Расчет и проектировка барабанной сушилки с подъемно лопастными перевалочными устройствами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)

Кировский вечерний факультет

Кафедра «Процессы и аппараты химических производств

Семестровая работа

по дисциплине: «Процессы и аппараты химических производств»

Выполнила: Т.А. Собакина

Проверила: Шибитова

Волгоград 2013г.

Задание

Рассчитать и спроектировать барабанную сушилку с подъемно-лопастными перевалочными устройствами для высушивания руды железной (магнитогорской) топочными газами при следующих условиях:

1. Производительность сушилки по высушенному материалу G_к = 4,98 кг/с.

2. Влажность руды железной (магнитогорской):

- начальная W_н = 13,3%;

- конечная W_к = 3,5%

3. Температура влажного материала O₁ = 17єС.

4. Топливо природный газ

5. Температура топочных газов:

- на входе в барабан t_см = 275єС;

- на выходе из барабана t₂ = 112єС.

6. Содержание фракций частиц в материале:

- диаметром от 10.0 до 8.2мм - 50%;

- диаметром от 8.2 до 6.0мм - 50%.

7. Удельные потери тепла в окружающую среду на 1кг испаренной влаги q_и = 22,5 кДж/кг (что соответствует примерно 1% тепла, затрачиваемого на испарение 1кг воды);

8. Параметры свежего воздуха:

- температура t₀ = 22єC;

- относительная влажность 65%

Введение

В химической технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, жидкие растворы и др.).

В промышленности применяются в основном следующие процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами.

В данной семестровой работе рассматривается процесс сушки топочными газами в барабанной сушилке с подьемно-лопастными перевалочными устройствами.

Сушка - это процесс удаления влаги из твердых материалов главным образом путем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой фазы в газовую или паровую. По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду.

Сушка топочными газами - в настоящее время приобрела широкое распространение, так как температура топочных газов значительно выше температуры воздуха, нагреваемого перед сушкой. В результате влагопоглощающая способность газов во много раз больше влагопоглощающей способности воздуха и соответственно больше потенциал сушки [3].

1. Расчет параметров топочных газов подаваемых в сушилку

В качестве топлива используется природный газ следующего состава (в объемных процентах):

СН4 - 98,0%,

С2Н6 - 1,0%,

С3Н8 - 0,2%,

С4Н10 - 0,3%,

СО - 0,2%,

Н2 - 0,3%.

Теоретическое количество сухого газа L₀ затрачиваемого на сжигание одного кг топлива равно:

L₀=138·(0,0179·СО+0,248·Н2+У []Cm·Hn), (1)

где составы горючих газов выражены в объемных долях.

Подставив соответствующие значения, получим:

L₀=138·(0,0179х0,002+0,248х0,003+0,125х0,98+0,116х0,01+0,1136х0,002+0,1121х0,003)=17,25 кг/кг.

Для определения теплоты сгорания топлива воспользуемся характеристиками горения простых газов.

Таблица - 1 Характеристики горения простых газов.

Газ	Реакция	Тепловой эффект реакции, кДж/м3
1	2	3
Водород	Н2+0,5О2=Н2О	10810
Оксид углерода (II)	СО+0,5О2=СО2	12680
Метан	СН4+2О2=СО2+2Н2О	35741
Ацетилен	С2Н2+2,5О2=2СО2+Н2О	58052
Этилен	С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О	59108
Этан	С2Н6+3,5О2=2СО2+3Н2О	63797
Пропан	С3Н8+5О2=3СО2+4Н2О	91321
Бутан	С4Н10+6,5О2=4СО2+5Н2О	118736
Сероводород	Н2S+1,5O2=S2O+H2O	23401

Количество тепла Q_V, выделяющееся при сжигании 1м³ газа равно:

Q_V = Уцi • Нi, (2)

где цi - объемная доля компонентов газа;

Нi - тепловой эффект реакции, кДж/м³

Q_V =0,98 • 35741 + 0,01 • 63797 + 0,002 • 91321 + 0,003 • 118736 + 0,002 • 12680 + 0,003 • 10810 = 36260,79 кДж/кг.

Плотность газообразного топлива:

сt = (У)Ч(), (3)

где - мольная масса топлива, кмоль/кг;

t_т - температура топлива; t_т = 20єС;

V₀ - мольный объем; V₀=22,4м³/кмоль;

Т₀=273єС.

сt==0,6756 кг/м³

Количество тепла, выделяющееся при сжигании 1кг топлива равно:

Q =, (4)

Q==53671,98 Дж •м³

Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчете на 1кг сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом избытка воздуха б, необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов, до температуры смеси t_см=275єС.

Значение б находят из уравнений материального и теплового баланса.

