3.1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СПОСОБОВ СУШКИ
В технике сушке подвергается множество материалов, различающихся химическим составом, дисперсностью и структурой, адгезионными свойствами и термоустойчивостью, содержанием и формой связи влаги с материалом и другими свойствами.
Целью процесса сушки является улучшение качественных показателей материала (снижение его объемной массы, повышение прочности) и, в связи с этим, увеличение возможностей его использования. В химической промышленности, где технологические процессы протекают в основном в жидкой фазе, конечные продукты имеют вид либо паст, либо зерен, крошки, пыли. Это обусловливает выбор соответствующих методов сушки.
Наиболее широко распространены в химической технологии конвективный и контактный методы сушки. При конвективной сушке тепло передается от теплоносителя к поверхности высушиваемого материала. В качестве теплоносителей используют воздух, инертные газы, дымовые газы. При контактной сушке тепло высушиваемому материалу передается через обогреваемую перегородку, соприкасающуюся с материалом. Несколько реже применяют радиационную сушку (инфракрасными лучами) и сушку электрическим током (высокой или промышленной частоты).
Методы сушки сублимацией со сбросом давления находят ограниченное применение в химической промышленности.
Конвективная сушка. При конвективной сушке физическая сущность процесса сводится к удалению влаги из материала за счет разности парциальных давлений над материалом Рмп и в окружающей среде Рсп. Процесс сушки происходит при условии, что Рмп > Рсп. При равенстве парциальных давлений Рмп = Рсп наступает состояние равновесия и процесс сушки прекращается. При этом в материале установится влажность, называемая равновесной Wp. Если сушить материал до влажности ниже равновесной, то неизбежно наступит состояние, при котором Рмп < Рсп, и материал начнет увлажняться. Этот процесс называют сорбцией. Обычно сушку ведут до равновесной влажности.
|
|
Контактная (кондуктивная) сушка. При контактной сушке термодиффузия и диффузия за счет разности концентрации влаги одинаково направлены, что способствует некоторой интенсификации процесса в первом периоде сушки. Во втором периоде разность температур уменьшается, поэтому несколько снижается интенсивность сушки.
Сушка инфракрасными лучами. При сушкеинфракрасными лучами направления потока влаги (градиент влагосодержания D U) и потока тепла (градиент температуры D t) противоположны, что несколько снижает скорость сушки в первый момент. При постепенном прогреве тела влага перемещается внутрь слоя материала, влагосодержание отдаленных от поверхности слоев возрастает и возникает значительный перепад влагосодержания в теле. К концу периода облучения тело прогревается, D t уменьшается, влага движется к поверхности и начинает интенсивно испаряться. Интенсивность испарения повышается в десятки раз.
Сушка в поле токов высокой частоты. При сушке в поле токов высокой частоты материал помещается между двумя электродами, к которым по проводам подводится переменный ток высокой частоты. Под действием электрического поля ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда электродов, дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются в результате смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла. Выделяющееся тепло нагревает материал, способствуя продвижению влаги к периферийным слоям и испарению ее с поверхности тела.
|
|
Сублимационная сушка. Обычно под сублимацией понимают испарение твердого тела без плавления его, т.е. сублимация равнозначна возгонке. Применительно к процессу сушки сублимация влажного материала является процессом сушки его в замороженном состоянии (сублимация льда, находящегося внутри материала).
Таким образом, при сушке различных материалов следует выбирать метод сушки и конструкцию сушилки в соответствии с техническими условиями на процесс.
3.2. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССОВ КОНВЕКТИВНОЙ И КОНДУКТИВНОЙ СУШКИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Сушка влажных материалов является одновременно и теплофизическим и технологическим процессом, где связаны воедино процессы переноса тепла и массы. При этом меняются структурно-механические, физико-химические и другие свойства высушиваемого материала.
