Статья: Исследование возможности применения термо-вакуум-импульсной сушки для материалов на основе термопластичных связующих

Полная исследовательская публикация Мадякин В.Ф., Енейкина Т.А., Осипова А.Ю., Солдатов С.В.,

Игнатьева С.Ю., Чистюхин В.Н. и Гатина Р.Ф.

30 ______________ http://butlerov.com/ _______________ ©--Butlerov Communications. 2016. Vol.45. No.2. P.29-35.

Исследование возможности применения термо-вакуум-импульсной сушки для материалов на основе термопластичных связующих

Принципы управления технологической операцией сушки основаны на физико-химических свойствах компонентов материала. В настоящее время все более широкое применение находят композиционные материалы, содержащие в составе термопластичные связующие. Использование связующих с низкими температурами текучести или плавления (60-80 ^оС) предполагает применение низкотемпературных режимов сушки, чтобы исключить слипание гранул или изменение формы изделий. Использование высокотемпературной сушки осложняется тенденцией таких компонентов к плавлению или размягчению при повышенных температурах. Это основополагающий фактор, который ограничивает возможность интенсификации процесса за счет повышения температуры и вызывает необходимость поиска других способов сушки.

Второй причиной фиксации верхнего температурного предела сушки может быть повышенная пожароопасность паров легколетучих растворителей, применяемых в производстве энергетических материалов, например, эфира, спирта, ацетона, этилацетата [1, 2]. Поэтому такие материалы предварительно «провяливают» на воздухе при комнатной температуре, а затем сушат при температуре 65-70 ^оС. Это приводит к значительному увеличению длительности общего цикла изготовления продукции.

В работах [3, 4] показана возможность интенсификации сушки материалов. Одним из вариантов повышения скорости влагоотдачи является применение термо-вакуум-импульс-ных (ТВИ) принципов удаления влаги, позволяющих при пониженных температурах (вплоть до комнатных) осуществлять процесс даже более интенсивно, чем при штатных высоко-температурных способах конвективной или кондуктивной сушек [5].

В данной работе представлены результаты исследования режимов ТВИ - сушки сгорающих материалов на основе низкоплавкого компонента - 2,4,6 - тринитротолуола (ТНТ), Т.пл. ? 80 ^оС.

Объектом исследования является сгорающий материал, содержащий: целлюлозу; нитрат целю-лозы; 2,4,6 - тринитротолуол.

Из изделий, изготовленных на аппарате формирования в опытно-промышленных условиях, с помощью шаблона вырезали образцы для испытаний в форме шашки с диаметром 65-76 мм и толщи-ной слоя 10-12 мм. Исходная влажность образцов 70-72% масс.

Методика проведения ТВИ-сушки образцов. Подробное описание ТВИ - установки, состоя-щей из воронки Бюхнера с рубашкой, крышки, колбы Бунзена, воздухонагревателя, термостата, ресивера, вакуумного насоса, восьмиканального измерителя-регулятора, компьютера, термопары, датчика давления, электромагнитного клапана, приведено в работе [6].

Образец материала взвешивали и определяли массу до сушки. Затем его помещали в ТВИ - установку и проводили сушку различными режимами:

Ш ТВИП - сушка осуществляется ТВИ-прососом горячего теплоносителя вакуумом через слой мате-риала в течение 5 минут. Количество импульсов зависит от влажности материала.

Ш ТВИП + ТВИС - прогрев образца осуществляется ТВИ-прососом (ТВИП) горячего теплоносителя вакуумом через слой материала в течение 5 минут. Затем закрывается подача горячего теплоносителя и набирается в ресивере вакуум до значения 5 кПа. После достижения требуемого значения вакуума осуществляется импульсное вакуумирование в течение 5 минут в режиме термо-вакуум импульсной сушки (ТВИС). Количество циклов (прогрев-вакуумирование) ведут до достижения постоянной массы материала.

Ш Ф + ТВИП - сушка осуществляется при одновременном обогреве формы (Ф) до соответствующей температуры и ТВИ-прососе (ТВИП) горячего теплоносителя вакуумом через слой материала.

Имитация конвективной сушки (КС) осуществлялась путем подачи горячего воздуха с помощью промышленного фена марки BOSCHGHG 660 LCDProfessional с расходом воздуха 250-500 л/мин при требуемой температуре в течение 5 минут. Исходные данные для расчета теплового баланса термо-вакуум-импульсной сушки в режиме (ТВИП + Ф) приведены в табл. 1.

