Исследование аэродинамики полидисперсной газовзвеси конверсионного карбоната кальция в трубе-сушилке

Сушка материалов широко применяется практически во всех отраслях химической промышленности, в обогащении полезных ископаемых, в производствах пищевых продуктов, и в других производствах. Сушка требует значительных затрат на тепловую энергию. Качество продуктов также зависит от режимов сушки.

В настоящее время для сыпучих материалов наиболее распространены барабанные сушилки, их влагонапряжение — А, обычно колеблется в пределах от 20 до 100 кг/м³час; сушилки кипящего слоя (с псевдоожиженным слоем) — А до 150 кг/м³час. К более новым относятся пневматические трубы-сушилки.

Трубы-сушилки широко применяются в угольной промышленности [1, 2]. В конце 20 века их стали внедрять для сушки минеральных солей, где влагонапряжение труб-сушилок достигает 600ч800 кг/м³час [3−5], т. е. в десятки раз больше, чем барабанных и сушилок кипящего слоя.

Трубы-сушилки отличаются не только высоким влагонапряжением, но и простотой конструкции, малой металлоемкостью, капитальные затраты на их строительство в несколько раз ниже по сравнению с барабанными.

Аэродинамика потоков газовзвеси, теплои массообмен в трубах-сушилках, зависящие от дисперсности материалов, от начального и конечного влагосодержания, от химического состава и других свойств, требуют новых исследований, в частности процесса сушки конверсионного карбоната кальция. Особое требование, предъявляемое к высушенному продукту — это получение карбоната кальция фракционного состава с диаметром частиц в микронах: 1ч5 — 5%; 10ч20 — 10,2%; 20ч40 — 45,6%; 40ч60 — 30,9%; 60ч100 — 8,35%. Такое требование возможно обеспечить только в процессе сушки карбоната кальция в трубе-сушилке. Например, после барабанных и шнековых сушилок для кремнефтористого натрия были установлены мельницы, так как доля частиц диаметром более 63 микрон не должна была превышать 15%. Внедрение труб-сушилок для сушки кремнефтористого натрия позволило получать такой продукт без доизмельчения [4, 5].

Теплои массообмен в трубах-сушилках определяются аэродинамикой потока газовзвеси. В данной работе приводятся результаты исследований аэродинамики газовзвеси карбоната кальция в трубе-сушилке полузаводского типа диаметром 0,069 м, длиной 4,8 м от места загрузки, производительностью, в зависимости от режима сушки, 30ч100 кг/ч карбоната кальция. Материал подается в трубу шнеком с регулируемым числом оборотов. Шнек приводится во вращение от двигателя через редуктор. Продукт улавливается в циклоне. Воздух транспортируется через установку вакуум-насосом. Опыты по изучению аэродинамики проводились без подогрева воздуха.

С помощью дисков, соединенных общей тягой, труба перекрывалась, одновременно выключали питатель и вакуум-насос. Первый диск расположен ниже места загрузки на 0,6 м, второй — выше места загрузки на 0,7 м и далее через 1 м.

Затем, начиная с нижнего диска, материал из участков трубы собирался, взвешивался. По навескам G_н, кг, определяли действительную концентрацию — µ, кг/м³, и скорость материала — w, м/с, в данном объеме V, м³, трубы-сушилки:

.

Скорость материала:

.

где G — производительность сушилки, кг/с;

L — длина участка трубы, м.

Исходную концентрацию µ_р определяли по формуле:

.

где V_г — производительность сушилки по воздуху, м³/с.

Начальная влажность карбоната кальция колеблется от 7 до 15%. Опыты по сушке показали, что при влажности 7ч9%, скорости воздуха 12 м/с провала нет. Для более влажного продукта скорость воздуха должна быть не менее 17 м/с. Поэтому опыты проводились при скоростях воздуха 12 и 17 м/с.

Графические зависимости скорости карбоната кальция по длине трубы-сушилки при скоростях воздуха 12 и 17 м/с при разных исходных концентрациях показаны на рис. 1, а изменение фактической концентрации карбоната кальция при таких же условиях изображены на рис. 2.