Выбор метода сушки, оптимального режима процесса и конструкции сушильного устройства определяются свойствами высушиваемого материала а также технологией его производства. Процесс сушки заключается в том, что влагосодержание в каждой точке влажного тела стремится к равновесному и р. В начальный момент времени (t=0) влагосодержание во всех точках тела одинаково и равно и н. Рассмотрим изменение по времени среднего по объёму влагосодержания и = и (t), т.е. кривую кинетики сушки.
|
|
Теоретически влагосодержание тела достигает минимального предельного значения за бесконечно большой промежуток времени, поэтому
При стремлении влагосодержания к равновесному значению интенсивность процесса сушки уменьшается и в положении равновесия становится равной нулю
Кривая кинетики сушки делится на три участка: прогрева, постоянной скорости (первый период), падающей скорости (второй период). В период падающей скорости сушки интенсивность сушки j п и интенсивность теплообмена q п уменьшаются непрерывно.
Пользуясь законом сохранения энергии и массы вещества, можно установить взаимосвязь средних интегральных значений влагосодержания и и температуры t с интенсивностями тепло- и массообмена, а значит, и со скоростью сушки.
Количество тепла, необходимое для нагревания тела в единицу времени определяется как
где т в, т 0 – масса влаги и сухого тела соответственно; с в, с 0 – удельная теплоёмкость влаги и абсолютно сухого тела соответственно.
Количество тепла, потраченное на испарение влаги:
где r=r ж+ r с – удельная теплота испарения; r ж – удельная теплота испарения жидкости; r с – теплота смачивания.
Общее количество тепла, идущее на нагревание тела и испарение влаги в нём, равно количеству подведённого тепла ко всей поверхности S
Обозначая средний удельный поток тепла на единицу поверхности, суммируя уравнения (15) и (16) и приравнивая к (17), получаем
где RV=V 0 /S – отношение объёма абсолютно сухого тела к поверхности влажного; r 0 – плотность сухого тела.
Теплоёмкость влажного материала 
, следовательно
Отношение 
характеризует повышение средней температуры на единицу градуса в процессе сушки и является температурным коэффициентом сушки В. Данный коэффициент определяется из температурных кривых или из аналитических решений дифференциальных уравнений тепло- и влагопереноса.
Величина R в= с в /r является основным критерием кинетики процесса сушки и зависит от температурного коэффициента сушки, удельной теплоёмкости влажного тела и удельной теплоты испарения влаги. Последние величины зависят от форм связи влаги с влажным телом, теплота испарения включает в себя не только теплоту испарения жидкости, но и теплоту смачивания. Поэтому
В критериальной форме уравнение (20) записывается
где Kig (t), Kim (t) – теплообменный и массообменный критерии Кирпичёва в периоде падающей скорости соответственно;
где ат – коэффициент температуропроводности влажного тела; Lu – критерий Лыкова.
Уравнение (21) может принять вид:
где 
– обобщенный безразмерный температурный коэффициент; Ko – критерий Коссовича.
В период постоянной скорости R в=0, тогда из уравнения (20) получаем
где N – скорость сушки в периоде постоянной скорости.
Обозначим отношение потока тепла в периоде падающей скорости к потоку тепла в периоде постоянной скорости через q п*.
Получаем
где 
– безразмерная скорость сушки в период падающей скорости.
Если теплота смачивания r с значительно меньше теплоты испарения жидкости (r с<< r ж) в том интервале влагосодержания, где происходит сушка, то уравнение (24) примет вид:
Уравнение (25) является основным уравнением кинетики сушки для любого тела и при любом методе сушки. Оно устанавливает взаимосвязь между теплообменом q п*(t) и массообменом 
при помощи критерия R в или критерия В/Ko.
Закономерности теории сушки позволяют интенсифицировать процесс сушки на существующих сушильных устройствах, а также разрабатывать новые скоростные способы сушки.
Интенсивность конвективной сушки определяется из балансового уравнения тепла
где j п – интенсивность сушки.
Коэффициент теплообмена a зависит от гидродинамики потока, теплофизических свойств нагретого тела, а для второго периода сушки и от влагосодержания тела.
Для увеличения интенсивности сушки j п необходимо повысить теплообмен тела с окружающей средой. Это достигается в первую очередь за счёт увеличения коэффициента теплообмена, т.е. за счёт увеличения скорости движения газа.
