НОВАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК ОБЪЕКТОВ СУШКИ

Актуальные проблемы современной науки: тезисы докладов XXХVІ Международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург – Астана – Киев – Вена, 29 ноября 2018)

Секция: Технические науки

Сажин Виктор Борисович

доктор технических наук, профессор, академик, директор Фонда

Российский инвестиционно-инновационный Фонд «Научная Перспектива»

г. Москва, Россия

Сажин Борис Степанович

доктор технических наук, профессор, академик, советник Фонда

Российский инвестиционно-инновационный Фонд «Научная Перспектива»

г. Москва, Россия

НОВАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК ОБЪЕКТОВ СУШКИ

Сушка – технологический процесс, являющийся одним из самых распространенных в промышленности (химическая и целый ряд смежных отраслей, лесная, пищевая и др.), а также в сельском хозяйстве. Сушка является одним из самых энергоемких технологических процессов (уступая лишь энергоемкости в металлургии). Так до 85% всех энергозатрат химического предприятия приходится именно на сушку. В настоящее время ассортимент материалов, подлежащих сушке, включает сотни тысяч наименования, причем с каждым годом этот перечень увеличивается на 10-20 тысяч новых материалов [1-5]. Разработанная авторами принципиально новая классификация материалов как объектов сушки, не противоречащая наиболее авторитетным классификациям (П.А. Ребиндера, А.В. Лыкова и другим), к тому же обладающая существенно большими возможностями (чем любая из известных), должна стать своеобразной «дорожной картой» для представителей прикладной науки, бизнеса и промышленности, специализирующихся в области сушки дисперсных материалов, поскольку позволяет на основании всего лишь двух характеристик материала (определяемых экспериментально критического размера пор и адгезионно-аутогезионного коэффициента) рекомендовать наиболее эффективные гидродинамические режимы и аппараты для их реализации [3; 4; 6-10; 17-21].

Принципиально важным для эффективной реализации процесса сушки является корректный расчет необходимого времени сушки для конкретного материала. Рассчитать необходимую продолжительность сушки в условиях взвешенного слоя можно, используя принцип соответственных состояний и данные по кинетике сушки модельных материалов.

Время сушки в аппаратах со взвешенным слоем высушиваемого материала определяется величинами диффузионного и термического сопротивлений, которые могут быть оценены в результате комплексного анализа материала как объекта сушки [11-18] и, в первую очередь, на основе сорбционно-структурных и тепловых характеристик. В период постоянной скорости сушки происходит испарение жидкости с поверхности материала и перемещаемой к ней жидкости макрокапилляров и крупных пор диаметром более 100 нм.

Для этого периода характерно изменение (увеличение или понижение) температуры материала до температуры адиабатического насыщения среды. При этом время удаления жидкости в первом приближении равно времени, в течение которого в процессе сушки материалу подводится количество тепла, необходимое для его прогрева до температуры испарения жидкости [1-4; 25-28].

Для определения времени прогрева τ΄ частиц дисперсного материала при сушке в аппарате со взвешенным слоем, где внешний массообмен не лимитирует процесс, рассчитывают критерий Био Bi и балансовое отношение тепла, поглощенного системой в заданном состоянии Q, к теплу, поглощенному системой в предельном состоянии Qо:

                           (1)

где см, сж- теплоемкость материала и удаляемой жидкости; θн,θи- температура материала начальная и при которой происходит испарение; Uн,Uм.св- начальное содержание жидкости в материале и максимальное связанной жидкости; t - температура сушильного агента; rп- теплота парообразования. При расчете числа Bi=aR/l принимают гарантированное значение коэффициента теплообмена a в условиях взвешенного слоя, равное 116 ВТ/(м2.К). По рассчитанным значениям Bi и Q/Qо определяют значение теплового критерия Фурье Fо, из которого можно получить время τ΄, в течение которого к частице материала радиусом R с известными тепловыми характеристиками (a, l и с) будет подведено необходимое для сушки количество тепла. (Для определения величин a, l и c нами был рекомендован метод двух температурно-временных точек [1; 7; 22-25]). После испарения свободной жидкости и жидкости макрокапилляров начинается испарение влаги из микрокапилляров. Поверхность испа­рения углубляется, и скорость сушки падает. Перенос влаги при испа­рении из микрокапилляров в изотермических условиях происходит в результате диффузии и пленочного передвижения жидкости. Меха­низм и интенсивность внутреннего переноса жидкости зависят от размеров пор. При удалении из материала адсорб­ционно связанной жидкости её нужно сначала внутри материала превратить в пар, скорость диффузии которого к поверхности материала также определяется размерами пор. Анализ происходящего внутри материала процесса переноса влаги показывает, что время удаления влаги из пор различного диаметра различно и составляет доли секунд при обычной диффузии в крупных порах и несколько минут (или даже несколько десятков минут) при диффузии в ультрамикропорах. Реальные материалы имеют слож­ную структуру и содержат поры различных размеров, поэтому продол­жительность их сушки будет зависеть от количественного соотношения пор различных диаметров. Исходя из того, что содержанию жидкости в материале соответствует заполнение пор определенного размера и предполагая, что удаление этой жидкости происходит последовательно (сначала из более крупных пор, а затем все более мелких), продолжи­тельность удаления жидкости из материала будет складываться из продолжительности её удаления из каждой группы пор, отличающихся по размерам [7; 29-31].

