Интенсификация процессов массоотдачи в аппаратах с использованием виброкипящего слоя

Технология производства древесностружечных плит требует высушивания измельченной древесины до влажности 3 – 6% для внутреннего слоя плит и 5 – 9% для наружных слоев. В то время как началь­ная влажность измельченной древесины при использовании дровяного сырья и сырых отходов составляет 80 – 120%, при использовании стружки от строгальных и фрезерных стан­ков – 15 – 25%.

Небольшие размеры и развитая наружная поверхность ча­стиц измельченной древесины облегчают процесс сушки, кото­рый может проходить при очень высокой температуре без кон­троля за внутренними напряжениями. Поэтому для сушки измельченной древесины используются сушилки непрерывного действия. При этом основную часть данных аппаратов составляют пневматические сушилки, среди которых  широкое применение в рамках малых производств нашли сушилки с сетчатым поддоном, где сушка происхо­дит в кипящем слое. В то же время в химической технологии  при осуществлении гетерогенных процессов «газ – твердое тело» широко используются дисперсные системы с активными гидродинамическими режимами, в частности, аппараты с применением вибрации [1]. Образующийся в них виброкипящий слой [2] позволяет интенсифицировать как гидродинамические, так и процессы тепло- и массообмена.

Вместе с тем, если сведения о процессах теплообмена в виброкипящем слое достаточно хорошо представлены в литературе, то о внешнем массообмене (массоотдаче) они практически отсутствуют.

Ниже приводятся экспериментальные данные по внешнему массообмену в виброкипящем слое частиц электрокорунда узких фракций с размером d_T = 0,40, 0,63 и 1,25 мм, а также стеклянных шариков d_T = 0,675 мм.

Исследования проводились в аппарате квадратного сечения 100×100 мм и высотой 120 мм, который жестко крепился к столу вибростенда. Параметры вертикально направленной вибрации составляли: частота f = 35÷55 Гц, амплитуда А = 0,4÷1,4 мм, высота неподвижной засыпки Н₀ = 60 мм. В качестве модельного использовался процесс испарения (возгонки) сферических тел диаметром D_Ш = 12-14 и 22-24 мм, выполненных из нафталина и занимающих фиксированное положение в слое. Применяемые материалы (корунд и стеклянные шарики) были нейтральными по отношению к парам нафталина.

Для характеристики внешнего массообмена применялся коэффициент массоотдачи β, который рассчитывался по уравнению:

,

где ΔМ – изменение массы испытуемого тела за время τ, кг; R_ПН – газовая постоянная паров нафталина, Дж/(кг·К); Т_СЛ – температура слоя, К; F – поверхность тела, м²; τ – время, ч; Р_ПН,С, Р_ПН,0 – парциальные давления паров нафталина на поверхности тела и вдали от нее, Па. Последнее вследствие интенсивной самовентиляции в виброкипящем слое [4] принималось равное нулю. Для интенсификации процесса осуществлялся подогрев слоя до t_СЛ = 60 ⁰С. Опыты проводились в изотермических условиях, поэтому величина Р_ПН,С определялась как давление насыщения паров нафталина при температуре слоя. Среднеквадратичная погрешность определения коэффициентов массоотдачи не превышала ± 8 %.

На рис. 1 приведены экспериментальные данные о влиянии амплитуды вибрации на коэффициент массоотдачи в слое корунда разного диаметра и стеклянных шариков, а также при изменении размера модельного тела. Можно видеть, что во всех случаях с ростом амплитуды вибрации наблюдается общая тенденция: монотонное увеличение коэффициентов β. Это связано с тем, что согласно [3] в виброкипящем слое с размером частиц d_Т < 1,0 мм возникают неустановившиеся потоки газовой среды, интенсивность  которых, например, средняя  скорость, тем больше, чем выше амплитуда вибрации. При этом малоинтенсивный процесс диффузии дополняется конвективной составляющей.

Рис. 1. Зависимость коэффициента массоотдачи β от амплитуды вибрации А, Н₀ = 60 мм, f = 40 Гц, D_Ш = 12-14 мм, корунд: 1 – d_T = 0,4 мм; 2 – 0,63 мм; 3 – 1,25 мм; 4 – D_Ш = 22-24 мм, d_T = 0,63 мм; 5 – стеклянные шарики, d_T = 0,675 мм, D_Ш = 12-14 мм

Определенную положительную роль в процессе массообмена играет и хаотическое движение самих частиц, доставляющих к поверхности тела свежие порции газа с малой концентрацией паров нафталина.

