авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса инфракрасной сушки полиакриламидного геля

На правах рукописи

ЗАЙЦЕВ Дмитрий Борисович Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса инфракрасной сушки полиакриламидного геля Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2010 1

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ) на кафедре «Автоматизированное конструирование машин и аппаратов».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Тимонин Александр Семенович

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович доктор технических наук, профессор Шаталов Александр Леонидович

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения» («НИИхиммаш»), г. Москва

Защита диссертации состоится « 21 » января 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д при 212.145. Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 24/1, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Автореферат разослан и размещен на сайте www.msuie.ru «» декабря 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Трифонов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из водорастворимых полимеров, получивших широкое распространение и привлекающих постоянное внимание исследователей, является полиакриламид (ПАА). Комплекс ценных свойств, относительная дешевизна и большой объем промышленного производства ПАА определили его интенсивное использование в различных областях техники и технологии.

Особенно широко ПАА применяется в качестве флокулянта в процессах очистки и осветления питьевой, промышленной и сточных вод. В нефтедобывающей промышленности ПАА применяется для различных целей:

при бурении в качестве стабилизатора, регулятора фильтруемости и реологических свойств буровых растворов, ускорителя проходки пород и структурообразователя почв для укрепления стенок скважин;

при вторичной добыче нефти добавки ПАА уменьшают подвижность закачиваемой в пласт воды, что способствует лучшему вытеснению нефти из пористых пород.

Следует отметить, что темпы роста производства не удовлетворяют потребностей, которые ежегодно возрастают на 8-10%. Поэтому актуальны разработка и совершенствование технологии производства ПАА.

Наиболее перспективной является недавно разработанная технология получения ПАА высокой чистоты биотехнологическим способом. Согласно данному способу, гидратацию акрилонитрила в водной среде осуществляют в присутствии биокатализатора, содержащего микроорганизмы, обладающие нитрилгидратазной активностью. В соответствии с данной технологией, по завершению процесса полимеризации получают ПАА в виде геля с влажностью около 75%, содержащего в основном осмотически связанную влагу. Но транспортировка и использование его в таком виде экономически нецелесообразно, поэтому технологией производства ПАА предусмотрены стадии его измельчения и сушки до конечной влажности 9%.

В промышленности в основном используют конвективный способ сушки в ленточных сушилках. Однако данный способ не позволяет достигать высокой интенсивности сушки, а при повышении температуры сушильного агента приводит к деструкции материала и потере его потребительских качеств.

Поэтому актуальными являются задачи поиска новых способов сушки и конструкций аппаратов, которые обеспечивали бы высокую скорость сушки ПАА геля при надлежащем качестве готового продукта и позволяли бы экономить энергетические затраты на реализацию процесса.

Одним из перспективных методов интенсификации процесса термообработки коллоидных влажных материалов является использование радиационного энергоподвода при помощи инфракрасных (ИК) излучателей.

Вопросам исследования процессов сушки различных материалов с помощью ИК-излучения посвящено большое число работ как отечественных:

А.С. Гинзбурга, В.И. Коновалова, В.В. Красникова, С.Г. Ильясова, П.Д. Лебедева, Б.И. Леончика, А.Г. Липина, А.В. Лыкова, Ю.М. Плаксина, С.П. Рудобашты, Б.С. Сажина, так и зарубежных авторов: Cote, Hallstrm, Hasatani, Kuang, Lampinen, Mujumdar, Navarri, Therien, Sandu, в которых была рассмотрена кинетика процесса ИК-сушки целого ряда материалов, описаны конструкции сушилок для реализации процесса.

Однако в литературе отсутствуют данные о влиянии технологических параметров на кинетику сушки измельченного ПАА геля высокой чистоты при ИК-энергоподводе, также отсутствует методология расчета оборудования для проведения данного процесса, что и определило проведение данной исследовательской работы.

Цель работы. Изучение закономерностей процесса радиационно конвективной сушки измельченного ПАА геля высокой чистоты с использованием керамических и кварцевых ИК-излучателей с последующей разработкой энергосберегающей ИК-технологии сушки.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:



1) создание автоматизированной экспериментальной установки для исследования процесса ИК-сушки ПАА геля;

2) создание программного обеспечения для обработки и архивирования экспериментальных данных, с целью увеличения функциональных возможностей сушильной установки;

3) исследование влияния технологических параметров на кинетику сушки ПАА геля для различных типов ИК-излучателей;

4) анализ кинетических закономерностей процесса сушки ПАА геля в зависимости от способа энергоподвода и режима сушки;

5) описание массопереноса в процессе ИК-сушки ПАА геля высокой чистоты;

6) разработка энергосберегающей технологии процесса ИК-сушки ПАА геля и методики расчета оборудования для его осуществления.

