Расчет барабанных сушилок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Иркутская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра ЭМТП, БЖД и ПО.

Курсовая работа

на тему «Расчет барабанных сушилок»

Выполнила: студентка

Мазунина Н.М.

4 курс, 3 группы, спец., 110303.65.

Проверил: Ханхасаев Г.Ф.

Иркутск 2014



Содержание

Введение

1. Типы барабанных сушилок

2. Расчет барабанной сушилки

3. Методика состояния сушильной установки

Заключение

Список литературы



Введение

В технике сушка подвергается множество материалов, различающихся химическим составом, дисперсностью и структурной, адгезионными свойствами и термочувствительностью, содержанием и формой связи влаги с материалом и другими свойствами.

В химической промышленности процессы массы и теплопереноса при сушке иногда осложняются протекающими одновременно химическими реакциями.

В связи с этим выбор рационального способа сушка, типа сушильной установки и конструкции сушильного аппарата представляет собой технико-экономическую задачу. Поэтому в настоящем пособии приводятся примеры расчета только конвективных сушилок заданного типа. В примерах не дано обоснование выбора сушильного агента. С этими вопросами проектанты могут ознакомится в специальной литературе, ссылки на которую приведены в библиографии.

Желание дать общий пример расчета, основанного на кинематических закономерностях массы и теплообмена, определило выбор высушиваемого материала, с которым влага связана механическими силами. Процесс в этом случае протекает в первом периоде сушке при постоянной температуре влажного материала, равной температуре мокрого термометра, и скорость сушки определяется внешней диффузией.

Расчет различных вариантов сушильного процесса (с промежуточным подогревом теплоносителя, с дополнительным подводом тепла в сушильную камеру, с частичной рециркуляцией сушильного агента) принципиально не отличается от приведенного в качестве расчета сушилки, работающей по основному (нормальному) сушильному варианту.



1. Типы барабанных сушилок

Барабанные сушилки.

Чаще всего, для сушки сыпучих пищевых продуктов (сахарного песка, зерна, свекольных и картофельных отходов, используемых при производстве спирта, мезги и кукурузных ростков, используемых для производства крахмала и патоки) применяются барабанные сушилки, сушильным агентом в которых выступает дымовой газ и воздух.

Туннельные сушилки

Среди прочих атмосферных видов сушильных установок можно выделить туннельные сушилки, в качестве сушильного агента в которых выступает топочный газ и воздух. Такой вид сушилок довольно удобен, поскольку в них продукт практически не теряет своего первоначального вида. Так, например, в пищевой промышленности такая сушильная установка применяется для высушивания овощей и фруктов, макарон и сухарей, пастилы и мармелада. Кроме того, в туннельных сушилках высушиваются керамические и деревянные изделия.

Ленточные сушилки

Ленточные сушильные установки особенно часто используются для высушивания овощей и фруктов, хлебных изделий, крахмала, мелких макаронных изделий. Такой аппарат разделён на несколько отсеков, с различной температурой и относительной влажностью сушки в них.

Шахтные сушилки

Сушильные аппараты шахтного типа используются для высушивания сыпучих продуктов, жома, зерна, свекловичной стружки, овощей, а также глины, угля и прочих подобных материалов. Движение высушиваемого продукта осуществляется под воздействием силы тяжести, для его замедления сушилки оснащаются деревянными полками различной конфигурации.

Распылительные сушилки.

Данный вид сушильных установок используется для высушивания жидкостей, как, например, молоко, желатин, альбумин, барды, яйца и прочее. Сушильная камера в распылительной сушильной установке представляет собой большой полый цилиндр. В верхней части сушилки распыляется подаваемый продукт, получившиеся мелкие капли опускаются вниз и сталкиваются с сушильным агентом, который подаётся в нижнюю или верхнюю часть цилиндра, в зависимости от того, в каком направлении движется высушиваемый продукт и сушильный агент (то есть прямоточное либо противоточное движение). Происходит диспергирование продукта, путём разбрызгивания с применением центробежного распыления. Кроме того, распыление может производиться пневматически с использованием сжатого газа либо через форсунки. Благодаря распылению, площадь высушиваемого продукта увеличивается во много раз, что обеспечивает максимальный контакт с сушильным агентом и ускоряет процесс сушки. Как правило, сушильный агент при распылительной сушке развивает скорость лишь 0,2-0,4 м/с, но, даже при такой скорости, он увлекает мельчайшие элементы продукта. Для этого нагретый воздух пропускается через ряд фильтров и циклонов. В зависимости от типа высушиваемого продукта, сушильные аппараты обладают разными температурными и гидродинамическими свойствами, конструкцией и комплектацией, как самой сушилки, так и дополнительного оборудования. Чаще всего, распылительные сушильные аппараты используются в тех случаях, когда:

1. Сушится продукт, который не выдерживает длительного воздействия высокой температуры. Сушка осуществляется в течение нескольких секунд, так что термочувствительные продукты не успевают разрушиться в процессе сушки.