Вместе с тем изменение размера частиц в исследованном интервале d_T = 0,4-1,25 мм при прочих равных условиях слабо влияет на коэффициент β (рис. 1, кривые 1-3). Сравнение с данными, полученными в слое стеклянных шариков (рис. 1, кривые 2 и 5), показывает, что в последнем коэффициенты β на 15–30 % ниже, чем для корунда, так как в слое с меньшей плотностью частиц (ρ_Т = 2500 кг/м³ для стекла против ρ_Т = 3900 кг/м³ для корунда) снижаются пульсации скорости газовых потоков и интенсивность движения самих частиц (см. также рисунок № 2,б).

Кроме того, на рис. 1 можно видеть, что для частиц размером d_Т = 0,63 м, относящихся к классу крупных, с увеличением размера модельного тела коэффициенты массоотдачи уменьшаются (кривые 2 и 4). Вместе с тем в слое мелких частиц наблюдалась обратная картина: коэффициенты β возрастали.

Наблюдаемые закономерности связаны с характером обтекания тел, занимающих фиксированное положение в виброкипящем слое, сильно зависящим от размера частиц [4]. В слое мелких частиц d_Т ≤ 0,12 мм ввиду низкой газопроницаемости слоя около поверхности тела, вибрирующего с частотой и амплитудой вынужденных колебаний, формировались газовые пузыри, объем которых для крупного тела был больше. Их движение при обтекании тела и способствовало интенсификации массоотдачи. В слое  частиц d_Т = 0,63 мм вследствие сравнительно высокой газопроницаемости пузыри не образовывались, интенсивность движения газа снижалась, что и приводило к уменьшению коэффициентов β для тел с большим диаметром.

Приведенные на рис. 2 данные свидетельствуют о более сложном влиянии частоты вибрации на коэффициент массоотдачи, что связано с особенностями виброкипящего слоя как колебательной системы, в которой возможны резонансные режимы [5]. Однако в слоях из крупных частиц они менее выражены, подтверждением чего является пропорциональное увеличение коэффициентов β с ростом скорости вибрации Аω, что показано в виде прямых 1 и 2 на рис. 2,б со среднеквадратичным отклонением опытных точек ±10 % как для частиц корунда, так и стеклянных шариков. Кроме того, на этом рисунке более четко прослеживается отмеченная выше закономерность, согласно которой в слое частиц меньшей плотности коэффициенты массоотдачи ниже, причем различие по сравнению с данными для корунда тем значительнее, чем больше скорость вибрации.

В заключение можно отметить, что полученные значения коэффициентов массоотдачи β = 35–215 м/ч свидетельствуют о высокой интенсивности внешнего массообмена в виброкипящем слое, что позволяет рекомендовать его при проведении различных процессов химической технологии.

Список литературы

1. Варсонофьев В.Д., Кольман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности: учеб. пособие. М.: Химия, 1985. 240 с.

2. Горбунова А.М. Внешний  массообмен  в  аппаратах с виброкипящим слоем / А.М. Горбунова, Б.Г. Сапожников // Энергетика XXI века. Техника, экономика и подготовка кадров. Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. 2011. Часть 1. С. 43-47.

3. Сапожников Б.Г. Исследование скорости газовой среды в виброкипящем слое и ее влияние на внешний теплообмен / Б.Г. Сапожников, Ю.О. Зеленкова, Е.Г. Решетников // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. 2010. Т. 5.  С. 214-217.

4. Косенко Г.Д. Обтекание одиночных горизонтальных труб и пучков труб  вибропсевдоожиженной  дисперсной  средой / Г.Д. Косенко, Е.Г. Решетников, Б.Г. Сапожников, Н.И. Сыромятников // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1979. № 1. С. 161-165.

5. Рыжков А.Ф. О выборе оптимальной высоты виброожиженного слоя / А.Ф. Рыжков, Е.М. Толмачев // Теоретические основы химической технологии. 1983. Т. 17. № 2. С. 206-213.

УДК 684.4.05