Расчет и проектирование сушилки для сушки песка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В данной курсовой работе рассчитан процесс сушки песка в барабанной сушилке. В качестве сушильного агента используются топочные газы. Описаны конструктивные особенности сушильного барабана. В пояснительной записке также представлена принципиальная схема сушки.

Процесс сушки заключается в удалении влаги из материалов с целью улучшения качества продукта, предохранения от слеживания, снижения массы, придания транспортабельности и т.д. В производственных условиях сушку проводят при атмосферном давлении или при вакууме, периодически или непрерывно при различных способах подвода тепла к высушиваемому материалу. С одной стороны, сушка является теплообменным процессом, так как к высушиваемому материалу подводится тепло, затрачиваемое на испарение влаги (часть тепла в виде теплосодержания влаги отдаётся окружающей среде), с другой стороны, сушка - массообменный процесс, так как влага из высушиваемого материала переходит в окружающую среду за счёт разности парциальных давлений водяных паров над поверхностью материала и в окружающем воздухе. Характер процесса сушки зависит от свойств и параметров высушиваемого материала и сушильного агента. [1].

Вследствие разнообразных условий сушки имеется много конструкций сушилок, которые классифицируют по различным признакам.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки [2]

1) конвективная сушка - путём непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используется нагретый воздух или топочные газы;

2) контактная сушка - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3) радиационная сушка - путём нагревания инфракрасными лучами;

4) диэлектрическая сушка - путем нагревания в поле высокой частоты;

5) сублимационная сушка - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. [2].

В химической и других отраслях промышленности для сушки сыпучих различных материалов широко применяют барабанные сушилки. Такое положение объясняется тем, что процесс протекает в них экономично, благодаря возможности использования высоких температур газов при параллельном движении материала и агента сушки; достигается большая производительность единичного аппарата и, кроме того, они вполне надёжны в эксплуатации.

По принципу действия барабанные сушилки подразделяют на 3 группы [2]:

1) сушилки прямого действия, в которых сушильный агент непосредственного соприкасается с высушиваемым материалом

2) сушилки непрямого действия, в которых сушильный агент не соприкасается с материалом, а всё необходимое тепло передаётся материалу через стенку;

3) сушилки смешанного действия, в которых сушильный агент передаёт материалу часть тепла через стенку, а часть - путём непосредственного соприкосновения.

Наибольшее распространение имеют барабанные сушилки прямого действия. [3].

1. Технологическая часть

В настоящее время всё более широкое распространение приобретают сушка топочными газами. Это объясняется тем, что температура топочных газов значительно выше температуры воздуха, нагреваемого перед сушкой. В результате влагопоглощающая способность газов во много раз больше влагопоглощающей способности воздуха. Обычно температура топочных газов превышает предельно-допустимую для высушиваемого материала и поэтому их разбавляют воздухом для получения сушильного агента с требуемой температурой.

Основной частью сушильной установки является вращающийся барабан 3 (pис. 1) диаметром метра и длиной метров. На барабане имеются два бандажа 12, каждой из которых катится по двум роликам 14, укреплённым на металлической раме, и зубчатый венец 13, служащий для приведения барабана во вращение от электродвигателя 15 через редуктор. Влажный материал (древесные опилки) из бункера 1 поступает в сушилку, пройдя предварительно ячейковый питатель 2, необходимый для обеспечения герметичности установки. Внутри барабана имеется подъёмно-лопастная насадка, прикреплённая к стенке барабана. Назначение насадки - дать за один оборот барабана возможно большее число пересыпаний материала. При вращении барабана материал проходит вдоль сушилки, причём продвижение частиц происходит во время их падения, как за счёт наклона барабана, так и вследствие откоса частиц потоком сушильного агента. Параллельно материалу в сушилку подаётся сушильный агент, образующийся от сгорания природного газа в топке 4 и смешения топочных газов с воздухом в смесительной камере 5. Воздух в топку и смесительную камеру подаётся вентиляторами 6 и 7. транспортирование сушильного агента через сушильную установку осуществляется с помощью вентилятора 11. при этом установка находится под небольшим разрежением, что исключает утечку сушильного агента через неплотности установки. Высушиваемый материал с противоположного конца сушильного барабана поступает в промежуточный бункер 8, а из него на транспортирующее устройство 9. Отработанный сушильный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне 10. Отсасывание газов из циклона производится вытяжным вентилятором 11. Температуру поступающих газов в сушилку газов измеряют термометром 16. Температуру газов, уходящих из сушилки, измеряют термометром 17, их влагосодержание - психрометром 18, а количество - при помощи расходомера 19. Частицы не улавливаемые циклоном задерживаются водой в мокром пылеуловителе 20 и насыщенный раствор с опилками поступает из отстойника 21 в сушильный барабан.

