文摘

作为它们的方法来管理矿业废物,使用太阳能污泥干燥的磷酸盐在旋转干燥器。作为第一步,小型旋转干燥器的设计研究磷污泥详细,使用一维数学模型这一任务。使用工程方程解算器(ee)软件,稳态传输现象模型被开发,使一种估计气体的湿度和温度资料和产品的干燥器。灵敏度分析评估的效果和影响不同的几何参数和操作条件对产品水分剖面。相关参数包括干燥机的直径,产品干燥的停留时间,进气温度和进气湿度产品。这使得选择合适的设计参数的操作磷酸污泥烘干机,1.5米的长度和内部直径11.5厘米。扶轮干燥机的进气温度设定在200°C来实现产品的水分含量从30%减少到7%。模型是通过文献和实验数据验证,误差平均为0.22%和1.52%,分别。

1。介绍

摩洛哥最大释放储备的磷酸盐而被列为第三生产商这矿石(1]。在磷选矿采矿活动相关,氟磷灰石和相关的脉石矿物分离(粘土、石灰石、硅酸盐…)各种流程的组合,包括破碎和筛选,清洗,和/或浮选。这些操作产生大量的污泥,代表超过20%的原矿石的重量用于生产磷酸浓缩(2]。2010年,大约2810万吨磷酸污泥生成只在摩洛哥[1),这个数量不断增加的持续发展生产。煤矸石是粘土质,它本质上是一种多孔吸湿材料含有大量的水(3]。范Damme et al。4)考察了污泥的特性和行为,它定义为一个密集的谷物,饱和液体,有或没有物理化学相互作用。这种污泥通常蔓延到露天池塘、堤坝,位于我的网站。这需要大面积的城市和农业(耕地)的土地,而提出一个严重的问题在存储容量方面。磷酸污泥也可以污染的来源植物,野生动物,空气和水5)和现在的一个潜在的全球风险,尤其是矿业网站(周围的村庄6]。这个副产品也有争议的长期可持续性可能需要昂贵的康复措施的操作。面临的主要挑战因此磷酸盐行业整合为污泥管理理性的和环保的方法。

磷酸作为污泥目前认为是没有价值的矿业废物(7),其稳定物价是最好的策略来限制其负面影响。文献调查确定了雄心勃勃的可能性的重用作为替代原料在几个部门和行业。一些例子包括光聚合(1),发射砖(8,9],胶结绑定[6),陶瓷材料(1,7)、玻璃陶瓷(10,11),和混凝土和迫击炮(12]。更好的限价这种副产品,干燥是一个重要的中间过程,有助于减少环境影响和存储和运输成本降低的数量和质量后水去除。干燥还可以消除当前的形式存储在垃圾填埋场堤坝,限制他们的环境影响。

目前的工作背后的想法是依靠一个旋转干燥器之前用于磷酸干燥。随着新技术已经被用来运输和干燥磷酸,回转烘干机落入废弃。这将允许他们重用磷酸处理污泥经过改编,与干燥所需的能源来自化石燃料。然而,太阳能热能可以是一个可能的环保替代(13,14]。我们所知,本研究是首次研究磷酸洗涤污泥的干燥回转窑。达到最优参数的有效干燥、实验室实验是第一需要。

