Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса конвективной сушки гранулированных и пленочных полимерных материалов Дмитриев Вячеслав Михайлович

Содержание к диссертации

Введение

1. Современное состояние методов исследования, моделирования, кинетического расчета и аппаратурного оформления конвективной сушки гранулированных полимерных материалов 27

1.1. Гранулированные полимерные материалы как объекты исследования 27

1.1.1. Технология получения и переработки полимерных материалов 27

1.1.2. Взаимодействие полимерных материалов с низкомолекулярными соединениями 30

1.1.3. Диффузия воды в полимерных материалах 35

1.2. Методы определения массообменных характеристик влажных материалов 49

1.2.1. Методы определения сорбционных свойств влажных материалов 51

1.2.2. Методы определения диффузионных свойств влажных материалов 54

1.3. Моделирование и расчет процесса конвективной сушки дисперсных материалов 60

1.3.1. Математическое моделирование процесса сушки дисперсных материалов 63

1.3.2. Методы расчета процесса сушки дисперсных материалов при перекрестном движении фаз 71

1.3. Аппаратурное оформление процесса сушки гранулированных полимерных материалов 84

1.3.1. Гранулирование полимерных материалов 85

1.4.2. Оборудование для сушки гранулированных полимерных материалов 88

1.5. Консервация и хранение изделий и материалов в герметичной полимерной упаковке 95

1.5.1. Герметизация изделий и материалов в чехлы из полимерных пленок 96

1.5.2, Методы расчета герметичных упаковок из пленочных полимерных материалов 100

1.6. Постановка задачи исследования 107

2. Структурно-сорбционные и диффузионные характеристики исследуемых гранулированных и пленочных полимерных материалов 113

2.1. Выбор и краткая характеристика объектов исследования 113

2.2. Сорбционные свойства гранулированных и пленочных полимерных материалов 120

2.3. Диффузионные свойства гранулированных и пленочных полимерных материалов 130

2.3.1. Экспериментальные установки для исследования диффузионных характеристик влажных материалов 132

2.3.2. Результаты исследования и анализ диффузионных характеристик гранулированных полимерных материалов 141

2.3.3. Результаты исследования и анализ диффузионных характеристик пленочных полимерных материалов 167

2.4. Обобщенные зависимости для определения эффективного коэффициента диффузии в полимерных материалах 182

2.5. Разработка автоматизированной установки для определения диффузионных свойств гранулированных полимерных материалов 187

2.6. Выводы по главе 2 191

3. Математическое моделирование процесса конвективной сушки гранулированных полимерных материалов 194

3.1. Математическое моделирование процесса глубокой сушки гранулированных полимерных материалов 198

3.2. Анализ влияния неоднородности частиц высушиваемого материала по их дисперсному составу и времени пребывания в аппарате на точность кинетического расчета процесса конвективной сушки 203

3.3. Зональный метод определения зависимости эффективного коэффициента диффузии от концентрации распределяемого компонента для полидисперсных материалов 23 О

3.4 Выводы по главе 3 236

4. Аппаратурно-технологическое оформление процесса глубокой сушки гранулированных полимерных материалов 238

4.1. Выбор аппаратурно-технологического оформления процесса глубокой сушки гранулированных полимерных материалов 239

4.2. Исследование структуры потока твердой фазы в сушильном аппарате шахтного типа с поперечно продуваемым кольцевым слоем материала 248

4.3. Исследование процесса сушки гранулированных полимерных материалов в сушильном аппарате шахтного типа с поперечно продуваемым кольцевым слоем материала 270

4.3.1. Математическая модель кинетики конвективного нагрева плотного кольцевого слоя гранулированных полимерных материалов 271

4.3.2. Исследование кинетики глубокой конвективной сушки плотного продуваемого кольцевого слоя гранулированных полимерных материалов 283

4.4. Разработка конструктивных решений сушильных аппаратов с поперечно продуваемым кольцевым слоем материала для глубокой конвективной сушки гранулированных полимерных материалов 287

4.5. Разработка методик проектного и поверочного расчетов процесса глубокой конвективной сушки гранулированных полимерных материалов в сушильных аппаратах шахтного типа с поперечно продуваемым кольцевым слоем материала 300

4.6. Выводы по главе 4 310

5 Аппаратурно-технологическое оформление процесса сушки вторичного гранулята 312

5.1. Выбор аппаратурно-технологического оформления процесса сушки вторичного полимерного гранулята 314

5.2. Анализ процесса конвективной сушки вторичного полимерного гранулята в аппаратах с закрученным взвешенным слоем материала 316

5.3. Исследование процесса конвективной сушки вторичного гранулята в аппаратах с закрученным взвешенным слоем 323

5.3.1. Экспериментальная установка для исследования процесса конвективной сушки в аппаратах с закрученными взвешенными потоками материала 324

5.3.2. Результаты исследования процесса конвективной сушки полимерного гранулята в продольно секционированных сушильных аппаратах с закрученным взвешенным слоем материала 332

5.4. Выводы по главе 5 352

6. Разработка способов и технологии хранения гигрочувствительных материалов и продукции в герметичной полимерной упаковке при жестких ограничениях влажности внутренней среды 354

6.1 Анализ процесса массопереноса при хранении гигрочувствительных материалов и продукции в пленочной упаковке 355

6.2. Разработка методики расчета времени хранения продукции в герметичной полимерной упаковке 358

6.3. Разработка способа хранения продукции в герметичной полимерной упаковке в условиях влажного и сухого климата при жестких требованиях к влажности внутренней среды 372

6.4. Разработка методики расчета времени хранения продукции в герметичной полимерной упаковке при жестких ограничения влажности внутренней среды 384

6.5. Выводы по главе 6 387

7. Вопросы совершенствования и реализации сушильного оборудования для глубокой сушки гранулированных и зернистых материалов 388

7.1. Разработка и реализация сушильного комплекса для глубокой сушки полимеров на Тамбовском заводе "ЭЛЕКТРОПРИБОР" 388

7.2. Разработка и реализация сушильных установок для глубокой сушки гранулированных полимерных материалов 394

7.3. Проектирование и создание сушильной установки для сушки зерновых продуктов семенного фонда 399

Основные результаты и выводы 405

Литература 412

Приложение 446

• Методы определения массообменных характеристик влажных материалов
• Сорбционные свойства гранулированных и пленочных полимерных материалов
• Анализ влияния неоднородности частиц высушиваемого материала по их дисперсному составу и времени пребывания в аппарате на точность кинетического расчета процесса конвективной сушки
• Исследование структуры потока твердой фазы в сушильном аппарате шахтного типа с поперечно продуваемым кольцевым слоем материала

