346 Anja 2011.doc)hs specifi čna entalpija snovi J/kg hs1 za četna specifi čna entalpija snovi J/kg hs2 kon čna specifi čna entalpija snovi J/kg hš višina lete čih šob m hv

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

Anja Dragojlović

SUŠENJE IN PASTERIZIRANJE MULJA KOMUNALNIH ČISTILNIH NAPRAV

Diplomsko delo

Maribor, april 2011

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

SUŠENJE IN PASTERIZIRANJE MULJA KOMUNALNIH

ČISTILNIH NAPRAV

Študentka: Anja DRAGOJLOVIĆ Študijski program: univerzitetni, Kemijska tehnologija Smer: Kemijska tehnika Predvideni strokovni naslov: dipl. inž. kem. tehnol. (UN) Mentor: izr. prof. dr. Darko GORIČANEC Somentor: redni prof. dr. Jurij KROPE

IZJAVA

Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelala sama, prispevki drugih so posebej označeni. Pregledala sem literaturo iz področja diplomskega dela po naslednjih elementih:

Vir: Amazon, Elsevier, ScienceDirect, Scribd, SpringerLink, Wiley Onilne Library

Gesla: Communal water, communal silt, drying, pasteurization, drying methods, dryers

Skupine gesel (unija itd.): Drying and pasteurisation of communal silt

Časovno obdobje: Od leta 1927 do leta 2011

Število referenc: 95

Število prebranih izvlečkov: 98

Število prebranih člankov: 185

Število pregledanih knjig: 34

-------------------------- Maribor, april 2011 podpis študentke

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran i

ZAHVALA

Iskreno se zahvaljujem mentorju, izr. prof. dr. Goričanec Darku in somentorju, red. prof. dr. Krope Juriju za vso nudeno pomoč, vodenje, dobrodošle in koristne nasvete, strokovnost ter veliko mero razumevanja pri pripravi in izdelavi diplomskega dela.

Prav tako bi se rada zahvalila še vsem svojim profesorjem, za vso posredovano znanje v času mojega študija, moji družini za vso podporo, spodbudne besede in potrpežljivost ter nenazadnje vsem, ki sem jih pozabila omeniti, pa so zaslužni zahvale.

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran ii

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran iii

SUŠENJE IN PASTERIZIRANJE MULJA KOMUNALNIH ČISTILNIH

NAPRAV

Povzetek

Glavni cilj diplomskega dela je poiskati alternativno rešitev, s katero bi zmanjšali količino

mulja, ki nastaja kot stranski produkt pri obdelavi odpadne komunalne vode v čistilnih

napravah.

V diplomskem delu so zajeti in predstavljeni nekateri osnovni principi teorije in prakse

sušenja ter pasteriziranja mulja. Posebna pozornost je namenjena različnim vrstam

rotacijskih sušilnikov in sušilnikom s fluidiziranim slojem, ki po mnenju avtorjev različnih

strokovnih literatur, izpolnjujejo zahteve za sodobno, ekonomsko in produktivno opremo.

Zaradi obsežnosti teme so v nalogi opisani le nekateri najpomembnejši vidiki sušenja, od

Mollier-ovega diagrama do metod sušenja in sušilne opreme. Eksperimentalni del naloge

(priloge), oziroma izračuni, so izvedeni z uporabo Mathcad programa.

Ključne besede:

Komunalne vode, komunalni mulj, sušenje, pasterizacija, metode sušenja, sušilniki.

UDK:

628.336(043.2)

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran iv

DRYING AND PASTEURISATION OF SILT FROM WASTEWATER

TREATMENT PLANTS

Abstract

The main aim of this study is to find an alternative solution to reduce the large amount of

communal silt, that is produced as a by-product in the wastewater treatment plants.

In this study the basic principles of theory and practice of silt drying and pasteurization are

brought up. Special attention is given to the various types of rotary dryers and fluidized-

bed dryers, both of which, according to the authors of different professional literature,

meet the demands for modern, economic and productive equipment. Because of the scale

topic in this paper, only the most important aspects of the drying process are described,

from Mollier-diagram to drying methods and drying equipment. The experimental part

(Annex) has been carried out using the Mathcad software.

Key Words:

Communal water, communal silt, drying, pasteurization, drying methods, dryers.

UDC:

628.336(043.2)

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran v

VSEBINA

1 UVOD 1 1.1 Namen raziskave 2 1.2 Postavljena teza 2

2 TEORETIČNE OSNOVE 3 2.1 Uvodna beseda 3 2.2 Sušenje vlažnih snovi 4 2.3 Vlažnost 5 2.4 Mollier-ov diagram – h, x 7 2.5 Hitrost sušenja 12

3 MATERIALI IN METODE OBDELAVE MULJA 13 3.1 Materiali 13

3.1.1 Mulj 13 3.1.1.1 Uporaba mulja 13 3.1.1.2 Obdelava mulja 14 3.1.1.3 Kemijska sestava mulja 16

3.1.2 Voda 17 3.2 Metode sušenja 19

3.2.1 Sušenje s konvekcijo 20 3.2.2 Kontaktno sušenje 20 3.2.3 Sušenje s sevanjem 21 3.2.4 Vakuumsko sušenje 21 3.2.5 Sušenje z zamrzovanjem 21 3.2.6 Dielektrično sušenje 22 3.2.7 Sušenje s pregreto paro 22 3.2.8 Kontaktno sorbcijsko sušenje 22

4 SUŠILNA OPREMA 23 4.1 Vrste in splošne značilnosti sušilnikov 24

4.1.1 Konvekcijski sušilniki 24 4.1.2 Kontaktni sušilniki 28 4.1.3 Vakuumski sušilniki 29 4.1.4 Zamrzovalni sušilniki 30 4.1.5 Radiacijski sušilniki 31 4.1.6 Visokofrekvenčni sušilniki 32

4.2 Kriteriji za izbiro optimalnega sušilnika 32

5 ROTACIJSKI SUŠILNIK 33 5.1 Teoretični del 33

5.1.1 Vrste rotacijskih sušilnikov 33

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran vi

5.1.2 Konstrukcija pregrad 35 5.1.3 Rezidenčni čas – modeli 39 5.1.4 Prenos toplote in snovi v rotacijskih sušilnikih 44 5.1.5 Analize energije in stroškov 47 5.1.6 Model za celotno konstrukcijo rotacijskih sušilnikov 48

5.1.6.1 Gorilnik 50 5.1.6.2 Sušilnik 50 5.1.6.3 Kinetika sušenja 51 5.1.6.4 Rezidenčni čas 52 5.1.6.5 Geometrijske omejitve 53

5.1.7 Zaključek 58 5.2 Eksperimentalni del 59

5.2.1 Primer 1 59 5.2.2 Primer 2 61

6 SUŠILNIK S FLUIDIZIRANIM SLOJEM 63 6.1 Teoretični del 63 6.1.1 Vrste sušilnikov s fluidiziranim slojem 64 6.1.1.1 Konvencionalni FBD 65 6.1.1.2 Modificirani FBD 66 6.1.2 Prednosti in omejitve FBD 70 6.1.3 Prenos toplote v fluidiziranih slojih 71 6.1.4 Matematični model 71 6.1.5 Zaključek 74 6.2 Eksperimentalni del 75

7 RAZPRAVA 77

8 SKLEP 81

9 LITERATURA IN VIRI 83

10 PRILOGE 87

11 ŽIVLJENJEPIS 94

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran vii

SEZNAM SLIK

Slika 2 – 1: Tradicionalno sušenje (a) in umetno sušenje (b).

Slika 2 – 2: Diagram sušenja vlažne snovi s segretim zrakom.

Slika 2 – 3: Mollier-ov diagram.

Slika 2 – 4: Mollier-ov h, x diagram za vlažni zrak.

Slika 2 – 5: Temperatura mokrega in suhega termometra.

Slika 2 – 6: Krivulje sušilne hitrosti pri konstantnih pogojih sušenja.

Slika 3 – 1: Mulj kot drobno zrnata snov.

Slika 3 – 2: Deponije odpadnega mulja.

Slika 3 – 3: Shematski prikaz obdelave mulja.

Slika 3 – 4: Faze obdelave mulja.

Slika 3 – 5: Voda kot glavna sestavina vlažne snovi.

Slika 3 – 6: Vsebnost vlage v trdni snovi.

Slika 3 – 7: Razporeditev vode v mulju.

Slika 3 – 8: Shema konvekcijskega sušenja.

Slika 3 – 9: Shema kontaktnega sušenja.

Slika 3 – 10: Shema sušenja s sevanjem.

Slika 4 – 1: Vrste sušilnikov.

Slika 5 – 1: Poenostavljena shema direktno gretega rotacijskega sušilnika.

Slika 5 – 2: Shema tipičnega direktno gretega rotacijskega sušilnika s pregradami.

Slika 5 – 3: Vgrajene pregrade.

Slika 5 – 4: Obremenitev pregrad.

Slika 5 – 5: Rezidenčni časi različnih avtorjev za ničelni pretok zraka.

Slika 5 – 6: Rezidenčni časi različnih avtorjev za sotočni pretok zraka.

Slika 5 – 7: Faktor prenosa toplote v odvisnosti od Re števila za različne snovi.

Slika 5 – 8: jH v odvisnosti od Re števila za rotacijsko sušilni proces.

Slika 5 – 9: Tipične sušilne krivulje.

Slika 5 – 10: Poenostavljen diagram gorilnika in rotacijskega sušilnika.

Slika 5 – 11: Skupni stroški na enoto v odvisnosti od T zraka pri različnih hitrostih.

Slika 6 – 1: Različni režimi slojev delcev pri različnih hitrostih plina.

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran viii

Slika 6 – 2: Tipična postavitev enot pri sušenju fluidiziranega sloja.

Slika 6 – 3: Konvencionalni sušilniki s fluidiziranim slojem.

Slika 6 – 4: Več-stopenski in več-procesni sušilniki s fluidiziranim slojem.

Slika 6 – 5: Hibridni sušilniki s fluidiziranim slojem.

Slika 6 – 6: Modificirani sušilniki s fluidiziranim slojem.

Slika 6 – 7: Izbira sušilnikov s fluidiziranim slojem.

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran ix

SEZNAM PREGLEDNIC

Preglednica 2 – 1: Fizikalne lastnosti zraka in vode.

Preglednica 2 – 2: Primeri uporabe Mollier-ovega h, x diagrama.

Preglednica 3 – 1: Vrednosti parametrov izlužka.

Preglednica 3 – 2: Vrednosti parametrov odpadka.

Preglednica 4 – 1: Pregled pomembnejših konvekcijskih sušilnikov.

Preglednica 4 – 2: Pregled pomembnejših kontaktnih sušilnikov.

Preglednica 4 – 3: Pregled pomembnejših vakuumskih sušilnikov.

Preglednica 4 – 4: Pregled pomembnejših zamrzovalnih sušilnikov.

Preglednica 4 – 5: Pregled pomembnejših radiacijskih sušilnikov.

Preglednica 5 – 1: Vrednosti kb za različno oblikovane pregrade.

Preglednica 5 – 2: Vrednosti konstant b in b'.

Preglednica 5 – 3: Podatki za izračun procesnega modela za DRD – primer 1.

Preglednica 5 – 4: Rezultati izračunov procesnega modela za DRD – primer 1.

Preglednica 5 – 5: Podatki za izračun procesnega modela za DRD – primer 2.


Preglednica 6 – 1: Podatki za izračun procesnega modela za FBD.

Preglednica 6 – 2: Rezultati izračunov procesnega modela za FBD.

Preglednica 7 – 1: Prednosti in slabosti za RD in FBD.

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran x

UPORABLJENE KRATICE

BČN – biološka čistilna naprava

CBD – centralno nagnjena razporeditev (ang. Centrally Biased Distribution)

CČN – centralna čistilna naprava

ČN – čistilna naprava

DDS – bobnasti sistem sušenja (ang. Drum Drying System)

DOC – celotni raztopljeni organski ogljik (ang. Dissolved Organic Carbon)

DRD – direktni rotacijski sušilnik (ang. Direct Rotary Dryer)

EAD – enako kotna razporeditev (ang. Equal Angular Distribution)

EUR – evro

FBD – sušilnik s fluidiziranim slojem (ang. Fluidized Bed Dryer)

IR – infrardeči (sušilniki)

KČN – komunalna čistilna naprava

RD – rotacijski sušilnik (ang. Rotary Dryer)

TDH – prenos proste višine (ang. Transport Disengagement Height)

TOC – celotni organski ogljik (ang. Total Organic Carbon)

USD – dolar v ZDA

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran xi

UPORABLJENI SIMBOLI

a1, a2, a3 konstante A površina sušilnika m2 Ab površina fluidiziranega sloja m2 Ad površina delca µm2 b, b' konstanti b1, b2, b3 konstante cp specifična toplota J/(kg K) cpA specifična toplota mešanice plinov J/(kg K) cpl srednja specifična toplota ledu J/(kg K) cps specifična toplota snovi J/(kg K) cpv specifična toplota vodnih hlapov ali pare J/(kg K) cpw specifična toplota vode J/(kg K) cpt srednja specifična toplota tekočine J/(kg K) cpz specifična toplota zraka J/(kg K) Ce stroški elektrike EUR/(kW h) Cea letni stroški elektrike EUR/leto Ceq letni stroški opreme EUR/leto Cg stroški goriva EUR/kg Cga letni stroški goriva EUR/leto Cop letni obratovalni stroški EUR/leto CP stroški na enoto za proces EUR/kg CT skupni letni stroški EUR/leto dd premer delca µm dp premer povprečnih delcev µm dx debelina stene sušilnika m D premer sušilnika m Db premer bobna m De svetli premer bobna m Dr premer rotacijskega obroča m e faktor vračila kapitala / f faktor trenja f( ) funkcija parametrov, navedenih v oklepajih g gravitacijski pospešek m/s2 Ga pretok plina na enoto površine preseka sušilnika kg/(m2 h) h specifična entalpija J/kg hb globina fluidiziranega sloja m hi izstopna specifična entalpija J/kg hi, i=1…n specifična entalpija pri točki i J/kg hM specifična entalpija zmesi M J/kg

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran xii

hM i, i=1…n specifična entalpija zmesi M pri točki i J/kg hs specifična entalpija snovi J/kg hs1 začetna specifična entalpija snovi J/kg hs2 končna specifična entalpija snovi J/kg hš višina letečih šob m hv vstopna specifična entalpija J/kg hV specifična entalpija vlage J/kg hz specifična entalpija zraka ali plina J/kg hz1 začetna specifična entalpija zraka ali plina J/kg hz2 končna specifična entalpija zraka ali plina J/kg H0 dejanski zajem snovi na dolžino pregrade pri θ = 0º m3/m HD konstruiran zajem snovi v bobnu m3 Hs razmerje med količino snovi in V sušilnika / HT dejanski zajem snovi v bobnu m3 HV konstruiran zajem snovi na dolžino pregrade m3/m HV0 vrednost HV pri θ = 0º m3/m i letna obrestna mera % I specifična količina plina / j faktor / jD faktor prenosa snovi jH faktor prenosa toplote k empirična konstanta / k0, k1, k2, k3 konstante kg plinska toplotna prevodnost prenosa W/(m K) kM sušilna konstanta kn, n=a…p konstante l razdalja li, i=1…n razdalja pri točki i lp povprečna razdalja padajočih delcev m lr dolžina radialne pregrade m L dolžina sušilnika m Lb dolžina bobna m Leff dolžina bobna, kjer potuje delec s k. gibanjem m mr masa napolnjenega rotirajočega dela sušilnika kg ms masa snovi kg mS masa sušilnika kg mscel celotna masa snovi v sušilniku kg mv masa vlage kg mz masa zraka ali plina kg M molekularno razmerje med vodo in zrakom / MR razmerje med dejanskim in konstruiranim z. m MR0 razmerje MR pri θ = 0º m Mv molska masa vode ali vlage kg/mol Mz molska masa zraka ali plina kg/mol n dinamični kot snovi v mirujočem stanju / nf število pregrad v bobnu sušilnika / nG luščilni faktor gorilnika / nS luščilni faktor sušilnika /

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran xiii

nth toplotni izkoristek / N življenjska doba let NT število enot za prenos toplote / p celokupni tlak zmesi Pa p0 tlak vodne pare Pa pA parcialni tlak vodnih hlapov Pa pAS parcialni tlak vode Pa pB parcialni tlak suhega zraka Pa pv nasičen parni tlak Pa Pe električna moč kW r notranji polmer bobna m re svetli polmer bobna m R splošna plinska konstanta J/(mol K) Rv plinska konstanta za vodne hlape J/(kg K) Rz plinska konstanta za zrak J/(kg K) qmg masni pretok goriva kg/s qmp količina proizvedene snovi kg/s qms masni pretok snovi kg/s qms1 masni pretok vstopne snovi kg/s qms2 masni pretok izstopne snovi kg/s qmv masni pretok vlage kg/s qmvz masni pretok vlažnega zraka ali plina kg/s qmvzi i=1…n masni pretok vlažnega zraka pri točki i kg/s qmz masni pretok suhega zraka ali plina kg/s qmz0 masni pretok vstopnega zraka v gorilnik kg/s qmzi i=1…n masni pretok plina i kg/s qmvh masni pretok vodnih hlapov ali pare kg/s Q toplota J Q& skupna poraba toplote W

1Q& potrebna toplota za izhlapevanje W

12Q& toplotni tok za segrevanje ali ohlajanje W

2Q& potrebna toplota za paro W

3Q& potrebna toplota za tekočino W

4Q& potrebna toplota za produkt snovi W

5Q& potrebna toplota za produkt vode W

ptQ& stopnja prenosa toplote W

pcQ& dovedena toplota iz potopljene cevi W

obQ& toplotna obremenitev sušilnika W

VQ& toplotne izgube v sušilniku W

wQ& toplotne izgube na steni kolone W s naklon valjaste lupine t čas s tp čas povprečnih padajočih delcev s top obratovalni čas h/leto T temperatura K Td temperatura delca K

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran xiv

Tm temp. mokrega termometra vstopnega zraka K Tmax najvišja dopustna temperatura K Ts temperatura snovi K Ts1 vstopna temperatura snovi K Ts2 izstopna temperatura snovi K Tvh temperatura vodnih hlapov ali pare K Tz temperatura zraka ali plina K

zT povprečna temperatura zraka ali plina K Tz0 temperatura vstopnega zraka v gorilnik K Tz1 vstopna temperatura suhega zraka ali plina K Tz2 izstopna temperatura suhega zraka ali plina K u koeficient prehoda toplote W/(m2K) UL koeficient toplotne prehodnosti W/(m K) UV koeficient prostorninske toplotne prehodnosti W/(m3K) V prostornina sušilnika m3 Vb prostornina bobna m3 v hitrost m/s vdov dovoljena masna hitrost zraka kg/(m2 s) vp hitrost povprečnih delcev m/s vr relativna hitrost med delci in plinom m/s vz hitrost zraka ali plina m/s

zv povprečna hitrost zraka ali plina m/s x absolutna vlažnost kg/kg x* ravnotežna vlažnost kg/kg x0 začetna vlažnost kg/kg xi izstopna vlažnost kg/kg xi, i =1…n vlažnost pri točki i kg/kg xk končna vlažnost kg/kg xM vlažnost zmesi M kg/kg xP procentna vlažnost % xs vlažnost snovi kg/kg xS nasičena vlažnost kg/kg xs1 začetna vlažnost snovi kg/kg xs2 končna vlažnost snovi kg/kg xv vstopna vlažnost kg/kg xz vlažnost zraka ali plina kg/kg

zx povprečna vlažnost zraka ali plina kg/kg xz0 vlažnost vstopnega zraka v gorilnik kg/kg xz1 začetna vlažnost zraka ali plina kg/kg xz2 končna vlažnost zraka ali plina kg/kg z parameter Grške črke

α toplotna prestopnost W/(m2K) α faktor / α' naklon bobna / αe razmerje med svetlim območjem in prostornino / αG stroški na enoto za gorilnik EUR/kg

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran xv

αS stroški na enoto za sušilnik EUR/m2 αw aktivnost vode β razmerje med 1Q& in Q& / β' kot merjen glede na pregrade v središču bobna / γ dinamični koeficient trenja delcev / ∆h sprememba specifične entalpije J/kg ∆hf toplota zgorevanja J/kg ∆hvh latentna izparilna toplota vodnih hlapov ali pare J/kg ∆htal talilna entalpija J/kg ∆hv izparilna toplota vode J/kg ∆qmv sprememba masnega pretoka vlage kg/s ∆Tlm povprečna logaritemska temperaturna razlika K (∆T)m povprečna temperaturna razlika K ∆x sprememba vlažnosti kg/kg ε poroznost / θ kot merjen glede na pregrade / θ kot pregrad v katerih se nahajajo povprečni delci / θi kotni razmik med pregradami / ϑ temperatura ºC

0ϑ referenčna temperatura ºC

iϑ i =1…n temperatura pri točki i ºC

Tϑ temperatura točke rosišča ºC ν vrtilna hitrost rpm ν' razmerje med silami, ki delujejo na delce / ρb gostota fluidiziranega sloja kg/m3 ρs gostota snovi kg/m3 ρM gostota kovine kg/m3 ρd gostota delcev kg/m3 ρz gostota zraka kg/m3 σ parameter / κ razmerje med suho in vlažno snovjo / λ latentna toplota uparjanja J/kg τ rezidenčni čas s τ povprečni rezidenčni čas s φ kot med horizontalno in prosto površino delcev / φ0 vrednost φ pri 0º / ψ relativna vlažnost kg/kg ω kotna hitrost bobna Brezdimenzijska števila Nu Nusselt-ovo število Pr Prandtl-ovo število Re Reynolds-ovo število St Stanton-ovo število Podpisi 1…n ''zaporedna številka'' (npr. vlažnosti) a…p ''zaporedna črka'' podpis konstant

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran xvi

A mešanica plinov b fluidizirani sloj d delec G gorilnik s snov S sušilnik v voda ali vlaga vh vodni hlapi ali para z zrak ali plin

Sušenje in pasteriziranje mulja komunalnih čistilnih naprav Stran 1

UVOD

1 UVOD

V Sloveniji se tako, kot po vsej Evropi pojavlja trend naraščanja količin različnih vrst odpadnih snovi – odpadkov. Zaradi različnih virov nastajanja imajo odpadne snovi precej različne lastnosti, zato terjajo zelo specifične načine ravnanja. Še do pred nedavnim najpogostejšo tehniko ravnanja z odpadki t.i. odlaganje, vse bolj nadomeščajo druge oblike ravnanja. Sočasno z razvojem alternativnih načinov predelave, ki so se razvili v preteklih letih, je vse večji poudarek tudi na reciklaži oziroma ponovni uporabi odpadnih snovi. Odpadne snovi nastajajo tudi pri delovanju komunalnih objektov in naprav, katerih namen je sicer predelava odpadkov. Tak primer so tudi čistilne naprave za obdelavo odpadne komunalne vode, ki imajo kot posledico delovanja nastanek stranskih produktov (raznih odpadnih muljev). Zaradi velikih količin muljev, ki postajajo ena najobsežnejših skupin odpadkov, se po svetu pospešeno ukvarjajo z iskanjem najprimernejših alternativnih rešitev ravnanja z odpadki. Ravnanje sledi načelu 3 R pravila – Reduce (zmanjševanje), Reuse (ponovna uporaba) in Recycle (reciklaža) odpadkov. Zato je na prvo mesto postavljeno zmanjšanje količin nastalih odpadnih muljev z uporabo mikrobnih združb, ki imajo manjši prirast, hkrati pa boljši presnovni postopek, v smislu ponovne uporabe muljev v kmetijstvu (v kompost predelanega mulja) ter recikliranje energije, pridobljene iz mulja s postopkom anaerobne digestije (pridobivanje metana) oziroma sežiga dehidriranih muljev. Načinov za ravnanje z odpadnimi mulji je več, vendar se posamezne države o prevladujočem načinu ravnanja odločajo predvsem na podlagi gospodarske upravičenosti1. Ker so pri nas odlagališča komunalnih odpadkov pogosto neprimerno locirana, tehnično neustrezna (ne tesnjena, poplavna oz. v dosegu talnih vod, itd.), brez ustrezne dokumentacije in urejenega statusa ter nenazadnje že pretežno zapolnjena, je direktno odlaganje svežih muljev v okolje redko možno zaradi njihove česte onesnaženosti s težkimi kovinami, obstojnimi organskimi onesnažili, (pre)tekoče konsistence, sproščanja smradu ter bakteriološke oporečnosti2. S primerno obdelavo odpadnih komunalnih muljev (sušenje v sušilnih napravah in nato pasterizacija teh, itd.) se lahko okolje razbremeni, saj večino tako predelanih muljev ni potrebno odlagati. Obstaja širok spekter tehnologij sušenja odpadnih muljev iz komunalnih čistilnih naprav (KČN) in številnih izvedb sušilnikov, ki se iz dneva v dan dopolnjujejo, zato je prava izbira sušilne naprave oz. sušilnika in tehnik sušenja zelo kompleksna naloga, ki zahteva veliko znanja na področju poznavanja teorije in prakse sušenja ter hkrati predstavlja izziv. O teoriji in praksi sušenja je Davis (1973) v svoji knjigi o znanstvenem pristopu uporabil citat iz knjige v kateri je Marcus Terentius Varro (36 B.C.) napisal: 'Prvi kmetje so večino tehnik osvojili s poskusi; njihovi nasledniki pa v večini s posnemanjem. Storiti moramo oboje: posnemati druge in poskušati narediti nekaj stvari drugače, vendar ne po naključju, temveč po nekakšni teoriji; kot, na primer, videti kakšen bo učinek, če bomo orali brazdo globlje ali plitveje, kot so to storili ostali'.


