Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой
Рассмотрено влияние структур потоков взаимодействующих фаз на кинетику сушки дисперсных материалов в непрерывно действующих сушилках.
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2007
|
| Series: | Промышленная теплотехника |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61217 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой / С.П. Рудобашта, В.М. Дмитриев // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 1. — С. 28-38. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61217 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-612172025-02-09T15:35:28Z Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой Influence of the hydrodynamics of flows in permanently operating dryers with disperse solid phase Рудобашта, С.П. Дмитриев, В.М. Теория и практика сушки Рассмотрено влияние структур потоков взаимодействующих фаз на кинетику сушки дисперсных материалов в непрерывно действующих сушилках. Розглянуто вплив структури потоків для фаз, що взаємодіють, на кінетику сушіння дисперсних матеріалів у неперервно діючих сушарках. Influence of structures of streams of cooperating phases on kinetics of drying of disperse materials in continuously operating dryers is considered. 2007 Article Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой / С.П. Рудобашта, В.М. Дмитриев // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 1. — С. 28-38. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61217 621.928.9:66.099.2:66.046 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Теория и практика сушки Теория и практика сушки |
| spellingShingle |
Теория и практика сушки Теория и практика сушки Рудобашта, С.П. Дмитриев, В.М. Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой Промышленная теплотехника |
| description |
Рассмотрено влияние структур потоков взаимодействующих фаз на кинетику сушки дисперсных материалов в непрерывно действующих сушилках. |
| format |
Article |
| author |
Рудобашта, С.П. Дмитриев, В.М. |
| author_facet |
Рудобашта, С.П. Дмитриев, В.М. |
| author_sort |
Рудобашта, С.П. |
| title |
Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой |
| title_short |
Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой |
| title_full |
Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой |
| title_fullStr |
Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой |
| title_full_unstemmed |
Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой |
| title_sort |
роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Теория и практика сушки |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61217 |
| citation_txt |
Роль гидродинамики потоков в непрерывно действующих сушилках с дисперсной твердой фазой / С.П. Рудобашта, В.М. Дмитриев // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 1. — С. 28-38. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT rudobaštasp rolʹgidrodinamikipotokovvnepreryvnodejstvuûŝihsušilkahsdispersnojtverdojfazoj AT dmitrievvm rolʹgidrodinamikipotokovvnepreryvnodejstvuûŝihsušilkahsdispersnojtverdojfazoj AT rudobaštasp influenceofthehydrodynamicsofflowsinpermanentlyoperatingdryerswithdispersesolidphase AT dmitrievvm influenceofthehydrodynamicsofflowsinpermanentlyoperatingdryerswithdispersesolidphase |
| first_indexed |
2025-11-27T12:26:52Z |
| last_indexed |
2025-11-27T12:26:52Z |
| _version_ |
1849946450651250688 |
| fulltext |
28 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
Розглянуто вплив структури потоків
для фаз, що взаємодіють, на кінетику
сушіння дисперсних матеріалів у непе*
рервно діючих сушарках. Наведено ре*
зультати гідродинамічних досліджень
апаратів шахтного типу з поперечним
обдуванням кільцевого шару матеріалу.
Визначено фізико*механічні властивості
гранульованих полімерів, які висушу*
ються в цьому апараті, вивчено вплив
ущільнення потоку твердої фази, сітчас*
тих та перфорованих стінок на характер
руху твердої фази. Розроблено та екс*
периментально перевірено технічні
розв’язки, що поліпшують структуру по*
току твердої фази у апаратах шахтного
типу. Розроблено конструкції сушарних
апаратів шахтного типу с поперечно
продувним кільцевим шаром для безпе*
рервного глибокого конвективного
сушіння гранульованих полімерів.
Рассмотрено влияние структур пото*
ков взаимодействующих фаз на кинетику
сушки дисперсных материалов в непре*
рывно действующих сушилках. Представ*
лены результаты гидродинамических ис*
следований для аппарата шахтного типа
с поперечно продуваемым кольцевым
слоем материала. Определены физико*
механические свойства гранулированных
полимеров, высушиваемых в этом аппа*
рате, изучено влияние стесненности по*
тока твердой фазы, сетчатых и перфори*
рованных стенок на характер движения
твердой фазы. Разработаны и экспери*
ментально проверены технические реше*
ния, улучшающие структуру потока твер*
дой фазы в аппаратах шахтного типа.
Разработаны конструкции сушильных ап*
паратов шахтного типа с поперечно про*
дуваемым кольцевым слоем для непре*
рывной глубокой конвективной сушки
гранулированных полимеров.
Influence of structures of streams of
cooperating phases on kinetics of drying of
disperse materials in continuously operat*
ing dryers is considered. Results of hydro*
dynamical researches for the device of
mine type with cross*section blown ring
layer of a material are presented. With ref*
erence to this case physicomechanical
properties of the granulated polymers
which are dried up in this apparatus, are
certain, influence of constraint of a stream
of a firm phase, mesh and punched walls
on character of movement of a firm phase
is studied. The technical decisions improv*
ing structure of a stream of a firm phase in
devices of mine type with mesh and
punched walls are developed and checked
experimentally up. Designs drying appara*
tus of mine type with cross*section blown
ring layer for continuous deep convective
drying of the granulated polymers are
developed.