Уравнение материального баланса:

1+L₀=L_cг + У, (5)

где L_cг - масса сухих газов образовавшихся при сгорании 1кг топлива;

- массовая доля компонентов, при сгорании которых образуется вода, кг/кг.

Уравнение теплового баланса:

Q•з+c_т•t_т+б•L₀•I₀=[L_cг+L₀(б - 1)]•i_сг+[б•L₀•x₀+У], (6)

где з - общий КПД учитывающий эффективность работы топки и потери тепла топкой в окружающую среду; з=0,95;

с_т-теплоемкость газообразного топлива при температуре топлива 200єС;

с_т=1,34кДж/кгЧК;

I₀-энтальпия свежего воздуха (кДж/кг): I₀=49кДж/кг;

I_сг-энтальпия сухих газов;

I_сг=с_сгЧt_сг=1,05•275=289кДж/кг

х₀-влагосодержание свежего воздуха при температуре t₀-22єC, и относительной влажности ц₀=65%,

х₀=0,012кг/кг.

i_п=г₀ + c_n • t_n, (7)

где г₀-теплота испарения воды при температуре 0єС,

г₀=2500кДж/кг;

с_п-средняя теплоемкость водяных паров,

с_п=1,97кДж/кгЧК;

t_п-температура водяных паров,

t_п= t_сг= t_см=275єС

i_п =2500+1,97•275=3042кДж/кг.

Решая совместно уравнения 5 и 6 получаем:

б= , (8)

Пересчитаем содержание компонентов топлива при сгорании которых образуется вода, из объемных долей в массовые по формуле:

щ(А)=, (9)

щ(CH4)=0,06157Ч0,98Ч16=0,9654,

щ(C2H6)=0,06157Ч0,01Ч30=0,0185,

щ(C3H8)=0,06157Ч0,002Ч44=0,0054,

щ(C4H10)=0,06157Ч0,003Ч58=0,0107.

Количество влаги, выделяющееся при сгорании 1кг топлива равно:

У ЧCmHn=2,17+0,0333+0,00972+0,0166=2,2296.

Коэффициент избытка воздуха находим по уравнению (8):

б==8,53.

Общая удельная масса сухих газов получаемая при сжигании 1кг топлива и разбавлении топочных газов воздухом до температуры смеси t_см=275єС равна:

G_cг=1+бЧL₀-УЧCmHn , (10)

G_cг=1+8,53Ч17,25-2,2296=145,913 кг/кг.

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

G_n = УЧCmHn+б • x₀ • I₀, (11)

G_n=8,53 • 0,012 • 17,25+2,2296=3,995 кг/кг.

Влагосодержание газов на входе в сушилку (х₁=х_см) равно:

х₁= , (12)

х₁==0,027кг/кг.

Энтальпия газов на входе в сушилку:

I₁=, (13)

I₁==399 кДж/кг.

Поскольку коэффициент избытка воздуха б велик (б>1), физические свойства газовой смеси, используемой в качестве сушильного агента, практически не отличаются от физических свойств воздуха. Это дает возможность использовать в расчетах диаграмму состояния влажного воздуха.

2. Определение параметров отработанных газов, расхода сушильного агента и расхода тепла на сушку

Из уравнения материального баланса сушилки определим расход влаги W, удаляемой из высушенного материала.

W=G_кЧ, (14)

W=4,98•=0,56 кг/с.

Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:

?=с?₁+q_доп-(q_m+q_м+q_n), (15)

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

с-теплоемкость влаги во влажном материале при температуре ?₁, кДж/кгЧК;

q_доп-удельный дополнительный подвод тепла в сушилку, кДж/кг влаги; при работе сушилки по нормальному сушильному варианту, q_доп=0;

q_m-удельный расход тепла в сушилке с транспортными средствами, кДж/кг влаги; в рассматриваемом случае: q_m=0;

q_м - удельный расход тепла в сушильном барабане с высушиваемом материалом, кДж/кг влаги.

q_м=, (16)

где См-теплоемкость высушенного материала, кДж/кгЧК;

?₁-температура влажного материала на входе в сушилку, єС;

?₁=17єС.

При испарении поверхностной влаги ?₂ принимается приблизительно равной температуре мокрого термометра при соответствующих параметрах сушильного агента. Принимая в первом приближении процесс сушки адиабатическим, находим ?₂ по диаграмме Рамзина по начальным параметрам сушильного агента;

?₂=52єС

qм==280,13 кДж/кг.

q_п - удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги; на 1кг испаренной влаги:

q_п=22,5 кДж/кг влаги;

Подставив соответствующие значения, получим:

?=4,19•17 - (280,13+22,5)=-231,4 кДж/кг влаги;

Запишем уравнение рабочей линии сушки:

?= , или I=I₁+?•(x-x₁), (17)

Для построения рабочей линии сушки на диаграмме Рамзина необходимо знать координаты (х и I) минимум двух точек. Координаты первой точки известны: x₁=0,027 кг/кг, I₁=399 кДж/кг. Для нахождения координат второй точки зададимся произвольным значением х и определим соответствующее значение I. Пусть х=0,1кг влаги/кг сух.воздуха. Тогда по уравнению (17) получим

I=399+(-231,4)•(0,1-0,027)=382 кДж/кг.