UVOD

Enako velja za tehnologijo sušenja mulja. Ta tradicionalna "umetnost" je bila v večini pridobljena s poskusi in se še danes razvija s posnemanjem3.

1.1 Namen raziskave

Namen diplomskega dela je poiskati alternativno možnost ponovne uporabe odpadnega mulja, s katero bi zmanjšali količino odpadnih snovi v okolje ter hkrati porabo električne energije, ki je potrebna za zagon in obratovanje sušine naprave.

1.2 Postavljena teza

Zmes biološko razgradljivih odpadkov odpadnih vod se v kontroliranih razmerah, ob ustrezni termični obdelavi predela v kakovosten, biološko stabiliziran in higieniziran mulj, primeren za ponovno uporabo, bodisi v gospodarske ali kmetijske namene4.


TEORETIČNE OSNOVE

2 TEORETIČNE OSNOVE

2.1 Uvodna beseda

Sušenje je postopek, ki ga zasledimo skoraj v vseh industrijskih dejavnostih, od kmetijstva do farmacije in je verjetno ena najstarejših, najpogostejših, najbolj raznolikih ter energetsko najbolj intenzivnih oblik procesa. Po naključju je na mikroskopski ravni tudi eden izmed najmanj razumljivih. Tehnologija sušenja združuje oboje, prenosne pojave in znanost o snoveh. Tako se ne ukvarja samo z odstranitvijo tekočine pri proizvodnji trdnih produktov, ampak izpolnjuje tudi potrebna merila kakovosti suhega produkta5. V kemiji je sušenje kemijski proces, pri katerem iz snovi, vlažnega zraka ali površine izhlapeva topilo (voda ali organsko topilo). Preostala snov se pri tem zgosti in strdi. V kmetijstvu je sušenje sena s soncem in vetrom najstarejša oblika konzerviranja krme6. Na sliki 2 – 1 (a) je prikazana tradicionalna metoda sušenja kmetijskih pridelkov, kjer je sušenje odvisno od sonca in vetra. Umetno sušenje (slika 2 – 1 (b)) s sušilnikom pa se je pojavilo zaradi negotovosti v zvezi z vremenom in zmernim podnebjem. Puhala so tako nadomestila veter, grelni elementi pa toplino sonca3.

Slika 2 – 1: Tradicionalno sušenje (a) in umetno sušenje (b)7,8. Pred približno tremi desetletji, se je razvoj na področju sušenja razvijal izredno počasi. Takrat dejansko na tem področju ni bilo nekih vidnih znakov napredka5. V zadnjih letih pa se je po vsem svetu povečalo zanimanje na področju sušenja trdnih snovi. Zahteve po strožji specifikaciji proizvodov ter zmanjšanju emisij, so poleg povišanja energijskih stroškov, komercialno spodbudili ta interes. Razpoložljivost in moč sodobnih računalnikov so omogočili prodajalcem sušilne opreme, kot tudi njihovim uporabnikom večjo izbiro med ponudbo in povpraševanje na tržišču3,9,10. Pogosto velja, da optimalna izbira hitrosti prenosa toplote in snovi ni vedno primerna za sušenje vlažne snovi. Izbira optimalnih sušilnikov ali, bolj ustrezno, metod sušenja, je zaradi različnih fizikalnih in kemijskih značilnosti obeh, vlažne snovi in suhega produkta, torej zelo kompleksna naloga5.


TEORETIČNE OSNOVE

2.2 Sušenje vlažnih snovi

Pri postopku sušenja vlažne snovi lahko s pomočjo toplotne energije, odstranimo vlago z izhlapevanjem ali z izparevanjem. V večini primerov tekočino, običajno vodo, odstranimo z izparevanjem. Mehanizem prekinjanja kemijskih vezi med tekočino in trdno snovjo je pri tem redkejši, saj tekočina ni kemijsko vezana na snov, ki jo želimo posušiti. Pri sušenju večine snovi na koncu ostane še nekaj vlage10,11. Vlažni snovi, z določeno vsebnostjo vode, lahko zmanjšamo količino vode do želene vrednosti s segretim zrakom. Slika 2 – 2 prikazuje osnovno razlago Mollier-ovega diagrama, ki je obširno opisan in razložen s primerom v razdelku 2.4.

Slika 2 – 2: Diagram sušenja vlažne snovi s segretim zrakom12. Opis slike 2 – 2: Zrak, ki ga sušimo ima vstopno vlažnost xv in specifično entalpijo hv

(stanje 1). Segrevamo ga pri konstantni vlažnosti (x = konst.) do najvišje dopustne temperature Tmax (stanje 1'). Segret zrak nato v sušilnici pri konstantni entalpiji (h = konst.) sprejema vlago, ki izhlapeva iz vlažne snovi, in se hladi (do stanja 2). V nadaljevanju proces večkrat ponavljamo (2-2' in 2'-3 ter 3-3' in 3'-4) vse do izstopne specifične entalpije hi in izstopne vlažnosti xi, ki naj bo čim večja. Za segrevanje določene mase suhega zraka potrebujemo toploto:

( )viz hhmQ −⋅= (2.1)

kjer so: Q – toplota, J,

mz – masa zraka, kg,

hi – izstopna specifična entalpija, J/kg, in

hv – vstopna specifična entalpija, J/kg.


TEORETIČNE OSNOVE

Iz vlažne snovi prevzame sušeni zrak vlago:

( )vizv xxmm −⋅= (2.2)

kjer so: mv – masa vlage oz. vodnih hlapov, kg,

xi – izstopna vlažnost in

xv – vstopna vlažnost.

Po obtočnem postopku mešamo izstopni zrak (stanje 4) z vstopnim zrakom (stanje 1) v razmerju, da dobimo zmes, npr. s stanjem 3''. To zmes nato segrevamo do stanja 3', nakar lahko zmes v sušilnici prevzema vlago do stanja 4. Postopek ponavljamo vse do želene stopnje osušitve vlažne snovi11,12. Da lahko neko snov do suhega posušimo, pogosto potrebujemo veliko količino energije. Včasih je dovolj če produkt, preden ga prodamo, posušimo do določene vsebnosti vlage. S tem dosežemo zmanjšanje stroškov porabe energije ter prodaje. Ta opcija je lahko uporabna v kombinaciji z zanesljivim sistemom, ki ima funkcijo stalnega kontroliranja vlage13.

2.3 Vlažnost

1. Absolutna vlažnost je definirana kot razmerje mase vodnih hlapov in mase suhega zraka v vlažnem zraku:

)()(

)/(

A

A

A

Avz

z

v 0,622pp

p

pp

pRR

m

mx

−=

−

⋅== (2.3)

kjer so: x – absolutna vlažnost,

mv – masa vodnih hlapov, kg,

mz – masa suhega zraka, kg,

Rz – plinska konstanta za zrak, J/(kg K),

Rv – plinska konstanta za vodne hlape, J/(kg K),

pA – parcialni tlak vodnih hlapov, Pa, in

p – celokupni tlak zmesi, Pa.

Plinski konstanti za zrak in vodne hlape imata vrednosti:

Rz = R / Mz = 8,314/ 29 = 0,287 J/(g K) = 0,287 ·103 J/(kg K) Rv = R/ Mv = 8,314/ 18 = 0,462 ·103 J/(kg K) Mv in Mz sta molekulski masi vode in zraka (18 g/mol in 29 g/mol), R pa splošna plinska konstanta (8,314 J/(mol K)). Razlika med p in pA je parcialni tlak suhega zraka pB (p – pA = pB).


TEORETIČNE OSNOVE

Za zmes zrak – vodni hlapi je torej vlažnost x definirana kot količina vodnih hlapov (v kg), ki jo vsebuje 1 kg suhega zraka. Vlažnost zraka je po tej definiciji odvisna Ie od parcialnega tlaka vodnih hlapov v zraku in od celokupnega tlaka zmesi. Tako, da lahko enačbo (2.3) poenostavimo:

A

A

z

v2

zrakasuhegakg

OHkg

pp

p

M

Mx

−⋅=

= (2.4)

2. Nasičena vlažnost je vlažnost pri nasičenosti, ko je parcialni tlak nasičenega vlažnega zraka praktično enak parcialnemu tlaku vode pri dani temperaturi (pA = pAS).

AS

AS

z

vS

pp

p

M

Mx

−⋅= (2.5)

kjer sta: xS – nasičena vlažnost in

pAS – parcialni tlak vode, Pa.

3. Procentna vlažnost xP je definirana kot procentno razmerje med dejansko količino vodnih hlapov, ki jih nosi 1 kg suhega zraka (dejansko vlažnostjo zraka x) in količino vodnih hlapov, ki bi jih nosil 1 kg suhega zraka, če bi postal nasičeno vlažen pri enaki temperaturi in tlaku (vlažnost xS).

SP 100

x

xx ⋅= (2.6)

4. Relativna vlažnost ψ je procentno razmerje med dejanskim parcialnim tlakom vodnih hlapov v zraku in med parnim tlakom vode pri dani temperaturi.

AS

A100p

p⋅=ψ (2.7)

Opozoriti moramo, da je ψ ≠ xP. Če xP izrazimo s parcialnimi tlaki (s kombinacijo en. (2.4), (2.5) in (2.6)) dobimo:

A

AS

AS

AP 100

pp

pp

p

px

−

−⋅⋅= (2.8)

Če vlažnost x izrazimo z relativno vlažnostjo dobimo:

AS

AS

z

v

pp

p

M

Mx

⋅−

⋅⋅=

ψ

ψ (2.9)

Vse spremembe stanja suhega in nasičenega vlažnega zraka so razvidne v Mollier-ovem diagramu h, x za vlažni zrak9,12,14.


TEORETIČNE OSNOVE

2.4 Mollier-ov diagram – h, x

Ob prenasičenosti vlažnega zraka (x > xS) prehaja vlaga v vlažni zrak v obliki tekočih kapljic ali majhnih ledenih kristalov, kar je odvisno od temperature. V primeru, da je tekočina v tekočem stanju, je entaIpija prenasičenega vlažnega zraka sledeča:

( ) ( ) TcxxhTcxch ⋅⋅−+∆+⋅+⋅= ptSvhpvSpz ϑ (2.10)

kjer so: cpz – specifična toplota suhega zraka, cpz = 1,005 ·103 J/(kg K),

cpv – specifična toplota vodnih hlapov, cpv = 1,88 ·103 J/(kg K),

cpt – srednja specifična toplota tekočine med 0 ºC inϑ , J/(kg K),

T – temperatura, K,

ϑ – temperatura, ºC, in

∆hvh – latentna izparilna toplota vodnih hlapov pri 0ϑ , J/kg.

Ko pa je tekočina v trdnem stanju (ledeni kristali) je entaIpija prenasičenega vlažnega zraka:

( ) ( ) ( )talplSvhpvSpz hTcxxhTcxch ∆−⋅⋅−+∆+⋅+⋅= ϑ (2.11)

kjer so: cpl – srednja specifična toplota Iedu med 0 ºC inϑ , J/(kg K),

∆htal – talilna entaIpija, J/kg, in

xS – nasičena vlažnost.

Temperature, pri katerih se vodna para spremeni v kondenzat, je glede na različne vrednosti relativne zračne vlažnosti in temperaturo zraka mogoče prikazati grafično15. Mollier-ov h, x diagram prikazuje entaIpijo vlažnega plina h kot funkcijo absolutne vlažnosti x, s parametri, kot so temperatura (0 ºC) in relativna vlažnost ψ. V krivočrtnem koordinatnem sistemu je os x odklonjena tako, da je izoterma (ϑ = 0 ºC) nenasičeno vlažnega plina horizontalna. Zgradbo h, x diagrama razlaga slika 2 – 3. V koordinatnem sistemu z ordinato h in absciso x so črte konstantne entaIpije vzporedne premice z naklonom – ∆hvh. V tem koordinatnem sistemu so izoterme premice z izvirno ordinato cpz ·ϑ in naklonom cpv ·ϑ . Običajno pa je ordinata razdeljena kar s temperaturo ϑ in ne s cpz ·ϑ . Mollier-ov diagram je torej sestavljen iz horizontalne osi x ter vertikalne temperaturne osi in nevzporednih, skoraj horizontalnih premic (izoterm). Naklon izoterm je:

� cpv ·ϑ + ∆hvh …………….v nenasičenem področju, � cpt ·ϑ …………………….v prenasičenem področju (vlaga v tekočem stanju), � cpl ·ϑ – ∆htal …………….v prenasičenem področju (vlaga v trdnem stanju).


TEORETIČNE OSNOVE

Slika 2 – 3: Mollier-ov diagram14. Mollier-ov diagram vsebuje tudi parabolne krivulje, ki glede na temperaturo, pri enaki relativni zračni vlažnosti kažejo različne količine vodne pare v suhem zraku pri določenem celokupnem tlaku. Krivulja pri 100 % relativni zračni vlažnosti predstavlja krivuljo nasičenosti. Vsebnost pare v zraku je odvisna od temperature. Pri največji možni količini vodne pare v zraku in določeni temperaturi je zrak zasičen, kar pomeni, da ni zmožen več sprejemati vode, relativna zračna vlažnost pri tej temperaturi pa je 100 %. Če povišamo temperaturo, se zmožnost vpijanja vode v zraku poveča. Torej ima zrak pri povišani temperaturi nižjo relativno zračno vlažnost ob enaki količini vode, in je zmožen do nasičenja oziroma 100-odstotne relativne zračne vlažnosti spet sprejemati vodo. Za vse izračune, ki se nanašajo na difuzijo izparevanja vode, je relativna zračna vlažnost osnovni podatek. Zrak ima sposobnost sprejemanja vode v obliki pare, ga veže nase in odda v obliki kondenzata11,14. Primer: Če vstavimo ψ = 1 v en. (2.9) dobimo v h, x diagramu, pri različnih temperaturah in odgovarjajočih nasičenih parnih tlakih, črto konstantne relativne vlažnosti ψ = 1. Ta mejna krivulja deli h, x diagram v dva dela:

� v homogeno področje nenasičenega, pregretega vlažnega zraka in � v heterogeno področje prenasičenega vlažnega zraka oziroma v tako imenovano

"megleno področje". Na krivulji nasičenja ψ = 1 izoterme spremenijo svoj naklon. Krivulje enake relativne vlažnosti, tako imenovane ψ črte računamo s pomočjo en. (2.9). h, x diagram vsebuje tudi obrobno skalo, kjer so vrisane vrednosti ∆h/∆x v povezavi s polom P. Te vrednosti uporabljamo, če se pri spremembi stanja vlažnega zraka spremeni tako entalpija h kot tudi vsebnost hlapov x. Narisan h, x diagram velja za določen celokupni tlak p. Slika 2 – 4 prikazuje h, x diagram za vlažni zrak pri tlaku 1 bar. Preglednica 2 – 1 pa podaja fizikalne količine, ki jih potrebujemo pri izračunu entalpij za sistem zrak – voda. Z uporabo že napisanih računalniških programov lahko za različne sisteme zrak – voda izračunamo in izrišemo Mollier-ov diagram, če poznamo fizikalne lastnosti substanc, ki so zajete v izračunu.


TEORETIČNE OSNOVE

Slika 2 – 4: Mollier-ov h, x diagram za vlažni zrak12. Preglednica 2 – 1: Fizikalne lastnosti zraka in vode14.

Specifična toplota cp pri p = 1 bar in različnih temperaturah za zrak (cpz) in vodo (cpv)

ϑ /ºC cpz / kJ/(kg K) cpv / kJ/(kg K)

- 50 1,0055 1,855

0 1,0056 1,858

50 1,0080 1,864

100 1,0120 1,872

150 1,0180 1,881

200 1,0260 1,892

250 1,0350 1,905

Podatki za zrak in vodo

zrak molska masa Mz = 29 ·10-3 kg/mol

voda

molska masa izparilna entalpija pri 0 ºC talilna entalpija srednja specifična toplota tekočine srednja specifična toplota ledu

Mv = 18 ·10-3 kg/mol ∆hvh = 2500 kJ/kg ∆htal = 333 kJ/kg cpt = 4,19 kJ/(kg K) cpl = 2,05 kJ/(kg K)


TEORETIČNE OSNOVE

V preglednici 2 – 2 je predstavljenih nekaj primerov praktične uporabe h, x diagrama. Preglednica 2 – 2: Primeri uporabe Mollier-ovega h, x diagrama14.

Primer Komentar za določen h, x diagram

1. Prikaz stanja vlažnega zraka

V h, x diagramu je stanje vlažnega zraka točno opisano z najmanj dvema od naslednjih količin: ψi , xi , iϑ , hi

2. Določitev točke rosišča vlažnega zraka

Če vlažni zrak s konstantno vsebnostjo hlapov ohladimo, potem relativna vlažnost ψ narašča, dokler ne doseže vrednosti 1 pri temperaturi Tϑ . To temperaturo imenujemo točko rosišča. Hlapi z nadaljnjim ohlajanjem pod točko rosišča kondenzirajo.

1z

v

1v

xM

M

xpp

+

⋅= (2.12)

kjer je: pv – nasičen parni tlak pri Tϑ in Mv in Mz molski masi vlage in zraka

3. Segrevanje in ohlajanje vlažnega zraka

Toplotni tok 1,2Q& potreben za segrevanje ali

ohlajanje:

( )21mz1,2 hhqQ −⋅=& (2.13)

qmvz = masni pretok vlažnega zraka qmz = masni pretok suhega zraka Pri ohlajanju je vlaga, ki kondenzira v področje nasičene vlažnosti (točka 3):

( )S1mzmv xxqq −⋅=∆ (2.14)

CO = hlajenje HE = segrevanje


TEORETIČNE OSNOVE

Preglednica 2 – 2: (nadaljevanje).

Primer Komentar za določen h, x diagram

4. Mešanje tokov vlaž. zraka

Pri adiabatnem mešanju dveh tokov vlažnega zraka qm1 in qm2 lahko zapišemo naslednje bilance:

celotna snovna bilanca: mvzmvz2mvz1 qqq =+ (2.15)

bilanca za zrak: mzmz2mz1 qqq =+ (2.16)

bilanca za vlago: Mmz2mz21mz1 hqhqhq ⋅=⋅+⋅ (2.17)

Točko zmesi M lahko izračunamo s pomočjo xM in hM:

mz2mz1

2mz21mz1M

qq

xqxqx

+

⋅+⋅= (2.18)

mz2mz1

2mz21mz1M

qq

hqhqh

+

⋅+⋅= (2.19)

V h, x diagramu lahko točko M enostavno določimo z uporabo Lever-jevega pravila:

1

1

1

2

mz2

mz1

l

ll

l

l

q

q −== (2.20)

5. Dodajanje vlage k vlaž. zraku

Točk stanja za vlago v tekočem in parnem stanju ne moremo vrisati v h, x diagram, saj ležijo v neskončnosti. Primešanje vlage torej ne moremo obravnavati tako kot v primeru 4. Potek mešalnih črt moramo določiti drugače:

snovna bilanca za vlago: Mmz1mv1mz1 xqqxq ⋅=+⋅ (2.21)

toplotna bilanca: Mmz1Vmv1mz1 hqhqhq ⋅=⋅+⋅ (2.22)

Če iz obeh enačb izrazimo qmv ali Vmv hq ⋅ in delimo drugo enačbo s prvo dobimo:

V1M

1M hx

h

xx

hh=

∆

∆=

−

− (2.23)

Entalpija vlage hV je označena na stranski skali (Q1 za paro in Q2 za tekočo fazo). Črta, ki povezuje pol P in točko Q1 ali P in Q2 daje smer mešalne črte. Mešalne točke M1 in M2 določimo tako, da poiščemo presečišča vzporednic PQ1 in PQ2, ki gredo skozi točko 1 s premico xM, ki je vzporedna ordinati (glej en. (2.21)).

*OPOMBA: V toplotnih bilancah je entalpija h izražena v masnih enotah suhega zraka.


TEORETIČNE OSNOVE

2.5 Hitrost sušenja

Hitrost sušenja predstavlja spremembo povprečne vlažnosti snovi in njene povprečne temperature tekom sušilnega procesa. Na časovni potek sušilnega procesa vplivajo vrsta snovi, način vezave vlage v snovi, izbira sušilnega procesa in delovne razmere med potekom sušenja9. Maksimalna hitrost sušenja lahko na snovi, ki jo želimo posušiti povzroči nezaželene učinke, kot so skrčenje, otrdelost, itd.. Če se želimo temu izogniti, moramo poznati hitrost sušenja pri različnih pogojih. Slika 2 – 6 b) prikazuje krivuljo hitrosti sušenja pri konstantnih sušilnih pogojih. Točka A prikazuje začetno vsebnost proste vlage v času t = 0. V začetku procesa ima trdna snov običajno nižjo temperaturo in se zato segreva. Hitrost uparjanja pri tem narašča. V točki B, temperatura površine snovi naraste na ravnotežno vrednost (temperatura mokrega termometra). T mokrega termometra je neravnotežna T, ki jo doseže majhna količina vode v stalnem toku zraka pri adiabatnih pogojih16. Izmerimo jo lahko tako, da termometer ovijemo v mokro tkanino ali vato in ga damo na prepih. Na sliki 2 – 5 je prikazan termometer obdan s tkanino, prepojeno z vodo. T suhega termometra je temperatura, ki jo izmerimo s termometrom9.

Slika 2 – 5: Temperatura mokrega in suhega termometra17. Druga možnost je, da je snov vroča in se njena površina v začetku ohlaja do ravnotežne vrednosti (točka A'). Ta začetni, nestacionarni del sušilnega procesa je kratek in ga običajno ne upoštevamo v analizi časa sušenja. Črta med točkama B in C na diagramu slika 2 – 6 a) je ravna, naklon in hitrost sušenja sta konstantni. Periodo konstantne sušilne hitrosti prikazuje črta BC na diagramu slika 2 – 6 b). V točki C na obeh diagramih, se začne hitrost sušenja zniževati, dokler ne doseže točke D. To je prva perioda padajoče sušilne hitrosti, v kateri je črta CD na diagramu slika 2 – 6 b) pogosto linearna. V točki D začne hitrost sušenja še hitreje padati, dokler ne doseže točke E, kjer telo vsebuje ravnotežno količino vlage x* in x = x*– x* = 014. Sušilni diagram je lahko tudi drugačen od tega, ki je tipičen za zelo mokre, drobno granulirane snovi. Če je namreč začetna vlažnost snovi majhna ali pa ima snov Ie vezano vlago, periode konstantne sušilne hitrosti, pa tudi prvega dela periode padajoče sušilne hitrosti ne bo.

Slika 2 – 6: Krivulje sušilne hitrosti pri konstantnih pogojih sušenja14.


MATERIALI IN METODE OBDELAVE MULJA

3 MATERIALI IN METODE OBDELAVE MULJA

3.1 Materiali

Pri čiščenju odpadnih vod iz čistilnih naprav nastaja mulj. Pod pojmom »mulj« razumemo nakopičene usedljive trdne snovi, odstranjene iz različnih vrst vod z naravnimi ali umetnimi postopki. Poleg trdnih snovi sveži mulj običajno vsebuje tudi visok odstotek vode (92 do 99,3 %). Količina in sestava mulja zelo nihata glede na način postopkov čiščenja in glede na sestavo odpadne vode16,18.