УДК. 621.928.9:66.099.2:66.046
РУДОБАШТА С.П.,1 ДМИТРИЕВ В.М.2
1Московский государственный агроинженерный университет
2Тамбовский государственный технический университет
РОЛЬ ГИДРОДИНАМИКИ ПОТОКОВ В НЕПРЕРЫВНО
ДЕЙСТВУЮЩИХ СУШИЛКАХ С ДИСПЕРСНОЙ
ТВЕРДОЙ ФАЗОЙ
B – ширина сушилки;
Dэ – эффективный коэффициент молекулярной
диффузии влаги в грануле;
Dпр – коэффициент продольной диффузии;
K – коэффициент сушки;
l – длина потока;
m – число псевдосекций;
n* – число секционирующих перегородок;
r – радиальная координата;
R – радиус сферической частицы;
u – локальное влагосодержание в частице;
– среднее по объему частицы влагосодержание;
– среднее влагосодержание всех частиц на вы;
ходе из аппарата;
v – скорость;
W – число псевдоожижения;
x – декартова координата;
αст– угол наклона стенки сушильной шахты к
вертикали;
δ – ширина цилиндрического слоя;
ν – кинематический коэффициент вязкости;
τ – время;
E = (u(r, τ) – up)/(uн – up),
– относительные влаго;
содержания;
Fom = Dэτ/R2 – число Фурье массообменное;
Peпр = v · l/Dпр. – число Пекле продольного пере;
мешивания;
Reт = vт · lт/ν – число Рейнольдса по твердой фазе;
Xb, Xh, Xd – относительные ширина перегородки,
высота слоя и диаметр частиц, соот;
ветственно;
н( ( ) )/( )p pE u u u u= τ − −
н( ( ) )/( );p pE u u u u= τ − −
u
u
Введение
На сушку дисперсных материалов в непрерыв;
но действующих аппаратах большое влияние
оказывает гидродинамика потоков взаимодейст;
вующих фаз, от которой зависят кинетика про;
цесса, равномерность сушки и, как следствие, –
качество получаемого продукта. Предложенная в
1946 г. А.Н. Плановским [1] общепринятая в на;
стоящее время классификация непрерывно дей;
ствующих аппаратов, предусматривающая их
подразделение на аппараты: 1) идеального вытес;
нения, 2) полного перемешивания, 3) промежу;
точного типа, послужила мощным стимулом
проведения многочисленных исследований с це;
лью изучения фактических структур потоков вза;
имодействующих фаз в аппаратах различного ти;
па, учета влияния продольного перемешивания и
поперечных неоднородностей на среднюю дви;
жущую силу процесса и разработки мероприятий
по улучшению этих структур. В статье рассмотре;
ны общие гидродинамические аспекты матема;
тического моделирования непрерывно действу;
ющих сушильных аппаратов, а также в качестве
примера – гидродинамика потоков твердой фазы
в непрерывно действующих сушилках с кольце;
вым, радиально продуваемым слоем, которые в
настоящее время находят все большее примене;
ние в производстве.
Приближенное математическое
моделирование гидродинамики потоков
Для большинства непрерывно действующих
сушилок с дисперсной твердой фазой поле их
скоростей существенно неоднородно. Расчет
этого поля на основе уравнений гидродинамики
Навье;Стокса, как правило, достаточно сложен и
поэтому редко применяется на практике. В связи
с этим в последнее время широкое распростране;
ние получил метод математического моделирова;
ния структур потоков фаз в аппарате, основан;
ный на определенной идеализации потока и при;
ближенном описании эффектов, обусловливаю;
щих продольное и поперечное рассеивание час;
тиц по его рабочему объему. Наиболее часто
такое модельное представление структур потоков
фаз в аппарате используется для учета их про;
дольного перемешивания, эффектов рецикла и
байпаса. Этот метод впервые стал применяться
при математическом моделировании реакторов
[2], откуда он был перенесен на описание массо;
обменных процессов [3]. Хотя в равной мере он
мог бы быть использован и при описании про;
цессов “чистого” теплообмена, однако в этой об;
ласти он не получил сколько;нибудь заметного
распространения. Это объясняется, по;видимо;
му, тем, что массообменные процессы как часть
классических процессов химической техноло;
гии, ближе по своей физической сущности к хи;
мическим процессам, что в большей степени
способствует взаимному проникновению идей из
этих областей знаний.
Рассматриваемый метод гидродинамического
моделирования нашел применение для описания
различных массообменных процессов – абсорб;
ции, ректификации, экстракции, адсорбции, а
также процессов сушки [4]. В практике матема;
тического моделирования используются такие
гидродинамические модели, как диффузионная,
псевдосекционная (ячеечная), модели с рецик;
лом, байпасом, застойными зонами или их ком;
бинации.