Введение к работе

Обширный ряд современных отраслей промышленности применяет разнообразные процессы тепло- и массопереноса, оптимальное проведение которых играет существенную роль в обеспечении качества готовой продукции. Составной частью многих производств является обработка дисперсных сред, характеризующаяся значительной энергоемкостью, что отражается на формировании себестоимости выпускаемых изделий [1-3]. Интенсивное внедрение систем автоматизированного проектирования, позволяющих проанализировать множество вариантов проведения процессов тепло- массопереноса (ТМП) и выбрать оптимальное решение, обусловлено, в первую очередь, широким использованием математических моделей ТМП в совокупности с базами данных по теплофизическим и диффузионным характеристикам перерабатываемых дисперсных сред. Одними из наиболее распространенных дисперсных материалов являются гранулированные полимеры и полимерные материалы на их основе. При получении полимеров основными методами (полимеризацией, поликонденсацией, химической модификацией природных полимеров) в большинстве случаев готовые продукты подвергаются экстрагированию в водной среде для удаления олигомеров и мономеров с последующей сушкой. Бурное развитие производства полимеров вызывает необходимость глубокого экспериментального и теоретического изучения одного из базовых процессов при синтезе, переработке и эксплуатации полимерных материалов (ПМ) - процесса диффузии низкомолекулярных соединений при набухании и растворении полимеров, структурообразовании, пленкообразо-вании и сушки, паро- и газопроницаемости полимерных мембран [4,5]. Установлено [6-16] ,что сорбционные и диффузионные характеристики ПМ существенно зависят от параметров среды и концентрации распределенного компонента. Кроме того, введение наполнителей, красителей, пластификаторов, стабилизаторов и других добавок может существенно изменить качественно и количественно сорбционно-диффузионные свойства ПМ. В настоящее время большинство ПМ , предназначенных для переработки в изделия и детали, выпускают в гранулированном виде, как наиболее удобном для транспортирования, дозирования и промежуточной обработки. Способ и технология получения гранулированных ПМ дополнительно отражается на сорбционно-диффузионных свойствах ПМ [7, 13, 17-19]. Отсутствие учета этих зависимостей при расчетах и проведении процессов ТМП может привести не только к существенной количественной ошибке, но и к резкому снижению качества продукции [6, 18-23].

Несмотря на значительное количество моделей диффузионных процессов теоретическое определение характеристик процесса ТМП в дисперсных материалах в настоящее время весьма затруднительно [1, 17,24-34].

Основная база экспериментальных данных по коэффициентам диффузии низкомолекулярных соединений в полимерах и ПМ получена с использованием вакуумных весов Мак-Бена —Бакра [6, 7, 11, 12]. При этом условия проведения экспериментов зачастую отличались от реальных производственных процессов. Так для ПМ при определении диффузионных свойств в качестве образцов использовались пластины и пленки, характеристики которых значительно отличаются от параметров реальных дисперсных ПМ. Основные причины такого отличия — различные надмолекулярные структуры, соотношение аморфной и кристаллической фаз, размеры сферолитов, пористо-стость [7, 12, 27-30]. Поэтому для использования опытных данных по сорб-ционным и диффузионным характеристикам при проектировании и эксплуатации оборудования и интенсификации производственных процессов их необходимо получать в условиях, максимально близких к производственным, т.е. при исследовании свойств реальных объектов.

Диффузия низкомолекулярных веществ в полимерных материалах может быть "нормальной", т.е. подчиняться закону Фика или носить аномальный характер ("anomalous diffusion") [6, 7, 11-14, 35, 36]. Нормальная диффузия характерна для полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии и обладающих малой сорбционной емкостью по отношению к конкретному диффузанту [7, 11-13, 35-43]. Аномальная диффузия, обусловленная структурными изменениями в ходе процесса миграции низкомолекулярного вещества, проявляется в застеклованных полимерах [6, 11-12, 37-46] и при активных растворителях [11-13, 30].

Анализ требований, предъявляемых к качеству изделий из полимеров и ПМ на их основе [2-5, 16-23, 35-41, 47-54], привел к выводу о необходимости разработки новых методик определения диффузионных свойств для решения задач повышения эффективности соответствующих стадий производства.

Подавляющее большинство полимеров и ПМ на их основе, предназначенные для дальнейшей переработки, имеют выпускную форму в виде гранул, как наиболее удобную для технологических процессов. Для получения высококачественных изделий необходимо использовать тщательно высушенные ПМ [18-20, 35-41,49].

Процесс глубокой сушки гранулированных ПМ отличается значительной продолжительностью (5+50) часов и, соответственно, большой энергоемкостью [48]. Сушильные установки оснащаются сложным дополнительным оборудованием для создания вакуума или осушения теплоносителя. Использование в заводской практике эмпирических зависимостей и нормативов при отсутствии более точных аналитических формул приводит к необоснованным материальным и энергетическим затратам [1-3,48].

Для прикладной микрокинетики процессов сушки важным элементом является кинетика сушки одиночной частицы, включающая в себя элементарные явления внутреннего и внешнего переноса влаги и тепла и осложняющие явления (пленко- и корко образование, кристаллизация, структурные изменения, деструкция, усадка), сопровождающие процесс собственно сушки. При обработке дисперсных систем базовым моментом является кинетика сушки ансамбля частиц, находящихся в локальном объеме аппарата [1-3]. Ее исследование заключается в определении функции распределения и усреднение начальных, текущих и средних характеристик отдельных частиц. Разработка новой сушильной техники возможна на основе комплексных работ, включающих следующие этапы [1-3, 21]:

- анализ материалов как объектов сушки с исследованием элементарных и осложняющих явлений, характеризующих реальный процесс с возможной разработкой математического описания;

- изучение явлений тепло- массопереноса на модельных экспериментальных установках с математическим описанием кинетических закономерностей;

- изучение реального процесса сушки с выделением лимитирующих факторов, установление связи между ними и математическое описание комплексного процесса;

- решение конструкторских задач;

- решение технологических задач обеспечения требуемых качественных показателей и управления процессом.

В мировой практике большое внимание уделяется вопросу герметичного затаривания в полимерные чехлы химических, медицинских, пищевых и других продуктов, целого ряда точных приборов, машин и аппаратов для обеспечения качественного сохранения и транспортировки в условиях повышенной влажности окружающей среды [13]. Необходимость изоляции от воздействия избыточной влаги обусловлена существенной гигроскопичностью хранимой продукции, а также капиллярной конденсацией влаги, что приводит к усиленной коррозии и даже полной потере работоспособности изделий.

Интенсивное развитие производства полимерных материалов позволило использовать для указанной цели обширный ряд специально разработанных пленок со значительным внутридиффузионным сопротивлением. Делена правленная обработка (одно- и двухосное ориентирование, повышение степени кристалличности и т.п.) дополнительно улучшает изоляционные свойства полимерных пленок [6, 7, 54].

Традиционные способы упаковки в герметичные пленочные чехлы, при которых влагосо держание внутренней среды изменяется от незначительного начального до предельно допустимого (ф = 0,55- -0,6), оказываются совершенно неприемлемыми для влагочувствительных материалов и изделий с узким рабочим интервалом относительной влажности окружающей среды (фотоматериалы, магнитные ленты, радиоэлектронная аппаратура, точные приборы).

Указанные обстоятельства обусловливают необходимость разработки новых способов упаковки материалов и изделий в герметичные чехлы и методик кинетического расчета процесса паропроницания.

