Расчет распылительной сушилки с дисковым распылителем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет распылительной сушилки с дисковым распылителем

Введение

Удаление влаги из твёрдых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства, уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении и последующей транспортировке материалов [10].

Сушка представляет собой весьма энергоемкий, сложный, взаимообусловленный комплекс химических, тепловых и диффузионных процессов. В настоящее время из известных сушилок, разработанных для микробиологии нашли применение распылительные сушилки с дисковым и форсуночным распылением, вальцовые сушилки (в гидролизной промышленности) и сублимационные сушилки (в производстве бактериальных препаратов, ферментов). методы сушки и конструкции сушилок в значительной степени определяются режимами сушки для конкретного материала, обеспечивающими высокое качество сухого продукта при наименьших капиталовложениях и энергозатратах. Специфика сушки связана со сравнительно низкой теплоустойчивостью и требованиями максимально возможной сохраняемости целевых продуктов биосинтеза в конечных препаратах.

В микробиологической промышленности в основном используются распылительные сушилки с дисковым распылением. В качестве топлива в зависимости от условий используется природный газ или мазут. [2]

1. Расчет процесса горения

Целью этого этапа расчета является расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, энтальпии продуктов сгорания.

Низшая теплотворная способность топлива - количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы топлива, но в предположении, что влага остается в продуктах горения в парообразном состоянии. В трубчатых печах дымовые газы выводятся через дымовую трубу при таких температурах, при которых водяные пары, находящиеся в продуктах сгорания, не могут сконденсироваться, следовательно, тепло конденсации водяного пара не используется. Поэтому для практических расчетов процесса горения пользуются низшей теплотворной способностью топлива.

Низшая теплотворная способность топлива подсчитывается по формуле Менделеева [1, с. 2]:

= (81C + 246H + 26 (S - O) - 6W)·4,19, кДж/кг, (1)

где C, H, S, O, W - соответственно содержание углерода, водорода, серы,

кислорода, влаги, % по массе.

Определение элементного состава газового топлива [1, с. 2]:

1) содержание углерода

2) содержание водорода



3) содержание серы

S = 0;

4) содержание кислорода

O = 0:

5) содержание азота

N =0,

где n_Ci, n_Hi, n_Oi, n_Si, n_Ni - соответственно число атомов углерода, водорода, серы, кислорода, азота в молекулах газовых компонентов топлива;

х_i - концентрация газовых компонентов в топливе, % по массе,

М_i - молекулярная масса компонентов топлива,

К - число компонентов топлива.

= (81*75,7009 + 246*24,2991 +26 (0-0) - 6*0)*4,19 = 50738,1828 кДж/кг.

Учитывая, что теплота сгорания - свойство аддитивное, то теплоту сгорания можно определить по правилу смешения [1, с. 2]:

^, (7)

где Q_i - теплота сгорания отдельных компонентов топлива;

x_i - массовая доля компонентов в смеси.

Для газового топлива определение низшей теплоты сгорания производится по формуле [1, с. 3]:

^, (8)

= 360, 33·87,8505 + 631,8·7,0093 + 913,8·5,1402 = 40780,7612 кДж/м³,

где CH₄, C₂H₄ - содержание соответствующих компонентов в топливе, % по объёму.

Результаты пересчёта состава топлива занесены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры компонентов топлива

Компонент	с, кг/м3	Мол. масса, Мi	Об. доля, ri	Mi • ri	Масс. проценты, Х
метан	0,72	16	0,94	15,04	87,8505
Этан	1,36	30	0,04	1,20	7,0093
пропан	2,02	44	0,02	0,88	5,1402

Плотность топливного газа определяется по формуле [1, с. 3]:

, (9)

где x_i - массовые доли компонентов в смеси.

.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания одного килограмма топлива определяется по формуле [1, с. 4]:

L₀ = 0,115C + 0,345H + 0,043 (S - O), кг/кг; (10)

Фактический расход воздуха [1, c. 4]:

⁽¹¹⁾

где б - коэффициент избытка воздуха - примем равной 1,1.

Объемный действительный расход воздуха определяется по формуле [4]:

(12)

где с_в - плотность воздуха.

