Сушка зернистых материалов в аппарате с модифицированным вихревым слоем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Лебедев, Валерий Валентинович

• Лебедев, Валерий Валентинович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедев, Валерий Валентинович

Введение

1. Современное состояние исследуемого вопроса и задачи исследования

1.1. Характеристики исследуемых материалов

1.2. Анализ существующего оборудования для сушки порошкообразных материалов и выбор типа сушилки

1.3. Гидродинамика потоков во взвешенном слое и проблема организации активного гидродинамического режима 25 1 АСовременные методы описания тепло- и массопереноса во взвешенном слое 31 1.5.0пределение коэффициентов тепло- и массоотдачи во взвешенном слое 41 1.6. Задачи исследований

2. Математическая модель процесса сушки пресс-порошков

3.Экспериментальные исследования процесса сушки

3.1. Лабораторно- промышленные исследования пресс-порошков как объектов сушки

3.2. Исследования процесса сушки пресс-порошков на лабораторном стенде

3.3. Исследования гидродинамики сушильного агента

3.3.1 Определение области существования взвешенного слоя

3.3.2 Исследование полей скоростей ожижающего агента в зоне ОПТ, заполненной вставками 71 3.4.0пределение теплофизических параметров пресс-порошков

3.4.1 Определение температуропроводности

3.4.2 Определение теплоемкости

3.4.3. Определение теплопроводности

3.4.4. Определение термоградиентного коэффициента

3.4.5. Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи

4. Инженерный метод расчета комбинированной сушилки

4.1 Расчет сушилок

4.2 Расчет вспомогательного оборудования

5. Практическая реализация разработок 95 Заключение по работе 101 Приложения 102 Список используемой литературы и источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сушка зернистых материалов в аппарате с модифицированным вихревым слоем»

Сушка влажных материалов - технологический процесс, или точнее -совокупность тепловых процессов переноса тепла и массы. При выборе оптимального режима сушки и рациональной конструкции аппарата, в первую очередь следует обеспечить условия, необходимые для получения требуемых технологических свойств материала. Рациональный способ термообработки и наиболее подходящая конструкция аппарата устанавливаются только для конкретного материала или группы материалов, имеющих сходные физико-химические свойства.

Практически сушильная техника развивается по двум основным направлениям:

- разработка рационального способа сушки и соответствующей конструкции аппарата для новых технологических производств,

- усовершенствование способов сушки и конструкции сушилок для действующих производств.

При разработке и внедрении в промышленность многофункциональных высокоэффективных сушильных аппаратов с активными гидродинамическими режимами должны быть выполнены два основных условия:

- соответствие кинетики сушки балансовым условиям;

- соответствие гидродинамических и термодинамических условий процесса сушки изменяющимся состояниям и свойствам материала.

При решении этих задач необходимо выполнить подчас противоречивые условия:

- получить наилучшие качественные показатели продукта;

- иметь минимальные удельные расходы теплоты и электроэнергии на 1 кг испаряемой влаги или 1 кг готового продукта;

- при высокой интенсивности процесса сушки, иметь соответственно минимальные габариты установки и ее небольшую стоимость;

- иметь возможность полной автоматизации сушильного агрегата для интенсификации сушки при высоком качестве продукта;

- получить обоснованную высокую мощность единичного сушильного агрегата;

- добиться оптимального сочетания стоимости высушенного продукта и количества перерабатываемого материала в час.

Выбор способа сушки и аппаратурного оформления не будет полным, если не учесть:

-безопасность процесса с соблюдением требований экологии; -обеспечение технологичности процесса, т.е. организации движения потоков материала и газа в системе, простоты ремонта и обслуживания оборудования, получение продукта с заданной дисперсностью, гранулометрическим составом, плотностью и прочностью частиц, получение не пылящего продукта.

Актуальность проблемы.

Одним из современных методов производства керамических и стеклонаполненных изделий является «сухой» способ. Он основан на формовании изделий из пресс-порошков, представляющих собой многокомпонентные сухие смеси с связующим веществом- 45% водным раствором ПЭГ-115. Наличие связки делает пресс-порошок термолабильным и агригирующимся с широким фракционным составом и представляет собой достаточно сложный объект сушки. В процессе сушки необходимо разрушать агломераты, выдерживать узкий диапазон влагосодержания, проводить сепарацию частиц по крупности (удалять пылевидные частицы), очищать теплоноситель.

