книги / Обжиг в кипящем слое в производстве строительных материалов

генных сред

[1 2\ .

Обобщение

экспериментальных данных в

виде

лизе теплообмена на границе двух фаз при

наличии

пограничного слоя, в котором осущ ествляется

мо­

лекулярный

перенос тепла. В псевдоожиженном слое

в результа те соударения частиц материала

между

собою и о стенки аппарата пограничный слой,

об­

разуемый вокруг частицы, по всей

вероятности

им еет неустойчивый характер. Поэтому,

соот­

ветственно, для изменившейся физической

схемы

след ует применить иной способ обработки

экспе­

риментальных данных, и в каждом конкретном

слу­

чае должен быть индивидуальный подход к

решению

задачи

[ 1 2 ] .

2.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГЛИНИСТЫХ,

ВУЛКАНИЧЕСКИХ И Т.П. ПОРОД

В КИПЯЩЕМ СЛОЕ

На основании анализа существующих работ

по

теп ло - и массообмену в кипящем слое для

описа­

ния термообработки глинистых, вулканических

и

других

пород в кипящем слое возникла

необходи­

м ость

разработки новых методов исследования

про­

цесса

теплообмена и обобщения экспериментальных

данных. Для этого в первую очередь было

про­

анализировано

уравнение теплообмена

( 1 9 ) .

Оче­

видно, что данное уравнение применительно к

ус­

ловиям обработки материалов в кипящем слое

при

определенном

температурном напоре и

заданной

м ассе

слоя

в

аппарате связы вает количество

пере­

даваемого

тепла о т газов к материалу

(или

на­

оборот) и продолжительность процесса

через

ко­

ходимо для расчета времени нагревания

материала

до заданной температуры, нужной для

технологи ­

ческого процесса, В связи с

этим бы ла

поставлена

задача

связать

время

техн ологического

процес­

са с первичными параметрами. Форма

обшей

критериальной

связи

найдена

после

анализа диф­

ференциальных

уравнений,

описывающих

отдельно

процесс для газовой и твердой фаз.

Д л я

г а з о в о й

ф а з ы

1 .

Уравнение энергии

* tKgrAd 7*г=<гг*гт.

( 2 1 )

2 . Уравнение

движения

&1ФС

* -

\

ъ

( 22)

-fa r *

( К

S '* 1) w

S rad

3 . Уравнение

сплошности

etiv Wr —О.

( 2 3 )

Из уравнений

( 2 1 )

и

( 2 2 )

получаю т

критерии

Рег

И

£ 1 .

Но

_

К

г ,

а г

>

Н о г -

/

ьг

'

Однако

уравнение

( 2 3 )

не

дает критерий

для

небольших скоростей

и

перепадов

давления.

Д л я т в е р д о й

ф а з ы

Система уравнений энергии, движения и

сплош ­

ности для твердой фазы в псевдоожиженном

слое

в сущности не установлена.

Б е з

детального изучения

м еханизм а

в сех

форм

обмена

(теп ла

и количества

движения)

невозмож но

определить

все

слагаем ы е

уравнения

м атем ати ч ес-

ратуры газов , в

качестве

аргумента

введен

пара­

метрический

критерий - отношение

начальной

тем­

пературы газов

к температуре

процесса

термо-

обработки

Г „

Окончательно

искомая

функцио­

у - .

нальная зависим ость приобретает вид:

а -г^т

v

7 "

—

]

( з о )

’ Гвр ’

d,

) *

В кач еств е’ определяющего

размера избран

эк­

вивалентный

диаметр

.частиц.

В уравнении

( 3 0 )

Тт должно быть

временем

тремообработки

материала. Однако, как

показыва­

ют эксперименты по обж игу со вспучиванием

гли­

нистых, вулканических и т.п. пород в

кипящем слое,

го процесса вспучивания, меньше,

чем действитель­

ное время пребывания частиц в кипящем слое

? а ,

что зависит от конструкции теплового агрегата.