2. Сушится пастообразный, липкий продукт. Распылительная сушка не допускает налипания продукта на стенки сушилки. Жидкие продукты при помощи центробежного диска превращаются в мелкие капли, которые разбрасываются по стенкам цилиндра. Постепенно, с уменьшением скорости вращения диска, частицы материала перестают налипать на стенки цилиндра, в результате того, что просто не долетают до них либо высыхают по пути.

Камерные сушилки.

Высушивание продуктов в таких сушилках осуществляется периодически при атмосферном давлении. Камерные сушилки, как правило, разделены на несколько отсеков, где высушиваемый продукт, расположенный на вагонетках либо полках, сушится в неподвижном виде. Отсеки (камеры) загружают и выгружают через имеющуюся дверь, а вагонетки двигают вручную либо с помощью лебёдок. Одним из вариантов камерных сушилок является шкафная воздушно-циркуляционная сушилка, периодически подогреваемая и оснащённая вентиляцией.

Сушилка виброкипящего слоя.

В подобных сушильных аппаратах псевдоожиженный слой образуется в результате продувания сквозь опорную решётку теплоносителя либо путём механических вибраций. Виброкипящий слой обладает однородной структурой, при этом отсутствует истирание частиц. Мелкие частицы высушиваемого продукта в виброкипящем слое движутся параллельно друг другу. Также, продольное движение вибрирующего слоя может быть обеспечено принципом полного вытеснения. В условиях крупного производства это позволяет организовать перекрёстный ток на более низкой скорости газа. Тепло при этом обеспечивается за счёт нагревателей, расположенных в виброкипящем слое.

2. Расчет барабанной сушилки

Задание на проектирование. Рассчитать барабанную сушилку с подъемно-лопастными перевалочными устройствами для высушивания песка топочными газами при следующих условиях:

Производительность сушилки по высушенному материалу содержание фракций частиц в материале: диаметром от 2,0 до 1,5 мм - 25%; диаметром от 1,5 до 1,0 мм - 75%; влажность песка: начальная w_н =17,0%; конечная w_к=11%; температура влажного материала И₁=17⁰С; топливо - природный газ; температура топочных газов: на входе в барабан t_см=300⁰С; на выходе из барабана t₂=62⁰С; удельные потери тепла в окружающую среду на 1 кг испаренной влаги q_п=22 кДж/кг (что соответствует примерно 1% тепла, затрачиваемого на испарение 1 кг воды); параметры свежего воздуха: температура t₀=18⁰С: относительная влажность ц₀=70%; давление в сушилке - атмосферное.

Параметры отработанных газов. Расход сушильного агента

Из уравнения материального баланса сушилки определим расход влаги W, удаляемой из высушиваемого материала:

Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:

Где Д-разность между удельными приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере, с_в - теплоемкость влаги во влажном материале при температуре ?₁, кДж/(кг*К); q_доп - удельный дополнительный подвод тепла в сушилку с транспортирующим устройством, кДж/кг влаги; при работе сушилки по нормальному сушильному варианту q_доп =0; q_т - удельный подвод тепла в сушилку с транспортирующим устройством, кДж/кг влаги; в рассматриваемом случае q_т=0; q_м - удельный подвод тепла в сушильный барабан с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги;

Q_м=G_kc_м(?₂-?₁)/W; с_м-теплоемкость высушенного материала, равная 0,8 кДж/(кг*К); ?₂-температура высушенного материала на выходе из сушилке, ⁰С. При испарении поверхностной влаги ?₂ принимают приблизительно равной температуре мокрого термометра t_м при соответствующих параметрах сушильного агента. Принимая в первом приближении процесс сушки адиабатическим. сушилка топочный виброкипящий

Подставив соответствующие значения, получим:

Д=

Запишем уравнение рабочей линии сушки:

Д=(I-I₁)/(x-x₁), или I=I₁+Д(x-x₁).