В результате анализа известных сушильных агрегатов и проведенных исследований предложен новый комбинированный аппарат с модифицированным псевдоожиженным слоем, который в наилучшей степени позволяет решить поставленные задачи.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (код 201- «Производственные технологии») 2001-2004 г.г.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке: -аппарата с модифицированным псевдоожиженным слоем;

- процесса сушки в нем различных пресс-порошков (Б-17, Т-1000, Т-4000);

- модели тепло- и массобмена в них.

Цель диссертационной работы:

- с использованием математической модели процесса, исследовать и разработать процесс сушки пресс-порошков из композиционных материалов с новым связующим. Создать на их основе новое оборудование, удовлетворяющее требованиям производства керамических и стеклонаполненных изделий.

-определить способ и режимы сушки пресс-порошков, при которых обеспечивается прессуемость и отсутствие трещин, изломов и т.п. в изделиях после прокаливания, и, в конечном счете, необходимое качество конденсаторов и стеклонаполненных изделий.

- разработать математическую модель сушки, позволяющую в результате анализа решений оптимизировать процесс и оборудование, алгоритм и инженерную методику расчета аппарата, обеспечивающего непрерывный, управляемый, высококачественный процесс.

- внедрить разработки в промышленность.

Научная новизна.

1. Исследована сушка новых пресс-порошков на основе связующего 45% водного раствора ПЭГ-115, найдены оптимальные концентрации содержания связки, при которых прессуемые изделия удовлетворяют всем требованиям ТУ.

2. Разработаны новый способ и конструкция двухфазной вихревой системы, обеспечивающие различное время обезвоживания частиц: крупных - большее время сушки, мелких - меньшее, за счет организации потоков с помощью вставок, размещенных в камере.

3. Реализована гидродинамика вихревого потока полидисперсных частиц, позволяющая одновременно с процессом сушки проводить и процесс сепарации частиц.

4. Разработана установка - комбинированная сушилка, включающая в себя аппарат с активным гидродинамическим режимом, обеспечивающая заданный процесс сушки, пылеотделение и сепарацию.

5. Найдены неизвестные ранее теплофизические и диффузионные характеристики пресс-порошков.

6. На основе использования уравнений тепло-и массообмена и данных идентификации разработана математическая модель сушки пресс-порошков.

Практическая ценность работы.

Разработан алгоритм инженерного расчета установки, включая камеру очитки теплоносителя, а также вспомогательное оборудование.

Разработаны, спроектированы, изготовлены и внедрены в электронной промышленности три установки - АОПС-2 для пресс-порошка Б-17, производительностью 70 кг/час; АОПС-3 для пресс-порошка Т-1000, производительностью 100 кг/час; АОПС-4 для пресс-порошка производительностью 150 кг/час. Установка внедрена также резинотехнической промышленности для сушки мела и каолина. Разработаны оптимальные режимы сушки указанных пресс-порошков. Надежность работы сушилок проверена длительной эксплуатацией в составе линий по приготовлению пресс-порошков и наполнителей резинотехнических изделий. Автор защищает:

1. Результаты экспериментальных исследований сушки новых пресс-порошков с определением оптимальных концентраций связующего 45% водного раствора ПЭГ-115.

2. Математическую модель и инженерный метод расчета аппарата сушки с вспомогательным оборудованием.

3. Результаты экспериментов по определению геометрических, диффузионных и тепло-и массообменных характеристик пресс-порошков.

4. Результаты численных экспериментов исследования скорости теплоносителя в камере аппарата со вставками - завихрителями.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены на: -П-ой и Ш-ей Всесоюзной научно-технической конференции - «Повышение эффективности тепло-и массообменных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и производстве химических волокон» (г. Москва, 1985 и 1989 г.);

- научной конференции - «Повышение эффективности современных процессов и аппаратов химических производств» (г. Харьков, 1985 г.);

- XV Всесоюзной конференции - «Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем» (г. Одесса, 1989 г.);

- XVI Международная научная конференция - «Математические методы в технике и технологиях» (г. Кострома,2004г.).

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Лебедев, Валерий Валентинович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

1. На основании исследований процесса сушки пресс-порошков при различных концентрациях связующего водного раствора ПЭГ найдена его оптимальная 45% концентрация, при которой прессуемые изделия удовлетворяют всем требованиям ТУ.