Рис. 1. Технологическая схема барабанной сушилки: 1 - бункер; 2 - ячейковый питатель; 3 - сушильный барабан; 4 - топка; 5 - смесительная камера; 6, 7 - вентилятор; 8 - бункер высушенного материала; 9 - транспортное устройство; 10 - циклон; 11 - вытяжной вентилятор; 12 - бандаж; 13 - зубчатый венец; 14 - ролики; 15 - эл. двигатель; 16, 17 - термометр; 18 - психрометр; 19 - расходомер

2. Расчётная часть

2.1 Определение топочных газов, подаваемых на горение

В качестве топлива используется природный газ следующего состава [в % (об.)] CH₄ - 91,6%; С₂Н₆ - 1,6%; С₃Н₈ - 0,8%; С₄Н₁₀ - 0,4%; С₅Н₁₀ - 0,2%; СО₂ - 0,6%; N₂ - 4,7%; Н₂S - 0,1%.

Теоретическое количество сухого воздуха L₀, затрачиваемого на сжигание 1 кг топлива, равно: [4]

,

где составы горючих газов выражены в объёмных долях. Подставив соответствующие значения, получим:

Для определения теплоты сгорания топлива воспользуемся характеристиками горения простых газов [10].

Таблица 1. Характеристика горения простых газов

Газ	Реакция	Тепловой эффект реакции, кДж/м3
Водород Метан Этан Пропан Бутан Пентан Сероводород	H2+0,5CO2=H2O CH4+2O2=CO2+H2O C2H6+3,5O2=2CO2+3H2O C3H8+5O2=3CO2+4H2O C4H10+6,5O2=4CO2+5H2O C5H12+8O2=5CO2+6H2O H2S+1,5O2=SO2+H2O	108100 358200 637500 912500 1186500 1460800 23100

Количество тепла выделившегося при сжигании 1 м³ газа, равно:

,

где - тепловой эффект реакции горения простого газа.

Плотность газообразного топлива с_m равна:

,

где M_i - молярная масса i - того компонента топлива, кмоль/кг;

t_T - температура топлива, равная 20⁰C;

молярный объём, равный 22,4 м³/кмоль;

Т_о - термодинамическая температура, равная 273 К.

.

Количество тепла, выделяющегося при сжигании 1кг топлива:

Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчёте на 1 кг сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом избытка воздуха , необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов до температуры смеси .

Значение находим из уравнений материального и теплового балансов. Уравнение материального баланса:

,

где L_с.г. - масса сухих газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива; C_mH_n - массовая доля компонентов, при сгорании которых образуется вода, кг/кг.

Уравнение теплового баланса:

,

где - общий коэффициент полезного действия, учитывающий эффективность работы топки и потери тепла топкой в окружающую среду, принимаемый равным 0,95;

- теплоёмкость газообразного топлива при =20⁰С, равная 1,34 кДж/кг*К;

- энтальпия свежего воздуха, равная 41,53 кДж/кг;

- энтальпия сухих газов кДж/кг; ;

и - теплоёмкость и температура сухих газов;

= 1,0743 кДж/кгК, = 425⁰С;

- влагосодержание свежего воздуха, (0,00924 кг/кг сухого воздуха), при температуре t_о= 21^оС и относительной влажности = 60%;

- энтальпия водяных паров, кДж/кг;

;

- теплота испарения воды при температуре 0 ^оС, равная 2493,1 кДж/кг;

- средняя теплоёмкость водяных паров, равная 1,97 кДж/(кгК);

- температура водяных паров = 425^оС.

.

Решая совместно два уравнения, получим:

(7)

Пересчитаем компоненты топлива, при сгорании которых образуется вода, из объемных долей в массовые:

,

где, C_mH_n - объёмная доля компонента в смеси;

V_м - молярный объём, равный 22,4 моль/л;

- плотность газообразного топлива;

Т_о - абсолютная температура;

t_Т - начальная температура топлива,°С.

СН₄ = 0,91616273/22,40,727 (273+20)= 0,8385;

С₂Н₆ = 0,01630273/22,40,727 (273+20)= 0,0275;

С₃Н₈ = 0,00844273/22,40,727 (273+20)= 0,0201;

С₄Н₁₀ = 0,00458273/22,40,727 (273+20)= 0,0133;

С₅Н₁₂ = 0,00272273/22,40,727 (273+20)= 0,0082;

Н₂S = 0,00134273/22,40,727 (273+20)= 0,0019.

Количество влаги, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива, равно:

;

Коэффициент избытка воздуха:

,

где Q - количество тепла, выделяющееся при сжигании 1 кг топлива.