Через 2 точки на диаграмме Рамзина с координатами (х₁,I₁) и (х,I) проводим линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром.

t₂=112єС. В точке пересечения линии сушки с изотермой t находим параметры отработанного сушильного агента:

х₂=0,095кг/кг

I₂=340

Расход сухого газа L_cг равен:

L_cг= , (18)

L_cг= = 8,24 кг/с.

Расход сухого воздуха L равен:

L= , (19)

L ==6,79 кг/с.

Расход тепла на сушку Qc равен:

Q_c= L_cг•(I₁-I₀), (20)

Q_c=8,24•(399-49)=2884 Вт.

Расход топлива на сушку:

Gт=, (21)

Gт= =0,054кг/с.

3. Определение основных размеров сушильного барабана

барабанный сушилка перевалочный топочный

Расчет основных размеров сушильного барабана сводится к определению объема сушильного барабана V_б, длины и диаметра барабана.

Определив длину и диаметр барабана, выбирают стандартный аппарат.

Объем барабана складывается из объема необходимого для сушки V_суш и объема для прогрева материала V_прогр.

V_б=V_суш+ V_прогр, (22)

Объем необходимый для сушки материала можно определить по формуле:

V_суш= , (23)

где К_v - объемный коэффициент массопередачи, с^-1

?х_ср - средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³

Движущую силу массопередачи ?хср определяем по уравнению:

?ср=, (24)

?х_б=х₁*- х₁ - движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³;

?х_м=х₂* - х₂ - движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³;

?р_б=р₁*- р₁ - движущая сила в начале процесса сушки, Па;

?р_м=р₂*- р₂ - движущая сила в конце процесса сушки, Па;

Х₁*, Х₂* - равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м³

р₁*,р₂* - давление насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па. Их значения определяются по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале t_м1 и в конце t_м2 процесса сушки.

По диаграмме Рамзина найдем:

tм1=59єС

р1*=18498 Па

t_м2=56єС

р₂*=17109 Па

р₁, р₂ - давление водяных паров в газе в начале и конце процесса сушки, Па. Их определяют по формуле:

р= , (25)

где х-влагосодержание на входе или на выходе из сушилки.

Тогда на входе в сушилку

р₁=( Ч 105) / ( +)=4321Па.

на выходе из сушилки

р₂==( Ч 105) / ( +)=15054Па.

?_ср= =6276Па.

Откуда ?х_ср==0,03кг/м³.

t_ср= ==194.

В случае сушки кристаллических материалов, т.е. при удалении поверхностной, свободной влаги и параллельном движении материала и сушильного агента, коэффициент массопередачи К_v пропорционален коэффициенту массоотдачи в_v.

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

в_v=1,6•10^-2•, (26)

где с_ср-средняя плотность сушильного агента, кг/м³

с_ср=, (27)

с_cp= = 0,75 кг/м³.

с-средняя теплоемкость сушильного агента, с=1кДж/кг•К

в-степень заполнения барабана высушиваемым материалом, %

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

р = , (28)

р = = 9687,5 Па.

щ-рабочая скорость сушильного агента в барабане, м/с

n-число оборотов барабана (изменяется в реальных барабанах от 2 до 12 об/мин).

Уравнение (26) справедливо для значений:

щсср=0,6…1,8 кг/м²•с

n=1,5…5 об/мин

в=10…25%

Если указанные пределы не соблюдаются, то объем барабана можно рассчитывать по величине объемного напряжения по влаге:

V_б= , (29)

где А_v-значение объемного напряжения по влаге.

Скорость газов в барабанах выбирается в зависимости от размеров частиц и насыпной плотности высушиваемого материала по таблице 3.

Таблица - 3 Выбор рабочей скорости газов в сушильном барабане.

Размер частиц, мм	Значение скорости щ при насыпной плотности
	350	1000	1400	1800	2200
0,3 - 2	0,5-1,0	2,0-5,0	3,0-7,5	4,0-8,0	5,0-10,0
Более 2-х	1,0-3,0	3,0-5,0	4,0-8,0	6,0-10,0	7,0-12,0

Степень заполнения барабана зависит от конструкции перевалочных устройств:

подъемно-лопастные допускают в=12…14%;

распределительные с открытыми и закрытыми ячейками -в=21…27%

Принимаем:

щ=6м/с

n=5об/мин

в=12%

в_v=1,6•10^-2• = 0,45с^-1.

