Апарати з рухомим шаром адсорбенту

Вони діляться на апарати у вигляді порожнистих колон, вживані в основному для адсорбції компонентів з газових і парових сумішей, а також апарати з механічними транспортними пристосуваннями, використовувані при обробці рідин.

Рис. 12.1. Схема адсорбера періодичної дії з нерухомим шаром поглинача:

1— місткість; 2 — люк; 3, 4, 5 — патрубки; 6, 7, 8 — штуцери

Рис. 12.2

Адсорбер з рухомим зернистим шаром адсорбенту (рис. 12.2, а) є вертикальною колоною, в яку вбудовані холодильник 8, підігрівач 6 і розподільні тарілки 2. Зернистий адсорбент, що вводиться в апарат, переміщається зверху вниз. Швидкість руху регулюється в нижній частині апарату дозатором 5. При русі адсорбент спочатку охолоджується в трубах холодильника 8, потім взаємодіє з початковою парогазовою сумішшю, яка поступає через патрубок 7. Непоглинена частина парогазової суміші відводиться по патрубку 1.

Далі адсорбент нагрівається в трубчастому підігрівачі 6 десорбційної секції і, опускаючись, взаємодіє з витісняючою речовиною (гостра водяна пара), яка вводиться через патрубок 4. Регенерований адсорбент віддаляється з апарату через дозатор 5. Продукти десорбції відводяться разом з витісняючою речовиною через патрубок 3. Розподільні тарілки 2 перешкоджають змішенню парогазових потоків адсорбційної і десорбційної секцій.

12.3 Апарати з механічним транспортуванням адсорбенту

В апаратах цього типу як транспортуюче пристосування використовується перфорований шнек 3 (рис. 12.2, б). Адсорбент поступає в ліву секцію корпусу 1 і шнеком 3 переміщається вниз. Далі шнеком 2 він подається в праву секцію, в якій шнеком 4 підіймається вгору і віддаляється з апарату. Потік рідини, що містить речовину, що адсорбується, переміщається через апарат в напрямі, зворотному руху адсорбенту.

Достоїнством апаратів з рухомим шаром адсорбенту є можливість регулювання режимів їх роботи, підбору апаратів оптимальної конструкції і розмірів, здійснення безперервності процесу.

Технологічні схеми з використанням цих апаратів відрізняються складним устаткуванням, а також можливістю стирання адсорбенту.

Апарати з псевдозрідженим шаром адсорбенту розділяються на одно- і багатоступінчаті і забезпечують хороші умови для здійснення інтенсивного масообміну у зв'язку з постійним перемішуванням частинок адсорбенту в шарі.

Одноступінчатий адсорбер з псевдозрідженим шаром (рис. 12.3) є циліндровим вертикальним корпусом 2, усередині якого змонтовані газорозподільна решітка 3 і пиловідокремлюючий пристрій 1. Адсорбент завантажується і виводиться з апарату через відповідні труби, що знаходяться в його верхній і нижній частинах. Робочий газ вводиться в адсорбер через нижній патрубок і виводиться через верхній.

Багатоступінчатий адсорбер складається з вертикально розташованих одноступінчатих адсорберів, адсорбент в яких переміщається зверху вниз із ступеня на ступінь, а робочий газ рухається назустріч потоку від низу до верху.

Не дивлячись на те, що кожен ступінь працює в режимі, близькому до повного перемішування, загальне секціонування апарату дозволяє йому працювати за схемою, близькою до апаратів повного витіснення, що дозволяє здійснювати процес адсорбції по протитічній схемі і найефективніше використовувати рушійну силу процесу.

Рис. 12.3. Схема адсорбера з псевдозрідженим шаром адсорбенту:

1— пиловідокремлюючий пристрій; 2 — корпус; 3 — газорозподільна решітка

Ці апарати одержали розвиток в конструкціях адсорберів, що суміщають процеси адсорбції в псевдозрідженому шарі і десорбції в рухомому шарі.

У апаратах безперервної дії з псевдозрідженим шаром на тарілках (рис. 13.4) адсорбент поступає з сепаратора на верхню ситчату тарілку і по перетіканнях сходить вниз до виходу з останньої тарілки в десорбційну секцію.