Объект исследования. Объектом исследования являлся процесс сушки измельченного полиакриламидного геля высокой чистоты, получаемого из синтезированного биотехнологическим способом акриламида.

Методика исследований. Поставленные задачи решены путем проведения экспериментальных и теоретических исследований. В работе использованы теоретические положения тепло- и массообмена, математической статистики, а также методы физического моделирования и математической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

1) уточнена и подтверждена экспериментальными исследованиями математическая модель процесса сушки ПАА геля, учитывающая влияние усадки материала в ходе процесса сушки при радиационно-конвективном энергоподводе;

2) показано, что введение конвективного энергоносителя значительно интенсифицирует процесс сушки ПАА геля по сравнению с «чистым» ИК-энергоподводом. Это связно с более равномерным распределением поля температур между поверхностными и глубинными слоями и, как следствие, снижением температурного градиента в начале процесса сушки, а также более интенсивным уносом паров влаги от поверхности материала;

3) на основании проведенных исследований по сушке ПАА геля при непрерывном инфракрасном и радиационно-конвективном энергоподводах была показана перспективность применения кварцевых ИК-излучателей по сравнению с керамическими, позволяющими снизить время сушки от 10 до 22 %, в зависимости от условий проведения процесса;

4) установлены регрессионные зависимости среднеобъемной температуры материала, температуры его поверхности и обобщенного коэффициента массоотдачи ПАА геля от среднеобъемного влагосодержания, температуры и относительной скорости движения сушильного агента, высоты слоя материала и удельной мощности, подаваемой на излучатели;

5) определена зависимость обобщенного коэффициента массопроводности ПАА геля от среднеобъемных значений его влагосодержания и температуры.

Практическая ценность:

1) показана практическая целесообразность и эффективность применения кварцевых ИК-излучателей для сушки ПАА геля;

даны рекомендации по технологическим режимам сушки ПАА геля;

2) предложена новая энергосберегающая технология процесса сушки измельченного ПАА геля высокой чистоты и разработана методика инженерного расчета процесса радиационно-конвективной сушки ПАА геля в ленточной сушилке, которая была использована при расчете промышленной сушилки для ООО «Саратовский химический завод акриловых полимеров «АКРИПОЛ», г. Саратов;

3) в ходе экспериментов, проведенных при осциллирующем ИК-энергоподводе для кварцевых излучателей, была показана возможность снижения удельных энергозатрат на работу ИК-излучателей. Однако принимая во внимание увеличение в несколько раз продолжительности проведения процесса сушки и, как следствие, увеличение энергозатрат на работу привода и прочих вспомогательных устройств сушилок, была отмечена малая практическая целесообразность применения данного энергоподвода при сушке ПАА геля в промышленном производстве.

Автор защищает:

1) результаты экспериментальных исследований процесса ИК-сушки ПАА геля;

2) закономерности влияния свойств излучателей, физических и режимных параметров процесса на продолжительность сушки ПАА и качество готового продукта;

3) математическую модель процесса ИК-сушки ПАА геля;

4) методику инженерного расчета процесса ИК-сушки ПАА геля.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ (г. Москва, 2009);





IV и VI Международных научно практических конференциях «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (г. Москва, 2007 и 2009 гг.);

XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22» (г. Псков, 2009);

Летней Школе молодых ученых (г. Иваново, 2009).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 10 опубликованных печатных работах, в том числе 2 в журналах из списка рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 177 страниц основного текста, включая 50 рисунков и 13 таблиц, и страницы приложений. Список литературы содержит 117 наименований, в том числе 21 – на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

обоснована актуальность темы диссертации, Во введении сформулированы цели и задачи исследований, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту, приведены сведения о структуре работы.

В первой главе описаны строение и физико-химические свойства ПАА, а также существующие технологии его производства. Рассмотрены основные способы удаления влаги из ПАА геля. Приведены примеры использования радиационного энергоподвода в различных отраслях промышленности.

Проведен анализ существующих источников ИК-излучения, применяемых в промышленности. Изложены основные закономерности тепло- и массопереноса в процессах ИК-сушки. На основе проведенного анализа литературных источников сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведено математическое описание процесса массопереноса при радиационно-конвективной сушке ПАА геля. В основу описания положен зональный метод, разработанный С.П. Рудобаштой применительно к описанию тепло- и массопереноса в конвективных ленточных сушилках. Согласно данному методу, процесс сушки рассматривается как чисто массообменный процесс, а температурное поле высушиваемого материала считается специально вызванным наложением.

Дифференциальное уравнение, описывающее массоперенос в ходе процесса сушки, имеет следующий вид:

U = div( k *grad U ), (1) k * = k (U ) [1 + (U ) '(U )] где обобщенный коэффициент массопроводности, учитывающий собственно массопроводность и термодиффузию и являющийся функцией влагосодержания и температуры материала.