Второй путь интенсификации теплообмена – увеличение температуры t с газа (использование топочных газов). Однако интенсификация процесса сушки в существующих сушильных устройствах с конвективным подводом тепла может быть осуществлена путём повышения температуры и скорости газа в соответствии с законами тепло- и влагопереноса. Следовательно, режим сушки не должен быть постоянным на протяжении всего процесса сушки, а должен изменяться по ходу процесса.
Осуществить переменные режимы можно различными способами: подавать в отдельные зоны сушилки теплоноситель определённых параметров, применять комбинированные методы подвода тепла (кондуктивная сушка).
При изучении кинетики и динамики сушки были выбраны возможности интенсификации процесса кондуктивной сушки:
- увеличение температуры греющей поверхности вплоть до предельной, при которой материал не претерпевает никаких нежелательных изменений, влияющих на его технологические свойства;
- увеличение скорости перемещения материала в установке при удалении влаги до критического значения.
Эффективность процесса сушки влажного техуглерода в сушильных барабанах конвективного способа сушки высока. Удельный влагосъём с 1 м3 рабочего барабана составляет до 100 кг/м3×ч.
В процессе сушки происходит непрерывное перемешивание слоя техуглерода имеющейся насадкой, что предотвращает налипание влажных гранул. Однако при контактировании теплоносителя, имеющего высокую температуру (500–550 °С) с высушенными гранулами происходит пересушивание более мелких гранул, которые разрушаются в пыль, уносимую с отработанными газами, что требует установки аппаратов больших габаритов для очистки отработанных газов. Кроме того, контактирование такого теплоносителя, содержащего большое количество кислорода, с высушенными гранулами вызывает окисление техуглерода.
При сушке техуглерода в барабанных сушилках с кондуктивным подводом тепла исключается возможность контактирования теплоносителя, имеющего высокую температуру, с техуглеродом. Удельный влагосъём при этом составляет с 1 м3 рабочего объёма барабана до 45 кг/м3×ч.
Сушку влажных гранул осуществляют в сушилке с псевдоожиженным слоем, используя в качестве сушильного агента отходящие газы производства техуглерода. Широко используются способы порошкообразных и гранулированных материалов в сушилках со взвешенным и псевдоожиженным слоем.
Сушка материалов в псевдоожиженном состоянии считается наиболее экономичным процессом, в котором физическое тепло сушильного агента используется более полно, чем в других процессах. В некоторых отраслях промышленности, например в угольной, эти сушилки полностью вытеснили барабанные сушилки.
Большое внимание уделяется процессам сушки порошкообразных и сыпучих материалов в виброжиженном состоянии. При этом способе сушки состояние псевдоожижения наступает при меньшей скорости теплоносителя в слое, тепло- и массообмен протекают интенсивнее, чем в сушилках с псевдоожиженным слоем.
Таким образом, выбор способа сушки дисперсных материалов и температурных параметров его ведения зависят от свойств данного материала.
3.3. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ МОКРЫХ ГРАНУЛ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА
Современная техника сушки позволяет получать сухие продукты с заданной влажностью без изменения гранулометрического состава, размеров формы и структуры. В зависимости от свойств высушиваемого материала это достигается различными технологическими приёмами или с помощью специальных элементов сушилок.
При сушке конвективным способом используют барабанные сушилки, сушилки кипящего или взвешенного слоя. Наиболее эффективной барабанной сушилкой конвективного типа считается сушилка «Рото-Лувр», отличающаяся от обычных сушильных барабанов тем, что теплоноситель проходит через слой материала за счёт установки в барабане специальной жалюзийной насадки. Благодаря непосредственному контакту сушильного агента с влажным материалом коэффициент теплопередачи в таких сушилках значительно выше, чем в сушильных барабанах с лопастной насадкой.
Для устранения контакта теплоносителя с влажным материалом используют вращающийся двухстенный барабан с перфорированными стенками. Высушиваемый материал загружается в кольцевое пространство между цилиндрическими стенками.
