IV MAINE I APARATI SA OPERACIJAMA PRENOSA MASE

IV MAŠINE I APARATI SA OPERACIJAMA PRENOSA MASE 1. SUŠENJE I SUŠARE STATIKA I KINETIKA SUŠENJA I PROCESI PRENOSA TOPLOTE I MASE Proces sušenja obavlja se uz istovremeni prenos toplote i mase – toplota se dovodi materijalu ili se generiše u njemu da bi isparila vlaga, dok se masa prenosi kroz materijal kao tečnost ili para i sa površine materijala odvodi kao para agensima za sušenje (zagrejanim vazduhom, dimnim gasovima, pregrejanom parom itd. ).

Kao složeni tehnološki proces sušenje ima za cilj ne samo da smanji masu gotovog proizvoda i očuva čtav niz prirodnih osobina materijala, već da te osobine koliko je moguće poboljša, kako bi krajnji proizvod bio što boljeg kvaliteta u pogledu fizičko-hemijskih i strukturno mehaničkih pokazatelja. Iz materijala voda se može odstraniti na dva principijelno potpuno različita načina: -bez promene agregatnog stanja, što se ostvaruje mehaničkim putem (presovanjem, centrifugiranjem, filtriranjem), ili neposrednim dodirom suvog i vlažnog materijala; - sa promenom njenog agregatnog stanja, pri tzv. toplotnom sušenju.

Konstrukcija postrojenja za sušenje i tehnološki proces koji se odvija u njemu su međusobno povezani i uslovljeni. Postrojenje za sušenje treba da zadovolji čitav niz zahteva kao što su: • dobijanje proizvoda visokog kvaliteta i u saglasnosti sa zahtevima koje postavljaju odgovarajući standardi; • visoki tehnološko-ekonomski pokazatelji što racionalnije iskorišćenje zapremine postrojenja za sušenje, minimalni pogonski troškovi održavanja i dr. ) • mogućnost automatskog regulisanja izvođenja procesa sušenja. U zavisnosti od veličine potrebne energije razlikujemo sledeće oblike vezane vlage: • hemijski vezanu vlagu; • fizičko-mehanički vezanu vlagu.

RAVNOTEŽNA VLAŽNOST MATERIJALA PRI SUŠENj. U Kada se vlažan materijal nalazi u kontaktu sa vlažnim vazduhom mogu se odvijati dva procesa: 1) Sušenje materijala (desorpcija vlage). Ovo je slučaj kada je parcijalni pritisak pare na površini materijala veći od parcijalnog pritiska pare u vazduhu, (p. H>p. B). Vlaga iz materijala prelazi u vazduh. 2) Vlaženje materijala (apsorpcija vlage).

Ravnotežna vlažnost zavisi od osobina materijala i od parcijalnog pritiska vodene pare nad materijalom ili proporcionalno tome od veličine odgovarajuće relativne vlažnosti vazduha, prikazano na slici 1 -1. Sl. 1 -1. Zavisnost ravnotežne vlažnosti materijala od relativne vlažnosti vazduha: 1 -izoterma apsorpcije, 2 -izoterma sorpcije.

VLAŽNOST MATERIJALA I PROMENA NJENOG SASTAVA U PROCESU SUŠENJA Količina vode (vlage) koja se radi promene vlažnosti materijala od W 1 na W 2 (u procentu ukupne težine) mora odstraniti sušenjem iznosi: gde su: G - količina vlažnog materijala, kg ; Gw- količina vlage, kg ; W - vlažnost materijala u odnosu na ukupnu težinu, % ;

MEHANIZAM PROSTIRANJA VLAGE I TOPLOTE U MATERIJALU Osnovni fenomenološki zakon prostiranja vlage u vlažnom materijalu dat je izrazom: - materijalni fluks, masa količine vlage koja u jedinici vremena prolazi kroz jedinicu ekvipotencijalne površine u pravcu normale na nju.

n - skalarna veličina gradijenta potencijala prostiranja vlage u pravcu normalno nekvipotencijalnu površinu. w - materijalna provodnost (provodnost vlage) u vlažnom materijalu. KINETIKA SUŠENJA VLAŽNIH MATERIJALA U toku procesa sušenja vlažan materijal teži stanju termodinamičke i higrometrijske ravnoteže sa agensom sušenja.