Если обозначить среднюю скорость удаления жидкости из пор диа­метром от di до di+1 через, то время ti опорожнения пор таких размеров можно определить из выражения

                                   (2)

где rм, rж – плотность абсолютно сухого материала и жидкости, удаляе­мой в процессе сушки; fV – функция распределения объема пор по диаметрам; Ki – коэффициент, обратно пропорциональный средней скорости удаления жидкости из i-ой группы пор; Ki – содержание жидкости в материале, соответствующее заполнению пор диаметром от di до di+1. Продолжительность t ΄΄ удаления жидкости из микрокапилляров материала, имеющего разнопористую структуру, можно определить из соотношения

                                             (3)

Тогда общее время сушки пористого материала

                                         (4)

Очевидно, что размером пор определяется механизм переноса жидкости внутри материала в процессе сушки. Исходя из этого можно условно разбить поры на 5 групп.

Первую группу составляют поры диаметром от 100 до 8 нм (от 10–5 до 8 · 10–7 см). В порах такого диаметра основным механизмом переноса является испарение жидкости из жидкой пленки со стенок капилляров, перенос пара осуществляется под действием кнудсеновской диффузии. Поверхностная диффузия не вносит ощутимого вклада в процесс переноса и составляет не более 4% от общего потока влаги при d = 10 нм, а при d = 5 нм составляет, по различным данным 13-15%. Ко второй группе относятся поры диаметром от 8 до 6 нм. Основ­ным механизмом переноса в этой группе является кнудсеновская диффузия, коэффициент которой существенно зависит от размера пор, и поверхностная диффузия, вклад которой в общий поток жидкости становится все более ощутимым.

Третью группу составляют поры диаметром от 6 до 4 нм; в этой группе основными механизмами переноса являются также кнудсенов­ская и поверхностная диффузия. В порах четвертой группы (d = 4÷2 нм) вклад поверхностной диф­фузии весьма существен и при d = 2 нм может составлять 80% от об­щего потока массы [1-5]. Скорость сушки падает вследствие меньшей скорости передвижения жидкости в жидкой пленке по сравнению с переносом её по поровым каналам в виде пара [7]. Последнюю пятую группу составляют ультрамикропоры, т.е. поры, диаметр которых соизмерим с размером молекул удаляемой жидкости. В ультрамикропорах диффузия пара весьма затруднена и не является уже ни кнудсеновской, ни поверх­ностной (это уже - твердотельная диффузия). Для определения продолжительности сушки по соотношению (4) построена номограмма (рис. 1 и табл. 1) [1; 4; 7; 25-29].

Авторы разработали Классификационную Таблицу [1; 4; 19-24], которую известные химики-технологи (проф. В.С. Бесков, заведующий кафедрой обшей химической технологии в Российском химико-технологическом университете им. Менделеева и другие) сравнивают по информативности и прогностическим возможностям с Периодической таблицей химических элементов Д.И. Менделеева (Организация Объединенных Наций объявила 2019 год «Годом периодической таблицы химических элементов»).

Рис. 1. Номограмма для определения времени сушки частиц дисперсного материала во взвешенном слое [1]

Таблица 1

Значения параметров к номограмме (рис. 1)

Классификационная Таблица учитывает характер технологической задачи (по величине критерия Био) и впервые устанавливает соответствие классификации влажных материалов с классификацией пор по размерам. Новая классификация позволяет по положению материала в классификационной таблице определить продолжительность сушки материала во взвешенном слое, а, следовательно, идентифицировать эффективный гидродинамический режим и выбрать рациональную сушилку из числа типовых.