Для описания макрокинетики сушки дисперс;
ного материала в непрерывно действующем ап;
парате, под которой понимается кинетика сушки
всей совокупности частиц в аппарате, возможны
два подхода [5], один из которых заключается в
использовании подвижной (лагранжевой) систе;
мы координат, связываемой с центрами частиц,
перемещающихся по аппарату, а второй – в при;
менении неподвижной (эйлеровой) системы ко;
ординат, фиксированной на корпусе аппарата.
При формулировке кинетической задачи в по;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1 29
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
z = x/l – относительная координата.
Индексы:
г – газ;
н – начальный;
пр – продольное перемешивание;
р – равновесный;
ст – стенка;
т – твердая фаза;
э – эффективный;
m – массообменный.
движной системе координат неоднородность ча;
стиц по времени пребывания применительно к
процессу сушки описывается соотношением
(1)
где f(τ) – дифференциальная функция распреде;
ления частиц по времени пребывания в аппарате;
(τ) – кинетическая зависимость для единич;
ной частицы.
Функции f(τ), учитывающие неидеальность
потока фазы (аппарат не идеального вытеснения)
находят экспериментально – обычно на холод;
ных моделях аппаратов путем снятия кривых вы;
мывания меченого вещества (трассера) при им;
пульсном или ступенчатом его вводе в аппарат
[2]. Реализация данного подхода предполагает
описание микрокинетики сушки применительно
к единичным частицам, перемещающимся по
аппарату. Различные математические модели,
описывающие микрокинетику сушки отдельных
частиц и возможности использования их на
практике, рассмотрены в [4–7].
При использовании второго подхода (система
координат фиксирована на корпусе аппарата)
макрокинетическая модель записывается на ос;
нове дифференциальных уравнений конвектив;
ной диффузии (для описания массообмена) или
конвективного теплообмена – уравнения энер;
гии (для описания теплообмена). При моделиро;
вании первого периода сушки эта запись осуще;
ствляется по газовой фазе, а при моделировании
второго периода – по твердой фазе. В качестве
микрокинетических моделей, которые выражают
кинетику сушки частиц в дифференциально ма;
лом объеме аппарата, в данном случае обычно
применяют в первом периоде сушки уравнения
массо; и теплоотдачи, а во втором периоде сушки в
большинстве случаев – кинетическое уравнение
для скорости сушки в виде
(2)
которое имеет смысл модифицированного урав;
нения массопередачи.
Для описания продольного перемешивания
фаз на основе второго подхода наибольшее при;
менение нашла диффузионная модель, согласно
которой продольное рассеивание частиц в аппа;
рате уподобляется процессу диффузии с некото;
рым эффективным коэффициентом Dпр. Для
обобщения опытных данных в этом случае ис;
пользуется число Peпр, которое обычно рассчи;
тывают через дисперсию частиц по времени пре;
бывания в аппарате
(3)
где
(4)
Связь между Peпр и устанавливается соот;
ношением
(5)
Нередко также используется псевдосекцион;
ная (ячеечная) модель, для которой
(6)
При высушивании материала в первом периоде
при необходимости берется во внимание продоль;
ное перемешивание газовой фазы, продольное пе;
ремешивание твердой фазы, при этом на кинетику
процесса влияния не оказывает. Во втором периоде
сушки в макрокинетическом уравнении непосред;
ственно отражается продольное перемешивание
твердой фазы. Если есть необходимость учесть так;
же продольное перемешивание газовой фазы, то
проще всего это можно сделать с помощью модели
с рециклом. Методика такого учета описана в [8].
Математические модели сушки, учитывающие
различные гидродинамические аспекты, приве;
дены в [9].
Численный анализ влияния продольного
перемешивания твердой фазы на
кинетику сушки
Для оценки влияния продольного перемеши;
вания твердой фазы на макрокинетику процесса
2
= 1/m.τσ
( )2
пр2 2
пр пр пр
2 2 2
exp Pe .
Pe Pe Pe
τσ = − + −
2
τσ
( )
max
min
.f d
τ
τ
τ = τ τ τ∫
( ) ( )
max
min
22
,f d
τ
τ
τ
σ = τ − τ τ τ∫
( ) ,p
du
K u u
d
− = −
τ
u
0
( ) ( ) ( ) ,u f u d
∞
τ = τ τ τ∫
30 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
рассмотрим процесс глубокой непрерывной
сушки гранулированных полимеров. Учитывая
особенности этого класса материалов [5], микро;
кинетическую задачу для сферической гранулы в
данном случае при D = const можно сформулиро;
вать в виде
(7)
u (r, τ) = uн(r), τ = 0, (8)
u (r, u) = up, r = R, τ > 0, (9)
r = 0, τ > 0, (10)
(11)
Решение задачи (7)…(11) при D, uн, up,
R = const и дальнейшее нахождение функции
по уравнению (1) при нормальном зако;
не распределения гранул в аппарате по времени
пребывания приводит к результату
(12)
где – корни характери;
стического уравнения
μn = nπ. (13)
На основе численных расчетов по уравнению
(12) было проанализировано влияние дисперсии
σθ на зависимость На рис. 1 приве;
дены зависимости которые иллю;
стрируют масштаб влияния неоднородности час;
тиц по времени пребывания в аппарате на макро;
кинетику сушки. При и ха;
рактерной для глубокой сушки гранулированных
полимеров перед переработкой в изделия, отно;
сительная погрешность от неучета влияния этого
эффекта достигает 10 % и более.