Адсорбент подається в апарат з циклону 1 при підвищеній температурі (після десорбції), на верхніх тарілках 2 відбувається його охолоджування проходячим залишковим газом. На нижніх тарілках 3 адсорбент поглинає цільові компоненти з поступаючої через патрубок 4 початкової газової суміші. У десорбційній секції насичений адсорбент рухається вертикально по трубках 6, обігрівається зовні глухою водяною парою, що подається через патрубок 10. При цьому з адсорбенту виділяються адсорбовані продукти, що виводяться через патрубок 5 в конденсатор. Для підвищення якості процесу десорбції через патрубок 7 може вводитися гостра пара, що поступає далі в конденсатор. Через регулятор 8 зернистий адсорбент виводиться з колони і підіймається пневматичним транспортом по пневмотрубі 9 вгору.

Псевдозріджений шар може використовуватися при адсорбції як з газової, так і з рідкої фаз.

Основним недоліком даного способу є можливість сильного подрібнення адсорбенту, а отже, необхідність установки ефективної системи його уловлювання.

Контрольні питання

1. У чому полягають принцип і призначення процесів адсорбції

і іонного обміну?

2. Як описуються умови рівноваги в процесах адсорбції і іонного обміну?

3. Які параметри впливають на активність адсорбенту?

4. Які речовини використовуються як адсорбенти і іонообмінні смоли?

Рис. 12.4. Схема адсорбера безперервної дії з псевдозрідженим шаром на тарілках:

1 — циклон; 2, 3 — верхні і нижні тарілки; 4, 5, 7, 10 — патрубки; 6 — трубка; 8 — регулятор;

9 — пневмоотруба

Лекція 13

СУШІННЯ

13.1 Процес сушіння

Сушіння — процес видалення вологи з твердого матеріалу шляхом її випаровування і відведення пари, що утворилася.

Обезводнення матеріалів здійснюється звичайно з метою підвищення якості цільового продукту, попередження злежування, здешевлення транспортування, зменшення корозії апаратури і трубопроводів, підвищення теплотворної здатності (для палив).

Унаслідок великих величин теплоти паротворення рідин сушка, як і випаровування, є порівняно дорогим технологічним процесом. З цією метою перед сушкою частина вологи видаляється дешевшим механічним шляхом — фільтруванням, пресуванням, центрифугуванням.

Висушувані матеріали залежно від способу сушки умовно можна розділити на наступні групи:

• рідкотекучі матеріали — істинні і колоїдні розчини, емульсії і суспензії;

• пастоподібні матеріали;

• тверді дисперсні матеріали, що володіють сипучістю у вологому стані (пилоподібні, зернисті і кускові);

• тонкі гнучкі матеріали (тканини, плівки, папір, картон);

• штучні, масивні, великогабаритні матеріали і вироби: кераміка, елементи будівельних конструкцій, вироби з деревини;

• вироби, що піддаються сушці після грунтовки, забарвлення, склеювання і інших робіт на поверхні.

За способом підведення теплоти до висушуваного матеріалу розрізняють:

• конвективну сушку (теплота для здійснення процесу передається матеріалу при його безпосередньому контакті з сушильним агентом, наприклад нагрітим повітрям, топковими і іншими газами);

• контактну (кондуктивну) сушку (теплота передається матеріалу через розділяючу їх стінку);

• радіаційну сушку (теплота передається інфрачервоним промінням);

• діелектричну сушку (теплота виділяється в матеріалі в результаті дії на нього струмів високої частоти);

• сушку сублімації (висушування матеріалу здійснюється в замороженому стані при глибокому вакуумі).

У техніці найчастіше застосовують конвективну і кондуктивну сушки. Останні три способи відносяться до спеціальних видів, їх застосовують декілька рідше.

13.2 Рівновага в процесі сушки

Процесу сушки, як будь-якому масообмінному процесу, відповідає зворотний процес — поглинання твердим матеріалом вологи з навколишнього середовища, що містить або пари вологи, або суміш пари вологи з іншими газами. Позначимо тиск пари вологи, коли тільки вона є навколишнім середовищем, через р_пар, а її парціальний тиск в суміші з газами навколишнього середовища — через р_D.