Pod kinetikom procesa sušenja, obično se podrazumevaju zavisnosti srednje vlažnosti (W), srednje temperature (t) i srednje brzine sušenja (dw/d ) posmatranog vlažnog materijala od vremena ( ). Sl. 1 -3. Kriva kinetike sušenja vlažnog materijala (kriva sušenja i temperaturska kriva vlažnog materijala) Sl. 1 -4. Kriva brzine sušenja vlažnog materijala

PRENOS MASE U PROCESU SUŠENJA Za prvi period konvektivnog sušenja može se primeniti formula koja dovoljno tačno definiše pojavu prelaza materije sa površine vlažnog materijala. r w ( p H - p. B ) = ( t B - t H ) kg/m 2 h gde je: r - toplota isparavanja vode na temperaturi površine J/kg ; - koeficijent prelaza toplote izme|u vazduha i površine vlažnog materijala W/m 2 K ; t. B - temperatura vazduha C ; t. H - temperatura površine vlašnog materijala C.

VREME SUŠENJA Određivanje ukupnog vremena sušenja materijala, zasnovano na poznavanju eksperimentalne krive brzine sušenja, zahteva poznavanje vrednosti konstante brzine sušenja, srednjeg, kritičnog i ravnotežnog sadržaja vlage. U tom slučaju vreme sušenja se određuje iz sledećih jednačina: gde je:

W 1 - Srednji sadržaj vlage u početku prvog perioda sušenja kg H 2 O/kg SM ; Wkr - Srednji sadržaj vlage u trenutku vremena , kritičan na početku perioda opadajuće brzine sušenja kg H 2 O/kg SM ; Wr - Srednji sadržaj vlage u trenutku vremena u stanju ravnoteže sa okolinom kg H 2 O/kg SM ; W 2 - Srednji sadržaj vlage do kojeg se materijal suši u vremenu opadajuće brzine sušenja i koji je u opštem slučaju veći od srednjeg ravnotežnog sadržaja vlage kg H 2 O/kg SM ; Nk - Konstanta brzine sušenja.

2. KONTAKTNE TAČKASTE SUŠARE Kontaktne valjkaste sušare su našle primenu u više grana industrije. Njihova primena zastupljena je najviše u hemijskoj i prehrambenoj industriji. Kontaktnim sušenjem mogu se sušiti proizvodi praškastih rastvora u vodi sa 35 -40% suve materije, koloidni rastvori i suspenzije, viskozne tečnosti i paste. Sl. 2 -1. Osnovni tipovi kontaktnih valjkastih sušara; a) valjkasta sušara sa jednim valjkom, b) vajlkasta sušara sa dva valjka

Sl. 2 -2. Tehnološka šema postrojenja valjkaste sušare: 1 -valjak, 2 -nanosni valjcan, 3 -valjak rasipač, 4 -nož, 5 -cevovod za dovod vlažnog materijala, 6 -pužni transporter, 7 -rezervoar za pripremu suspenzije, 8 -pumpa, 9 -parovod, 10 -šema mernih mesta: (a)-bez sloja sušenog materijala na površini rotirajućeg valjka, (b)-sa slojem sušenog materijala na površini rotirajućeg valjka.

