Введение

Сушка — один из самых энергоемких процессов, поэтому в области техники сушки экономия энергетических ресурсов проб­лема актуальная. Создание высокоэффективных и экономичных типовых сушильных аппаратов и установок позволит значитель­но снизить энергоемкость сушки. Для разработки таких аппа­ратов и установок необходимы методы комплексного анализа влажных материалов и их классификация как объектов сушки.

До сих пор нет единой классификации материалов как объ­ектов сушки, на основании которой можно было бы выбрать рациональный тип сушильного аппарата.

При классификации материалов как объектов сушки нельзя исходить только из оценки поведения материала в том или ином (даже типовом, и тем более не типовом) сушильном  аппарате. Классификация должна отражать результаты комплексного ана­лиза материала как объекта сушки и включать не более трех — четырех обобщенных показателей, из которых один (доминирующий) определяет класс (группу) материала по данной клас­сификации, а остальные — подгруппу и разряд.

Доминирующий показатель должен отражать природу мате­риала и не зависеть от условий сушки (например, коэффициент диффузии нецелесообразно выбирать в качестве  доминирующего показателя, так как он зависит от температуры сушки и других режимных параметров).

В разработанной автором с сотрудниками классификации [100, 145] на основе доминирующего показателя — критического радиуса пор — все влажные материалы делятся на 4 группы в порядке уменьшения критического диаметра пор, которому соответствует усложнение внутрипористой структуры материала и увеличение диффузионного сопротивления движению влаги (в виде жидкости или пара) к поверхности частиц, а следова­тельно, увеличение продолжительности сушки и усложнение форм связи влаги с материалом.

При делении каждой группы на подгруппы учтены адгези- оннокогезионные свойства материала (налипание на металли­ческие поверхности, комкование и т. д.), которые в значитель­ной степени определяют рациональную конструкцию сушильной установки, а также конструкцию загрузочных устройств. Для учета этих свойств введен ранг адгезионно-когезионного коэф­фициента, который изменяется с изменением этих свойств (К_а-к изменяется от 1 до 5).

К первой группе отнесены материалы с критическим диамет­ром пор более 100 нм (первая подгруппа К_а-к= 1, вторая под­группа К_а-к — до 3). Продолжительность сушки материалов первой группы невелика (например, во взвешенном слое 0,5— 3,0 с). Во вторую группу входят материалы с критическим диаметром пор от 100 до 6 нм (первая подгруппа К_а-к=1, вторая подгруппа К_а-к до 3, третья подгруппа К_а-к от 3 до 5). Продол­жи гельность сушки материалов второй группы значительно больше, чем первой (во взвешенном слое — до 30 с). К третьей группе отнесены материалы с критическим диаметром пор от 6 до 2 нм. Продолжительность сушки таких материалов состав­ляет минуты и десятки минут. Материалы четвертой группы, критический диаметр пор которых менее 2 нм, характеризуются очень низкой скоростью сушки, при этом продолжительность сушки исчисляется часами. При выборе типа сушильного аппа­рата для материалов четвертой группы следует учитывать и размер частиц высушиваемого материала.

На основе предложенной классификации можно осуществить переход от статики к кинетике сушки, используя принцип соот­ветственных состояний. Зная кинетику сушки  характерных пред­ставителей каждой группы в условиях, близких к оптимальным, а также скорость удаления влаги из пор различных групп, мож­но по принадлежности материала к той или иной группе и ха­рактеристике порового пространства (распределение пор по диаметрам, объем пор различных диаметров) рассчитать и по­строить кривую кинетики сушки данного материала в условиях, близких к оптимальным, и выбрать рациональный тип аппара­та, а также активный гидродинамический режим.

Вакуумные сушильные шкафы для низкого вакуума

Активные гидродинамические режимы могут быть реализо­ваны, в частности, при рациональном применении взвешенного слоя. Различают [97, 98] четыре группы режимов  взвешенного слоя: псевдоожижение (в том числе кипящий, виброкипящий, проходящий кипящий слой), фонтанирование (в том числе фон­танирующий слой, свободное фонтанирование), пневмотранспорт (восходящий, нисходящий, горизонтальный, «дюнами» и др.) и закрученные потоки (одиночные потоки с направляющими ка­налами и без них, встречные и спутные закрученные потоки, вихревой слой и др.).

Необходимо отметить, что режим проходящего кипящего слоя реализуется в аппаратах с вертикальными стенками, а ре­жим свободного фонтанирования — в аппаратах с  наклонными стенками, причем и тот и другой режим возможен при сушке только таких материалов, скорость витания частиц которых су­щественно уменьшается в процессе сушки [92, 105].

Мерой активности гидродинамического режима должен быть комплексный показатель, учитывающий, с одной стороны, тех нологический эффект от применения данного режима (интенси­фикация процесса при достаточной гидродинамической устойчи­вости слоя в этом режиме, «удовлетворительной гидродинами­ческой модели», обеспечивающей требуемую степень однород­ности обработки частиц и безопасность процесса), и, с другой стороны, экономичность технологического процесса (высокую степень использования сушильного агента).

Из изложенного следует, что высокий показатель гидродина­мической активности для материалов, имеющих макропоры со свободной и слабосвязанной влагой, может быть реализован только при режимах с высокими скоростями и температурами теплоносителя и малой продолжительностью пребывания мате­риала в зоне обработки.

Экономия энергетических ресурсов может быть достигнута также в результате совмещения процессов механического обез­воживания и сушки, сушки и измельчения, сушки и  грануляции (из растворов, суспензий, расплавов, термогрануляция порош­ков), сушки и капсулирования, сушки и термообработки, сушки и улавливания, а также с одновременным проведением хими­ческой реакции.

Примером многофункционального аппарата с управляемой гидродинамикой может служить аппарат со встречными закру­ченными потоками, предназначенный для сушки с  одновремен­ным пылеулавливанием, сушки и термообработки, обезвожива­ния и грануляции, а также для проведения ряда других процес­сов химической технологии (абсорбции, кондиционирования, де­сорбции) [95, 96, 97, 99, 106].

При использовании аппаратов со встречными закрученными потоками в качестве пылеуловителей производительность по га­зовой фазе достигает 200 тыс-м³/ч (одиночного  аппарата диа­метром 2 м), а в случае использования батареи аппаратов — до 500 тыс-м³/ч при степени очистки до 99,8% от пыли с размера­ми частиц по 2—3 мкм. Таких показателей не имеют другие из­вестные пылеуловители, в том числе типовые циклоны. Кроме того, аппараты со встречными закрученными потоками не чув­ствительны к изменению нагрузки по газовой фазе и концент­рации пыли.

Регулируя переток газовой фазы из пристенного потока в центральный, можно добиться того, что обрабатываемый мате­риал в аппарате со встречными закрученными потоками  не бу­дет касаться стенок аппарата, а это имеет большое практичес­кое значение при обработке материалов с сильными адгезионно- когезионными свойствами.

Автор не ставил своей целью дать анализ всех исследова­тельских и расчетных работ по сушке, выполненных отечествен­ными и зарубежными исследователями, а также  рассмотреть все конструкции сушилок химических производств. Рассмотре­ны лишь те работы, которые связаны с основной идеей пред­лагаемой книги — изложением научных основ создания высокоэффективных типовых аппаратов на базе комплексного анализа материалов как объектов сушки.