Модернизация сушилки с псевдоожиженным слоем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сушка, представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых и пастообразных материалов и проводится двумя основными способами:

- путем непосредственного соприкосновения сушильного агента (нагретого воздуха, топочных газов) с высушиваемым материалом конвективная сушка;

- путем нагревания высушиваемого материала тем или иным теплоносителем через стенку, проводящую тепло, контактная сушка.

Сушка производится также путем нагревания высушиваемых материалов токами высокой частоты или инфракрасными лучами.

Количество влаги удаленной из материала можно определить по основному уравнения массопередачи:

М = KF,

где К - коэффициент массопередачи,

F - поверхность соприкосновения фаз,

- движущая сила процесса.

При постоянных условиях коэффициент массопередачи и движущая сила остаются постоянными, поэтому интенсифицировать процесс сушки можно за счет увеличения поверхности контакта фаз. Для сыпучих мелкозернистых материалов этого можно достичь в сушилках с псевдоожиженным (кипящем) слоем.

В кипящем слое происходит быстрое выравнивание температур твердых частиц и сушильного агента и достигается весьма интенсивный тепло- и массообмен между твердой и газовой фазами, в результате этого сушка заканчивается в течении нескольких минут.

При сушке в кипящем слое в качестве сушильных агентов применяют топочные газы и воздух, сушку проводят в аппаратах непрерывного и периодического действия, причем непрерывная сушка производится в одноступенчатых и многоступенчатых сушилках. В последнем случае достигается повышенная степень использования тепла сушильного агента.

Сушилки с кипящим слоем являются одним из прогрессивных типов аппаратов для сушки. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала. Сушилки с кипящим слоем в настоящее время успешно применяют в химической технологии не только для сушки сильносыпучих зернистых материалов (например, минеральных и органических солей), но и материалов, подверженных комкованию, например для сульфата аммония, поливинилхлорида, полиэтилена и некоторых других полимеров, а также пастообразных материалов (пигментов, анилиновых красителей), растворов, расплавов и суспензий.

Аппараты с псевдоожиженным слоем зернистого материала получили широкое распространение в химической и других отраслях промышленности. Они отличаются большим разнообразием, как по конструкции, так и по гидродинамическим и тепловым режимам работы. Их можно классифицировать следующим образом:

- по количеству зон однокамерные и многокамерные;

- по характеру движения материала - с направленным и ненаправленным движением от места загрузки материала к месту его выгрузки;

- по использованию теплоносителя однократное и многократное;

- по конфигурации сушильной камеры - круглые, прямоугольные и т.д. Достоинства сушилок с кипящим слоем:

- интенсивная сушка;

- возможность сушки при высоких температурах, которые могут превышать допустимые для данного материала, вследствие кратковременности его соприкосновения с сушильным агентом;

- высокая степень использования тепла сушильного агента;

- возможность автоматического регулирования параметров процесса. Недостатки таких сушилок:

- непригодность для сушки материалов, плохо поддающихся псевдоо-

жижению (например с высокой влажностью, с крупными размерами частиц);

- высокое гидравлическое сопротивление;

- истирание и значительный унос твердых частиц.

Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия, но в сушилках этого типа с цилиндрическим корпусом наблюдается значительная неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от его среднего значения. Поэтому применяются сушилки с расширяющимся кверху сечением, например коническим. Скорость газа внизу камеры должна превышать скорость осаждения самых крупных частиц, а вверху быть меньше скорости осаждения самых мелких частиц. При такой форме камеры достигается более организованная циркуляция твердых частиц, которые поднимаются в центре и опускаются (в виде менее разреженной фазы) у периферии аппарата. Благодаря снижению скорости газов по мере их подъема улучшается распределение частиц по крупности и уменьшается унос пыли. Это, в свою очередь, повышает равномерность нагрева (более мелкие частицы, поднимающиеся выше, находятся в области более низких температур) и позволяет уменьшить высоту камеры.



1. Область применения

Проектируемая сушилка применяется в промышленности для сушки речного песка.

2. Выбор конструкционного материала

Песок -- скопление мелких минеральных зерен, преимущественно кварца; может быть белого, желтого и коричневого цвета; тонкий, средний и крупный. В очень влажном состоянии анаэробен, обычно не коррозионно-активен. Поэтому в качестве конструкционного материала выбираем сталь 3 СП/ПС.