В рассмотренном примере кинетика описыва;
лась в подвижной системе координат (первый
подход). Для демонстрации второго подхода (не;
подвижная система координат, фиксированная
на корпусе аппарата), сформулируем макроки;
нетическую задачу для второго периода сушки с
учетом продольного перемешивания твердой фа;
зы по диффузионной модели
; (14)
; (15)
. (16)
Решение задачи (14)…(16) при vT, Dпр.т, K,
up = const имеет вид [10]
0,
du
x
dx
= → ∞
пр.т
н( ) , 0
T
D du
u x u x
v dx
= + =
( )
2
пр.т 2
, 0T p
du d u
v D K u u x
dx dx
= − − < < ∞
2
2 10 ,E −= ⋅2
0,25θσ >
(Fo ) ,mE f
θσ=
(Fo ).mE f=
2
/ ; 6/ ;n n nBθ τσ = σ τ = μ μ
2
2
2
1 0
( 1)
exp Fo ,
22
n
n m
n
B
E d
∞∞
= θθ
⎡ ⎤⎛ ⎞θ −
= − μ θ + θ⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟σσ π ⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦
∑ ∫
( )u f= τ
( ) ( )2
3
0
1
, .
R
u r u r dr
R
τ = τ∫
( , )
0,
u r
r
∂ τ
=
∂
0 , 0r R< < τ >
=
( )
+
⎛
⎝
⎜⎜
⎞
⎠
⎟⎟
u r
D
u r
r r
u r
r
( , ) , ( , )
,
τ
τ
τ τ
M
2
2
2
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1 31
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
Рис. 1. Зависимости : 1 – σθ = 0;
2 – 0,14; 3 – 0,32; 4 – 0,42; 5 – 0,61; 6 – 0,75; 7 – 0,98.
( )mE f Fo
θσ=
(17)
где ; (18)
По данной математической модели было про;
анализировано влияние продольного перемеши;
вания твердой фазы на кинетику сушки дисперс;
ного материала в сушилке лоткового типа с
псевдоожиженным слоем и поперечными секци;
онирующими перегородками, устанавливаемы;
ми с целью улучшения потока твердой фазы. Для
этого были использованы опытные данные по
Dпр.т для аппарата рассматриваемого типа, обоб;
щенные в виде критериального уравнения и при;
веденные в [10]. Результаты представлены на
рис. 2, из которого видно, что для рассмотренно;
го случая при отсутствии секционирующих пере;
городок (n* = 0) влияние продольного переме;
шивания твердой фазы на кинетику сушки
значительно.
Установка секционирующих перегородок при;
водит при прочих равных условиях к уменьше;
нию длины аппарата, обеспечивающей требуе;
мое снижение влажности материала. При
релаксации относительного влагосодержания
от начального значения до конечного
установка одной перегородки умень;
шает длину аппарата в 1,15 раз, двух – в 1,28 раз,
трех – в 1,39 раз.
Приведенные примеры показывают возмож;
ности численного анализа при проектировании
сушильных аппаратов.
Гидродинамика потока твердой фазы в
непрерывно действующих сушилках с
кольцевым плотным радиально
продуваемым слоем
Неидеальность потока, формально описывае;
мая с определенным приближением указанными
выше моделями, обусловлена конкретными фи;
зическими причинами, среди которых можно
выделить такие, как: 1) трение потока о стенки
аппарата, 2) влияние узлов ввода и вывода, кото;
рые, как правило, не могут обеспечить полно;
стью равномерное распределение скорости по
его сечению и в некоторых случаях обусловлива;
ют образование застойных зон, 3) наличие в по;
токе каких;либо возмущающих его элементов
конструкции, 4) воздействие на поток другой фа;
зы. Их влияние на гидродинамику зависит от
конструкции аппарата, способа взаимодействия
газовой и твердой фаз, режимов их течения и фи;
зико;механических свойств фаз. Ниже представ;
лены результаты экспериментальных гидродина;
мических исследований потока твердой фазы в
непрерывно действующих сушилках с кольце;
вым, радиально продуваемым слоем (СРПС), ко;
к = 0,05E
н = 1E
E
2
пр.т/ .Kl Dβ =%
2
пр.т пр.тPe Pe 4
, 0
2
k k
− + β
= <
%
( )пр.т
пр.т
Pe
exp ,
Pe
E kz
k
=
−
32 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
Рис. 2. Зависимости (расчет при
l = 2 м; vT = 0,001 м/c; K = 2 · 10–3 c–1; B/l = 1/3;
Xb = 0,85; Xh = 0,167; ReT = 35,2; Xd = 0,02; W = 4):
1 – n* = 0; 2 – 1; 3 – 2; 4 – 3; 5 – 4; 6 – 5.