Решение дифференциального уравнения массопереноса (1) при равномерном начальном распределении с ГУ-3, полученное методом разделения переменных при постоянных значениях k,, Ар применительно к среднеобъемному влагосодержанию, имеет вид:

E = (U – U р ) / (U н – U р ) = Bm exp( µ m Fo m ), (2) m = где Вm, µm - коэффициенты, зависящие от формы тела и величины массообменного критерия Био Bim.

ПАА гель представляет собой коллоидное тело, которое обладает большой усадкой в ходе процесса сушки, поэтому при решении уравнения (2) в качестве определяющего размера для каждой зоны принималась средняя толщина слоя с учетом усадки.

Ввиду малой высоты слоя ПАА геля на конвейере ленточной сушилки по отношению к длине и ширине ленты, задача массопереноса решалась как для неограниченной пластины.

Время пребывания высушиваемого материала в i-й зоне сушилки, необходимое для изменения его влажности от U н,i до U к,i, определялось в ходе решения уравнения (2) как:

B i = ln i, i = 1, 2,..., m, µ Ei (3) ki* i Ri где m – число зон разбиения;

ki* – обобщенный коэффициент массопроводности;

E i = (U к,i – U р,i ) / (U н,i – U р,i ) – относительная концентрация влаги в i-й зоне;

µi = /2 – первый корень характеристического уравнения в i-й зоне;

Bi = 0,8106 – при i=1 и Bi = 1 – при i1 – предэкспоненциальный Ri = 0, 25 ( hсл н,i + hсл к,i ) – множитель в решении одномерной задачи;

определяющий размер тела;

hсл н,i, hсл к,i – высота слоя ПАА геля в начале и в конце i-й зоны, ввиду усадки определяемая как:

hсл = hсл 0 (1 + 0,1315 U ), (4) где hсл 0 – высота слоя абсолютно сухого материала.

Следует отметить, что ранее зональный метод расчета процессов сушки применялся для случаев с конвективным энергоподводом в ленточных сушилках. При этом влияние нестационарного температурного поля на кинетические коэффициенты и движущую силу процесса учитывалось функциональной зависимостью t = (U ), устанавливающей взаимосвязь в процессе сушки между среднеобъемными значениями температуры и влагосодержанием материала. Причем за значение среднеобъемной температуры принималось значение температуры в центре тела.

Однако, при сушке термоизлучением ИК-лучи поглощаются некоторой поверхностной зоной тела, вследствие чего по высоте слоя высушиваемого материала возникает значительный температурный градиент. Поэтому в расчетах массо- и теплообмена необходимо учитывать не только значение среднеобъемной температуры материала t, но и температуру его поверхности tп.

Таким образом, для расчета по предлагаемой математической модели необходимо знать зависимости t = (U ), tп = (U ), ** = (U ) и k * = (U ), которые были определены в ходе проведенных экспериментальных исследований по сушке измельченного ПАА геля высокой чистоты.

В третьей главе описаны разработанные экспериментальная установка и информационно-управляющая система для проведения исследований процесса ИК-сушки ПАА геля, а также представлены методики проведения и результаты экспериментов.

На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки по изучению процессов сушки ПАА. Данная установка была создана на базе анализатора влажности Radwag WPS 50 SX (1), оснащенного двумя ИК-излучателями (2) и аналитическими весами. Электрическую мощность, подаваемую на излучатели, регулировали при помощи автотрансформатора (3). Значения мощности, напряжения и силы тока визуализировались на приборной панели (4).

Для выполнения поставленных задач экспериментальная установка была дополнена средствами измерения температуры высушиваемого материала (дистанционный и контактный методы). Дистанционный метод реализовывался с помощью пирометра Testo 845 (5), а контактный – с помощью хромель копелевых термопар типа К (11 и 12).

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки:

1 – анализатор влажности;

2 – ИК-излучатели;

3 – автотрансформатор;

4 – приборная панель;

5 – пирометр;

6 – термоанемометр;

7 – термопара;

8 – зонд скорости;

9 – модуль вывода управляющего сигнала (МВУ8);

10 – измеритель-регулятор ТРМ 202;

11, 12 – термопары типа К;

13 – электрокалорифер;

14 – вентилятор;

15 – лабораторный автотрансформатор (ЛАТР);

16 – персональный компьютер.

При проведении опытов с конвективным или радиационно-конвективным энергоподводом, параметры сушильного агента (температура и скорость) задавались путем подачи требуемого напряжения на электрокалорифер (13) и вентилятор (14) посредством лабораторных автотрансформаторов (ЛАТР) (15).

Контроль параметров осуществлялся при помощи термоанемометра Testo 435- (6), оснащенного термопарой (7) и зондом скорости (8).