Površina valjka sušare određuje se iz sledeće relacije: A = QP / km tpb m 2 gde je: km - koeficijent prenosa toplote (W/m 2 K), tpb - razlika temperature vodene pare i temperature vazduha u neposrednoj okolini valjka (o. C), - koeficijent koji uzima u obzir stvarnu dodirnu površinu sušenog materijala sa zagrevnom površinom valjka. Za valjak velikog prečnika u odnosu na debljinu omotača (D>> ), koeficijent prenosa toplote može se odrediti iz sledeće jednačine: km = (W/m 2 K)

gde je: - 1 - koeficijent prelaza toplote sa kondenzujuće pare na zid valjka (W/m 2 K), - 1 - debljina omotača valjka (m), - 1 - toplotna provodnost omotača valjka (W/m 2 K), - 2 - debqina sloja materijala na sušenju (m), - 2 - toplotna provodnost sušenog materijala (W/m 2 K), k s - složeni koeficijent prenosa toplote sa sušenog materijala na okolinu (vazduh, prostor); ovaj koeficijent uključuje komponentu konvektivnog prenosa toplote, zračenja, odvođenja toplote isparavajućom vlagom ks = k 2 m + kr m + kw (W/m 2 K).

3. KONVEKTIVNE SUŠARE SA PNEUMATSKIM TRANSPORTOM MATERIJALA Proračun i projektovanje industrijskih sušara zahteva poznavanje niza podataka o: -površini i brzini prenosa toplote i mase, -kinetici sušenja određenog materijala u sušari, -režimu sušenja - temperaturi, vlažnosti, brzini i hidrodinamičkim uslovima -strujanja agensa za sušenje i načinu mešanja materijala u sušari, -uticajima režima sušenja (temperaturnog režima i vremena boravka materijala u sušari) na osobine i kvalitet osušenog proizvoda.

Sl. 3 -1. Šema pneumatske sušare: 1 -predajnik toplote, 2 -uređaj za doziranje vlažnog materijala, 3 -cev sušare, 4 -glava sušare, 5 cikloni, 6 -ventilator, 7 -dovod vlažnog materijala, 8 -rekuperator toplote.

PRORAČUN TOPLOTE Polazni podaci projektovanju pneumatske sušare su obično poznati, ili su uslovljeni najoptimalnijom tehnologijom proizvodnog procesa. To su: G 1 - masa vlažnog materijala (kg/h), w 1 - početna vlaga materijala (%), G 2 - masa suvog materijala (kg/h), w 2 - krajnja vlaga materijala (%), W - masa isparene vode (kg/h), t 1 - temperatura ulaznog vazduha u sušaru ( C), tb - temperatura bridova ( C), tw 1 - temperatura vlažnog materijala ( C), tw 2 - temperatura suvog materijala ( C), t. L - temperatura vazduha okoline ( C).

ISKORIŠĆENJE TOPLOTE U SUŠARI 1. Sadržaj toplote po mn 3, vazduha na ulazu u sušaru: i 1 = cpm t 1 k. J/ mn 3 2. Sadržaj toplote po mn 3, bridova na izlazu iz sušare: ib = cpm tb k. J/ mn 3 3. i = i 1 - ib k. J/ mn 3 gde je cpm = 1. 297 k. J/m 3 K - specifična toplota vazduha pri t. L = 0 C.

KOLIČINA TOPLOTE 1. Toplota potrebna za otparavanje vode: Qw = W r 0 + cpw tb - tw 1 k. J/h gde je: r 0 = 2500 k. J/kg - toplota isparavanja vodene pare, cpw =1. 92(k. J/kg. K) - srednja vrednost specifične toplote pregrejane pare. 2. Toplota potrebna za zagrevanje materijala: gde je: c - specifična toplota materijala za sušenje, c = 4. 18 (k. J/kg. K).

3. Toplota za zagrevanje vazduha koji ulazi u sušaru na mestima slabog zaptivanja i kroz procepe: QP = W pr cpm tb - tw 1 k. J/h pr - procenat gubitaka; za pneumatske sušare se računa sa iskustvenim podatkom: pr = 40/100.

