Введение к работе
Актуальность проблемы
На сушку расходуется до 15-20% от всех энергетических затрат на промышленное производство; сушилки являются весьма металлоемким оборудованием и занимают большие производственные площади. В химической промышленности большинство продуктов высушивается В; дисперсном состоянии, что обусловило все возрастающее применение для их сушки различных гидродинамических режимов взвешенного слоя.
Вместе с тем, многие годы техника сушки развивалась в отрыве от теории, и возюшла настоятельная необходимость разработки научных основ техники сушки, особенно техники сушки дисперсных материалов во взвешенном слое.
Учитывая многотысячный ассортимент подлежащих сушке дисперсных материалов, анализ неизбежно приводит к необходимости классификации материалов как объектов сушки с учетом технологических требований и разработки для каждого класса материалов типовых сушильных аппаратов достаточно маневренных для того, чтобы обеспечить оптимальное проведение процесса сушки каждого материала.
Все перечисленные и многие другие вопросы были рассмотрены и решены в данной работе, что обусловило ее актуальность. Работа проводилась в соответствии с планами важнейших работ по теоретическим основам химической технологии.
Цель работы.
Целью настоящей работы, продолжавшейся около 20 лет, было создание научных основ техники сушки дисперсных материалов при эффективных гидродинамических режимах. Для достижения указанной цели необходимо было решить ряд актуальных задач, в числе которых: разработка классификации влажных материалов как объектов сушки, позволяющей в отличие от существующих, осуществлять прямой переход от статики сушки к выбору рационального гидродинамического режима сушки во взвешенном
4 слое; выявление характеристических особенностей типовых гидродинамических режимов взвешенного слоя и разработка соответствующей классификации; разработка методов количественной оценки активности и эффективности гидродинамических режимов взвешешюго слоя с целью объективной оценки альтернативных вариантов при исследованиях новых аппаратов и практическом выборе рациональной конструкции; анализ существующих решений, выбор и расчет оптимальных конструкций типовых аппаратов с взвешешшм слоем для каждого класса влажных дисперсных материалов; эксергетический анализ работы сушильной установки и разработка рекомендаций по улучшению ее работы и многие другие задачи.
Научная новизна
Создана система, позволяющая без экспериментов перейти от статики к кинетике сушки во взвешенном слое на основе принципа соответственных состояний и кинетики сушки модельных материалов.
Разработана новая классификация влажных дисперсных материалов как объектов сушки, согласующаяся с классификацией пор по радиусам и позволяющая определить время сушки материала во взвешенном слое.
Выявлены характеристические особенности типовых
гидродинамических режимов взвешенного слоя; осуществлено математическое описание поведения дисперсной и сплошной фазы с учетом изменения размеров частиц в процессе сушки и других особенностей поведения полидисперсной двухфазной системы при сушке во взвешенном слое.
Разработан метод количественной оценки эффективности гидродинамических режимов взвешенного слоя при сушке дисперсных материалов с использованием эксергетического анализа и эксергетического коэффициента полезного действия.
Установлен ряд новых закономерностей, выявлены новые физические эффекты и особенности исследованных объектов (показано, что при сушке во
5 взвешенном слое энергия связи влаги с материалом не является кинетической характеристикой; вскрыта природа явлений независимости удерживающей способности вихревых камер от расхода газа в закритической зоне и падения сопротивления при увеличении концентрации материала в камере; подтверждено и изучено явление образования вращающегося кольца материала во встречных закрученных потоках и др.).
Показана несостоятельность простого энергетического баланса как метода оценки работы сушильных установок и преимущества эксергетического анализа, позволяющего вскрыть реальные резервы и наиболее несовершенные узлы сушильной установки. Проведена термоэкономическая оптимизация и разработана методика расчета эксергетических показателей работы сушильных установок.
Разработаны методы выбора, расчета и моделирования типовых сушилок с взвешенным слоем для каждого класса влажных дисперсных материалов предложенной классификации.
Практическое значение работы
Вся система научного анализа доведена до инженерных решений.