V_g = м³/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива определяется по формуле [1, c. 5]:

где W_ф - расход форсуночного пара, для газообразного топлива W_ф = 0.

G = 1 + 18,7977 = 19,7977 кг/кг.

Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива определяется по формулам [1, c. 5]:

(14)

(15)

(16)

(17)

;

;

Проверка: Уm_i = G,

Уm_i = 2,7782 + 2,1869 + 0,3930 +14,4366 = 19,7947

19,7947 ? 19,7977.

Объемное количество продуктов сгорания на 1 кг топлива при нормальных условиях [1, c. 5]:

(18)

 (19)

(20) (21)

Суммарный объём продуктов сгорания [1, c. 6]:

(22)

1,4144 + 2,7215 + 0,2751 + 11,5493 = 15,9603 .

Плотность продуктов сгорания при температуре 273 К и давлении 1 атм. [1, с. 6]:

(23)

Определим энтальпию продуктов сгорания на 1 кг топлива при различных температурах по уравнению [1, c. 6]:

(24)

где c_i - средние массовые теплоёмкости продуктов сгорания [1, с. 6, табл. 3].

2. Материальный баланс сушки

Содержание сухих веществ в высушиваемом растворе не изменяется, если нет уноса или других потерь [1, c. 7]:

= (25)

где G₁, G₂, G_с - количество раствора до и после сушки и абсолютно сухого вещества, ;

ц₁, ц₂ - влажность раствора до и после сушки, %.

Производительность сушилок по испаряемой влаге [1, c. 7]:

(26)

,

примем, что W ? 28000

Количество получаемых сухих дрожжей после сушки [1, с. 7]:

(27)

По производительности выбираем тип сушилки СРЦ - 12,3/1100 НК (с распыливанием исходного материала центробежными дисками и нижним подводом теплоносителя) [2, c. 234]. Технические характеристики Сушилки данного типа приведены в таблице 2.

Количество распылительных сушилок, необходимых для испарения влаги [1, с. 7]:

(28)

где W_c - производительность одной сушилки по испаряемой влаге, кг/ч.

Таблица 2 - Технические характеристики распылительной сушилки типа СРЦ - 12,4/1100 НК

Тип сушилки	СРЦ - 12,5/1100 НК
Производительность по испаряемой влаге Wc, кг/ч	6000 - 10000
Температура теплоносителя, °С	поступающего	175 - 300
	отходящего	90
Мощность двигателя распыливающего механизма, кВт	100
Габариты сушилки, мм	диаметр	13035
	высота	21900
Масса сушилки, кг	62305

Примем, что W_c = 7000 кг/ч, тогда

3. Тепловой баланс сушки

При сушке в распылительных установках тепло передается от нагретого газа или воздуха и расходуется на нагрев высушенного материала, испарение влаги, потери в окружающую среду.

Подвод тепла:

1) тепло, вносимое с дрожжевой суспензией [1, c. 7]:

(29)

где G_С - массовый расход дрожжевой суспензии, кг/ч;

i_C - энтальпия дрожжевой суспензии при температуре поступления ее в сушильную камеру, кДж/кг;

С_С - теплоемкость дрожжевой суспензии (выбирается в зависимости от температуры и концентрации сухих веществ в суспензии [1, c. 10, табл. 4]), кДж/(кг·град);

и₁ - температура поступления дрожжевой суспензии в сушилку, обычно составляет 40 - 60°С.

Примем, что и₁ = 50°С, тогда

Q_c = 7000·3,55·50,5 = 1242500 кДж/ч.

2) тепло, подводимое теплоносителем [1, c. 8]:

, ^{кДж/ч, (29)}

где G_c.a. - количество теплоносителя (сушильного агента), кг/ч;

J_н - энтальпия сушильного агента при начальной температуре теплоносителя, кДж/кг. Расход тепла:

1) тепло, уносимое сухими дрожжами [1, c. 9]:

⁽³⁰⁾

где G₂ - количество дрожжей после сушки, кг/ч;

J_g - энтальпия сухих дрожжей при температуре выхода дрожжей из сушилки, кДж/кг;

С_g - теплоемкость сухих дрожжей, кДж/(кг·град);

и₂ - температура высушенных дрожжей, °С.

