Процесс охлаждения. Теплообмен между твердыми частица­ми и газом в псевдоожиженном слое характеризуется следующи­ми особенностями: температура твердых частиц (гранул) прак­

тически постоянна в объеме всего псевдоожиженного слоя; тем­пература охлаждающего агента (воздуха) изменяется на актив­ном участке (вблизи газораспределительной решетки) и практи­чески постоянна в остальном объеме слоя.

Перенос тепла (охлаждение) в псевдоожиженном слое складывается из следующих стадий [217]: отвод тепла из системы с потоком ожижающего агента; перенос тепла от поверхности твердых частиц к потоку ожижающего агента; распределение теплового потока внутри гранулы.

Признаком эффективного отвода тепла из псевдоожиженной системы твердых частиц является равенство температур гранул и воздуха на выходе из слоя. Оно обеспечивается при достаточной высоте псевдоожиженного слоя, когда Ясл>Ла, а также при условии равномерного распределения ожижаю­щего агента в объеме слоя и полном перемешивании твердой фазы. При этом высоту активной зоны теплообмена можно рассчитать из теплового баланса по уравнению

/іа = 0,36-104орс/-т/[а(1 — є)], (5.38)

где р — плотность среды; с — теплоемкость среды; гт—радиус твердой ча­стицы; а — коэффициент теплоотдачи; е — порозность псевдоожиженного слоя.

Высота h„, рассчитанная по уравнению (5.38) для гранул аммиачной селитры (d=2 мм, п = 2 м/с), составляет «20 мм. В реальных условиях, как показывает опыт эксплуатации промышленных аппаратов [209], практически невозможно создать равномерный псевдоожиженный слой малой высоты, что обусловлено неравномерным распределением ожижающего агента па сечению газораспределительной решетки. Высота псевдоожиженного слоя в промышленных аппаратах обычно составляет 0,1—0,15 м, тепло в этом слу­чае отводится практически полностью; температуры гранул и воздуха на выходе из основного объема слоя почти совпадают. Это утверждение, одна­ко, справедливо преимущественно для аппаратов цилиндрической формы при условии полного перемешивания частиц. Применение аппаратов прямоуголь­ной или лотковой формы для охлаждения гранул в псевдоожиженном слое приводит порой к тому, что tB>t или tB<t в зависимости от степени завер­шенности теплообмена в условиях перемешивания твердой фазы, близких к вытеснению.

Теплообмен между твердыми частицами и ожижающим агентом ат зависит от теплопроводности пленки газа, окружающей частицу, и величины конвекции ак. Составляющей теплообмена, определяемой излучением ■ аиз, для низкотемпературных псевдоожиженных систем обычно пренебрегают вследствие ее малости. В экспериментальных исследованиях обычно получа­ют а как результат совместного действия ат и ак. Отвод тепла теплопровод­ностью от сферической гранулы через шарообразную газовую пленку можно выразить следующим уравнением:

ат=2Х/[йт(1 —dT/rfo)], (5.39)

где X— коэффициент теплопроводности среды (воздуха); dT — диаметр гранулы; do — диаметр газовой пленки, окружающей частицу.

Для одиночной частицы d0->-°°, aT->-2X/dT, а число Nu=aTdT/7.-^2. В работе [218] уравнение (5.39) применено к псевдоожиженному слою с уче­том условия dT/rfo>0,5.

Анализ обширных экспериментальных данных позволяет рекомендовать следующие зависимости для расчета теплообмена при охлаждении гранул в псевдоожиженном слое:

при	5<Re<70	Ku=0,021Re1’4,	[219] 1
при	70 < Re <200	Nu=0,38Re0’8,	[219]	(5-40)
при	60 < Re <500	Nu=0,316Re°’8.	[220] J

Представляет интерес сопоставление интенсивности теплообмена в зави­симости от Re/e для одиночной частицы, неподвижного и псевдоожиженного •слоев [209, 218]. В области Re/e<100 интенсивность теплообмена в непод­вижном и псевдоожиженном слоях ниже, чем для одиночной сферической частицы. Это явление объясняется [218] неравномерностью распределения •скорости ожижающего агента, обтекающего частицы. Поэтому при малой скорости существует вероятность агрегирования частиц, и их поверхность не полностью участвует в теплообмене. С увеличением скорости ожижающего агента равномерность обтекания частиц газовым потоком возрастает, проис­ходит обнажение всей поверхности частиц, и интенсивность теплообмена в таком псевдоожиженном слое становится равной интенсивности при обтека­нии одиночной частицы. При Re/e>100 происходит турбулизация газовой пленки, окружающей частицу, и интенсивность теплообмена превышает зна­чения, характерные для обтекания одиночной частицы. В этой области и охлаждается большинство гранулированных продуктов, в частности мине­ральных удобрений.

