Сушка — один из самых энергоемких процессов, поэтому в области техники сушки экономия энергетических ресурсов проблема актуальная. Создание высокоэффективных и экономичных типовых сушильных аппаратов и установок позволит значительно снизить энергоемкость сушки. Для разработки таких аппаратов и установок необходимы методы комплексного анализа влажных материалов и их классификация как объектов сушки.

До сих пор нет единой классификации материалов как объектов сушки, на основании которой можно было бы выбрать рациональный тип сушильного аппарата.

При классификации материалов как объектов сушки нельзя исходить только из оценки поведения материала в том или ином (даже типовом, и тем более не типовом) сушильном аппарате. Классификация должна отражать результаты комплексного анализа материала как объекта, сушки и включать не более трех — четырех обобщенных показателей, из которых один (доминирующий) определяет класс (группу) материала по данной классификации, а остальные — подгруппу и разряд.

Доминирующий показатель должен отражать природу материала и не зависеть от условий сушки (например, коэффициент диффузии нецелесообразно выбирать в качестве доминирующего показателя, так как он зависит от температуры сушки и других режимных параметров).

В разработанной автором с сотрудниками классификации на основе доминирующего показателя — критического радиуса пор — все влажные материалы делятся на 4 группы в порядке уменьшения критического диаметра пор, которому соответствует усложнение внутрипористой структуры материала и увеличение диффузионного сопротивления движению влаги (в виде жидкости или пара) к поверхности частиц, а следовательно, увеличение продолжительности сушки и усложнение форм связи влаги с материалом.

При делении каждой группы на подгруппы учтены адгезионно-когезионные свойства материала (налипание на металлические поверхности, комкование и т. д.), которые в значительной степени определяют рациональную конструкцию сушильной установки, а также конструкцию загрузочных устройств. Для учета этих свойств введен ранг адгезионно-когезионного коэффициента, который изменяется с изменением этих свойств (Ка-к изменяется от 1 до 5).

К первой группе отнесены материалы с критическим диаметром пор более 100 нм (первая подгруппа Ка-к=1, вторая подгруппа Ка-к — до 3). Продолжительность сушки материалов первой группы невелика {например, во взвешенном слое 0,5— 3,0 с). Во вторую группу входят материалы с критическим диаметром пор от 100 до 6 нм (первая подгруппа Ка-к=1, вторая подгруппа Ка-к до 3, третья подгруппа Ка-к от 3 до 5). Продолжительность сушки материалов второй группы значительно больше, чем первой (во взвешенном слое —до 30 с). К третьей группе отнесены материалы с критическим диаметром пор от 6 до 2 нм. Продолжительность сушки таких материалов составляет минуты и десятки минут. Материалы четвертой группы, критический диаметр пор которых менее 2 нм, характеризуются очень низкой скоростью сушки, при этом продолжительность сушки исчисляется часами. При выборе типа сушильного аппарата для материалов четвертой группы следует учитывать и размер частиц высушиваемого материала.

На основе предложенной классификации можно осуществить переход от статики к кинетике сушки, используя принцип соответственных состояний. Зная кинетику сушки характерных представителей каждой группы в условиях, близких к оптимальным, а также скорость удаления влаги из пор различных групп, можно по принадлежности материала к той или иной группе и характеристике порового пространства (распределение пор по диаметрам, объем пор различных диаметров) рассчитать и построить кривую кинетики сушки данного материала в условиях, близких к оптимальным, и выбрать рациональный тип аппарата, а также активный гидродинамический режим.

Активные гидродинамические режимы могут быть реализованы, в частности, при рациональном применении взвешенного слоя. Различают четыре группы режимов взвешенного слоя: псевдоожижение (в том числе кипящий, виброкипящий, проходящий кипящий слой), фонтанирование (в том числе фонтанирующий слой, свободное фонтанирование), пневмотранспорт (восходящий, нисходящий, горизонтальный, “дюнами” и др.) и закрученные потоки (одиночные потоки с направляющими каналами и без них, встречные и спутные закрученные потоки, вихревой слой и др.).

Необходимо отметить, что режим проходящего кипящего слоя реализуется в аппаратах с вертикальными стенками, а режим свободного фонтанирования — в аппаратах с наклонными стенками, причем и тот и другой режим возможен при сушке только таких материалов, скорость витания частиц которых существенно уменьшается в процессе сушки.

Мерой активности гидродинамического режима должен быть комплексный показатель, учитывающий, с одной стороны, технологический эффект от применения данного режима (интенсификация процесса при достаточной гидродинамической устойчивости слоя в этом режиме, “удовлетворительной гидродинамической модели”, обеспечивающей требуемую степень однородности обработки частиц и безопасность процесса), и, с другой стороны, экономичность технологического процесса (высокую степень использования сушильного агента).

Из изложенного следует, что высокий показатель гидродинамической активности для материалов, имеющих макропоры со свободной и слабосвязанной влагой, может быть реализован только при режимах с высокими скоростями и температурами теплоносителя и малой продолжительностью пребывания материала в зоне обработки.

Экономия энергетических ресурсов может быть достигнута также в результате совмещения процессов механического обезвоживания и сушки, сушки и измельчения, сушки и грануляции (из растворов, суспензий, расплавов, термогрануляция порошков), сушки и капсулирования, сушки и термообработки, сушки и улавливания, а также с одновременным проведением химической реакции.

Примером многофункционального аппарата с управляемой гидродинамикой может служить аппарат со встречными закрученными потоками, предназначенный для сушки с одновременным пылеулавливанием, сушки и термообработки, обезвоживания и грануляции, а также для проведения ряда других процессов химической технологии (абсорбции, кондиционирования, десорбции).

При использовании аппаратов со встречными закрученными потоками в качестве пылеуловителей производительность по газовой фазе достигает 200 тыс.м³/ч (одиночного аппарата диаметром 2 м), а в случае использования батареи аппаратов — до 500 тыс.м³/ч при степени очистки до 99,8% от пыли с размерами частиц по 2—3 мкм. Таких показателей не имеют другие известные пылеуловители, в том числе типовые циклоны. Кроме того, аппараты со встречными закрученными потоками не чувствительны к изменению нагрузки по газовой фазе и концентрации пыли.

Регулируя переток газовой фазы из пристенного потока в центральный, можно добиться того, что обрабатываемый материал в аппарате со встречными закрученными потоками не будет касаться стенок аппарата, а это имеет большое практическое значение при обработке материалов с сильными адгезионно-когезионными свойствами.

Автор не ставил своей целью дать анализ всех исследовательских и расчетных работ по сушке, выполненных отечественными и зарубежными исследователями, а также рассмотреть все конструкции сушилок химических производств. Рассмотрены лишь те работы, которые связаны с основной идеей предлагаемой книги — изложением научных основ создания высокоэффективных типовых аппаратов на базе комплексного анализа материалов как объектов сушки.