( )
пр.тPe
E f z=
E
торые призваны проиллюстрировать, в качестве
примера, это влияние для рассматриваемого типа
аппарата.
В последнее время в системах с твердыми дис;
персными материалами достаточно широко при;
меняются для проведения процессов нагрева, ох;
лаждения, сушки и адсорбции аппараты с
кольцевым, пронизываемым в радиальном на;
правлении слоем материала [11, 12]. При орга;
низации непрерывных процессов стенки этих
аппаратов, выполненные перфорированными
или сетчатыми, характеризуются значительной
шероховатостью и соответствующим влиянием
на структуру потока твердой фазы.
Как показали наши исследования, суммарное
влияние повышенной шероховатости стенок ап;
парата и конфигурации полного тракта движения
крупнодисперсного материала приводит к суще;
ственному продольному перемешиванию твердой
фазы в рассматриваемом типе аппаратов.
Для многих дисперсных материалов, особенно
при глубокой сушке гранулированных полиме;
ров [12, 13], длительное пребывание в аппарате
приводит к недопустимому пересушиванию или
термической деструкции, что сказывается в даль;
нейшем на качестве изделий. В связи с отсутст;
вием литературных данных по структуре потока
твердой фазы в шахтных аппаратах с сетчатыми и
перфорированными стенками, возникла необхо;
димость экспериментального исследования ха;
рактера движения гранулированных полимеров
для оптимизации формы сушильного тракта.
Для исследования были выбраны гранулиро;
ванные полимерные материалы, имеющие ши;
рокое промышленное распространение: поли;
амиды (П;12, П;12Э, П;610Л, П;610Л;СВ30),
полистиролы (“Стирон”, ПСМ;115, УПМ;0703 Л),
полиэтилентерефталат, поликарбонат, полипро;
пилен, АВС;пластик, СФД;ВМ;БС).
Выпускная форма гранулированных полиме;
ров представляет собой сферы, ограниченные
цилиндры и пластины с определяющим разме;
ром (3…5) · 10–3м.
Для оценки сыпучести гранулированных по;
лимеров были экспериментально определены:
угол естественного откоса; угол обрушения на
установке секторного типа; угол динамического
откоса в емкости с плоским днищем и выпуск;
ным отверстием; порозность неподвижного и
движущегося слоев зернистого материала.
Было установлено, что исследуемые полимер;
ные материалы имеют угол естественного откоса
в пределах 31...36о. Угол обрушения находится в
пределах 34...39о и превышает угол естественного
откоса на 3...5о. Угол динамического откоса ле;
жит в пределах 53...65о (примерно в 2 раза больше
угла естественного откоса), что характерно для
хорошо сыпучих материалов [14].
Порозность неподвижного слоя определена
при формировании слоя в результате свободной
насыпки с высоты 0,3 м методом “дождя”. По;
розность движущегося слоя измерена при уста;
новившемся регулируемом движении материа;
лов в канале с вертикальными стенками со
скоростью 5 · 10–4 м/с. Для всех исследуемых гра;
нулированных полимеров наблюдалось незначи;
тельное разрыхление движущегося слоя [15].
Cогласно классификации сыпучих материалов
[15], с учетом полученных экспериментальных
данных, исследуемые материалы можно отнести к
классу несвязных материалов I группы (кусковые,
зернистые с размерами частиц более 3 · 10–3 м).
Изучение влияния стесненности потока твер;
дой фазы, сетчатых и перфорированных стенок
на характер движения гранулированных полиме;
ров в вертикальных сушильных аппаратах шахт;
ного типа с кольцевым слоем зернистого материа;
ла проводилось на экспериментальной установке,
представляющей собой плоскую модель слоя ма;
териала в аппарате с регулируемым движением.
Экспериментальная установка имела стеклян;
ные переднюю и заднюю стенки и две боковые
стенки, моделирующие гладкие, сетчатые или
перфорированные поверхности. Боковые стенки
представляли собой широко распространенные
сетчатые и перфорированные материалы с отвер;
стиями (2…3) · 10–3 м. Боковые стенки имели
возможность установки с отклонением от верти;
кали до 100. На установке выделялось три зоны
движения зернистого материала: зона загрузки;
зона выгрузки и зона сушки. Скорость движения
материала задавалась в пределах (2…5) · 10–4 м/с
питателем секторного типа, что характерно для
глубокой сушки гранулированных полимеров в
аппаратах шахтного типа [12]. Толщина слоя ма;
териала изменялась в пределах 0,08…0,30 м. Ми;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1 33
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
нимальная толщина слоя выбиралась из условия
отсутствия сводообразования и пульсаций расхо;
да материала [15].
