Испытание сушилки кипящего слоя с импульсной подачей сушильного агента

Аннотация: В статье представлены результаты испытания разрабатываемой сушилки с кипящим слоем инертных тел с импульсной подачей сушильного агента. Показаны основные достоинства и недостатки применения подобного способа подачи газа. Указаны перспективные направления развития подобных аппаратов для сушки высоковлажных продуктов.

Сушка зернистых материалов в кипящем слое является одним из наиболее распространенных методов организации взаимодействия сушильного агента с твердой фазой. Этот метод применяется в химической и пищевой промышленности для высушивания зернистых и порошкообразных материалов. В аппаратах с кипящим слоем характер процесса сушки непосредственно влияет на качество получаемой продукции. При этом кинетика сушки в основном определяется взаимодействием влажных частиц зернистого материала между собой, с сухим продуктом и со стенками аппарата. На характер взаимодействия частиц материала влияют такие факторы как: форма аппарата, скорость движения сушильного агента, место подачи высушиваемого материала, режим кипения.

При постоянном увеличении скорости сушильного агента в аппарате с кипящим слоем наблюдается последовательно несколько гидромеханических режимов. Сначала наблюдается неподвижной слой, в котором происходит процесс фильтрования газа через зернистый слой. Далее наблюдается, как правило, однородное псевдоожижение высушиваемого зернистого материала (при скорости сушильного агента близкой к скорости начала псевдоожижения). Дальнейшее повышение скорости приводит к появлению определенных неоднородностей слоя, проявлению пузырей, каналов. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к сильным пульсациям слоя и к явлению уноса зернистого материала из слоя (слой разрушается).

Как правило, ярко выражены такие режимы для однородных слоев состоящих из мелких частиц. В случае если происходит сушка неоднородных слоев в которых присутствуют как мелкие так и крупные частицы, то однородный режим псевдоожижения слабо выражен и практически сразу наступает режим неоднородного псевдоожижения.

Наличие неоднородностей в слое, как правило, приводит к ухудшению качества высушиваемого продукта. Так формирование в кипящем слое каналов приводит к локальному перегреву отдельных частиц материала (что, например, неприемлемо для термолабильных продуктов). Для борьбы с неоднородностями полидисперсных слоев предлагается использовать импульсную подачу сушильного агента в слой, со скоростью близкой к скорости начала псевдоожижения.

При этом возможна импульсная подача сушильного агента через всю решетку или через определенные её части с изменением периода и частоты подачи сушильного агента по времени. На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки с реализацией импульсного режима движения сушильного агента. Разработанная установка базируется на основе сушилки, хорошо себя зарекомендовавшей в исследованиях кинетики сушки жидких продуктов в кипящем слое инертных тел [1, с. 13; 2, с.72].

Рис. 1. Схема экспериментальной установки с импульсной подачей сушильного агента: 1 – вентилятор, 2 – калорифер, 3 – импульсное устройство распределения потока газа, 4 – сушилка, 5 – выброс в пылеулавливающую аппаратуру, 6 – места подачи влажного продукта, 7 – сброс сушильного агента в атмосферу, 8 – привод импульсного устройства.

Для визуализации характера кипения слоя частиц нами дополнительно применялась щелевая визуальная установка [3, с. 82]. В ней применялись в основном шарообразные частицы при использовании различных конструкций газораспределительной решетки (пористая,  щелевая, колпачковая). В качестве сушильного агента использовался воздух с температурой от 20 до 120 °С. Для заданного эксперимента изменялся только тип решетки, а количество частиц в слое, высота, скорость сушильного агента, размеры аппарата оставались неизменными. Параметры импульсной подачи (скорость, частота, время) изменялось последовательно в заданном диапазоне. Наблюдения за характером псевдоожижения ведутся визуально. Параллельно производится видеосъемка характера поведения кипящего слоя с анализом скорости движения отдельных частиц, а также появление неоднородности слоя с помощью специальной компьютерной программы. Обработка экспериментальных данных производится в виде зависимостей количества наблюдаемых неоднородностей, их размеров от скорости газа и конструкции решетки.

Отметим некоторые особенности, полученные при испытании рассмотренной конструкции. В случае непрерывной загрузки зернистого материала в нижнюю часть слоя (практически над решеткой) активного выноса материала из кипящего слоя практически не происходит. При этом наблюдается слипание частиц влажного зернистого материала между собой. В этом случае, повышение расхода влажного материала подаваемого в аппарат, даже при скоростях сушильного агента близких к скорости уноса, приводит к уменьшению уноса материала из слоя. Соответственно данный эффект приводит к увеличению времени нахождения высушиваемого зернистого материала в слое, а следовательно возможно испытание сушилки при работе на пониженных температурах сушильного агента. Однако применение подобного режима к однородному слою шарообразных частиц показало негативное влияние пульсирующего режима при повышенной загрузке зернистого материала в слой на вынос материала из аппарата. Таким образом, исследованный режим подачи сушильного агента можно рекомендовать к применению в установках для каталитического крекинга и в печах обжига.

Обработка экспериментальных данных указывает на некоторую функциональную зависимость влияния частоты импульсов подачи сушильного агента, скорости потока и расхода питания аппарата на качественные характеристики высушиваемого продукта. На данный момент ведется поиск физически обоснованного вида зависимости, позволяющего оценить кинетические характеристики процесса сушки, аналогично показанному в работе [4, c. 654].

Основным недостатком предлагаемого способа подачи сушильного агента является понижение герметичности узла формирования импульсов и как правило повышенный напор газа (по сравнению с классической схемой), что может быть неприемлемым при работе с сушилками высокой мощности.

В дальнейшем направлении исследования пульсирующей подачи сушильного агента предполагается разработка определенной конструкции газораспределительной решетки. Возможно внесение в конструкцию аппарата определенного ввода отбойников или турбулизаторов (завихрителей) потока (в сепарационную часть), а также оценка времени работы сушильного аппарата при продуве и при изменении скорости на заданном режиме.

Список литературы

1. Пахомов А. Н. Исследование характера кипящего слоя в сушилке с инертными телами / Пахомов А. Н., Скрипникова С. Г., Сироткин А. О., Загребнев Р. С. // Инженерный вестник Дона. – 2016. – Т. 40. – № 1 (40). – С. 13.
2. Пахомов А. Н. Некоторые особенности моделирования сушилки с кипящим слоем инертных тел / Пахомов А. Н., Васенина С. В., Бирюкова И. А., Комбарова Е. Ю., Позднышева И. Г. // Инженерный вестник Дона. – 2016. – Т. 43. – № 4 (43). – С. 72.
3. Пахомов А. Н. Кинетические особенности сушки капель жидких дисперсных продуктов на подложках / Пахомов А. Н., Гатапова Н. Ц., Пахомова Ю. В. // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе. Сборник научных статей Первых Международных Лыковских научных чтений, посвящённых 105-летию академика А. В. Лыкова. – 2015. – С. 81–83.
4. Пахомов А. Н. Оценка кинетических характеристик процесса сушки жидких дисперсных продуктов / Пахомов А. Н., Хатунцева Е. А., Елизарова В. А., Банин Р. Ю., Черных Е. А. // В мире научных открытий. – 2015. – № 4.1 (64). – С. 653–661.

 

Материал поступил в редакцию 18.05.2017
© Пахомов А. Н., Васенина С. В., Бирюкова И. А., 2017