4. Gubici od zračenja i provođenja toplote: Qz = 0. 04 (Qw + Qs + QP) k. J/h 5. Potrebna kolčina vazduha: m 3 n/h 6. Gubici toplote sa izlaznim vazduhom: QL = VL (ib - i. L) k. J/h 7. Ukupna količina toplote: Qu = Qw + Qs + QP + Qz + QL k. J/h 8. Specifična potrošnja energije: k. J/kg. H 2 O

4 SPIRALNE KONTAKTNE SUŠARE Cilj svakog korisnika sušare je da optimizuje potrošnju energije, da bi smanjio troškove sušenja. Potrošnja energije može biti presudan faktor pri izboru sistema sušenja. U industriji se često koriste konvektivne sučare s pneumatskim transportom materijala i kontaktne spiralne sušare. Potrošnje energije može biti presudan faktor pri izboru jednog od navedenih sistema sušenja.

. Tabela 4 -1. Karakteristike spiralne sušare za neke vrste skroba

Tabela 4 -2. Uporedni podaci za specifičnu potrošnju energije Vrsta sušare • • • Spec. potrošnja energije u sušari bez izmenjivača sa izmenjivačem toplote Pneumatska sušara 4187 3559 Spiralna sušara 3056 2617 ulazna temperatura proizvoda: 30 C prosečna temperatura okoline: 10 C prosečni kapacitet: 7500 kg/h početna vlaga: 33% preostala vlaga: 12% otparena voda: 2350 kg/h

Tabela 4 -3. Specifična potrošnja pare za sušenje skroba

Sl. 4 -1: Šema spiralne sušare, 1 -duvalljka, 2 -predajnik toplote, 3 - rotacioni dodavač, 4 -spiralna sušara, 5 -separator, 6 -rotacioni izuzimač

Sl. 4 -2: Spiralna sušara, 1 -vazduh za transport, 2 -donji potporni deo, 3 -obrtna cev, 4 -ploče za vođenje vazduha, 5 -vlažan materijalproizvod, 6 -sloj materijala, 7 protočni kanal, 8 -grejanje omotača, 9 -osušeni materijal i vazduh za transport, 10 -glava sušare, 11 -pogon obrtne cevi.

5. SPREJ SUŠARE Proces sušenja je kontinualan i veoma efikasan. Sušenje na sprej sušarama nalazi veliku primenu u hemijskoj i prehrambenoj industriji. Ovaj postupak i metoda sušenja se primenjuje u procesima sušenja hlornog vinila, hlorida magnezijuma , boja, tripolifosfata natrijuma, hlornog aluminijuma, streptomicina, koncentrovanog mleka i dr. Data metoda podrazumeva dispergovanje suspenzija sa sadržajem 65% suve materije, sa srednjim prečnikom dispergovanih čestica do 4 m. Pored toga, pri sušenju na sprej sušarama može se dobiti materijal željene krupnoće zrna, nasipne tečine i dr.

sušare, Sl. 5 -1: Opšta šema sprej sušare; 1 -ventilator, 2 predajnik toplote, 3 -telo 4 -rotirajući disk, 5 ventilator, 6 -ciklon

Osnovni parametri sušenja na sprej sušari su: Temperatura rastvora tr ( C) Temperatura materijala na izlazu iz sušare tm ( C) Temperatura vazduha na ulazu u sušaru t 1 ( C) - temp. vlažnog termometra t 1 ( C) Temperatura vazduha na izlazu u sušaru t 2 ( C) - temp. vlažnog termometra t 2 ( C) Brzina strujanja vazduha na ulazu u sušaru v (m/s) - protok vazduha (m 3/h), (kg/h), Kapacitet sušare Gm (kg/h)

Jednačine energetskog bilansa sprej sušara mogu se dati u sledećem obliku: W odnosno: gde su: c m – specifična toplota sušenog materijala, u (k. J/kg. K); c - specifična tolpota vazduha, u (k. J/kg. K).

Koeficijent prenosa toplote određuje se pomoću jednačine za prenos toplote koja se može predstaviti u sledećem obliku: gde su: Vk - zapremina komore sprej sušare, u (m 3); tsr - srednja logaritamska razlika temperatura, u ( C): gde je t. M - srednja temperatura vlažnog termometra, u ( C):

Toplotni bilansa : gde je Ck - stepen koncentracije, u (kg/kg). Zapremina komore - tela sušare: Kapacitet sušare:

6. RACIONALIZACIJA POTROŠNJE ENERGIJE NA PNEUMATSKIM SUŠARAMA Sistem racionalizacije potrošnje energije sastoji se u rekuperaciji otpadne toplote iz sušare i njenog korišćenja za grejanje i provetravanje pogona i sl. Energija predstavlja važnu stavku u ceni. Svaka rekuperacija otpadne energije utiče na smanjenje troškova proizvodnje.