3. Технологическая схема

Влажный материал шнековым питателем ШП, подается в слой продукта, “кипяшего” (псевдоожиженного) на газораспределительной решетке в аппарате с кипящем слоем АКС. Воздух, забираемый из атмосферы, подается газодувкой ГД в калорифер К, где нагревается за счет конденсации греющего пара до температуры 400С, а затем поступает в подрешеточное пространство аппарата АКС. Выходя с большой скоростью из отверстий газораспределительной решетки, нагретый воздух псевдоожижает и высушивает слой материала. Высушенный продукт непрерывно выгружается дозатором Д (шлюзовым разгрузителем). Отработанный воздух очищается от унесенной пыли в циклоне Ц. Уловленная пыль непрерывно (или периодически) выгружается из циклона и вместе с высушенным материалом в виде готового продукта направляется на склад или на дальнейшую переработку.

4. Материальный расчет

Производительность сушилки по сырому материалу:

= 1,944(100 - 6)/(100 - 0,4) = 1,835 кг/с,

где GK = 7000/3600 = 1,944 кг/с - производительность сушилки по высушенному материалу

Количество испаряемой влаги:

W = GH - GK = 1,944 - 1,835 = 0,109 кг/с.

5. Тепловой расчет

Расход тепла



Q = Qисп + Qнаг + Qпот = 1,15{W[r0 + cп(tв2 - tм1)] + Gксм(tм2 - tм1)},

где Qисп - тепло затрачиваемое на испарение влаги,

Qнаг - тепло затрачиваемое на нагрев материала,

Qпот - потери тепла в окружающую среду, принимаемые равными

15% от первых двух слагаемых,

r0 = 2439 кДж/кг - теплота испарения при 0 С [1c. 550],

cп = 1,97 кДж/(кгК) - теплоемкость водяного пара [1c. 528],

cм = 1,42 кДж/(кгК) - теплоемкость материала [1c. 527],

tм1 = 10 С - температура материала на входе в сушилку,

tм2 = 85 С - температура материала на выходе из сушилки.

Q = 1,15{0,109[2493+1,97(90-10 )]+1,9441,42(85-10)} =570,3 кВт

Расход сухого воздуха

L = Q/[cв(t2 - t1)] =570,3/[1(150 - 90) = 9,51 кг/с,

где св = 1 кДж/(кгК) - теплоемкость сухого воздуха [1c. 528].

Удельный расход сухого воздуха:

l = L/W = 9,51/0,109 = 87,2 кг/кг.

Параметры атмосферного воздуха: t0=19 C, 0 = 71% (лето, Иваново).

Начальное влагосодержание воздуха: х1 = 0,01 кг/кг.

Влагосодержание воздуха на выходе из сушилки:

х2 = х1 + 1/l = 0,01 + 1/87,2 = 0,021 кг/кг.



6. Гидродинамический расчет сушилки

Свойства воздуха на выходе из сушилки

Плотность воздуха на выходе из сушилки:

t = 1,293273/(273 + 90) = 0,97 кг/м3.

Вязкость воздуха при 90 С:

= 17,310-6(273 + 124)(363/273)3/2/(363+124) = 21,610-6 Пас,

где 0 = 17,310-6 Пас - вязкость воздуха при 0 С [1c. 513],

C = 124 - вспомогательный коэффициент.

Кинематическая вязкость воздуха:

t = t/t = 21,610-6 /0,97 = 22,310-6 м2/с.

Рабочая скорость воздуха

Критерий Архимеда:

= 9,80,00303/(22,310-6)2(1770-0,97)/0,97 = 970916,

где М = 1770 кг/м3 - плотность материала [1c. 511].

Критерий Рейнольдса для рабочего режима:

= 9709160,604,75/[18+0,61(9709160,604,75)1/2] = 436,2,



где = 0,60 - порозность кипящего слоя.

Рабочая скорость воздуха:

vр = Reрt/dt = 436,222,310-6/0,0030 = 3,24 м/с.

Диаметр аппарата у газораспределительной решетки.

Площадь газораспределительной решетки:

Sр = L(1+x2)/(tVр) = 9,51(1+0,021)/(0,973,24) = 3,090 м2.

Диаметр аппарата:

= (3,090/0,785)1/2 = 1,984 м

принимаем диаметр аппарата 2,0 м.

Высота кипящего слоя

Критерий Прандтля:

Pr = ct/t = 100021.610-6/0,035 = 0,62,

где t = 0,035 Вт/(мК) - теплопроводность воздуха [1c. 530].

