Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский Государственный Индустриальный Университет

Кафедра « Химической технологий и Экологий»

Курсовой проект

На тему: «Расчет и проектирование барабанной сушилки для высушивания сыпучего материала топочными газами»

г. Темиртау 2009 г

Содержание

Аннотация

Задание

Введение

Литературный обзор

1. Классификация сушилок

2. Барабанная сушилка

3. Принципиальная схема барабанной сушилки

4. Расчет параметров топочных газов подаваемых в сушилку

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

6. Определение основных размеров сушильного барабана

7. Прочностной расчет: Расчет барабана

Заключение

Список литературы

Аннотация

В данном курсовом проекте описана конструкция и работа барабанного сушила.

Проведены: Расчет параметров топочных газов подаваемых в сушилку, определение параметров отработанных газов, расхода сушильного агента и расхода тепла на сушку, определение основных размеров сушильного барабана, прочностной расчет: расчет барабана Данная работа содержит:

Страниц 28

Таблиц 3

Источников литературы

Схем 4

Задание

Рассчитать процесс конвективной сушки сыпучего материала в барабанной, вращающейся сушилке при подогреве воздуха продуктами сгорания отопительного газа при следующих условиях:

1. Материал - песок ;

2. Производительность сушилки по сухому материалу G_к = 12000 кг/ч;

3. Влагосодержание материала:

а) начальное - U_н = 10%,

б) конечное - U_к = 0,5%;

4. Температура, ⁰С:

а) атмосферного воздуха - 20 ⁰С,

б) газов на входе в сушилку - 300 ⁰С,

в) газов на выходе из сушилки - 80 ⁰С;

5. Относительная влажность воздуха ц₀ = 70%;

6. Атмосферное давление - 10⁵ Па;

7. Теплоемкость материала - 0,8 кДж/кг•К, плотность - 1200 кг/м³;

8. Напряженность сушилки по влаги - 85 кг/м³•ч;

9. Средний диаметр частицы материала - 1 мм;

10. Удельные потери тепла в окружающую среду на 1 кг испаренной влаги q_п = 22,6 кДж/кг, что соответствует примерно 1% тепла затрачиваемого на испарение 1 кг воды.

11. Перевалочные устройства - подъемнолопастные, степень заполнения - 12%

12. Состав природного газа:

CH₄ - 98,0 %,

C₂H₆ - 1,0 %,

C₃H₈ - 0,2 %,

C₄H₁₀ - 0,3 %,

CО - 0,2 %,

H₂ - 0,3 %.

По приведенным данным произвести расчет материального и теплового балансов процесса сушки с помощью диаграммы Рамзина. Произвести расчет габаритов барабанной сушилки. В зависимости от типа материала используются различные перевалочные устройства, зная тип перевалочных устройств можно определить степень заполнения барабана.

Введение

В технике сушки подвергаются множество материалов, различающихся химическим составом, дисперсностью и структурой, адгезионными свойствами и термочувствительностью, содержанием и формой связи влаги с материалом и другими свойствами. В химической промышленности процессы массо- и теплопереноса при сушки иногда осложняются протекающими одновременно химическими реакциями.

В связи с этим выбор рационального способа сушки, типа сушильной установки и конструкций сушильного аппарата представляет собой сложную технико-экономическую задачу и пока еще не может быть включен в студенческий курсовой проект. Поэтому в настоящем приводится примеры расчета только конвективных сушилок заданного типа.

Барабанные сушилки получили распространение в силикатной промышленности для сушки сыпучих и мелкокусковых материалов. В настоящее время барабанные сушилки получили большое распространения в различных сферах промышленности.

Литературный обзор

Сушка представляет собой тепловую обработку материалов с целью удаления из них влаги путём испарения. Испарение влаги из материала происходит при условии, когда окружающая среда не насыщена влагой и способна воспринять водяные пары от поверхности материала. Следовательно, при сушке необходимо, чтобы концентрация (парциальное давление) водяного пара непосредственно у поверхности влажного материала (Рпов) была больше, чем концентрация водяных паров в окружающей газовой среде (Ргаз).

Интенсивность сушки будет тем выше, чем больше разность парциальных давлений пара на поверхности материала и окружающей среды и больше приток тепла к поверхности материала.

По технологическим требованиям производства сушила должны обеспечить заданную производительность, возможную гибкость регулирования процесса и соблюдения оптимального режима сушки, чтобы получить наилучшее качество сушимого материала при наименьших затратах. При этом большое значение имеет равномерность сушки материалов или изделий по всему объёму рабочего пространства сушил.