В той же час, волозі, що міститься в матеріалі, відповідає певний рівноважний тиск водяної пари над вологим висушуваним матеріалом р_мат.

Умовою сушки в цьому випадку є нерівності

(13.1)

Вогкість матеріалу, що відповідає умові р_мат = р_пар (р_мат = р_D) відповідає умові рівноваги.

Зворотному процесу (сорбції пари вологи з навколишнього середовища твердим матеріалом) відповідають нерівності р_пар > р_мат і р_D > р_мат

Тиск пари над висушуваним матеріалом р_мат залежить від вогкості матеріалу, температури і характеру зв'язку вологи з матеріалом. Із зростанням температури і вогкості матеріалу значення р_мат зростає (рис. 13.1). Крім того, чим сильніше зв'язок вологи з матеріалом, тим менше за інших рівних умов тиск пари вологи над цим матеріалом.

Розрізняють декілька форм зв'язку вологи з матеріалом (якщо під вологою розуміти воду, то у порядку убування енергії зв'язку).

Хімічно зв'язана волога — гідратна або кристалізаційна, входить до складу самого хімічного з'єднання, в процесі сушки не видаляється. Для її видалення необхідна або високотемпературна дія (прожарення), або хімічна обробка.

Фізико-хімічно зв'язана волога (адсорбційна і осмотична) — волога, що знаходиться в мікропорах і пов'язана з матеріалом на молекулярному рівні адсорбційними і осмотичними силами.

Механічно (капілярно) зв'язана волога, що заповнює макро- і мікрокапіляри, може бути видалена не тільки при сушці, але і при механічних діях.

Значення концентрацій вологи в матеріалі використовуються для опису кінетики процесу сушки, а також розрахунку апаратів, в яких він здійснюється.

Значення концентрацій вологи визначаються:

• вогкістю с — відношенням маси вологи, що міститься в матеріалі, до маси вологого матеріалу, кг/кг;

• вологовмістом х — відношенням маси вологи, що міститься в матеріалі, до маси сухого матеріалу, кг/кг;

• відносною вогкістю φ — відношенням кількості пари в газі до максимально можливого, відповідає насиченого стану при тих же температурі і тиску, %.

Рис. 13.1. Криві рівноважної вогкості матеріалу:

р_мат— рівноважний тиск водяної пари над вологим висушуваним матеріалом; с₁, с₂, с₃ — вогкості матеріалу

13.3 Кінетика сушки

Кінетика сушки визначається зміною в часі середньої вогкості матеріалу, яку будують звичайно за дослідними даними для кожного конкретного матеріалу (рис. 13.2).

Як випливає з рис. 13.2, крива сушки складається з двох ділянок, відповідних різним її періодам, які добре видно на графічній залежності швидкості сушки від вогкості матеріалу (рис. 13.3).

Рис.13.2 – Крива вологості висушуваного матеріалу: АВ період постійної швидкості сушіння; ВЕ – період падаючої швидкості сушіння

Рис. 13.3 – Крива швидкості сушіння: АВ – період постійної швидкості сушіння; ВЕ – період падаючої швидкості сушіння

Перший період (лінія АB) — період постійної швидкості сушки або зовнішньої дифузії (поверхневого випаровування).

У цей період поверхня матеріалу покрита вологою, що забезпечується високою вогкістю матеріалу на початку сушки і відшкодуванням вологи, що випаровується, унаслідок дифузії її з внутрішніх шарів. Швидкість дифузії вологи рівна швидкості випаровування води з поверхні висушуваного матеріалу. Це означає, що підведення води до поверхні твердого тіла повністю компенсує її видалення з цієї поверхні. Швидкість сумарного процесу в цей період обмежується швидкістю поверхневого випаровування, тобто швидкістю відведення молекул пари від поверхні.

Кінетичні рівняння для першого періоду сушки можуть бути записані у вигляді

(13.2)

або

(13.3)

де W — кількість випарованої рідини; F — поверхня фазового контакту; x_нас — вологовміст насиченого повітря в умовах сушки; х — дійсний (робочий) вологовміст повітря; р_нас — парціальний тиск вологи в умовах насичення; р — дійсний парціальний тиск пари вологи в повітрі; β_х, β_р — коефіцієнти масовіддачі; τ₁ — тривалість першого періоду сушки.