2. Разработана математическая модель сушки порошков широкого фракционного состава в комбинированной сушилке. В основу модели положены дифференциальные уравнения тепломассопереноса в процессе сушки отдельной частицы, находящейся в активном гидродинамическом режиме.

3. Проведены экспериментальные исследования по адекватности математической модели, включающие в себя работы по определению теплофизических и тепло-массообменных характеристик пресс-порошков Б-17, Т-1000, Т-4000. Получены коэффициенты тепло-и массообмена от теплоносителя к частице.

4. На основе экспериментально найденных гидродинамических и тепловых режимов сушки, обеспечивающих высокое качество продукции и устойчивость процесса, разработан новый комбинированный сушильный агрегат, совмещающий интенсивный процесс сушки с процессом сепарации высушенных частиц.

5. Разработан также аппарат для эффективного улавливания тонкодисперсных частиц высушенного порошка.

6. Разработана инженерная методика расчета комбинированной сушилки, включая вспомогательное оборудование.

7. На базе проведенных исследований разработаны и внедрены на Псковском заводе радиодеталей три промышленные комбинированные установки АОПС-2,3,4 для сушки пресс-порошков Б-17, Т-1000 и Т-4000.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лебедев, Валерий Валентинович, 2007 год

1. Аэров М. Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем / М. Э. Аэров, О. М. Тодес. -М.: Химия, 1976.-510 с.

2. А. с. 1193409 СССР, МКИ F 26 В 17/10. Сушилка для полидисперсных материалов / В. Д. Гвоздев, И. Г. Соловьёв, В. В. Лебедев и др. (СССР). № 3785762/24-06 ; заявл. 30.08.84 ; опубл. 23.11.85, Бюл. №43.-2 с.: ил.

3. Баскаков А. П. Процессы тепло- и массопереноса в кипящем слое / А. П. Баскаков, В. В. Берг, Б. В. Рыжков, Н. Ф. Филипповский. М. : Металлургия, 1978.- 248 с.

4. Берд Р. Явления переноса : пер. с англ. / Р. Берд, В. Стьюарт, Е. Лайтфут М.: Химия, 1974 .- 988 с.

5. Блехман И. И. Правдоподобность и доказательность в прикладной математике / И. И. Блехман, А. Д. Мышкис, Л. Г. Пановко // Механика твёрдого тела. 1967. - №2 - С. 196 - 202.

6. Буеройд Р. Течение газа со взвешенными частицами : пер. с англ. / под ред. 3. Р. Горбиса- М.: Мир, 1975.- 378 с.

7. Гвоздев В. Д. Исследование аэродинамики организованного псевдоожиженного слоя / В. Д. Гвоздев, И. Г. Соловьёв, В. Н. Шиян, С. Д. Семеенков. Калинин, 1985.- 15с. - Деп. в ВИНИТИ 08.11.89, № 4933.

8. Гвоздев В. Д. Исследование некоторых процессов термообработки материалов в инертном псевдоожиженном теплоносителе и их аппаратурное оформление : дис. докт. техн. наук / В. Д. Гвоздев. М. : МИХМ, 1973.- 241 с.

9. Гвоздев В. Д. Установка для сушки полидисперсных пресс-порошков / В. Д. Гвоздев, И. Г. Соловьёв, В. В. Лебедев и др. // Информ. листок № 16 Калинин : ЦНТИ, 1986.- 2 с.

10. Гельперин Н. И. Основы техники псевдоожижения / Н. И. Гельперин, В. Т. Айнштейн, В. Б. Кваша. М.: Химия, 1967.- 664 с.

11. Голубев Л. Г. Сушка в химико-фармацевтической промышленности / Л. Г. Голубев, Б. С. Сажин, Е. Р.Валашек. М.: Медицина, 1978.-272 с.

12. Горбис 3. Р. Теплообмен и гидродинамика дисперсных сквозных потоков / 3. Р. Горбис. М.: Энергия, 1970.- 423 с.

13. Гукежев В. Б. Разработка процесса сушки отформированных аккумуляторных пластин в псевдоожиженном слое и оборудование для его реализации : автореф. дис. канд. техн. наук / В .Б. Гукежев. Калинин, 1990.22 с.

14. Дедков Б. В. Исследование сушки дисперсных материалов в аппарате спирального типа : дис. канд. техн. наук / Б. В. Дедков.-. М. : МИХМ, 1972.- 123 с.

15. Долинский А .А. Оптимизация процессов распылительной сушки / А.А . Долинский, Г. К. Иваницкий. Киев : Наук, думка, 1984.- 240 с.