Широко освещены способы сушки порошкообразных и гранулированных материалов в сушилках с псевдоожиженным слоем. Сушка материалов этим способом протекает при больших скоростях сушильного агента, время сушки составляет несколько секунд. Сушка материалов в псевдоожиженном состоянии считается наиболее экономичным процессом, в котором физическое тепло сушильного агента используется более полно, чем в других процессах сушки. Ускорение передвижения частиц в них осуществляется путём подачи потока газа, после чего вводится вспомогательный поток под углом от 20 до 70°. В качестве источника тепла используют отходящий газ после рукавного фильтра.
Для сушки влажных гранул техуглерода используют двухстадийный процесс сушки, в котором на первой стадии происходит удаление свободной влаги из материала при интенсивном тепло- и массообмене, а на второй стадии происходит процесс более мягкой сушки до необходимой влажности. Двухстадийный процесс сушки материалов устраняет возможность разрушения гранул. Для достижения этой цели на первой стадии сушку влажного материала проводят в трубе-сушилке, в сушилке с псевдоожиженным слоем, а затем в барабанной сушилке.
Температура сушильного агента на первой стадии сушки должна быть в пределах 371–650°С, при температуре ниже 371°С уменьшается скорость сушки, а при температуре выше 650°С увеличивается разрушение гранул. Глубина слоя 150–300 мм, а время пребывания на первой стадии 5–10 мин. На второй стадии температура поддерживается 121–260°С, время пребывания гранул составляет 20–30 мин.
Высокоинтенсивный способ сушки осуществляется путём циклического перевода обрабатываемого материала из режима неподвижного слоя, характеризующегося нагревом токами высокой частоты, в режим псевдоожиженного слоя, характеризующегося активным влагосъёмом. Для уменьшения времени процесса сушки влажных гранул на первой стадии гранулы сушатся в вихревом потоке газа до содержания влаги не менее 20% в течении 5–10 мин, а на второй стадии подвергаются досушке в барабане в течении 20–30 мин.
Для кондуктивной сушки материала широко используются барабанные сушилки. Для интенсификации процесса теплообмена в сушильном барабане предусмотрен определённый угол наклона и число оборотов вращающегося барабана. На входе и выходе из барабана устанавливаются диафрагмы для увеличения времени пребывания материала в барабане. Сушка влажного гранулированного технического углерода в трубе-сушилке во взвешенном состоянии позволяет повысить эффективность работы аппаратов улавливания аэрозоля техуглерода за счёт агломерации частиц техуглерода при контактировании их с влажными гранулами, а также исключить окисление техуглерода вследствие малого времени контактирования.
При сушке порошкообразных и гранулированных материалов в трубе-сушилке для повышения эффективного удаления влаги сушильный агент подаётся в камеру тангенциально. Контролируя скорость потока тангенциально вводимого сушильного агента, можно отрегулировать время сушки в широком диапазоне, тогда как для прямоточной трубы-сушилки время сушки может быть отрегулировано только при проектировании.
Более экономичным процессом сушки гранулированного технического углерода является использование тепла отходящих газов из реактора получения техуглерода. Поток горячих газов переносит взвешенную часть техуглерода, оставшегося после первичного улавливания в циклонах, в постоянный слой мокрых гранул и способствуют их сушке, оставшийся взвешенный технический углерод осаждается на поверхности гранул. Вторичное улавливание технического углерода и сушка мокрых гранул осуществляются в одном аппарате, что исключает использование дорогих рукавных фильтров и сушильного барабана.
Сушку влажного гранулированного технического углерода в трубе-сушилке целесообразно проводить при испарении свободной влаги до критической влажности 8–12% с последующей досушкой в сушильном барабане.
Простым и эффективным способом интенсификации тепломассообменных процессов в потоках газового аэрозоля является увеличение относительной скорости фаз, обеспечиваемое силой, которая возникает при его движении по винтовой или спиральной траектории. Такой способ интенсификации процесса сушки реализуется в аппаратах с винтовыми вставками и плоскими спиралями.