При исследовании структуры потока твердой
фазы использовался метод трассирующего веще;
ства, в качестве которого применяли окрашен;
ные частицы полимеров, импульсно вводимые в
изучаемую зону аппарата.
Степень отклонения потока вещества от иде;
ального режима движения рассчитывалась непо;
средственно по экспериментальным данным на
основе однопараметрической диффузионной
модели [2].
Установлено, что при вертикальных гладких
боковых стенках (полированная нержавеющая
сталь, алюминий) все гранулированные полиме;
ры при отсутствии влияния загрузочной и выгру;
зочной зон аппарата движутся в режиме идеаль;
ного вытеснения. Гранулированный материал
опускается всем столбом, крайние частицы по;
тока скользят без проворачивания по гладким
стенкам, застойные зоны не образуются. Это
полностью согласуется с данными других иссле;
дований [15, 16], в которых отмечается, что даже
частицы округлой формы в процессе движения
сыпучего материала обычно не вращаются.
При установке боковых стенок повышенной
шероховатости отмечалось их значительное вли;
яние на режим движения твердой фазы. Визуаль;
ные наблюдения показали вращение и задержку
частиц, прилегающих к стенкам. Возмущения в
пристенном слое отмечалось на расстоянии 4…6
диаметров частиц, что приводило к существен;
ному изменению профиля трассера.
Известно [15], что сводобразующие структуры
проявляют свое воздействие на течение материа;
ла при значениях отношения диаметра аппарата
к диаметру частиц < 15…20.
В рассматриваемом случае при толщине слоя
материала 0,1 м стесненность потока твердой фа;
зы приводила к значительному искажению про;
филя трассера, с увеличением толщины слоя
влияние стесненности потока существенно
уменьшалось.
При установке выгрузочной зоны аппарата
под углом, близким к углу естественного откоса,
появляется застойная зона, форма которой опре;
деляется углом динамического откоса. Частицы
материала в застойной зоне движутся с меньши;
ми скоростями и пребывают в аппарате значи;
тельно большее время, хотя застойная зона и не
считается областью полностью неподвижного
материала [15].
Для многих полимерных материалов (особен;
но для полиамидов) длительное пребывание в су;
шильном аппарате (значительно больше расчет;
ного времени сушки) приводит к недопустимому
пересушиванию или термической деструкции
материала, что отрицательно сказывается при
переработке расплавов полимеров и качестве из;
делий из них [17].
Суммарное влияние повышенной шерохова;
тости стенок и конфигурации полного сушиль;
ного тракта приводит к существенному продоль;
ному перемешиванию твердой фазы в
рассматриваемом аппарате. В связи с этим воз;
никла необходимость изучения структуры потока
гранулированного материала с целью разработки
конструктивных мер по организации требуемого
режима движения твердой фазы.
По полученным экспериментальным данным
по движению гранулированных полимеров в
плотном слое с применением диффузионной мо;
дели продольного перемешивания [2], определе;
ны значения чисел Пекле для твердой фазы (Рет),
находящиеся в пределах 6…20 при толщине слоя
0,08…0,30 м.
Проведенный численный анализ влияния не;
однородности по времени пребывания в аппара;
те на равномерность конечного влагосодержа;
ния полимерных материалов показал, что при
Репр.т < 30 прогнозируется существенное влияние
продольного перемешивания на кинетику глубо;
кой сушки гранулированных полимеров. Следует
также отметить, что отсутствие учета продольно;
го перемешивания твердой фазы при проведении
кинетического расчета процесса глубокой сушки
гранулированных полимерных материалов в
шахтных аппаратах может привести к значитель;
ной погрешности определения времени сушки.
Одним из технических решений, уменьшаю;
щих влияние повышенной шероховатости сте;
нок на структуру потока твердой фазы, является
использование расширяющегося канала, в кото;
ром движется зернистый материал [16]. Для рас;
сматриваемого случая при использовании ука;
34 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
занного технического решения найдены значе;
ния угла наклона стенок, при котором режим
движения исследуемых материалов близок к иде;
альному вытеснению.
Результаты проведенных исследований приве;
дены на рис. 3 в виде зависимостей Peпр.т = f (αст)δ
при различных толщинах слоя материала δ. Из
рисунка видно, что при αст = 0 в сушилке с сетча;
тыми стенками имеет место существенное про;
дольное перемешивание твердой фазы, интен;
сивность которого возрастает с уменьшением
толщины слоя. С ростом αст эффект продольного
перемешивания уменьшается.
Экспериментальные исследования показали,
что при раскрытии боковых стенок аппарата на
угол 4…6o структура потока твердой фазы улуч;
шается. С увеличением толщины слоя уменьша;
ется влияние стесненности потока, что также
приводит к увеличению Рет. Получены обобщен;
ные зависимости Рeт в функции угла наклона бо;
ковых стенок аппарата для всех исследованных
полимерных материалов.
