Варианты процесса сушки
При определенном сочетании свойств сушильного агента (і и <р) и ско- рости его движения относительно материала (и) достигается тот или иной режим сушки в конвективной сушилке. Кроме этих факторов на режим сушки влияет также давление, если оно значительно отклоняется от атмосферного (сушка под вакуумом). Для обеспечения заданных режимов сушки используют различные варианты процесса сушки.
В сушилке основного варианта, т. е. работающей по основной схеме (см. рис. ХУ-5), создаются жесткие условия сушки. Это объясняется тем, что все тепло, необходимое для испарения влаги из материала, подводится однократно (в наружном калорифере) и воздух нагревается сразу до отно-
сительно высокой темпера- туры іх, являющейся обычно предельно допустимой для высушиваемого материала.
При превышении этой тем-
Рис. ХУ-8. Изображение теоретического про- Рис. ХУ-9. Сушилка с промежуточным цесса сушки с частичным подогревом воз- подогревом воздуха по зонам:
духа в сушильной камере на / я-диа- а — принципиальная схема; б — изображение
Грамме. теоретического процесса на /—.«-диаграмме.
пературы возможно разложение материала или ухудшение его качества. При нагреве в калорифере влагосодержание воздуха остается неизменным и резко падает его относительная влажность. Поэтому сушка по основной схеме происходит при значительном перепаде температур
(о, в атмосфере воздуха с малым х и низким значением ср.
В ряде случаев материалы требуют сушки в более мягких условиях: во влажном воздухе и при более низких температурах. Для этой цели в сушильной технике широко применяют различные варианты процесса сушки.
Сушка с частичным подогревом воздуха в сушильной камере. В этом процессе во внешнем калорифере (рис. ХУ-5) воздуху сообщается лишь часть тепла, а другая часть передается с помощью дополнительного калорифера К2, установленного в сушильной камере.
Для простоты на диаграмме I—х (рис. ХУ-8) изображен процесс в теоретической сушилке, работающей по этому варианту. Из диаграммы видно, что воздух нагревается во внешнем калорифере до температуры Ь, допускаемой свойствами материала (вертикаль АВ'), испарение влаги из материала изображается линией В'С. Весь процесс в сушилке представлен на диаграмме ломаной А В'С.
7. Варианты процесса сушки 601 Общее количество тепла на нагрев воздуха складывается в данном слу- іае из тепла, подводимого в основном (внешнем) калорифере qK, и тепла, лодводимого в дополнительном калорифере qA: О .... и-U I _ ЛВ' тг В'В т, Д хг — х0 1 х2 — xq DC тх DC тк ЗЛИ (АВ’ + В'В) т, АВ .. + = 'де М — отношение масштабов диаграммы. При данном суммарном удельном расходе тепла (qK + ^д) отношение иежду значениями qK и qA может меняться, что будет соответствовать перемещению точки В' между точками Л и В по линии х0 = хг = const. Эднако, как видна из выражения (XV,38) и рис. XV-8, общие расходы зоздуха и тепла в сушилке будут те же, что и в сушилке основной схемы, эаботающей при тех же начальных и конечных параметрах воздуха 'ломаная ABC). Эти расходы составляют соответственно 1,7 DCmx ^ DC Таким образом, достоинство описанного варианта сушки состой,г в том, это в камеру сушилки подводится воздух, нагретый до более низкой тем- іературьі, чем по основной схеме сушки. Это позволяет проводить процесс три перепаде температур ti — t2 меньшем, чем в сушилке основной схемы, где указанный перепад был бы равен tx—12 и потребовалось бы нагреть юздух во внешнем калорифере до температуры tt (точка В), превыша- ощей допустимую для данного материала (/і). Сушка с промежуточным подогревом воздуха по зонам. Сушилка, работающая