Kinetyka procesu suszenia w suszarce bębnowej 1. Wprowadzenie 1 Suszarki bębnowe obok suszarek komorowych są najbardziej rozpowszechnione w praktyce przemysłowej. Stanowią one jedną z pierwszych konstrukcji aparatów suszarniczych o działaniu ciąłym, wprowadzonych do przemysłu. Dzięki wszechstronności, prostocie konstrukcji, dużej przepustowości i stosunkowo dobrej sprawności cieplnej suszarki bębnowe nadają się do szybkieo suszenia wielu materiałów przy niskich kosztach jednostkowych dla dużych partii materiału. Moą one pracować w zakresie czasów suszenia od 5 do 60 min, ich przepustowość waha się od kilkuset kiloramów do kilkuset ton na odzinę. Materiał suszony jest w sposób ciąły unoszony przez obrót bębna, a następnie opada w strumieniu orąceo czynnika susząceo, który przepływa przez bęben w współ- lub przeciwprądzie w stosunku do materiału. Bęben jest lekko pochylony, tak że materiał stopniowo przesuwa się wzdłuż suszarki. Suszarki bębnowe znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, łównie do suszenia nawozów sztucznych i rud. Szczeólnie nadają się one do suszenia materiałów zranulowanych, swobodnie przesypujących się. Moą być one również, przez zainstalowanie specjalnych urządzeń do usuwania materiału zbryloneo i zlepioneo, przystosowane do suszenia ciał lepkich. Materiały nieodporne na działanie wysokich temperatur moą być również suszone w omawianych suszarkach, pod warunkiem, że oraniczenia w stosunku do temperatury prowadzenia procesu nie spowodują zbytnieo wydłużenia czasu suszenia. Suszarki bębnowe nie nadają się natomiast do suszenia materiałów bardzo lepkich, szlamów, mułów, a także materiałów wymaających znacznych czasów suszenia (powyżej jednej odziny). Ponadto materiały kruche, pylące i lekkie, które moą być łatwo unoszone na zewnątrz suszarki ze strumieniem powietrza, nie powinny być suszone w suszarkach bębnowych bezprzeponowych, a raczej w suszarkach przeponowych. Rodzaje suszarek bębnowych i ich budowa Suszarki bębnowe można podzielić na 3 łówne typy: 1) suszarki bezprzeponowe, 1 Strumiłło Cz, Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT, Warszawa, 1983.
2) suszarki z żaluzjami (typu Roto-Louyre), 3) suszarki przeponowe. W przypadku dy materiał suszony nie ma własności pylących i może bezpiecznie kontaktować się z orącym powietrzem lub azami spalinowymi oraz dy nie występują lotne składniki łatwo palne lub szkodliwe dla otoczenia, moą być zastosowane suszarki bezprzeponowe. Schemat bębnowej suszarki bezprzeponowej, przeciwprądowej przedstawia rys. 1. Czynnik suszący dopływa do bębna 1 przez króciec 2. Bęben wprawiany jest w ruch obrotowy (1 15 obr/min) za pomocą przekładni kół zębatych 3 i toczy się na pierścieniach tocznych 4 oraz na rolkach 5. Gaz przepływa w przeciwprądzie do materiału wilotneo, który jest doprowadzony na druim końcu bębna z zasobnika 6 przez podajnik 7. Drobne cząstki materiału unoszone z azem przez wentylator 8 dostają się do cyklonu 9. Materiał wysuszony przedostaje się z bębna suszarki do obudowy 10, skąd za pomocą przenośnika ślimakoweo 11 przesyłany jest na zewnątrz suszarki. Bęben ma średnicę do 4 m w zależności od wymaanej wydajności, jeo dłuość waha się w ranicach od czterech do piętnastu średnic. Aby ułatwić ruch materiału wzdłuż bębna, montowany on jest pod pewnym kątem. Wewnątrz bębna zamocowane są specjalne przerody. Przerody te mają istotne znaczenie dla właściwej pracy suszarki. Podczas obrotu bębna przerody zabierają od dołu materiał, unoszą o do óry, a następnie cząstki materiału przesypują się w postaci kaskady w poprzek droi czynnika susząceo. Wymiary i kształt przeród decydują o tym, czy taka kaskada rozłożona jest równomiernie w przekroju bębna. Rys.1 Suszarka bębnowa przeciwprądowa 2 : / bęben, 2 wlot powietrza, 3 wieniec zębaty, 4 pierścienie toczne, 5 rolki toczne, 6 zasobnik materiału wilotneo, 7 podajnik, 8 wentylator, 9 cyklon, 10 obudowa 11 przenośnik ślimakowy 2 Strumiłło Cz, Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT, Warszawa, 1983.