Тогда объем сушильного пространства рассчитывается по формуле (23) и равен:

V_суш==42,91 м³.

Объем барабана необходимый для прогрева влажного материала определяют по уравнению:

V_прог= , (30)

где Q_n-расход тепла на прогрев материала до температуры t_м1, кВт

Q_n=G_к•C_м•( t_м1-?₁)+W_в•C_в•( t_м1-?₁), (31)

Q_n=4,98•0,9•(59-17)+0,56•4,19•(59-17)=286,7кВт.

-объемный коэффициент теплопередачи, кВт/м³•К;

, (32)

=16Ч(6Ч0,75)^0,9Ч50,7Ч120,54=0,327кВт/м³ЧК,

-средняя разность температур, 0єС;

Св-теплоемкость воздуха, кДж/кгЧК;

?₁-температура влажного материала, ?1=Т0.

Для вычисления необходимо найти температуру сушильного агента tx, до которой он охлаждается, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до tм1. Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса:

Q_n=L_сг•(1+Х₁)•Сг•(t₁-tx), (32)

Откуда: tx=t₁-,

tx= 275-=212,5єC.

Средняя разность температур равна:

=, (33)

==205,5єС

Подставляем полученные значения в уравнение (30):

V_прог==1,09м³

Общий объем сушильного барабана равен:

V_б=23,75+1,09=24,84м³

По справочным данным находим основные характеристики барабанной сушилки - длину и диаметр, взяв за основу объем сушильного пространства.

По табл. выбираем барабанную сушилку №7119 со следующими характеристиками:

объем V=30,5м³,

диаметр dвн=1,8м

длина l=12м,

частота n=5об/мин;

Определим действительную скорость газов в барабане:

щд=, (34)

где V_г-объемный расход влажного сушильного агента на выходе из барабана, м³/с

Vг=LсгЧ22,4ЧЧ(+), (35)

хср-среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг.

хср=, (36)

хср= =0,08 кг/кг

V_г=2,61Ч22,4ЧЧ(+)=17,5 м²,

Тогда принятое: щ_д==6,8 м/с

Время пребывания материала в барабане:

ф=, (37)

=V•в•с_м=30,5•0,12•1200=4392 кг/кг.

Отсюда:

ф==956 с.

Зная время пребывания, рассчитываем угол наклона барабана б:

б= (+0,007Чщд)Ч , (38)

б= (+0,007Ч6,8)Ч =5,02°

Проверим допустимую скорость газов по уносу мелких частиц:

щун=, (39)

где - плотность сушильного агента

=[29Ч(с0-с)+18Чс]Ч, (40)

=[29Ч(10⁵-9687,5)+18Ч9687,5]Ч=0,725 кг/м³

Аr==[]=34,610⁴

-вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре;

d-диаметр частиц материала, м;

-плотность частиц материала.

Скорость уноса равна:

щ_ун==4,6м/с.

Рабочая скорость сушильного агента в сушилке щд=6,8м/с больше чем скорость уноса частиц щ_ун=4,6м/с, поэтому расчет основных размеров сушильного барабана заканчивается

Заключение

На основании исходных данных был произведен расчет размеров аппарата для проведение процесса сушки и выбрана барабанная сушилка, обеспечивающая непрерывный процесс сушки железной (магнитогорской) руды топочными газами при заданных условиях.

Основные характеристики барабанной сушилки [4, табл.9.3]:

внутренний диаметр 1,8м

длина барабана 12м

толщина стенок наружного цилиндра 12мм

объем сушильного пространства 30,5 м³

число ячеек 28шт

частота вращения барабана 5об/мин

общая масса 42т

потребляемая мощность двигателя 10,3кВт

На рисунке - 1 показан общий вид барабанной сушилки с подъемно-лопастными перевалочными устройствами.

1 -- барабан; 2, 3 -- роликовые опоры; 4 -- вход сушильного агента; 5-- влажный материал; 6 -- приемно-винтовая насадка; 7 -- вывод сушильного агента; 8 -- насадка лопастная; 9 -- высушенный материал.

Рисунок - 1 Барабанная прямоточная сушилка.

Список использованной литературы

1. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу Процессов и аппаратов химической технологии». - Л.: «Химия», 1970г.

2. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу Процессов и аппаратов химической технологии». - Л.: «Химия», 1987г.

3. А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии». - М.: «Химия» 1971г.

4. Ю.И. Дытнерский «Основные процессы и аппараты химической технологии» Пособие по проектированию. - М.: «Химия» 1991г.

Размещено на Allbest.ru

...