Рассылка
Для того, чтобы получать уведомления о новых номерах журнала, оставьте свой E-mail адрес.
Интенсификация процессов массоотдачи в аппаратах с использованием виброкипящего слоя
Проведены исследования по внешнему массообмену в виброкипящем слое частиц измельченной древесины. Получены зависимости коэффициента массоотдачи от амплитуды вибрации.
Ключевые слова: измельченная древесина, кипящий слой, аппарат
Studies on the external mass transfer in a vibrated bed of particles chopped tree-Sina. The dependences of the mass-transfer coefficient on the amplitude of vibration.
Keywords: chopped wood, fluidized bed, the apparatus
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 dT = 0,40, 0,63 и 1,25 мм, а также стеклянных шариков dT = 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 DШ = 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; RПН – газовая постоянная паров нафталина, Дж/(кг·К); ТСЛ – температура слоя, К; F – поверхность тела, м2; τ – время, ч; РПН,С, РПН,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 tСЛ = 60 0С. Опыты проводились в изотермических условиях, поэтому величина РПН,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 dТ < 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, DШ = 12-14 мм, корунд: 1 – dT = 0,4 мм; 2 – 0,63 мм; 3 – 1,25 мм; 4 – DШ = 22-24 мм, dT = 0,63 мм; 5 – стеклянные шарики, dT = 0,675 мм, DШ = 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 dT = 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 (ρТ = 2500 кг/м3 для стекла против ρТ = 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 dТ = 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 dТ ≤ 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 dТ = 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.
Рис. 2. Зависимость коэффициента массоотдачи β, Н0 = 60 мм, DШ = 12-14 мм:
а – от частоты вибрации f: сплошные линии – корунд, dT = 0,63 мм; штриховые – стеклянные шарики, dT = 0,675 мм: 1, 1' – А = 0,6 мм; 2, 2' – А = 1,0 мм; 3, 3' – А = = 1,2 мм;
б – от скорости вибрации Аω: корунд, dT = 0,63 мм: ? – А = 0,6 мм; × – А = 1,0 мм; ? – А = 1,2 мм; стеклянные шарики, dT = 0,675 мм: ? – А = 0,6 мм; Δ – А = 1,0 мм; ? – А = 1,2 мм; ω = 2π f – угловая частота вибрации, 1/с
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