Чинниками, що визначають швидкість сушки в перший період, є:

• вогкість газу (чим сухіше газ, тим більше рушійна сила процесу, а значить, більше швидкість сушки);

• температура газу (чим вище температура газу, тим вище температура поверхні матеріалу, а отже, більше пружність насиченої пари і вища швидкість сушки);

• швидкість газу (величина коефіцієнта масовіддачі залежить від швидкості газового потоку, а збільшення швидкості спричиняє зростання турбулентності потоку, здування, тобто зменшення товщини пограничного ламінарного шару газу і, отже, прискорення перенесення в ньому речовини — дифузії пари);

• поверхня випаровування (швидкість випаровування збільшується прямо пропорційно поверхні випаровування, тобто швидкість сушки росте при подрібненні матеріалу, оскільки при цьому збільшується питома поверхня).

Перший період сушки відповідає зміні вогкості матеріалу в межах с_н – с_кр (початкова вогкість — критична вогкість).

Другий період (лінія ВЕ) — період падаючої швидкості сушки або внутрішньої дифузії.

У цей період підведення вологи до зовнішньої поверхні висушуваного матеріалу виявляється недостатньо швидким для компенсації вологи, що випаровується з неї, через збільшення глибини її витягання.

Зміна швидкості сушки в цей період залежить від того, наскільки швидко в порівнянні з швидкістю випаровування підходитиме волога з внутрішніх шарів до зовнішніх. Ця зміна залежить від форми зв'язку вологи з матеріалом, структури твердої речовини, товщини куска і т.д. Експериментально встановлено, що найчастіше на ділянці ВЕ швидкість сушки змінюється по лінійному закону (див. рис. 13.3).

Кінетичне рівняння для другого періоду сушки може бути записане у вигляді

(13.4)

де К — коефіцієнт швидкості сушки; с — вогкість матеріалу в даний момент; с_равн — рівноважна вогкість матеріалу; τ₂ — тривалість другого періоду сушки.

Слід зазначити, що цей кінетичний закон описує явище лише приблизно. Дійсна зміна швидкості сушки в межах зміни вогкості с_кр – с_к (критична вогкість — кінцева вогкість) може і не слідувати лінійному закону (пунктирні лінії на рис. 13.3).

Коли в ході сушки поверхня висушуваного матеріалу покривається кіркою, швидкість процесу зменшується і виражається на графіку кривою, розташованою нижче прямої лінії. У інших випадках, коли в результаті сушки відбувається розтріскування висушуваного матеріалу, а в результаті цього — збільшення поверхні контакту фаз, швидкість сушки збільшується і виражається на графіку кривою, розташованою вище за пряму с_кр – с_к .

Інтенсифікація другого періоду процесу сушки може бути досягнута шляхом перемішування висушуваного матеріалу, сприяючого механічному перенесенню вологи з внутрішніх шарів до поверхні контакту з сушильним агентом.

Таким чином, для періодичних процесів загальна тривалість сушки τ складається з тривалості сушки в першому τ₁ і в другому τ₂ періодах_:

τ = τ₁ + τ₂.

Значення τ₁ визначають при цьому з рівнянь (13.2) і (13.3)

або

У цих рівняннях Δр_ср і Δх_ср - середня рушійна сила процесу, яка визначається по формулах

(13.5)

де — Δр_н = (р_нас - р)_н початкова різниця між парціальним тиском насиченої водяної пари в умовах сушки і робочим парціальним тиском; Δр_κ = (р_нас - р)_к — кінцева різниця між парціальним тиском насиченої водяної пари в умовах сушки і робочим парціальним тиском; Δх_н = (х_нас - х)_н — початкова різниця між вологовмістом насиченого повітря в умовах сушки і робочим вологовмістом; ; Δх_κ = (х_нас - х)_к — кінцева різниця між вологовмістом насиченого повітря в умовах сушки і робочим вологовмістом.

Для визначення тривалості другого періоду сушки користуються рівнянням (13.4):

(13.6)

де G — кількість висушуваного матеріалу, кг сухої речовини.

З рівняння (13.6) виходить:

(13.7)

Інтегруючи рівняння (13.7) в межах с_к — с_кр, і 0 — τ, одержимо

Значення с_кр і с_к визначаються експериментально.