Математическое описание процессов переноса тепла для условий внут­ренней задачи, касающейся распределения теплового потока внутри гранулы, - достаточно подробно дано в работе [212].

В технологии минеральных удобрений охлаждение гранул ■проводят после любого процесса гранулирования, поскольку для сохранения требуемых физических свойств удобрений температу­ра продукта не должна превышать 40—50 °С. Особенности охлаж­дения товарной фракции минеральных удобрений в псевдоожи­женном слое рассмотрены в ряде работ ['221—223]. Рекомендуе­мая высота слоя — до 0,15 м, число псевдоожижения — 2—3. Под­тверждено [211], что степень охлаждения материала не зависит от высоты слоя, а тепловой расчет при выбранных скоростях ожи­жающего агента можно выполнить на основе теплового баланса.

В псевдоожиженном слое процесс кристаллизации заканчива­ется и идет охлаждение за счет отвода тепла влажным атмосфер­ным воздухом при одновременном массообмене между ним и ка­пиллярно-пористым продуктом. Одной из трудностей, возникаю­щих при осуществлении этого процесса, является увлажнение удобрений.

Их сорбционные свойства в этих условиях исследованы в работе [223]. Материал после высушивания помещали в псевдоожиженный слой, продувае­мый воздухом с заданной относительной влажностью. Полученные изотермы сорбции приведены на рис. 5-43 (а—г). Используя эти изотермы, можно вы­числить энергию связи влаги с материалом и определить его влагоаккуму­лирующую способность.

Для некоторых удобрений необходимо использовать конди­ционированный, т. е. осушенный, воздух. Иногда достаточно его подогреть, снизив тем самым относительную влажность. Подогрев на 3—7 °С обычно обеспечивает нагнетающий вентилятор.

Стабильность работы холодильника с псевдоожиженным сло­ем характеризуется постоянством соотношения (ГВВЫх—ТПР)/ У(7ввых—7ввх). Показано [224], что эта величина зависит от со­отношения ширины и длины прямоугольного аппарата, т. е. от его конструкции.

9

о, в

В, 7 В, Є В,5

Bfi В, 3

9 В, 9

0,6

0,7

В, Є

■ °,5

0,4

Охлаждающие аппараты. При гранулировании разбрызгива­нием жидкости в инертную среду (газовую или жидкую) форми­рование структуры гранул осуществляется в результате охлаж­дения их в грануляционной башне, псевдоожиженном слое по­рошка, гранул или в движущемся слое жидкости. Основным уст­ройством, определяющим размер и форму гранул, является разбрызгиватель. От качества его работы зависит не только рав­номерность размеров получаемых гранул, но и допустимые плот­ность орошения, скорость охлаждающего агента и высота паде­ния гранул, т. е. режим охлаждения. По методу диспергирования разбрызгиватели делятся на центробежные, статические и вибра­ционные.

ентробежный разбрызгиватель представляет собой конический перфо­рированный тонкостенный стакан, подвешенный вершиной книзу на верти-

РИС. 5-44. Секционный центробежный разбрызгиватель:

1 — вал привода; 2 — подшипник; 3 — шарнир Гука;

4 — патрубок для подвода плава; 5 — фланец; 6 — вал подвески; 7 — шаровая опора; 8 — втулка; 9 — радиальные лопасти; 10 — перфорированная оболочка; 11 — пьезометр для контроля нагрузки

кальном валу, соединенном с электродвигателем. Наи­более распространены конусы с основанием диамет­ром 0,3—0,35 м и высотой 0,37—0,40 м. На боковой поверхности разбрызгивателя в несколько поясов расположены отверстия разного диаметра — с осно­вания конуса от пояса к поясу они уменьшаются от 2,5 до 1 мм. Плав из трубопровода поступает от­крытой струей через широкую горловину в крышке и истекает из отверстий вращающегося конуса. С увеличением частоты вращения увеличивается зона орошения и уменьшается размер капель.