Применение разработанных методов позволяет значительно сократить затраты времени на проведение исследовательских работ, необходимых для создания и испытания экспериментальных сушильных установок с целью выбора рационального аппарата и режима сушки, а во многих случаях даже исключить эту стадию исследования.
Предлагаемые типовые аппараты с эффективными
гидродинамическими режимами имеют в десятки раз меньшую металлоемкость по сравнению с традиционными аппаратами и занимают значительно меньшие производственные площади.
Разработчики новых сушильных аппаратов с взвешенным слоем материала могут на основании предложенных рекомендаций осуществить объективную оценку целесообразности своих разработок, сравнивая эксергетические КПД имеющихся и предлагаемых аппаратов.
Проектировщики, используя результаты и рекомендации, содержащиеся в данной работе, могут создать оптимальную для каждой технологической задачи сушильную установку, отличающуюся высокой эффективностью, обеспечивающую необходимое качество высушенного продукта и экологическую чистоту установки.
Разработанные методы и рекомендации позволяют значительно повысить эффективность процессов сушки дисперсных материалов и расширить область применения сушилок с взвешенным слоем в производствах химической и смежных с ней отраслей промышленности. Результаты работы уже используются рядом организаций в практической деятельности (акты внедрения приведепы в приложении к диссертации).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, базируется на применении фундаментальных физических законов, корректных методов теоретического и экспериментального исследования, хорошем соответствии результатов расчетов но математическим моделям с экспериментальными данными, полученными в лабораторных и промышленных условиях, использованием современных средств и методов измерения, положительными результатами внедрения разработок в ряде организаций и производств химической и других отраслей промышленности.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях секции «Технологические процессы с твердой фазой» Совета РАН по теоретическим основам химич. технологии (1987, 1992, 1996, 1999); на заседаниях научных семинаров: по общей химич. технологии (Москва, Российский химико-технологический университет (РХТУ) им. Менделеева, Москва, 1999), по кибернетике химико-технологических процессов (РХТУ им. Менделеева, Москва, 1999); на многих международных, всесоюзных, республиканских и региональных совещаниях, конференциях, школах и семинарах, в числе которых: 2 Междунар. минский
форум по тепломассообмену (Белоруссия, Минск, 1992), Междунар. конф. «Математические методы в химии и химич. технологии» (Новомосковск, 1997), 7 Междунар. симпозиум по сушке (Польша, Лодзь, 1991), 6 Национальная конф. по композиционным материалам (Болгария, Варна, 1991), Междунар. теплофизическая школа (Тамбов, 1992), 4-13 Междунар. конф. по химии и химич. технологии (Москва, 1990-1999), межреспубл. научно-технич. конф. «Интенсификация процессов химич. и пищевой технологии» (Узбекистан, Ташкент, 1993), Всесоюзн. совещ. по методам кибернетики в химии и химич. технологии (Грозный, 1984), 1-3 Всесоюзн. научн. конф. «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Москва, 1984; Баку, 1987; Москва,1989), Всесоюзн. научно—технич. конф. по сушке (Полтава, 1984), 4 и 5 Всесоюзн. научн. конф. «Математическое моделирование сложных химико-технологических систем» (Одесса, 1985; Казань, 1988), Всесоюзн. научн. конф. «Теоретические основы разработки интенсивных процессов» (Дзержинск, 1986), 6 Всесоюзн. научн. конф. «Математические методы в химии» (Новочеркасск,1989), Всесоюзн. научно-технич. конф. по аппаратам с активными гидродинамич. режимами (Москва, 1989,1996) и др.
Публикации Основные положения работы опубликованы в монографии «Научные основы техники сушки» (М., Наука, 1997 г. 448 с.) и в 123 публикациях в журналах «Теоретические основы химической технологии», «Химическая промышленность», «Промышленная теплотехника», «Бюллетень изобретений» и др., а также в межвузовских, научно-технических сборниках и др.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, десяти глав, заключения, списка литературы, включающего 418 наименований и тома приложений. Диссертационная работа изложена на 392 стр. основного машинописного текста, содержит 44 таблицы па 48 стр. и 187 рисунков.