Применяемые в промышленности сушила можно классифицировать по ряду конструктивных, технологических и других признаков. По виду обрабатываемого материала они разделяются на сушила для сушки изделий и сушки сыпучих кусковых материалов. По конструкции сушильного пространства - туннельные, шахтные, барабанные, камерные. По способу подачи и перемещения материала - распылительные, конвейерные, пневматические, размольно-сушильные. По схеме движения материала и сушильного агента - противоточные, прямоточные, с рециркуляцией и другие.

Для сушки мелкокусковых, сыпучих материалов и порошков применяются различные конструкции сушилки непрерывного действия, например барабанные, пневматические и распылительные.

Барабанные сушилки получили распространение в силикатной промышленности для сушки сыпучих и мелкокусковых материалов размером кусков до 50 мм. Барабан сушила имеет длину 4-30 м и диаметр 0.1-3.2 м, установлен под углом 4-6⁰ к горизонту и вращается со скоростью 0.5-8 об/мин.

Движение материалов и топочных газов внутри сушила может быть прямоточным и противоточным. Последнее обуславливается рядом факторов. Если требуется глубокое высушивание материала или когда материал не выдерживает высокой температуры в первый период сушки и может быть нагрет до более высокой температуры в конце сушки, схема движения может быть противоточной. Противоток применяется при сушке песка, известняка и др. Однако в большинстве случаев находит применение прямоточная схема движения. Прямоток обеспечивает меньшее пыление и унос; влажные и пластичные материалы легче отдают начальную влагу и быстро приобретают необходимую сыпучесть. Сушка глин, недопускающих потери пластичности в следствие перегрева, производиться в сушильных барабанах при прямотоке. При этом допускается высокая начальная температура газов, входящих в барабан (до 900 ⁰С), но материал при сушке сильно не нагревается. Обычно при температуре отходящих из барабана газов 110 - 120 ⁰С материал выходит с температурой 70-80⁰С. Скорость движения газов в барабане не превышает 2,5-3 м/с в избежание чрезмерного пылеуноса.

Внутренняя полость барабана в целях улучшения процессов теплообмена и сушки заполняется различными насадками или разделяется на ячейки. При сушке крупнокусковых материалов, склонных к налипанию внутри, на стенках барабана устанавливают продольные лопасти (подъемно-лопастная система). При сушке мелкокусковых материалов по всему сечению барабана устанавливают полки, обеспечивающие надежное перемешивание материала (распределительная система). Для очень мелкого материала, склонного к пылению, применят закрытую ячейковую систему внутренних устройств, в которой материал только переваливается при вращении барабана при небольшой высоте падения. Ячейки не сообщаются между собой.

Для повышения равномерности сушки материалов, производительности барабана и частичного совмещения сушки и размола применяют навеску цепей, которые заменяют некоторую часть внутренних перегородок по длине барабана. При вращении барабана цепи разбивают крупные куски глины, но при этом повышается вынос пыли газовым потоком. Степень заполнения барабана материалом колеблется в пределах от 0,05 до 0,20. Наибольшая степень заполнения достигается в сушильных барабанах с ячейковым внутренним устройством.

Для отопления барабанной сушилки можно использовать любой вид топлива, который сжигается в топке, расположенной со стороны входа дымовых газов в барабан. Продукты горения топлива смешиваются с холодным воздухом в смесительной камере для получения требуемой температуры. Отработанные газы удаляются из разгрузочной камеры при помощи вентилятора, предварительно пройдя циклон для очистки от пыли.

Основные преимущества барабанного сушила: возможности использования для сушки дымовых газов с достаточно высокой температурой (700-800⁰С) без перегрева материала, что обеспечивает хорошую экономичность сушки; можно сушить материалы, содержащие куски размером до 250 мм, и материалы, не обладающие сыпучими свойствами (флотоконцентраты, шламы и др.).

К недостаткам барабанного сушила можно отнести: довольно большие габариты, обусловленные объемом испаряемой влаги в 1 м³ их рабочего объема; значительную массу сушила (4-5 т на 1 т испаряемой влаги в 1 ч) и большую массу (до 25% рабочего объема) материала, постоянно находящегося в сушилке во время ее работы; налипание влажного материала на внутренние устройства сушильного барабана, что значительно снижает эффективность ее работы; возможное просыпание сырого материала через горячий конец барабана, что удается ликвидировать увеличением шага разгонной спирали и уменьшением подачи материала в сушилку.

Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов удешевляет их транспортировку и придает им определенные свойства, а также уменьшению коррозии аппаратуры. Влагу можно удалять механическим способом: отжим, центрифугирование, отстаивание. Однако этими способами влага удаляется частично, более тщательное удаление влаги осуществляется путём тепловой сушки: испарение влаги, удаление паров.

Процесс тепловой сушки может быть естественным и искусственным. Естественная сушка применяется редко. По физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом. Его скорость определяется скоростью диффузии влаги из глубинных частей материала к поверхности, а затем в окружающую среду. Удаление влаги при сушке включает не только перенос материала, но и перенос тепла, таким образом является теплообменным и массообменным процессами. По способу подвода тепла к высушиваемому материалу сушку делят:

1) Контактная - путём передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделительную стенку;

2) Конвективная - путём непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом. В качестве которого используют: подогретый воздух, топочные газы либо топочные газы с воздухом;

3) Радиационная - путём передачи тепла инфракрасным излучением;

4) Диэлектрическая - в поле токов высокой частоты;

5) Сублимационная - в замороженном состоянии в вакууме.

Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным воздухом или газом. При конвективной сушке влажному воздуху отводится основная роль. Поэтому необходимо чётко представлять какими параметрами описывается воздух.

1. Классификация сушилок

Сушка материалов, полупродуктов или готовых изделий используется практически на всех стадиях производства строительных материалов, изделий и конструкций.

Для сушки применяют разнообразные сушилки, отличающиеся по ряду признаков которые положены в основу классификации, приведённой ниже:

Таблица №1

Признак классификации	Типы сушилок
1. Давление в рабочем пространстве.	Атмосферные, вакуумные, под избыточным давлением.
2. Режим работы.	Периодического и непериодического действия.
3. Вид теплоносителя.	Воздушные, на дымовых или инертных газах, на насыщенном или перегретом паре, на жидких теплоносителях.
4. Направление движения теплоносителя относительно материала.	Прямоточные, противоточные, с перекрёстным током, реверсивные.
5. Характер циркуляции теплоносителя.	С естественной и принудительной циркуляцией.
6. Способ нагревания теплоносителя.	С паровыми воздухонагревателями, с топочными устройствами, с электронагревателями, комбинированные.
7. Краткость использования теплоносителя.	Прямоточные или рециркуляционные.
8. Способ удаления влаги из сушилки.	С отходящим теплоносителем, с продувочным воздухом, компенсационные, с химическим поглощением влаги.
9. Способ подвода тепла к материалу.	Конвективные, контактные, с нагревом токами высокой частоты, с лучистым нагревом, с акустически или ультразвуковым нагревом.
10. Вид высушиваемого материала.	Для крупно дисперсных, тонкодисперсных, пылевидных, ленточных, пастообразных, жидких растворов или суспензий.
11.Гидродинамический режим.	С плотным неподвижным слоем, перемешиваемым слоем, взвешаным слоем (псевдосжиженый слой, закрученные потоки), с распылением в потоке теплоносителя.
12. Конструктивный тип сушилки.	Камерные, шахтные, ленточные, барабанные, трубные и т. д.

2. Барабанная сушилка

Она представляет собой сварной цилиндр - барабан, на наружной поверхности которого укреплены бандажные опоры, кольца жесткости и приводной зубчатый венец; Ось барабана может быть наклонена к горизонту на 4^о - 6^о

Барабанные атмосферные сушилки непрерывного действия предназначены для сушки сыпучих материалов топочными газами или нагретым воздухом.

Внутри барабана устанавливают насадки, конструкция которых зависит от свойств высушиваемого материала. Со стороны загрузочной камеры многозапорная винтовая насадка, с числом спиральных лопастей от шести до шестнадцати в зависимости от диаметра барабана. При сушке материала с большой адгезией к поверхности на начальном участке последнего закрепляют цепи, при помощи которых разрушают камки и очищают стенки барабана. Для этой же цели могут применять ударные приспособления, расположенные с внешней стороны барабана.