.

2) тепло, уносимое теплоносителем (сушильным агентом) [1, c. 8]:

^{, кДж/кг,} (31)

где G_c.a. - количество теплоносителя (сушильного агента), кг/ч;

J_к - энтальпия сушильного агента при температуре выхода сушильного агента из сушилки, кДж/кг.

3) тепло, уносимое испаряемой влагой [1, c. 9]:

(32)

где W - количество испаряемой влаги, кг/ч;

J_W - энтальпия водяного пара при температуре выхода водяного пара из сушилки, кДж/кг [6, с. 548, табл.LVI]

4) потери тепла в окружающую среду.

Для определения габаритов сушилки приближенно можно принимать удельные потери тепла в окружающую среду в зависимости от начальной влажности материала q = (125-250) кДж/кг [1, c. 9].

(33)

Количество теплоносителя определяется после преобразования теплового баланса сушки по следующей формуле [1, c. 10]:

(34)

J_н и J_к находятся по графику зависимости энтальпии продуктов сгорания от температуры.

Итак, тепло, подводимое теплоносителем:

Тепло, уносимое теплоносителем (сушильным агентом):

Проверяется тепловой баланс процесса сушки. Согласно закону сохранения энергии [1, с. 11]:

Q_прих = 1242500 + 163693469,6 = 164935969,6 кДж/ч;

Q_расх = 1946865,338 + 37200873,61 + 72379026,53 + 53409216,34 = 164935981,8 кДж/ч.

Ошибка составляет:

Часовой расход топлива определяется по формуле [1, с. 11]:

(35)

где Q_c.a. - тепло, подводимое теплоносителем, кДж/ч;

Q_р^н - низшая теплотворная способность топлива, кДж/ч;

з - коэффициент полезного действия печи (з = 0,8-0,95).

Примем, что з = 0,9, тогда

Объемный расход топливного газа равен [1, с. 12]:

 (36)

где с_г - плотность топливного газа, кг/м³.

Удельный расход тепла в сушилке определяется как [1, с. 12]:

, (37)

.

Выбираем печь ВКС - 2 - это трубчатая печь свободного вертикального сжигания комбинированного топлива с теплопроизводительностью, равной 22100 кВт.

4. Расчет габаритов распылительной сушилки

Целью расчета является определение диаметра сушильной камеры и ее рабочего объема.

Средний диаметр образующихся капель при распыливании суспензии вычисляется по формуле [1, с. 12]:

(38)

где n - частота вращения распыливающего диска, с^-1;

с - плотность суспензии, кг/м³;

G - расход суспензии, кг/с;

н - кинематическая вязкость суспензии, м²/с;

d_g - диаметр распыливающего диска, м;

у - поверхностное натяжение суспензии, Н/м;

x - смоченный периметр распыливающего диска, равный 0,04 - 0,9 м.

Пусть n = 135 с^-1;

с = 1067 кг/м³ (при 25°С);

G = G₁/(3600·П) = 35000/(3600·4) = 2,4306 кг/с;

d_g = 0,33 м;

x = 0,9 м;

н = 1,87·10^-3 м²/с;

у = 73,8·10^-3 Н/м.

Определить диаметр распыливающих капель можно по формуле [1, с. 13]:

(39)

где R - наружный радиус диска, м;

щ - угловая скорость диска, м/с;

С - параметр, при расчете среднего диаметра можно принять С = 2, для

максимального размера капель C = 4,6.

Радиус факела распыления рассчитывается по формуле [1, с. 13]:

(40)

где Re - критерий Рейнольдса;

с, с₂ - плотность суспензии и сушильного агента, кг/м³;

- критерий Гухмана;

Ko - критерий Коссевича.

Критерий Рейнольдса определяется по формуле [1, с. 13]:

(41)

где н - кинематическая вязкость газа, м²/с.

Для воздуха (при температуре, равной 380°С) н = 5,274·10^-5 м²/с.