Proces toplotnog sušenja podrazumeva trošenje energije. Iz toga proizilazi da postoji velika potreba za smanjenjem troškova energije, koji su deo ukupnih troškova. Rezultat svega je ostvarenje zadovoqavajućeg profita i konkurentnih proizvoda. Obrada problema i proračun uštede energije vrši se uz pomoć h - x dijagrama (slika 6 -1). To je moguće, kada se radi o postojećim sušarama sa poznatim parametrima sušenja.

Koriste se sledeći parametri: t 1 - temperatura okoline, t 2 - temperatura zagrevanja vazduha za sučenje, tw 1 - temperatura izlaznih bridova iz sušare, XA - apsolutna vlažnost vazduha na temperaturi t 1, XC - apsolutna vlažnost vazduha na temperaturi tw 1, h. A, h. R, h. B - entalpije vlažnog vazduha na odgovarajućim temperaturama, prema sl. 6 -1, W - količina isparele vode u sušari.

Slika 6 -1: Dijagram procesa sušenja Tabela 6 -1. Termički stepen iskorišćenja bez rekuperacije i sa rekuperacijom otpadne toplote Vrsta sušare Vlaga % Temp. step. iskorišć. bez sa rekuper. Spec. potr. energ. (k. J/kg W) Pneumatska sušara za mekinje 62 - 14 0. 74 0. 85 3930 3380 Pneumatska sušara za skrob 36 - 14 0. 68 0. 81 3890 3270

7. ROTACIONE SUŠARE Rotacione sušare imaju široku primenu za kontinualno sušenje (pri atmosferskom pritisku) zrnastog i rastresitog materijala, polimerni materijali, mineralne soli, šećer, fosfati, pšenica, kukuruz i dr. Osnovni elemenat sušare je bubanj koji je nagnut u odnosu na horizontalu. Nagib bubnja je proračunat tako da se materijal postepeno kreće od višeg prema nižem kraju i obično iznosi oko 5.

Kao agens za sušenje koristi se topli vazduh ili proizvodi (gasovi) sagorevanja. Agens sušenja se vodi istosmerno ili suprotnosmerno kretanju sušenog materijala. U bubnju sušare postavljaju se lopatice, koje zahvataju i rastresaju materijal, i tako omogućuju intenzifikaciju procesa sušenjja.

Prečnik bubnja sušare se određuje iz usvojene brzine strujanja agensa sušenja. Brzina se usvaja tako da ne dođe do suvišnog odnođenja materijala (ne sme da dođe do pneumatskog transporta).

Toplotni proračun ovih sušara izvodi se prema formulama toplotnog proračuna konvektivnih sušara iz poglavlja 3. U ovim sušarama ostvaruje se intenzivno i ravnomerno sušenje usled kontakta agensa za sušenje i materijala konvektivno sušenje sa mešanjem sloja materijala.

Sl. 7 -1: Šema rotacione sušare: 1 -bubanj sušare, 2 -dovod vlažnog materijala, 3 izmenjivač toplote, 4 -odvod suvog materijala, 5 -ciklon, 6 -ventilator, 7 -pogonski zupčanik, 8 ležište

Srednje vreme zadržavanja materijala u sušari (s), kada je agens za sušenje vazduh, može se odrediti iz relacije: gde je: L - dužina sušare u m , s - nagib sušare u , n - broj obrtaja sušare u min-1 , D - prečnik sušare u m , Wa - maseni fluks agensa u kg/m 2 s računato na površinu poprečnog preseka bubnja, Gs - brzina unošenja materijala u sušaru u kg/m 2 s.