3.1.1 Mulj

Mulj je zrnat material oz. snov, katere velikost zrn (3,9 do 62,5 µm) se nahaja med velikostjo zrn gline in peska. Ta drobno zrnata usedlina počasi se gibajočih vod, zlasti sladkih, izvira iz tal ali kamnin (slika 3 – 1). Mulj je poznan tudi kot "skalnata moka" ali "kameni prah". Prenaša se v vodi ali v drugih tekočinah in kot prah po zraku. Skupaj z glino prispeva k motnosti vode. Pravzaprav se mulj od gline razlikuje poleg velikosti zrn tudi po kemijski sestavi. Za razliko od gline so zrna mulja približno enake velikosti, medtem ko je glina sestavljena iz tanke plošče v obliki delcev19.

Slika 3 – 1: Mulj kot drobno zrnata snov20 – 23.

3.1.1.1 Uporaba mulja

Mulj nastaja pri številnih postopkih (izvrtan mulj, papirni mulj, gniliščni mulj). Pri gnitju mulja v čistilnih napravah nastaja gniliščni plin, ki vsebuje približno 75 % metana, kateri se uporablja kot kurilni in pogonski plin. Ostanke zgnilega mulja so nekdaj uporabljali kot gnojilo, zdaj pa ga zaradi razmeroma visoke vsebnosti težkih kovin (svinec in kadmij) običajno odlagajo na deponijah (slika 3 – 2), ki ne prepuščajo vode24.

Slika 3 – 2: Deponije odpadnega mulja25,26.



3.1.1.2 Obdelava mulja

Mulj se obdeluje z biološkimi, fizikalno-kemijskimi in termičnimi procesi. Na sliki 3 – 3 je tak proces obdelave mulja nazorno prikazan. Količina svežega oz. vlažnega mulja (mešanica vode in mulja) je odvisna od vrste postopka obdelave, števila prebivalstva ter od značilnosti odpadne vode, ki se razlikuje od države do države in od regije do regije. Obstaja tudi razlika med mesti in podeželjem. Proizvodnja mulja na leto je okoli 20 do 45 kg posušenih trdnih delcev na osebo. Posušen mulj ima približno enako toplotno vrednost kot rjavi premog. Če posušen mulj sežgemo, proizvede dovolj potrebne toplote za sušenje vlažnega mulja. Primarni mulj je sestavljen iz trdnih snovi, ki jih je vsebovala neobdelana odpadna voda. Sekundarni mulj pa vsebuje biomaso, ki je bila proizvedena v času biološkega čiščenja odpadne vode. Nekateri pomembnejši postopki obdelave mulja so27:

� zgostitev s koncentracijo trdnih snovi, � odstranjevanje motečih snovi, � dezinfekcija, � odstranjevanje vode z mehanskimi postopki, � sušenje z izhlapevanjem vode, � sežiganje s termično oksidacijo organskih snovi.

Slika 3 – 3: Shematski prikaz obdelave mulja28.



Obdelava mulja običajno vključuje faze, ki so prikazane na sliki 3 – 4.

Slika 3 – 4: Faze obdelave mulja27,29. Razlaga posameznih faz:

� Stabilizacija je postopek obdelave mulja, s katero se zmanjšuje vrednost organskih snovi, ki povzroča redčenje mulja. Možni sta:

� aerobna stabilizacija mulja (postopek obdelave mulja iz bioloških čistilnih naprav (BČN) ob dovajanju zraka ali čistega kisika),

� anaerobna stabilizacija mulja (postopek obdelave mulja v zaprtem brezzračnem prostoru).

� Zgoščevanje je postopek povečanja koncentracije trdnih snovi v mulju in

zmanjševanje prostornine.

� Kondicioniranje je postopek, ki izboljšuje pogoje za odstranjevanje vode iz mulja.

� Centrifugiranje je postopek ločevanja trdne snovi iz vode, s pomočjo delovanja centrifugalnih sil.



� Kompostiranje je postopek razgradnje organske snovi v mulju do anorganske.

� Pasterizacija (imenovana po L. Pasteur-ju) je postopek dezinfekcije mulja oz. uničevanje mikroorganizmov s segrevanjem mulja pri določeni temperaturi za kratek čas (npr. pri 70 ºC za 30 minut) 30. Optimalna temperatura pasteriziranja je 64 ºC do 70 ºC. V večini primerov je pasterizacija kombinirana z anaerobno stabilizacijo mulja. Prednost pred pasteriziranega mulja je boljša stabilizacija in boljša sposobnost odvajanja vode.

� Sušenje s toploto, je postopek izhlapevanja vode iz mulja.

� Sežiganje je postopek zgorevanja organskih snovi v mulju s pomočjo izhlapevanja

vode.

� Piroliza je postopek termične razgradnje organskih snovi pri visokih temperaturah brez dostopa do kisika.

3.1.1.3 Kemijska sestava mulja

Sestava in količina mulja je v prvi vrsti odvisna od prostornine sušilne naprave, od načina odvzema ter od pogostosti praznjenja. Ob praznjenju naprave 1-krat letno ocena sestave mulja približno ustreza izmerjenim vrednostim parametrov, ki lahko iz leta v leto ob drugačni frekvenci praznjenja tudi precej nihajo. Kriterij za oceno izmerjenih vrednosti parametrov določa, da se nenevarni odpadki z visoko vsebnostjo biološko razgradljivih snovi odlagajo na odlagališču za nenevarne odpadke (Uredba o odlaganju odpadkov na odlagališču, Uradni Iist Republike Slovenije, št.: 32/0631, 98/07, 62/08; priloga 2). V preglednicah 3 – 1 in 3 – 2 so podane izmerjene vrednosti parametrov onesnaženosti odpadkov in izlužka odpadkov iz čistilne naprave Slovenska Bistrica – izvid prot. št.: OPD 2007/ 48, datum izvida: 14. 01. 2008. Preglednica 3 – 1: Vrednosti parametrov izlužka.

Parameter Izražen kot Enota Izmerjena vrednost MVNEVARNI

Antimon Sb mg/kg s. s. < 0,10 0,7

Arzen As mg/kg s. s. < 0,10 2

Baker Cu mg/kg s. s. 0,20 50

Barij Ba mg/kg s. s. < 1,00 100

Cink Zn mg/kg s. s. 0,50 50

Kadmij Cd mg/kg s. s. < 0,01 3

Celotni krom Cr mg/kg s. s. 0,10 10

Molibden Mo mg/kg s. s. < 1,00 10

Nikelj Ni mg/kg s. s. < 0,10 10

Selen Se mg/kg s. s. < 0,10 0,5

Svinec Pb mg/kg s. s. < 0,10 10

Živo srebro Hg mg/kg s. s. < 0,01 0,2





Kloridi* Cl mg/kg s. s. Ni bilo analiz 15000

Fluoridi F mg/kg s. s. < 4,00 250

Sulfati* SO4 mg/kg s. s. Ni bilo analiz 75000

DOC C mg/kg s. s. 15280 7500

Celotne raztopljene snovi - mg/kg s. s. 27000 6000 *OPOMBE: - Vsebnost celotnih raztopljenih snovi v izlužku se lahko uporablja namesto vsebnosti sulfatov in kloridiv v izlužku. - S poudarjenim črnim tiskom so označene snovi, ki presegajo mejne vrednosti.

Preglednica 3 – 2: Vrednosti parametrov odpadka.


Kurilnost - kJ/kg 8712 6000

TOC C % mase s. s. 30 18 *OPOMBE: - S poudarjenim črnim tiskom so označene snovi, ki presegajo mejne vrednosti. TOC – celotni organski ogljik, DOC – celotni raztopljeni organski ogljik, s. s. – suhe snovi

3.1.2 Voda

Sestavina vlažne snovi je voda (slika 3 – 5). Voda, ki jo vsebuje snov, lahko nastopa kot:

� tekočina, ki lahko odteče in jo je potrebno pred sušenjem odstraniti s filtriranjem ali centrifugiranjem.

� tekočina, ki jo na površini snovi zadržujejo velike kapilare, katerih premer je večji

od 10-7 m. V tem primeru so sile na površini tako slabe, da ne znižujejo njenega parnega tlaka. Takšno obliko vlage imenujemo nevezana vlaga. Snovi z nevezano vlago so nehigroskopične. Parni tlak vode je pri nevezani vlagi enak nasičenemu tlaku.

� tekočina, ki jo zadržujejo drobne kapilare, katerih premer je manjši od 10-7 m.

Površinske sile v tem primeru začno pri določeni vsebnosti vlage občutno zniževati njen parni tlak, ki je manjši od nasičenega tlaka. Dokler so zelo mokre, se snovi z drobnimi kapilarami se obnašajo kot nehigroskopične. Osušiti se dajo le do ravnotežne vlažnosti, ki je odvisna od temperature in vlažnosti zraka v okolici.

� vlaga, ki se veže na molekule in je sestavni del snovi, ki z vodo nabrekajo ali

kristalizirajo. Tako vezana voda kaže manjši parni tlak in se da odstraniti le do ravnotežne vlažnosti.



Vezana vlaga je vlaga, katere parni tlak je manjši od parnega tlaka vode pri dani temperaturi. Snovi, ki imajo le vezano vlago so higroskopične. Če higroskopično snov spravimo v stik z vlažnim zrakom, adsorbira vlago, dokler se ne vzpostavi ravnotežje. Če pa vlažno snov izpostavimo suhemu zraku se posuši le do ravnotežne vlažnosti10,14.

Slika 3 – 5: Voda kot glavna sestavina vlažne snovi32 – 35.

Razliko med vlago, ki jo vsebuje trdna snov, in vlago, ki ustreza ravnotežni vlažnosti pri danih pogojih imenujemo prosto vlago. Pri sušenju trdne snovi (slika 3 – 6) v zraku z relativno vlažnostjo A lahko odstranimo samo prosto vlago (x – x*), ki ustreza pogojem v zraku36.

Slika 3 – 6: Vsebnost vlage v trdni snovi36.

Voda v mulju je pretežno navzoča kot nevezana voda (slika 3 – 7), ki izpolnjuje vmesne prostore. Odstranjevati jo je mogoče s težnostim zgoščevanjem. Drugi delež vode je kapilarna voda, ki jo je mogoče odstranjevati le z odcejanjem pod povečanim tlakom. Tretji, količinsko najmanjši delež vode je vezan v obliki adsorbirane vode, ki jo je po dosedanjih izkušnjah mogoče izločati le z uporabo toplotne energije. Vse tri vrste vode v vlažnem mulju imenujemo s skupnim imenom blatnica37.



Slika 3 – 7: Razporeditev vode v mulju16.

3.2 Metode sušenja

Obstajajo številne metode za odstranitev vlage iz trdnih snovi, kar najpogosteje dosežemo tako, da damo snov v stik z zrakom nizke vlažnosti in povišane temperature38. Toploto lahko vlažni snovi dovajamo na več načinov. Omeniti je potrebno zlasti sušenje s prisilno konvekcijo, kontaktno sušenje, toplotno sevanje ali radiacijo ter druge metode sušenja, ki so na kratko opisane v nadaljevanju3,10. Metode sušenja ločimo glede na različne načine obratovanja. Ločimo:

� saržne procese, kjer sušilno napravo napolnimo s snovjo in jo sušimo določen čas in

� kontinuirne procese, kjer vlažno snov kontinuirno vodimo v sušilno napravo in

posušeno snov iz nje kontinuirno odvajamo. Procese sušenja lahko razvrstimo tudi glede na pogoje oz. način dovajanja toplote in odstranjevanja vodnih hlapov:

� dovod toplote z direktnim stikom s segretim zrakom (konvekcijo), ki tudi odvaja vodne hlape,

� pri vakuumskem sušenju, kjer poteka uparjanje vode pri nizkih tlakih, dovajamo

toploto indirektno s stikom s kovinsko steno ali z radiacijo. Zaradi nizkih temperatur, ki so značilne za proces vakuumskega sušenja, ga uporabljamo za termično labilne snovi, ki pri višjih temperaturah razpadejo, izgubijo barvo ipd.,

� pri sušenju z zmrzovanjem sublimira voda iz zmrznjene snovi. Uporabljamo ga za

nekatere biološke in farmacevtske termolabilne snovi, ki jih ne smemo segrevati do temperatur pri katerih običajno poteka sušenje14.



3.2.1 Sušenje s konvekcijo

Konvekcijsko sušenje je verjetno najpogostejši način za sušenje trdnih, tankoslojnih ali pastoznih snovi. Najbolj razširjeno je sušenje s prisilno konvekcijo. Pri konvekcijskem sušenju dovajamo potrebno toploto z vpihovanjem segretega plina, največkrat vročega zraka. Pri tem s pomočjo konvekcije toplota prehaja na vlažno snov ter omogoča uparjanje vlažne komponente. Vroči zrak služi tudi za odvod vlažne komponente iz sistema. Sušenje pospešimo, če tok vročega zraka hkrati vodimo preko površine vlažne snovi ter skozi njen sloj10. Toploto lahko poleg vročega zraka vlažni snovi dovajamo tudi z internimi plini (npr. N2 se uporablja za sušenje mokre trdne snovi z organskimi topili), s plini z neposrednim zgorevanjem ter s pregretimi parami ali hlapi topila16. Na sliki 3 – 8 je shematsko prikazano sušenje s konvekcijo.

Slika 3 – 8: Shema konvekcijskega sušenja39.

3.2.2 Kontaktno sušenje

Pri kontaktnem sušenju dovajamo toploto z ogrevanjem delov sušilnika. Do vlažne snovi se tako toplota prenaša predvsem s sevanjem segretih sten sušilnika in vanj vgrajenih pregrad. Vlažno snov naložimo na segrete podlage v sušilniku ali pa se preko njih prenaša s pomočjo mešal. Gibanje okoliškega zraka v tem primeru uporabimo za odvod uparjene vlage. V primeru, da kontaktno sušenje izvajamo v vakuumu, se toplota prenaša samo preko segretih površin sušilnika. Pri tem vlaga izhlapi, hlape pa iz sušilnika izsesamo. Primer kontaktnega sušenja je prikazan na sliki 3 – 9.

Slika 3 – 9: Shema kontaktnega sušenja39.



Možen je tudi kombiniran način konvekcijskega in kontaktnega sušenja, kjer toploto dovajamo vlažni snovi dodatno s konvekcijo segretega zraka. Hlape pa iz sušilnika odnaša zrak14.

3.2.3 Sušenje s sevanjem

Vlažno snov sušimo v sušilnikih, ki so opremljeni z viri elektromagnetnega sevanja. S pomočjo posebnih seval se toplota s sevanjem toplotnih žarkov prenaša na vlažno snov. Ta absorbira del energije elektromagnetnega sevanja. Kot vir sevanja uporabljamo običajno volframove nitne žarnice, infrardeče kvarčne žarnice ali stene iz kovinskih ali keramičnih plošč, ki jih segrevamo s plinom. Zaradi absorbirane energije se snov segreje in vlaga se začne uparjati. Segrevanje snovi pri tem ne poteka samo na površini, ampak tudi v notranjosti. Sušenje poteka tako zelo hitro in intenzivno. Zaradi visokih obratovalnih stroškov (električna energija, plin) se uporablja predvsem za sušenje keramičnih produktov (prednost takšnega načina sušenja je, da ne nastajajo razpoke na površini snovi) ter za hitro sušenje lakiranih serijskih delov (pri tem ne nastaja skorja na lakirani površini)40. Primer takšnega sušenja je shematsko prikazan na sliki 3 – 10. Za učinkovito izvedbo sušenja so potrebne visoke temperature seval, kar lahko vodi do lokalnega pregretja vlažne snovi, zato so pogoste kombinacije z drugimi vrstami sušenja.

Slika 3 – 10: Shema sušenja s sevanjem41.

3.2.4 Vakuumsko sušenje

Vakuumsko sušenje se priporoča predvsem za sušenje toplotno občutljivih snovi. Z znižanjem tlaka v sistemu se zniža tudi temperatura vrelišča tekočine, kar je še posebej pomembno pri sušenju snovi, ki so občutljive na visoke temperature (živilska industrija, farmacija,...)40.

3.2.5 Sušenje z zamrzovanjem

Sušenje z zamrzovanjem je vakuumsko – sublimacijski postopek sušenja, kjer vlago iz zmrznjene snovi (T < 0 ºC) odstranimo iz vakuuma tako, da direktno preide iz trdnega v plinsko stanje. Vlažno snov moramo najprej ohladiti in zamrzniti pri temperaturah -15 ºC do -50 ºC, kar je odvisno od vrste snovi. Problem, ki se pri tem velikokrat pojavi je, da se oblikujejo majhni kristali, kar je za sušenje neugodno. Zmrznjeno snov običajno pred sušenjem zdrobimo in presejemo. Sušimo jo diskontinuirno ali kontinuirno. Podtlak (v območju 0,1 do 1 mbar) se



ravna po sublimacijski krivulji vlage. Hlape, ki sublimirajo iz snovi kondenziramo v kondenzatorju. Hitrosti sušenja so pri tem postopku nizke. Glede na vrsto snovi lahko sušenje poteka diskontinuirno v komornem sušilniku ali kontinuirno v vakuumskem ploščnem sušilniku, tankoslojnem vibracijskem sušilniku, itd.. Investicijski in obratovalni stroški so pri postopku sušenja z zamrzovanjem visoki, zato se postopek uporablja samo za sušenje dragih substanc, ki so občutljive na temperaturo in pri katerih želimo ohraniti določene lastnosti npr. vonj, okus in barvo ali določene komponente npr. beljakovine in vitamine. Postopek uporabljamo predvsem za sušenje in konzerviranje določenih prehrambenih artiklov ter biokemijskih in farmacevtskih substanc14.

3.2.6 Dielektrično sušenje

Manj pogost, čeprav lokalno pomemben, je način sušenja z visokofrekvenčnim ali dielektričnim sušenjem38. Pri sušenju vlažno snov izpostavimo visokofrekvenčnemu električnemu polju s frekvencami 2 do 100 MHz10. Vlažna snov ima vlogo dielektrika med elektrodama ploščnega kondenzatorja. Visokofrekvenčno elektromagnetno polje, ki začne spreminjati lego dipolov v snovi (molekula vode ima močan dipol), povzroči med molekularno trenje in s tem generacijo toplote znotraj vlažne snovi. Posledica tega je segrevanje snovi in izhlapevanje vlage. Z dielektričnim sušenjem preprečimo preoblikovanje in krčenje snovi, zato se uporablja predvsem za sušenje dragih snovi, kot so dragega lesa, keramičnih produktov in živil.

3.2.7 Sušenje s pregreto paro

Pri sušenju s pregreto paro v vlogi sušilnega plina nastopajo pare istega topila, ki ga odstranjujemo iz vlažne snovi. Prva izmed prednosti tega postopka je odprava problemov z eksplozivnostjo zmesi par topila in zraka, ki je lahko pogosto problem v konvekcijskih sušilnikih.

3.2.8 Kontaktno sorbcijsko sušenje

Učinkovit način sušenja vlažne zrnate snovi je pomešanje slednje s segretimi higroskopskimi delci. Pri kontaktu med obema vrstama delcev pride do prenosa toplote iz higroskopskih delcev na vlažno snov, kar upari vlago, ki jo higroskopski delci vežejo nase.


SUŠILNA OPREMA

4 SUŠILNA OPREMA

Velikost in oblika snovi, metode sušenja, načini prevoza, stik vlažnih snovi s plinom, ogrevanje, itd., so nekateri od mnogih dejavnikov, ki so privedli do razvoja različnih oprem za sušenje. Izpopolnjeno razvrstitev sušilnikov sta v knjigah predstavila Kroll (1978) in Keey (1972). Manj obsežna, vendar morda bolj praktična razvrstitev, pa je podana v knjigi Chemical Process Equipment38. Obratovanje sušilnikov ali sušilnih naprav je lahko kontinuirno ali diskontinuirno (v serijah). Sistem delovanja v serijah (presledkih) je ugoden v primeru, če sušimo količino, ki je manjša od 100 kg/h. V nasprotnem primeru uporabimo kontinuiren način sušenja. Uporabljena metoda sušenja je v glavnem odvisna od vrste in prepustnosti snovi. Prepustnost je odvisna od velikosti, mase, strukture in gostote ter površinskih značilnosti por. Na površini se zaradi tlaka ustvari gel, ki vodi do spremembe suhe snovi (zgorevanje, razgradnja, itd.). Pomembno vlogo pri tem ima:

� največji rezidenčni čas pri temperaturi sušenja, � oksidacijska občutljivost snovi, � željena vlaga.

V primeru, da izberemo neustrezen način sušenja, lahko pride do eksplozivnih, škodljivih ali nevarnih hlapov. Zato je priporočljivo, da se za pravi način odločimo na podlagi predhodno preverjenih poskusov. Na razpolago imamo več tipov oz. vrst sušilnikov. V bistvu obstaja podobnost med sušilniki in pečmi, pravzaprav je sušilnik neke vrste spremenjena oblika peči42. Sušilnike razvrščamo glede na način dovajanja toplote potrebne za sušenje na konvekcijske, kondukcijske (kontaktne, vakuumske, itd.) ter radiacijske36. Pri izbiri in dimenzioniranju sušilnika moramo upoštevati:

� lastnosti snovi: toksičnost, abrazijo in vnetljivost snovi, � karakteristike sušenja: začetna vsebnost vlage in njeno razmerje z ravnotežno

vsebnostjo vlage pri različnih pogojih, tip vlage (vezana ali nevezana), omejitve v temperaturi sušenja in potreben čas sušenja,

� specifikacijo suhega produkta: čistoča, končna vsebnost vlage, fizikalna oblika in velikostna porazdelitev suhega produkta,

� izgubo produkta med sušenjem (v obliki prahu ali hlapov); če je prisotno topilo, moramo upoštevati tudi izgubo topila.


SUŠILNA OPREMA

4.1 Vrste in splošne značilnosti sušilnikov

Vrste sušilnikov so prikazane na sliki 4 – 1:

Slika 4 – 1: Vrste sušilnikov42 – 47. V nadaljevanju bodo predstavljeni le nekateri izmed množice sušilnikov, v poglavjih 5 in 6 pa bodo podrobneje opisane nekatere značilnosti in karakteristične lastnosti rotacijskega sušilnika ter sušilnika s fluidiziranim slojem.

4.1.1 Konvekcijski sušilniki

Vzemimo enostopenjski kontinuirni adiabatni sušilnik. Tok vlažne snovi želimo posušiti od začetne vlažnosti xs1 do končne vlažnosti xs2. Vlaga, ki jo s sušenjem odstranimo iz snovi:

)( s2s1msms2ms1mv xxqqqq −⋅=−= (4.1)

kjer so: ms1q – masni pretok vlažne snovi, kg/s,

msq – masni pretok snovi, kg/s,in

xs – vlažnost snovi, kg/kg.

Masni tok suhega plina se zaradi hlapov vlage ne spremeni, spremeni pa se celotni masni tok in vlažnost plina. Velja:

)( z1z2mzmvz1mvz2mv xxqqqq −⋅=−= (4.2)

Količino suhega plina, ki ga potrebujemo za sušenje, lahko izračunamo iz en. (4.1) in (4.2):

z1z2

ms2ms1

z1z2

mvmz

xx

qq

xx

qq

−

−=

−= (4.3)

Specifična količina plina potrebna za sušenje je:

z1z2mv

mz 1xxq

qI

−== (4.4)


SUŠILNA OPREMA

Poenostavljena toplotna bilanca za sušilnik s predhodnim segrevanjem plina je:

Vs2ms2z2mzs11smz1mz QhqhqQhqhq && +⋅+⋅=+⋅+⋅ (4.5)

Enačba (4.5) velja v splošnem tudi za ostale vrste sušilnikov. Specifično entalpijo h lahko izračunamo s pomočjo en. (4.4) in (4.5):

mv

V

mv

s1ms1s2ms2

z1z2

z1z2

q

Q

q

hqhq

xx

hhh

&

+⋅−⋅

±−

−= (4.6)

kjer so: VQ& – toplotne izgube v sušilniku, J/s = W. Predznak + velja za sotok in – za protitok plina in vlažne snovi v sušilniku14. Konvekcijski sušilniki se uporabljajo predvsem za sušenje tankoslojnih in pastoznih snovi. Konvekcijske sušilnike imenujemo tudi direktni sušilniki. Med tehnično pomembnejše spadajo predvsem komorni, kanalski, tračni, etažni, rotacijski in razpršilni sušilniki, ki so na kratko prikazani in opisani v preglednici 4 – 1. Preglednica 4 – 1: Pregled pomembnejših konvekcijskih sušilnikov14,16,48.

