Аспекты моделирования процесса сушки сыпучих материалов в виброкипящем слое

Производство синтетических красителей и пигментов является одним из основных в промышленности тонкого органического синтеза. В последние годы существенно возросли требования к качеству выпускаемой продукции.

Большое значение для получения качественных полупродуктов органических красителей имеет стадия сушки, в процессе которой возможны изменения физико-химических свойств и химического строения основного вещества. Поэтому, в ряде случаев, сушку проводят при относительно низких температурах, в вакууме, в потоке инертного газа и т.д. Все три существующих варианта позволяют получить сухой продукт, однако имеют ряд существенных недостатков.

В производстве синтетических красителей и полупродуктов часто выпускные формы представляют собой порошкообразные легкосыпучие материалы (например, арилиды: анилид и ортохлоранилид ацетоуксусной кислоты; полупродукты пиразолонового ряда: паратолил-3 метил-5 пиразолон и др.).

В химическом производстве наибольшее распространение получили процессы сушки в вакуум-гребковой и вальце-ленточной сушилках. Однако применение этого оборудования часто не дает требуемых результатов, так как допускается перегрев материала, что, может приводить к разложению целевого вещества и снижению концентрации в высушенном полупродукте.

Наиболее перспективным для дисперсных полупродуктов органических красителей с размером частиц в пределах 0,2¸0,7 мм является метод сушки в виброкипящем слое; его применение позволило бы исключить перечисленные выше недостатки и обеспечить высокую скорость процесса, необходимую концентрацию целевого компонента в высушиваемом материале и сохранность дисперсного состава из-за отсутствия дробления частиц.

Математическая модель процесса сушки сыпучих полупродуктов органических красителей в направленно перемещающемся виброаэрокипящем слое должно включать в себя:

• уравнения материального и теплового балансов процесса;
• зависимости, описывающие гидродинамику направленно перемещающегося виброаэрокипящего слоя;
• зависимости, описывающие кинетику собственно процесса сушки полупродуктов органических красителей.

В производстве синтетических красителей и полупродуктов часто выпускные формы представляют собой порошкообразные легкосыпучие материалы. Важными в производстве органического синтеза являются арилиды и полупродукты пиразолонового ряда.

Средний эквивалентный размер частиц в зависимости от вида материала колеблется в диапазоне от 0,295 до 0,83 мм.

Полупродукты органических красителей при высоких температурах разлагаются и теряют свои свойства. Существует, так называемая, предельная температура сушки, при которой начинается процесс изменения свойств материала.

Начальная влажность полупродуктов, поступающих на сушку в зависимости от вида материала изменяется от 8 до 30%, что определяется, в основном, технологическими процессами выделения твердой фазы из суспензии.

Материалы, подлежащие сушке характеризуются также и величиной равновесной влажности. Значение равновесной влажности конкретного материала u^* будет функцией температуры материала, влагосодержания теплоносителя и режимных параметров проведения процесса. Математическая модель процесса сушки сыпучих полупродуктов органических красителей в виброаэрокипящем слое должно учитывать:

• наличие продольного перемешивания материала по длине лотка;
• балансовый характер протекания процесса сушки в первом периоде;
• изменение скорости движения материала и коэффициента продольного перемешивания в зависимости от влажности материала.

Математическая модель должна обеспечить взаимную связь между конструктивными, входными и выходными параметрами процесса.

К входным параметрам относятся

• М – массовый расход абсолютно сухого продукта, кг/с;
• А – амплитуда колебаний, м;
• f – частота колебаний, Гц;
• a и b – углы наклона короба и направления колебаний, град;
• V_gaz – скорость продуваемого теплоносителя, м/с;
• u_o и u_к – начальная и требуемая средняя конечная влажность материала, кг/кг;
• Т_о – начальная температура теплоносителя, ⁰С;
• Х_о – начальное влагосодержание теплоносителя, кг/кг;

Также должны учитываться физико-химические свойства высушиваемого продукта, такие как

• r_сух – плотность сухого материала, кг/м³;
• с_м – теплоемкость материала, дж/(кг×⁰С);
• d – диаметр частиц материала, м.

К конструктивным параметрам относятся

• длина лотка сушилки – L, м;
• ширина лотка сушилки – b, м.

Выходными параметрами математической модели процесса сушки сыпучих продуктов в виброаэрокипящем слое являются

• распределение температуры, влагосодержания материала по длине аппарата;
• значение средней температуры отработанного теплоносителя;
• массовый расход теплоносителя на сушку;
• гидравлическое сопротивление сушильного агрегата.

Уравнения материального и теплового балансов для всего сушильного агрегата в целом

Рис. Схема материальных потоков

, (1)

, (2)

где I_gaz – энтальпия влажного воздуха; X ̄_К  – среднее конечное влагосодержание отработанного теплоносителя.

для построения математического описания процесса сушки материалов можно ограничиться уравнениями материального и теплового балансов для одномерной диффузионной модели, записанных относительно средних по каждому сечению влагосодержания и температуры материала.

При использовании уравнений диффузионной модели, необходимо учесть то обстоятельство, что скорость направленного перемещения материала V_m и коэффициент диффузионного перемешивания D являются зависимыми от его влажности и изменяются по длине сушилки по некоторому закону.

Для выполнения расчета технологических параметров сушки, либо для проведения проектирования оптимального варианта сушилки виброаэрокипящего слоя необходимо использовать математическую модель статики, позволяющую проследить взаимосвязь основных параметров, влияющих на процесс в установившемся режиме [1, 2].

Установившийся режим характеризуется отсутствием накопления вещества и энергии.

Уравнение материального баланса процесса сушки сыпучих материалов в виброаэрокипящем слое при диффузионном перемешивании

 (3)

Уравнение теплового баланса

  (4)

Граничные условия для уравнений (3-4) записываются в виде

1 для материального баланса

  (5)

2 для теплового баланса

 (6)

Таким образом, материальный и тепловой балансы процесса сушки полупродуктов органических красителей в направленно перемещающемся виброаэрокипящем режиме в стационарном режиме будут описываться уравнениями с граничными условиями.