Типовые сушилки отобраны из большого массива технических разработок с использованием разработанного нами метода оценки совершенства сушилок по величине эксергетического КПД, с учетом их реальных технико-экономических показателей, результатов промышленной эксплуатации и др. Каждая из них прошла комплексный анализ и исследование в лабораторных и опытных условиях, в результате которых некоторые сушилки не попали в список для окончательной рекомендации (сушилки с классическим кипящим и фонтанирующим слоем, двухкамерные вихревые сушилки, прямоточные безуносные сушилки с закрученными потоками).

Базовая классификационная таблица 2 содержит 6 классов влажных дисперсных материалов, расположенных по мере усложнения технологической задачи по сушке.

Положение материала в таблице определяется двумя базовым показателями: критическому диаметру пор и величине адгезионно-аутогезионного коэффициента, которые получают (наряду с теплофизическими характеристиками) в результате комплексного анализа материалов как объектов сушки.

Место в классификационной таблице соответствует шифру данного материала (технологическая задача и ее решение) из трех цифр.

Таблица 2

Классификация дисперсных материалов как объектов сушки

Источник: разработка авторов

Первая цифра определяет время сушки во взвешенном слое и гидродинамический режим сушки (а через него - тип сушильного аппарата), вторая – тип питателя, третья – наличие (или отсутствие) пылевой фракции, определяющей систему улавливания сушильной установки.

В заключение отметим, что кроме указанных механизмов переноса при сушке матери­алов в не­изотермических условиях возможен перенос влаги в результате термока­пиллярного потока, капиллярно-осмо­тического или электроосмотическо­го скольжения влаги, тепло­вого скольжения пара, термодиффузии и т.д. [1; 4; 7; 19; 24].

Аналитическое описание переноса влаги к поверхности частиц, учитывающее все его виды, в настоящее время не представляется возможным, так как если суммарную скорость переноса влаги в порах различного диаметра выразить аддитивно через формально незави­симые потоки всех видов переноса, то отсутствие учёта взаимного влияния пото­ков может привести к серьезным ошибкам при определении времени сушки. Поэтому средняя скорость удаления влаги из каждой группы пор определена по кинетике сушки модельных материалов с разнород­нопористой структурой в реальных аппаратах со взвешенным слоем при температурах сушильного агента 80–1200С (допустимый нагрев для массового ассортимента химических материалов и частично для полимеров). Все осталь­ные параметры процесса задавались оптимальными на основе опытов по изучению влияния производительности и скорости сушильного аген­та на остаточную влажность продукта при определенной темпера­туре теплоносителя.