Vrsta Značilnosti

Kanalski sušilnik

Uporaba: � predvsem za sušenje prehrambenih

artiklov Obratovanje:

� kontinuirno Opis sušilnika:

� skozi sušilni kanal se kontinuirno premikajo vozički s policami, na katerih je naložena vlažna snov. Pri tem gre zračni tok vzdolž kanala ali povprek na njegovo os.

Komorni sušilnik

Uporaba: � za sušenje majhnih količin pastoznih ali

trdnih vlažnih snovi Obratovanje:

� običajno diskontinuirno Opis sušilnika:

� vsebuje police ali sita, ki so v sušilni omari nameščena druga nad drugo. Sloji vlažnih snovi so debeline 10 do 100 mm. Segret tok povzročajo ventilatorji. Konstantna vlažnost zraka se vzdržuje tako, da se pri vsakem obtoku nekaj zraka izpusti iz komore in se nadomesti s svežim iz okolice.


SUŠILNA OPREMA


Vrsta Značilnosti

Obročni etažni sušilnik

Uporaba: � za sušenje vlažnih trdnih snovi

Obratovanje: � kontinuirno

Opis sušilnika: � sestavljen je iz pokončnega valja, kjer

so etaže povezane s skupno vertikalno osjo. Te se vrtijo, medtem ko mirujoče ročice z grabljami potiskajo snov in jo polnijo na vrhnjo etažo, izmenično proti osi in proti obodu, od koder pada na naslednjo spodnjo etažo. Zračni tok povzročajo zunanji ventilatorji.

Ploščni etažni sušilnik

Uporaba: � za sušenje vlažnih snovi


Opis sušilnika: � je sestavljen iz pokončnega valja, ki ima

več vzporednih horizontalnih etaž. Vlažno snov izmenično (od znotraj navzven) potiskajo rotirajoče grabljice preko plošč, ki so razporejene v etaže. Vlažna snov se suši s toplim zrakom, ki potuje v protitoku ali prečnem toku s snovjo.

Razpršilni sušilnik

Uporaba: � za sušenje termično občutljivih snovi

Obratovanje: � diskontinuirno ali kontinuirno

Opis sušilnika: � raztopina ali suspenzija se razprši v tok

vročega zraka v razpršilnem stolpu, s pomočjo hitro rotirajoče plošče ali pri visokem tlaku skozi šobe, nameščene v cilindrični komori. Drobne kapljice, ki pri tem nastanejo se osušijo, voda izpari, trdne delce pa se ločijo od plinskega toka. Večji delci, ki padejo na dno komore se odvajajo, medtem ko manjši potujejo s plinskim tokom in se izločajo v ciklonih ali filtrih. Oblika razpršilne komore je odvisna od oblaka razpršilne snovi. Zračni tok je lahko sotočen ali protitočen, njegova T pa je odvisna od občutljivosti sušene snovi.


SUŠILNA OPREMA


Vrsta Značilnosti

Rotacijski sušilnik

Uporaba: � za sušenje prosto tekočih, nelepljivih

snovi in kašnatih snovi ter mulja Obratovanje:

� običajno kontinuirno Opis sušilnika:

� sestavljen je iz votle rahlo nagnjene cevi (običajno v smeri iztoka), katera leži na valjih in počasi rotira. Vlažna snov vteka na zgornjem koncu in se pomika po rotirajoči cevi. V cev vgrajene pregrade skrbijo za enakomerno porazdelitev snovi po površini cevi. Zračni tok ali dimni plini se pri tem kontinuirno vodijo skozi cev v sotoku ali protitoku. Razlikujemo več tipov oz. vrst rotacijskih sušilnikov (RD), ki bodo na kratko predstavljeni v poglavju 5.

Sušilnik s fluidiziranim slojem

Uporaba: � za sušenje zrnatih snovi, kašnatih

snovi, muljev, itd. Obratovanje:

� diskontinuirno ali kontinuirno Opis sušilnika:

� Nasut sloj vlažne snovi, ki se nahaja na situ se prepihava z vročim zrakom. Vroč zrak snov pri tem rahlja in intenzivno suši. Obstaja veliko različnih vrst sušilnikov s fluidiziranim slojem (poglavje 6).

Tračni sušilnik

Uporaba: � za sušenje košatih ali vlaknastih snovi


Opis sušilnika: � skozi sušilno komoro ali kanal potuje

brezkončen, do 4 metre širok trak ali več trakov, drug pod drugim v nasprotnih smereh (glej sliko). Na trak naložena vlažna snov se na koncu poti avtomatično odreže. Zračni tok gre lahko skozi sloj snovi ali pa vzporedno z njegovo površino v protitoku, sotoku ali prečnem toku.


SUŠILNA OPREMA

4.1.2 Kontaktni sušilniki

Med tehnično pomembnejše prištevamo valjčne sušilnike, kjer snov leži na gibljivi podlagi ter ploščne sušilnike, kjer se snov premika s pomočjo mešal. V preglednici 4 – 2 so prikazani sušilniki in opisane lastnosti ter delovanje pomembnejših kontaktnih sušilnikov. Preglednica 4 – 2: Pregled pomembnejših kontaktnih sušilnikov14.

Vrsta Značilnosti

Mešalni sušilnik

Uporaba: � za sušenje lepljivih snovi


Opis sušilnika: � snov se polni na enem koncu v zaprt

ležeč valj ali korito, ki se ogreva skozi plašč. Pri tem vodoravno mešalo snov stalno obrača. Način obratovanja je diskontinuiren. V primeru da je mešalo konstruirano tako, da med mešanjem potiska snov od enega konca k drugemu, in sta valj in korito dovolj dolga, se lahko suši tudi kontinuirno.

Tankoslojni uparjalnik – sušilnik

Uporaba: � za koncentriranje raztopljenih ali

suspendiranih snovi in praškastih oz. drobno zrnatih produktov


Opis sušilnika: � vlažna snov se predgreta vodi v sušilnik,

kjer jo rotor nanese na segreto steno v obliki tankega sloja. Hlapi potujejo po sušilniku navzgor in v kondenzatorju kondenzirajo, produkt pa se nato na dnu sušilnika odvzame (glej sliko).

Valjčni sušilnik

Uporaba: � za sušenje kašastih (dva) in pastoznih

snovi ter raztopin (eden valj) Obratovanje:


� sestavljen je iz kovinskega valja, ki se znotraj greje s paro, na zunanjo površino pa se nanaša tanka plast vlažne snovi. Medtem, ko se valj počasi vrti, se tanka plast tekočine na zunanji strani uparja. Snov, ki ostane, pa se postrga iz površine valja. Valj deluje delno kot uparjalnik in delno kot sušilnik.


SUŠILNA OPREMA

4.1.3 Vakuumski sušilniki

Obratovanje teh sušilnikov (preglednica 4 – 3) je predvsem saržno, saj so namenjeni predvsem za sušenje dragih in termično občutljivih snovi. Kot način ogrevanja s kondukcijo se lahko uporablja para, vroča voda ali vroče olje. Ohišje sušilnikov je lahko stacionarno (nepremično) ali rotirajoče. Preglednica 4 – 3: Pregled pomembnejših vakuumskih sušilnikov16,49.

Vrsta Značilnosti

Dvojno-storžasti vakuumski sušilnik

Uporaba: � za sušenje mokrih zrnatih in finih snovi

Obratovanje: � diskontinuirno

Opis sušilnika: � zaradi intenzivnega mešanja, ki se

pojavi med periodo sušenja, se lahko uporabijo za pripravo farmacevtskih tablet. Če so prevlečeni s steklom zagotavljajo visoko čistost proizvoda. Reagenti se dovajajo prek krmilne cevi. Toplota, ki je potrebna za izhlapevanje vlage se napaja iz parno ogrevanih sten sušilnika.

Lopatasti vakuumski sušilnik

Uporaba: � za sušenje kašastih zmesi in zrnatih

snovi Obratovanje:


� lopatasti sušilniki zagotavljajo čas sušenja tudi do nekaj ur. Takšni sušilniki so parno ogrevani. Sestavljeni so iz vodoravne rotacijske gredi oziroma valja, ki je opremljen z lopatami. Lopate so namenjene za strganje snovi iz sten sušilnika. Hkrati pa snov tudi mešajo ter jo prenašajo vzdolž dolžine sušilnika.

Storžčasti vakuumski sušilnik z mešalom

Uporaba: � za sušenje farmacevtskih produktov

Obratovanje: � diskontinuirno

Opis sušilnika: � storžčasti sušilnik z mešalnim

svedrom je načeloma podoben DSV sušilniku. Sestavljen je iz stabilne posode storžčaste oblike, v kateri z mešalnim svedrom meša trdne snovi. Sušilnik nima mrtvih prostorov in je enostaven za čiščenje.


SUŠILNA OPREMA

4.1.4 Zamrzovalni sušilniki

Zamrzovalni sušilniki (preglednica 4 – 4) lahko obratujejo diskontinuirno ali kontinuirno. Njihovo obratovanje je odvisno od vrste vlažne snovi. Investicijski in obratovalni stroški teh sušilnikov so visoki. Namenjeni so predvsem za sušenje in konzerviranje dragih biokemijskih in farmacevtskih substanc. Preglednica 4 – 4: Pregled pomembnejših zamrzovalnih sušilnikov16.

Vrsta Značilnosti

Komorni zamrzovalni sušilnik

Uporaba: � za sušenje različnih prehrambenih in

farmacevtskih artiklov Obratovanje:


� služijo pri preučevanju možnosti za ohranitev labilnih produktov, zlasti tistih iz biološkega izvora. Veliko število modelov združuje v enem kosu naprave za hlajenje, ogrevanje ter vakuumske črpalke. Kot ogrevalni medij se uporablja silikonsko olje.

Tračni zamrzovalni sušilnik

Uporaba: � predvsem za sušenje različnih

prehrambenih artiklov Obratovanje:


� suha in sorbirana snov se prenašata po sosednjih pasovih, kjer sorbirana potuje po traku proti priključni cevi s pritrjenimi posodami (ampulami) s suho snovjo. Prenos sorbirane plasti se izvaja v bližini suhe snovi, iz katerih sorbirana snov sublimira vlago.

Vakuumski razpršilni zamrzovalni s.

Uporaba: � za sušenje prehrambenih artiklov


Opis sušilnika: � snov se razprši iz curka navzgor ali

navzdol v valjast stolp. Tekočina se pri postopku zamrzovalnega izhlapevanja strdi v manjše delce. Delno suhi delci prosto padajo na dno stolpa, kjer se nahaja tekoči trak. Delci nato potujejo med sevalni grelniki in zaključijo v lijaku, kjer je vakuumsko zapiralo, ki omogoča odstranitev produkta. Končni produkt so nelepljivi delci.


SUŠILNA OPREMA

4.1.5 Radiacijski sušilniki

Infrardeči (IR) sušilniki so pri izhlapevanju vlage odvisni od prenosa sevalne energije. Sevalno energijo ponavadi dobavljamo z električno energijo iz infrardečih žarnic. Sušilniki z infrardečim ogrevanjem se v kemičnih industrijah, za odstranjevanje vode iz vlažnih snovi uporabljajo. Njihova uporaba služi predvsem za ogrevanje tankih plasti snovi49. Med tehnično pomembnejše spada tračni sušilnik z infrardečimi žarki, katerega značilnosti so opisane v preglednici 4 – 5. Preglednica 4 – 5: Pregled pomembnejših radiacijskih sušilnikov16.

Vrsta Lastnosti in delovanje

Tračni sušilnik z infrardečimi žarki

Uporaba: � za sušenje črnila in lepila na papir,

peno ali tkanino Obratovanje:

� diskontinuirno ali kontinuirno Opis sušilnika:

� čeprav se lahko IR sušilnik izdela iz obstoječih konvekcijskih sušilnikov, z ustreznim številom radiatorjev za neposredno sušenje produktov s sevanjem, se ta tehnologija nenehno izboljšuje. Tako se na tržišču pojavlja vse več novih kombinacij sušilnikov. Tak primer sušilnika, kot trend novega razvoja in uporabe je prikazan na sliki levo. Gre za IR sušilnik, ki ima sposobnost visoke hitrosti sušenja. Opremljen je z IR električnimi grelci, ki so nameščen med odprtinami.

Plinski IR sušilnik

Uporaba: � za sušenje poroznih snovi


Opis sušilnika: � plinski IR sušilnik se uporablja za

sušenje snovi s segretim plinom. Gre za obetavno kombinacijo IR sevanja in stalnega konveksnega ogrevanja. Z njim sušimo predvsem lesene in opečnate plošče. Najdemo pa ga tudi pri postopku sušenja mulja.


SUŠILNA OPREMA

4.1.6 Visokofrekvenčni sušilniki

Visokofrekvenčni sušilniki se ne uporabljajo tako pogosto, kot ostali sušilniki. Uporabljajo se predvsem za sušenje lesa in keramike. Stroški obratovanja teh sušilnikov so na splošno veliko večji od stroškov konvekcijskih sušilnikov49.

4.2 Kriteriji za izbiro optimalnega sušilnika

Izbira optimalnega sušilnika ostaja neke vrste umetnost, v kateri znanje, izkušnje in znanost igrajo pomembno vlogo. Po raziskavi, ki jo izvaja SPIN (Solid Processing Industrial Network) v Veliki Britaniji, je optimalna izbira sušilnika ključni problem, s katerim se srečujejo vsa podjetja. Pri izbiri in optimiranju sušilnika se moramo držati naslednjega splošno veljavnega postopka:

� preučitev lastnosti vlažne snovi in obnašanja vlage: oblika, stanje in kakovost snovi, termična občutljivost, prenos toplote, difuzija, � določitev sorbcijskih izoterm, � določitev sušilnih krivulj in časa potrebnega za sušenje, � določitev profila vlage v snovi, preračun sušilnih krivulj na druge sušilne pogoje za

plin, � določitev oblike obratovanja (diskontinuirno ali kontinuirno), � izbira sušilnika, � določitev časa sušenja na polpilotni napravi pri obratovalnih pogojih podobnih

produktov, � dimenzioniranje sušilnika, toplotne potrebe in vtok plina, izračun optimalnih

dimenzij sušilnika (premer, dolžina, površina potrebna za prenos toplote), optimiranje geometrije in obratovalnih pogojev,

� načrtovanje dodatnih elementov sušilnika (grelec plina, ventilatorji, cikloni, itd.), � določitev cene končnega produkta, � uporabiti že pridobljeno znanje13,14.


ROTACIJSKI SUŠILNIK

5 ROTACIJSKI SUŠILNIK

5.1 Teoretični del

Rotacijsko sušenje je eno izmed mnogih načinov sušenja, ki se pojavlja v kemijskem inženirstvu. Sušenje poteka v rotacijskih sušilnikih, ki so sestavljeni iz vrteče, običajno rahlo nagnjene, valjaste lupine. Vlažna snov se vnaša v zgornji konec sušilnika, kjer se na podlagi rotacije suši. Naklon valjaste lupine služi za lažje odstranjevanje posušene snovi iz sušilnika. Poenostavljena shema direktno oz. neposredno gretega rotacijskega sušilnika je prikazana na sliki 5 – 1. Smer pretoka plina skozi valj narekujejo predvsem lastnosti vlažne snovi, ki jo želimo posušiti. Sotok se uporablja pri sušenju toplotno občutljivih snovi, medtem ko se protitok priporoča za sušenje vseh ostalih snovi, s čimer izkoristimo večjo toplotno učinkovitost. V prvem primeru pretok plina poveča stopnjo pretoka snovi, v drugem primeru pa jo zmanjša50 – 53.

Slika 5 – 1: Poenostavljena shema direktno gretega rotacijskega sušilnika16.

5.1.1 Vrste rotacijskih sušilnikov

Rotacijske sušilnike razvrščamo na direktne, indirektno-direktne, indirektne in na posebne vrste. Ta klasifikacija temelji na načinu prenosa toplote, ki je lahko direktna (toplota se dodaja ali odstranjuje iz snovi z neposredno izmenjavo plina in snovi), in indirektna, ko je grelni medij s pomočjo kovinske stene ali cevi ločen od stika s snovjo. Obstaja veliko število različic, ki predstavljajo pogonske karakteristike, primerne za sušenje, kemijske reakcije, mešanje, obnavljanje topila, termalnih sestavnih delov, sintranje in aglomeracija snovi53. Med glavne vrste rotacijskih sušilnikov prištevamo:

⇒ Direktni rotacijski sušilnik. Sestavljen je iz kovinskega cilindra oz. valja, opremljenega s pregradami ali brez njih. Primeren je predvsem za nizko in srednje temperaturne procese.



⇒ Direktno rotacijska peč. Sestavljena je iz kovinskega valja, ki je v notranjosti opremljen z izolacijskim ovojem, primernim za visoko temperaturne procese.

⇒ Indirektni parno-cevni sušilnik. Sestavljen je iz kovinske valjaste lupine z vzdolžno nameščenimi cevmi v svoji notranjosti. Primeren je za obratovanje do razpoložljive temperature pare, ali v procesih, ki zahtevajo vodno hlajenje cevi.

⇒ Indirektni rotacijski apnar.

Sestavljen je iz kovinskega valja, obdanega s ogrevalnimi pečmi. Primeren je pa za visoko temperaturne procese, kjer je najvišja dopustna temperatura 800 do 1000 K za plašč valja iz nerjavnega jekla, in 650 do 700 K za plašč iz ogljikovega jekla.

⇒ Direktni Roto-Louvre sušilnik.

Spada med posebne vrste in je morda najpomembnejši med njimi. Primeren je za nizko in srednje temperaturne procese. Rotacijski sušilniki lahko obratujejo v saržah ali kontinuirno. Direktno greti sušilniki (slika 5 – 2) so najpreprostejši in najbolj ekonomični. Uporabljajo se pri stiku snovi z nenevarnim plinom ali zrakom. Indirektni sušilniki težijo k zadostni količini plinskega toka, ki potuje skozi valj, z namenom, da odstrani hlape. Imajo pa to prednost, da so primerni za procese, ki zahtevajo posebni atmosferski plin in izključujejo zunanji zrak. Pomožna oprema za direktno ogrevani rotacijski sušilnik vsebuje sežigalne komore za obratovanje pri visokih temperaturah, in parne tuljave za obratovanje pri nizkih temperaturah. Pline prisilno vodimo preko valja z aspiratorjem ali s kombinacijo aspiratorja in puhala. Na koncu sušilnika so nameščeni zbiralniki ciklona, ki so namenjeni za odstranjevanje prahu iz izstopnega plinskega toka. V primeru dragih snovi in zelo finih produktov, se poleg vrečnatih zbiralnikov uporabljajo tudi ciklonski zbiralniki. V primeru toksičnih snovi ali plinov se lahko uporabljajo naprave za čiščenje plinov. Za zmanjšanje toplotnih izgub sušilnika (še posebno sotočnih direktno gretih sušilnikov) je potrebno opremo izolirati, s čimer tudi preprečimo morebitno pregretje v primeru višjih temperatur. Rotacijski sušilniki (direktno greti sušilniki in peči) so nadzorovani z merjenjem in kontrolo temperature plina na obeh koncih.

Slika 5 – 2: Shema tipičnega direktno gretega rotacijskega sušilnika s pregradami54.



Zunanji tolkači na lupini se pogosto uporabljajo za odstranjevanje lepljivih snovi iz pregrad in sten. Za sisteme, ki z električnim pogonom obratujejo pri temperaturi višji od 425 K, je obstoj pomožnih virov moči in gonil potreben, saj lahko v nasprotnem primeru zaradi zastoja oz. prekinitve električnega toka pride do povešenja valja53.

5.1.2 Konstrukcija pregrad

Izmed vseh vrst rotacijskih sušilnikov so direktno ogrevani rotacijski sušilniki, opremljeni s pregradami bili že v preteklosti proučevani v veliko večjem obsegu. Pregrade so običajno med seboj razmaknjene za 0,6 do 2 metra vzdolžno po cevi. Njihova oblika pa je odvisna od lastnosti snovi, ki jo želimo posušiti. Radialne pregrade z 908 usti se uporabljajo za prosto leteče snovi, ploske radialne pregrade brez ust pa za lepljive snovi. Običajna praksa je, da se v sušilniku po dolžini namestijo in razporedijo različne vrste pregrad, saj se lastnosti snovi med sušenjem v sušilniku spreminjajo. V prvem metru, ali več, so tako v sušilnik vgrajene spiralne pregrade, ki omogočajo boljšo razporeditev vlažnih snovi. Najpogostejše vrste vgrajenih pregrad so prikazane na sliki 5 – 353.

Slika 5 – 3: Vgrajene pregrade53. Pregrade a), b), c) in d) iz slike 5 – 3 se pogosto uporabljajo v kaskadnih rotacijskih sušilnikih. Prva vrsta je primerna za lepljive snovi in se nahaja v vlažnem koncu sušilnika. Purcell55 je za sušenje vlažnih snovi predlagal četrto, ki ima polkrožno obliko, saj naj bi jo bilo lažje oblikovati v primerjavi z b) in c) vrsto. Zadnji dve obliki (slika 5 – 3 e) in f)), s precej zapletenim profilom, sta bili predlagani na podlagi teorije za izboljšanje kvalitete sušenja v sušilniku. Obe vrsti je proučil Kelly51 in vsebujeta enako-kotno razporeditev (EAD) pregrad in centralno nagnjeno razporeditev (CBD) pregrad. Da bi zagotovili optimalno ugodno razporeditev pregrad po sušilniku, je pomembna predvsem količina in lastnosti snovi, ki jo želimo posušiti. Različne vrste pregrad lahko namreč obdržijo različno količino snovi, in če so premalo napolnjene, je obratovanje sušilnika neučinkovito. Prekomerna preobremenitev lupine se odraža v delu snovi, kjer je stik s plini omejen. Zadrževalni ali rezidenčni čas snovi se zmanjša in kakovost produkta postane morda nesprejemljiva. Kakovost obdržanih snovi na pregradi, je odvisna predvsem od geometrije in kotnega položaja le-teh. Na sliki 5 – 4 je prikazan kot φ, ki nastane med horizontalno in prosto površino snovi.



Slika 5 – 4: Obremenitev pregrad16,56. Schofield in Glikin57 sta določila kot φ iz ravnovesja ravnotežnih sil, ki delujejo na delec, ki bo padel iz pregrade. Na delec delujejo gravitacijska sila, centrifugalna sila in sila trenja. Tangens kota φ med horizontalno in prosto površino snovi se izračuna po enačbi:

)('

)('

θγθν

θγθνγϕ

cossin1sincos

tan⋅+⋅−

⋅−⋅+= (5.1)

kjer so:

γ – dinamični koeficient trenja delcev,

θ – kot , merjen glede na pregrade v središču bobna,

ν' = re ω2/g – razmerje delovanja centrifugalnih in gravitacijskih sil na delce.

g – gravitacijski pospešek in

ω – kotna hitrost bobna.