В системе управления процессом ИК-сушки для создания осциллирующего режима был задействован прибор модуля вывода управляющего сигнала (МВУ8) (9) фирмы ОВЕН. Для проведения экспериментов при постоянной температуре образца использовался измеритель-регулятор ТРМ 202 (10) фирмы ОВЕН. Все данные о ходе процесса, благодаря разработанной информационно-управляющей системе, в режиме реального времени отображались на экране персонального компьютера (16), а по окончании экспериментов архивировались в виде единого файла отчета.

В ходе проведения опытов по ИК-сушке ПАА геля снимались кривые изменения температуры на поверхности и в середине образца, а также кривые сушки путем непрерывного взвешивания материала. На основании которых, в результате математической обработки в среде MATLAB, были получены кривые скорости сушки (рис. 2), а также графически представлена разница температур на поверхности и в середине слоя ПАА геля в процессе ИК-сушки (рис.3) для двух типов излучателей.

Рис. 2. Кривые скорости сушки ПАА геля для двух типов ИК-излучателей:

керамические:

1 – Wуд = 2165 Вт/м2, 2 – Wуд = 4329 Вт/м2;

кварцевые:

3 – Wуд = 2165 Вт/м2, 4 –Wуд = 4329 Вт/м2.

Рис. 3. Разница температур на поверхности и в середине слоя ПАА геля для двух типов ИК-излучателей:

керамические:

1 – Wуд = 2165 Вт/м2, 2 – Wуд = 4329 Вт/м2;

кварцевые:

3 – Wуд = 2165 Вт/м2, 4 –Wуд = 4329 Вт/м2.

Из рис. 2 видно, что для ПАА геля практически отсутствует период постоянной скорости, и весь процесс сушки протекает в периоде убывающей скорости. Это говорит о том, что процесс сушки с самого начала лимитируется внутренней диффузией, то есть переносом влаги из внутренних слоев материала к поверхности, что свойственно полимерным материалам. Также представленные графики свидетельствуют о том, что с увеличением удельной мощности интенсивность удаления влаги возрастает, и сокращается время сушки, но при этом наблюдается рост температуры материала. Однако нецелесообразно применять температурные режимы, при которых температура ПАА превышает 100С, так как в этом случае происходит сшивка макромолекул, что отрицательным образом влияет на потребительские свойства готового продукта.

Рис. 4. Зависимости времени сушки ПАА геля от высоты слоя (а) при Wуд = 2597,4 Вт/м и времени сушки от удельной мощности (б) при hсл = 0,011 м при непрерывном ИК-энергоподводе:

1 – керамические излучатели;

2 – кварцевые излучатели линии (сплошные аппроксимирующие кривые, точки экспериментальные значения).

Рис. 5. Температура на поверхности слоя ПАА в конце процесса сушки при непрерывном ИК-энергоподводе:

1 – керамические излучатели;

2 – кварцевые излучатели линии (сплошные – аппроксимирующие кривые, точки экспериментальные значения).

Характер кривых перепада температур на поверхности и в середине слоя t = f (U ), представленных на рис. 3, объясняется следующим. С самого начала процесса сушки поверхностные слои ПАА геля поглощают ИК-излучение и быстро нагреваются, в то время как тепло к глубинным слоям подводится посредством теплопроводности. Этим объясняется первый экстремум функции t, далее по мере прогрева глубинных слоев t убывает. В тоже время происходит испарение влаги из поверхностного слоя материала, что ведет к снижению коэффициента теплопроводности и, как следствие, к росту разницы температур. К окончанию процесса сушки температурные поля в слое, стремясь к равновесию, выравниваются, что ведет к снижению перепада температур t.

На основании проведенных экспериментов по сушке ПАА геля при непрерывном ИК-энергоподводе были получены следующие регрессионные уравнения, связывающие продолжительность процесса сушки и значение температуры поверхности слоя ПАА в конце процесса сушки с удельной мощностью, подаваемой на излучатели, и высотой слоя:

- для керамических излучателей керам = (8,64 109 hсл + 1,38 107 ) Wуд1,25, (5) tп, керам = 4,92 106 Wуд 2 + 4,31103 Wуд + 71,36, (6) - для кварцевых излучателей кварц = (1,82 1010 hсл + 2, 64 10 6 ) Wуд1,35, (7) tп, кварц = 4, 62 10 6 Wуд 2 + 2,67 10 3 Wуд + 70, 78, (8) при hсл = 0,005 … 0,020 м, Wуд = 1732 … 4329 Вт/м.

Графически эти зависимости представлены на рис. 4 и 5. Достоверность выбора уравнений (5) и (7) для описания продолжительности процесса ИК-сушки ПАА подтверждается хорошим согласованием расчетных и экспериментальных данных. Для большинства опытов относительная погрешность вычисления составила менее 5 %.