Номограмма связи между углом скольжения обрабатываемого материала, числом оборотов и углом наклона вращающегося барабана для определенного диаметра барабана и степени его заполнения приведена в [146]. Обогрев вращающегося барабана осуществляется за счёт сжигания газа в сушильной камере, при этом достигается равномерное распределение температуры, как и при электрическом нагреве. Камера устроена таким образом, что продукты сгорания газа полностью омывают вращающийся барабан.
Для увеличения эффективности кондуктивной сушки гранул технического углерода часть дымовых газов подаётся внутрь барабана (см. рисунок 8). Патрубок для подачи дымовых газов в барабан у выгрузочного конца выполнен в виде Г-образной или Т-образной формы, и подачу дымовых газов осуществляют противотоком. В узле стыковки торцевых крышек с корпусом барабана, одна из которых имеет уплотнение диаметром, равным диаметру корпуса барабана, а другая соединяется с корпусом барабана через промежуточный корпус, имеются кольца, которые позволяют резко уменьшить диаметр уплотнения и увеличить герметичность соединения. Это ведёт к снижению подсосов воздуха в барабан и уменьшению уноса техуглерода из барабана.
Увеличение эффективности сушки гранул во вращающемся сушильном барабане дают установленные по спирали лопасти (рисунок 9). Лопасти находятся в средней части барабана, длина которого 15,5м, диаметр 1,65 м. Барабан оснащён рядом внутренних радиальных подъёмных лопаток, изготовленных из теплопроводящего материала, проходят через стенку барабана и выступают в нагревательную камеру, контактируя с горячим газом. Кроме подъёмных лопаток барабан оснащается радиальными стержнями, наружные концы которых также выступают в нагревательную камеру. Внутренняя поверхность барабана снабжена рёбрами, расположенными в одном или нескольких рядах в окружном направлении.
Для уменьшения степени окисления и предотвращения сгорания техуглерода ввод теплоносителя в барабан осуществляется в зоне загрузки противоточно к направлению движения гранул (рисунок 10).
Таким образом, конструктивное оформление процесса зависит от свойств дисперсного материала.
3.4. СУЩЕСТВУЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ БАРАБАННЫХ СУШИЛОК ДЛЯ СУШКИ ТЕХУГЛЕРОДА
В отечественной и мировой практике известно применение различных способов и схем сушки влажных гранул технического углерода. Сушильные установки постоянно совершенствовались, и ими оснащались вновь вводимые в эксплуатацию производства.
В 1960-е годы при широком внедрении процессов мокрого гранулирования технического углерода как на вводимых в эксплуатацию новых заводах, так и на уже работающих для сушки гранул применяется сушильный барабан МАС-1200, схематически изображённый на рисунок 15.
Сушильный барабан МАС-1200 представляет собой цилиндрический корпус 1 длиной 11,8 м и диаметром 2,7 м, оснащённый передней и задней крышками 2 и 3, приводной 4 и опорными 5 станциями. Внутри корпуса закреплены тангенциальные жалюзи 6, образующие внутреннюю оболочку барабана с постепенно увеличивающимся диаметром, что обеспечивает продвижение гранул при вращении барабана к разгрузочному бункеру 7. Влажные гранулы подаются на жалюзи по патрубку 10. Газы горения топлива (жидкого или газообразного) из выносной топки 8 подаются в пространство между корпусом и жалюзи (под слой), а часть проходит над слоем гранул.
1 – корпус; 2, 3 – крышки барабана; 4 – опоры; 5 – приводная станция; 6 – жалюзи; 7 – разгрузочный бункер; 8 – топка; 9 – газоход; 10 – патрубок подачи влажных гранул.