许多广泛的研究在文献中存在各种干燥技术;回转窑是最常见的和更少的昂贵的维护成本时(15]。60年代早期看到的第一个研究稳态旋转干燥器建模(16]。道格拉斯et al。17)提高旋转干燥器的建模通过添加整个干燥固体和气体特性变化。索恩和凯利18)建立了一个动态模型结合粒子运输模型,凯利和奥唐纳(19]加赛德的干燥动力学模型(20.]。Reay [21旋转干燥器)提出了一个整体模型,包括模型分别为固体和设备。Najim [22)开发的磷酸盐旋转干燥器的静态和动态模型。这些模型都是基于偏微分方程四个代表质量和热量平衡控制干燥器的体积,考虑传热传质发生。其他的研究进行了比较旋转干燥器的数学模型对各种产品流率和不同大小的干燥器(23- - - - - -25]。对于扶轮干燥机试验台设计,更准确的使用稳态一维建模减少计算时间和简化过程。回转式烘干机已经应用于各个行业,如矿物、化学、燃料和食物。他们有广泛的应用程序涉及气体和固体阶段之间的传热传质。et al。(26]讨论了详细的开发三维辐射传热模型的回转窑床材料、窑用于铁矿石球团。模型预测内壁和床表面温度误差小于11%。顾et al。15]在数值模拟和实验方面研究了湿丝状生物质颗粒的干燥特性在实验室回转窑。仿真结果比较在选定的条件下实验验证传热传质数学模型。Gomez-De La Cruz et al。27,28]研究了旋转干燥器的干燥行为用于橄榄油铣浪费。结果表明,干燥速率降低平均粒径降低。Silverio et al。29日]相比传统回转烘干机对化肥的表演(并发和逆流流动)roto-aerated干燥器配置中,混合分布的微型管道使用。结果证实了性能优越的混合roto-aerated干燥由于更好的特点联系。Firouzi et al。30.)探讨了能源消耗和碾米品质和水平旋转干燥器干燥稻谷。结果相比传统工业类型的床干燥器在不同稻田水分的水平。热能利用效率约为38.8%和26.3%,分别在12%的水分下降范围-14.5%,w . b。Kaveh et al。31日]调查干燥动力学、质量、能量和火用豌豆的性能在热air-rotary烘干机使用自适应神经模糊推理系统(简称ANFIS)模型在不同温度和旋转旋转速度。干燥空气温度的三个层次上进行了测试,40岁,55岁和70°C和三个旋转的速度5、10和15 rpm。结果表明,能量利用率的过程变化的范围0.0121 - -0.1556 kJ / s。Perazzini et al。32)建立了一个动态模型的转鼓干燥柑橘残留,与模型验证进行半成品扶轮干燥机。Souza et al。33]分析了大豆种子之间的传热传质和空气在一个非传统扶轮干燥机。一个好的协议被发现之间的模拟结果和实验数据。Proch et al。34)展示了一个间接加热回转窑的设计对废轮胎热解可以开发基于数值模拟的结果。他们描述一维仿真模型颗粒床的温度和质量流量资料,以及气体沿轴的间接加热回转窑。该模型成功地使用实验测量验证。

文献回顾显示缺乏全面的数值或实验工作包括磷酸污泥干燥。因此,本文桥梁现有的知识空白。为了达到这个目标,一个稳态一维模型的设计开发实验室磷酸污泥旋转干燥器干燥温度和深层的影响评估内容在干燥的产品。因为太阳能是设想作为热能来源,建模和分级完成低温喷雾干燥等手段(例如,小于250°C),使用工程方程解算器(ee)软件模拟。使用可用的文献数据进行模型验证,以及获得的实验数据与磷酸污泥的小型旋转干燥器。因此,本文首次提供了更多的理论和实验的信息行为的磷酸盐在扶轮干燥污泥。

2。模型开发

直接接触扶轮干燥机,干燥机不断用湿产品,直接接触热气体注入干燥机。沿着旋转柱箍(产品运输35),通过适当的干燥通过窑的连续旋转。这种连续旋转具有双重作用,首先在产品从一端到另一端,虽然它也可以传播和混合颗粒的热气流。相关现象运动确保产品运输从入口到出口的套圈,里面热气被球迷提供一个抑郁孤僻。传质现象必须考虑,水会通过从产品到气体流。传热的热气体流干的产品保证了phosphate-bound水变成蒸汽的相变状态,然后选择的热气流。

一维模型开发的这项工作是改编自几位文学作品36)和基于方程组描述质量和热量平衡考虑气态和固态之间的热量和质量传递阶段。它是基于以下简化的假设:(我)干燥器是在一个稳定状态(2)颗粒被认为是球形,大小均匀(3)没有干燥机产生的热量(iv)产品被认为是均匀的(v)固体和干燥空气的速度沿着干燥机轴是常数

2.1。控制方程

扶轮干燥机可以被认为是形成三个连续的区域,如图1。第一个区域,相应的预热阶段,针对粒子加热到固液表面等于平衡温度。这个温度保持在第二区而干燥速率是恒定的。这一直持续到临界含水率实现后,干燥速率开始下降,水分含量采用渐近曲线趋于平衡水分吗(8]。控制体积的长度如图2用于稳态质量和能量平衡在每个扶轮干燥机(带37,38]。

第一,下列方程从[38使用:(我)固体: (2)气体: (3)内墙: (iv)外墙:

第二区,固体温度被认为是常数和的质量平衡方程38]:

给出了能量平衡如下:(我)气体: (2)内墙: (3)外墙: (iv)质:

第三,质量平衡

得到了相应的能量平衡方程。(我)固体: (2)气体: (3)内墙: (iv)外墙: (v)质:

与

上面的方程构成的一维模型旋转干燥器,描述变量的行为以及干燥机,产量预测资料,产品水分和温度在不同的接口。表1介绍了一维模型的输入,其中污泥和气体特性。

进气温度和产品使用在Benguerir年平均环境温度,测试执行的地方。使用的热损失系数是最大发现文献中实现一个保守的误差系数。

2.2。参数的估计

传热系数的准确表达式很难获得自固体流动旋转干燥器内管,需要一个广泛的书目的传热系数的研究。还需要知道各种系统元素之间的表面交换使用更好的传热系数。

空气之间的热传递和产品( )是由

努塞尔特数的计算与主攻和马歇尔的(39)相关

在雷诺数 ,普朗特数 , 特征长度,空气热导率。

由此产生的空气之间的热传递和产品( )可以表达的

产品之间的传热系数和内部墙( )计算使用Tscheng [21相关:

空气和内壁之间的传热系数( )是

的相关性Agustini [6)是用来计算努塞尔特数:

为 和 。

和摩擦系数 。

为 ,

内部和外部之间的换热表面墙壁是由杜波依斯(40]:

在的传导关系之间的传热系数的计算内部和外部的墙。

外墙之间的换热面积和计算环境空气

外墙之间的传热系数和空气( )是由杜布瓦(40相关:

雷诺数而旋转: 。

格拉晓夫数: 。

3所示。模型的可靠性和决议

3.1。决议组织结构图

方程模型解决了使用龙格库塔四阶方法和变量值在ee编程软件集成步骤。仿真结果表明含水率对空气和产品的资料以及沿着干燥空气的温度和产品。对于每个控制体积,空气和固体的性质计算方程解决。用于解决计算的组织结构图如图3,强调了使用迭代和条件。估计的性质和初始条件表中列出1。

3.2。模型验证

的比较来验证该模型的工作Raffak et al。41]。Raffak et al。41)的模拟和实验工作25米长工业磷酸旋转干燥器的内部直径2.5米。测量各种参数管理这些烘干机的操作在这工作。那些参数热气体的条件(流速、温度、含水量和组成)和产品(含水量、进给速率、粒子大小和特定的加热),除尘室的环境温度,烟囱气体的温度,砖,和出口的壁炉(喷嘴),燃油的流量,和大萧条喷嘴以及主、次要,寄生气流率。这些输入被用来验证我们的模型与Raffak等。通过比较的实验结果的水分概要文件。表2列出所使用的输入参数。

比较仿真结果(曲线)和Raffak et al。(41]实验值的产品水分干燥机在图中找到4。五个试验是在类似条件下的进口产品的水分含量16%(16.3%,16.1%,16%,15.9%,和15.7%)。模型模拟相同的实验条件,进口产品的水分含量16%。图4显示仿真结果遵循类似的趋势在各种干燥机实验数据位置。之间的误差计算每个一系列的实验和模型之间,平均为0.22%,不超过1.5%。我们可以得出结论,开发模型准确地预测旋转干燥器的行为。

这种比较证明了模型的有效性条件中列出的表2。为不同的假设评估模型的准确性,应进行台架试验的灵敏度分析规模旋转干燥器在选择最优尺寸允许磷酸污泥。

4所示。敏感性分析和设计

尽管几个变量是参与扶轮干燥机的设计,必须遵循一定的规则,以确保设计和操作条件是一致的。模拟进行11.5厘米直径的1.5米长的干燥器计算固体水分和气体出口温度的干燥器。结果显示产品的水分和空气温度沿干燥机的进气温度200°C。通过干燥器直径的灵敏度分析,产品进口水分、进给速率,这些参数对模拟的最终水分含量的影响评估。这允许扶轮干燥机设计实现目标的条件。

4.1。干燥器直径对最终水分含量的影响

径( )之间的比例可以改变一个值2在大型烘干机为细长的烘干机(205]。执行内部直径的变化而保持这个比例在11.54和15之间,产生一个内部不同直径10至13厘米。进行了模拟过程中进气温度为200°C和5公斤/小时的进给速率磷酸湿污泥(30%的湿度,20°C)。图5显示,增加了干燥器直径导致产品的水分减少,所有其他参数相同。这可以解释为增加之间交换表面空气和产品。可以观察到一个恒定的湿度水平的初始长度,对应于前的预热阶段产品到达蒸发温度。的目标水分模拟固定在7%,密切了直径11.5厘米。