влагоотжим вакуум импульсный термопластичный

Табл. 1. Расчет термо-вакуум-импульсной сушки в режиме (Ф+ТВИП) тепловой баланс

Тепловой баланс сушки Ф+ТВИП состоит из теплового баланса конвективной и кондуктивной сушек:

1. Конвективная сушка

- количество тепла, приходящееся на испарение влаги конвекцией;

- количество тепла на нагрев высушенного материала.

2. Кондуктивная (контактная) сушка

- количество тепла на испарение влаги при контакте с нагретой поверхностью.

Материальный баланс:

Ш Рассчитаем количество испаренной влаги для 81 заготовки

где G_H - производительность сушки по влажному материалу в час G_H = 81•0.65 = 52.7 кг/ч.

- масса высушенного материала.

Ш Определим начальное влагосодержание воздуха:

Ш Определим энтальпию воздуха до поступления в калорифер:

Ш Определим энтальпию воздуха после калорифера:

Ш Определим количество тепла на нагрев высушенного материала:

Ш Определим количество тепла на испарение влаги при контакте с нагретой поверхностью:

где - удельная теплота парообразования;

Ш Запишем разность между приходом и расходом тепла:

Ш Определим влагосодержание воздуха на выходе с сушки:

Ш Определим энтальпию воздуха после сушки:

Ш Расчет сухого воздуха в сушилке на испарение W кг/ч влаги:

Ш Определим количества тепла, затраченное на нагрев воздуха и испарение влаги:

Ш Определим количество теплоты, вносимой влагой, находящейся во влажном материале:

Ш Определим общее количество теплоты, которое должно быть подведено к сушке, без учета потерь в окружающую среду:

Ш Определим расход теплоты на одну заготовку:

Ш Определение необходимого количества теплоты на испарение влаги с литра воды:

где 0.46 кг/ч - количество влаги удаляемой из одной заготовки.

При прососе горячего теплоносителя через слой влажного материала происходит расширение абсорбированных газов и в материале создается нерелаксируемый градиент давления, под действием которого происходит миграция жидкости из материала. Чем выше скорость импульса, чем выше глубина используемого вакуума и температура теплоносителя, тем интенсивней перенос влаги из материала в окружающую среду.

Кривые сушки ТВИ-способом в режиме (Ф+ТВИП) при различных температурах сго-рающего материала представленына рис. 1. Сушка всех образцов в данном режиме осущест-влялась при скорости подачи теплоносителя 475 л/мин и длительности каждого цикла 5 минут.

Рис. 1. Кривые сушки ТВИ - способом в режиме (Ф+ТВИП) при различных температурах

Рис. 2. Влияние температуры на кривые интенсивности сушки в режиме (Ф+ТВИП)

Повышение температуры в режиме (Ф+ТВИП) на 20 ^оС уменьшает длительность сушки с 45 мин (Т = 50 ^оС, Wk = 0.18%) до 34 мин (Т = 70 ^оС, Wk = 0.18%).

Изменение интенсивности сушки (Ф+ТВИП) в зависимости от температуры показано на рис. 2.

Средняя скорость удаления влаги в режиме (Ф+ТВИП) при 70 ^оС равна 1.8%/мин, при 60 ^оС составляет 1.49%/мин, а при 50 ^оС - 1.45%/мин.

Повышение температуры ТВИ-сушки в режиме (Ф+ТВИП) не только способствует росту скорости влагоудаления, но и меняет характер изменения кривых интенсивности.

Повышение температуры приводит к сокращению I периода постоянной скорости сушки за счет большей скорости удаления свободной жидкости (процесс отжима влаги из материала).

Зависимости изменения кривых сушки в режиме (ТВИП) от обогрева формы приведены на рис. 3. Скорость подачи горячего теплоносителя для сушки всех образцов аналогична и равна 475 л/мин.

Отсутствие греющей поверхности значительно увеличивает длительность сушки. Время сушки в режиме (Ф+ТВИП70С) равно 34 мин (Wk = 0.18%), а время сушки без обогрева формы в режиме (ТВИП70-Ф) занимает 52 мин (Wk = 0.18%). Кондуктивный нагрев осу-ществляет лучшую передачу тепла материалу и увеличивает скорость влагоудаления из него. Средняя скорость влагоудаления в режиме (Ф+ТВИП70С) составляет 1.8%/мин, а в режиме (ТВИП70С-Ф) равна 1.25%/мин. Отсутствие греющей поверхности снижает интенсивность сушки в 1.4 раза.

На рис. 4 изображена зависимость скорости потока теплоносителя на длительность сушки.