Решению этих актуальных проблем посвящена данная работа, выполненная в соответствии со следующими планами научно-исследовательских работ:

- координационный план АН СССР по направлению "ТОХТ" "Исследование массо- и теплопереноса в процессах с твердой фазой (сушка, адсорбция, массообмен, мембранные процессы)" на 1981-1985гг., (код 2.27.2.8.9.); - планы научно-исследовательских работ Тамбовского института химического машиностроения (ТИХМ) на 1981-1985 гг. "Разработка методов и систем измерения коэффициентов тепло- и массопереноса"; координационный план АН СССР по направлению "ТОХТ" "Исследование гидродинамики и тепломассообмена в процессах сушки, адсорбции, экстракции и электродиализа" на 1985-1990 гг., код 3.21.003; план научно-исследовательских работ Тамбовского государственного технического университета по комплексной научно-технической программе "Перспективные информационные технологии в высшей школе" на 1991- 1995 гг;

- координационный план АН СССР по направлению "ТОХТ" "Создание эффективного оборудования для совмещенных процессов сушки и термообработки" на 1991-1995гг., код 2.27.2.8.12; единый наряд-заказ Министерства образования РФ по теме "Разработка теоретических основ расчета и конструирования аппаратов и технологических узлов гибких автоматизированных установок химических и микробиологических производств" на 1998-2000 гг;

межвузовская научно-техническая программа Минобразования России "Создание технологий и оборудования, обеспечивающих безопасность пищевых продуктов и хранения продовольствия", шифр П.И. 513.

Целью работы являются повышение производительности и качественных показателей процесса конвективной сушки гранулированных и пленочных полимерных материалов, научное обоснование и разработка инженерных методов кинетического расчета и проектирования сушильных аппаратов для конвективной сушки полимерных материалов с большим внутридиффу-зионным сопротивлением, разработка новых конструкций полимерных упаковок и методик кинетического расчета диффузионного проницания полимерных упаковок. 

Задачи работы. Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:

создание лабораторного оборудования для исследования диффузионных характеристик гранулированных и пленочных ПМ со значительным внут-ридиффузионным сопротивлением в широком диапазоне температур при малых концентрациях распределяемого компонента;

- исследование структурно-сорбционных и диффузионных свойств гранулированных и пленочных полимерных материалов с большой величиной внутридиффузионного сопротивления; определение температурно-концентрационных зависимостей эффективного коэффициента диффузии воды в полимерных материалах, имеющих широкое промышленное применение; экспериментальное исследование кинетики сушки и нагрева единичной частицы и плотного продуваемого слоя в условиях глубокой конвективной сушки;

проведение анализа диффузионных свойств гранулированных и пленочных ПМ, оценка влияния воды на эффективный коэффициент диффузии в широком диапазоне температур; получение обобщенных уравнений для определения диффузионных характеристик ПМ по их структурным свойствам;

- разработка автоматизированной установки и методики определения эффективного коэффициента диффузии, учитывающей полидисперсность гранулированных полимерных материалов;

анализ влияния неоднородности частиц высушиваемого материала по их дисперсному составу и времени пребывания в аппарате на точность кинетического расчета процесса глубокой конвективной сушки;

- разработка зонального метода определения зависимости коэффициента эффективной диффузии от концентрации распределяемого компонента для полидисперсных зернистых материалов;

экспериментальные исследования влияния геометрических параметров сушильного тракта и поверхности стенок сушильной камеры на структуру потока твердой фазы для аппаратов с кольцевым поперечно продуваемым плотным слоем гранулированного полимерного материала; экспериментальное исследование кинетики конвективного нагрева и глубокой сушки плотного кольцевого слоя гранулированных полимерных материалов; получение аналитических решений для кинетических расчетов нагрева и сушки плотного кольцевого слоя зернистых материалов с большим внутридиффузионным сопротивлением; - разработка конструктивных решений промышленных аппаратов с кольцевым поперечно-продуваемым плотным слоем материала для глубокой конвективной сушки гранулированных полимерных материалов; разработка методик расчета процесса глубокой конвективной сушки гранулированных полимерных материалов в сушильном аппарате шахтного типа с поперечно продуваемым кольцевым слоем материала;

- разработка конструктивные решения промышленных аппаратов с закрученным взвешенным слоем материала для сушки вторичного полимерного гранулята;

- исследование особенностей процесса массопереноса в герметичных пленочных упаковках для хранения гигрочувствительных материалов и машиностроительной продукции;

разработка нового способа упаковки гигроскопичных материалов и вла-гочувствительных изделий в герметичные пленочные чехлы в условиях влажного и сухого климата при стабильной заданной влажности внутренней среды;

разработка новой методики расчета времени хранения продукции в герметичной полимерной упаковке в условиях влажного и сухого климата при жестких требованиях к влажности внутренней среды. Научная новизна. Создана методология кинетического расчета процесса глубокой сушки гранулированных полимерных материалов и проектирования сушильных аппаратов на базе основных положений теории массопереноса и комплексных теоретических и экспериментальных исследований процесса диффузии влаги в полимерах. Разработаны новые методы и установки для определения диффузионных характеристик влажных материалов, обобщены данные по эффективным коэффициентам диффузии влаги, получены уравнения для расчета диффузионных характеристик полимерных материалов. Разработаны новые методики кинетического расчета диффузионного проницания пленочных полимерных материалов. В том числе:

- экспериментально получены новые данные по температурно-влажностным зависимостям эффективного коэффициента диффузии воды для широко применяемых гранулированных полимерных материалов; показана мера пластикации полимерных материалов водой, определяющая вид концентрационной зависимости эффективного коэффициента диффузии;

- проведен сопоставительный анализ сорбционных и диффузионных свойств и их влияние на кинетику массопереноса для полимерных материалов, находящихся в высокоэластическом и застеклованном состояниях, а также для полимерных материалов, содержащих микропоры;

- подтверждено объемное поглощение жидкости исследованными полимерными материалами- по механизму абсорбции, позволившее принять за основу при описании температурно-концентрационных зависимостей эффективного коэффициента диффузии модель активированной диффузии;

- установлена применимость решения уравнения теплопроводности с учетом стока тепла на испарение влаги у поверхности тела для расчета кинетики нагрева влажных полимерных материалов с большим внутридиффу-зионным сопротивлением;

- экспериментально показана правомерность применения основного уравнения диффузии для описания процесса миграции влаги в гранулированных полимерных материалах и целесообразность кинетического расчета на основе решения дифференциального уравнения диффузии;

- установлено существенное увеличение эффективного коэффициента диффузии с увеличением концентрации диффузанта, связанное с пластифицирующим воздействием воды; температурно-влажностные зависимости эффективного коэффициента диффузии аппроксимированы формулами, позволяющими проводить как расчет кинетики процесса массопереноса, так и теоретический анализ диффузионных свойств материалов; - установлено, что перенос влаги в исследованных материалах осуществляется путем молекулярной диффузии, определены значения энергии активации процесса диффузии; предложена обобщающая формула для определения эффективного коэффициента диффузии в полимерных материалах, учитывающая степень кристалличности и пластифицирующее воздействие воды;

- предложена обобщающая формула для определения эффективного коэффициента диффузии для коллоидных капиллярно-пористых систем (латек-сы), учитывающая изменение структуры материалов при удалении из них влаги в процессе конвективной сушки;

- показана целесообразность двухуровневого рассмотрения кинетической задачи глубокой сушки гранулированных полимерных материалов, при котором на нижнем уровне рассматривается кинетика сушки единичной частицы или дифференциального слоя материала в подвижной системе координат, связанной с рассматриваемой частицей, на верхнем уровне учитываются конструктивные, гидродинамические и тепломассообменные особенности выбранного типа сушильного аппарата;