по этой схеме (рис. XV-9), состоит из ряда зон, в каждой из которых установлен дополнительный калорифер (на рисунке для простоты токазаны только две зоны). Такой многократный, или ступенчатый, тодогрев воздуха в сушильной камере позволяет не только вести сушку з мягких условиях — при небольшом перепаде температур в камере, но ї обеспечивает более гибкие условия сушки. Воздух, нагретый во внешнем калорифере, проходит зону I, где извлекает из материала часть влаги и несколько охлаждается, после чего посту- тает в зону II, на входе в которую нагревается в калорифере /С1; сушит материал, после чего вновь подогревается в калорифере /С2, затем посту- тает в следующую зону и т. д. Таким образом, воздух проходит последовательно все зоны, в каждой із которых осуществляется процесс сушки по основной схеме. Поэтому ізменение состояния воздуха носит ступенчатый характер и изображается іа диаграмме I—х ломаной линией АВ'С'В"С"В'"С (для теоретической ;ушилки). Согласно схеме (см. рис. XV-9), отработанный воздух каждой преды- іущей ступени является исходным для последующей и нагревается в ней іри х — const. Следовательно, х0 = х0 — хц х2 = х0 — х\-, х2 — х0 = ні —. = xi, причем нижние индексы относятся соответственно к исходному, іагретому и отработанному воздуху, а верхние индексы указывают порядковый номер зоны. Вместе с тем расход абсолютно сухого воздуха одинаков для всех зон і равен его расходу для всей сушилки: VW’ = l"W" = l'"WM — L = - w DCmxqc m^-DC <™8>
602 Гл. XV. Сушка ИЛИ откуда 1Г иг 1Г" х2 — *0 х2 — Х2 х2 — Х2 *а *° *2 — *0 = (х2 ~ хй) 1Г_ и? Г" х2 Х<1 — (*2 *о) цу Х2 ~‘ х2 ~ (х2 ~ хо) ~уГ Таким образом, влагосодержание воздуха увеличивается от зоны к зоне; при этом перепад влагосодержаний в каждой зоне пропорционален отно- сительному количеству испаренной в ней влаги. Суммарный удельный расход тепла во всех зонах: q = I (АВ' + С'В" + СВ'") т1 = 1АВт] Общий расход тепла в сушилке АВт, <2 = 1*АВтЛ — С От, Следовательно, общий расход воздуха и тепла в данном случае тот же, что и в сушилке основной схемы, работающей при тех же начальных (точка А) и конечных (точка С) параметрах воздуха. Однако, как видно из рис. ХУ-9, температура нагрева воз- духа в рассматриваемом варианте зна- чительно ниже, чем в сушилке основ- ной схемы (^ <2 /3). Действительную сушилку, работаю- щую по этому варианту, рассчитывают последовательно от зоны к зоне, про- изводя построение процесса для каж- дой зоны так же, как для сушилки основной схемы (с однократным исполь- зованием воздуха). Для каждой зоны, в соответствии с количеством испаренной в ней влаги {№', ит. д.), определяют значение А (А', А", ... и т. д.), причем А для различных зон могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. При расчете задаются двумя 3 параметрами отработанного воздуха на выходе из сушилки (обычно и фй) и двумя параметрами (/ и ф) нагретого или отработанного воздуха для каждой зоны, которые должны соответствовать намеченному режиму сушки по зонам. На диаграмме I—х (рис. XV-10) сначала строят процесс в теоретиче- ской сушилке, работающей при тех же начальном и конечном параметрах воздуха, т. е. по точкам А (х0, ф0) и С (^а, ф2), и получают ломаную АВС. Отрезок на оси абсцисс диаграммы, отвечающий х2—х0, делят на части, пропорциональные количествам испаренной по зонам влаги . . ., и получают точки, характеризующие влагосодержание отработанного воздуха по зонам (х\, х%, . . .). Из этих точек проводят линии Рис. ХУ-10. Изображение на /—х-диа- грамме процесса реальной сушки с промежуточным подогревом воздуха / по зонам.