4.2。产品进气湿度对其最终含水率的影响

固体在入口的含水率影响干燥的结果,由图如图所示6。使用一个内部直径11.5厘米干衣机进气温度为200°C,增加干燥器长度必须达到7%的最终水分含量时,初始水分含量较高。这突出的好处减少固体的入口含水量尽可能限制干燥器的长度。

4.3。产品进给速率对其最终含水率的影响

产品进给速率的影响在其含水率干燥器长度如图7。干燥模型求出了三种不同的饲料利率,也就是说,5,7.5,10公斤/小时,初始含水率30%。干燥条件对进气温度设定在200°C, 3.5 m / s的气流速度和干燥器内直径11.5厘米。结果显示出口水分与进给速率增加,水分值的6%,8%,和10%,分别来自5,7.5,10 kg / h进给速率。有针对性的出口7%的水分从而达到5公斤/小时进给速率,较高的进给速率导致水分值超过这个阈值。

5。干燥器的选择和实验

依赖的敏感性分析,实验室规模旋转干燥器已采购进行实验。这个旋转干燥器有一个1.5米长管的内部直径11.5厘米。图8代表这个旋转干燥器的示意图。

开发模型是用来计算这个实验室规模的不同的操作参数旋转干燥器实现目标湿度产品(表的内容3)。

一种间接方式来验证模型的传热元件是通过外墙烘干机的温度。使用热感摄像机(FLIR T440),外部干燥器壁的温度沿其长度测量仿真比较。测试期间使用的多个入口空气温度与实验室规模的干衣机。图9显示操作干燥器的热成像测试期间在太阳能模式下,进气温度为100°C。实现太阳能加热的进气口,扶轮干燥机是耦合抛物槽(13)系统通过翅片管换热器设计(14,42这个太阳能的应用程序)。

比较之间的外墙温度模型预测和实验结果(图10)。干燥器,在这种情况下,在太阳能模式操作,解释100°C的温度较低的进气口。可以看出,温度资料一致在几个点,不到2%的差异发现在很多地方。干燥器内产品重新分区的变化可以解释这些差异,少一些区域控产品,这将影响空气和产品之间的传热,创建热点外墙。基于文献的验证后,实验室规模的模型是可靠的,平均误差为1.52%。

6。结论

磷酸污泥一直是环境问题,需要和更持久的解决方案来管理这样的工业废物。稳定物价通过利用在其他行业创造价值,但这需要干燥步骤,可以在废弃的回转烘干机表现在这种情况下。磷酸作为污泥干燥从未扶轮干燥机的特点,事先需要测试在实验室规模。

磷酸一维数学模型对污泥干燥因此发达之前被用来设计一个实验室规模扶轮干燥机。模型验证是由比较测试结果从文学,实现较低的错误值。接下来,进行灵敏度分析在多个设计和操作参数来确定最佳的设计方法。从这个,最好的干燥条件确定实现目标的磷污泥含水率出口。最后,间接实现模型的实验验证,通过比较模拟外墙温度曲线和热影像结果在相同条件下旋转干燥器的操作。这项工作中所开发的模型可以作为一个高档的设计的基础为磷污泥旋转干燥器。

命名法

:	体积(J / s)的热传递
:	体积系数热转移(J / (s·m3·K))
:	干燥器的体积(m3)
:	之间的对数平均温差和空气干燥的固体在进口和出口处标(K)
:	空气质量速度(公斤/ s·m2)
:	干燥器的直径(米)
:	潮湿的空气流速和干燥的空气,分别(公斤/小时)
:	流量的潮湿的产品和干燥产品,分别(公斤/小时)
:	产品的焓(J /公斤)
:	天然气的焓(J /公斤)
:	位置和旋转干燥器(m)
:	热容的元素(J /公斤/ K)
:	交换表面(m)
:	之间的对流空气和固体表面(W / m·K)
:	传导的内壁板凳(W / m·K)
:	空气之间的对流和内壁的表面(W / m·K)
:	传导到墙(W / m·K)
:	环境空气之间的对流和外墙表面(W / m·K)
:	(W·米2K)
:	干燥器的长度(米)
:	干燥器的内部直径(米)
:	干燥器的外部直径(米)
:	膨胀系数
:	空气粘度(公斤/米·s)
:	传导系数的元素(W / m·K)。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢IRESEN(研究所de矫揉造作的en科特布斯日出风等能量中篇小说)的持续的金融支持。