Массообменные устройства

В качестве массообменного устройства рассмотрим сушильные установки, процессы сушки и увлажнения, а также основные типы процессов сушки.

Сушка широко используется в промыш­ленности и сельском хозяйстве, так как во многих случаях необходимо удалять содержащуюся в материале излишнюю влагу. На сушку материалов в народ­ном хозяйстве расходуется 10-15 % всех топливно-энергетических ресурсов стра­ны. Во многих случаях сушка опре­деляет качество готовой продукции (литье, топливо, бумага, товары широ­кого потребления, керамика, строймате­риалы и др.), стойкость материалов при хранении (пищевые продукты, древе­сина, биопрепараты, фармацевтические материалы и др.), а также технико-экономические показатели некоторых производств в целом (целлюлозно-бумажного, овощесушильного производ­ства, консервирования продуктов и др.). Известны два основных вида сушки: тепловая и механическая. Тепловая сушка осуществляется с затратой теплоты на фазовое превращение удаляемой жид­кости. Если подвод теплоты к материалу и отвод влаги из него производятся в специальных сушильных установках, то такая тепловая сушка называется искусственной. Тепловая сушка, осу­ществляемая на открытом воздухе без специальных установок, называется есте­ственной. Эта сушка в производстве встречается реже, но имеет место в процессах хранения и транспортировки материалов. Механический вид сушки связан с удалением наименее прочно связанной с материалом жидкости меха­ническим путем (фильтрацией, прессо­ванием, центрифугированием) или по­средством его контактирования с материалом, поглощающим жидкость.

По способу подвода теплоты к ма­териалу сушку делят на конвективную, кондуктивную, терморадиационную (ин­фракрасными лучами), комбинирован­ную (кондуктивно-конвективную, радиационно-конвективную и др.) и сушку в поле токов высокой и сверхвысокой частоты. При этих способах сушки перевод жидкости в пар осуществляется в основном путем испарения или вы­паривания жидкости в массе материала (например, прогрев в электромаг­нитном поле).

Применяется также сушка сублима­цией и сушка в вакууме при низких температурах и давлении (1,333×10^-3 МПа и выше). Теплота к материалу в этом случае подводится кондукцией от нагретой поверхности или радиацией от нагретых экранов. Следовательно, вакуумная сушка практи­чески является кондуктивной или термо­радиационной. Сублимационная сушка осуществляется при давлении менее 0,62×10^-3 МПа, т.е. ниже тройной точки для воды, влага при этом превращается в лед и удаляется путем испарения льда (сублимации) за счет сообщения теплоты материалу извне.

Специфичными вариантами конвективной сушки дисперсных материалов яв­ляются сушка в разрыхленном, псевдоожиженном (кипящем, вихревом, фонта­нирующем) и аэрофонтанном слое, во взвешенном состоянии и сушка растворов в распыленном состоянии.

Эти способы, отличающиеся друг от друга характеристиками слоя материа­ла и его агрегатным состоянием, реали­зуются в разнообразных сушильных установках.

В качестве теплоносителей в процессе сушки используются нагретые газы и поверхности (плиты, вальцы, цилиндры и др.). Кроме того, для сушки ис­пользуется теплота, выделяющаяся в массе материала в результате взаимо­действия его с электромагнитными волнами различной частоты.

Наиболее широко применяется конвективный способ сушки, при котором предварительно подогретый воздух в ка­честве теплоносителя и влагопоглотителя подается в сушильную камеру и вступает в процессы тепло- и массообмена с высушиваемым материалом. Конструкции таких конвективных су­шильных установок сравнительно просты.

По способу действия различают су­шильные установки периодического и непрерывного действия. В сушильной установке периодического действия су­шильную камеру загружают материалом и разгружают периодически. При этом не обеспечивается равномерность сушки и имеют место непроизводительные затраты труда и времени. В сушильной установке непрерывного действия загруз­ка и выгрузка материала происходят непрерывно, что исключает отмеченные выше недостатки, но такой процесс обусловливает усложнение конструкции сушильных установок.

Сушка представляет собой, с физи­ческой точки зрения, сложный процесс переноса теплоты и массы (влаги) в материале и в то же время не менее сложный технологический процесс, при котором необходимо обеспечить сохра­нение и даже улучшение качественных показателей материала. Технология суш­ки учитывает свойства материалов и поэтому позволяет произвести выбор рационального способа сушки и устано­вить оптимальный режим ее проведе­ния.

Особенности сушильных установок. Типы сушильных установок

Сушильные установки разнообразны по конструкции, размерам и параметрам режима, что обусловлено различиями свойств высушиваемых материалов, а также целей и масштабов сушки. Конвективная сушка крупных и кусковых изделий осуществляется в камерных и туннельных сушильных установках; сы­пучих материалов - в ленточных, шахтных, барабанных установках, в сушиль­ных установках с кипящим слоем мате­риала, в пневматических трубах-сушил­ках, в камерах с вихревыми потоками материала; жидкостей - в распылитель­ных сушилках и др.