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,4(Reр/)0,67Pr0,33 = 0,4(436,2/0,60)0,670,620,33 = 28,2.

Коэффициент теплообмена:



= Nut/d = 28,20,035/0,0030 = 329 Вт/(мК)

Число единиц переноса:

= ln[(150 - 85)/(90 - 85)] = 2,56.

Объем кипящего слоя:

Vсл = LcВm0/[Sуд(1 - )],

где Sуд = 6/d = 6/0,0030 = 2000 м-1 - удельная поверхность.

Vсл = 9,5110002,56/(3292000(1 - 0,60)] = 0,092 м3.

Высота слоя:

Нсл = Vсл/Sp = 0,092/3,090 = 0,030 м

По практическим данным обычно принимают высоту слоя

Нсл = 80d0 = 805,0 = 400 мм [2c. 171],

где d0 = 5,0 мм - диаметр отверстий.

Общая высота аппарата Н = 5Нсл = 5400 = 2000 мм.

Проверка условия выноса из аппарата мелких частиц

Принимаем минимальный диаметр частиц 1 мм

Критерий Архимеда для частиц с минимальным диаметром:

= 9,80,00103/(22,310-6)2(1770-0,97) /0,97 = 35960.



Критерий Рейнольдса:

= 35960/ (18 + 0,61359601/2) = 269,0.

Скорость витания частиц:

vвит = 269,022,310-6/0,0010 = 6,00 м/с

Так как скорость витания частиц больше рабочей скорости воздуха, то можно использовать аппарат цилиндрической формы

Проверка условия псевдоожижения частиц максимального размера

Принимаем максимальный диаметр частиц 5 мм

Скорость воздуха у решетки:

vреш = vp(273+t1)/(273+t2) = 3,24(273+150)/(273+90) = 3,8 м/с.

Скорость воздуха в отверстиях решетки:

vот = vреш / = 3,8/0,1 = 38 м/с,

где = 0,10 - доля живого сечения решетки [4c. 15].

Скорость псевдоожижения частиц максимального размера:

vкр(от) = vот / k = 38 / 2,5 = 15,1 м/с,

где k = 2,5 - число псевдоожижения.

Критерий Архимеда для частиц максимального размера



= 9,80,00503/(29,210-6)2(1770-0,83)/0,83 = 3063836.

Параметры воздуха у решетки при 150 С:

- плотность t = 1,293273/(273+150) = 0,83 кг/м3

- вязкость t= 17,310-6(273+124) (423/273)3/2/(423+124) = 24,210-6 Паc,

- кинематическая вязкость t = t/t = 24,210-6 / 0,83 = 29,210-6 м2/с.

Критерий Рейнольдса:

= 3063836/[1400+5,22(3063836)1/2] = 290,8

Скорость газа необходимая для ожижения частиц максимального размера:

vкр(max) = Remaxt/dmax = 290,829,210-6 / 0,005 = 1,70 м/с.

Так как vкр(от) > vкр(max), то будет иметь место псевдоожижение частиц максимального размера.

7. Подбор вспомогательного оборудования

Подбор дозаторов

Часовая объемная производительность установки:

Q = 3600G/н = 36001,944/1300 = 5,38 м3/час,

где н = 1300 кг/м3 - насыпная плотность [1c. 511].

Для загрузки установки выбираем винтовой питатель типа ПВ-160 со следующими характеристиками [4 c.26]: производительность - 0,66 м3/час,

диаметр винта - 160 мм,

диаметр вала - 60 мм,

мощность привода - 2,2 кВт.

Для разгрузки установки выбираем шлюзовой питатель типа ПШ1-250 [4c. 27] со следующими характеристиками: производительность - до 1,46 14,2 м3/час, объем ротора - 0,0126 м3, мощность привода - 1,1 кВт.

Подбор циклона

Скорость воздуха в циклоне:

=(2700/601,11)0,5 = 4,6 м/с,

где = 60 - коэффициент сопротивления циклона типа НЦ-24,

Р = 700 Па гидравлическое сопротивление циклона.

Диаметр циклона

= [9,51/(0,7854,60,97)]1/2 = 1,25 м.