В сушилках диаметром 1000 - 1600 мм для материала с хорошей сыпучестью и средним размером частиц до 8 мм устанавливают секторную насадку. В тех же сушилках, для материалов, обладающих повышенной адгезией или сыпучих материалов со средним размером частиц более 8 мм устанавливают подъемно - лопастные устройства. В сушилках диаметром 1000 - 3500 мм для материалов склонных к налипанию, но восстанавливающих сыпучие свойства в процессе сушки сначала устанавливают подъемно - лопастные перевалочные устройства, а затем секторные насадки.

Основной материал для изготовления барабанов сушилок, загрузочных и разгрузочных камер - углеродистые стали. В технически обоснованных случаях дополнительное изготовление барабанов, разгрузочных и разгрузочных камер частично или полностью из жаростойких сталей специальных марок.

Барабанные вакуумные сушилки работают, как правило, периодически и их применяют для сушки термочувствительных материалов от воды и органических растворителей, а также для сушки токсичных материалов. В зависимости от свойств материала и требований к готовой продукции применяют сушилки среднего или глубокого вакуума. Вакуумные барабанные сушилки применяют в основном в производстве полимерных материалов.

Тепловой и температурный режимы. Тепловой и температурный режимы работы барабанных сушил неизменны во времени. Температура и влажность высушиваемого песка при этом меняются по длине барабана по мере продвижения песка от загрузочного к разгрузочному концу сушила: температура растет, а влажность уменьшается.

Температура и влагосодержание сушильного агента (в качестве которого обычно используется смесь дымовых газов и воздуха) также соответственно изменяются по длине сушильного барабана: температура падает, а влагосодержание растет за счет перехода влаги из песка в сушильный агент. Передача тепла к поверхности высушиваемого песка (т.е. в ЗТП) с учетом сравнительно низкого температурного уровня (не выше 700-800⁰ С) осуществляется в основном конвекцией в некоторой мере излучением. В этих сушилах протекает обычно проточный режим теплообмена. Однако лимитирующим звеном процесса сушки в этих установках является замедленная тепло- и массопередача внутри слоя песка. Поэтому с целью интенсификации процесса сушки конструктивно предусматривается разрыхление и перегребание слоя песка специальными лопатками на стенах барабана.

Конструкция барабанного сушила. Основной частью барабанных сушил является длинный стальной цилиндр (барабан), установленный с небольшим наклоном к горизонту (рис. 1). Барабан опирается на опорные ролики и вращается вокруг своей оси благодаря зубчатому венцу, связанному через понижающий редуктор с электроприводом. Влажный сыпучий материал через загрузочное устройство и питатели подается в верхнюю часть барабана и при его вращении (обычно со скоростью несколько оборотов в минуту) постепенно перемещается к его разгрузочному концу. Для ускорения сушки внутри барабана установлены стальные пластины в виде лопастей или секторов, перемешивающие и разрыхляющие сыпучий материал. Перед выдачей песок остужают до температуры ~50°С. Высушиваемый материал нагревается в барабанных сушилах смесью продуктов горения и воздуха. Сжигание топлива производится в отдельной топке, после чего продукты горения смешиваются в смесительной камере с воздухом для понижения их температуры до 800--850° С. При этой температуре сушильный агент поступает в барабан (у его загрузочного конца) и покидает барабан при температуре 100--120°С через газоотвод у разгрузочного конца барабана и направляется в очистительные циклоны, а оттуда в дымовую трубу.

Схема барабанной сушилки: 1 - вентилятор для подачи воздуха к горелке; 2 - горелка; 3 - камера; 4 - взрывной клапан; 5 - смесительная камера; 6 - труба загрузочного устройства; 7- барабана; 8 - барабан; 9 - привод вращения барабана; 10 - холодильник; 11 - разгрузочная камера; 12 - дымосос

Тепло к высушиваемому материалу передается главным образом за счет конвекции и, несмотря на перемешивающие песок средства, сушка его происходит сравнительно медленно.

Удельный расход тепла на удаление 1 кг влаги из материала для барабанных сушил около 4000--5000 кДж/кг. Технические характеристики типовых барабанных сушил, разработанных институтом «Теплопроект», приведены ниже:

Производительность сушил, т/ч 3,0 6,45 15,35 43,0

Количество удаляемой влаги, кг/ч 314 660 1610 4500

Длина барабана, м 4,0 6,0 8,0 12,0

Диаметр барабана ,м 1,0 1,2 1,6 2,2

3. Принципиальная схема барабанной сушилки

1 - барабан; 2 - питатель; 3 - сушильный барабан; 4 - топка; 5 - смесительная камера; 6, 7, 11. - вентиляторы; 8 - промежуточный бункер; 9 - транспортёр; 10- циклон; 12 - зубчатая передача.