Кондуктивные сушильные установки для сушки тонких листовых, сыпучих, жидких и пастообразных материалов конструктивно выполняются в виде бара­банов с расположенными внутри нагре­ваемыми трубами (трубчатые сушилки), в виде камер с горизонтально располо­женными нагреваемыми полыми тарел­ками (тарельчатые сушилки), в виде полых обогреваемых изнутри цилиндров или вальцев (цилиндрические или валь­цевые сушилки) и др.

При радиационной сушке теплота пере­дается к материалу излучением от спе­циально нагреваемых поверхностей (из­лучателей) или специальных ламп, кото­рые находятся в камерах сушильных установок.

В некоторых сушильных установках энергия подводится комбинированным способом в различных газообразных или жидких (часто инертных) средах, в камерах сушильных установок давле­ние повышается или понижается (на­пример, ниже тройной точки для воды), осуществляется вибрирование материала и др. Комбинирование способов подвода теплоты, осуществляемое на основе тех­нико-экономического анализа, - весьма эффективный путь интенсификации сушки.

При всем многообразии конструк­ций сушильные установки состоят из основных элементов, показанных на рис. 1.

При создании сушильных установок широко применяются специальные топ­ки, в топочные газы которых при сушке обычно добавляется воздух, устройства для выделения частиц сухого продукта из потока теплоносителя (цик­лоны, скрубберы, фильтры), охладители сухого продукта (если по технологи­ческим требованиям предусмотрено его охлаждение), питатели, затворы и др.

Рис. 1. Сушильные установки:

а - непрерывного действия; б - периодического действия; 1 - сушильная камера; 2 - подогреватель теплоносителя (паровоздушный, водовоздушный или электрический калорифер); 3 - вентилятор; 4 - дополнительный источник теплоты в камере; 5 - материал, периодически загружаемый в камеру; I - поток теплоносителя; II - поток высушиваемого материала; III - поток греющего теплоносителя

Рис. 2. Схема туннельной сушилки:

1 - вход влажного материала; 2 - вход теплоносителя; 3 - вагонетка; 4 - выход отработанного теплоносителя; 5 - дверь; 6 - выход высушенного материала; 7 - траверсная тележка; 8 - механизм передвижения вагонеток; 9 - обходной путь

Рис. 3. Схема ленточной сушилки

Рис. 4. Схема установки для сушки с кипящим слоем

Туннельные сушилки (рис. 2) пред­назначены для обезвоживания лесо­материалов, листовых (картон, плиты, шкурки), зернистых, волокнистых мате­риалов и др.

Для сушки волокнистых и зернистых материалов (например, лубоволокнистого сырья, травы, зернистых полиме­ров) применяют ленточные сушилки (рис. 3). Материал перемещается лен­точным пластинчатым конвейером 1, причем в каждой секции сушильной установки может поддерживаться свой режим сушки. Воздух нагревается в калорифере 6 и вентилятором 7 подает­ся в распределительный канал 8 и далее проходит через слой материала 4. Окна 3 обеспечивают возможность рециркуля­ции воздуха. Часть его отсасывается вентилятором 9. Подача свежего воздуха осуществляется через окно 5. Рыхли­тели 2 предназначены для более равно­мерного высушивания материала путем его периодического перемешивания.

Более сложны установки для сушки материалов с кипящим слоем (рис. 4). Теплоносителем в такой сушильной установке является топочный газ, по­лучаемый в топке 2. Вентилятором 1 в ней создается избыточное давление. Влажный материал из бункера 4 шнеком 3 подается в сушильную камеру 5. Для очистки уходящего теплоносителя предусмотрены циклоны 6, скруббер 8 и каплеуловитель 7.

В сушильных установках широко применяется рециркуляция. В этом случае воздух из сушильной камеры частично выбрасывается, а частично возвращается к вентилятору, где смешивается с наружным воздухом. Соотношение отработавшего и наружного воздуха в смеси характеризуется кратностью рециркуляции n.

Рециркуляция воздуха целесообразна в тех случаях, когда сушку необходимо осуществлять при «мягком» режиме, способствующем равномерной сушке по толщине материала. Нередко в результате такой сушки повышается качество высушиваемого материала.

Расход воздуха при сушке с рециркуляцией возрастает в n+1 раз, что приводит к увеличению расхода энергии на привод вентилятора, но одновременно повышается скорость воздуха у материала, что ускоряет процесс сушки.

Расход теплоты при сушке без рециркуляции и с рециркуляцией одинаков.