Приведенные на рис. 3 данные показывают,
что на структуру потока также оказывает замет;
ное влияние качество бокового среза гранул. Для
исследованных полимеров характерны следую;
щие виды боковых срезов: оплавленные, с глад;
кой поверхностью, с округленными краями; по;
верхность гладкая, с острыми кромками (скол);
поверхность шероховатая, с крупными заусенца;
ми; на поверхности среза выступает волокнис;
тый наполнитель; плоскость среза не перпенди;
кулярна оси гранулы. Шероховатые гранулы в
ряде случаев “захватываются” структурой стен;
ки, образуя значительную вторичную шерохова;
тость, что в целом ухудшает структуру потока
твердой фазы.
Кроме того, значительная неоднородность ис;
следуемых материалов по размеру частиц допол;
нительно приводит к временной или постоянной
задержке сетчатой или перфорированной стенка;
ми некоторой части мелкой фракции, что также
обусловливает образование значительной вто;
ричной шероховатости стенки аппарата.
В целом при движении исследованных
материалов в канале с сетчатыми стенками с
углом раскрытия 5…6о выполняется условие
Репр.т > 40…100. Это соответствует режиму, близ;
кому к идеальному вытеснению, что позволяет
обоснованно использовать расширяющуюся ра;
бочую зону сушильного аппарата (с сетчатыми
стенками повышенной шероховатости) для улуч;
шения структуры потока твердой фазы.
Конструктивные решения, улучшающие
структуру потока твердой фазы в СРПС
Проведенные исследования физико;механи;
ческих свойств гранулированных полимеров и
структуры потока твердой фазы в движущемся
кольцевом плотном слое материала позволили
предложить ряд конструктивных решений су;
шильного тракта, при использовании которых
решаются основные задачи процесса глубокой
сушки полимерных материалов
К этим конструктивным решениям относятся:
; применение сушильной камеры с расширяю;
щимися сетчатыми стенками под углом ≥ 5о, поз;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1 35
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
Рис. 3. Обобщенная зависимость Репр.т = f (αст ) для
всех гранулированных полимерных материалов при
движении в слое (материал боковых стенок – сетка).
Толщина слоя материала: 1 – 0,3 м; 2 – 0,2 м;
3 – 0,1 м. – АВС�пластик; + – полипропилен;
– полиамид П�12 Э; – полиамид П�610 Л;
× – СФД ВМ�ВС; – ПСМ�115; – поликар�
бонат “Дифлон”; – УПМ�0703 Л;
– “Styron”.
°·
воляющее реализовать режим движения твердой
фазы, близкий к идеальному вытеснению
(Репр.т > 100);
; использование системы раздающих и сбор;
ных коаксиальных диффузоров (с углом наклона
на 3…5о превышающим угол обрушения), кото;
рая уменьшает влияние загрузочной и выгрузоч;
ной зон на структуру потока твердой фазы, а так;
же устраняет появление застойных зон материала
в рабочей зоне сушильной камеры;
; установка перфорированной трубы равномер;
ной радиальной подачи теплоносителя или системы
коаксиальных вставок для выравнивания скорости
газового потока перед входом в зернистый слой.
В разработанной рабочей камере достаточно
просто осуществляется продольное секциониро;
вание с целью подачи теплоносителя различных
параметров, что расширяет возможности аппарата.
Экспериментальная проверка работы сушиль;
ной камеры при проведении процесса глубокой
сушки гранулированных полимеров показала,
что режим движения твердой фазы близок к иде;
альному вытеснению, относительная неравно;
мерность по регламентированному конечному
влагосодержанию высушенных полимеров не
превышает 9...14 %.
На основе проведенных исследований процес;
са глубокой сушки полимерных материалов и
анализа особенностей массопереноса разработан
ряд непрерывно действующих сушильных аппа;
36 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
Рис. 4. Шахтная однозонная сушилка с кольцевым слоем дисперсного материала:
1 – штуцер подачи теплоносителя; 2 – приемная камера влажного материала;
3 – приемный коллектор отработанного теплоносителя; 4, 6 – направляющие конусы; 5 – наружный
перфорированный конус; 7 – штуцер вывода высушенного материала с дисковым питателем.
ратов шахтного типа, учитывающих те или иные
особенности процесса: однозонная сушилка,
двухзонная сушилка с подачей двух потоков теп;
лоносителей с разными температурно;влажност;
ными потенциалами, двузонная сушилка с регу;
лируемой высотой рабочих зон, двухкамерная
сушилка, зерносушилка с зоной охлаждения.
Схемы некоторых из них показаны на рис. 4 и 5.
Все сушилки содержат четыре технологичес;
кие зоны: загрузки и формирования слоя; нагре;
ва, изотермической сушки и термостатирования
(охлаждения). Скорость движения слоя материа;
ла (3…8) · 10–4 м/с задается секторным питате;
лем. Толщина слоя материала составляет
0,1…0,2 м, режим движения твердой фазы близок
к идеальному вытеснению.