16. Забродский С. С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном (кипящем) слое / С. С. Забродский. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963.- 488 с.

17. Катализ в кипящем слое. / под общ. ред. И. П. Мухлёнова и В. М. Померанцева.- JI.: Химия, 1978.- 232 с.

18. Кафаров В. В. Моделирование и оптимизация процессов сушки / В. В. Кафаров, И. Н. Дорохов // Итоги науки и техники. Сер. «Процессы и аппараты химической технологии». М.: ВИНИТИ, 1987.- Т. 15 - С. 3-24.

19. Кафаров В. В. Системный анализ процессов химической технологии. Энтропийный и вариационный методы неравновесной термодинамики в задачах химической технологии / В .В. Кафаров, И. Н. Дорохов, Э. М. Кольцова. М.: Наука, 1988 .- 367 с.

20. Keey R. В. Drying principles and practice. New York : Pergmon Press, 1972.-358 p.

21. Коздоба JI. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности / JI. А. Коздоба. М.: Наука, 1975.- 226 с.

22. Кондратьев Г. М. Регулярный тепловой режим / Г. М. Кондратьев. -М.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1954.- 408 с.

23. Коузов П. А. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей / П. А. Коузов, JI .Я. Скрябина.- М. : Химия, 1983.143 с.

24. Кришер О. Научные основы техники сушки: пер. с нем. / О. Кришер ; под ред. А. С. Гинзбурга. М.: Изд-во иностр. лит., 1961.- 539 с.

25. Kuroda С. An approximation eqnation of axial velocity distribution in turbulent flow / С/ Kuroda, I. Inoe. Ilhem. Eng. lap., 1981. - vol. 14, № 2. - P. 158-160.

26. Лебедев, В. В. Установка для сушки полидисперсных порошков: Информ. листок № 87-1933 / В. В. Лебедев. М.: ВИМИ, 1987.- 4 с.

27. Лебедев П. Д. Сушка инфракрасными лучами / П. Д. Лебедев.- М. ; Л.: Госэнергоиздат, 1955.- 232 с.

28. Лыков А. В. Теоретические основы строительной теплофизики / А. В. Лыков. Минск : Изд-во АН БССР, 1961.- 520 с.

29. Лыков А. В. Теория сушки / А. В. Лыков. М. : Энергия, 1968.- 422 с.

30. Лыков А. В. Теория тепло- и массопереноса / А. В. Лыков, Ю. А. Михайлов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.- 535 с.

31. Лыков А. В. Тепломассообмен : справочник / А. В. Лыков. М. : Энергия, 1978.- 480 с.

32. Мазяк 3. Ю. Тепло- и массоперенос в пористых телах при переменных потенциалах в среде / 3. Ю. Мазяк. Львов : Изд-во Львов, унта, 1979.- 120 с.

33. Математическое моделирование и оптимизация конвективной сушки / С. П. Рудобашта, Е. Н. Малыгин, Н. В. Кузмина, Н. Е. Шадрина // ТОХТ. 1989. - T.XXII, № 3.- С. 325 - 330.

34. Матур К. Фонтанирующий слой : пер. с англ. / К. Матур, Н. Энстайн ; под ред. И. П. Мухлёнова и А. Е. Горштейна. Л.: Химия, 1978.- 288 с.

35. Муштаев В. И. Разработка и исследование процесса сушки дисперсных материалов на основе термогидродинамических методов и промышленное внедрение промышленных аппаратов : автореф. дис. докт. техн. наук. / В. И. Муштаев. — М.: МИХМ, 1974.- 36 с.

36. Муштаев В. Н. Сушка в условиях пневмотранспорта. / В .Н. Муштаев, В. М. Ульянов, А. С. Тимонин. М.: Химия, 1984.- 232 с.

37. Nyshas S. Ct. A visnal of turbulent shear flow / S. Ct. Nyshas, H. C. Hershey, R. S. Broadkey // J. Fluid Mech. V. 61, Part 3. - P. 513 - 540.

38. Oqawa A Flnid dynamics characteristics of the turbulent strght ratation jets / A. Ogawa, H. Hatakeyama, I. Fnjita. J. Cjll. Enq. Nivon Unix, A 23, mareh. 1982.-P. 89-102.

39. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена / В. А. Осипова. М.: Энергия, 1969.- 392 с.