Для нахождения координат второй точки зададимся произвольным значением x и определим соответствующее значение I. Пусть x=0,1 кг влаги/кг сухого воздуха. Тогда I=392-141(0,1-0,024)=381 кДж/кг сухого воздуха.

Расход сухого газа:

L_c.r.=W/(x₂-x_c.r.);

L_c.r=0,726/(0,107-0,024)=8,83 кг/с

Расход сухого воздуха:

L=W/(x₂-x₀);

L=0,726/(0,107-0,0092)=7,42 кг/с

Расход тепла на сушку:

Q_c=L_c.r(I₁-I₀);

Q_c=8,83(392-41,9)=3091 кДж/с или 3091 кВт.

Расход топлива на сушку:

G_т=Q_c/Q=3091/51945=0,0595 кг/с.

Определение основных размеров сушильного барабана.

,

Где W - расход влаги удаляемой из высушиваемого материала;

K_v - объемный коэффициент массопередачи, 1/с;

Дx_ср - средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³.

При параллельном движении материала и сушильного агента температура влажного мокрого термометра. В этом случае коэффициент массопередачи численно равен коэффициенту массотдачи К_v=в_v.

Для барабанной сушилки коэффициент массоотдачи в_v может быть вычислен по эмпирическому уравнению :

B_v =1,62 * 10^-2 * (wс_ср)^0,9 * n^0.7 * в^0,54 * р₀ /

Где w - рабочая скорость сушильного агента в зависимость от размеров частиц, м/с;

С_ср - средняя плотность сушильного агента, кг/м³;

с - теплоемкость сушильного агента при средней температуре в барабане, равная 1 кДж/(кг * К⁰);

в - оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом, %;

р₀ - давление, при котором осуществляется сушка, Па;

р - среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па.

Уравнение справедливо для значений wс_ср=0,6-1,8 кг/(м²*с), n=5-8 об/мин, в=10-25%.

В данном случае размер частиц высушиваемого материала от 1 до 2 мм, насыпная плотность 1200 кг/м³.

Принимая скорость газов в барабане w=2,5 м/с.

Плотность сушильного агента при средней температуре в барабане t_ср=(300+100)/2=200⁰С практически соответствует плотности воздуха при этой температуре:

Где М - мольная масса свежего воздуха, 29 кмоль/кг;

V₀ - мольный объем топлива, 22,4 м³/кмоль;

t_ср - средняя температура сушильного агента при входе и выходе из сушилки, ⁰С,

При этом wс_ср=2,5*0,747=1,8 кг/(м²с), что не нарушает справедливости уравнения.

Частота вращения барабана обычно не превышает 5-8 об/мин, принимаем n=5 об/мин.

Оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом для разных конструкций перевалочных устройств, различно. Наиболее распространенные перевалочные устройства для рассматриваемой конструкции сушильного барабана в=12%.

Процесс сушки осуществляется при атмосферном давлении, т.е при р₀=10⁵ Па. Парциальное давление водяных паров в сушильном барабане определим как среднеарифметическую величину между парциальными давлениями на входе газа в сушилку и на выходе из нее.

Парциальное давление водяных паров в газе определим по уравнению:

Где Х₁ - влагосодержание при входе в сушилку 0,0248 кг/кг;

Х₂ - влагосодержание сушильного агента при выходе из сушилки 0,107 кг/кг;

М_В - мольная масса водяных паров - 18;

М_СВ - мольная масса свежего воздуха - 29

Тогда на входе в сушилку

на выходе из сушилки

Отсюда

Таким образом, объемный коэффициент масоотдачи равен:

Движущая сила массопередачи ДХ_ср определим по уравнению:

Где Д

Значения по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале Тогда

Определяем движущую силу в кг/м³ по уравнению:

Объем сушильного барабана, необходимый для проведения процесса испарения влаги без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материла, находим по уравнению:

Объем сушильного барабана, необходимый для прогрева влажного материала, находим по уравнению теплопередачи:

Где Q - расход тепла на прогрев материала до температуры

К_v - объемный коэффициент теплоотдачи, ;

Дt_ср - средняя разность температур в градусах.

Расход тепла на прогрев:

Объемный коэффициент теплоотдачи находим по уравнению:

Для вычисления найти температуру сушильного агента t_х, до которого он охладится, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до t_м1.

Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса:

Средняя разность температур равна:

Подставляем значения в формулу:

Общий объем сушильного барабана:

При отсутствии расчетных зависимостей для определения коэффициентов массо- и теплопередачи объем сушильного барабана может быть ориентировочно определен с помощью объемного напряжения по влаге А_v кг/(м³*ч). При использовании величины А_v объем сушильного барабана по уравнению:

Значения А_v некоторых материалов, полученных из опытов.

В результате расчета, выполненного по уравнению , найдем объем сушильного барабана V=32,7 м³.

Расхождение с результатом, полученных при использовании кинетических закономерностей, обусловлено различием параметров сушильного агента, что существенно отражается на движущейся силе сушке. Расчеты показывают, что средняя движущая сила при изменении начальной температуры сушильного агента от 300 до 840⁰С увеличивается в 1,6 раза. Коррекция на изменение движущей илы дает объем сушильного барабана V-52,3 м³. Этот результат удовлетворительно совпадает с полученным в примере.

Определим действительную скорость газов в барабане:

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

Где х_ср- среднее содержание влаги в сушильном агента, кг/кг сухого воздуха. Подставим, получим:

Тогда

Действительная скорость газов () отличается от принятой в расчете () менее чем на 15%. Некоторые уменьшение интенсивности процесса сушки при снижении скорости газов по сравнению с принятой в расчете полностью компенсируются избытком объема выбранной сушилки по сравнению с расчетным. Если расхождение между принятой и действительной скоростями газов более существенно, необходимо повторить расчет, внося соответствующие коррективы.

Определим среднее время пребывания материала в сушилке:

Количество находящегося в сушилке материала в (кг) равно:

Отсюда

Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана:

Если полученное значение б мало (меньше 0,5⁰), число барабанов уменьшают и расчет повторяют сначала.

Далее необходимо проверить допустимую скорость газов, исходя из условия, что частицы высушиваемого материала наименьшего диаметра не должны уносится потоком сушильного агента из барабана. Скорость уноса, равную скорости свободного витания

Средняя плотность сушильного агента равна:

Критерий Архимеда

Тогда скорость уноса

Рабочая скорость сушильного агента в сушилке (w_д=2,1 м/с) меньше, чем скорость уноса частиц наименьшего размера w_с.в.=6,3 м/с, поэтому расчет основных размеров сушильного аппарата заканчиваем в противном случае (при w_д > w_с.в.) уменьшают принятую в расчете скорость сушильного агента и повторяют расчет.

Кроме основных размеров сушильного барабана расчету подлежат основных узлы и детали сушильного агрегата.

3. Методика составления сушильной установки

Расход сушильного агента.

Из уравнения материального баланса определяем расход влаги W, удаляемой из высушиваемого материала:

(100

Запишем уравнения внутреннего баланса сушилки:

),

Где С=4,19 кДж/кг- теплоемкость влаги во влажном материале при температуре , кДж/(кг К);

-удельный дополнительный подвод тепла в сушильную камеру, кДж/кг влаги;

- удельный подвод тепла в сушилку с транспортирующим устройством, кДж/кг влаги;

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

,

Где кДж/кг*К - теплоемкость высушенного материала.

,

кДж/кг влаги.

Вычисляем расход сухого газа.

кг/с.

Расход сухого воздуха.

кг/с.

Расход тепла на сушку.

,

Дж/с.

/

.

-общий расход тепла.

кВт.

кВт.

Расход топлива на сушку.

кг/с.

Определение основных размеров сушильного барабана.

Основные размеры барабана определяют по нормативам в соответствии с объемом сушильного пространства. Объем сушильного пространства барабана может быть вычислен уравнением массопередачи:

,

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

К_v-объемный коэффициент массопередачи, 1/с.

Коэффициент массопередачи численно равен коэффициенту масоотдачи

К_v=в_v.

Для барабанной сушилки в_v вычисляется

в_v=1.62*10²(wс_ср)^0,9n^0,7*в^0,54*P₀/[cс_ср(P₀-P)],

где с_ср- средняя плотность сушильного агента, кг/м³;

С- теплоемкость, кДж/(кгК);

- оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом, %;

Р₀-давление, при котором осуществляется сушка, Па;

Р- среднее парциальное давление, Па;

n- частота вращения, обычно составляет n=5-8 об/мин.