В ходе проведенных экспериментов при совмещенном радиационно конвективном энергоподводе были получены следующие результаты о продолжительности процесса сушки для двух типов ИК-излучателей в зависимости от скорости и температуры сушильного агента, графически представлены на рис. 6.

Для сравнения полученных результатов на рисунок были также нанесены данные опытов, полученные при «чистом» радиационном и конвективном энергоподводах.

Как видно из рис. 6, при температуре сушильного агента 100 С и скорости 2 м/с при введении дополнительного ИК-энергоподвода при Wуд=2597 Вт/м позволяет сократить время сушки почти в 2 раза по сравнению «чистым» конвективным энергоподводом, однако при этом температура поверхности в конце сушки достигает недопустимой величины - 127 С. Поэтому следует рекомендовать режимы сушки при температуре сушильного агента менее 40 С, в этом случае температура материала не превышает допустимой и позволяет сократить время сушки до 45% для кварцевых и до 35% для керамических ИК-излучателей. В ходе проведенных экспериментов было установлено, что Рис.6. Продолжительность процесса сушки для двух типов ИК-излучателей в зависимости от скорости и температуры сушильного агента при Wуд=2597 Вт/м2:

для кварцевых: 1 – Vc = 1м/с;

2 – Vc = 2м/с;

3 – без обдува;

для керамических: 4 – Vc = 1м/с;

5 – Vc = 2м/с;

6 – без обдува;

7 – при конвективном энергоподводе при Vc = 2м/с.

увеличение скорости обдува воздухом от 0 до 1 м/с способствует росту скорости сушки, что объясняется более равномерным распределением поля температур между поверхностными и глубинными слоями и, как следствие, снижением температурного градиента в начале процесса сушки, а также более интенсивным уносом паров влаги от поверхности материала. Однако дальнейшее увеличение скорости до 2 м/с вызывает снижение скорости сушки, что связано, согласно А.В. Лыкову, с увеличением скорости охлаждения материала потоком воздуха. С этим же фактом связано то, что значение продолжительности сушки при tc = 22 С оказалось больше, чем при «чистом» ИК-энергоподводе.

Проведенные дополнительные эксперименты при относительной скорости сушильного агента равной 0,5 и 1,5 м/с для двух значений его температур 22 и 100 С полностью подтвердили это утверждение (рис. 7).

Рис. 7. Кривые скорости сушки для кварцевых излучателей при температуре сушильного агента 22 С и скорости:

1 – Vc = 0 м/с;

2 – 0,5 м/с;

3 – 1,0 м/с;

4 – 1,5 м/с;

5 – 2 м/с.

Результаты проведенных экспериментов по сушке ПАА геля при непрерывном радиационном и радиационно-конвективном энергоподводах показали перспективность применения кварцевых ИК-излучателей, позволяющих снизить время сушки на 10-22%, в зависимости от условий проведения процесса. Данный факт объясняется различиями в спектральных характеристиках сравниваемых излучателей.

На рис. 8 представлены кривые сушки и кривые изменения температуры поверхности при осциллирующем ИК-энергоподводе. Анализ показывает, что использование осциллирующего энергоподвода при одной и той же удельной мощности, подаваемой на излучатели, позволяет осуществлять процесс сушки при меньшей температуре слоя, что в свою очередь дает возможность увеличить удельную мощность и, как следствие, сократить время работы ИК-излучателей, но при этом возрастает общее время процесса сушки и удельные энергозатраты на работу привода сушилки.

Рис. 8. Кривые сушки (а) и кривые изменения температуры на поверхности слоя (б) при осциллирующем ИК-энергоподводе:

1 – Wуд = 2597 Вт/м2, об = 20 с, = об / от = 1/ 2,5 = 0, 4 ;

2 – Wуд = 4329 Вт/м2, об = 20 с, = об / от = 1/ 2,5 = 0, 4 ;

3 – Wуд = 2597 Вт/м2, об = 60 с, = об / от = 1/ 2,5 = 0, 4 ;

4 – Wуд = 2597 Вт/м2, об = 20 с, = об / от = 1/ 5 = 0, 2 ;

5 – при непрерывном ИК-энергоподводе Wуд = 2597 Вт/м2.

Поэтому был произведен поиск субоптимальных параметров осциллирующего режима, в ходе которого были определены следующие зависимости для определения максимальной температуры и общего времени сушки от удельной мощности и отношения = об / от :

tп,max = 3, 44 + 1,36 103 Wуд + 8,54 107 Wуд + 287,81 279,10 2, (9) 0, cуш = 6,94 106 Wуд 0,92 [ / ( + 1)] (10), при Wуд = 2597 … 9524 Вт/м2 и = об / от = 0,08 … 0,4 (1/12,5 … 1/2,5).