40. Павлов К. Ф. Примеры и задачи процессов и аппаратов химической технологии / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. -J1.: Химия, 1976.552 с.

41. Плановский А .Н. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности / А. Н. Плановский, В. Н. Муштаев, В. М. Ульянов. М. : Химия, 1979. - 288 с.

42. Plitt L. The analysis of solid separation in classifiers // Can Mining and Met. Bull. 1971. - V. 64, № 708. - P. 42 - 47.

43. Повх И. JI. Аэродинамика : рук-во к лаб. работам / И. Л. Повх. JI. : 1962,- 49 с.

44. Протодьяконов Н. О. Явления переноса в процессах химической технологии / Н. О. Протодьяконов, Н. А. Марцулевич, А. В. Марков Л. : Химия, 1981,- 264 с.

45. Псевдоожижение : пер.с англ. / под ред. И. Девидсона, Д. Харрисона . М.: Химия, 1974- 722 с.

46. Разумов И .М. Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов / И .М. Разумов. М.: Химия, 1972.- 239 с.

47. Разумов И. М. Пневмо- и гидротранспорт в химической промышленности / И. М. Разумов. М.: Химия, 1979.- 248 с.

48. Романков П. Г. Сушка во взвешенном состоянии / П. Г. Романков, Н. Б. Рашковская. JI.: Химия, 1979,- 272 с.

49. Рудобашта С. П. Массоперенос в системах с твёрдой фазой / С. П. Рудобашта. М.: Химия, 1980.- 248 с.

50. Рудобашта С. П. Теоретические основы химических технологий / С. П. Рудобашта, JI. Н. Плановский, В. Н. Долгунин. 1978. - Т. 12. - С. 173 -182.

51. Сажин Б. С. Основы техники сушки / Б. С. Сажин М. : Химия, 1984.- 320 с.

52. Сажин Б. С. Пылеуловители со встречными закрученными потоками Б. С. Сажин, JI. И. Гудин // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов : обзорная информация М. : НИИТЭХИМ, 1982 - Вып. 1(38). - 42 с.

53. Сажин Б. С. Современные методы сушки / Б. С. Сажин.- М.: Знание, 1973.- 64 с.

54. Сажин Б. С. Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для технологических процессов : тез. докл Всесоюз. науч.-техн. совещания / Б. С. Сажин и др. М. : МТИ, 1977.-Ч. 1.-С.З-8.

55. Сивальнев В. М. Процесс сушки термолабильных материалов в аппарате фонтанирующего слоя : автореф. дис. канд. техн. наук / В. М. Сивальнев. Киев, 1989.-16 с.

56. Систер В. Г. Экология и техника сушки дисперсных материалов : учеб. Пособие / В. Г. Систер, В. И. Муштаев, А. С. Тимонин. Калуга, 1999. -670 с.

57. Slattery I. P. Momentum energy and mass transfer in contimia. Me. Gran Hill, New York, 1972.

58. Соловьев И. Г. Сушка пресс-порошков в сушилках ОПС / И. Г. Соловьёв, В. В. Лебедев, В. Б. Волошин. Калинин, 1989 - Деп. в ВИНИТИ 23.05.1989, №3369.

59. Сыромятников Н. И. Тепло- и массообмен в кипящем слое / Н. И. Сыромятников, Л. К. Васинова, Ю. Н. Шиманский. М. : Химия, 1967.- 176 с.

60. Ужов В. Н. Очистка промышленных газов от пыли / В. Н. Ужов, А. Ю. Вальдберг, Б. И. Мягков, И. К. Решидов. М.: Химия, 1981,- 312 с.

61. Фролов В. Ф. Моделирование сушки дисперсных материалов / В. Ф. Фролов. Л.: Химия, 1987,- 208 с.

62. Hetsroni Ct. Distribution of mass, velocity and intencity of turbulence in a two-phase turbulent roundjet / Ct. Hetsroni, M. Sokolov // Trans. ASMFJ. Appl. Mech. 1971. -V. 38, № 2. - P. 315 - 325.

63. Цыренщиков H. H. Линия непрерывной сушки пресс-порошков / Н. Н. Цыренщиков, И. Г. Соловьёв, В. В. Лебедев // Электронная промышленность. 1989. - № 5.- С. 228 -229.

64. Шервуд Т. Массопередача : пер. с англ. / Т. Шервуд, Р. Пигфорд, Ч. Уилк М.: Химия, 1982.- 696 с.