7. Варианты процесса сушки 603 с — const, ограничивающие пределы изменения состояния воздуха в каж- юй зоне. Дальнейшее построение осуществляют последовательно для scex зон, начиная от первой, как для сушилок основной схемы (см. рис. SV-7). Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха. При сушке то. этой схеме (рис. XV-11) часть отработанного воздуха возвращается i смешивается перед наружным калорифером со свежим воздухом, посту- тающим в сушилку. В некоторых схемах смешение отработанного воз- lyxa со свежим может происходить после наружного калорифера. Параметры смеси, получаемой при смешении L0 кг!ч свежего и La кг[ч угработанного воздуха (в пересчете на абсолютно сухой воздух) с различ- шми параметрами (х0, /0 л х2, /2), можно опреде- гшть, пользуясь правилом аддитивности: LqXq -}- ^2А*2 *см~ l0 + l2 Zff, h Lot о LJ, Разделив все члены, правой части полученных уравнений на и обозначив отношение £2Д.<> = п (кратность смешения),, находим /с Хп ■ 1 —{— ҐІ /0 + п1г 1 -]-• П> Решая уравнения (XV,39) и (XV,40) относительно п и прирав- нивая полученные выражения, най- дем уравнение связи между пара- метрами компонентов и смеси: *СМ *0 _ ^СМ /| /с (XV,41) 1*2 ХСМ Уравнение (XV,41) изобразится (XV, 39) (XV, 40) Рис. XV-11. Сушилка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха: а — принципиальная схема; б — изображение теоретического процесса на i^rX-диаграмме. на диаграмме /—х прямой, проходящей через точки, характеризующие состояние компонентов смеси (свежего и отработанного воздуха). Точка, отвечающая составу смеси, делит эту прямую на отрезки, находящиеся в отношении LJL0 = п). В соответствии с этим построение процесса на I- х-диаграмме для теоретической сушилки с частичной рециркуляцией воздуха (см. рис. XV-11) проводят следующим образом. Пусть заданы составы свежего воздуха (точка Л), отработанного воздуха (точка С) и кратность смешения п. Соединяя точки Л и С прямой, находят положение точки М, которая делит прямую АС в отношении АМ/МС = L2/L0 — п■ Из точки М проводят линию хсм — const до пересечения С линией /2 = /i = const, проводимой из точки С. Точка пересечения характеризует состав воздуха на входе в сушильную камеру, а изотерма t\, проходящая через точку Въ— температуру нагрева этого воздуха (смеси свежего и рециркулирующего воздуха). Если же заданы составы свежего и отработанного воздуха (точки Л и С) и допустимая температура нагрева смеси свежего и рециркулирующего воздуха /i, то положение точки Вг находят по пересечению линии — /1 — const, проведенной из точки С, с заданной изотермой h =
604 Гл. XV. Сушка const. Опуская из точки Вх вертикаль до пересечения с прямой АС, находят положение точки М, характеризующей параметры смеси свежего и рециркулирующего воздуха (tCM, хсм, фсЫ). Отрезок AM изображает процесс смешения свежего и отработанного воздуха, отрезок MBг — нагрев смешанного воздуха в наружном кало- рифере и линия ВХС — изменение состояния воздуха в процессе сушки. Таким образом, весь процесс в целом изображается ломаной АМВХС. Построение процесса в действительной сушилке производится после построения его в теоретической (работающей в тех же пределах изменения состояния воздуха) так же, как было описано выше (см. стр. 598). Из 1—х-диаграммы (см. рис. XV-11) видно, что удельный расход свежего воздуха составляет (в кг сухого воздуха на 1 кг влаги): 1 (XV,42) хг — х0 CDm ■х
Следовательно, расход свежего воздуха (в пересчете на сухой воздух) будет одинаков для данной Сушилки и сушилки основной схемы, работающей при тех же значениях t0, ф0 и /2, ф2, процесс в которой изображается ломаной ЛВС на рис. XV-?, а.
Удельный расход смеси свежего и рециркулирующего воздуха в пересчете на сухую массу составит (в кг сухого воздуха на 1 кг влаги):
1см = хг-~ хем = сЩтх (ХУ’43)
Удельный расход тепла на калорифер:
<7к - /см (Iг - /см) = <ХУ’44>
х2 — -*см тх
Как видно на рис. ХУ-11, из подобия треугольников МВХС и ЛВС вытекает, что МВ1/С01 = АВ/СИ, т. е. расходы тепла в данной сушилке и сушилке основной схемы (при тех же пределах изменения состояния воздуха) будут одинаковы.
При сушке с частичной циркуляцией материал сушится при более низких температурах воздуха, чем в сушилке основной схемы (?1 <• t1). Вместе с тем сушка происходит в среде более влажного воздуха, так как влагосодержание смеси хсм больше влагосодержания свежего воздуха х0. Такой режим сушки желателен для материалов, которые при неравномерной сушке воздухом с низкой влажностью при высоких температурах могут подвергнуться разрушению (например, керамические изделия). Воздух с высоким влагосодержанием хсм получается по этой схеме без затрат пара на его искусственное увлажнение. При добавлении части отработанного воздуха к свежему увеличивается объем циркулирующего воздуха, а следовательно, и скорость его движения через сушилку, что способствует более интенсивному тепло- и влагообмену.
Надо иметь в виду, что для сушилки с рециркуляцией требуется больший расход энергии на вентилятор и большие капитальные затраты, чем для сушилки основной схемы. В связи с этим выбор кратности циркуляции воздуха следует производить на основе технико-экономического расчета.
Разновидностью сушилок с рециркуляцией являются сушилки с замкнутой циркуляцией (конденсационные). Из такой сушилки весь отработанный воздух (или газ) направляется в конденсатор, в котором охлаждается и теряет часть влаги, при этом его влагосодержание снижается до исходного (х0 = *,). После конденсатора воздух нагревается в наружном калорифере до температуры /х. Эти сушилки требуют больших расходов тепла, капитальных и эксплуатационных расходов, чем сушилки с частичной рециркуляцией.