- выявлена существенная нелинейность задачи диффузии влаги в полимерах и обоснована необходимость дифференцированного учета изменения кинетических коэффициентов при расчете процесса глубокой сушки;

- проведен анализ суммарного воздействия неоднородностей частиц по размерам и времени пребывания в аппарате на точность кинетического расчета процесса глубокой сушки гранулированных полимерных материалов;

- разработан зональный метод определения зависимости эффективного коэффициента диффузии от концентрации распределяемого компонента для полидисперсных зернистых материалов;

- выявлены на основе анализа сорбционных и диффузионных характеристик гранулированных полимерных материалов необходимые условия для рационального проведения процесса глубокой сушки и обоснован выбор его аппаратурного оформления;

- исследована структура потока твердой фазы в аппаратах шахтного типа с поперечно продуваемым кольцевым слоем материала; определены физико-механические свойства гранулированных полимерных материалов (углы обрушения, естественного и динамического откоса, порозность неподвижного и движущегося слоев), изучено влияние стесненности потока твердой фазы, сетчатых и перфорированных стенок на характер движения твердой фазы;

- разработаны и экспериментально проверены технические решения, улучшающие структуру потока твердой фазы в аппаратах шахтного типа с сетчатыми и перфорированными стенками; предложена новая конструкция сушильной камеры;

- получено и экспериментально проверено аналитическое решение задачи теплообмена (массообмена) для неподвижного плотного кольцевого слоя зернистого материала, в котором газ или жидкость движутся в радиальном направлении; показаны условия распространения полученных решении на случай тепломассообмена в непрерывно действующем аппарате с движу щимся кольцевым слоем зернистого материала и радиальным направлением потока газа или жидкости;

- предложены методики проектного и технологического расчетов процесса глубокой сушки гранулированных полимерных материалов со значительным внутри диффузионным сопротивлением, позволяющие для повышения точности кинетического расчета учитывать такие существенные факторы, как реальную дисперсию гранулированных материалов по размерам, время достижения изотермических условий сушки, изменение движущей силы процесса по направлению движения сушильного агента в слое мате риала, реальную неоднородность по времени пребывания материала в рабочей зоне аппарата; - проведены экспериментальные исследования секционированных аппаратов с закрученными взвешенными слоями материала для сушки вторичного гранулята от поверхностной влаги, определившие условия для существенного улучшения структуры потока твердой фазы и увеличения удерживающей способности слоя, времени пребывания материала в аппарате, поверхности межфазного контакта и коэффициентов тепломассопереноса;

- выполнено экспериментальное исследование процесса массопереноса при хранении гигрочувствительных материалов и продукции в герметичной пленочной упаковке, установившее необходимость учета затухающего характера процесса при проведении кинетических расчетов; сопоставительный анализ диффузионных сопротивлений процесса массопереноса в герметичных полимерных упаковках показал необходимость дифференцированного учета изменения кинетических коэффициентов при расчете процесса паропроницания в герметичных полимерных упаковках; 

- разработана методика кинетического расчета процесса паропроницания герметичных упаковок на основе сорбционных и диффузионных характеристик упаковочных полимерных материалов, учитывающая изменение физических параметров при хранении;

- проведен анализ процесса паропроницания в герметичной полимерной упаковке с размещением адсорбентов в дополнительный пленочный чехол; показана возможность организации требуемой стабильной влажности среды хранения гигроскопических материалов и продукции в условиях как влажного, так и сухого климата;

- предложена новая методика кинетического расчета герметичных полимерных упаковок с размещением адсорбентов в дополнительный пленочный чехол в условиях влажного и сухого климата при жестких ограничениях влажности внутренней среды. Практическая значимость и реализация результатов работы. На основе теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований процесса массопереноса в полимерных материалах созданы новые конструкции сушильных аппаратов для глубокой конвективной сушки промышленных гранулированных ПМ с большим внутридиффузионным сопротивлением, обеспечивающие сокращение времени сушки в 4-5 раз по сравнению с существующим оборудованием. Разработаны методики проектного и технологического расчетов сушильных аппаратов шахтного типа с кольцевым слоем материала для глубокой сушки полимерного гранулята.

Созданы новые конструкции высокоэффективных секционированных аппаратов с закрученным взвешенным слоем материала для сушки полидисперсного вторичного полимерного гранулята, отличающиеся от существующих аппаратов улучшенной структурой потока твердой фазы и в 1,8-2,2 раза большей удельной производительностью.

Разработан новый способ упаковки гигроскопичных материалов и влаго-чувствительных изделий в герметичные пленочные чехлы для хранения и транспортировки в условиях влажного и сухого климата при стабильной заданной влажности внутренней среды, позволивший увеличить (при дополнительных затратах в 3-5 % от стоимости упаковки) время хранения в 2-2,5 раза по сравнению с существующим методом. Предложена научно обоснованная методика кинетического расчета процесса паропроницания в герметичных упаковках.

Правовая защищенность разработок обеспечивается 15 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения.

Результаты исследований, предложенные методы кинетического расчета и конструкции сушильной аппаратуры использованы во ВНИИРТМаше при проектировании адсорберов для клеепромазочных машин и аппаратов для конвективно-радиационной сушки латексных пленочных изделий; на Тамбовском заводе "Электроприбор" внедрен многокорпусной сушильный комплекс для сушки полимерного гранулята; для Арамильского завода пластических масс (Свердловская область) изготовлена и включена в технологический процесс установка для глубокой сушки полимерного гранулята; для ПК "Формула" изготовлен двухкорпусной сушильный комплекс для глубокой сушки гранулированных полимеров; на Мичуринском ПО "Прогресс" внедрены расчетные режимы сушки основных промышленных гранулированных полимерных материалов; для КФХ "Платан" (Тамбовская обл.) изготовлен сушильный комплекс для сушки зерновых культур; в ГНУ ВИИТиН использованы результаты исследований диффузионных характеристик зернопро-дуктов для разработки технологии, кинетического расчета и аппаратурного оформления процесса сушки зерновых культур в виброциркуляционном слое инертного зернистого теплоносителя.