13.4 Конвективна сушка

Конвективна сушка — сушка вологого матеріалу в потоці гарячого повітря або топкових газів, які при цьому є тепло- і вологоносіями. Оскільки як сушильний агент при конвективній сушці найчастіше використовують повітря, її називають повітряною сушкою.

Матеріальний баланс конвективної сушки складемо за умови, що маса вологого матеріалу, що поступає на конвективну сушку, G_н з вогкістю с_н, вираженою у відсотках (масових частках), а після сушки одержимо масу висушеного матеріалу G_к з вогкістю с_к і кількістю випарованої вологи W. В цьому випадку матеріальний баланс для цих потоків може бути записаний

G_н = G_к + W, (13.8)

а для сухої твердої речовини представлений у вигляді

(13.9)

де c_н і c_к — вогкості, %.

З рівнянь (13.8) і (13.9) може бути одержано або кількість висушеного матеріалу , або кількість випарованої вологи .

В процесі конвективної сушки бере участь також повітря, абсолютно суху кількість якого позначимо L. При подачі на сушку його вологовміст складає х₁, а після сушки і поглинання випарованої вологи в кількості W воно стає рівним х₂.

Баланс конвективної сушки по волозі в сушильному агенті може бути в цьому випадку записаний

звідки витрата повітря

Важливою характеристикою процесу конвективної сушки є питома витрата повітря (на 1 кг випарованої вологи)

(13.10)

залежний від різниці ввологовмісту відпрацьованого і свіжого повітря.

Тепловий баланс конвективної сушки складемо для конвективної сушарки, схема якої представлена на рис. 13.4. Допустимо, що на висушування поступає вологий матеріал в кількості G_н = G_с._в. + W де G_с.в.. і W — кількість в ньому абсолютно сухої речовини і вологи відповідно. Подача і переміщення вологого матеріалу в сушильну камеру може здійснюватися транспортними засобами (стрічковим транспортером, вагонетками і т.д.), вага яких складає G_тр. Крім того, в сушарку вводиться L абсолютно сухого повітря. Для підігріву повітря до калорифера підводиться теплота Q_к.

Позначимо: с_с._в, с_тр — теплоємності сухої речовини і транспортних засобів; θ, θ_κ — температури матеріалу, що поступає на сушку і після сушки; t_тр._н, t_тр._к — температури транспортних засобів на вході в сушильну камеру і на виході з неї; i₀, i₁, i₂ — питомі ентальпії повітря на вході в сушильну камеру, після нагрівання в калорифері, на виході з сушильної камери; Q_п — втрати теплоти в навколишнє середовище.

Баланс теплоти може бути виражений таким чином:

Таким чином, тепловий баланс процесу конвективної сушки можна представити рівністю

Рис. 13.4 – Схема розрахунку теплового балансу конвективного сушіння:

Li_о – кількість тепла на вході в сушарку; Li ₁ – кількість тепла після нагрівання в калорифері; Li₂ – кількість тепла на виході з сушарки; Q_п – втрати тепла в оточуюче середовище; Q_к – теплота, підведена до калорифера.

звідки можна визначити витрату теплоти на сушку:

(13.11)

Питому витрату теплоти, що доводиться на 1 кг випаровуваної при сушці вологи, можна одержати, розділивши кожен член виразу (13.11) на W. Позначивши питомі витрати теплоти як

перепишемо рівняння (13.11) у вигляді

(13.12)

При прийнятих позначеннях питому витрату теплоти в калорифері можна також представити у вигляді

Підставивши цей вираз в рівняння (13.12), одержимо

(14.13)

де Δ — зміна ентальпії сушильного агента.

Рівняння (13.13) є основною формою теплового балансу конвективних сушарок. При Δ > 0 ентальпія сушильного агента збільшується, при Δ < 0 — зменшується, при Δ = 0 величини i₁ = i₂ = const, що відповідає теоретичній сушарці.

Підставивши в рівняння (13.13) питому витрату повітря з (13.10) і замінивши i₂ і х₂; на їх проміжні значення i і х, одержимо вираз

(13.14)

що є рівнянням робочої лінії процесу сушки, що представляє пряму лінію в координатах i – х діаграми стану вологого повітря.