Рисунок 15 – Сушильный барабан МАС-1200
Сушка влажных гранул в барабанах МАС-1200 осуществляется конвективно-контактным методом. При этом конвективная составляющая преобладает, поскольку основная часть газов горения через щели между жалюзи проходит через слой гранул, чем достигается эффективный теплообмен. Естественно сушка происходит и от контакта гранул с нагретыми жалюзи, но в меньшей степени. Многолетним опытом эксплуатации сушильных барабанов МАС-1200 определены их основные недостатки:
- низкая производительность (1200 кг/ч), что сдерживало интенсификацию технологических потоков;
- отсутствие возможности эффективного управления процессом в соответствии с кинетикой сушки;
- частые выходы из строя насадки жалюзи барабана в результате коробления от температурных перепадов по длине барабана.
Поэтому в 1970-е годы интенсивно начали внедряться более совершенные сушильные барабаны с наружным обогревом типа БСК-40, в которых в значительной мере устранены вышеприведённые недостатки. Схематичное изображение барабанной сушилки с наружным обогревом приведено на рисунке 16.
1 – барабан; 2 – патрубок загрузки; 3 – камера обогрева; 4 – газовые горелки; 5 – загрузочная коробка; 6 – разгрузочная коробка; 7 – заборный патрубок; 8 – дымовая труба
Рисунок 16 – Схематическое изображение барабанной сушилки БСК-40 с наружным обогревом.
Установка включает в себя непосредственно барабан 1, в который по патрубку 2 поступают влажные гранулы из смесителя-гранулятора. Передний торец барабана закрывается загрузочной коробкой 5, снабжённой уплотнительным устройством. Задний торец барабана закрыт разгрузочной коробкой 6 с уплотнительными устройствами. Барабан имеет наклон к разгрузочной коробке порядка 50’ (пятидесяти минут), что при его вращении с заданной скоростью обеспечивает продвижение гранул от загрузки к выгрузке за время, необходимое для их сушки. Барабан заключён в футерованную камеру обогрева 3, по длине которой расположены газовые горелки 4, каждая в индивидуальной топке. Продвигаясь по барабану, гранулы высушиваются за счёт тепла, передаваемого стенками барабана и его внутренней насадкой. Часть тепла вносится горячими газами, которые просасываются из камеры обогрева по заборному патрубку 7 внутрь барабана, захватывают водяные пары и пылящий технический углерод и далее вентилятором подаются в систему доулавливания. Если не все горячие газы из камеры обогрева просасываются через барабан, то их оставшаяся часть, омывая барабан, через дымовую трубу 8 выбрасывается в атмосферу. В данной сушилке горелки по её длине объединяются в две группы, на каждую из которых газ подаётся независимо. В соответствии с этим делением газовых горелок на две независимые группы и камера обогрева делится условно на две зоны – высоких и низких температур. Это очень важно с позиции управления таким инерционным объектом, как сушильный барабан.
В сравнении с барабаном МАС-1200 сушильный барабан БСК-40 имеет ряд существенных преимуществ:
- высокая производительность (до 80 т/сут.);
- наличие двух независимых групп горелок, что позволяет осуществлять более гибкое управление;
- незначительное разрушение гранул.
Сушильные барабаны с наружным обогревом нашли преимущественное применение как на отечественных, так и на современных зарубежных заводах. Применяются (наиболее широко за рубежом) сушильные барабаны с наружным обогревом, в которых используются выносные топки, работающие на отходящих газах или природном газе. Процесс сушки при этом принципиального отличия не имеют.
Несмотря на широкое применение сушильных барабанов с наружным обогревом, известны работы по интенсификации процесса за счёт использования сушилок кипящего слоя и труб-сушилок. При их конструктивной простоте достигается более высокий влагосъём в сравнении с ранее рассмотренными схемами, поскольку организован более эффективный теплообмен гранул с теплоносителем. Влажные гранулы из смесителя-ганулятора поступают на решётку камеры кипящего слоя. Решётка имеет наклон 3° к горизонтальной оси. Под решётку из топки поступают газы горения с температурой 450-550°С. Суммарное сопротивление решётки и слоя гранул на ней составляет 300-400 мм вод. ст. Время гранул в камере регулируется высотой их слоя на решётке. Из камеры кипящего слоя гранулы направляются в сушильный барабан, где досушиваются до заданной конечной влажности. Попытки достичь требуемой конечной влажности непосредственно на выходе из камеры кипящего слоя не привели к положительным результатам, Наблюдались сильное разрушение и истирание гранул, возникновение аварийных ситуаций при местном уносе слоя на крайних участках решётки, а также случаи загорания техуглерода. Вынужденное усложнение схемы за счёт дополнительной установки сушильного барабана с топкой привело к потере ожидаемой эффективности.