Общая удельная масса сухих газов, получаемых при сжигании 1 кг топлива и набавлении топочных газов воздухом до температуры смеси 425^oC равна:

(8)

Удельная масса водяных паров в газовой смеси при сжигании 1 кг топлива:

(9)

Влагосодержание газов на входе в сушилку x₁ на 1 кг сухого воздуха равно:

Энтальпия газов на входе в сушилку:

2.2 Материальный баланс

По всему количеству вещества

G₁=G₂+W

где G₁, G₂ - масса влажного и высушенного материалов, кг/с.

W - влага, удалённая из материала во время сушки, кг/с.

По абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале:



2.3 Параметры отработанных газов. Расход сушильного агента

Уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:

, где

- разность между удельным расходом и приходом тепла непосредственно в сушильной камере;

С - теплоёмкость влаги во влажном материале при температуре окружающей среды, кДж/(кгК); С=4,19 кДж/кгК.

q_доп. - дополнительный удельный подвод тепла в сушильную камеру кДж/кг влаги; q_доп. =0;

q_T - удельный подвод тепла в сушилку с транспортными средствами, кДж/кг влаги: q_T =0;

q_П - удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги;

q_М - удельный подвод тепла в сушильный барабан с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги;

,

где с_м - теплоёмкость высушиваемого материала равная, 2,14 кДж/кг;

- температура материала на входе в сушилку,°С;

₌19^oC; t_М1=19^oC;

G_K - производительность сушилки по высушенному материалу;



, где

Q_П. - тепловые потери в окружающую среду, принимаем равными 10% от тепла Q₆; Q_П.= 0,1Q₆

Q₆ - тепло, вынесенное из сушилки с парами влаги, испарившейся из материала.

Q₆=Wi_n, где

i_n = 2493100 Дж/кг +1970 Дж/кгК110°C = 2709800 Дж/кг

Q₆=0,0136 кг/с2709800 Дж/кг=35454,8 Дж/с [Вт]

Запишем уравнение рабочей линии сушки:

или

Для построения рабочей линии сушки необходимо знать координаты (x u I) минимум двух точек. Координаты одной точки известны: X₁ = 0,0163; I = 182,02

Для нахождения координат второй точки зададимся произвольным значением х и определим соответствующее значение I.

Пусть х =0,0428 влаги/кг сухого вещества, тогда:



I=182,02+(-619,98 (0,0428-0,0163)=165,58 сухого воздуха

Через две точки на диаграмме I - x с координатами x₁; I₁ и x; I

проводим линию сушки до пересечения с заданными конечными параметрами t_K =95^oC.

В точке пересечения линии сушки с изотермой t_K находим параметры отработанного сушильного агента. Для построения изотермы t_K нам необходимо знать координаты двух точек:

,

где t - температура сушильного агента.

Определим по I - x диаграмме состояния влажного воздуха t_М2 по конечным параметрам сушильного агента х₂ и I₂.

х₂ = 0,0428 кг/ кг влаги

I₂ = 165,58 кДж/кг

t_М2 = 54^оС

Расход сухого воздуха:

Расход сухого газа:



Расход тепла на сушку:

Расход топлива на сушку:

кг/с

2.4 Определение основных размеров сушильного барабана

Объём сушильного пространства V складывается из объёма V_n, необходимого для прогрева влажного материала до температуры, при которой начинается интенсивное испарение влаги (до температуры мокрого термометра сушильного агента) и объёма V_c, требуемого для проведения процесса испарения влаги, то есть

V=V_c+V_n.

Объём сушильного пространства барабана может быть вычислен по модифицированному уравнению массопередачи:

,

где - средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³;

- объёмный коэффициент массопередачи, 1/с.

(при параллельном движении материала и сушильного агента).

Для барабанной сушилки коэффициент массопередачи , может быть вычислен по эмпирическому уравнению:

где - средняя плотность сушильного агента, кг/м³;

с - теплоёмкость сушильного агента при средней температуре в барабане, кДж/кг*К;

- относительное заполнение барабана высушиваемым материалом, %;

Р_o - давление, при котором осуществляется сушка, Па;

Р - среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па;

Уравнение справедливо для значений: n=1,5-5 об/мин,

В данном случае у нас песок с размерами d_ч = 0,65 мм и насыпной плотностью 1500кг/м³ [5].

Принимаем скорость газов в барабане = 0,8 м/с.

Плотность сушильного агента при средней температуре в барабане:

кг/м³

Принимаем частоту вращения барабана [4] n = 5 об/мин. Для рассматриваемой конструкции сушильного барабана (степень заполнения барабана) [4]. Процесс сушки осуществляется при атмосферном давлении, то есть

Р_o=101330,8 Па.

Парциальное давление водяных паров в газе определим по уравнению:

Тогда на входе в сушилку:

Па

на выходе из сушилки:

Па

Отсюда

Па.

Таким образом, объёмный коэффициент массоотдачи равен:

с^-1

Движущую силу массоотдачи определим:

где - движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³;

- движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³;

и - равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из неё, кг/м³.