В химической промышленности конденсационные сушилки используют при необходимости производить сушку в чистом, не содержащем пыли воздухе, а также при удалении из
7. Варианты процесса сушки 605 высушивае!мого материала ценных паров неводных растворителей. В последнем случае на линии рециркуляции воздуха вместо конденсатора могут быть установлены адсорберы с раз- личными поглотителями. Сушка с промежуточным подогревом и рециркуляцией воздуха по зонам. Этот вариант сушильного процесса совмещает достоинства обоих вариан- тов, из которых он состоит, и применяется в тех случаях, когда предъяв- ляются высокие требования к равномерности сушки во влажном воздухе при относительно низких температурах. В сушилке, работающей по такой схеме (рис. ХУ-12), частичная рецир-, куляция воздуха осуществляется вентиляторами (6Ь Ь2 и Ъ3), находящи- мися в зонах сушилки. Перед сушилкой смешива- ются свежий воздух (ха- рактеризуемый точкой А на диаграмме /—х) и часть конечного отработанного воздуха, состояние кото- рого определяется точкой С3. Эта смесь свежего и рециркулирующего возду- ха, параметры которой со- ответствуют точке М, в свою /. очередь смешивается с отработан- ным воздухом первой зоны, пара- метры которого характеризуются точкой С,. Новая смесь, имеющая состав, отвечающий точке М1, по- дается вентилятором вх зоны I в калорифер Кг и нагревается в нем (точка Вх). Далее смесь поглощает влагу из материала в [зоне /, при этом ее состояние изменяется по линии ВХС1 (для простоты на диаграмме изображен процесс в трехзонной теорети- ческой сушилке). Состав отрабо- танного воздуха первой зоны ха- рактеризуется точкой С1( а весь цикл изменения состояния возду- ха в этой зоне — замкнутой ло- маной ММ1В1С1М1. Часть отра- ботанного воздуха зоны / рецир- кулирует в зоне, а другая часть поступает в следующую зону II. Здесь отработанный роздух первой зоны (точка Сг) смешивается с ча- стью отработанного воздуха второй зоны (точка С2), смесь направляется в калорифер К2, после чего поглощает влагу из материала в зоне II и т. д. Процессы изменения состояния воздуха в зоне I (ММ^В^гМг), в зоне II (СхМ2В2С2Мг) и зоне III (С2М3В3С3М3) протекают аналогично, причем в каждой зоне осуществляется многократная циркуляция воз- духа. Из диаграммы I—х видно, что построение процесса в каждой зоне производится как для сушилки с частичной рециркуляцией, а процесс в целом строится как для сушилки с промежуточным подогревом воздуха по зонам. Высокая степень равномерности сушки достигается в этих условиях за счет большего расхода энергии, чем в сушилках с промежуточным нагревом воздуха. Рис. XV-! 2. Сушилка с промежуточным подогревом и рециркуляцией воздуха по зонам: а — принципиальная схема; б — изображение теоретического процесса на /— дг-диаграмме.
606 Гл. XV. Сушка Помимо последнего варианта возможны и другие сложные варианты сушки, полученные комбинированием в одной схеме простых вариантов, описанных выше. Такие схемы позволяют обеспечить наиболее благоприят* ные с технологической точки зрения и экономичные режимы сушки. Сушка топочными газами. В настоящее время все более широкое распространение приобретает сушка топочными газами, используемыми для сушки не только неорганических, но и органических материалов. Это объясняется в первую очередь тем, что температура топочных газов значительно выше температуры воздуха, нагреваемого перед сушкой. В результате влагопоглощающая способность газов во много раз больше влагопоглощающей способности воздуха и соответственно больше потенциал сушки (см. стр. 590). В качестве сушильного агента применяют газы, полученные либо сжиганием в топках твердого, жидкого или газообразного топлива, либо отработанные газы котельных, промышленных печей или других установок. Используемые для сушки газы должны быть продуктами полного сгорания топлива и не содержать золы и сажи, загрязняющих высушиваемый материал в условиях конвективной сушки. С этой целью газы подвергаются сухой или мокрой очистке перед поступлением в сушилку. Обычно температура топочных газов превышает предельно допустимую для высушиваемого материала и поэтому их разбавляют воздухом для получения сушильного агента с требуемой температурой. Для расчета газовых сушилок необходимо знать параметры топочных газов, прежде всего их влагосодержание х и энтальпию I. Влагосодержа- ние топочных газов х (в кг!