Практические рекомендации по созданию промышленных сушильных аппаратов, результаты экспериментальных исследований и математического моделирования могут быть использованы для широкого класса зернистых материалов различных отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Республиканской научной конференции "Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия" (г. Тамбов, 1974 г.); на Всесоюзной конференции "Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия" (г. Москва, 1977 г.); на Республиканской научной конференции "Сушка и грануляция продуктов микробиологического и тонкого химического синтеза" (г. Тамбов, 1981 г.); на 7-й Всесоюзной научно-технической конференции "Синтез и исследование эффективности химикатов для полимерных материалов" (г. Тамбов, НИИХИМполимер, 1982 г.); на Всесоюзной конференции "Процессы и оборудование для гранулирования продуктов микробиологического синтеза " (г. Тамбов, 1984 г.); на Всесоюзной конференции "Процессы и аппараты для микробиологических производств " (г. Грозный, 1986 г.); на Всесоюзной конференции "Современные машины и аппараты химических производств" (г. Чимкент, 1988 г.); на областной научно-технической конференции "Ученые вуза - производству" (г. Тамбов, 1989 г.); на Всесоюзной конференции "Процессы и аппараты для микробиологических производств " (г. Грозный, 1989 г.); на Международном совещании-семинаре "Теплофизические проблемы промышленного производства " (г. Тамбов, 1992г.); на 1-й научной конференции Тамбовского государственного технического университета ( г, Тамбов, 1994 г.); на 2-й региональной научно-технической конференции "Проблемы химии и химической технологии" (г. Тамбов, 1994 г.); на международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1997 г.); на 12-м международном конгрессе "CHISA — 96" (г. Прага, 1996 г.); на Всероссийском научно-техническом семинаре "Высокоэффективные электротехнологии и биоинформационные системы управления АПК" (г. Москва, 1997 г.); на научных чтениях (г. Москва, МГУПБ, 1997 г.); на выездном заседании Головного Совета "Машиностроение" (г. Тамбов, 1997 г.); на 11-м международном симпозиуме "IDS — 98" (г. Халькидики, Греция, 1998 г.); на 2-й региональной научно-технической конференции "Пищевая промышленность" (г. Казань, 1998 г.), на научно-технической конференции "Экология - 98" (г. Тамбов, 1998 г.); на 5-й научной конференции Тамбовского государственного технического университета (г. Тамбов, 2000 г.); на 4-й Международной теплофизической школе "Теплофизические измерения в начале XXI века" (г. Тамбов, 2001 г.); на 15-ой Международной конференции "Математические методы в технике и технологии " — ММТТ-15 (г. Тамбов, 2002г.); на 1-ой Международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термо-влажностная обработка материалов)" - СЭТТ-2002 (г. Москва, 2002 г.). Материалы диссертации используются в учебных курсах ТГТУ при обучении студентов спец. 655400 — «Энерго- ресурсосберегающие процессы в химической технологии в нефтехимии и биотехнологии» , 655800 — «Пищевая инженерия».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано свыше 70 статей, докладов, авторских свидетельств.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования структурно-сорбционных и диффузионных свойств гранулированных и пленочных полимерных материалов с большой величиной внутридиффузионного сопротивления при малых концентрациях распределяемого компонента.

2. Результаты анализа пластифицирующего воздействия воды на темпер а-турно-концентрационные зависимости эффективного коэффициента диффузии в полимерных материалах, имеющих широкое промышленное применение.

3. Результаты сопоставительного анализа сорбционных и диффузионных свойств и их влияние на кинетику массопереноса для полимерных материалов, находящихся в высокоэластическом и застеклованном состояниях, а также для полимерных материалов, содержащих микропоры.

4. Обобщающая формула для определения эффективного коэффициента диффузии для коллоидных капиллярно-пористых систем (латексы) учитывающая изменение структуры материалов при удалении из них влаги в процессе конвективной сушки.

5. Результаты анализа влияния неоднородности частиц высушиваемого материала по их дисперсному составу и времени пребывания в аппарате на точность кинетического расчета процесса глубокой конвективной сушки. 6. Разработанная автоматизированная установка и зональная методика определения эффективного коэффициента диффузии, учитывающая реальную полидисперсность гранулированных полимерных материалов.

7. Обоснование оптимальных условий рационального проведения процесса глубокой сушки гранулированных полимерных материалов и выбор его аппаратурного оформления.

8. Результаты исследования влияния геометрических параметров сушильного тракта и поверхности стенок сушильной камеры на структуру потока твердой фазы в аппаратах шахтного типа с кольцевым поперечно продуваемым плотным слоем гранулированного полимерного материала.

9. Аналитические решения задачи теплообмена (массообмена) плотного кольцевого слоя зернистых материалов с большим внутридиффузионным сопротивлением при движении газовой фазы в радиальном направлении.

10. Новые конструктивные решения промышленных аппаратов с кольцевым поперечно продуваемым плотным слоем материала для глубокой конвективной сушки гранулированных полимерных материалов.

11. Методики проектного и технологического расчетов процесса глубокой сушки гранулированных полимерных материалов со значительным внутридиффузионным сопротивлением, учитывающие реальную дисперсию гранулированных материалов по размерам, кинетику нагрева, изменение движущей силы процесса по направлению движения сушильного агента в слое материала, реальную неоднородность по времени пребывания материала в рабочей зоне аппарата.

12. Теоретические и экспериментальные исследования аппаратов с закрученными взвешенными слоями материала, установившие условия существенного улучшения структуры потока твердой фазы, увеличения удерживающей способности слоя, времени пребывания материала в аппарате, поверхности межфазного контакта и коэффициентов тепломассопереноса. 13. Конструкции секционированных аппаратов с закрученными взвешенными слоями материала для конвективной сушки полидисперсного вторичного гранулята от поверхностной влаги.

14. Результаты теоретического и экспериментального исследований процесса массопереноса в герметичных пленочных упаковках и анализ диффузионных сопротивлений, установившие необходимость учета затухающего характера процесса и дифференцированного учета изменения кинетических коэффициентов при расчете процесса паропроницания. 

15. Методика кинетического расчета процесса паропроницания герметичных упаковок на основе сорбционных и диффузионных характеристик упаковочных полимерных материалов, учитывающая изменение физических параметров при хранении.

16. Новый способ герметичного упаковывания с размещением адсорбентов в дополнительный пленочный чехол, обеспечивающий требуемую стабильную влажность среды хранения гигроскопических материалов и продукции в условиях как влажного, так и сухого климата;

17. Новая методика кинетического расчета герметичных полимерных упаковок с размещением адсорбентов в дополнительный пленочный чехол в условиях влажного и сухого климата при жестких ограничениях влажности внутренней среды.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, приложения и списка использованной литературы. Диссертация изложена на 411 страницах и содержит 114 рисунков. Список литературы включает 390 наименований. Приложение содержит 12 страниц и 7 актов использования результатов работы.  

Методы определения массообменных характеристик влажных материалов

Интенсивное развитие производства полимеров, разработка новых ПМ на их основе, получение композиционных материалов в строительстве и т.д. требуют совершенствования и оптимизации технологии их производства и переработки. Знание тепло- массопереносных характеристик позволяет не только рационально организовать производственный процесс, но и контролировать в ходе технологического процесса изменение других параметров перерабатываемых материалов. Обширный и постоянно растущий ассортимент ПМ обусловливает развитие методов определения тепло- массопере носных характеристик, предъявляя особые требования к повышению оперативности и информативности [1, 7, 10, 13, 35].

В настоящее время используется значительное количество методов определения характеристик ТМП дисперсных материалов, многообразие которых вызвано разными причинами: различным классом испытуемых веществ; определённым внешним воздействием; приёмами обработки экспериментальных данных; способами измерения и т.д. [1, 89-99].

Методы исследования характеристик ТМП дисперсных материалов, исходя из инструментальной сложности и математического описания, подразделяются на три группы: 1. методы определения теплофизических параметров; 2. методы определения диффузионных параметров; 3. комплексные методы определения диффузионных и теплофизических параметров.