Рис. 1. Изменение скорости карбоната кальция по длине трубы-сушилки в зависимости от исходных концентраций и скоростей воздуха. Исходные концентрации µ_р:? — 1,430 кг/м³ при скорости воздуха 12 м/с; ¦ - 0,764 кг/м³ при скорости воздуха 17 м/с; _ - 1,009 кг/м³ при скорости воздуха 17 м/с.

Рис. 2. Изменение фактической концентрации карбоната кальция по длине трубы-сушилки в зависимости от исходных концентраций и скоростей воздуха. Исходные концентрации µ_р:? — 1,430 кг/м³ при скорости воздуха 12 м/с; ¦ - 0,764 кг/м³ при скорости воздуха 17 м/с; _ - 1,009 кг/м³ при скорости воздуха 17 м/с. аэродинамика газовзвесь карбонат кальций

Из рис. 1 видно, что скорости карбоната кальция в конце трубы почти достигают скорости воздуха и перед поворотом трубы к циклону (на 90) уменьшаются. Концентрация карбоната кальция на разгонном участке в 5ч10 раз больше, чем исходная (рис. 2), и на двух метрах устанавливается практически постоянной, перед поворотом в циклон при больших скоростях незначительно возрастает.

Повышение концентрации карбоната кальция на разгонном участке объясняется тем, что в месте загрузки материал проваливается вниз и на расстоянии приблизительно 1 м от места загрузки совершает петлеобразное движение. Из графиков следует, что на разгонном участке приблизительно 1,5−2 м от места загрузки карбоната кальция устанавливаются практически постоянные скорости w и концентрации материала µ.

В результате обработки экспериментальных данных о распределении по длине трубы-сушилки L концентрации µ карбоната кальция и его скорости w были получены уравнения, определяющие связи перечисленных функций и аргументов. В таблице 1 приведены уравнения для расчета скорости карбоната кальция w по длине трубы-сушилки, в таблице 2 — уравнения для расчета концентрации µ. Коэффициент достоверности аппроксимации R² близок к единице.

Таблица 1. Изменение скорости карбоната кальция w по длине трубы-сушилки L

Таблица 2. Изменение концентрации карбоната кальция µ по длине трубы-сушилки L

Процессы теплои массообмена в трубе-сушилке определяются аэродинамикой потока газовзвеси. Коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи зависят от относительной скорости, которая равна разности скоростей газа и материала. Поверхность теплои массообмена зависит от концентрации материала. Полученные зависимости необходимы для расчета труб-сушилок для конверсионного карбоната кальция.

Основные выводы работы.

Для тонкодисперсных продуктов, подобных конверсионному карбонату кальция, не подходят методики расчета труб-сушилок, например, для угля [1, 2]. Так, скорости газа, если считать по этим методикам, увеличенные в 20 раз по сравнению со скоростью витания самых крупных частиц, такие, что весь карбонат кальция уходит в провал.

Расчеты двух участков трубы — разгонного и со стационарным режимом, с учетом тепло — и массообмена показали, что длина трубы-сушилки получается в 2 раза меньше.

Полученные уравнения для расчета скорости карбоната кальция (табл.1) и концентрации (табл. 2) по длине трубы-сушилки могут быть использованы при проектировании труб-сушилок для карбоната кальция.

• 1. Федоров И. М. Сушка во взвешенном состоянии. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1955.
• 2. Филиппов В. А. Техника и технология сушки угля. М.: Недра, 1975. С. 287.
• 3. Сажин Б. С. Основы техники сушки. М.: Химия, 1984. С. 319.
• 4. Лисовая Г. К., Шабалин К. Н. // Химическая промышленность. 1969. № 11. С. 864−866.
• 5. Лисовая Г. К., Ведерникова М. И., Инюшкин Н. В., Говорков А. В., Новиков В. И., Винкман А. О., Пярнитс Ю. Э., Шеремет Р. И. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1969. № 5. С. 39−40.