Простота конструкции и сравнительно длитель­ный срок службы без чистки обеспечили коническо­му разбрызгивателю долгие годы эксплуатации. Однако эта конструкция имеет ряд недостатков: широкий спектр размеров гранул; неравномерное орошение сечения башни (до 30% почти неорошаемой поверхности и двух­кратное превышение максимальной плотности орошения над средней) и сегрегация гранул по размерам по сечению башни, что вследствие ухудшения теплообмена приводит к необходимости снижения произ­водительности. Различный напор плава у отверстий, находящихся на разных уровнях, и высокие скорости вылета (более 5 м/с) ухудшают рав­номерность дробления струи (по касательной и к поверхности вращающегося конуса); одностороннее ее сжатие и вихревое движение воздуха вблизи разбрызгивателя нарушают условия разрыва струи, что приводит к увеличе­нию дисперсности гранул.

Угловые частоты вращения плава вблизи оси конуса и его стенки резко различаются, причем тем больше, чем выше расход плава. Истечение плава из отверстий происходит не под действием центробежной силы, а под дейст­вием гидростатического давления и с гораздо меньшей скоростью, чем из нижних рядов. При этом усиленно орошается сравнительно узкое кольцо поперечного сечения башни.

Для повышения производительности и улучшения распределения нагруз­ки по сечению башни предложен [213] секционный разбрызгиватель с вра­щающимися радиальными перегородками (рис. 5-44.). Перегородки приводят плав во вращение с частотой соответствующей частоте вращения перфори­рованной оболочки, поэтому центробежный напор возрастает, и скорость истечения струй в верхней части разбрызгивателя увеличивается. Такая конструкция позволяет в 1,5—2 раза увеличить производительность центро­бежного разбрызгивателя, более равномерно распределить плав и уменьшить слабоорошаемую поверхность центральной зоны башни до 5—7% от ее по­перечного сечения. Для башен диаметром 16 м рекомендуются разбрызгива­тели диаметром 0,2—0,3 м и высотой 0,35 м с отверстиями диаметром 1,25—1,35 мм. Производительность такого аппарата достигает 60 т/ч, что соответствует средней плотности орошения (в расчете на полное сечение баш­ни) 300 кг/(м2-ч).

Более равномерный гранулометрический состав (по сравнению с центро­бежными распылителями) дают статические разбрызгиватели леечного типа (рис. 5-45). Для них рекомендуются выпуклые днища диаметром 0,4—0,5 м. При статическом напоре плава 1,1 м скорость истечения достигает 5 м/с, а диаметр орошаемой площади составляет 3—3,5 м. Для обслуживания од-

РИС. 5-45. Статический леечный гранулятор:

/ — перфорированное днище; 2 — корпус; 3 — рубашка

ной грануляционной башни в ее верх­ней части устанавливают 5—6 леечных грануляторов. Такая компонойка поз­воляет улучшить равномерность ороше­ния и довести его до 500—600 кг/(м2-ч), а также дает возможность, произ­водить чистку последовательно каждого разбрызгивателя без остановки баш­ни.

С разбрызгивателями жидкости других типов, в том числе и для грануляторов, работающих по методу окатывания и распыливания жидкости на поверхность частиц, а также с методами их расчета можне познакомиться в работах [213, 225—227].

Разбрызгиватели формируют размер капель, которые далее должны превратиться в твердые частицы. Для осуществления процессов кристаллизации и гранулирования применяют желе­зобетонные или металлические башни (полые или с насадкой в нижней части) диаметром 10—20 їм и высотой 15—80 м, в кото­рых наверху размещены разбрызгиватели плава и воздухоотвод­ные устройства, а внизу — щели для забора воздуха и устройство для выгрузки гранул.

Для хорошего распределения воздуха его можно вводить через перфо­рированный конус. В одной из конструкций конус состоит из наклонных кольцевых ступеней, расположенных с промежутками, через которые посту­пает воздух, нагнетаемый вентиляторами.