Диффузионные процессы в полимерных системах, как правило, характеризуются отсутствием взаимного влияния процессов ТМП и несущественной ролью термодиффузии. Исследование диффузионных характеристик ПМ проводится в области физико-химии полимеров в рамках изотермической диффузии [1,7, 13, 16, 20]. Разработка методов и устройств для определения диффузионных характеристик базируется на современной теории массопере-носа и связана с исследованием полей влагосодержания во влажных материалах в процессе обработки. В работах [100-101] разработан единый подход к определению характеристик переноса с оценкой допускаемых при этом погрешностей. Наибольшую трудность представляет решение обратных задач (аналитическое построение изотерм и определение коэффициентов диффузии) [12,25]. Наряду с этим точное определение общего влагосодержания для построения изотерм сорбции-десорбции в полимерных системах является актуальной задачей [9, 26, 35].

Современные способы определения содержания воды в объектах исследования подразделяются на следующие группы: гравиметрические, манометрические, химические, теплофизические, электрофизические, спектрофото-метрические, методы ЯМР, радиохимические [7-9, 12-14, 50, 58, 59]. Однако, несмотря на разнообразие объектов и методов исследования, специфику некоторых методик, сущность всех их одинакова и заключается в определении тем или иным способом кинетики сорбции и равновесного количества сорба-та [7]. Достоинством сорбционных методов являются простота аппаратуры, достаточно высокая точность, широкий диапазон измерения коэффициентов диффузии и возможность оценки термодинамических характеристик системы. Этими методами изучают кинетику набухания полимеров в жидкостях, растворах, олигомерах; определяют летучесть и миграцию пластификаторов, экстракцию, выпотевание и вымывание ингредиентов полимерных композиций, растворение твердых веществ в полимерах.

Преимущественно практическое значение имеют гравиметрические методы. Из химических методов наиболее известен метод Фишера (метод сте-хиометрической реакции). Из косвенных методов активно развиваются методы ЯМР, позволяющие определять не только количественно влагу, но и исследовать её связь с материалом. Перспективным методом для определения локального влагосодержания является применение радиоактивных индикаторов (Cs137, S33 и др.). Методы инфракрасной спектроскопии, основанные на свойстве гидроксильной группы сильно поглощать электромагнитную энергию в инфракрасной области спектра, при использовании узких пучков позволяют получать картину распределения влаги в исследуемом объекте. Для определения локальных влагосодержаний в набухающих материалах эффективно используют коллимированные рентгеновские пучки [25].

Для получения зависимости C=f(q ) во всем интервале влагосодержания среды наибольшее применение нашел статический метод Ван Бавелена, по которому образцы выдерживают до постоянного веса в среде с определенным значением парциального давления водяного пара. Требуемое влагосодержание среды создается над насыщенными водными растворами неорганических солей [11-13], Для многих материалов равновесие наступает через значительное время, что не только усложняет опыт, но и может привести к изменениям образца. Поэтому часто прибегают к динамическим методам снятия изотерм сорбции-десорбции, при которых применяют продувку влажной среды через слой дисперсного материала. К недостаткам динамических методов следует отнести унос легкого дисперсного материала [2, 24]. Для полимерных материалов, максимальное гигроскопическое влагосодержание которых весьма мало ( 1 %), целесообразно применение вакуумного статического метода с использованием пружинных весов Мак-Бена-Бакра. Этот метод отличается высокой точностью, позволяет измерять влагосодержание нескольких параллельных образцов или материалов без извлечения из рабочей камеры [25, 102-106]. Как правило, все сорбционные измерения проводятся на пленках полимеров толщиной от 20 до 200 мкм.

Сорбционные свойства гранулированных и пленочных полимерных материалов

Анализ литературных источников [7, 11-13, 20, 25, 144, 202] выявил, что несмотря на многообразие методов исследования сорбционных свойств влажных материалов, наиболее распространенным методом в силу своей точности и достаточной надежности является метод сорбционных весов.

Достоинством метода является возможность установления любой влажности среды, проведения ступенчатой и интегральной сорбции-десорбции, работа с единичными образцами материала малого веса.

На рис 2.1-2.5 представлены изотермы сорбции и десорбции водяного пара исследованными ПМ и полимерными пленками, полученные весовым методом с использованием сорбционных весов Мак-Бена-Бакра, выполненных по типовой схеме [20]. Сорбционная установка полностью помещалась в термостатируемый объем, что позволило определить сорбционные характеристики материалов в широком диапазоне температур. Основным элементом сорбционной установки является стеклянная сорбционная ячейка, внутри которой на кварцевой спирали подвешиваются исследуемые образцы. Удлинение спирали регистрируется с помощью катетометра КМ-8 с точностью ±0,005мм. Для создания определенной влажности среды использовались насыщенные растворы солей [200].

Известно, что взаимодействие воды и водяного пара с полимерами являет собой совокупность процессов абсорбции, адсорбции, капиллярного впитывания и хемосорбции. Преобладание того или иного механизма зависит от внутренней структуры ПМ, совместимости с сорбатом, набухания и многих других факторов [11-13, 30, 35, 36, 46, 58].

Изотермы сорбции-десорбции (рис. 2.1-2.5) представляют собой плавные кривые, вогнутые по отношению к оси влажности среды, что соответствует гипотезе об образовании молекулярного раствора [13, 44].

Все исследованные ПМ можно отнести к ограниченно сорбирующим материалам. Практически все ПМ в той или иной мере поглощают влагу и их нельзя отнести к классическим твердым пористым телам с инертным по отношению к воде скелетом, когда обоснованно применимы общие закономерности адсорбции и капиллярной конденсации. Системы полимер — низкомолекулярное вещество относятся к ограниченно совместимым, в которых наряду с поверхностными явлениями прослеживаются и процессы набухания, обусловленные абсорбцией низкомолекулярного вещества [6, 7, 13, 35].

Гранулированные ПМ при отсутствии специального воздействия, направленного на развитие пористой структуры, характеризуются весьма малой или полностью отсутствующей пористостью и небольшой удельной поверхностью, существенным преобладанием абсорбционных явлений над адсорбцией и капиллярной конденсацией [4, 11-13, 20, 36].

Изотермы исследованных материалов в области высоких значений влажности среды не выявляют капиллярной конденсации. Отсутствие гистерезиса между прямыми и обратными сорбционными процессами для ПМ, находящихся в высокоэластическом состоянии (П-12Э), свидетельствует об отсутствии транспортно значимых пор.

Количество поглощенного низкомолекулярного вещества зависит от соотношения аморфной и кристаллической фаз полимерной матрицы. Известно, что поглощение жидкости происходит только аморфной частью ПМ и дефектами кристаллитов [6, 11-13,29, 35,36].

Температурная зависимость процессов сорбции обусловлена двумя противоположными по воздействию факторами. При повышении теплового движения свободные отрезки макромолекул, находящиеся в статистических клубках, проявляют энтропийную природу, что является причиной уменьшения величины сорбции. В то же время макромолекулы более активно взаимодействуют друг с другом, следствием чего является увеличение сорбционной емкости. Суммарное проявление этих факторов и определяет сорбционные явления в системе полимер — низкомолекулярное вещество [44, 46].

Для ПМ, находящихся в условиях экспериментов в высокоэластическом состоянии (П-12Э, ПЭТФ, полипропилен), отмечается относительно небольшая температурная зависимость сорбции. Изотермы сорбции, полученные при высоких температурах, имеют практическое значение для определения движущей силы при расчетах процессов глубокой сушки, проводимых вблизи равновесного влагосодержания [1, 2]. Аналитическое описание температурной зависимости равновесного влагосодержания материала позволяет производить дифференцированный учет движущей силы процесса внутреннего массопереноса по длине аппарата [1, 2, 161].