Критерий Гухмана определяется по формуле [1, с. 13]:

(42)

где t₁ - температура сушильного агента перед сушкой,°С;

t₂ - температура сушильного агента после сушки,°С;

t_м - температура мокрого термометра, t_м = 40-60°С.

Критерий Коссевича определяется по формуле [1, с. 14]:

(43)

где r₁ - скрытая теплота парообразования при температуре мокрого термометра, кДж/кг;

С₂ - удельная теплоемкость сушильного агента, кДж/кг;

- влажность суспензии при входе в сушилку и конечного сухого продукта, %.

Итак,

Диаметр сушильной камеры определяется по формуле [1, с. 14]:

(44)

.

Рабочий объём сушилки определяется по формуле [1, с. 14]:

(45)

где W - производительность сушилки по испаряемой влаге, кг/ч;

П - количество сушилок, шт.;

А - производительность 1 м³ рабочего объёма камеры по испаряемой влаге, кг/м³·ч.

Величина А выбирается по графику А = f(ДT) [1, с. 20], где заштрихованная область соответствует начальным режимам работы сушилки.

ДT рассчитывается по формуле [1, с. 14]:

(46)

А = 11,3 кг/м³·ч.

Рабочая высота сушильной камеры определяется по формуле [1, с. 14]:

(47)



Вычисленные величины сравниваются с габаритами выбранного типа сушилки. Данные заносятся в таблицу 3.

Таблица 3 - Габариты сушилки типа СРЦ - 12,5/1100 НК

Габариты сушилки, мм		теоретически	практически
	диаметр D	13035
	высота Н	21900

Полученные данные не превышают теоретических, значит, выбранный тип сушилки подходит для данного расчёта.

Центробежный распылитель выбираем типа ЦРМ 18/100-8000. Общие характеристики данного типа приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Основные характеристики центробежных распылителей типа ЦРМ 18/100-8000

Производительность, т/ч	18
Давление, МПа	в трубках подачи воздуха	0,01-0,08
	в трубках подачи воды	0,2
Мощность электродвигателя, кВт	100
Скорость вращения диска, об/мин	8050
Угловая скорость диска, м/с	131-135
Смазка	Масло индустриальное
Разовая заливка масла, л	30
Габаритные размеры, мм	длина	960
	ширина	700
	высота	2805
Масса распылителя, кг	1350-1395
Тип электродвигателя	А02-92-2

5. Расчет циклонов

Расчёт циклонов сводится к определению их количества, гидравлического сопротивления и эффективности улавливания пыли.

Основной характеристикой циклона является диаметр его корпуса. Диаметр цилиндрической части циклона определяется по формуле [1, с. 16]:

, м, (48)

где V - объемный расход газа (сушильного агента), м³/ч;

w_г - скорость газа в цилиндрической части циклона, м/с;

П - количество циклонов, шт.

Объемный расход газа определяется, как

Скорость газа в цилиндрической части циклона определяется по формуле [1, с. 16]:

(49)

где - сопротивление циклона, Па;

о - коэффициент гидравлического сопротивления циклона, выбирается по таблице 7 [1, с. 16];

- плотность газа, кг/м³.

Для циклонов НИИОГаз отношение находится в пределах 500-750 м²/с².

Примем = 700 м²/с², = 245 (выбираем циклон ЦН-11).

= 1,3465 м < 1,8 м < 3,0 м (максимальный диаметр для стандартных циклонах).

Окончательно принимаем, что для данной установки необходимо 2 циклона ЦН-11. Основные параметры приведем в таблице 5.

Таблица 5 - Основные параметры циклона ЦН-11

Максимальный диаметр циклона, м	1,8
Диаметр выхлопной трубы, м	0,6
Диаметр пылевыпускающего отверстия, м	0,3-0,4
Ширина входного патрубка, м	0,26
Высота входного патрубка, м	0,48
Высота выхлопной трубы, м	1,56
Высота выхлопного патрубка, м	0,3
Высота цилиндрической части, м	2,08
Высота конической части, м	2,0
Общая высота циклона, м	4,38
Коэффициент гидравлического сопротивления	245

6. Расчет скрубберов Вентури

сушка циклон вентури сгорание

Скрубберы Вентури используются в качестве второй ступени пылеулавливания на установках с большим расходом запыленного газа.