Rotacijski sušilniki običajno obratujejo v območju 0,0025 ≤ ν' ≤ 0,04. Kelly51 in Purcell55 sta ugotovila, da v primeru, ko imamo opravka s prosto letečimi snovmi s konstantno količino vlage, velja enačba (5.1) tudi za vrednosti do ν' ≤ 0,4. Razmerje konstruirane prostornine zadržanih snovi na enoto dolžine pravokotne pregrade je Glikin58 leta 1978 definiral z naslednjimi enačbami: 1. Za θ < φ:

)()(

θϕ −⋅⋅+−

⋅−⋅⋅= tan

211/2 2

rr

ršrV l

lr

lrhlH (5.2)

2. Za θ > φ, če θ – φ – β' < 0:

)()(

θϕ −⋅⋅−−

⋅−⋅⋅= tan

211/2 2

rr

ršrV l

lr

lrhlH (5.3)



in za θ – φ – β' ≥ 0 in tan(če θ – φ – β' ) < hš / lr:

[ ])'()(

βϕθβ −−+⋅⋅−−

⋅−⋅⋅= tantan

211/2 2

rr

ršrV l

lr

lrhlH (5.4)

3. Za θ > φ, če θ – φ – β' > 0 in tan(θ – φ – β') ≥ hš / lr:

)'( βϕθ −−⋅=

tan2

2š

V

hH (5.5)

Pregrade postanejo prazne za (θ – φ – β') = 90º, kjer je β' kot, merjen glede na pregrade v središču bobna. β' je podan z enačbo:

−⋅= −

r

š1tanlr

h'β (5.6)

Največja obremenitev nastopi pri θ = 0º in je enaka:

02r

r

ršrV0 tan

211/2

ϕ⋅⋅+−

⋅−⋅⋅= l

lr

lrhlH

))(( (5.7)

kjer je tanφ0 = ((γ + ν')/(1 – ν'γ)). Baker50 je podobne analize naredil tudi za druge pregrade (kotne in razširjene krožne), kjer celotna količina snovi v bobnu predstavlja 10 do 15 % prostornine le-tega. Dokazano je bilo, da takšno razmerje daje najbolj učinkovito delovanje, zato je pomembno, da boben vsebuje zadostno količino pregrad za razdelitev teh snovi. Ob predpostavki, da obstaja nf pregrad v lupini, bo razmik med vsako:

fi 360 n/°=θ (5.8)

V primeru pravokotnih pregrad je Glikin58 dokazal, da mora minimalna razdalja med njimi zadostiti enačbi:

0r ie tantan ϕβθ ⋅>−⋅ lr )'( (5.9)

Pri obremenitvi pregrad v spodnji polovici bobna je zgornja polovica pregrad zrcalna glede na vertikalno os. Če je število pregrad celo, potem je zajem snovi v pregradah konstruiranega bobna:

∑ −⋅= V0VD 2 HHH (5.10)

V enačbi (5.10) vsota vključuje zajem vsake pregrade posebej v zgornji polovici lupine oz. plašča, kje je 0º ≤ θ ≤ 180º. Prenovljena enačba, ki sta jo predlagala Kelly in O'Donnell59 ima obliko:

21fV0

D

)( +⋅=

nHH (5.11)

Ta zveza je bolj natančna, če delci padajo v celotnem zgornjem območju. Kljub temu pa v večini praktičnih primerov prenehajo padati pri θ ≤ 180º 51. Enačba (5.11) da vrednost HD veliko večjo od prave vrednosti. Glikin58 je dokazal, da je lahko njuna razlika tudi 80 % ali več.



Konstrukcijo pregrad ne določa le zajem snovi v bobnu, ampak tudi način odpadanja snovi iz pregrad. Kelly51 je objavil več podatkov o razporeditvi padajočih snovi v bobnu za pravokotne, polkrožne in kotne pregrade, vendar ni podal nobene podrobne informacije o geometriji teh. Povprečna razdalja padanja oz. padca snovi je odvisna od karakteristike lupine, pregrad in delcev ter je podana z enačbo:

∫

∫ ⋅= 0

V

0

VD

p

0

0

h

h

dH

dHll (5.12)

kjer sta:

H0 – dejanski zajem snovi na dolžino pregrade pri θ = 0, m3/m, in

HV – konstruirani zajem snovi na dolžino pregrade, m3/m.

Kelly51 je predlagal enačbo lD = De (sinθ/cosαe) za premalo naložen oz. obremenjen in konstruirano naložen boben:

∫

∫⋅= 0

V

0

V

e

ep

0

0

sin

cosh

h

dH

dHDl

θ

α (5.13)

kjer sta:

De – svetli premer bobna, m, in

αe – razmerje med svetlim območjem in prostornino sušilnika.

Enačbo (5.13) lahko zapišemo tudi v poenostavljeni obliki:

e

ep cos

2απ ⋅

⋅=

Dl (5.14)

V preobremenjenem bobnu se prične kaskadno padanje delcev pri θ = 0º, medtem ko se pri premalo obremenjenem bobnu prične šele med 0º in 180º, kjer postane dejanski zajem enak konstruiranemu. Povprečna razdalja padca delcev v preobremenjenem bobnu se izračuna z enačbo:

eR

ep cos

2απ ⋅⋅

⋅=

M

Dl (5.15)

kjer je:

MR = HT/HD ≥ 1

MR – razmerje med dejanskim in konstruiranim zajemom snovi.

Povprečna razdalja padca delcev v kaskadnem rotacijskem sušilniku se izračuna z en.:

eR

ebp cosα⋅

⋅=

M

Dl

k (5.16)



Konstanta kb je odvisna od geometrije pregrad. Vrednosti kb za različno oblikovane pregrade so podane v preglednici 5 – 1.

Preglednica 5 – 1: Vrednosti kb za različno oblikovane pregrade51.

Profil pregrade kb

polkrožna 0,570

polkrožno kotna razporeditev (EAD) 0,637

pravokotna 0,760

enaka horizontalna razporeditev (EHD) 0,784

centralno nagnjena razporeditev (CBD) 0,902

5.1.3 Rezidenčni čas – modeli

V rotacijskem sušilniku se delci gibljejo skozi sušilnik s tremi ločenimi in neodvisnimi mehanizmi, ki bodo na kratko prestavljeni v nadaljevanju.

⇒ Kaskadno gibanje Se pojavi kot posledica učinka dvigovanja pregrad in nagiba sušilnika. V primeru, da delci v brezzračnem prostoru padajo navpično je gibanje delcev enako De (sinθ/tanθ)16.

⇒ Učinek peči Je gibanje, ki se pojavi, ko delci drsijo bodisi drug preko drugega, ali preko kovinske površine v spodnji polovici lupine. Zaradi nagiba sušilnika delci potujejo proti izhodu. Takšno gibanje se lahko pojavi tudi v bobnih, brez nagiba kot posledica »hidravličnega gradienta« snovi59.

⇒ Poskakovanje delcev To gibanje se pojavi, ko se padajoči delci odbijajo od površine lupine ali od plasti delcev. Nagib sušilnika poveča poskakovanje delcev. Povprečni rezidenčni čas (ali čas prehoda oz. zadrževalni čas) se določi z enačbo:

msT qH /=τ (5.17)

kjer sta:

HT – dejanski zajem snovi, m3 in

qms – masni pretok snovi, kg/s.

Teoretično je zajem možno izmeriti tudi direktno, vendar je takšno merjenje težavno, saj moramo sušilnik najprej izprazniti in stehtati53. Za določitev razporeditve rezidenčnih časov sta Miskell in Marshall60 uporabila 496 µm pesek z radioaktivnimi sledili v bobnu s pregradami in s 0,14 metrskim premerom. Ugotovila sta, da je rezidenčni čas normalno razporejen. Fan in Ahn61 sta dokazala, da osna razporeditev opisuje že navedene rezultate. Porter in Masson62 pa sta ugotovila, da



se pojavljajo majhna odstopanja. Zaradi tega odstopanja sta Johnstone in Singh63 za izračun povprečnega rezidenčnega časa predlagala enačbo:

'

)(

αντ

tan

0,0433

b

1/2b

⋅⋅

⋅⋅=

D

nL (5.18)

kjer so:

τ – povprečni rezidenčni čas, min,

Lb – dolžina bobna sušilnika, m,

Db – premer bobna sušilnika, m,

ν – vrtilna hitrost, (rpm = r/min),

tanα' – naklon bobna in

n – dinamični kot snovi v mirujočem stanju.

Sullivan64 je predlagal za rotacijske sušilnike brez pregrad enačbo:

'

)(

αντ

tan0,0310

b

1/2b

⋅⋅

⋅⋅=

D

nL (5.19)

Obsežnejšo eksperimentalno študijo o količinah snovi v rotacijskih sušilnikih je naredil Prutton65. Predlagal je enačbo:

60tand

b

bf v

D

L ⋅+

⋅⋅

⋅=

k

'

k

αντ (5.20)

kjer sta:

kf – brezdimenzijska konstanta, ki odvisna od števila pregrd nf, in

kd – konstanta, ki je odvisna od velikosti in specifične teže delcev ter od smeri

zračnega pretoka, s2/m.

Vrednost konstante kf je 0,275 za 6 pregrad in 0,375 za 12 pregrad. Vrednost konstante kd pa je 177 do 531 s2/m za sotočni pretok in 236 do 945 s2/m za protitočni pretok. Ker en. (5.20) ne daje natančnih rezultatov sta Perry in Chilton66 predlagala enačbo:

'αντ

tan0.23

0.9b

b

⋅⋅

⋅=

D

L (5.21)

Enačba je nastala na osnovi eksperimentalnih podatkov, ki sta jih definirala Friedman in Marshall67. Prestavlja pa obsežno študijo o rezidenčnih časih.



Naslednja enačba predstavlja vpliv hitrosti zraka za vrednosti do 1 m/s:

ai0a Gxx ⋅±= k (5.22)

kjer so:

xa – zajem snovi izražen kot odstotek prostornine bobna s pretokom zraka,

x0 – zajem snovi izražen kot odstotek prostornine bobna brez pretoka zraka,

Ga – pretok plina, kg/(h m2),

ki = 16,9/dp1/2 ρbs dimenzijska konstanta,

dp – premer povprečnih delcev, µm in

ρbs – kopičena gostota snovi, kg/m3.

Pri sotočnem toku upoštevamo negativni predznak, za protitočni tok pa pozitivni. Ker konstanta ki ni bila zadostno dokazana, sta Saeman in Mitchell68 predlagala enačbo, ki temelji na teoretični analizi prenosa snovi skozi sušilnik:

)k'()( zebT

b

tan vDHf

L

⋅±⋅⋅⋅=

αντ (5.23)

kjer so:

f(HT) – kaskadni faktor, ki niha med 2 in π,

ν – vrtilna hitrost, (rpm = r/min),

ke – empirična konstanta, ki je odvisna od snovi in

vz – hitrost plina, m/s.

Vrednost f(HT) je 2 za rahlo naložen sušilnik, in π za zelo obremenjen sušilnik z majhnimi pregradami. Pozitiven predznak pomeni sotok, negativen predznak pa protitok. Saeman69 je razvil model za oceno konstante ki, vendar je zaključil, da jo je zaradi težko dosegljivih parametrov, ki so potrebni za izračun, lažje izmeriti. Schofield in Glikin57 sta predlagala naslednjo enačbo:

+

⋅⋅

⋅−⋅= p2

zap

b 1sin

tgvl

L

νσατ

))/(k'( (5.24)

kjer so:

lp – povprečna razdalja padajočih delcev, m,

α' – naklon bobna,

vz – hitrost plina, m/s,



g – gravitacijski pospešek, m/s2,

ν – vrtilna hitrost, rpm,

σ = 180/θ – parameter,

tp = (2 lp/g)1/2 – čas povprečnih padajočih delcev (tp<<1/σν – dokazal Kelly59 ter

ka = 1,5 f ρz /dp ρP – konstanta, ki je odvisna od zračnega upora f, gostote zraka ρz,

premera delcev dp in od gostote delcev ρp.

Enačba, ki jo je predpostavil Glikin58 velja za EAD pregrade:

)/()/( ττ bb 0,69 LL ⋅≈ (5.25)

kjer je hitrost povprečnih delcev:

V0V0

bp

V0 sindH

H

zLv

H

∫⋅==θ

θτ )/( (5.26)

[ ]'/)/'( αανπ cossin 2rae gvkDz ⋅±⋅⋅⋅= – parameter,

HV0 – vrednost HV pri θ = 0º, m3/m in

1/2pzr 2sin1/2 )(')( lgvv ⋅⋅⋅⋅±= α – relativna hitrost med delci in plinom.

Pozitiven predznak v enačbah velja za protitočni tok, negativen predznak pa za sotočni tok. Glikin je dokazal, da se v primeru sotočnega toka rezidenčni čas τ povečuje z velikostjo delcev dp, medtem ko v primeru protitočnega toka velja ravno nasprotno. Da bi pojasnil razlike med enačbami je podal enačbo, ki temelji na eksperimentalnih rezultatih, ki jih je predlagal Kelly51 in veljajo za EAD pregrade:

+

⋅−⋅⋅

−⋅= pR0

zp

eff

21

11

sintM

vfl

Lz

να )(' (5.27)

bceff LL ⋅= k (5.28)

kjer je:

Leff – dolžina bobna, kjer delec potuje s kaskadnim gibanjem, m,

MR0 – razmerje med dej. pregradnim zajemom in konstruiranim zajemom pri θ = 0º,

tp – čas povprečnih padajočih delcev,

kc – konstanta in

Lb – dolžina bobna, m.



Za konstanto kc je Kelly59 predlagal empirično enačbo:

b'bk +⋅= Rc M (5.29)

kjer sta b in b' funkciji vrtilne hitrosti. Vrednosti so podane v preglednici 5 – 2. Preglednica 5 – 2: Vrednosti konstant b in b'.

ν /rpm 0,4 < MR < 1,0 1,0 < MR <1,6

b b' b b'

8 0,530 -0,124 -0,280 0,672

24 0,719 -0,178 -0,426 0,932

Enačbe, ki so jih predlagali Schofield in Glikin57, Kelly59, in Glikin58 so videti najbolj natančne v primerih, ko je pretok plina enak 0. Pod temi pogoji predstavlja Kelly-ev model najboljše ujemanje z eksperimentalnimi podatki. Schofield in Glikin sta namreč napovedala veliko večje rezidenčne čase od eksperimentalnih. Za oceno koeficienta trenja sta Kelly in Glikin uporabila enačbo Schiller-erja in Naumann-a. Slika 5 – 5 prikazuje učinek nagiba sušilnika na rezidenčni čas pri ničelnem pretoku zraka, medtem ko slika 5 – 6 prikazuje rezidenčni čas v odvisnosti od hitrosti zračnega toka in velja za sotočni tok.

Slika 5 – 5: Rezidenčni časi različnih avtorjev za ničelni pretok zraka16.

Slika 5 – 6: Rezidenčni časi različnih avtorjev za sotočni pretok zraka16. (1) Sullivan; (2) Johnstone in Singh; (3) Prutton; (4) Friedman in Marshall; (5) Seaman in Mitchell; (6) Schofield in Glikin; (7) Kelly; (8) Glikin.



5.1.4 Prenos toplote in snovi v rotacijskih sušilnikih

Med sušenjem v sušilniku se snovem dovaja toplota, ki je potrebna za izhlapevanje vlage. Prenos toplote skozi direktno grete rotacijske sušilnike podaja enačba:

lmbeVpt TVUQ ∆⋅⋅⋅= α& (5.30)

kjer so:

ptQ& – stopnja prenos toplote, W,

UVαe – prostorninski koeficient prenosa toplote, W/(m3K),

Vb – prostornina bobna, m3 in

∆Tlm – povprečna logaritemska temperaturna razlika, K.

Miller70, Friedman in Marshall67 ter Seaman in Mitchell68 so opravili veliko raziskav za oceno UVαe. Koeficient UVαe je zmnožek UV – koeficienta toplotne prehodnosti, ki se nanaša na svetlo območje, kjer je plin v stiku s snovjo, in αe – razmerja tega območja s prostornino sušilnika. V primeru, kadar je odstranjena velika količina površinske vlage iz snovi, katerih temperatura je neznana, je dobro uporabiti približek ∆Tlm. To je povprečna temperaturna razlika med temperaturo mokrega termometra vstopnega sušenega zraka in izstopnega zraka iz sušilnika. Miller70, ki je predstavil prvo obsežnejšo študijo prenosa toplote v rotacijskih sušilnikih, je ugotovil, da število pregrad v sušilniku vpliva na celotno stopnjo prenosa toplote. Predlagal je sledeči enačbi:

lm0,46a

fbbpt 2

11,02 TG

nDLQ ∆⋅⋅

−⋅⋅⋅=

)(& za 6 pregrad (5.31)

lm0,60a

fbbpt 2

10,228 TG

nDLQ ∆⋅⋅

−⋅⋅⋅=

)(& za 12 pregrad (5.32)

Če primerjamo enačbi (5.31) in (5.32) s splošno en. (5.30) lahko prostorninski koeficient za vsako izrazimo z naslednjima enačbama:

0,46a

1bfeV 10,652 GDnU ⋅⋅−⋅= −

)(α za 6 pregrad (5.33)

0,60a

1bfeV 10,145 GDnU ⋅⋅−⋅= −

)(α za 12 pregrad (5.34)

Študije kažejo, da je stopnja prenosa toplote neodvisna od nagiba valjaste lupine, s in od njene vrtilne hitrosti,ν . Neodvisna pa je tudi od rezidenčnega časa ter od velikosti pregrad. Friedman in Marshall67 sta ugotovila, da se v praksi število pregrad nahaja v območju:

9,846,56 bf ≤≤ )/( Dn (5.35)

V primeru, da je nf >> 1, lahko uporabimo enostavnejšo obliko enačbe:

0,46ageV GU ⋅= kα (5.36)

kjer se konstanta kg nahaja v območju: 4,3≤ kg ≤ 6,4.



Najpreprostejša in precej konzervativna enačba ima obliko:

bapeVh DGU /k

k⋅=α (5.37)

kjer so:

kp – proporcionalna konstanta,

Ga – pretok plina na enoto površine preseka sušilnika, kg/(m2h),

Db – premer bobna in

kh – konstanta.

Na osnovi podatkov Friedmana in Marshalla67 imata konstanti vrednosti: kp = 44 in kh = 0,16. Drugi parametri, kot so površina delcev, imajo manj vpliva na koeficient UVαe. Stopnja prenosa toplote med plinom in snovjo, ki temelji na dolžini sušilnika se določi z enačbo:

lmbeLpt TLUQ ∆⋅⋅⋅= α& (5.38)

kjer je:

ULαe – dolžinski koeficient prenosa toplote, W/(m K).

Zveza med koeficientoma UVαe in ULαe je:

eV

2b

eL 4α

πα U

DU ⋅

⋅= (5.39)

Za sodobne sušilnike je predlagana enačba:

lm0,67abblmb

b

0,67a

pt 0,40,5

TGDLTVD

GQ ∆⋅⋅⋅⋅=∆⋅⋅

⋅=& (5.40)

Različne metode za oceno prenosa toplote med sušenjem lahko uporabijo brez-dimenzijske enačbe tipa lj

kkk

PrRek ⋅⋅=Nu . Zaradi povezave Reynolds-ovega števila s faktorjem prenosa toplote, jH je te enačbe mogoče spremeniti v naslednjo obliko:

nmH

kRek ⋅=j (5.41)

kjer so:

Nu – Nusselt-ovo število,

Pr – Prandtl-ovo število,

Re – Reynolds-ovo število in

kj, kk, kl, km in kn – konstante.



Chilton-Colburn-ova analogija (ali preprosto Colburn-ova analogija), ki temelji na empirični korelaciji, se izrazi z enačbo:

2DH /fjj == (5.42)

kjer so:

f – faktor trenja,

jD – faktor prenosa snovi in

jH – faktor prenosa toplote, ki je podan kot:

2/3

pzzz

2/3H PrPr ⋅

⋅⋅=⋅=

cvStj

ρ

α (5.43)

kjer je:

)/( pzzz cvSt ⋅⋅= ρα – Stanton-ovo število,

α – toplotna prestopnost,

ρz – gostota zraka, kg/m3,

vz – hitrost zraka, m/s in

cpz – specifična toplota zraka.

Vrednost f /2 v en. (5.42) je samo v primeru, če imamo opravka s preprostimi oblikami, kot so ravne površine ali ravne notranje cevi. Če poznamo faktor prenosa toplote, poznamo tudi faktor prenosa snovi, zato lahko enostavno izračunamo tudi npr. difuzijski koeficient. Slika 5 – 7 prikazuje faktor prenosa toplote v odvisnosti od Reynolds-ovega števila za rotacijsko sušenje različnih snovi. Slika 5 – 8 pa prikazuje niz variant faktorja prenosa toplote v odvisnosti od Re števila za rotacijsko sušilni proces, v primerjavi z drugimi termalnimi procesi.

Slika 5 – 7: Faktor prenosa toplote v odvisnosti od Re števila za različne snovi16.



Slika 5 – 8: jH v odvisnosti od Re števila za rotacijsko sušilni proces16. Vstopna temperatura plina v direktno ogrevanem sušilniku ostane praviloma stalna s pomočjo grelnih medijev (400 do 450 K za paro ter 800 do 1100 K za olje in plinske gorilnike). Nižjih temperatur se poslužujemo le v primeru, če obstajajo omejitve zaradi snovi in lupine sušilnika. Izstopna temperatura plina se lahko določi z enačbo:

mz2z1T )/()( TTTN ∆−= (5.44)

kjer so:

NT – število enot za prenos toplote na plinski osnovi,

Tz1 – vstopna temperatura plina, K,

Tz2 – izstopna temperatura plina in

(∆T)m – povprečna temperaturna razlika med vročim plinom in materialom, K.

Premer rotacijskega sušilnika je lahko velik od 0,3 metra in tudi več kot 3 metre. Najbolj učinkovito sušenje dobimo takrat, ko je razmerje L/D med 4 in 10, kar pomeni, da mora biti dolžina sušilnika od 4 do 10-krat večja od premera sušilnika. Prostornina sušilnika, ki je napolnjen s snovjo med procesom je 10 do 15 %16.

5.1.5 Analize energije in stroškov

Moč, potrebno za zagon sušilnika s pregradami lahko izračunamo iz enačbe:

1000000,330,19254,75 rrrsb )(

KMmmDmD ⋅+⋅⋅+⋅⋅⋅

=ν (5.45)

kjer so:

KM – konjska moč (1 KM = 735,49875 W),

ν – vrtilna hitrost, rpm (1rpm = r/min),



Db – premer bobna, m,

ms – masa snovi, kg,

mr – masa rotirajočega dela sušilnika (enota s snovjo) in

Dr – premer rotacijskega obroča, m.

Ocenjena vrednost premera obroča: Dr = (Db+ 2). Ocenjeni stroški za rotacijski sušilnik s parno ogrevanim zrakom, vključno s pomožnimi podsistemi, kot so lamelni grelniki zraka, prehodni deli, pogon, zbiralnik produkta, ventilator in cevi, se gibljejo okoli 100.000 USD za sušilnik velikosti 1,219 m 7,62 m ter okoli 320.000 USD za sušilnik velikosti 3,048 m 16,767 m. Zmogljivosti izhlapevanja teh dveh sušilnikov sta 136 in 861 kg/h oziroma, če imajo izpust se ti vrednosti povišata in znašata okoli 408 kg/h za manjši sušilnik in okoli 2586 kg/h za večji sušilnik. V primeru visoko-temperaturnih procesov, kjer so potrebni tudi gorilnik in zgorevalne komore se strošek poviša. Celotni montažni stroški, ki vključujejo razporeditev gradbenega prostora, instrumentacijo,..itd. znašajo okoli 150 do 300 % vrednosti nabavne cene. Obratovalni stroški vključno z gorivom, električno energijo in 5 do 10 % delovnikom delavca, letno znašajo 5 do 10 % vrednosti montažnih stroškov. Zgoraj navedene cene veljajo za sušilnike iz ogljikove jeklene konstrukcije. Vrednost sušilnikov iz 304 nerjavnega jekla je okoli 50 % višja16.

5.1.6 Model za celotno konstrukcijo rotacijskih sušilnikov

Eden od načinov za oceno časa potrebnega za sušenje snovi je uporaba t.i. sušilne konstante, kM, ki jo lahko eksperimentalno določimo z uporabo aparatur, v katerih zrak potuje preko vlažne snovi. V teh napravah so temperatura, vlažnost in hitrost zraka, med kontroliranjem vlage v snovi, pod stalnim nadzorom. Raziskave so pokazale, da je sušilna konstanta odvisna od parametrov sušenega zraka, zato jo lahko izrazimo kot njihovo funkcijo v splošni enačbi:

),,(k vxTf=M (5.46)

Izpeljano analitično korelacijo, ki jo dobimo s primerjanjem enačbe (5.46) in eksperimentalnih podatkov lahko zapišemo z enačbo:

321

z

z

z

z

z

z0M

kkk

kk

⋅

⋅

⋅=

v

v

x

x

T

T (5.47)

kjer so:

zz xT , in zv – parametri, ki predstavljajo povprečne vrednosti; Tz, xz in vz zraka in

k0, k1, k2, in k3 – konstante.



