = 60 оС; 2 - ^ = 90 оС. ▲ , ♦ - экспериментальные данные;--расчетные данные

На рис. 3.18 приведена зависимость длительности сушки для порошка полиэтилена с начальной влажностью 20% от температуры сушильного агента. Как и следовало ожидать, с увеличением температуры воздуха продолжительность процесса уменьшается и при температуре 100 оС составляет 2100 с. Применение сушильного агента с температурой выше 100 оС нежелательно вследствие возможного слипания частиц порошка.

температура, оС

Рис. 3.18. Зависимость длительности процесса сушки от температуры

сушильного агента

о

о

80

й л

Еу

5 60

л

и

с

и н

40

20

500 1000 1500 2000 время, с

2500

Рис. 3.19. Изменение температуры отработанного воздуха в ходе процесса

о

100

ей

ч

ей К

р е

£

80

ей 60 р

& р

ё 40 м е

н

20

0.2 0.4 0.6 0. высота, 2/Н

Рис. 3.20. Изменение температуры материала по высоте слоя. Время, с: 1 - 420; 2 - 840; 3 - 1260; 4 - 1680; 5 - 2100

0

высота, z/H

Рис. 3.21. Изменение влагосодержания материала по высоте слоя. Время, с: 1 - 420; 2 - 840; 3 - 1260; 4 - 1680; 5 - 1890

На рис. 3.19 - 3.21 приведены некоторые результаты расчетов при начальной температуре воздуха 100 оС и среднем диаметре частиц 0,3 мм. График рисунка 3.19 иллюстрирует характер изменения температуры воздуха на выходе из слоя во времени процесса. На рис. 3.20 и 3.21 приведены профили температуры и влагосодержания материала по высоте слоя в различные моменты времени, иллюстрирующие продвижение фронта испарения. Протяженность зоны интенсивного тепломассообмена соответствует приблизительно 0,2 общей высоты слоя материала. Ниже этой зоны расположен слой сухого материала, прогретого почти до температуры сушильного агента, выше слой влажного материала.

После окончания процесса сушки следует стадия охлаждения материала атмосферным воздухом. Расчет этой стадии также выполнен на базе приведенной выше математической модели. Рис. 3.22 и 3.23 иллюстрируют изменение температуры воздуха на выходе из аппарата и профили температуры материала по высоте слоя в различные моменты времени.

0 100 200 300

время, с

Рис. 3.22. Изменение температуры воздуха на выходе из слоя в ходе процесса

о 100

й ч й К

р е

£

й

р & р

е

С

80

60

40

м 20

е

н

0.4 0.6 0.8 высота, z/H

Рис. 3.23. Изменение температуры материала по высоте слоя. Время, с: 1 - 60; 2 - 120; 3 - 180; 4 - 240; 5 - 300

Предложенная математическая модель отражает наиболее важные особенности моделируемого процесса и позволяет расчетным путем прогнозировать его рациональные параметры.

0

Выводы

Выполнена разработка математического описания процесса удаления остаточного растворителя из порошка полиэтилена в токе водяного пара. Данная модель позволяет рассчитать изменение полей температуры и концентраций по высоте слоя порошка и прогнозировать требуемое время процесса, расход воздуха и влагосодержание полимерного порошка.

С целью прогнозирования рациональных режимно - технологических параметров процесса и его продолжительности, была разработана математическая модель процесса сушки порошка полиэтилена в режиме фильтрующего слоя, включающая в себя уравнения материального баланса по влаге для материала и сушильного агента, уравнения теплового баланса по газовой и твердой фазам в дифференциальной форме. Проведен численный эксперимент, показывающий влияние конструкционных и технологических параметров, а также температуры сушильного агента на длительность процесса сушки. Составлена программа решения уравнений математической модели в пакете МаШсаё.

Предложенные математические модели отражают наиболее важные особенности моделируемых процессов и позволяют расчетным путем прогнозировать их рациональные параметры.

Глава 4. Аппаратурно-технологическое оформление процесса сушки порошка полиэтилена. Методика расчета сушилок

Результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса сушки порошка в режиме фильтрующего слоя, изложенные в предыдущих разделах, использованы при расчете промышленной установки. Технологическая схема для сушки порошка полиэтилена от органического растворителя представлена на рис. 4.1.