Параллельно разработкам и внедрению процессов сушки гранул в кипящем слое велись работы по использованию труб-сушилок. При сушке технического углерода в трубе-сушилке влажные гранулы со смесителя-гранулятора поступают в нижнюю часть трубы-сушилки диаметром 800 мм и высотой 14000 мм. Гранулы подаются навстречу поднимающемуся потоку теплоносителя из топки. По мере потери массы гранул их падение прекращается, и они поднимаются с потоком теплоносителя в осадитель, где под действием силы тяжести гранулы осаждаются, а газы с пылящим техуглеродом направляются на доулавливание. Поскольку в трубе-сушилке не удаётся достичь требуемой конечной влажности, гранулы из осадителя направляются на досушку в трубу-конвейер (или сушильный барабан), куда вместе с гранулами поступает часть теплоносителя.
Данные схемы сушки не нашли значительного применения и лишь в единичных экземплярах эксплуатируются на старых производствах малоактивных марок технического углерода в силу ряда очевидных недостатков:
- невозможность достижения конечной влажности гранул на этапе интенсивной сушки без их значительного разрушения;
- применение дополнительного оборудования для досушки гранул усложняет и удорожает технологическую схему в целом;
- высокая чувствительность процесса к действиям возмущений – влажности и расходу гранул, приводящая к аварийным ситуациям;
- трудности в управлении процессом.
Отсутствие этих и других недостатков в некоторой мере позволяет использовать барабанный сушильный агрегат БСК-40 и его модификации с достаточной эффективностью.
3.5. КОНСТРУКЦИЯ И МОДИФИКАЦИЯ БАРАБАНА БСК-40
Основным аппаратом для сушки гранул на отечественных заводах технического углерода является сушильный барабан с наружным обогревом, конструкция которого показана на рисунке 18.
Влажные гранулы из смесителя-гранулятора по патрубку 2 поступает на винтовую насадку 4, которая продвигает их в глубь барабана 6 на лопасти 5. Внутренняя насадка барабана состоит из подъёмных и перемешивающих лопастей, расположенных по длине барабана в одиннадцать поясов. Длина каждого пояса составляет 1,5 м при общей длине барабана 18,5 м и диаметре 2,2 м.
Поперечное сечение барабана по одному из поясов показано на рисунке 17. В каждом сечении расположены три подъёмные лопасти 1 и 18 перемешивающих лопастей 2. Подъёмные лопасти от одного пояса к другому смещены на 25 градусов. Размеры лопастей показаны на рисунке.
Достигая конечного торца барабана, гранулы выгружаются четырьмя ковшами 8 в разгрузочную коробку 9 и далее по накладному патрубку через шлюзовой затвор поступают на ковшовый элеватор.
Барабан опорным концом опирается на два катка опорной станции 14 и задним концом – на два катка опорной станции 11. Опорные ролики (на рисунке не видны) расположены внизу по вертикальной оси барабана и препятствуют перемещению барабана в сторону выгрузки при его тепловом расширении. Тепловое расширение барабана возможно в направлении загрузки. Вращение барабана осуществляется с помощью моторно-редукторной группы 10, включающей электродвигатель, редуктор, зубчатую шестерню, находящуюся в зацеплении с венцовой шестерней барабана. Навстречу движению гранул просасываются газы горения из камеры обогрева через заборный патрубок 7.
Рисунок 17 – Внутренняя насадка барабана
Проходя вдоль барабана, горячие газы захватывают водяные пары, частицы пылящего техуглерода и через загрузочную коробку 1 направляются на очитку (доулавливание).