При средней температуре t_ср=(t₁+t₂)/2=(124+62)/2=93

Плотность сушильного агента равна:

=.

W=2,4 м/с;кг/(м²*с).

для подъёмного- лопастного барабана,

- мольная масса св. воздуха 29 кмоль/кг,

V₀- мольный объем топлива 22,4 м³/кмоль.

Парциальное давление водяных паров в газе определяем по уравнению:

, Па

М_в- мольная масса водяного пара 18 кмоль/кг.

Тогда на входе в сушилку

Р₂=(0,033/18)*10⁵/(1/29+0,033/18)=0,05*10⁵ Па.

На выходе из сушилки

Р₂=(0,033/18)* 10⁵(1/29+0,033/18)=0,05*10⁵ Па.

Отсюда Р=(Р₁+Р₂)/2= (0,99+0,05)*10⁵/2=52000 Па.

Таким образом, объемный коэффициент масоотдачи равен

К_v=в_v=0,884.

Определяем движущую силу массопередачи

?х_ср=?Р_ср*М_в/[Р₀*V₀(T+t_ср)/Т].

?Р_ср=(?Р_б-?Р_м)ln(?Р_б?Р_м)- средняя движущая сила, Па.

движущая сила в начале процесса сушки, Па;

- движущая сила в конце процесса сушки, Па;

.

Тогда

Объем сушильного барабана, необходимый для проведения процесса испарения влаги, без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материала, находим по уравнению:

.

Объем сушилки необходимый для прогрева влажного материала, находят по уравнению теплопередачи:

Где Q_n- расход тепла на подогрев материала до температуры t_м1, кВт;

К_v-объемный коэффициент теплоотдачи, кВт/м³ К;

- средняя разность температур .

Q_n=0,4*0,8(25-17)+0,0048*1(25-17)=2,09 кВт.

K_v=16(wс_ср)^0,9*n^0,7*в^0,54.

K_v=16(2,34*0,974)^0,9*5^0,7*12^0,54=0,41 кВт/(м³ К).

Уравнение теплового баланса:

Q_n=L_cг(1+х₁)*С_г(t₁-t_x),

2,09= 1,65(1+0,01)*1,05(120-t_x)

T_x=118

Находим

.

.

Общий объем сушильного барабана V=2,2+0,029=2,229 м³.

V=3600W/A_v=3600*0,0048/25=0,7 .

A_v=25(кг/м³ ч)

Выбираем барабанную сушилку №7450 - объем V=14,1м³; длина барабана 8м; внутренний диаметр барабана d=1,5м. определяем действительную скорость газов в барабане:?_д= V_г/(0,785d²).

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

,

Где х_ср- среднее содержание влаги в сушильном агенте, сухого воздуха, кг/кг.

V_r =1,65*22,4*(273+90)/273*(1/29+0,02/18)=1,7 м³/с

W_д=1,7/(0,785d²)=1,7/(0,785*1,5*1,5)=0,96м/с.

Определим среднее время пребывания материла в сушилке:

.

Количество находящегося в сушилке материала(в кг) равно:

;

G_м=14,1*0,12*1200=2030,4кг.

Отсюда

Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана:

;

.

Если полученное значение мало(меньше 0,5), число оборотов барабана уменьшают и расчет повторяют сначала.

Далее необходимо проверить 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 w_с.в., определяют по уравнению:

,

Где - вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре;

d-наименьший диаметр частиц материала, м;

-критерий Архимеда;

- плотность частиц высушиваемого материала, равная для песка 1500кг/м³.

Средняя плотность сушильного агента равна:

;

.

Критерий Архимеда

.

Тогда скорость уноса



Список литературы

1. Павлов К.Ф., Романов П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии . Л.: Химия, 1981.-560с.

2. Сушильные аппараты и установки . - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1975. - 64с.

3. Аппараты с вращающимися барабанами общего назначения. - М.: ГОСТ 11875-79, 1979.-230с.

4. Касаткин А.Г. основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.-754с.

5. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. - М.: Химия, 1970. - 429с.

6. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. - М.: Энергия, 1970.-408с.

7. Федоров Н.Е. Методы расчетов процессов и аппаратов пищевых производств. М.: Пищевая промышленность. - 1966-292с.

8. Гинзбург А.С., Громов М.А. Теплофизические свойства зерна, муки и крупы.-М.: Колос, 1984.-304с.

Размещено на Allbest.ru

...