Высота слоя во всех опытах была равна 0,011 м. Время облучения было принято постоянным равным 20 с, так как увеличение времени облучения в раза незначительно сказалось на общей продолжительности процесса сушки.

Относительная погрешность в определении времени сушки и максимальной температуры на поверхности по данным зависимостям составила менее 5 %.

На основании зависимостей (9) и (10) были рассчитаны затраты на электроэнергию (С, руб/кг г.п.) при сушке ПАА геля в осциллирующем режиме на килограмм готового продукта, которые складываются из удельных затрат на работу ИК-излучателей ( Сизл ) и удельных затрат на работу привода и вспомогательных устройств сушилки ( Сприв ), по формуле:

1+ Uк Сэл суш С = Wуд + 1,1 Wприв, (11) hсл нас 3, 6 10 1 + U н 1+ где Сэл, коп/кВт·ч – тариф на электрическую энергию;

hсл = 0,011 м – высота слоя;

нас, кг/м3 – насыпная плотность влажного ПАА геля;

U н,U к – начальное и конечное влагосодержание ПАА;

Wприв = 1500 Вт/м2 – усредненное значение мощности привода ленточной сушилки, отнесенное к площади рабочей поверхности;

1,1 – коэффициент, учитывающий расход электроэнергии на прочие нужды (освещение, приборы КИПиА).

Таблица № 1. Удельные энергозатраты при осциллирующем и непрерывном ИК-энергоподводах.

об Сприв, Сизл, С, № Wуд, Вт/м2 = cуш, с tп,max, С руб/кг г.п. руб/кг г.п.

от руб/кг г.п.

1 4762 0,4 99,7 9316 0,209 0,253 0, 2 2597 0,08 34,0 57876 0,183 1,573 1, 3 2597 --- 109,6 4884 0,209 0,133 0, 4 2165 --- 98,4 6503 0,232 0,177 0, В табл. 1 приведены удельные затраты при осциллирующем (№ 1 и 2) и непрерывном (№ 3 и 4) ИК-энергоподводах, анализ которых позволил сделать вывод о том, что применение осциллирующего режима делает возможным снижения удельных энергозатрат на работу ИК-излучателей (№ 2). Однако принимая во внимание увеличение в несколько раз времени сушки, и, как следствие, увеличение энергозатрат на работу привода и прочих вспомогательных устройств сушилок, была отмечена малая практическая целесообразность применения данного энергоподвода при сушке ПАА геля в промышленном производстве.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что значительное влияние на функции среднеобъемной температуры t = (U ) и температуры поверхности tп = (U ), также как и на функцию зависимости обобщенного коэффициента массоотдачи ** = (U ) оказывают следующие технологические параметры: температура (tс) и скорость движения сушильного агента (Vс), удельная мощность, подаваемая на излучатели, (Wуд) и высота слоя ПАА ( hсл ).

В ходе проведенных экспериментов в соответствии с матрицей планирования полного четырехфакторного эксперимента типа 2n, были получены функции t = (U ), tп = (U ) и ** = (U ) в виде следующих выражений:

t = Y1 exp(Y2 U ) + Y3 exp(Y4 U ), (12) X (13) tп = X 1 U + X3, ** = Z1 exp( Z 2 U ) + Z3 exp( Z 4 U ) 10 6, (14) где Y1 … Y4, X1 … X3, Z1 … Z4 = f (tc, V c, W уд, h сл ) – коэффициенты, представленные в виде регрессионных зависимостей от кодированных значений факторов (исследуемых технологических параметров сушки), которые изменялись в следующих диапазонах, выбор которых обусловлен технологией производства и свойствами ПАА геля, имеющих место в реальных сушилках:

tc = 100 – 22 oC, Vc = 2 – 1 м/с, Wуд = 4329 – 2597 Вт/м2, hсл = 0,020 – 0,011 м.

На основании проведенных опытов в условиях, исключающих внешнедиффузионное сопротивление окружающей среды, были получены кривые зависимости обобщенного коэффициента массопроводности от среднеобъемного влагосодержания (рис. 9). Данные кривые хорошо аппроксимируются экспоненциальной функцией следующего вида:

k * = p1 exp( p2 U ) + p3 exp( p4 U ) (15) где p1, p2, p3, p4 – коэффициенты, которые зависят от температуры материала и могут быть рассчитаны по следующим уравнениям при t = 30 … 120 oC:

p1 = 9, 246 10 13 t 2 4,145 10 11 t + 5, 580 10 9, (16) 2 2 p2 = 0, 014 10 t + 0,907 10 t 1,801, (17) p3 = 3, 650 10 13 t 2 + 1,373 10 10 t + 2,380 10 9, (18) p4 = 1,311 105 t 2 + 0, 295 10 2 t + 0, 094, (19) U-образный характер кривых коэффициента массопроводности объясняется значительной объемной усадкой слоя материала, возникающей в процессе сушки измельченного ПАА геля. Вследствие значительного температурного градиента, поверхностные слои интенсивно обезвоживаются, и агломераты частиц ПАА геля значительно уменьшаются в объеме, что способствует образованию пор (каналов), благоприятствующих массопереносу.