Влажный материал из бункера 1 с помощью питателя 2 попадает во вращающийся сушильный барабан 3. Параллельно материалу в сушилку подаётся сушильный агент, образующийся от сгорания топлива в топке 4 и смешения газов в смесительной камере 5. Воздух в топку и смесительную камеру подаётся вентиляторами 6,7. Высушеный материал с противоположного конца сушильного барабана 8, а из него на транспортирующее устройство 9.

Отработанный сушильный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне 10. При необходимости производится дополнительное, мокрое пылеулавливание.

Транспортировка сушильного агента через сушильную камеру осуществляется с помощью вентилятора 11. При этом установка находится под небольшим разрежением, что исключает утечку сушильного агента через неплотности упаковки.

Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 12.

4. 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 %

CO - 0,2 %

H₂ - 0,3 %

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

L₀ = 138•(0,0179•CO + 0,248•H₂ + ? [(m+n/4)/(12m+n)]C_mH_n ), (1)

где составы горючих газов выражены в объемных долях.

Подставив соответствующие значения, получим:

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

Для определения теплоты сгорания топлива воспользуемся характеристиками горения простых газов.

Таблица 2

Газ	Реакция	Тепловой эф - фект реакции, кДж/м3
Водород	Н2 + 0,5О2 = Н2О	10810
Оксид углерода (11)	СО + 0,5 О2 = СО2	12680
Метан	СН4 + 2 О2 = СО2+ 2Н2О	35741
Ацетилен	С2Н2 +2,5 О2 = 2СО2 + Н2О	58052
Этилен	С2Н4 + 3 О2= 2СО2+ 2Н2О	59108
Этан	С2Н6 + 3,5 О2 = 2СО2 + 3Н2О	63797
Пропан	С3Н8 + 5 О8 = 3СО2 + 4Н2О	91321
Бутан	С4Н10 + 6.5 O2 = 4CO2+ 5 H2O	118736
Сероводород	Н2S + 1.5O2 =S2O + H2O	23401

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

Q_н = ? ц_i • H_i = 0,98•35741 + 0,01•63797 + 0,002•91321 + 0,003•118736 + 0,002•12680 +0,003•10810= 36260,79 (кДж/кг),

где ц_i - объемная доля компонентов газа;

H_i - тепловой эффект реакции (кДж/м³).

Плотность газообразного топлива:

с_t = (?C_mH_n•M_i / V₀)•(Т₀ / Т₀+t_т), (2)

где M_i - мольная масса топлива (кмоль/кг);

t_т - температура топлива; t_т = 20 ⁰ C

V₀ - мольный объем; V₀ = 22.4 м³/кмоль

Т₀ = 273 ⁰ К.

с_т = (0,98•16 + 0,01•30 + 0,002•44 + 0,003•58)•273 / 22,4•(273 + 20) = 0,6756 кг/м³

Количество тепла выделяющееся при сжигании 1 кг топлива равно:

Q = Q_н / с_т = 36260/0,6756 = 53671,98 Дж•м³

Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчете на 1 кг сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом избытка воздуха б, необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов, до температуры смеси. t_см = 300 ⁰ C

Значение б находят из уравнений материального и теплового баланса.

- Уравнение материального баланса:

1 + L₀ = L_с.г + ?9n/(12m+n)C_mH_n, (4)

где L_с.г. - масса сухих газов образовавшихся при сгорании 1 кг топлива;

C_mH_n - массовая доля компонентов, при сгорании которых

образуется вода (кг/кг).

- Уравнение теплового баланса:

Q•з + c_т•t_т + б•L₀•I₀ = [ L_с.г.+ L₀(б - 1)]•i_с.г.+ [б•L₀•х₀ + ?9n/(12m+n)C_mH_n], (5)

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 20⁰ С;

с_т = 1,34 кДж/(кг•к);

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

i_с.г. - энтальпия сухих газов;

i_с.г. = с_с.г.•t_c.г. = 1,05•300 = 315 (кДж/кг),

где с_с.г. = 1,05 кДж/(кг•К)

t_с.г. = 300 ⁰С;

x₀ - влагосодержание свежего воздуха при температуре t₀ = 20⁰С и влажности ц₀ = 70 %, х₀ = 0,0125 кг/кг

i_п = r₀ + с_nt_n = 2500 + 1,97•300 = 3091 (кДж/кг)