Затвердевшие гранулы, достигая низа башни, ударяются о ко­ническую часть и скатываются на днище, а затем скребком пере­мещаются к выгрузочной щели. Для уменьшения налипания не­затвердевшего материала на стенки и конусы башни их футеруют полимерными пленками или листами фторопласта. Применяют также вибрационные устройства.

В нижней части башни устанавливают специальный металлический кар­кас, не соединенный с ее корпусом. На такрм каркасе монтируют стальной конус, состоящий из четырех поясов, каждый из которых закреплен на кар­касе подвесками. На трех верхних конусах имеются периодически работаю­щие вибраторы; на участках наибольшего налипания на конус укладывают металлический прут, отбивающий наросты при включении вибраторов. Применение виброконусов позволяет значительно упростить эксплуатацию башен.

В летних условиях рекомендуется [211] следующая высота падения смеси гранул размером 1—3 мм: аммиачной селитры — 30 м, карбамида — 55—60 м, нитроаммофоса — 60—65 м, нитро­аммофоски— 70 м. В башнях с псевдоожиженным слоем на дне высота падения может быть уменьшена на 30—40%.

Предложено в нижней части башни диаметром 16 м устанавливать ап­парат с псевдоожиженным слоем площадью 60—70 м2, овальной формы, с патрубками для выгрузки по концам большой оси. Круг площадью 50—

60 мр орошается виброгранулятором с фактической плотностью 1000— 1200 кг/(м2-ч), обеспечивающей производительность по карбамиду 60 т/ч. Неорошаемая площадь размещена вблизи выгрузки и предназначена для выравнивания температуры гранул. Башня должна работать под разрежени­ем, для чего производительность верхнего вентилятора должна быть в 1,5—

2 раза больше нижнего.

При эксплуатации башен возможно образование и унос пыли. Наблюдения показывают, что основная часть пыли находится вблизи разбрызгивателя.

Источниками пыли являются мелкие капли, образующиеся при обычном дроблении жидкости и при нарушении режима дробления, т. е. при соударе­нии струй или под действием дополнительных возмущений, а также в ре­зультате истирания в псевдоожиженном слое. Выравнивание гранулометри­ческого состава частиц наложением вибраций при разбрызгивании, созданием высококачественных диспергаторов жидкости и тщательным соблюдением правил их эксплуатации позволит уменьшить унос продукта из башни.

Для уменьшения уноса зону размещения разбрызгивателей ограждают кольцевым бортом высотой 1,5—2,0 м, а трубы для выброса воздуха размещают ближе к стенке башни. Скорость воздуха в верхней части башни должна быть меньше скорости витания брызг, образующихся при разрыве струи. Во избежание пролива недиспергированного плава в моменты пуска и останов­ки виброгрануляторов предусматривают дополнительный напор с помощью горячего воздуха.

В промышленных грануляционных башнях, где скорость воз­душного потока изменяется в пределах 0,3—0,4 м/с, унос пыли обычно составляет 1—2 кг/т. В башнях с псевдоожиженным сло­ем скорость воздуха возрастает до 1,5—2,0 м/с и при том же фракционном составе получаемых гранул унос пыли неизбежно возрастает, что приводит к необходимости дополнительной очист­ки воздуха с возвратом пыли в процесс.

Охлаждение гранул может быть организовано в псевдоожи­женном слое с одной или несколькими ступенями.

В зависимости от высоты слоя материала на каждой ступени возможна различная степень перемешивания частиц. Предельными схемами будут: полное перемешивание в слое высотой, соизмеримой с его поперечным раз­мером, и идеальное вытеснение в тонком слое с направленным перемещением материала поперек потока воздуха.

В промышленных аппаратах с тонким псевдоожиженным слоем послед­ний состоит из большого числа «ячеек кипения», характеризующихся восхо­дящим потоком частиц в центре и нисходящим по периферии. Значительное преобладание вертикальных перемещений приводит к интенсивному переме­шиванию в ячейках при относительно небольшом обмене между ячейками. В результате материал проходит последовательно через большое число ячеек, имеющих ограниченное взаимное перемешивание, что можно рассматривать как схему полного вытеснения.