кг сухих газов) определяется отношением количества водяного пара к количеству сухих газов Г, получаемых при сжигании 1 кг топлива: Значения йп и Сс. г рассчитываются по формулам для процесса сжигания топлива в зависимости от вида последнего (например, твердое или газообразное). Энтальпия топочных газов I зависит главным образом от высшей теплотворной способности топлива и коэффициента избытка воздуха в топке а: где % — к. п. д. топки; ст — средняя удельная теплоемкость топлива (при средней температуре /т); — теоретическое количество абсолютно сухого воздуха (необходимого для сжигания 1 кг топлива), определяемое по элементарному составу топлива; /0 — энтальпия наружного воздуха; и |'п — количество водяного пара, используемого в топке для дутья или распыления (или содержащегося в газообразном топливе), и энтальпия этого пара соответственно. Тепло 1 кг топлива (ст/т) и тепло, вносимое в топку с паром (№УП)» относительно мало влияют на величину I. Расчетные формулы для определения величин, входящих в уравнения (XV,45) и (XV,46): Ь0, Ос г, <7П, т]т и а — приводятся в курсах котельных установок и в специальной литературе по сушке. При обычных значениях коэффициентов избытка воздуха а ^ 3—5 плотности и темплоемкости топочных газов и воздуха очень близки. Поэтому при графоаналитическом расчете газовых сушилок можно пользоваться 1—.^-диаграммой для влажного воздуха, но построенной для более высоких температур. Для сушки топочными газами применяются главным образом сушилки, работающие по основной схеме, а также сушилки с частичной рециркуля- (XV,45) / = 3£чт + сА + «Уо + иуп Ос. г (ХУ,46)
7. Варианты процесса сушки 607 щей газов. Построение процесса в сушилке основной схемы показано 1а рис. XV-13. После определения (исходя из принятых значений а и к. п. д. топки) злагосодержания и энтальпии топочных газов по уравнениям (XV,45) 1 (XV,46) находят по диаграмме положение точки Г, характеризующей юстояние газов по выходе из топки. Соединяя прямой точку Г с точкой А, зыражающей состояние наружного воздуха, определяют, в зависимости >т принятого соотношения количеств газов и воздуха [см. уравнение 'XV,41)], положение точки М на прямой АГ. Эта точка характеризует юстояние смеси газов и воздуха, т. е. сушильного агента, перед входом з сушилку; наклонная прямая АМ изображает процесс смешения газов : воздухом. Наклон прямой АМ тем меньше, чем больше влажность топ- тива и чем меньше его теплотворная :пособность. Дальнейшее построение лроцесса проводят так же, как для действительной воздушной сушилки (см. стр. 598 сл.). Расход смеси топочных газов с воз- цухом определяется по уравнению L- 1 С Dm. Расход топлива на сушку В-- (XV,47) (XV,48) Ж й7 — масса злаги. испаряемом из материала Увеличение влагосодержания смеси топочных газов и воздуха по сравнению с влагосодержанием наружного воздуха, равное хх—х0, обусловлено Рис. ХУ-13: Построение на /—^-диаграмме процесса сушки топочными газами (основной вариант процесса суш- . ки). испарением влаги при сжигании топ- лива, а также окислением водорода топлива и содержащихся в нем углеводородов (особенно при сжигании в топке газообразного топлива). Таким образом, увеличение влаго- гадержания смеси происходит вне камеры сушилки. Состояние газов без учета тепла испарения влаги и окисления некоторых компонентов топлива в топке изобразится на диаграмме точкой К (см. рис. XV-13), лежащей на пересечении линий — const и ха = const. Соответственно расход тепла на 1 кг испаренной влаги без учета тепла, затрачиваемого на испарение всей влаги топлива при его сжигании, а также без учета потерь тепла топкой определяется следующим образом Чі- АК CD м (XV,49) Сравнивая значение ^ с удельным расходом тепла в воздушной сушилке, работающей при одинаковых начальных и конечных параметрах сушильного агента, можно установить, что удельный расход тепла на кг испаренной влаги больше в газовых сушилках, чем в воздушных (<?1 *> Ф- Однако критерием сравнения указанных сушилок должен быть не удельный расход тепла, а расход топлива на 1 кг испаренной влаги, который ниже для сушилок, работающих на топочных газах. Экономия топлива, а также меньшие капитальные затраты (в связи с отсутствием воздухонагревательных устройств) относятся к числу преимуществ сушки топочными газами по сравнению с сушкой горячим воздухом.
COS Гл. XV. Сушка