Литература

1. Сажин, Б.С. Научные основы техники сушки / Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. - Москва: Наука. 1997. - 448 с.
2. Научные основы термовлажностной обработки дисперсных материалов / Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. М.: Химия, 2012. – 776 с.
3. Сажин, В.Б. Выбор и расчёт аппаратов с взвешенным слоем / В.Б. Сажин, М.Б. Сажина. М.: РосЗИТЛП. - 2001. – 336 с.
4. B. Sazhin and V. Sazhin Scientific Principles of Drying Technology /New York -Connecticut-Wallingford (U.K.): Begell House Inc.-2007.-506 PP.
5. Сажин, В.Б. Научные основы выбора эффективного сушильного оборудования / В.Б. Сажин, Б.С. Сажин. М.: Химия, 2013. – 544 с.
6. Сажин, В.Б. Сушка в закрученных потоках: теория, расчёт, решения. /В.Б. Сажин, М.Б. Сажина. М.: РосЗИТЛП. – 2001. – 324 с.
7. Сажин В.Б. Научные основы техники сушки дисперсных материалов при эффективных гидродинамических режимах взвешенного слоя. Дисс… доктора технич. наук (тт. 1 – 2). – М.: РХТУ, 2000.– 820 с.
8. Эксергетический анализ работы промышленных установок / Б.С. Сажин, А.П. Булеков, В.Б. Сажин. М.: Изд-во МТИ. 2000. – 297 с.
9. Сажин, В.Б. Анализ основных подходов к классификации материалов как объектов сушки / В.Б. Сажин, М.Б. Сажина, Б.С. Сажин // Известия вузов (химич. технология), Том 48, №5, 2005. – С. 99-104.
10. Сажин, В.Б. Анализ основных характеристик влажных материалов как объектов сушки / В.Б. Сажин и др. // Известия вузов: Химия и химическая технология, Т. 48, №12, 2005. С. 98-104.
11. Математическое моделирование движения газа в сепарационной зоне вихревого аппарата на основе (кт-e)-модели турбулентности / Б.С. Сажин, В.Б. Сажин и др. // ТОХТ. – 2001. – Т. 35. - № 5. – С. 472-478.
12. Математическая модель процесса сушки сыпучих продуктов в псевдоожиженном слое / В.Б. Сажин и др. // Промышленная теплотехника / АН БССР, 1985, № 6, т. 7. - С. 40-46.
13. Сажин В.Б. Моделирование процесса сушки твёрдого материала /В.Б. Сажин и др. // ТОХТ, 1997, том 31, №4, с. 638-653.
14. Оценка эффективности работы аппаратов с активным гидродинамическим режимом на основе их эксергетических характеристик / Б.С. Сажин, А.П. Булеков, В.Б. Сажин // ТОХТ. - 1999. – Т. 33. - №5. – С. 521-527.
15. Разработка методов расчёта и повышения эффективности энергоёмких процессов отделочного производства / А.П. Булеков, В.Б. Сажин //Успехи в химии и химической технологии. XIII, 5. – 1999. – С. 12-14.
16. Сажин В.Б. Оптимизация аппаратурного оформления сушильных процессов // Успехи в химии. Том XXI. – 2007. - №1 (69). – С. 49-65
17. Сушка в активных гидродинамических режимах / Б.С. Сажин, В.Б. Сажин и др. // ТОХТ. – 2008. – том 42. - №6. – С. 638-653.
18. Время сушки сыпучих продуктов в условиях псевдоожиженного слоя / А.А. Ойгенблик, Б.А. Корягин, В.Б. Сажин и др. // Химическая промышленность. - №11. – 1989. – С. 66-72 (866-872).
19. Drying in Active Hidrodinamic Regimes / B.S. Sazhin, V.B. Sazhin etc. // Teor. Found. of Chem. Eng., 2008. – Vol. 42. – No. 6. - Pp. 837-851.
20. Sazhin V. & Sazhin B. Principles classifying materials as processing objects for the processes of drying and washing //Fund. science and technology V: in 2 vv. Vol. 1. - «SPC Academic», 2015. – P. 135-140.
21. Sazhin V etc. Modeling of drying and washing / Fund. and applied science today V: in 3 vv. Vol. 1. - «SPC Academic», SC, USA, 2015. – P. 113-117.
22. Sazhin V. & Sazhin B. Determination of thermal properties of materials as objects of thermal and humidity processing//Academ. science - problems and achievements III. – Vol. 2. - «SPC Academic», 2014. – P. 231-236.
23. V. Sazhin & B. Sazhin Evaluation of thermodynamic activity in the apparatus of the weighted layer // 21 Century: fund. science and technology VIII. Vol. 1. - North Charleston, SC, USA: CreateSpace, 2016. – P. 97-102.
24. Sazhin V. B., Sazhin B. S. Basis of classification of materials as objects of drying // Збірник центру наук. публ. Велес.: ч. 1 "Зимові наукові читання", м Київ: збірник статей (академічний рівень). - К.: Центр наукових публікацій, 2017. 128с. ISSN 5836-4978. - С. 86-97.
25. Sazhin V. & Sazhin B. Drying of disperse materials with quasi-static conditions // Academic science - problems and achievements XI, in 2 vv. Vol. 1. – North Charleston, SC, USA: CreateSpace. – 2017. – P. 142-145.
26. Sazhin V. & Sazhin B. Innovative implementation strategy of industrial drying processes in a fluidized bed // 21 Century: fundamental science and technology VIII, in 3 vs /Vol. 2 — North Charleston, SC, USA: CreateSpace, 2014. –241 p. (ISBN: 978-1495417696). - P. 154-157.
27. Сажин В.Б., Булеков А.П., Фирсаев И.Р. Численный алгоритм для оценки размеров готового продукта в аппаратах со взвешенным слоем инертного материала / Успехи в химии. – XIII. – 5. – 1999. – С. 46-49.
28. Сажин В.Б. Анализ теплопроводности для влажных дисперсных материалов // Успехи в химии. – Том XV. – 2001. - №1. – С. 33-37.
29. Сажин, В.Б. Создание эффективной сушильной установки и разработка промышленного кода / В.Б. Сажин, Б.С.Сажин // Межд. академический вестник (ISSN: 2312-5519). – 5(11). – 2015. – С. 99-102.
30. Основные проблемы сушки дисперсных материалов/ Б.С. Сажин, В.Б. Сажин // Успехи в химии. Том XXII. – 2008. – №1 (81). – С. 98-111.
31. Сажин, В.Б. Установка для теплофизического анализа дисперсных материалов методом плоского источника тепла/В.Б. Сажин, I. Seldinas, O. Seldinas// Успехи в химии. – Том XV. – 2001. –  №1. – С. 37-41.