Отклонение от описанной структуры потока в промышленных аппаратах может происходить из-за забивания решетки, возникновения застойных зон, неравномерности распределения материала и воздуха по сечению аппарата, а также из-за перемешивания частиц смежных «ячеек». Рассчитано [211], что за время пребывания в охладителе (2—3 мин) обмен между ячейками^ в слое высотой 0,1 м осуществляется на 5—10%. Для аппаратов с высотой слоя,

РИС. 5-46. Номограмма для расчета одноярусных холодильников гранул:

/пр — температура продукта после охлаждения (если до охлаждения /Н=85°С);

— поправка; tBX — температура теплоносителя на входе в слой; *0т=*н“85

в 25—70 раз меньшей его длины, приме­ним расчет по схеме идеального вы­теснения.

Аппараты для охлаждения про­дукта помещают в нижней части башни непосредственно под кону­сом. Большая часть охладителей для удобства эксплуатации уста­новлена на тележку. На некото­рых предприятиях в корпусе баш­ни имеется решетка площадью 35—40 м2 или созданы две само­стоятельно работающие ступени охлаждения в виде решетки пло­щадью Г2—15 м2 в конусе башни и выносного одноступенчатого ап­парата. Отключение второй сту­пени позволяет избежать переохлаждения гранул в зимнее вре­мя, что увеличивает их прочность.

В выносных прямоугольных аппаратах разной конструкции предусматривают необходимость распределения материала по их ширине, дробное введение воздуха с регулировкой его расхода шиберами, установку двух газораспределительных решеток: верх­ней с живым сечением 3—4% при диаметре отверстий 2—3 мм и нижней — с отверстиями диаметром 30 мм и шагом 50 мм. Ап­параты выполняют из конструкционной, а верхнюю решетку — из нержавеющей стали. Особенности встроенных в башню охла­дителей рассмотрены в работе [211].

Двухступенчатый охладитель имеет расположенные друг над другом секции, соединенные центральным перетоком. Нижний слой разделен на две зоны: центральную и периферийную, где установлены сливные патрубки с клапанами. Производительность перетока (диаметром 0,75/0,45 м и высотой над нижней решеткой 0,06—0,07 м) не менее 50 т/ч.

Обращено внимание [211], что работоспособность аппарата зависит от аккуратности перфорации, плоскостности и горизон­тальности решетки. Во избежание возникновения пульсаций в псевдоожиженном слое и просыпания гранул под решетку нагне­тающие вентиляторы необходимо размещать рядом с аппаратом, чтобы свести к минимуму подрешеточный объем; свободное сече­ние решетки должно быть не более 6% при диаметре отверстий

3 мм; следует предусмотреть надежную балочную опорную кон­струкцию из стальных полос, поставленных на ребро.

Производительность большинства промышленных охладителей гранулированных удобрений составляет 10—35 т/ч, что соответ­ствует удельной нагрузке 1,4—2,8 т/(м2-ч) в зависимости от свойств и начальной температуры продукта; линейная скорость воздуха в них 1,0—1,8 м/с.

Расчет одноярусного холодильника предложено [224] прово­дить по номограмме (рис. 5-46).

Верхняя часть номограммы составлена для начальной температуры гра­нул 85 °С. Если эта температура больше (меньше) 85 °С, то к конечной температуре продукта добавляется (от нее вычитается) поправка, находи­мая по нижней части номограммы. Определяя точку пересечения изотерм температур воздуха под решеткой и продукта, находят соответствующую величину с:

с=(1/пб) (cBGB/cnGn),

где 1/(лб)—коэффициент, зависящий от конфигурации прямоугольной каме­ры, причем п — соотношение длин сторон; са, св —- теплоемкость продукта и воздуха; Gn, GB — расходы продукта и воздуха.

Задаваясь п, по приведенным ниже данным находят значение 1/(я6):

я. ...12 3 4 5 6 7 8 9 10

1/(яв) . . 1 1,323 1,446 1,510 1,551 1,580 1,597 1,615 1,623 1,638

Зная свойства продукта и производительность аппарата, определяют GB, а по скорости псевдоожижения — площадь газораспределительной решет­ки и ее размеры.