где r₀ - теплота испарения воды при температуре 0 ⁰С

r₀ = 2500 кДж/кг

с_п - средняя теплоемкость водяных паров, с_п=1,97 кДж/(кг•К);

t_п - температура водяных паров

t_п = t_с.г. = t_см. = 300 ⁰C

Решая совместно уравнения 4 и 5, получаем:

б=[Q_п•з+c_т•t_т?i_с.г.(1??9n/(12m+n)C_mH_n)?i_п?9n/(12m+n)C_mH_n]/L₀•(i_с.г.+i_п•x₀?I₀) (6)

Пересчитаем содержание компонентов топлива при сгорании которых

образуется вода, из объемных долей в массовые по формуле:

щ(A) = ц(A)•M(A)•273 / 22,4•с_т•(273+t₀)

щ(CH₄) = 0,06157•0,98•16 = 0,9654

щ(C₂H₆) = 0,06157•0,01•30 = 0,0185

щ(C₃H₈) = 0,06157•0,002•44 = 0,0054

щ(C₄H₁₀) = 0,06157•0,003•58 = 0,0107

Количество влаги, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива равно:

2,17 + 0,0333 + 0,00972 + 0,0166 = 2,2296

Коэффициент избытка воздуха находим по уравнению (6):

б=[53671,98•0,95 + 1,34•20 ? 315(1 ? 2,2296) ? 3091•2,2296]/

/17,25(315 + 3091•0,0125 ? 49) = 8,47

Общая удельная масса сухих газов получаемая при сжигании 1 кг топлива и разбавлении топочных газов воздухом до температуры смеси t_cм = 300 ⁰С равна:

, (7)

G_с.г. = 1 + 8,47•17,25 ? 2,2296 = 144,878 (кг/кг)

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

, (8)

G_п = 8,47•0,0125•17,25 + 2,2296 = 4,056 (кг/кг)

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

,

барабанный сушилка топочный газ

х₁= 4,056/144,878 = 0,028 кг/кг;

Энтальпия газов на входе в сушилку:

, (9)

I₁ = [53671,98•0,95 + 1,34•20 + 8,47•17,25•49] / 144,878 = 401,541 (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.

5. 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.

, (10)

W = 3,3•(10 - 0,5)/(100 - 10) = 0,348 (кг/с)

Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:

, (11)

где Д - разность между удельными приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере;

с - теплоемкость влаги во влажном материале при температуре И₁, кДж/(кг•К);

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

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

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

= 3,3•0,8•(53 - 20)/0,348 = 250,345 (кДж/кг)

С_м - теплоемкость высушенного материала, кДж/(кг•К)

И₂ - температура высушенного материала на выходе из сушилки, ⁰С

При испарении поверхностной влаги И₂ принимается приблизительно равной температуре мокрого термометра при соответствующих параметрах сушильного агента. Принимая в первом приближении процесс сушки адиабатическим, находим И₂ по диаграмме Рамзина по начальным параметрам сушильного агента:

И₂ = 53

q_п - удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги; на 1 кг испаренной влаги: q_п = 22.6 кДж/кг•влаги;

Подставив соответствующие значения, получим:

Д =4,19•20 ? (250,345 + 22,6) = -189,145 (кДж/кг•влаги);

Запишем уравнение рабочей линии сушки

(12)

Для построения рабочей линии сушки на диаграмме Рамзина необходимо знать координаты (x и I) минимум двух точек. Координаты первой точки известны: x₁ = 0,028 (кг/кг), I₁ = 401,541(кДж/кг). Для нахождения координат второй точки зададимся произвольным значением х и определим соответствующее значение I. Пусть х = 0,1 кг влаги/кг сух. возд. Тогда по уравнению 12

I = 401,541 + (-189,145)•(0,1-0,028) = 387,92

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

t₂ = 80 ⁰С . В точке пересечения линии сушки с изотермой t находим параметры отработанного сушильного агента:

х₂ = 0,11 (кг/кг)

I₂ = 375 (кДж/кг)

Расход сухого газа L_с.г. равен:

, (13) L_с.г. = 0,348/(0,11 - 0,028) = 4,24 (кг/с)

Расход сухого воздуха L равен:

, (14); L = 0,348/(0,11 - 0,0125) = 3,57 (кг/с)