Средняя движущая сила и выраженная через единицы давления (Па), равна:

где и - давления насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па.

Значения и определяем по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале (t_м1) и в конце (t_м2) процесса сушки. По диаграмме I - х [4] найдём t_м1 = 19^оC, t_м2 = 54°С; при этом

=7874,68 Па

=7381,68 Па

Па

кг/м³

Объём сушильного барабана, необходимый для измерения процесса испарения влаги, без учёта объёма аппарата, требуемого на прогрев влажного материала:

м³

Объём сушилки, необходимый для прогрева влажного материала, находим по модифицированному уравнению теплопередачи:



где - расход тепла на нагрев материала до температуры t_м1, кВт;

- объёмный коэффициент теплопередачи, кВт/м³К;

- средняя разность температур,°С.

Расход тепла равен:

Объёмный коэффициент теплопередачи определим по эмпирическому уравнению [7]:

Вт/(м³•К)

Для вычисления , необходимо найти температуру сушильного агента t_x, до которой он охладится, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до t_м1. Эту температуру можно определить из ypавнения теплового баланса:

t_x =28,34^oC

Средняя разность температур равна:



Подставляем полученные данные в уравнение:

Общий объём сушильного барабана равен:

V=V_с+V_П

V=5,374+6,8511=12,22 м³

Далее по справочным данным [4] находим основные характеристики барабанной сушилки.

Выбираем барабанную сушилку №7450, ее основные характеристики представлены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристика барабанной сушилки

Показатели	Значения
Внутренний диаметр барабана, м	1,5
Длина барабана, м	8
Толщина стенок наружного цилиндра, мм	10
Объем сушильного пространства, м3	14,1
Число ячеек, шт.	25
Частота вращения барабана, об/мин	5
Общая масса, т	13,6
Потребляемая мощность двигателя, кВт	10,3

Определим действительную скорость газов в барабане:

Объемный расход влажного сушильного агента на выходе из барабана (в м³/с) равен:

где x_ср. - среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг сухого воздуха. Получим:

м³/с

Тогда

м/с.

Определим среднее время пребывания материала в сушилке:

барабанный газ сушилка размер

Количество находящегося в сушилке материала равно:

кг

Отсюда:

с.

Зная время пребывания, рассчитываем угол наклона барабана:

 ?

Далее проверяем допустимую скорость газов, исходя из условия, что частицы высушиваемого материала наименьшего диаметра не должны уноситься потоком сушильного агента из барабана. Скорость уноса, равную скорости свободного витания определим по уравнению:

где и - вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре;

=2,17*10Па*с

d - диаметр частиц материала, d = 0,00065м;

- критерий Архимеда;

- плотность частиц высушенного материала.

Средняя плотность сушильного агента равна:

кг/м³

Критерий Архимеда:



Тогда скорость уноса:

м/c

Рабочая скорость сушильного агента меньше скорости уноса частиц наименьшего размера (0,56<4,09), поэтому расчет заканчиваем. Заключение.

В результате проведённого расчёта барабанной сушки, выбрана барабанная сушилка № 7450 (барабанные сушилки заводов «Уралхиммаш» и «Прогресс») - со следующими характеристиками:

Объём сушильного пространства - 14,1 м³, внутренний диаметр барабана - 1,5 м, длина барабана - 8 м, частота вращения барабана - 5 об/мин, потребляемая мощность двигателя - 10,3 кВт, число ячеек - 25 шт., толщина стенок наружного цилиндра - 10 мм, общая масса - 13,6 т.

Определена рабочая скорость сушильного агента (топочных газов) 0,56 м/с, а также время пребывания материала в сушилке - 41876,16 с.

Определён расход сушильного агента:

Расход сухого воздуха - 0,4214 кг/с.

Расход сухого газа -0,5144 кг/с.

Произведённые расчёты подтверждают правильность выбора оборудования и эффективность технологического процесса сушки.

Список литературы

Криворот А.С. Конструкция и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности. М.: Машиностроение, 1976. 376 с.

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. 752 с.

Руководство к практическим занятиям в лаборатории по процессам и аппаратам химической технологии, - под редакцией Романкова П.Г. Л.: Химия, 1970. 248 с.

Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию - 2-е издание переработанное и дополненное. М.: Химия, 1991. 496 с.

Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. П.: Химия, 1987. 576 с.

Кувшинский М.Н., Соболева А.Л. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности. М.: Высшая школа, 1980. 223 с.

Лыков M.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970. 432 с.

Рысин С.А. Справочник Вентиляционные установки машиностроительных заводов. М.: Машиностроение, 1964. 452 с.

Журавлёв Б.А. Справочник мастера - сантехника. М.: Стройиздат, 1981. 430с.

10. Левченко П.В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. М.: Высшая школа, 1968. 366 с.

Размещено на Allbest.ru

...