Принимаем циклон диаметром 1200 мм со следующими размерами:

диаметр выходной трубы	0,6D	720 мм
ширина выходного патрубка	0,26D	312 мм
высота входного патрубка	0,66D	792 мм
высота цилиндрической части	2,26D	2712 мм
высота конической части	2,0D	2400 мм
общая высота циклона	4,56D	5472 мм

8. Гидравлический расчет сушилки

Гидравлическое сопротивление сушильной установки

Р = Рсл + Рреш + Рц,

где Рсл - сопротивление псевдоожиженного слоя,

Рреш - сопротивление решетки,

Рц = 700 Па - сопротивление циклона.

Рсл = Н(1-)(Т -)g = 0,4(1-0,60)(1770-0,97)9,8 = 2775 Па.

Рреш = (Vp/f)21/2,

где f = 0,10 - коэффициент свободное сечение решетки,

= 1,75 - коэффициент сопротивления решетки [2c. 310].

Рреш = 1,75(3,24/0,10)20,83/2 = 762 Па.

Р = 2775 + 762 + 700 = 4238 Па.

Подбор газодувки

Объемный расход воздуха на выходе:

Q = L/2 = 9,51 / 0,97 = 9,80 м3/с.

По гидравлическому сопротивлению и объемному расходу выбираем газодувку ТВ-600-1,1 [2c. 42], для которой

напор 10000 Па,

производительность 10,0 м3/с,



9. Конструктивный расчет

Толщина обечайки

= DP/2 +Cк,

где D = 2,0 м - диаметр греющей камеры аппарата;

P = 0,1 МПа - давление греющего пара;

= 138 МН/м2 - допускаемое напряжение для стали [2 c.76];

= 0,8 - коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77];

Cк = 0,001 м - поправка на коррозию.

= 2,00,1/21380,8 + 0,001 = 0,002 м.

Согласно рекомендациям[3c.24] принимаем толщину обечайки =10 мм.

Днища

Снизу аппарат закрыт плоским стальным неотбортованным днищем по ГОСТ 12622-78 [5 c.36] , приваренным непосредственно к обечайке, а сверху - коническим отбортованным с углом при вершине 120

Фланцы

Соединение обечайки с верхним днищем осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ГОСТ 28759-90, размеры которых приводятся на рисунке:

Штуцера

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G - массовый расход теплоносителя,

- плотность теплоносителя,

w - скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость воздуха в штуцере на входе w = 25 м/с, на выходе из сушилки 25 м/с, тогда штуцер для входа воздуха:

d1 = (9,51/0,785250,83)0,5 = 0,664 м,

принимаем d1 = 600 мм;

диаметр штуцера для выхода воздуха:

d2 = (9,51/0,785250,97)0,5 = 0,655 м,

принимаем d2 = 600 мм;

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

dусл	D	D2	D1	h	n	D
600	720	680	644	25	12	22

Опоры аппарата.

Масса аппарата.

Масса цилиндрической обечайки:

Go = 0,785(Dн2 - Dв2)Н = 0,785(2,0202 - 2,002)3,07800 =1477 кг,

где Н = 3,0 м - высота цилиндрической обечайки,

= 7800 кг/м3 - плотность стали.

Масса плоского днища:

Gпд = 0,785D2s = 0,7852,020,0107800 =245 кг.

Масса конического днища Gкд =412 кг [4 c.469].

Принимаем массу вспомогательного оборудования (загрузочное и разгрузочное устройства, фланцы штуцера, газораспределительная решетка) 30% от массы основных частей аппарата, тогда полная масса аппарата:

Ga = 1,3(Go+Gпд+Gкд) = 1,3(1477+245+412) =2774 кг = 0,0272 МН.

Принимаем, что аппарат установлен на трех опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

Gоп = 0,0272/3 = 0,009 МН

По [4 c.673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,01 МН.

Расчет тепловой изоляции. В качестве материала тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности и = 0,09 Вт/мК. Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст.в.=40 С; температуру окружающей среды tв = 18 С, тогда толщина слоя изоляции:



,

где в - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в окружающую среду,

в = 8,4+0,06(tст.в. - tв) = 8,4+0,06(40 - 18) = 9,72 Вт/м2К.

и = 0,09(150-40)/9,72(40-18) = 0,043 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 50 мм.

сушка влага испарение гидродинамический



Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

3. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.:Химия, 1977.

4. Сушилка с псевдоожиженным слоем зернистого материала. Методические указания. Иваново, 1989.

5. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры - Л. «Машиностроение», 1975.

Размещено на Allbest.ru

...