Снижение скорости подачи теплоносителя приводит к увеличению времени сушки. При скорости потока воздуха 275 л/мин требуется 34 мин для сушки материала ЖСК до влажности 0.1% масс., при 375 л/мин время сушки занимает 30 минут до влажности 0.1% масс., а при 475 л/мин необходимо затратить 34.5 мин.

На рис. 5 представлена зависимость скорости потока теплоносителя на интенсивность сушки.

Рис. 3. Влияние обогрева формы на процесс сушки в режиме (ТВИП70С)

Рис. 4. Влияние скорости потока теплоносителя на процесс сушки в режиме (Ф+ТВИП70С)

Рис. 5. Влияние скорости подачи теплоносителя на интенсивность сушки в режиме (Ф+ТВИП70С)

Рис. 6. Влияние скорости подачи теплоносителя на среднюю скорость удаления влаги

Скорость подачи теплоносителя не влияет на характер изменения кривых интенсивности сушки. Таким образом, I-й период постоянной скорости сушки в режиме (Ф+ТВИП70С) наблюдается с применением более низких температур и в отсутствии обогрева формы.

Средняя скорость влагоудаления в режиме (Ф+ТВИП70С) при скорости подачи горячего теплоносителя 275 л/мин составляет 1.51%/мин, при 375 л/мин - 2%/мин, а при 475 л/мин - 1.8%/мин. При скорости подачи теплоносителя 475 л/мин скорость влагоудаления из мате-риала превышает скорость поступления влаги из микрокапилляров на поверхность, что и приводит к снижению скорости влагоудаления по сравнению с влагоудалением при скорости подачи теплоносителя 375 л/мин.

Экстремальный характер влагоудаления в зависимости от скорости подачи теплоносителя характерен для всех типов ТВИ-сушки, хотя и в разной степени (рис. 6). Наиболее значимо влияние этого параметра при рассмотренном способе сушки (Ф+ТВИП70С). Применение конвективной сушки сглаживает различия в скоростях влагоудаления от скорости подачи теплоносителя, что, в принципе, является положительным моментом при организации процесса.

Скорость набора вакуума также может оказать влияние на процесс сушки. Экспериментальные данные, представленные на рис. 7 показывают, что при снижении диаметра трубы вакуумной линии увеличивается длительность сушки за счет повышения времени импульса. Время сушки до влажности 1.06% масс. при большем диаметре вакуумной трубы занимает 30 мин, а при меньшем - 34 мин. Средняя скорость влагоудаления в режиме (Ф+ТВИП70С) при большом диаметре вакуумной трубы составляет 1.8%/мин, а при Ѕ диаметре трубы равна 1.41%/мин.

Согласно проведенным в данной статье и в работе [6] расчетам материального и теплового балансов конвективной сушки и различных режимов ТВИ-сушки установлено, что на 1 изделие ЖСК необходимо затратить следующее количество тепловой энергии, Вт: штатная конвективная сушка при 70 ^оС - 1396; режим (Ф + ТВИП 70) - 766; режим (Ф+КС+ТВИС70С) - 506.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что наиболее эффективным способом сушки по длительности процесса является ТВИ-сушка в режиме (Ф+ТВИП70) (рис. 8), однако затраты тепла ? на 40% выше, чем при ТВИ-сушке в режиме (Ф+КС+ТВИС70С), который является наиболее экономичным.

Рис. 7. Влияние диаметра трубы вакуумной линии на процесс сушки в режиме (Ф+ТВИП70С)

Рис. 8. Кривые сушки рекомендуемых ТВИ-режимов

Таким образом, ТВИ-сушка при любых режимах представляет собой способ существенного сокращения длительности процесса влагоудаления из материалов на основе термопластичных связующих с низкими значениями температур текучести или плавления. Полученные результаты могут быть использованы при прогнозировании и выборе оптимальных условий сушки таких материалов.

Рис. 9. Технологическая оснастка для ускоренной сушки изделий

влагоотжим вакуум импульсный термопластичный

Для практического осуществления методом прососа воздуха сушки изделий полых форм из рассматриваемого и подобных материалов, содержащих компоненты с низкой температурой текучести, необходима конструктивная доработка, предусматривающая возможность устойчивого закрепления изделия на жестком основании. Для этих целей предлагается использовать капроновую сетку, которая прикрепляется к основанию и обеспечивает плотное прилегание изделия. В качестве примера на рис. 9 приведена технологическая оснастка для ускоренной сушки изделий [7].