Slika 5 – 9 prikazuje tipične krivulje, ki izražajo sušilno konstanto v odvisnosti od temperature za različne vlažnosti in hitrosti zraka.

Slika 5 – 9: Tipične sušilne krivulje16. Za konstrukcijo rotacijskega sušilnika je Krokida71 predlagal model, ki temelji na oceni kinetike sušenja snovi, izražene na podlagi podatkov iz laboratorijskih poskusov, ter na podlagi izračunov rezidenčnega časa sušilnika z uporabo empiričnih enačb. Z izračunom velikosti in karakteristik sušilnika, kakor tudi pogojev obratovanja za dane specifikacije procesa, lahko zmanjšamo celotne stroške sušenja. Specifikacije vključujejo masni pretok snovi qms ter vstopno in izstopno vlažnost snovi xs1 in xs2. Med karakteristike sušilnika spadajo premer sušilnika D, razmerje med dolžino in premerom L/D, razmerje med dejanskim zajemom in prostornino HT/V, razmerje med številom pregrad in premerom nf/D ter naklon valjaste lupine s. Sušilni pogoji vključujejo tudi vstopno temperaturo Tz1 in hitrost izpušnih plinov pri temperaturi Tz2. Poenostavljen diagram procesa sušenja, ki zajema gorilnik in sušilnik je prikazan na sliki 5 – 10. Matematični model procesa je sestavljen iz dveh delov, iz enote za gorilnik in iz enote za sušilnik.

Slika 5 – 10: Poenostavljen diagram gorilnika in rotacijskega sušilnika16.



5.1.6.1 Gorilnik

Ob predpostavki, da je gorivo ogljikovodik s toploto zgorevanja ∆hf/(J/kg) in deležem vodika CH /(kg/kg), kjer sta reakciji zgorevanja; C+ → CO2 in H2 + 1/2O2 → H2O, je 9 CH kg vodnih hlapov proizvedenih na 1 kg goriva. Velja:

mgHmvh 9 qCq ⋅⋅= (5.48)

kjer sta:

qmvh – stopnja proizvodnje vodnih hlapov ali pare, kg/s in

qmg – masni pretok goriva, kg/s.

Matematični model bilanc za gorilnik je podan z naslednjima enačbama, ki opisujeta proces zgorevanja:

mgz0mz0z1mz 11 qxqxq ++⋅=+⋅ )()( (5.49)

mvhz0mz0z1mz qxqxq +⋅=⋅ (5.50)

kjer so:

qmz0 – masni pretok svežega zraka, ki vstopa v gorilnik, kg/s,

qmz – masni pretok dimnih plinov, ki izstopajo iz gorilnika, kg/s,

xz0 – vlažnost vstopnega oz. svežega zraka v gorilnik in

xz1 – vlažnost dimnih plinov.

Ob predpostavki, da imajo plini enake termične lastnosti kot zrak, lahko uporabimo naslednjo enačbo:

fmgz0z1pAz1mz 1 hqTTcxq ∆⋅=−⋅⋅+⋅ )()( (5.51)

kjer je:

Tz1 – temperatura izstopnega plina iz gorilnika, K,

Tz0 – temperatura atmosferskega zraka, K in

cpA – specifična toplota mešanice plinov (pare in zraka), J/(kg K).

5.1.6.2 Sušilnik

Naslednje enačbe opisujejo snovne in energijske bilance za sušilnik. - Snovna bilanca za vodo:

)()( s2s1msz2z1mz xxqxxq −⋅=+⋅ (5.52)

kjer sta:



xz1 – vlažnost plinov, ki vstopajo v sušilnik (je enaka vlažnosti plinov, ki izstopajo

gorilnika),

xz2 – vlažnost izstopnih plinov iz sušilnika.

- Energijska bilanca:

01 s2s1VhmSz2z1z1pAmz =−⋅∆⋅+−⋅−⋅⋅ )()()( xxhqTTxcq (5.53)

kjer so:

cpA – specifična toplota mešanice zraka in pare, J/(kg K),

∆hvh – latentna izparilna toplota vodne pare, J/kg in

Tz2 – izstopna temperatura mešanice zraka in pare, K.

5.1.6.3 Kinetika sušenja

Kinetiko sušenja lahko izrazimo s sledečim dobro poznanim kinetičnim modelom prvega reda:

)k(*)(

*)(t

xx

xx⋅−⋅=

−

−M

0

k exp (5.54)

kjer so:

x0 in xk – začetna in končna vlažnost,

t – časovni interval,

kM – sušilna konstanta in

x* – ravnotežna vlažnost.

Ker je konstanta sušenja odvisna od plina, lahko uporabimo naslednjo empirično enačbo:

3210M

kkkk),,(k vxTvxT ⋅⋅⋅= (5.55)

kjer so:

T, x, v – temperatura, vlažnost in hitrost sušenega zraka ter

k0, k1, k2, in k3 – konstante.

Ravnotežno vsebnost vlage v snovi, kot funkcijo aktivnosti vode in temperature okoliškega zraka, lahko izračunamo s korelacijo:

3

w

w

z

21 1

expb

)(

bb*

−⋅

⋅⋅=

α

α

Tx (5.56)



kjer so:

αw – aktivnost vode in

b1, b2, b3 – karakteristične konstante.

Absolutno vlažnost sušenega zraka lahko določimo z enačbo:

[ ][ ]))((

)(

z0w

z0w

Tpp

TpMx

⋅−

⋅⋅=

α

α (5.57)

kjer sta:

M = 0,622 – molekularno razmerje med vodo in zrakom in

p0(Tz) – tlak vodne pare pri temperaturi Tz.

Tlak vodne pare pri temperaturi Tz lahko izračunamo z enačbo:

)(a

aa)(

z3

21z0ln

TTp

+−= (5.58)

kjer so a1, a2 in a3 konstante.

5.1.6.4 Rezidenčni čas

Rezidenčni čas (τ ) se izračuna z enačbo:

msscel qm /=τ (5.59)

kjer je:

mscel – celotna masa snovi v sušilniku, kg.

Povezavo med mscel in dejanskim zajemom snovi v sušilniku podaja enačba:

Tdscel 1 Hm ⋅⋅−= ρε )( (5.60)

kjer so:

ε – poroznost,

ρd – gostota delcev, kg/m3 in

HT – dejanski zajem snovi, m3.

Na splošno velja, da je rezidenčni čas v rotacijskem sušilniku odvisen od njegove dolžine, premera, nagiba in vrtilne hitrosti. Povezavo med njimi podaja empirična enačba72:

)/()/(

k

1000,1053600

b

b

sD

L

⋅⋅

⋅⋅=

ντ (5.61)



kjer je:

k – empirična konstanta.

Ker obstaja povezava med HT in številom pregrad, velja enačba:

b0fT 10,5 LHnH ⋅⋅+⋅= )( (5.62)

kjer sta:

H0 – zajem snovi na dolžino pregrade pri θ = 0º, m3/m in

nf – število pregrad.

5.1.6.5 Geometrijske omejitve

K matematičnemu modelu spadajo naslednje geometrijske omejitve: 5 % < HT/Vb < 15 % 2 % < Lb/Db < 20 % 5 % < nf/Db < 10 %

⇒ Ocena stroškov pri procesu sušenja: Stroški na enoto za proces CP /(EUR/kg) se določijo po enačbi:

)( kmsop

TP 1 xq

t

CC +⋅⋅= (5.63)

kjer sta:

CT – skupni letni stroški, EUR/leto in

top – letni obratovalni čas.

Skupni letni stroški so podani z enačbo:

opeqT CCeC +⋅= (5.64)

kjer so:

Ceq – letni stroški opreme, EUR/leto,

Cop – letni obratovalni stroški, EUR/leto in

e – faktor vračila kapitala.

Vrednost faktorja vračila kapitala izračunamo po enačbi:

111

−+

+⋅=

N

N

i

iie

)(

)( (5.65)



kjer sta:

i – letna obrestna mera in

N – življenjska doba (čas posojila), let.

Ob predpostavki, da se za oskrbo toplote uporablja peč, na ceno opreme vplivata velikost sušilnika in poraba goriva. Velja enačba:

GSmgGSeq

nnqkAC ⋅⋅+⋅= αα (5.66)

kjer so:

A – površina sušilnika, m2,

αS in αG – stroški na enoto za sušilnik in gorilnik ter

nS in nG – luščilna faktorja sušilnika in gorilnika.

V obratovalne stroške so vključeni stroški energije in goriva. Določimo jih po enačbi:

opgmgopeeop tCqtCPC ⋅⋅+⋅⋅= (5.67)

kjer so:

Pe – električna moč (energija) ter

Ce in Cg – stroški elektrike in goriva.

Električna moč, potrebna za vrtenje valja se določi po enačbi73:

)(k Sscelboe mmDP +⋅⋅⋅= ν (5.68)

kjer sta:

ko – empirična konstanta in

mS – masa sušilnika, kg.

Masa sušilnika se določi po enačbi:

x

2

MS

2dLD

Dm ⋅

⋅⋅+

⋅⋅⋅= π

πρ

4 (5.69)

kjer so:

D – premer sušilnika, m,

dx – debelina stene sušilnika, m,

L – dolžina sušilnika in

ρM – gostota kovine, kg/m3.



Stroške za procesne enote (sušilnik in gorilnik) lahko minimiziramo s spreminjanjem dveh pomembnih odločilnih spremenljivk – temperature sušilnega zraka in hitrosti. Pri izračunavanju spremenljivk je dovoljeno spreminjati temperaturo sušilnega zraka, medtem ko hitrost ostane konstantna. S povišanjem temperature se posledično povečajo stroški obratovanja, medtem pa se stroški opreme zmanjšajo. Za podano hitrost zraka, dosežejo skupni stroški maksimum pri specifični temperaturi zraka. Slika 5 – 11 prikazuje skupne stroške na enoto kot funkcijo temperature zraka za različne hitrosti.

Slika 5 – 11: Skupni stroški na enoto v odvisnosti od T zraka pri različnih hitrostih16. Enačbe, ki sledijo v nadaljevanju, so osnova izračuna celotne porabe toplote v procesu sušenja vlažne snovi. Masni pretok vstopne snovi,

)( 0mpms1 1 xqq +⋅= (5.70)

kjer sta:

qmp – količina proizvedene snovi in

x0 – začetna vsebnost vlage.

Masni pretok izstopne snovi,

)( kmpms2 1 xqq +⋅= (5.71)

kjer je:

xk – končna vsebnost vlage

in pretok izparilne vlage,

ms2ms1mv qqq −= (5.72)



Toplota, ki jo dovaja vroč zrak se uporablja za pet različnih postopkov:

⇒ za izhlapevanje vode, ki zapusti snov:

vmv1 hqQ ∆⋅=& (5.73)

kjer je:

∆hv – izparilna toplota vode,

⇒ za segrevanje pare iz začetne temperature mokrega termometra zraka do končne

oz. izstopne temperature zraka:

)( mz2pvmv2 TTcqQ −⋅⋅=& (5.74)

kjer so:

cpv – specifična toplota pare, J/(kg K),

Tz2 – izstopna temperatura zraka, K, in

Tm – temperatura mokrega termometra vstopnega zraka, K,

⇒ za segrevanje vode, ki izhlapi iz svoje začetne temperature, ki jo ima ob vstopu v

sušilnik, do temperature mokrega termometra zraka:

)( s1mpwmv3 TTcqQ −⋅⋅=& (5.75)

kjer sta:

cpw – specifična toplota vode, J/(kg K), in

Ts1 – vstopna temperatura snovi, K,

⇒ za segrevanje suhe snovi, iz njene vstopne temperature do njene izstopne T:

)( s1s2psmp4 TTcqQ −⋅⋅=& (5.76)

kjer sta:

cps – specifična toplota snovi, J/(kg K), in

Ts2 – izstopna temperatura snovi, K,

⇒ za segrevanje vode, ki ostane v končnem produktu, od vstopne temperature do

izstopne temperature snovi:

)( s1s2pwkmp5 TTcxqQ −⋅⋅⋅=& (5.77)

Celotna toplota, ki je prenesena k snovi, je podana z naslednjo korelacijo:

)()( 543211 QQQQQQ &&&&&& ++++⋅+= α (5.78)



kjer je:

α – faktor, ki predstavlja toplotne izgube.

Ocenjena vrednost toplotnih izgub, ki se pojavijo zaradi prevajanja (med zunanjo površino sušilnika in atmosferskim zrakom) in predvsem zaradi radiacije, znaša okoli 7,5 do 10 % porabljene toplote. Največja količina toplote, ki se porabi za izhlapevanje vlage, je podana z razmerjem

QQ && /1=β (5.79)

Pretok zraka qmz, ki je potreben za prenos zadostne količine toplote,

)( z2z1pzmz

TTc

Qq

−⋅=

& (5.80)

kjer sta:

cpz – specifična toplota zraka, J/(kg K), in

Tz1 – vstopna temperatura zraka, K.

Za oceno premera D sušilnika uporabimo enačbo:

dov

mz4vj

qD

⋅⋅

⋅=

π (5.81)

kjer sta:

j – faktor in

vdov – dovoljena masna hitrost zraka, kg/(m2 s).

Končna vlažnost zraka xz2 oz. vlažnost izstopnega zraka,

mz

mvz1z2

q

qxx += (5.82)

kjer je:

xz1 – začetna vlažnost zraka.

Prostornina sušilnika V se izračuna po enačbi:

ss

ms2

ρ⋅

⋅=

H

qτV (5.83)

kjer so:

τ – rezidenčni čas snovi, s,



qms2 – masni pretok izstopne snovi, kg/s,

Hs – razmerje med količino snovi v sušilniku in prostornino sušilnika,

ρs – gostota snovi, kg/m3.

Dolžina sušilnika L je podana s korelacijo:

2

4D

VL

⋅

⋅=

π (5.84)

Za optimalno delovanje je v praksi priporočeno razmerje L/D v razponu 4 do 10. Število enot, ki so potrebne za prenos toplote NT podaja enačba:

−

−=

mz2

mz1T ln

TT

TTN (5.85)

Potrebno število enot za učinkovito obratovanje, ocenjeno na podlagi praktičnih izkušenj, je okoli 1,5 do 2,553. Za segrevanje zraka se uporablja parno-zračni toplotni izmenjevalec, čigar količina energije zadostuje za ogrevanje zračnega toka od začetne atmosferske temperature Tz, do vstopne temperature zraka Tz1. Velja enačba:

)( zz1pzmzob TTcqQ −⋅⋅=& (5.86)

Kot grelni medij se uporablja para pri temperaturi Tvh. Poraba pare je:

vhobmvh hQq ∆= /& (5.87)

kjer je ∆hvh – izparilna toplota pare, J/kg.

Toplotni izkoristek sušilnika je podan z enačbo:

ob

54321th

Q

QQQQQn

&

&&&&& ++++= (5.88)

5.1.7 Zaključek

Do nedavnega je oblikovanje sušilnikov temeljilo na izkušnjah proizvajalcev in dobaviteljev. Takrat je bilo, zaradi raznolikosti sušilne opreme in trdih snovi, manj pozornosti namenjene matematičnim modelom ter teoretičnim pristopom. Običajna praksa pri konstrukciji sušilnikov je bila gradnja večjih in neučinkovitih sušilnikov, ki jih danes nadomeščajo manjši in učinkovitejši sušilniki. V zadnjih letih je bilo objavljenih mnogo modelov in simulacij sušilnikov, ki so spodbudili razumevanje posameznih procesov. Razvoj univerzalnega modela rotacijskega sušilnika, ki združuje kaskadno gibanje delcev s prenosom toplote in snovi, pa je kljub temu ostal vprašljiv16.



5.2 Eksperimentalni del

V eksperimentalnem delu smo z uporabo Mathcad programa, na podlagi znanih podatkov za direktni rotacijski sušilnik (DRD) in za sušilnik s fluidiziranim slojem (FBD), izvedli ustrezne izračune.

5.2.1 Primer 1

V prvem primeru smo minimizirali stroške in ocenili modelne spremenljivke, z uporabo modela, kot ga je predlagal McAdams74. Pri tem smo uporabili podatke v preglednici 5 – 3. Rezultate podaja preglednica 5 – 4. Preglednica 5 – 3: Podatki za izračun procesnega modela za DRD – primer 1.

Specifikacije procesa

Masni pretok vlažne snovi qms 1,111 kg/s

Začetna vsebnost vlage v snovi xs1 0,95 kg/kg

Končna vsebnost vlage v snovi xs2 0,10 kg/kg

Temperatura atmosferskega zraka Tz0 298,15 K

Termofizikalne lastnosti

Specifična toplota zraka cpz 1180 J/(kg K)

Toplota zgorevanja ∆hf 1500000 J/kg

Poroznost ε 0,48 /

Konstanta

Empirična konstanta v en. (5.61) k 0,003 /

Ekonomski podatki75 – 77

Stroški elektrike76 Ce 0,05313 EUR/(kW h)

Stroški opreme (preračunani na N let)77 Ceq 40450 EUR/leto

Stroški na enoto za proces CP 0,00613 EUR/kg

Stroški goriva76 Cg 0,03696 EUR/kg

Letna obrestna mera i 8 %

Življenjska doba N 10 let

Električna moč Pe 44,9 kW

Obratovalni čas top 2000 h/leto

Karakteristike sušilnika

Premer bobna Db 1,5 m

Dolžina bobna Lb 30,6 m

Razmerje HT/Vb 15 %

Število pregrad v bobnu nf 15 /

Naklon valjaste lupine s 2,278 º




Ostali podatki

Temp. zraka dovedenega v sušilnik Tz1 973,15 K

Vlažnost sušenega zraka iz sušilnika xz2 0,37 kg/kg

Pretok goriva qmg 0,2961 kg/s

Vrtilna hitrost ν 8,6 rpm

Gostota delcev ρd 343,4 kg/m3


Gorilnik in rotacijski sušilnik

Rezidenčni čas povprečnih delcev τ 1080 s

Celotna količina snovi v sušilniku mscel 1200 kg

Celotni zajem snovi v bobnu HT 6,721 m3

Dejanski zajem snovi na dolžino pregrade H0 0,027 m2

Geometrijske omejitve

Razmerje Lb/Db 20,4 /

Razmerje nf/Db 10 m-1

Prostornina bobna Vb 44,8 m3

Premer rotacijskega obroča Dr 2,11 m

Masna bilanca

Masni pretok dimnih plinov qmz 4,76 kg/s

Vlažnost dimnih plinov xz1 0,172 kg/kg

Povprečna hitrost plinov v z 2,4 m/s

Ocena stroškov

Letni stroški elektrike Cea 4771 EUR/leto

Letni stroški goriva Cga 63050 EUR/leto

Letni obratovalni stroški Cop 67820 EUR/leto

Skupni letni stroški CT 108300 EUR/leto

Faktor vračila kapitala e 14,9 %



5.2.2 Primer 2

V drugem primeru smo se osredotočili na izračun masnih bilanc in karakteristik sušilnika. Podatki, potrebni za izračun procesnega modela so navedeni v preglednici 5 – 5, rezultati pa v preglednici 5 – 6. Preglednica 5 – 5: Podatki za izračun procesnega modela za DRD – primer 2.

Specifikacije snovi

Količina proizvedene snovi qmp 0,1275 kg/s

Začetna vsebnost vlage x0 0,85 kg/kg

Končna vsebnost vlage xk 0,07 kg/kg

Vstopna temperatura snovi Ts1 288,15 K

Lastnosti zraka

Temperatura atmosferskega zraka Tz 298,15 K

Vlažnost vstopnega zraka xz1 0,01 kg/kg

Termofizikalne lastnosti

Izparilna toplota vode ∆hv 2350000 J/kg

Specifična toplota snovi cps 1000 J/(kg K)

Specifična toplota vode cpw 4180 J/(kg K)

Specifična toplota pare cpv 1880 J/(kg K)

Specifična toplota zraka cpz 1010 J/(kg K)

Gostota snovi ρs 570 kg/m3

Konstante

Razmerje zajete snovi in prostornine sušilnika Hs 0,075 /

Faktor α 0,1 /

Faktor j 0,85 /

Ostali podatki

Vstopna temperatura suhega zraka Tz1 433,15 K

Izstopna temperatura suhega zraka Tz2 338,15 K

Temperatura mokrega termometra Tm 313,15 K

Izstopna temperatura snovi Ts2 318,15 K

Dovoljena masna hitrost zraka vdov 3 kg/(m2 s)

Rezidenčni čas snovi τ 1260 s

Izparilna toplota pare ∆hvh 2789000 J/kg




Masna bilanca

Masni pretok vstopne snovi qms1 0,236 kg/s

Masni pretok izstopne snovi qms2 0,136 kg/s

Pretok izparilne vlage qmv 0,099 kg/s

Toplotna bilanca

Potrebna toplota za izhlapevanje 1Q& 233700 W

Potrebna toplota za paro 2Q& 4674 W

Potrebna toplota za tekočino 3Q& 1039 W

Potrebna toplota za produkt snovi 4Q& 3825 W

Potrebna toplota za produkt vode 5Q& 1119 W

Skupna poraba toplote Q& 279100 W

Razmerje QQ && /1 β 0,837 /

Ostali izračuni

Masni pretok zraka qmz 2,909 kg/s

Premer sušilnika D 1,205 m

Vlažnost izstopnega zraka xz2 0,044 /

Prostornina sušilnika V 4,021 m3

Dolžina sušilnika L 3,525 m

Število enot za prenos toplote NT 1,569 /

Toplotna obremenitev sušilnika obQ& 396600 W

Poraba pare qmvh 0,142 kg/s

Toplotni izkoristek nth 0,64 /

*OPOMBA: V prilogah A1 in A2 se nahajajo podrobnejši izračuni in rezultati dobljeni z uporabo Mathcad programa.


SUŠILNIK S FLUIDIZIRANIM SLOJEM

6 SUŠILNIK S FLUIDIZIRANIM SLOJEM

6.1 Teoretični del

Sušilniki s fluidiziranim slojem (FBD) se v veliki meri uporabljajo za sušenje mokrih trdih delcev in zrnatih snovi, kot tudi mulja, kašnatih zmesi ter suspenzij. Običajno se uporabljajo pri predelavi mnogih produktov, kot so razne kemikalije, ogljikovi hidrati, živila, biomateriali, keramika, farmacevtski izdelki v obliki prahu, barvila, gnojila, smola, procesi sežiga, procesi ravnanja z odpadki ter procesi za varovanje okolja. Pomembna prednost postopka sušenja s fluidiziranim slojem je dobro mešanje snovi, visoke stopnje prenosa toplote in snovi ter enostaven transport snovi. Pri sušenju prahu, velikosti 50 do 2000 µm, uspešno konkurira z drugimi tradicionalnimi sušilniki. Običajni sušilnik s fluidiziranim slojem je zasnovan tako, da plinski tok priteka iz dna sloja posamezne snovi navzgor. Pri nizkih hitrostih plina je sloj snovi, ki je enakomerno porazdeljena na plošči, statičen (mirujoč). Padec tlaka v sloju je odvisen od hitrosti fluidiziranega plina, ter se povečuje s povečanjem te hitrosti. Pri določeni hitrosti plina, je sloj fluidiziran, ko tok plina v celoti podpira vso težo sloja. To stanje je znano kot minimalna fluidizacija in ustrezna hitrost plina kot minimalna fluidizirana hitrost vmf. Minimalno fluidizirano hitrost ponavadi določimo eksperimentalno, z uporabo različnih korelacij, ki so odvisne predvsem od velikosti delcev, dimenzij kolone in obratovalnih parametrov. Delci z visoko začetno vsebnostjo vlage zahtevajo višjo minimalno fluidizirano hitrost kot podobni sloji suhih delcev. Zaradi prevladujočih veznih sil omočenih površin, je le zgornji sloj snovi t.i. fluidiziran sloj, ostali spodnji sloji pa med sušenjem snovi mirujejo. V primeru suhih (ali delno suhih, brez površinske vlage) delcev, se z nadaljnjim povišanjem hitrosti fluidiziranega plina sloj delcev začne spreminjati (slika 6 – 1). Slika prikazuje različne režime posameznih slojev, ki se pojavijo pri povišanju hitrosti plina16.

Slika 6 – 1: Različni režimi slojev delcev pri različnih hitrostih plina16.