4 5 7

Рис. 4.1. Технологическая схема сушки полимерного порошка: 1- газодувка; 2 - каллорифер; 3 - аппарат фильтрующего слоя; 4 - воздушный фильтр; 5 - теплообменник-конденсатор; 6 -декантатор; 7 - ловушка капель;

8 - вакуум-насос

Исходный порошок загружается в аппарат 3. Первой стадией является отгонка органического растворителя в токе водяного пара. Для сушки порошка полиэтилена от органического растворителя открываются вентили подачи водяного пара и отвода паров в теплообменник-конденсатор 5. После теплообменника-конденсатора полученная эмульсия толуола и воды

направляется в декантатор 6 для разделения. После окончания первой стадии вентили подачи водяного пара и отвода паров закрываются, и происходит вторая стадия - сушка порошка полиэтилена от сконденсировавшихся водяных паров. Для этого необходимо открыть вентили для подачи горячего воздуха и отвода отработанного воздуха в атмосферу. После завершения второй стадии вентили закрываются, а высушенный порошок выгружается.

4.1. Сушилка для сушки порошка в режиме фильтрующего слоя

Сушилка для сушки порошка в режиме фильтрующего слоя показана на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Сушилка с фильтрующим слоем дисперсного материала: 1- решетка; 2 - корпус; 3 - шнек питателя; 4 - разгрузочное устройство

Целью расчета сушилки является определение расхода воздуха и времени обработки.

При расчете сушилки в качестве исходных данных задаются следующие параметры:

1. начальная и конечная влажность материала ин и икон, кг вл/кг а.с.м.;

2. масса порошка полимера в слое mп, кг;

3. средний диаметр частиц dч, м;

4. давление в аппарате Рап, Па;

5. температура сушильного агента оС;

6. насыпная плотность порошка рнасЬт, кг/м3;

7. плотность частиц порошка рч, кг/м3.

1. В начале расчёта задаемся высотой слоя Нсл и начальной температурой газа ^.г..

2. Затем находим объем слоя:

т

V =-, (4.1)

сл р v '

насып

где тп - масса порошка в слое; рнасып - насыпная плотность порошка. 3. Определяем диаметр аппарата:

а =

ап

, (4.2)

п ■ Н

сл

где Усл - объем слоя; Нсл - высота слоя порошка.

4. Далее округляем найденный диаметр dап до значения ряда стандартных размеров dстан.

5. Уточняем высоту слоя порошка:

Н =-, (4.3)

сл ,2 п ■ а

стан

6. Рассчитываем критерий Архимеда:

,3

% ■ ё р - р Аг =-ч-г , (4.4)

V2 Рг

гг

где dч - средний диаметр частиц порошка; рп - плотность порошка; ро -плотность газа при нормальных физических условиях (То = 273,15 К; Ро = 1,01*105 Па); Т, Р - температура и давление пара в рассматриваемой системе; рг

- плотность газа; § - ускорение свободного падения; уг - кинематический

коэффициент вязкости газа.

Плотность газа рассчитывается по формуле:

р • Т • Р

р = о о . (4.5)

г т • Р

о

7. Находим Кепс., соответствующий первой критической скорости (начало псевдоожижения):

Аг

Яе

п.с. ! _ е

150 • — +

е3

1.75 . • Аг

(4.6)

е3

где е - порозность слоя порошка.

Порозность слоя порошка находим по формуле

р

е = 1 _ ■ насып , (4.7)

р п

где рнас^ш - насыпная плотность порошка; рп - плотность порошка.

8. Определяем скорость газа (м/с), соответствующую началу псевдоожижения:

Яе • и,

W = пс. г, (4.8)

п с. ё • р ч г

где - динамический коэффициент вязкости газа; ёч - средний диаметр частиц. Рабочую скорость газа определяем из формулы (К^ < 1):

W = К • W , (4.9)

г ш п.с. у 7 где К№ - относительная скорость газа.

9. Определяем расход газа:

О = Б • W • р , (4.10)

г ап г г у 7

где Бал - площадь сечения аппарата.

10. Определяем время процесса сушки путем решения системы уравнений математического описания процесса удаления влаги (3.24 - 3.29).

11. Находим время охлаждения материала из реализации математической модели.