Разработаны методики проектного и техноло;
гического расчетов процесса глубокой сушки
гранулированных полимерных материалов, учи;
тывающие для повышения точности кинетичес;
кого расчета дисперсию гранулированных мате;
риалов по размерам, неоднородность по времени
пребывания материала в рабочей зоне аппарата,
время достижения изотермических условий суш;
ки, изменение движущей силы процесса по на;
правлению движения сушильного агента в слое
материала. В аппаратах с явно выраженной про;
тяженностью сушильного тракта, к каким отно;
сятся и разработанные шахтные сушилки, пред;
ложено позонное разделение длины потока
твердой фазы на ряд элементарных зон с позон;
ным заданием параметров процесса и дифферен;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1 37
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
Рис. 5. Шахтная двухзонная сушилка с кольцевым слоем дисперсного материала: 1 – канал подачи
осушенного теплоносителя; 2 – канал подачи неосушенного теплоносителя; 3 – приемная камера
влажного материала; 4 – приемный коллектор отработанного теплоносителя; 5, 8 – направляющие
конусы; 6, 7 – наружные перфорированные конусы первой и второй зон сушки; 9 – штуцер вывода
высушенного материала с дисковым питателем.
цированным учетом изменения кинетических
коэффициентов.
Выводы
1. Гидродинамика потоков взаимодействую;
щих фаз оказывает значительное влияние на ки;
нетику сушки и качество получаемых продуктов.
2. Численное моделирование сушки дисперс;
ных материалов является действенным инструмен;
том в нахождении ее эффективного аппаратурно;
технологического оформления. Физический
эксперимент позволяет, однако, изыскать допол;
нительные возможности в совершенствовании
конструкции сушилки и поэтому является важ;
ным фактором в создании прогрессивной су;
шильной техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы
и аппараты химической и нефтехимической тех;
нологии. М.: Химия, 1987. – 540 с.
2. Levenspiel O. Chemical reaction engineering.
New York;London. John Wiley and sons. Inc. 1965.
3. Кафаров В.В. Методы кибернетики в хи;
мии и химической технологии. – М.: Химия,
1985. – 448 с.
4. Рудобашта С.П. Математическое модели;
рование процесса конвективной сушки дисперс;
ных материалов // Известия Академии наук.
Энергетика. – 2004. № 4. – С. 98–109.
5. Рудобашта С.П. Энерго; и ресурсосбере;
жение при сушке дисперсных материалов //
Международная конференция “Энерго; и ресур;
сосберегающие технологии и оборудование, эко;
логически безопасные производства”. 14–17 сен;
тября 2004 г. Иваново, Россия. 2004. – С. 3–18.
6. Рудобашта С.П. Кинетический расчет
процесса конвективной сушки дисперсных мате;
риалов // IV;й Минский международный форум
по тепломассообмену. 22–26 мая 2000 г. Минск,
Р. Беларусь. Т. 9. “Тепломассообмен в процессах
сушки”. 2000. – С. 41–48.
7. Рудобашта С.П. Роль математического мо;
делирования при контроле и управлении качест;
вом дисперсных высушиваемых продуктов // Пя;
тая международная теплофизическая школа
“Теплофизические измерения при контроле и
управлении качеством”. 20–24 сентября 2004
г. Тамбов, Россия. Изд;во ТГТУ. 2004. Часть I. –
С. 60–66.
8. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах
с твердой фазой. – М.: Химия, 1980. – 248 с.
9. Фролов В.В. Моделирование сушки дис;
персных материалов. – Л.: Химия, 1987. – 207 с.
10. Рудобашта С.П. и др. Продольное переме;
шивание твердой фазы и тепломассообмен в не;
прерывно действующем аппарате с псевдоожи;
женным слоем // Промышленная теплотехника. –
2002. – Т. 24, № 1. С. 39–44.
11. Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дис;
персных материалов. – М.: Химия, 1988. – 352 с.
12. Кавецкий Г.Д. Оборудование для произ;
водства пластмасс. – М.: Химия, 1986. – 224 с.
13. Воробьев В.А., Андрианов Р.А. Техноло;
гия полимеров. – М.: Высшая школа, 1971. –
360 с.
14. Лукьянов П.И. Аппараты с движущимся
зернистым слоем. – М.: Машиностроение, 1974. –
184 с.
15. Каталымов А.В., Любартович В.А. Дозиро;
вание сыпучих и вязких материалов. – М.: Хи;
мия, 1990. – 240 с.
16. Гячев Л.В. Основы теории бункеров. Ново;
сибирск, Изд;во Новосиб. ун;та, 1992. – 312 с.
17. Вольф Л.А., Хайтин Б.Ш. Производство
поликапроамида. – М.: Химия, 1977. – 208 с.
Получено 26.01.2006 г.
38 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 1
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ
|