Po prehodu fluidiziranega sloja oz. plasti, se plinski tok uvaja v sisteme za čiščenje plinov, kjer se izstopni plin loči od drobnih delcev (prahu), šele nato se izpusti v ozračje. Slika 6 – 2 prikazuje tipično postavitev enot pri sušenju fluidiziranega sloja. Tipični sistem je sestavljen iz puhala, grelca, kolone, sistemov za čiščenje plina kot so cikloni, filtri, itd.. Zaradi varčevanja z energijo, se izstopni plin delno reciklira. Fluidiziran sloj z mehurčki (na sliki 6 – 2) je vertikalno razdeljen na dve območji, imenovani gosta faza in disperzijska faza. Gosta faza se nahaja na dnu, nad njo pa disperzijska faza, v kateri se snov in gostota z višino znižujeta (slika 6 – 2). Fluidiziran plin, ki po prehodu čez sloj delcev, vstopi v disperzijsko fazo, s seboj prinaša fine delce. Snov, ki ostane v disperzijski fazi se zmanjšuje, medtem ko se disperzijska višina povečuje do višine, pri kateri ostaja snov nespremenjena. To točko imenujemo prenos proste višine (TDH). TDH lahko ocenimo z različnimi empiričnimi korelacijami. Ker ni splošno sprejete enačbe za izračun TDH je bolje, da ga določimo eksperimentalno. Pri oblikovanju sušilnika s fluidiziranim slojem za sušenje snovi, je pomembno, narediti zaznambo o pojavu vstopa finih delcev, še posebej če imajo snovi veliko delcev različnih velikosti. Da bi zmanjšali število finih oz. drobnih delcev, ki jih plin odnaša s seboj, je potrebno izstop za plin namestiti nad višino THD. Slika 6 – 2 (desno spodaj) prikazuje štiri vrste regulatorjev, ki zagotavljajo; (i) običajen (navzgor obrnjen tok), (ii) kombiniran (za težji sloj delcev), (iii) čašast (bočno usmerjen tok) in (iv) razpršilni (vstran ali navzdol usmerjen tok). Pri tem je potrebno opomniti, da mora biti padec tlaka v regulatorju dovolj visok za zagotovitev dobre in enotne fluidizacije. Za navzgor in bočno usmerjen tok mora padec tlaka skozi regulator prekoračiti 30% padca tlaka v sloju78.

Slika 6 – 2: Tipična postavitev enot pri sušenju fluidiziranega sloja78.

6.1.1 Vrste sušilnikov s fluidiziranim slojem

Obstaja veliko različnih vrst FBD. Nekateri pomembnejši so na kratko opisani v nadaljevanju.



6.1.1.1 Konvencionalni FBD

a) Saržni FBD

⇒ Saržni FBD se običajno uporabljajo, ko je proizvodnja majhna (navadno 50 do 1000 kg/h) ali, ko želimo pridelati več produktov v isti proizvodni liniji. Temperatura sušenega zraka in pretok sta običajno konstantna, vendar pa lahko z njunim prilagajanjem privarčujemo na energiji. Slika 6 – 3 a) prikazuje tipični saržni sušilnik s fluidiziranim slojem.

b) Semi-kontinuirni FBD

⇒ V semi-kontinuirnih FBD je mokra snov običajno odmerjena in naložena v serijah. Snov se bodisi na saržni način prenaša iz enega procesorja na drugega, ali pa v obliki sarž (procesorji s saržami snovi) rotira v procesu79. Ta pristop daje nemoteno kontinuirno obratovanje v daljšem časovnem obdobju. Slika 6 – 3 b) prikazuje shematični diagram semi-kontinuirnega FBD, kjer snov v saržah rotira.

c) Kontinuirni FBD

⇒ Slika 6 – 3 c) prikazuje enega izmed najpogostejših sušilnikov s fluidiziranim slojem. Pri dobro zmešanem sloju delcev je temperatura sloja enotna in je enaka temperaturi snovi ter temperaturi izpušnih plinov. Kakorkoli, porazdelitev rezidenčnega časa delcev je široka, kar ima za posledico široko paleto količin vlage v končnih izdelkih oz. produktih. Snov, ki jo kontinuirno vodimo v fluidiziran sloj z razmeroma suhimi delci, daje večjo in boljšo kakovost fluidizacije. Za boljšo učinkovitost sušenja jih lahko tudi kombiniramo z drugimi vrstami sušilnikov, kot npr. z FBD s čepastim tokom.

d) FBD s čepastim tokom

⇒ V FBD s čepastim tokom so vstavljene navpične lopute, katerih naloga je preprečevanje premočnega pretoka delcev. Te lopute dajejo relativno ozko porazdelitev rezidenčnih časov delcev, ki se nahajajo v sušilniku. Tok delcev, ki kontinuirno potujejo od vstopne proti izstopni poti, zagotavlja skoraj enak rezidenčni čas za vse delce, ne glede na njihovo velikost. S tem zagotavlja enotno vsebnost vlage v produktu. Poti, po katerih se gibljejo oz. potujejo delci, so lahko ravne ali spiralne. Razmerje med dolžino in širino je običajno v razponu 5/1 do 30/1. Slika 6 – 3 d) prikazuje FBD s čepastim tokom.

⇒ Težave se največkrat pojavijo pri vstopu vlažnih snovi v sušilnik, kjer se mešajo z

že suho snovjo. V tem primeru je boljša izbira direktna fluidizacija vstopnih snovi z uporabo flash sušilnika.



Slika 6 – 3: Konvencionalni sušilniki s fluidiziranim slojem16.

6.1.1.2 Modificirani FBD

Modificirani sušilniki se uporabljajo pri premagovanju nekaterih težav in slabosti, ki se pojavljajo pri konvencionalnih FBD. Obstaja več vrst modificiranih FBD, vendar bodo omenjeni le nekateri. a) Več-stopenski in več-procesni FBD

⇒ V teh sušilnikih se lahko dva ali več procesov izvede in doseže v koloni fluidiziranega sloja. To dosežemo s spremembo pogojev obratovanja, kot so mešanje, sušenje ali granuliranje, itd.80. V razpršilnem FBD sušenje z razpršenjem poteka v zgornjem delu komore, nato sledi sušenje fluidiziranega sloja (slika 6 – 4 a)). Razvrščanje delcev poteka tudi v obsežnem premogovnem FBD (slika 6 – 4 b)). Sušenje in razvrščanje (ločevanje od drobcev) se izvaja v istem fluidiziranem sloju. S spreminjanjem hitrosti fluidiziranega plina vplivamo na zmanjšanje velikosti delcev (fine delce ločimo od grobih).

⇒ Drugi primer je sušenje fluidiziranega sloja v zgornji stopnji, ki ji lahko sledi še

hlajenje sloja v spodnji stopnji (slika 6 – 4 c)). FBD ali hladilec je sestavljen iz prve stopnje (sušenje) ter iz druge stopnje (hlajenje) (slika 6 – 4 d)). Z vključitvijo različnih procesov ter s kombinacijo različnih vrst fluidiziranih slojev lahko občutno zmanjšamo stroške montaže in energije, hkrati pa prihranimo tudi na prostoru.



Slika 6 – 4: Več-stopenski in več-procesni sušilniki s fluidiziranim slojem16. b) Hibridni FBD

⇒ Hibridni sušilniki se uporabljajo za direktno sušenje snovi, ki vsebujejo površinsko in notranjo vlago. Površinska vlaga se odstrani v prvi stopnji z uporabo flash ali ciklonskih sušilnikov. Sušenje v drugi stopnji poteka v FBD, v katerih lahko rezidenčni čas enostavno kontroliramo. Slika 6 – 5 a) prikazuje primer ciklonskega hibridnega FBD79.

⇒ Vlažne snovi najprej vodimo v ciklonski sušilnik z izstopnim fluidiziranim plinom iz

FBD. S plinom, ki se nahaja v ciklonskem sušilniku nato hitro odstranimo površinsko vlago snovi. Snovi in plin se pri tem v ciklonu ločijo. Delno posušene snovi nato pnevmatično vodimo v fluidiziran podstavek za drugo-stopenjsko sušenje. Druge vrste hibridnih FBD vključujejo flash FBD in filterni FBD81.

⇒ Več-stopenjski razpršilni FBD (slika 5 – 6 b)) je sestavljen iz razpršilne komore, ki

ji sledita prva stopnja (sušenje fluidiziranega sloja) ter druga stopnja (hlajenje fluidiziranega sloja). Prah, ki se v razpršilnem sušilniku izoblikuje še vedno vsebuje nekaj notranje vlage. Zaradi dragega (večji stroški) odstranjevanja celotne vlage z razpršilnim sušilnikom, namesto tega uporabimo stroškovno ugodnejši drugo-stopenjski FBD82.



Slika 6 – 5: Hibridni sušilniki s fluidiziranim slojem16. c) Ostali modificirani FBD Mešalni FBD

⇒ Mešalni sušilnik (slika 6 – 6 d)) se uporablja za izboljšanje kvalitete fluidizacije. S posredovanim mehanskim mešanjem sloja se oblikuje homogen fluidiziran sloj brez nevšečnih velikih mehurčkov. Ti sušilniki se uporabljajo predvsem za sušenje kašastih zmesi in muljev, ki so sestavljeni iz drobnih delcev83. Mešanje v tem primeru pomaga razdrobiti in razpršiti kašasto zmes.

FBD z neaktivnimi snovmi

⇒ V zadnjih letih se je povečala uporaba FBD za sušenje finega prahu, kašnatih zmesi, mulja, suspenzij in encimov84 – 89. Slika 6 – 6 e) prikazuje primer sušilnika z neaktivnimi snovmi90. Neaktivni delci, ki se nahajajo v sušilniku, se morajo dobro fluidizirati v fluidiziranem sloju. Sušenje na neaktivnih delcih se lahko izvede v različnih fluidiziranih slojih, kot so običajni fluidizirani sloji, brizgalni sloji, brizgalni fluidizirani sloji in vibrirani fluidizirani sloji91. Ko se tanek sloj snovi, ki jo vodimo v sušilnik posuši, postane krhek in lomljiv in se zaradi tega začne luščiti iz stene. Kot posledica nastane drobni prah, ki ga izpušni plin prenese do ustreznih čistilcev za plin (cikloni ali vrečnati filtri), kjer se ti delci zbirajo in ločujejo.



Brizgalni FBD

⇒ Brizgalni FBD se uporabljajo za sušenje velikih (Geldar-ova skupina D) delcev (> 5 mm), ki jih vsebujejo kašnate zmesi, suspenzije in raztopine. Skozi brizgalni sloj plin v obliki curka prodira z visoko hitrostjo iz dna proti vrhu. Pri tem odnaša delce, ki se nahajajo na dnu, na površje sloja. Energično brizganje na površini sloja brizgne delce v prosto območje, ki se nahaja na sredini sloja (Slika 6 – 6 f)). Po izgubi zagona brizga, ti delci padejo nazaj na površje sloja. Takšen način brizganja delcev, ob stalnih ponovitvah, nudi dobro mešanje snovi. Pri tem se ustvari ciklični pretok delcev. Brizgalni FBD se uporabljajo predvsem za sušenje blata, raztopin, mulja in suspenzij92.

Slika 6 – 6: Modificirani sušilniki s fluidiziranim slojem16.



Na sliki 6 – 7 je prikazana shematska izbira sušilnikov glede na vrsto snovi, ki jo želimo posušiti. Opazimo lahko, da se za sušenje mulja predvsem uporabljajo mešalni FBD, brizgalni FBD ter FBD z neaktivnimi snovmi.

Slika 6 – 7: Izbira sušilnikov s fluidiziranim slojem16.

6.1.2 Prednosti in omejitve FBD

Splošno prepoznavne prednosti sušenja s FBD so: visoka zmogljivost odstranjevanja vlage, visoka toplotna učinkovitost, enostavni prenos snovi znotraj sušilnika, enostavni nadzor ter nizki stroški vzdrževanja. Omejitve FBD so: visok padec tlaka, visoka poraba električne energije, slaba kakovost fluidizacije (utekočinjenja) nekaterih trdih izdelkov, neenakomerna kakovost produktov pri nekaterih vrstah sušilnikov s fluidiziranim slojem, erozije cevi in posod, vhod drobnih delcev, drobljivost ali pulverizacija delcev, kopičenje drobnih delcev, itd.93. Poleg sušenja se FBD uporablja tudi za mešanje, razprševanje, granulacijo, hlajenje, sežig, uplinjanje, itd.. Učinek mešanja v FBD je večinoma dober za delce velikosti 50 do 2000 µm. Za drobne delce (manjše od 50 µm) se običajno uporablja razprševanje, ki pripomore k izboljšanju kakovosti fluidizacije ter mešalnega učinka. Pri sušenju s FBD je dobro mešanje delcev ter poznavanje lastnosti in značilnosti delcev ključnega pomena. Sušenje s pršenjem, kristalizacijo, premazovanjem in kopičenjem ima enake osnovne principe delovanja. Fino pršenje raztopine, kašnate zmesi ali blatne suspenzije se razprši v fluidiziran sloj sušene snovi ali neaktivnih delcev, ki so že naloženi v sušilni komori. Z izhlapevanjem in sušenjem vlage se začno v komori tvoriti in rasti delci. Za odstranitev vlage, ki se nahaja v notranjosti snovi, sta potrebna predvsem velika količina toplote in čas.



6.1.3 Prenos toplote v fluidiziranih slojih

Prenos toplote v plinsko-fluidiziranem sloju se lahko izvaja s kondukcijo, konvekcijo in radiacijo. Prispevek posameznih dejavnikov, od stopnje prenosa toplote do koeficienta prehoda toplote, je odvisen od klasifikacije delcev, stanja toka, fluidizacijskih režimov, vrste regulatorja, obratovalne temperature in tlaka. Prenos toplote med delcem in plinsko fazo določimo z enačbo:

)( zddpt TTAuQ −⋅⋅=& (6.1)

kjer so:

ptQ& – stopnja prenosa toplote, W,

u – koeficient prehoda toplote, W/(m2K),

Ad – površina delca, m2,

Td – temperatura delca, K, in

Tz – temperatura plina, K.

Vrednost koeficienta prehoda toplote v splošnem ni visoka in se nahaja se v razponu 1 do 700 W/(m2K). Koeficient prehoda toplote, u, je funkcija obratovalnih parametrov, karakteristik delcev ter geometrije sušilnika. Določiti ga je mogoče iz korelacije, ki je odvisna od Reynolds-ovega števila delca:

Nud

ku ⋅=

d

g (6.2)

kjer so:

kg – plinska toplotna prevodnost prenosa, W/(m K),

dd – premer delca, m, in

Nu – Nusselt-ovo število za delec94.

6.1.4 Matematični model

Veliko matematičnih modelov, ki so se razvili na podlagi različnih predpostavk, je bilo predlaganih in preverjenih z eksperimentalnimi podatki. Povprečni rezidenčni čas za kontinuirni FBD se izračuna z enačbo:

−

−

−⋅= 1

1

s2

s1

*

*

k xx

xxτ (6.3)



kjer so:

k – empirična konstanta,

xs1 – začetna vlažnost snovi,

xs2 – končna vlažnost snovi in

x* – ravnotežna vlažnost.

Masni pretok suhe snovi,

κ⋅= ms1ms2 qq (6.4)

kjer sta:

qms1 – masni pretok vlažne snovi, kg/s, in

κ – razmerje med suho in vlažno snovjo.

Površina fluidiziranega sloja,

bb

ms2b

h

qA

⋅

⋅=

ρ

τ (6.5)

kjer sta:

ρb – gostota fluidiziranega sloja, kg/m3, in

hb – globina fluidiziranega sloja, m.

Masni pretok vročega zraka,

bzzmz Avq ⋅⋅= ρ (6.6)

kjer so:

ρz – gostota vročega zraka, kg/m3,

vz – hitrost vročega zraka, m/s in

Ab – površina fluidiziranega sloja, m2.

Končno vlažnost zraka xz2, lahko izrazimo iz enačbe:

)()( z1z2mzs2s1ms2 xxqxxq −⋅=−⋅ (6.7)

z1s2s1mz

ms2z2 xxx

q

qx +−⋅= )( (6.8)

kjer sta:

qmz – masni pretok vročega zraka, kg/s, in



xz1 – začetna vlažnost vročega zraka.

Izstopno temperaturo zraka določimo iz enačbe:

wz2mzs2ms1pcz1mzs1ms1 QhqhqQhqhq && +⋅+⋅=+⋅+⋅ (6.9)

kjer so:

hs1 – začetna specifična entalpija vlažne snovi, J/kg,

hz1 – začetna specifična entalpija zraka, J/kg,

pcQ& – dovedena toplota iz potopljene cevi, W,

hs2 – končna specifična entalpija vlažne snovi, J/kg,

hz2 – končna specifična entalpija zraka, J/kg, in

wQ& – toplotne izgube na steni kolone, W.

Če nimamo potopljene cevi je pcQ& enaka nič.

Toplotne izgube na steni kolone v primeru 5 % entalpije vstopnega zraka se določajo z enačbo:

z1mzw 0,05 hqQ ⋅⋅=& (6.10)

Začetna entalpija vlažne snovi,

)()( 273,15Ks1pws1pss1 −⋅⋅+= Tcxch (6.11)

kjer so:

cps – specifična toplota vlažne snovi, J/(kg K),

cpw – specifična toplota vode, J/(kg K) in

Ts1 – vstopna temperatura vlažne snovi, K.

Končna entalpija vlažne snovi,

)()( 273,15Ks2pws2pss2 −⋅⋅+= Tcxch (6.12)

kjer so:

xs2 – končna vlažnost snovi,

cpw – specifična toplota vode, J/(kg K), in

TS2 – izstopna temperatura vlažne snovi, K.



Začetna entalpija zraka,

)()()( λ⋅+−⋅⋅+= z1z1pwz1pzz1 273,15K xTcxch (6.13)

kjer so:

cpz – specifična toplota vročega zraka, J/(kg K),

xz1 – začetna vlažnost vročega zraka,

Tz1 – vstopna temperatura vročega zraka, K, in

λ – latentna toplota uparjanja, J/kg.

Končna entalpija zraka,

)()()( λ⋅+−⋅⋅+= z2z2pwz2pzz2 273,15K xTcxch (6.14)

kjer sta:

xz2 – končna vlažnost zraka in

Tz2 – izstopna temperatura zraka, K.

Vrednost izstopne temperature zraka, Tz2 ocenimo s pomočjo naslednjih dveh enačb:

[ ] [ ][ ] [ ])()(

)()(

pwz2pzmzpws2psms2

z2mzpcz1mzs1ms2 0,051

cxcqcxcq

xqQhqhqT

⋅+⋅+⋅+⋅

⋅⋅−+⋅⋅−+⋅=

λ&

(6.15)

273,15Kz2 += TT (6.16)

kjer je:

T – temperatura, potrebna za vmesni izračun, K in

Tz2 – izstopna temperatura zraka, K.

6.1.5 Zaključek

V mnogih primerih so FBD nadomestili nekatere vrste rotacijskih sušilnikov. Uporaba mikrovalovne energije se pri FBD v zadnjem času vse bolj razvija. Uporaba pregrete pare pa bo v nekaterih primerih verjetno postala bolj priljubljena šele v prihodnosti. Na kakovost fluidiziranja vpliva predvsem prisotnost vlage na površini delcev. V primerjavi s suhimi delci, lahko vlažni delci povzročijo velike spremembe v sloju, in tako je kakovost fluidiziranja slabša. Obstaja veliko različnih vrst fluidiziranih slojev, ki težijo k različnim zahtevam, kot so oblikovalne stategije, informacije ipd.. Npr. če imamo opravka s sušenjem s časovno odvisnostjo vstopne toplote, ali sušenjem v primeru nizkega tlaka, ali uporabo pregrete pare kot sušilnega medija, itd., se moramo soočiti z nekaterimi spremembami ter novimi podatki in modeli16.



6.2 Eksperimentalni del

V eksperimentalnem delu smo z uporabo Mathcad programa, na podlagi znanih podatkov za sušilnik s fluidiziranim slojem izvedli ustrezne izračune, ki so podani v preglednici 6 – 1. Rezultate so navedeni v preglednici 6 – 2. Preglednica 6 – 1: Podatki za izračun procesnega modela za FBD.

Karakteristike fluidiziranega sloja

Globina fluidiziranega sloja hb 0,20 m

Gostota fluidiziranega sloja ρb 500 kg/m3

Karakteristike vlažne snovi

Masni pretok vlažne snovi qms1 1,389 kg/s

Vstopna temperatura vlažne snovi Ts1 293,15 K

Začetna vlažnost snovi xs1 0,20 J/kg

Gostota vlažne snovi ρs 2000 kg/m3

Specifična toplota vlažne snovi cps 840 J/(kg K)

Karakteristike vročega zraka

Hitrost vročega zraka vz 0,70 m/s

Začetna vlažnost vročega zraka xz1 0,005 kg/kg

Gostota vročega zraka ρz 1,0 kg/m3

Specifična toplota vročega zraka cpz 1000 J/(kg K)

Vstopna temperatura vročega zraka Tz1 398,15 K

Karakteristika suhe snovi

Končna vlažnost snovi xs2 0,04 kg/kg

Ostali podatki

Specifična toplota vode cpw 4200 J/(kg K)

Konstanta k 0,005 s-1

Ravnotežna vsebnost vlage x* 0 kg/kg

Razmerje med suho in vlažno snovjo κ 0,833 /

Latentna toplota uparjanja λ 2370000 J/kg

Toplotne izgube na steni plašča xi 0,05 /



Preglednica 6 – 2: Rezultati izračunov procesnega modela za FBD.

Karakteristike fluidiziranega sloja

Povprečni rezidenčni čas τ 800 s

Masni pretok suhe snovi qms2 1,157 kg/s

Površina fluidiziranega sloja Ab 9,259 m2

Karakteristika vročega zraka

Masni pretok vročega zraka qmz 6,481 kg/s

Ostali izračuni

Končna vlažnost zraka xz2 0,034 kg/kg

Začetna entalpija vlažne snovi hs1 33600 J/kg

Začetna entalpija zraka hz1 139500 J/kg

Dovedena toplota iz potopljene cevi pcQ& 0 W

Toplotne izgube na steni kolone wQ& 45200 W

Izstopna temperatura zraka Tz2 317,77 K

Končna entalpija zraka hz2 130500 J/kg

Končna entalpija snovi hs2 44970 J/kg

*OPOMBA: V prilogi B se nahajajo podrobnejši izračuni in rezultati dobljeni z uporabo Mathcad programa.


RAZPRAVA

7 RAZPRAVA

Izmed množice sušilnikov, smo na podlagi prebranih člankov in literature ugotovili, da sta optimalna izbira rotacijski sušilnik in sušilnik s fluidiziranim slojem. Oba tipa sušilnikov se najpogosteje uporabljata za sušenje mulja iz komunalnih čistilnih naprav (KČN). V eksperimentalnem delu smo na podlagi podatkov izvedli ustrezne izračune posameznih procesnih modelov za določen tip sušilnika in tako dokazali, da sta obravnavana sušilnika, glede na karakteristike, zelo različna. Obstaja več kot 500 različnih vrst sušilnikov, od tega mnogo različnih vrst rotacijskih sušilnikov (RD) in sušilnikov s fluidiziranim slojem (FBD). Ker je izbira med obema vrstama sušilnikov zelo težka, in ker na spletnem portalu ni pravih podatkov (cen primernih sušilnikov, njihovih dimenzij, cen ostale opreme, itd.) smo najprej preučili posamezne prednosti in slabosti obeh vrst sušilnikov, in se šele nato odločili, kateri izmed njiju je boljša izbira. V preglednici 7 – 1 so podane prednost in slabosti obeh vrst sušilnikov. Preglednica 7 – 1: Prednosti in slabosti za RD in FBD.

Zahteva Rotacijski sušilnik Sušilnik s fluidiziranim slojem

1. Obdelava mulja

- različne vrste mulja in njihove lastnosti (primarni mulj, biološko predelan mulj, aktivni mulj, vsebnost pepela, velikih delcev, plastike, itd.) - nihanje kakovosti suhe snovi med postopkom sušenja

- znatna prilagodljivost pri nihajoči kakovosti mulja z različno vsebnostjo suhe snovi, - prednost sta boljša kakovost zrn in večja gostota, - skoraj brez prisotnosti prahu.