Проведенные дополнительные опыты по сушке цельного образца ПАА геля подтвердили это предположение (рис. 10).

Рис. 9. Зависимость k = f (U )t =const Рис. 10. Зависимость k = f (U)t=const при сушке цельных образцов ПАА геля при сушке образцов ПАА геля:

1 – t = 30°C;

2 – 40°C;

3 – 60°C;

4 – 80°C;

высотой 0,0035 м:

5 - 100°C;

6 – 120°С;

а – hсл = 0,011 м;

1 – t = 80°C;

2 – 100°C.

б – hсл = 0,020 м.

представлено описание аппаратурно В четвертой главе технологического оформления существующей и предлагаемой технологии сушки измельченного ПАА геля высокой чистоты, полученного биотехнологическим способом.

Сушильная установка (рис. 11) имеет три зоны. В I зоне - «жесткой» сушки ПАА гель с начальной влажностью 74,7% высушивается до влажности 32,5%, во II зоне - «мягкой» сушки материал высушивается до конечной влажности 9%. III зона предназначена для охлаждения ПАА до температуры 40°С, после чего материал отправляется на стадию дробления.

В I зоне тепловая энергия к влажному ПАА гелю подводится с помощью радиационного энергоподвода, генерируемого линейными кварцевыми ИК-излучателями, а также предварительно нагретым, посредством контакта с материалом во II и III зонах, воздухом. Во II зоне предлагаемой ленточной сушилки, аналогично I зоне, тепло подводится посредством ИК-излучения, а во избежание перегрева поверхности ПАА геля материал обдувается потоком свежего воздуха при температуре 20-25°С. Удельная мощность, подаваемая на излучатели, в I и II зонах ленточной сушилки была такой, что температура поверхности слоя материала на выходе из зон не превышала 95°С.

Такая организация процесса позволяет охладить поверхностный слой ПАА геля во II зоне сушилки и дает возможность работать при больших удельных мощностях, подаваемых на излучатели, что, в свою очередь, способствует сокращению времени сушки. Рецикл нагретого воздуха из II и III зон способствует более интенсивному прогреву материала в I зоне без лишних энергозатрат.

Рис. 11. Предлагаемая технологическая схема процесса сушки ПАА геля при радиационно-конвективном энергоподводе:

1 – ленточная сушилка;

2 – ИК-излучатели;

3 – центробежный вентилятор;

4 – радиальный крышной вентилятор;

5 – радиальный вентилятор;

I – зона «жесткой» сушки;

II – зона «мягкой» сушки;

III – зона охлаждения.

К достоинствам предлагаемой технологии радиационно-конвективной сушки ПАА геля следует отнести следующее:

- сокращение времени сушки до 45%;

- сокращение затрат электроэнергии на работу нагнетательного оборудования, вследствие меньшей скорости и расхода сушильного агента;

- отсутствие в конструкции ворошителей материала;

- простота управления технологическими параметрами процесса сушки;

- быстрота пусков и остановов системы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Уточнена и подтверждена экспериментальными исследованиями математическая модель процесса сушки ПАА геля при радиационно конвективном энергоподводе, учитывающая влияние усадки материала в ходе процесса.

2. Показано, что введение конвективного энергоносителя значительно интенсифицирует процесс сушки ПАА геля по сравнению с «чистым» ИК-энергоподводом. Это связано с более равномерным распределением поля температур между поверхностными и глубинными слоями и, как следствие, снижением температурного градиента в начале процесса сушки, а также более интенсивным уносом паров влаги от поверхности материала.

3. Выявлено влияние скорости обдува на кинетику процесса сушки при совмещенном радиационно-конвективном энергоподводе. Увеличение скорости сушильного агента с 0 до 1 м/с позволяет сократить время сушки до 30%, однако дальнейшее повышение скорости до 2 м/с увеличивает время сушки, что связано с увеличением скорости охлаждения материала потоком воздуха.

4. На основании проведенных исследований по сушке ПАА геля при непрерывном инфракрасном и радиационно-конвективном энергоподводах была показана перспективность применения кварцевых ИК-излучателей по сравнению с керамическими, позволяющими снизить время сушки от 10 до 22 %, в зависимости от условий проведения процесса.