Процессы сорбции-десорбции для ПМ в стеклообразном состоянии (поликарбонат) имеют ряд особенностей, наиболее характерными из них являются структурные изменения. Известно, что сорбция водяного пара снижает температуру стеклования, полимер переходит в высокоэластическое состояние, при котором возможно завершение процессов кристаллизации [6, 35]. В результате повышения степени кристалличности уменьшается сорбционная емкость ПМ. В ряде случаев наблюдается аморфизация ПМ, переход одной кристаллической модификации в другую, образование мезофазы [6, 12, 30].

Экперименты выявили, что для ПМ в стеклообразном состоянии наблюдается сорбционно-десорбционный гистерезис во всем диапазоне относительной влажности среды (рис. 2.2). При наличии только капиллярной конденсации гистерезис возможен только в области больших значений относительной влажности (ф 0,5-0,6). Для поликарбоната гистерезис захватывает и начальную часть изотермы сорбции-десорбции с заметным увеличением его относительного значения. Такое явление обусловлено малой подвижностью макромолекул застекл о ванного ПМ, что влияет на скорость протекания релаксационных процессов.

Анализ влияния неоднородности частиц высушиваемого материала по их дисперсному составу и времени пребывания в аппарате на точность кинетического расчета процесса конвективной сушки

Реальные дисперсные системы состоят, как правило, из частиц разного размера и характеризуются распределением частиц по размерам (гранулометрическим составом). Гранулометрический состав может быть выражен в виде интегральных или дифференциальных кривых распределения количества (массы, объема, поверхности или числа частиц) материала по размерам частицы [2, 290-294]. Исследуемые гранулированные ПМ получены следующими методами гранулирования: 1. метод стренговой грануляции (метод холодной резки): полиамид П-12; полиамид П-610 Л; полиамид П-610 Л-СВ-30; 2. метод "насечки" листового материала: полиэтилентерефталат; 3. метод горячей резки с воздушно-водяным охлаждением: полипропи лен, АВС-пластик 1210, СФД ВМ-БС, поликарбонат, полистирол "Stiron", полистирол ПСМ-115, полистирол УПМ-0703 Л. На рис. 3.1.-3.11. представлены полученные нами дифференциальные кривые распределения гранул исследованных ПМ по размерам. Кривые плотности распределения имеют вид, близкий к нормальному распределению Гаусса [290]. Как видно из рис. 3.1.-3.11., наибольшей дисперсией характеризуются материалы, полученные методом горячей "насечки", затем методом горячей и холодной резки. Неоднородность частиц по времени пребывания в непрерывно действующем аппарате зависит от множества факторов, в том числе от его конструкции и от сыпучести материала.

Неоднородности частиц как по размерам, так и по времени пребывания в аппарате, оказывают существенное суммарное влияние на точность кинетического расчета. Рассмотрим раздельное влияние неоднородностей гранул ПМ по размерам и по времени пребывания в аппарате. Как показано экспериментом, гранулы ПМ имеют дисперсию: 1. сфера — по диаметру; 2. цилиндр — по диаметру и по длине; 3. пластина — по трем сторонам. Пусть fj(Ri) Ы 2) ґз(К-з) - плотности вероятности распределения размеров частиц, причем функции fi(Ri), f2(R2), ґз(Кз) - независимы друг от друга. Проанализируем влияние неоднородности сферической частицы по одному размеру, цилиндрической — по двум размерам и пластины — по трем размерам на точность кинетического расчета. На рис. 3.12. -3.18. показано влияние дисперсий а и Сте на зависимость относительного влагосодержания Ё от числа Fom для частиц сферической и пластинчатой формы. Графики построены на основе численных расчетов по уравнениям (3.23), (3.30), (3.31). Анализ отношений 5 = Fom(J ,,0 /Fom(T _0 80 = Fom(T ф0 /FomCT =0 свидетельствует о том, что при прямом кинетическом расчете макрокинетики процесса глубокой сушки следует учитывать данные о полидисперсности материала и интенсивности продольного перемешивания материала в аппарате. Анализ суммарного воздействия неоднородностей по размерам частиц и по времени пребывания в аппарате показывает, что: - при наличии указанных неоднородностей расчет только по средним значениям R и т приводит к ощутимому занижению величины Ё; - с увеличением дисперсий а , и о\ ошибка от неучета неоднородно стей возрастает и при величине Е =(1-5-3) 10" , характерной для глубокой сушки дисперсных материалов, относительная ошибка определения необходимого времени пребывания материала в аппарате достигает 20 и более процентов при (т иад 0,25; - продольное перемешивание твердой фазы оказывает значительное влияние на равномерность влагосодержания высушенного продукта и при отсутствии строго упорядоченного движения твердой фазы достигнуть требуемого качества высушенного материала при глубокой сушке весьма затруднительно. - значительная дисперсия гранул по размерам может привести к появлению в высушенном продукте отдельных гранул с повышенным влагосодержанием, что обусловит локальное образование дефектов расплава полимера с вытекающими последствиями, приводящими к выбраковке всего изделия. Зональный метод определения эффективного коэффициента диффузии, основанный на решении дифференциального уравнения диффузии при условии постоянства D3 в узком концентрационном интервале, базируется на кинетической кривой процесса сушки единичных образцов или дифференциального слоя, полученной в условиях, исключающих внешнедиффузионное сопротивление окружающей среды [218]. Следует отметить, что расчетное уравнение (2.1) позволяет определять зависимость D3=f (С) для отдельных тел или ансамбля (дифференциального слоя) из частиц одинакового размера канонической формы. В случае исследования диффузионных свойств гранулированных ПМ применение уравнения (2.1) в ряде случаев становится затруднительным по следующим причинам: - ПМ, полученные, например, суспензионной полимеризацией, имеют достаточно малые размеры и нахождение экспериментальной кинетической кривой единичных образцов, особенно в области малых концентраций, является достаточно сложной технической задачей; ПМ, полученные методами механического гранулирования, характеризуются значительной полидисперсностью (рис. 3.1-3.11) и использование кинетической кривой дифференциального слоя полидисперсных частиц для определения зависимости D3=f (С) по уравнению (2.1) может привести в конечном итоге к значительной ошибке дальнейшего кинетического расчета процесса сушки в условиях реального аппарата (3.2.). Указанные обстоятельства обусловливают дальнейшее развитие зонального метода определения коэффициента эффективной диффузии и распространение его на полидисперсные зернистые материалы.

Для определения эффективного коэффициента диффузии при изучении полидисперсных зернистых материалов с большой величиной внутридиффу-зионного сопротивления предлагается следующая методика: 1) для исследуемого материала определяются дифференциальные функции распределения частиц по размерам: для сферы - f(R); для цилиндра - fi(Ri), Ґ2(Дг); для пластины - fi(Ri), f2(R2), ґз з); 2) при описании дисперсии нормальным законом распределения находим: для сферы

Исследование структуры потока твердой фазы в сушильном аппарате шахтного типа с поперечно продуваемым кольцевым слоем материала

Движение сыпучих материалов в аппаратах, бункерах, силосах в зависимости от физико-механических свойств сыпучего тела может быть нормальным или гидравлическим [330-333], При гидравлическом истечении [334] материал в аппарате опускается всем столбом, причем крайние частицы потока скользят по стенкам, застойные зоны не образуются, продольное перемешивание твердой фазы практически отсутствует.