- enostavna prilagodljivost in fleksibilnost, - zahteva homogeno porazdelitev zrn, - primeren je v omejenem obsegu za izjemno nizke organske in zelo visoke vlaknaste deleže v mulju, - občutljivost za velike delce.

2. Uporaba različnih virov energije

Odpadna toplota (plinske turbine in motorji)

Da, če je temperatura izpušnih plinov > 400 ºC. Pri < 400 ºC je primerna kot dodaten vir ogrevanja.

Da, zahteva kotel za proizvodnjo pare ali peč na kurilno olje

Topla voda iz procesov Da, kot dodatno ogrevanje Ne, temperature so prenizke

Bioplin Da Da, v kombinaciji s parnim kotlom ali pečjo


RAZPRAVA



2. Uporaba različnih virov energije

Para (< 6 bar) Da, kot dodatno ogrevanje Da, kot dodatno ogrevanje

Para (> 6 bar) Da, kot dodatno ogrevanje Da

Primarna energija (nafta, zemeljski plin)

Da Da, v kombinaciji s parnim kotlom ali pečjo

Kurilno olje Da, kot dodatno ogrevanje Da

3. Obratovalne zahteve

Tipični obratovalni učinek pri sušenju mulja

1,0 – 15 t/h izhlapele vode 1,0 – 20 t/h izhlapele vode

Obremenitev 40 – 100 % 30 – 100 %

Popolno sušenje > 90 % s.s.

Da, približno 92 – 96 % s. s. Da, pribl. 94 – 98 % s. s.

Delno sušenje Ne, je pa zaželeno mešanje suhega mulja s svežim

Ne, zaželeno je mešanje suhega mulja s svežim

Možnost direktnega ogrevanja

Da Ne

Možnost posrednega ogrevanja

Da Da

Samodejno obratovanje Da Da

Samodejno prilagajanje glede na nihajočo kakovost mulja

Da Da

Enostavna uporaba Nadzor procesa pri samodejnem obratovanju

Nadzor procesa pri samodejnem obratovanju

Potreben prostor Kompaktna oblika, ki zahteva več prostora

Kompaktna oblika, ki zahteva manj prostora

4. Kakovost izdelka

Zagotovljena higienizacija mulja s popolnim sušenjem

Da, higienizacija mulja je zagotovljena zaradi dolgega rezidenčnega časa in nadzora nad T, ki izstopa iz sušilnika

Da, velja enako kot za RD. Problem nastane le, kadar ni prisotnega mešanja

Stabilna, enotno oblikovana (sferična) zrna

Da, sferična zrna, so zelo stabilna pod tlakom, z ozkim spektrom velikosti zrn in veliko gostoto

Dobra kakovost zrn kadar je prisotno mešanje

Vsebnost prahu Zelo nizka vsebnost prahu Večji obseg finih delcev kot RD, vendar je ta raven nizka pri vključenem mešanju


RAZPRAVA



5. Emisije

- vonj - prah - izpušni plini (NOX, CO, SOX, H2S, NH3)

- standardna oprema pri postopku sušenja vključuje odstranjevanje izpušnih plinov z biofiltri, s termično oksidacijo ali z napravo za mokro čiščenje plinov, - podtlak z zaprto zračno zanko, - prizadevanje za ravnanje z odpadnim muljem.

- velja enako kot pri RD

6. Varnostne zahteve

- zaščita pred eksplozijo - meritve za preprečitev požara - splošni varnostni ukrepi za zaposlene (lestve, ograje, dostopnost, zaprta območja, vzdrževanje pod težkimi pogoji, itd.)

- v skladu z EN 105095 varnostno analizo obrata, - inertnost sušilnega območja je garantirana z dimnimi plini ali s parno atmosfero, - strukturna proti eksplozivna zaščita za periferno opremo.

- velja enako kot pri RD

*OPOMBE: - Z rumeno barvo so označene prednosti posameznega sušilnika. RD – rotacijski sušilnik, s. s. – suhe snovi Kadar imamo opravka z več vrstami odpadnih muljev, ima RD prednost pred FBD. RD ima zaradi manjšega mehanskega stresa med kristaliziranjem (nastajanjem zrn) in zaradi sprejemanja večjega obsega delcev različnih velikosti tudi sposobnost sušenja večje količine muljev. Najbolj ekonomičen je direktni rotacijski sušilnik (DRD), ker se lahko poleg bioplina, nafte in zemeljskega plina uporabljajo kot gorivo tudi dimni plini. Zaradi tega so ti sušilniki primerni predvsem za obdelavo muljev iz komunalnih čistilnih naprav. Pri FBD se kot gorivo uporablja kurilno olje in srednje tlačna para. Namestitev parnega kotla in peči na kurilno olje vpliva na povečanje investicijskih stroškov. Izhlapevanje vode iz svežega mulja je večje pri sušenju s FBD in znaša tudi do 20 ton na uro izhlapele vode. V primerjavi z RD je za namestitev FBD potreben manjši delovni prostor. Boljšo kakovost, v smislu enakomerno oblikovanih zrn nudi RD. Končni izdelek pa je tudi skoraj brez prahu. V primerjavi z RD, daje FBD manjša zrna z večjim deležem finih delcev. Kljub visoki vstopni temperaturi pri rotacijskem sušenju zaradi hladilnega učinka, ki ga ustvarjajo vlažni delci, ne pride do pregretja snovi.


RAZPRAVA

Pri sušenju mulja iz KČN se sproščajo neprijetne vonjave, zato morajo biti prostori ustrezno klimatizirani. Intenzivnost vonjav je odvisna predvsem od vrste mulja in od temperature sušenja. Tako RD, kot FBD imata podobne lastnosti glede neprijetnih vonjav. V primeru indirektnega sušenja, so količine nastalih izpušnih plinov majhne. Pri sušenju mulja v DRD nastajajo večje količine izpušnih plinov kot pri FBD zaradi dodanih dimnih plinov, kar posledično vodi do povišanja stroškov. Zakonodaja o varnosti določa, da mora biti vsaka sušilna naprava temeljito pregledana v skladu z analizo EN 105095. Glede na to, da tako FBD kot RD vsebujeta nizek delež prahu, spadata med relativno varno sušilno opremo tudi zaradi izogiba neposrednega stika z ogrevano površino. V povzetku predhodno navedenega, lahko zaključimo:

⇒ oba sušilnika imata svoja področja delovanja, od katerih se nekatera prekrivajo, ⇒ s srednjo zmogljivostjo izhlapevanja, spremenljivimi lastnostmi mulja, visoko

kakovostnimi zahtevami glede zrnjenja in ker ne potrebuje nobene infrastrukture (npr. parnega kotla) je RD primernejša izbira.

⇒ kljub temu, da FBD nudi večjo zmogljivost izhlapevanja, je zaradi ostalih

pomanjkljivosti slabša izbira.


SKLEP

8 SKLEP

Sušenje odpadnega mulja ni vedno potrebno, vendar je v mnogih primerih edina rešitev. S postopkom sušenja se zmanjša količina mulja in posledično tudi transportni stroški. Termično sušenje poveča toplotno vrednost mulja (naredi mulj higienski, brez patogenih organizmov), ga stabilizira ter izboljša njegovo strukturo. Obstaja veliko različnih vrst sušilnikov, med katerimi so najbolj popularni kontaktni in konvekcijski sušilniki. Izbira postopka sušenja je odvisna od vrste mulja in od metode sušenja. Potrebno je poudariti, da posušen mulj v večini primerov ob koncu sušenja vsebuje še določeno količino vlage (10 do 15 %, ali tudi manj). Mulj, ki se uporablja v kmetijske namene je donosen že, če vsebuje 60 % suhe snovi. Enako velja za odpadni mulj, ki je namenjen za sežig. Ta mulj je lahko delno suh (35 do 45 % s. s.) ali z nad 90 % s. s. (navadno se meša z muljem, ki vsebuje 35 do 45 % s. s.). Zaradi velikih potreb po energiji, je postopek sušenja mulja s toploto draga rešitev. Primerjava celotnih stroškov različnih možnosti uporabe mulja pogosto navaja sušenje mulja kot najboljšo alternativno rešitev. Pri končni odločitvi se poleg ekonomskih dejavnikov upoštevajo tudi drugi dejavniki: zanesljivost rešitve, enostavno servisiranje, enostavno shranjevanje in transport, ki pa morajo biti okolju prijazni. Poraba energije pri postopku sušenja mulja je v veliki meri odvisna od začetne vsebnosti vlage v mulju. Za termično sušenje se porabi velika količina energije, od bioplinov pa do energije, ki nastane pri sežigu mulja (dimni plini). S kristalizacijo oz. zrnjenjem se poveča kontaktna površina, kar omogoča učinkovitejše sušenje. Sušenje mulja z 48 do 80 % s. s. ni primerno za lepljivo mešanico mulja. Najbolj primerno je delno sušenje (30 do 48 % s. s.) in popolno sušenje (80 do 97 % s. s.). Vlažni zrak, ki izhaja iz sušilnika, se mora prečistiti, preden se spusti v ozračje. Potreba po skladiščenju velja tako za sveži kot za suhi mulj. Izbira optimalnega sušilnika je odločilnega pomena. Zaradi večjega vpliva na okolje in posledično tudi na zdravje, je priporočljivo izbrati sušilnik, ki smo ga predhodno natančno preučili, četudi so priporočila prodajalcev drugačna. Na osnovi analiz in izračunov smo ugotovili, da je rotacijski sušilnik optimalno boljša izbira za sušenje mulja kot sušilnik s fluidiziranim slojem.


SKLEP


LITERATURA IN VIRI

9 LITERATURA IN VIRI

[1] Internetni vir: http://biteks.si/clanki/1000 (dostop: 16.2.2011).

[2] Internetni vir: http://www.sdzv-drustvo.si/si/VD-06_Referati/11%20Zupancic_VD06.pdf (dostop: 16.2.2011).

[3] Keey, R. B. Drying Of Loose And Particulate Materials, 1st ed., New York: Taylor & Francis Group, 1991.

[4] Internetni vir: http://www.grad.hr/~druzak/webdoc/zastita_voda_3.pdf (dostop: 16.2.2011).

[5] Kudra, T., Mujumdar, A. S. Advanced Drying Technologies, 2nd ed., New York: CRC Press, 2009.

[6] Javornik, M. (ur.). Veliki splošni leksikon; sedma knjiga S-Te. Ljubljana: DZS, 1998. (str. 4158)

[7] Internetni vir: http://www.marona.co.uk/landscape/landscape01.shtml (dostop: 16.2.2011).

[8] Internetni vir: http://www.peerlessmfg.cc/images/dryer2.jpg (dostop: 16.2.2011).

[9] Strumillo, C., Kudra, T. Drying: Principles, Applications and Design, 1st ed., Switzerland: Gordon and Breach, 1986.

[10] Grassmann, P., Widmer, F., Sinn, H. Einfuhrung in die thermische Verfahrenstechnik, 3rd ed., Berlin: Walter de Gruyter, 1996.

[11] Bockhardt, H. D., Gnntzschel, P. G., Poetschukat, A. Grundlagen Der Verfahrenstechnik fur Ingenieure, 4th ed., Berlin: Wiley-Vch, 1997.

[12] Kraut, B. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izd. (Puhar, J., Stropnik, J. (ur.)), Ljubljana: Littera picta, 2007.

[13] Van't Land, C. M. Industrial Drying Equipment, 1st ed., California: Heinz Heinemann, Inc, 1991.

[14] Knez, Ž., Škrget, M. Termodifuzijski separacijski procesi. Maribor: Univerza v Mariboru, FKKT, 2003.

[15] Internetni vir: http://www.erevija.com/clanek/1191/Mollierov-diagram (dostop: 16.2.2011).

[16] Mujumdar, A. S. Handbook of Industrial Drying, 3rd ed., New York: CRC Press, 2006.

[17] Internetni vir: http://www.google.si/images?q=dry%20bulb%20temperature&biw=1187&bih (dostop: 16.2.2011).

[18] Gray, N. F. Biology of Wastewater Treatmant (series on environmental science and management: vol.4), 2nd ed., London: Imperial Collage Press, 2004.

[19] Internetni vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Silt (dostop: 16.2.2011).

[20] Internetni vir: http://www.smithmountainlakerealty.com/buyers.htm (dostop: 16.2.2011).

[21] Internetni vir: http://www.blueplanetgreenliving.com/2009/10/07/soil-is-a-finite-resource-once-its-gone-its-gone-for-good/ (dostop: 16.2.2011).

[22] Internetni vir: http://www.profoundit.com/search.php?soption=csi&csi1=32&csi2=&csi3=&set=15 (dostop: 16.2.2011).

[23] Internetni vir: http://www.komline.com/docs/biosolids_dryer.html (dostop: 16.2.2011).


LITERATURA IN VIRI

[24] Javornik, M. (ur.). Veliki splošni leksikon; peta knjiga Ma-Ož. Ljubljana: DZS, 1998; str. 2722.

[25] Internetni vir: http://acc6.its.brooklyn.cuny.edu/~scintech/solid/silandfill.html (dostop: 16.2.2011).

[26] Internetni vir: http://www.leebros.co.uk/pages/landfill_engineering.htm (dostop: 16.2.2011).

[27] Internetni vir: http://info.grad.hr/!res/odbfiles/1823/predavanja/2.6-pi.pdf (dostop: 16.2.2011).

[28] Internetni vir: http://www.huber.de/solutions/sludge-treatment/systems-concept-for-centralized-sludge-treatment.html (dostop: 16.2.2011).

[29] Internetni vir: http://www.huber.de/solutions/sludge-treatment/sewage-sludge-treatment.html (dostop 16.2.2011).

[30] Javornik, M. (ur.). Veliki splošni leksikon; šesta knjiga P-Rž. Ljubljana: DZS, 1998; str. 3149.

[31] Internetni vir: http://www.uradni-list.si/1/content?id=72509 (dostop: 16.2.2011).

[32] Internetni vir: http://www.fastcompany.com/1609696/carbon-disclosure-project-to-big-companies-report-your-water-use (dostop: 16.2.2011).

[33] Internetni vir: http://agriculture.csi.edu/images/water/water.jpg (dostop: 16.2.2011).

[34] Internetni vir: http://flickriver.com/photos/tags/fl%C3%BCsse/interesting/ (dostop: 16.2.2011).

[35] Internetni vir: http://www.environmedia.com/category/global/life-is-water (dostop: 16.2.2011).

[36] Knez, Ž., Škrget, M. Navodila za vaje iz termodifuzijske tehnike. Maribor: Univerza v Mariboru, FKKT, 2000.

[37] Kolar J. Odvod odpadne vode iz naselij in zaščita voda. Ljubljana: Državna založba Slovenije, 1983.

[38] Couper, J. R., Penney, W. R., Fair, J. R., Walas, S. M. Chemical Process Equipment: Selection and Design, 3rd ed., Burlington: Elsevier Inc, 2010.

[39] Internetni vir: http://iepoi.unimb.si/hribersek/Stud_gradivo/Procesna%20tehnika%201/procesna%20I%20-%20susenje.pdf (dostop: 16.2.2011).

[40] Keey, R. B. Introduction to industrial Drying Operations, New York: Pergamon Press Ltd, 1978.

[41] Internetni vir: http://www.aeroglide.com/nonwoven-drum-dryers.php (dostop: 16.2.2011).

[42] Internetni vir: http://www.ranteko.com/en/index.html (dostop: 23.3.2011).

[43] Internetni vir: http://www.pua24.net/pi/index.php?StoryID=41&articleID=15706 (dostop: 23.3.2011).

[44] Internetni vir: http://www.directindustry.de/prod/lodige/vakuumtrockner-20200-44491.html (dostop: 23.3.2011).

[45] Internetni vir: http://freezedryer.org/Image/Products/ (dostop: 23.3.2011).

[46] Internetni vir: http://www.tradekorea.com/products/infra_red_dryer_system.html (dostop: 23.3.2011).

[47] Internetni vir: http://www.tradeindia.com/fp59091/Radio-Frequency-Dryer.html (dostop: 23.3.2011).

[48] Hirschberg, H. G. Handbuch Verfahrenstechnik und Anlagenbau: Chemie, Technik und Wirtschaftlichkeit, 1st ed., Berlin: Springer, 1999.

[49] Green, D. W., Perry, R. H. Perry's Chemical Engineers' Handbook, 8th ed., New York: The McGraw-Hill Professional, 2008.

[50] Baker, C. G. J. Drying Technology, 6(4): 631–653 , 754, 1988.

[51] Kelly, J. J. Tech. Ireland, 1(2): 25, 1969.


LITERATURA IN VIRI

[52] Kelly, J. J., O'Donnell, J. P. I. Ch. Symp. Series, 29: 38, 1968.

[53] Poersch, W. Verfahrenstechnik, 5(5): 186, 1971.

[54] Internetni vir: http://www.tpub.com/content/altfuels01/0276/02760028.htm (dostop: 16.2.2011).

[55] Purcell, J. G. Chem. Eng. (London), 346: 496, 1979.

[56] Lisboa, M. H., Vitorino, D. S., Delaiba, W. B., Finzer, J. R. D.in Barrozo, M. A. S., A study of particle motion in rotary dryer, Brazilian Jornal of Chemical Engineering, 2007; 24(3): 365–374.

[57] Schofield, F. R., Glikin, P.G. Trans. IChE, 40: 183, 1962.

[58] Glikin, P. G. Trans. Inst. Chem. Eng., 56(2): 120, 1978.

[59] Kelly, J. J., O’Donnell, P. Trans. IChE, 55: 243, 1977.

[60] Miskell, F., Marshall, W. R. Jr. Chem. Eng. Prog., 52: 35, 1956.

[61] Fan, L. T., Ahn, Y. K. Appl. Sci. Res. Sec. A, 10: 465, 1961.

[62] Porter, S. J., Masson, W. G. Proc. Fert. Soc., Proceeding 61, 1960.

[63] Johnstone, H. F., Singh, A.D. Bull. Univ. Ill., 324: 56, 1940.

[64] Sullivan, J. D., Maier, G. C., and Ralston, O. C., Passage of solids particles through rotary cylindrical kilns; U.S. Bureau of Mines Technical Paper, 384, 1–42, 1927.

[65] Prutton, C. F., Miller, C. O., Shuette, W. H. Trans. AIChE, 38: 123, 251, 1942.

[66] Perry, R. H., Chilton, C.H. Chemical Engineers’ Handbook; Section 20, 5th ed., New York: McGraw-Hill, 1974.

[67] Friedman, S. J., Marshall, W. R. Jr. Chem. Eng. Prog., 45: 482, 573, 1949.

[68] Saeman, W. C., Mitchell, J.R. Jr. Chem. Eng. Prog., 50: 467, 1954.

[69] Saeman, W. C. Chem. Eng. Prog., 58: 49, 1962.

[70] Miller, C. O., Smith, B. A., Shuette, W. H. Trans. AIChE, 38: 841, 1942.

[71] Krokida M. K., Maroulis Z. B., Kremales C. Dry Technol., 20 (4–5): 771–778, 2002.

[72] Kisakurek, B., Retention time in a rotary dryer, Proceedings of the Third International Drying Symposium (Ashworth, J. C., ed.), England: Wolverhampton, 1982, str.148.

[73] Kelly, J. J., Rotary drying, Handbook of Industrial Drying ( Mujumdar, A. S., ed.), 2nd ed., New York: Marcel Dekker, 1995, str.161–183.

[74] McAdams, W. H. Heat Transmission, 3rd ed., New York: McGraw-Hill, 1954.

[75] Internetni vir: http://www.currency-converter.org.uk/currency-rates/convert/EUR-USD-rate.html (dostop: 23.3.2011).

[76] Internetni vir: http://www.mg.gov.si/fileadmin/mg.gov.si/pageuploads/Energetika/Porocila/Podpore_jan_2011.pdf (dostop: 23.3.2011).

[77] Internetni vir: http://www.matche.com/EquipCost/Dryer.htm (dostop: 23.3.2011).

[78] Karri, S. B. R., Werther, J., Gas distributor and plenum design in fluidized beds, Handbook of Fluidization and Fluid Systems, (Yang, W. C., ed.), New York: Marcel Dekker, 2003, poglavje 6.

[79] Romankov, P. G.,Drying, in Fluidization, (Davidson, J. F. in Harrison, D., eds.) London: Academic Press, 1971, poglavje 12.

[80] Guignon, B., Duquenoy, A., Dumoulin, E. D., Fluid bed encapsulation of particles: principles and practice, Drying Technol., 20(2): 419–447, 2002.

[81] Mujumdar, A. S., Law, C. L., Filter dryers in process industries, Chemical Industry Digist, April 2006: 34–42, 2006.


LITERATURA IN VIRI

[82] Lisboa,M. H., Alves, M. C.,Vitorino, D. S., Delaiba, W. B., Finzer, J. R. D., Barrozo, M. A. S., Study of the performance of the rotary dryer with fluidization, Proceedings of the 14th International Drying Symposium, (Silva, M. A., ed.), Brazil: Sao Paulo, 2004, str. 1668–1675.

[83] Reyes, A., Eckholt, M., Alvarez, P. I., Drying and heat transfer characteristics for a novel fluidized bed dryer, Drying Technol., 22(8): 1869–1895, 2004.

[84] Lee, D. H., Kim, S. D., Drying characteristics of starch in an inert medium fluidized bed, Chem. Eng. Tech., 16: 263–269, 1993.

[85] Costa, E. F., Cardoso, M., Passos, M. L., Simulation of drying suspensions in spout-fluid beds of inert particles, Drying Technol., 19(8): 1975–2001, 2001.

[86] Grbavcic, Z. B., Arsenijevic, Z. Lj., Garic-Grulovic, R. V., Drying of slurries in fluidized bed of inert particles, Drying Technol., 22(8): 1793–1812, 2004.

[87] Chen, G., Zhao, Y., Chen, Y., Drying of suspending liquor in fluidized bed with inert particles, J. Chem. Eng. (China), 45(4): 474–480, 1996.

[88] Taruna, I., Jindal, V. K., Drying of soy pulp (okara) in a bed of inert particles, Drying Technol., 20(4–5): 1035–1051, 2002.

[89] Kirkwood, M. K., Olson, K. E., Enzyme Drying Process, U.S. Patent 4.617.212, 1986.

[90] Grbavcic, Z. B., Arsenijevic, Z. Lj., Zdanski, F. K., Drying of suspension in fluidized bed of inert particles, Proceedings of the 11th International Drying Symposium, (Akritidis, C. B., Marinos-Kouris, M., Saravakos, G. D., Mujumdar, A. S., eds.), Ziti Edition, Thessaloniki, Vol. C, 1998, str. 2090–2097.

[91] Mujumdar, A. S., Kudra, T., Drying of slurries with particulate media in various gas-particle contactors, Proceedings of the Second Asian-Oceania Drying Conference, Daud, et al., (eds.), The Institution of Chemical Engineers, Malaysia: Pulau Pinang, 2001, str. 1–25.

[92] Mujumdar, A. S., Spouted bed technology – a brief review, Drying’ 85, Mujumdar, A.S., Ed., New York: Hemisphere Publishing, 1985, str. 151–157.

[93] Mujumdar, A. S., Devahastin, S., Applications for fluidized bed drying, Handbook of Fluidization and Fluid Systems, (Yang, W. C., ed.), New York: Marcel Dekker, 2003, poglavje 18.

[94] Chen, J.C., Heat transfer, Handbook of Fluidization and Fluid Systems, Yang, W.C., ed., New York: Marcel Dekker, 2003, poglavje 10.

[95] http://www.uradni-list.si/1/content?id=28267 (dostop: 22.3.2011)


PRILOGE

10 PRILOGE

Priloga A

Priloga A1: ROTACIJSKI SUŠILNIK – 1. PRIMER.

Priloga A2: ROTACIJSKI SUŠILNIK – 2. PRIMER.

Priloga B

Priloga B: SUŠILNIK S FLUIDIZIRANIM SLOJEM – PRIMER.


PRILOGE

Priloga A1


PRILOGE


PRILOGE

Priloga A2


PRILOGE


PRILOGE

Priloga B


PRILOGE

Stran 94

ŽIVLJENJEPIS

11 ŽIVLJENJEPIS

Stran 95

ŽIVLJENJEPIS

Documents

346 Anja 2011.doc)hs specifi čna entalpija snovi J/kg hs1 za četna specifi čna entalpija snovi J/kg hs2 kon čna specifi čna entalpija snovi J/kg hš višina lete čih šob m hv