5. Установлены регрессионные зависимости среднеобъемной температуры материала, температуры его поверхности и обобщенного коэффициента массоотдачи ПАА геля от среднеобъемного влагосодержания, температуры и относительной скорости движения сушильного агента, высоты слоя материала и удельной мощности, подаваемой на излучатели.

6. Определена зависимость обобщенного коэффициента массопроводности ПАА геля от среднеобъемных значений его влагосодержания и температуры.

7. Предложена новая энергосберегающая технология процесса сушки измельченного ПАА геля высокой чистоты и разработана методика инженерного расчета процесса радиационно-конвективной сушки ПАА геля в ленточной сушилке, которая была использована при расчете промышленной сушилки для ООО «Саратовский химический завод акриловых полимеров «АКРИПОЛ», г. Саратов.

Условные обозначения С – удельные затраты, руб/кг г.п.;

E – относительная концентрация влаги;

h – высота, м;

k – коэффициент массопроводности, м2/с;

V – скорость, м/с;

Wуд – удельная мощность, потребляемая излучателями, Вт/м2;

R – определяющий размер тела, м;

t – температура, С;

U – влагосодержание ПАА геля, кг вл./кг а.с.;

** – обобщенный коэффициент массоотдачи, м/с;

– коэффициент термодиффузии, 1/град;

– плотность, кг/м3;

– время, с;

индексы: а.с. – абсолютно сухой;

вл – влага;

г.п. – готовый продукт;

изл – излучатель;

к – конечный;

кварц – кварцевые излучатели;

керам – керамические излучатели;

н – начальный;

об – облучение;

от – отлежка;

п – у поверхности материала;

прив – привод;

р – равновесный;

с – сушильный агент;

сл – слой;

i – в i-й зоне.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рахимов, Р.Х. Транспортерная и шкафная сушка материалов с использованием функциональной керамики / Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., John Р., Зайцев Д.Б., Шкарин Н.Ю., Тимонин А.С. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2007. – № 4. – С. 24-25.

2. Зайцев, Д.Б. Использование инфракрасного энергоподвода в процессе сушки полиакриламидного геля / Зайцев Д.Б., Тимонин А.С. // Безопасность труда в промышленности. – 2009. – № 9. – С. 46-51.

3. Зайцев, Д.Б. Сушка полиакриламидного геля с использованием инфракрасного энергоподвода / Зайцев Д.Б., Тимонин А.С. // ХимАгрегаты. – 2009. – № 3(7). – С.34-35.

4. Rakhimov, R.Kh. Conveyor and cabinet drying of materials using a functional ceramic / Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., John P., Zaitsev D.B., Shkarin N.Yu., Timonin A.S. // Chemical and Petroleum Engineering. – 2007. – Vol. 43. – № 3-4 – Р. 202-205.

5. Шкарин, Н.Ю. Использование структурированного инфракрасного излучения в процессах сушки / Шкарин Н.Ю., Рахимов Р.Х., Ермаков В.А., Тимонин А.С., Зайцев Д.Б. // Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: сб.

трудов IV Междунар. научно-практич. конф. – М.: МГУИЭ. – 2007. – С. 235-240.

6. Зайцев, Д.Б. Математическое моделирование процесса инфракрасной сушки полиакриламида / Зайцев Д.Б., Тимонин А.С., Шкарин Н.Ю., Мостов М.Б. // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22:

сб. трудов XXII Междунар. науч. конф. – Т.9. – Псков: изд-во Псков. гос.

политехн. ин-та. – 2009. – С. 127-129.

7. Зайцев, Д.Б. Разработка информационно-управляющей системы для процесса инфракрасной сушки / Зайцев Д.Б., Тимонин А.С., Шкарин Н.Ю. // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22: сб. трудов XXII Междунар. науч. конф. – Т.8. – Псков: изд-во Псков. гос. политехн. ин-та. – 2009. – С. 33-34.

8. Зайцев, Д.Б. Исследование процесса инфракрасной сушки геля полиакриламида / Зайцев Д.Б., Тимонин А.С., Шкарин Н.Ю. // Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: сб. трудов VI Междунар. научно практич. конф. – М.: МГУИЭ. – 2009. – С. 149-152.

9. Зайцев, Д.Б. Влияние типов излучателей и технологических параметров на процесс ИК-сушки геля полиакриламида / Зайцев Д.Б., Тимонин А.С. // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22: сб.

трудов XXII Междунар. науч. конф.: в 11 т. – Т.11: Летняя Школа молодых ученых. – Иваново: изд-во Ивановского гос. хим. технол. ун-та – 2009. – С. 17-19.

10. Лабзин, Е.П. Математическое моделирование процесса сушки полиакриламидного геля при осциллирующем ИК-энергоподводе / Лабзин Е.П., Зайцев Д.Б., Зубов Д.В. // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. – М.: МГУИЭ. – 2009. – С. 113-116.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.