Расход воды, подаваемой в трубу Вентури, находится из уравнения теплового баланса [1, с. 18]:

кг/с, (50)

где - массовый секундный расход газа, кг/с;

- удельная теплоемкость газа, кДж/кг·град;

- удельная теплоемкость жидкости (воды), кДж/кг·град;

- начальная температура газа, поступающего в скруббер Вентури, на выходе из него,°С;

- температура воды на входе из скруббера Вентури и на выходе в него.

Температура выходящей воды не должна превышать 40-45°С.

= = = 1,0202 кг/с.

Концентрация пыли в воде вычисляется по формуле [1, с. 19]:

(51)

где x_г - начальная концентрация пыли в газе, поступающем в скруббер Вентури;

q_г - объемный расход газа, м³/с.

= 1,7012 м³/с.

Примем x_г = 0,001, получим .

Содержание пыли в оборотной воде, гарантирующее надежную работу форсунок, не должно превышать 0,5 кг/м³. < 0,5 кг/м³, условие соблюдается. Диаметр горловины трубы скруббера Вентури определяется по формуле [1, с. 19]:

, м, (52)

где - скорость газа на входе в горловину трубы ( = 100 м/с).

Диаметр конфузора и диффузора определяется по формуле [1, с. 19]:

, м, (53)

где - скорость газа на входе в конфузор и выходе из диффузора (= 20 м/с).

= 0,32918 м.

Длина конфузора трубы определяется по формуле [1, с. 19]:

(54)

где tgб_к = 0,22.

Длина диффузора трубы определяется по формуле [1, с. 19]:

(55)

где = 0,052.

Длина горловины трубы определяется по формуле [1, с. 19]:

(56)

Гидравлическое сопротивление трубы определяется по формуле [1, с. 19]:

(57)

где m=q_ж/q_г.

Удельная энергия, вводимая в трубу с газом и водой, определяется по формуле [1, c. 19]:

, Дж, (58)

где - гидравлическое сопротивление форсунок, = 3·10³ Па.

.

Средний диаметр конфузора и диффузора трубы определяется по формуле [1, с. 20]:

(59)

Скорость газа в среднем сечении трубы определяется по формуле [1, с. 20]:

(60)

Определяется параметр А по формуле [1, с. 20]:

 (61)

где - диаметр улавливаемых частиц, м; у - поверхностное натяжение воды, Н/м; ф - среднее время пребывания газа в трубе, с.ф находится по формуле [1, с. 20]:

(62)

где - рабочий объем трубы, рассчитанный по размерам конфузора и диффузора, м³, определяется по формуле [1, с. 20]:

(63)

Определяется эффективность пылеулавливания по формуле [1, с. 20]:

. (64)

.

Список источников

1 Зиновьев А.П. Расчет распылительной сушилки с дисковым распылителем с помощью ЭВМ. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности «Биотехнология». - Уфа: УГНТУ, 1991. - 25 с.

2 Бортников И.И., Босенко А.М. Машины и аппараты микробиологических производств. - Минск: Высшая школа, 1982. - 287 с.

2 Быков В.А., Винаров А.Ю., Шерстобитов В.В. Расчет процессов микробиологических производств. - Киев: Техника, 1985. - 244 с.

4 Вукалович М.П., Киримнин В.А., Ремизов С.Н. Термодинамические свойства газов. - М.: Машгиз, 1953. - 375 с.

5 Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчет процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. - Л.: Химия, 1972. - 342 с.

6 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1972. - 342 с.

7 Соколова В.Н., Яблокова М.А. Аппаратура микробиологической промышленности. - Л.: Машиностроение, 1988. - 278 с.

8 Трубчатые печи. Каталог/ Под ред. В.Е. Бакшалова и др. - М.: ЦИНТИнефтхиммаш, 1985. - 34 с.

9 Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И. и др. Очистка промышленных газов от пыли. - М.: Химия, 1981. - 389 с.

10 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 2004. - 751 с.

Размещено на Allbest.ru

...