Анализом связи

между Т„р и

установлено,

что

при термообработке

глинистых, вулканических пород

в кипящем слое произвольное изменение г а

приво­

дит к нарушению основных технологических

усло­

вий термообработки. Точное его

значение

можно

найти только опытным путем.

Так как процесс термообработки различных

ма­

териалов в кипящем слое ведется

при ТА> Т п^ 9

основная задача соблюдения стабильного.

режима

систем е.

Действительное время обработки

м ате­

риала в

кипящем сло е целесообразно определять

из

уравнения

теплового

баланса. Д ля инженерных

же

расчетов

при использовании уравнения

теплового

баланса,

несмотря

на то, что

плотность

обраба­

тываемых

частиц и порозность

слоя зависит от

Д ля

установления количественных связей

непосредственно с

первичными параметрами

про­

ц есса термообработки но критериальному

уравне­

нию

( 3 0 )

проведены специальные

исследования

по

вспучиванию

различных перлитов с

разм ером зерен

0 ,3

до

2 ,5

мм.

Полученные р езульта ты показали, что даже

ми­

нимальная

продолж ительность пребывания

частиц

перлита

в

кипящем с л о е , равная 2 5 с , значительно

выше времени, необходимого для осущ ествления

тех­

нологического

процесса вспучивания. Это

наблю­

дается

также

при

термообработке

глинисты х

м ате­

риалов

в кипящем

сло е .

тов

в псевдоожиженном

сло е

[5 , 1 2 , 1 0 8 ]:

Fo - 4 .8*10

и \2»17

( 3 1 )

Ш

0

1

Специально проведенными

экспериментами

[6 ]

выявлено, что для обж ига со

вспучиванием

гра­

нулы глины диаметром

1 0 м м

требуется

не

более

1 мин, в то время как при сущ ествующих

м етодах

подвода тепла при обжиге фракции м енее

5

м м

продолжительность его р 3 раза превышает

эт у

величину. Следовательно,

разработка

прогрес­

сивных м етодов подвода

т е ш а

в кипящий

слой,

позволяющая снизить продолж ительность

пребыва­

ния

материала в сло е, является больш им

резервом

для

увеличения удельной

производительности

печей

кипящего слоя.

Полученные р езульта ты исследования

позволяю т

рекомендовать функциональную

зависим ость

( 3 0 )

для

использования при

постановке и

обработке

данных экспериментов

по

исследованию

процесса

обжига со

вспучиванием

различных материалов. Фор­

м ула ( 3 1 )

м ож ет быть

применена для

уточненного

расчета времени пребывания частиц перлита

при

его вспучивании в кипящем слое,

3.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОРИЗАЦИИ

ГЛИНИСТЫХ И ВУЛКАНИЧЕСКИХ

ПОРОД В КИПЯЩЕМ СЛОЕ

И звестно!

что в процессе производства

порис­

тых заполнителей обж игом глинистых и

вулкани­

ческих пород в кипящем слое кроме затраты

тепла

на нагрев м атериала, оно затрачивается также

на

физико-химические процессы, обусловливающие

по-

ризацию размягченной м ассы материала. При

рас­

чете агрегатов, необходимо знать суммарный

рас­

ход тепла в процессе обжига со вспучиванием

ма­

териала.

ные физико-химические процессы пориэашш,

опре­

делялась

условно. Эти

затраты

рассматривались

как расход тепла на химические реакции и

испаре­

ние воды, причем первые поставлены в

зависи­

м ость о т

процентного

содержания в

материале

Al^O^

[1 0 8 ] или

принимались равными 5%

общ его

рас­

хода

топлива

[ 4 2 ] . В

производстве

керамзитового

гравия во вращающихся печах расход тепла

на

физико-химические реакции принимается

равным

1 0 0

ккал/кг

[6 6 ] .