При исследовании кинематических зон движения сыпучего материала используются различные методы: дискретное измерение перемещений отдельных частиц или окрашенных слоев в плоских или полуцилиндрических моделях с прозрачными стенками; непрерывная киносъемка; послойные срезы образцов [331-333].

Исследования движения крупнозернистых материалов в бункерах с прозрачными стенками выявили отсутствие вращательного движения частиц, прилегающих к гладким стенкам [333-334]. При значительной шероховатости стенок отмечается поворот частиц неправильной формы вследствие зацепления неровностей частицы за неровности стенки [331].

При организации процесса непрерывной сушки зернистых материалов в поперечно продуваемом движущемся слое стенки сушильной камеры выполняются перфорированными или сетчатыми, что обусловливает их значительную шероховатость и влияние на структуру потока твердой фазы.

В связи с отсутствием литературных данных по структуре потока твердой фазы (исследуемые гранулированные ПМ) в шахтных аппаратах с сетчатыми и перфорированными стенками, возникла необходимость экспериментального исследования характера движения гранулированных ПМ для выбора определенной конфигурации сушильного тракта.

Для оценки сыпучести гранулированных ПМ в работе были экспериментально определены (табл. 4.1): угол естественного откоса ag и угол обрушения а; на установке секторного типа [328]; угол динамического откоса а в емкости с плоским днищем и выпускным отверстием [330]; порозность Єо неподвижного и порозность d движущегося слоя [332].

В результате проведенных исследований было установлено.что исследуемые ПМ (табл, 4.1) имеют угол естественного откоса ае в пределах 31- 36. По данным [332] гранулированные ПМ аналогичного размера характеризуются углом естественного откоса ag в пределах 29-ь35.

Угол обрушения ССІ для рассматриваемых ПМ (табл. 4.1) находится в пределах 34- 39 и превышает аена 3+5.

Угол динамического откоса ad для исследуемых ПМ (табл. 4.1) лежит в пределах 53 65 , причем выполняется соотношение ad« 2 ag, что характерно для хорошо сыпучих материалов [330]. Порозность Со неподвижного слоя определена при формировании слоя в результате свободной насыпки с высоты 0,3 м методом «дождя» [297-304]. Порозность є измерена при установившемся регулируемом движении материалов в канале с вертикальными стенками со скоростью 510"4 м/с. Для всех исследуемых гранулированных ПМ наблюдается незначительное разрыхление слоя [332].

Согласно классификации сыпучих материалов [332,339] (с учетом полученных экспериментальных данных (табл. 4.1)) исследуемые материалы можно отнести к классу несвязных материалов I группы (кусковые, зернистые с размерами частиц более 310" м).

Изучение влияния стесненности потока твердой фазы, сетчатых и перфорированных стенок на характер движения гранулированных ПМ в вертикальных сушильных аппаратах шахтного типа с кольцевым слоем материала проводилось на экспериментальной установке, представляющей собой плоскую модель слоя с регулируемым движением материала в аппарате.

Экспериментальная установка (рис.4.3.) имела стеклянные переднюю и заднюю стенки и две боковые стенки, моделирующие гладкие, сетчатые или перфорированные поверхности. Материал боковых стенок указан в табл. 4.1. Боковые стенки имели возможность установки с отклонением от вертикали до 10 (угол ас). На установке выделялось три зоны движения зернистого материала (гранулированные ПМ): зона загрузки (h заг), зона выгрузки (h ЗВЫг) и зона сушки (h суш = 1 5 м). Скорость движения материала задавалась питателем секторного типа в пределах (2- -5)10-4 м/с, что характерно для глубокой сушки гранулированных ПМ в аппаратах шахтного типа [18,19]. Толщина слоя S изменялась в пределах 0,08- -0,30 м. Минимальная толщина слоя (5 20d3) выбрана из условия отсутствия сводообразования и пульсаций расхода [331-332]. В этом случае истечение материала с большой точностью подчиняется законам для предельной схемы крупнозернистого материала [331].

В нижней части зоны сушки находился пробоотборник, предназначенный для анализа интенсивности продольного перемешивания твердой фазы.

Наиболее общим методом определения отклонения реального потока вещества от идеального режима является исследование с применением трассирующего вещества [289]. При исследовании структуры потока твердой фазы в качестве трассера использовали окрашенные частицы исследуемых ПМ, импульсно вводимые в изучаемую зону аппарата. На рис.4.4. показаны профили трассера, полученные в опытах по изучению влияния двух факторов: высокой шероховатости стенок и угла наклона загрузочной и выгрузочной части аппарата.

Степень отклонения потока вещества от идеального режима может быть рассчитана непосредственно по экспериментальным данным на основе соот ветствующей модели потока. При изучении потоков в режимах, незначительно отклоняющихся от режима идеального вытеснения, обычно используются однопараметрические модели [289].

Установлено, что при вертикальных гладких боковых стенках (полированная нержавеющая сталь, алюминий) все исследуемые гранулированные ПМ при отсутствии влияния загрузочной и выгрузочной зон аппарата движутся в режиме идеального вытеснения. Гранулированный материал опускается всем столбом (рис. 4.4 а), крайние частицы потока скользят без проворачивания по гладким стенкам, застойные зоны не образуются. Это полностью согласуется с данными других исследований [330-332], которые отмечают, что даже частицы округлой формы в процессе движения сыпучего материала обычно не вращаются.

При установке боковых стенок повышенной шероховатости (табл. 4.2) отмечалось их влияние на режим движения твердой фазы. Визуальные наблюдения показали вращение и задержку частиц, прилегающих к стенкам. Возмущения в пристенном слое отмечалось на расстоянии 4-5-6 диаметров частиц, что приводило к изменению профиля трассера (рис 4.4. б).

Известно [331], что сводобразующие структуры проявляют свое воздействие на течение материала при значениях отношения диаметра аппарата Da к диаметру d4 частиц Da/d4 154-20.

В рассматриваемом случае при толщине слоя материала 0,1 м стесненность потока твердой фазы приводила к значительному искажению профиля трассера, с увеличением толщины слоя влияние стесненности потока существенно уменьшалась.

При установке выгрузочной зоны аппарата под углом, близким к ag появляется застойная зона (рис 4.4. в), форма которой определяется углом динамического откоса aj- Частицы материала в застойной зоне движутся с меньшими скоростями и пребывают в аппарате значительно большее время, хотя застойная зона и не считается областью полностью неподвижного материала [332].

Для многих полимерных материалов (особенно для полиамидов) длительное пребывание в сушильном аппарате (больше расчетного времени) приводит к пересушиванию или термической деструкции материала, что отрицательно сказывается при переработке расплавов полимеров [18-19],

Суммарное влияние повышенной шероховатости стенок и конфигурации полного сушильного тракта приводит к существенному продольному перемешиванию твердой фазы в рассматриваемом аппарате. В связи с этим возникла необходимость изучения структуры потока гранулированного материала с целью разработки конструктивных мер по организации требуемого режима движения твердой фазы.