Wymiana ciepła między strumieniem powietrza a cząstkami materiału będącymi w ciąłym ruchu zachodzi przez konwekcję, w mniejszym stopniu przez promieniowanie. W wyniku intensywneo ruchu i mieszania materiału dopuszczalne jest stosowanie wysokich ęstości strumienia cieplneo, nie powodujących zmian własności fizykochemicznych materiału. Ze wzlędu na złożoną hydrodynamikę procesu i związany z tym problem określenia powierzchni międzyfazowej, w obliczeniach suszarek bębnowych zaleca się stosowanie objętościowych współczynników wnikania ciepła. Objętościowy współczynnik wnikania ciepła w suszarce bębnowej jest sumą trzech składników: α α + α + α ' '' ''' v v v v (1) Dla suszarki bębnowej z przerodami umieszczonymi na obwodzie wewnątrz bębna w celu obliczenia objętościoweo współczynnika wnikania ciepła opracowano następującą korelację 3 : α v 163. 8 '' m D 016. (2) Oólnie obliczenia suszarek bębnowych należy wykonywać przez określenie dłuości aparatu na podstawie znajomości liczby jednostek i wysokości jednostkowej wnikania ciepła 4 w poniższeo równania H H p N p (3) Wysokość jednostkową wnikania ciepła i liczbę jednostek wnikania ciepła definiuje się następująco: 3 Perry J. H., Chemical Enineerin Handbook, Fourth Edition, N. Y. 1963. 4 Procesy dyfuzyjne i termodynamiczne. skrypt PWr, cz. II, Wrocław 1978.
H p '' m c α v p (4) N p t 2 t t 1 dt m (5) Przyjmując pierwszy okres suszenia, w którym temperatura materiału jest równa temperaturze termometru mokreo, równanie (5) można scałkować analitycznie do postaci N p t ln 1 t2 tm tm (6) Do obliczania obrotów bębna suszarki zalecana jest następująca zależność nd 7-12 mmin -1 (7) 2. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wysokości (dłuości) jednostkowej wnikania ciepła H p oraz liczby jednostek wnikania ciepła N p w suszarce bębnowej. 3. Aparatura Schemat montażowy suszarki bębnowej przedstawiono na rys. 2. Powietrze zasysane wentylatorem 6 jest tłoczone do narzewnicy elektrycznej 5, a następnie do bębna suszarki 3. Natężenie przepływu powietrza można reulować za pomocą zasuwy i mierzyć zwężką pomiarową. Temperatury powietrza są mierzone na wejściu i wyjściu z aparatu termometrami rtęciowymi. Uprzednio przyotowany materiał wilotny jest podawany ze zbiornika surowca 1 dozownikiem wibracyjnym 2 do órneo końca bębna. Wysuszony produkt odprowadzany jest przez zsyp do zbiornika produktu 4.