В

одной из

работ,

выполненных в СШ А,

дана

методика

определения

количества тепла,

необхо­

димого для вспучивания перлита. Требуем ое

коли­

чество тепла, включает тепло, расходуемое

на

удаление низкотемпературной воды из перлита

при

обычной тем пературе, и тепло, расходуемое

на

его

нагрев до температуры, при которой

происходит

выделение

высокотемпературной воды.

О тсутствие

достаточно

точной методики

расчета

тепла, затрачиваемого

на

процесс

пориэашш

р аз-

м ягченной

м ассы

м атериала (перлитов

М у х о р -Т а -

л . л с к о го 5

А рагац к ого и

Кельбадж арского

м есто ­

рождений)

£ 1 7 ] ,

обусловило разработку б о л е е

со­

верш енного

м етода .

П роцесс вспучивания условно разделен на

две

стадии:

первая — нагрев материала от

начальной

тем пературы

Тл

до

температуры вспучивания

7^

и вторая -

изотермическая поризация

н агр етого

материала

при

В

свою очередь

вторая

стадия

разделяется

на три

составляю щ ие,

что д а ет

для

процесса

поризации

единицы м ассы

перлита

с л е ­

дующую м одель

энергетических

затрат ( ^ в в ц )

?1 + Я г * Я ъ * 2 * »

( 3 2 )

где

fa

-

тепло, затрачиваем ое на нагрев

м ате­

риала до

температуры

7^; £ z -

теп ло,

затрачи­

ваем ое

на

разрыв структурны х связей воды с

пер­

литовым

стеклом ;

тепло, затрачиваем ое на

испарение

выделившейся воды;

£ 4 - энергия,

за­

трачиваемая

на

поризацию вязкой

м ассы

стек ла .

Т еп ло,

затрачиваемое на нагрев материала

рассчитывается

по

формуле

, з з )

Теплофизические характеристики

были

опреде­

лены двумя методами: для перлита

М ухор -Т али н о -

кого

месторождения - м етодом

теплового

анализа

[1 9 ],

а для арагацкого и

кельбадж арского

перли­

тов -

м етодом

м гновенного источника теп ла

[ 5 б] .

По втором у

м етоду теплоем кость

арагацкого и

кельбаджарского перлита вычисляли

по ф ормуле

ср =■

*

Зависимости

I = / ( Г )

и

а - / ( Г

)

получены

экспериментально по нескольким точкам в

изучен­

ном диапазоне температур. Значения

Я

и

CL

для

арагацкого и кельбадж арского

перлитов

были близки

во всех точках, что объясняется сходством

хими­

ческого состава и структуры обоих перлитов.

Эти

разновидности перл итов рассматриваются

далее

вм есте. Р е зу л ь т а т ы определений приведены

в

табл. 5 ,

Пориэапия с

точки

зрения

внешних условий

тех­

нологии -

изобарный

процесс,

что позволяет

при

расчетах исп ользовать закон Гесса, согласно

кото­

рому выделенная или поглощенная суммарная

теп­

лота превращений постоянна

для данного процес­

са и не

зависит

о т

способа

их осуществления,

т.е.

тепловой эффект реакции равняется разности

между

суммой

теплосодержаний

конечных и

исходных

продуктов.

Для

количественного

выражения

закона

Гесса

обычно

использую т

уравнение

Кирхгофа [1 1 5 ],

со­

гласно

которому тепловой эффект реакции равен из­

менению теплоемкости системы , происходящему

в

р езульта те

процесса:

( 3 4 )

где

п

-

число

м олекул

каждого

реагирующего

вещ ества;

А С ^ -

разность

сум м

теплоемкостей,

т.е. общ ее

изменение

теплоемкости системы

в

ре­

зульта те осущ ествления

данного процесса.

Так

как сум м а

изменения

энтальпии АЬЛ и

A i z

представляет собой тепловые эффекты данной

изо­

термической реакции при двух различных

темпе­

ратурах 7\

и

Tz ,

то после

интегрирования

выра­

жения

( 3 4 )

получается

f a

• j A

C ? d T .

( 3 5 )