Камера обогрева барабана монтируется между передней 13 и задней 12 фронтальными плитами. Наклон барабана в сторону выгрузки обычно составляет порядка 45-50’ (минут). По длине камеры горения расположено 13 газовых горелок (13 топок), объединённых по питанию газом в две группы – 7 горелок в зоне высоких температур и шесть горелок в зоне низких температур.
В процессе эксплуатации конструкция сушильного барабана БСК-40 подвергалась различного рода модификациям. Наиболее принципиальное изменение конструкции и самого процесса сушки связано с организацией прямоточного с гранулами движения просасываемых из камеры обогрева газов горения. В этом варианте газы горения поступают в загрузочный конец барабана и параллельно гранулам движутся вдоль барабана, уходя через разгрузочную коробку на очистку. На «прямоточный» способ сушки переведены в настоящее время все барабаны БСК-40 отечественных производств. Положительным моментом здесь является то, что режим сушки стал более «мягким», резкие колебания температуры гранул на выходе стали менее возможны, так как они находятся в среде влажных газов, просасываемых через барабан. Уменьшилась и вероятность загорания техуглерода, поскольку в этом варианте высокотемпературные газы горения из камеры вступают в контакт с влажными гранулами, а в «противоточном варианте» - с практически сухими гранулами. В связи с хорошей корреляцией температур просасываемого газа и гранул в установившемся режиме стало возможно вести регулирование процесса сушки по температуре отходящих газов. Это улучшило качество регулирования, так как инерционность системы по каналу «расход природного газа – температура отсасываемых газов» существенно меньше, чем по каналу «расход природного газа – температура гранул на выходе». Необходимо отметить, что при этом способе сушки уменьшается возможность существенного повышения показателя «светопропускание толуольного экстракта» и содержания кислорода на поверхности частиц в процессе сушки, поскольку не стало контакта практически уже сухих гранул с горячими газами из камеры обогрева.
1 – загрузочная коробка барабана; 2 – загрузочный патрубок; 3 – уплотнение; 4 – винтовая насадка; 5 – лопасти; 6 – корпус барабана; 7 – патрубок забора горячих газов из камеры обогрева; 8 – выгрузочные ковши; 9 – выгрузочная коробка; 10 – группа моторно-редукторная; 11 – станция опорно-упорная; 12 – плита фронтальная задняя; 13 – плита фронтальная передняя; 14 – станция опорная.
Рисунок 18 – Сушильный барабан БСК-40
Другой модификацией барабана, получившей распространение на ряде заводов, является установка диафрагмы на расстоянии 3 м от выгрузки. Диафрагма высотой 300 мм создаёт более высокий слой гранул, что в конечном итоге увеличивает их время пребывания (время сушки).
В производстве ОАО «Ярославский технический углерод» полностью изменено уплотнение барабана с камерой обогрева по фронтальным плитам и уплотнение барабана с загрузочной коробкой. Уплотнение барабана с камерой позволило свести к минимуму подсос холодного атмосферного воздуха в камеру, а уплотнение барабана с загрузочной коробкой – подсос холодного атмосферного воздуха непосредственно в барабан. Уплотнение барабана с камерой обогрева выполнено в виде подвижного уплотнительного кольца поджимаемого к корпусу барабана подвешенными грузами, а к фронтальной плите кольцо прижимается пружинами. Вся конструкция монтируется на фронтальных плитах. Обеспечение достаточной герметичности камеры обогрева и барабана, кроме ликвидации подсоса холодного воздуха, позволило обеспечить надёжное разрежение в барабане и дополнительно интенсифицировать скорость испарения влаги.
3.6. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ СУШИЛЬНОГО БАРАБАНА
Сильно отличающиеся между собой физические и химические свойства материалов, просушиваемых в барабанных сушильных агрегатах, требуют от конструктора длительного учёта всех особенностей данного производства и назначения соответствующего материала для изготовления барабана.
В случае сушки материала, вызывающего разрушение железа, барабаны и их внутренние устройства выполняются или целиком из меди, алюминия и т.п. или же покрываются соответствующими металлами, что предохраняет железо от разрушения, а сам продукт от загрязнения.