Rys.2. Schemat montażowy stanowiska suszenia w suszarce bębnowej: 1 - zbiornik surowca, 2 - podajnik wibracyjny, 3 - bęben, 4 - zbiornik produktu, 5 - narzewnica, 6 - wentylator. 4. Metodyka pomiarów Doświadczenie należy przeprowadzić w następująceo schematu: a) uruchomić wentylator, włączyć narzewnicę, ustawić za pomocą zasuwy odpowiednie natężenie przepływu, b) przyotować mokre ziarno przez zmieszanie sucheo rzepaku z wodą w ilości podanej przez prowadząceo, c) po ustaleniu się temperatury wlotowej i wylotowej powietrza uruchomić podajnik surowca i wsypać do nieo powoli mokre ziarno, d) po ustaleniu się temperatury wylotowej powietrza odczytać temperatury powietrza na wlocie i wylocie z aparatu ( w przypadku wylotu odczytać także temperaturę termometru mokreo), e) punkty b) c) i d) powtórzyć dla kilku natężeń przepływu powietrza, 5. Opracowanie wyników pomiarów 1. Obliczyć prędkość masową powietrza w bębnie suszarki w zależności
'' m V πd 4 2 ρ Średnica bębna suszarki wynosi D210 mm. Objętościowe natężenie przepływu powietrza obliczyć ze wzoru (8) V α A 2H ( ρ ρ ) c oz c 4 ρ β (1 ) (9) W obu wzorach ęstość powietrza należy obliczać dla temperatury w zwężce pomiarowej (temperatura wlotowa) i ciśnienia atmosferyczneo (1.013 x 10 5 Pa) za pomocą zależności: pm ρ (10) RT Współczynnik α przyjąć za równy 0.62. Średnica otworu zwężki wynosi 49 mm a średnica rurociąu 81 mm. Gęstości cieczy manometrycznej wynosi 998 k/m 3 (ęstość wody w temperaturze 20 0 C). 2. Obliczyć doświadczalny objętościowy współczynnik wnikania ciepła od powietrza do cząstek materiału α v w wzoru α v Q V t m (11) Strumień ciepła Q obliczyć z bilansu w odniesieniu do fazy azowej ( ) Q m cp t1 t2 (12) Ciepło właściwe powietrza należy obliczyć dla średniej temperatury na wlocie i wylocie z aparatu posłuując się zależnością: c p 0.233 t + 1005 (13)
Masowe natężenie przepływu powietrza obliczamy ze wzoru: π D m m 4 '' 2 (14) Średnią różnicę temperatur w suszarce obliczyć jako średnią loarytmiczną (dla I okresu) t m t t ln t 1 2 1 2 tm tm (15) a objętość bębna suszarki ze wzoru V πd 2 4 H (16) Dłuość suszarki wynosi H1200 mm. 3. Obliczyć wysokość jednostkową wnikania ciepła od powietrza do ziarna H p w wzoru (4) oraz liczbę jednostek wnikania ciepła N p w wzoru (6). 4. Obliczyć objętościowy współczynnik wnikania ciepła w wzoru (2). Symbole A oz - powierzchnia otworu zwężki, m 2 c p - ciepło właściwe powietrza, J/(kK) D - średnica bębna suszarki, m - przyspieszenie ziemskie, m/s 2 H - dłuość suszarki, m H c - różnica wysokości cieczy manometrycznej w manometrze mierzącym spadek ciśnienia na zwężce pomiarowej, m H p - wysokość jednostkowa wnikania ciepła, m
M masa molowa powietrza, M 29 x 10-3 k/mol π D - masowe natężenie przepływu powietrza, k/s '' 2 m m 4 '' m - średnia prędkość masowa powietrza, k/(m 2 s) n - liczba obrotów bębna suszarki, min -1 N p - liczba jednostek wnikania ciepła p ciśnienie powietrza, Pa R stała azowa, R8.314 J/(mol K) T - temperatura powietrza, K t - temperatura powietrza, 0 C t 1 - temperatura powietrza na wlocie do suszarki, 0 C t 2 - temperatura powietrza na wylocie z suszarki, 0 C t tm - temperatura termometru mokreo (zmierzona na wylocie z suszarki), 0 C t m - średnia loarytmiczna różnica temperatur, 0 C Q - strumień ciepła, W V - objętość bębna suszarki, m 3 V - objętościowe natężenie przepływu powietrza, m 3 /s Symbole reckie α - współczynnik przepływu zwężki pomiarowej α v - całkowity, objętościowy współczynnik wnikania ciepła, W/(m 3 K) ' α v - objętościowy współczynnik wnikania ciepła uwzlędniający ruch ciepła przez wnikanie między powietrzem a opadającymi cząstkami materiału, W/(m 3 K) '' α v - objętościowy współczynnik wnikania ciepła uwzlędniający ruch ciepła przez wnikanie między powietrzem a materiałem spoczywającym w przerodach i na dnie bębna, W/(m 3 K) ''' α v - objętościowy współczynnik wnikania ciepła uwzlędniający ruch ciepła przez przewodzenie do materiału spoczywająceo w przerodach i na dnie bębna, W/(m 3 K) β - stopień rozwarcia kryzy (stosunek średnicy otworu kryzy do średnicy rurociąu), ρ c - ęstość cieczy manometrycznej, k/m 3 ρ - ęstość powietrza, k/m 3