12. Рассчитываем гидравлическое сопротивление слоя:

с • Н • W2 • р

АР =-сл-, (4.11)

сл а • 2 4 7

э

где с = + 2.34 - коэффициент гидравлического сопротивления. Яе

Критерий Рейнольдса находим из формулы:

w • а • р

Яе = г э г , (4.12)

и • 8 "г

где ТСг - рабочая скорость газа; е - порозность слоя материала; ёэ -эквивалентный диаметр частиц порошка; и рг - динамический коэффициент вязкости и плотность газа соответственно.

13. Проводится анализ полученных результатов. При увеличении температуры сушильного агента уменьшается время сушки. Повышение температуры воздуха свыше 90 оС нецелесообразно, так как наблюдается размягчение и слипание полимерных частиц. Если полученные результаты не удовлетворяют проектировщика, то проводится корректировка проектных параметров и расчет повторяется с пункта 1.

14. Рассчитываем затраты теплоты в калорифере:

О = в • с (1 -1 ), (4.13)

г г кон.г. н.г. у 7

где Ог - расход газа; сг - средняя теплоемкость газа в сушилке; ^он.г. и ^.г-конечная и начальная температуры газа соответственно.

Расчет проводим с помощью математической модели сушилки, описанной в главе 3, по алгоритму, блок - схема которого приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Блок схема алгоритма расчета сушилки в режиме фильтрующего слоя

Алгоритм расчета реализован средствами пакета МАТИСАО. Влияние параметров процесса: диаметра аппарата, размера частиц порошка, относительной скорости воздуха на расход воздуха и время процесса сушки приведены на рис. 4.4 - 4.6. На основании методики, предложенной выше, выполнен численный эксперимент для производительности 50 кг по сухому материалу с 20% содержанием влаги.

0,17 ■ 0,16 ■ 0,15 ■ 0,14 ■ 0,13 ■ 0,12 ■ 0,11 0,1 ■

0,09 ■

0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

Wr/Wn.c.

0,9

0,95

2300 2200

2100 ° 64

S

2000 a и

1900 1800 1700

1

Рис. 4.4. Зависимости расхода воздуха (1) и времени процесса сушки (2) от относительной скорости воздуха: Wr - скорость газа; Wnx. - скорость начала псевдоожижения; ёап = 0,8 м; d4 = 0,00003 м

ёап, м

Рис. 4.5. Зависимости расхода воздуха (1) и времени процесса сушки (2) от диаметра аппарата: К^. = 0,7; ёч = 0,00003 м

0,18

0,0002

0,00025

0,0003 dч, м

0,00035

2700

2500

2300 &

2100

1900

1700

0,0004

1 2

Рис. 4.6. Зависимости расхода воздуха (1) и времени процесса сушки (2) от размера частиц порошка: = 0,8 м; К^ = 0,7

Анализ графиков показывает, что с увеличением рабочей скорости воздуха, диаметра аппарата и размера частиц порошка продолжительность процесса уменьшается, массовый расход воздуха возрастает.

4.2. Вакуумная сушилка с кондуктивным подводом теплоты

Альтернативным способом сушки порошка полиэтилена является сушка в вакуум-гребковой сушилке. Гребковые сушилки - это аппараты, внутри которых вращается вал с лопастями - гребками, перемешивающими высушиваемый материал. Конечный продукт в них благодаря перемешиванию получают в грубо измельченном виде (в виде крупы). Для обогрева служит рубашка корпуса аппарата, в которую подается пар или горячая вода; полый вал, внутрь которого подается теплоноситель; и, наконец, одновременно и вал, и рубашка. На рис. 4.7 представлена альтернативная схема сушки порошка полиэтилена от органического растворителя.

Рис. 37. Альтернативная схема сушки полимерного порошка: 1- аппарат для удаления органического растворителя; 2 - вакуум-гребковая сушилка; 3 - теплообменник-конденсатор; 4 -декантатор; 5 - ловушка капель; 6 -вакуум-насос

Данная схема подразумевает отдельные сушилки для каждой стадии сушки. Поэтому первую стадию можно проводить независимо от второй, что позволяет сэкономить время и увеличить производительность.

Целью расчета вакуумной сушилки с кондуктивным подводом теплоты является определение основных конструктивных параметров вакуум - гребковой сушилки и времени процесса сушки.

При расчете сушилки в качестве исходных данных задаются следующие параметры:

1. начальная и конечная влажность материала ин и икон, кг вл/кг а.с.м.;