Расход тепла на сушку Q_c равен:

, (15) Q_c = 4,24•(401,541 - 49) = 1494,7 (кВт)

Расход топлива на сушку G_т равен:

, G_т = 1494,7/53464,794 = 0,028 (кг/с)

6. Определение основных размеров сушильного барабана

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_б = V_суш + V_прогр (16)

Объем необходимый для сушки материала можно определить по формуле:

, (17)

где К_v - объемный коэффициент массопередачи, с^-1

ДХ_ср - средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³

Движущую силу массопередачи ДХ_ср определяем по уравнению:

, (18)

где

ДХ_б = Х₁^* - Х₁ - движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³

ДХ_м = Х₂^* - Х₂ - движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³

Др_б = р₁^* - р₁ - движущая сила в начале процесса сушки, Па

Др_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 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:

t_m1 = 57 ^оC

р₁^* = 18498 (Па),

t_m2 = 56 ^оC

р₂^* =17109 (Па);

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

, (19)

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

Тогда на входе в сушилку

p₁ = (0,028/18•10⁵) / (1/29 + 0,028/18) = 4321 Па

на выходе из сушилки

р₂ =(0,11/18•10⁵) / (1/29 + 0,11/18) = 15054 Па

Дp_ср = ((18498-4321) ? (17109 ? 15054)) / ln(16,7) = 6276 Па

Откуда ДХ_ср по уравнению 18 будет равно:

ДХ_ср = 6276•18 / (10⁵•22,4•((273 + 190)/273)) = 0,029 (кг влаги/м)

t_ср = (t_вх + t_вых) / 2 = 300 + 80 / 2 = 190 ⁰С

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 массотдачи в_v может быть вычислен по эмпирическому уравнению:

(20)

где

с_ср - средняя плотность сушильного агента, кг/м³

с_ср = М•Т₀ / (V₀(T₀ + t_ср)) = 29•273 / (22,4•(273 + 190)) = 0,763 кг/м³

с - средняя теплоемкость сушильного агента,

с = 1 кДж/(кг•К)

в - степень заполнения барабана высушиваемым материалом, %

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

p = (p₁ + p₂)/2 = (4321 + 15054)/2 = 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 20 справедливо для значений:

щс_ср = 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:

, (21)

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 = 2,3 м/с

n = 5 об/мин

в = 12 %

Тогда объем сушильного пространства рассчитывается по формуле 17 и равен:

V_суш = 0,348 / 0,45•0,029 = 26,6 м³;

Объем барабана необходимый для прогрева влажного материала определяют по уравнению:

, (22)

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

Q_п = G_кС_м(t_м1 - И₁) + W_вС_в(t_м1 - И₁ ) (23)

Q_п = 3,3 * 0,8 * 37 + 0,348 *4,19 * 37 = 151,63

К_v - объемный коэффициент теплопередачи, кВт/(м³•К)

K_v = 16(2,3 0,763)^0,95^0,7 12^0,54 = 0,3127кВт/м³*К

Дt_ср - средняя разность температур, ⁰С

С_в - теплоемкость вздуха

И₁ - температура влажного материала

И₁ = Т₀

Для вычисления Дt_ср необходимо найти температуру сушильного агента t_х до которой он охлаждается, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до t_м1 .Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса:

Q_n = L_с.г.•(1+X₁ )•C_г•(t₁ - t_х ) (24)

Откуда:

t_x =

t_x = 267 ⁰С;

Средняя разность температур Дt_ср равна:

, (25)

Дt_ср = ((300 - 20) + (267 - 57)) / 2 = 245 ⁰С;

Подставляем полученные значения в уравнение 22:

V_п = 151,63 / 0,3127•245 = 1,98 м³;

Общий объем сушильного барабана равен:

V_б = V_суш + V_прогр = 26,6 + 1,98 = 28,58 м³;

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

По таблице выбираем барабанную сушилку № 7119 со следующими характеристиками:

Объем V = 30,5 м³,

Диаметр d_вн = 1,8 м,

Длина l = 12 м,

Частота n = 5 об/мин;

Определим действительную скорость газов в барабане:

, (26)

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

, (27)

х_ср - среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг

V_г =

Тогда:

щ_д = 6,1 / 0,785•1,8² = 2,4 м/с;

Принятое: щ = 2,3 м/с

Время пребывания материала в барабане:

, (28)

где G_м = Vвс_м = 30,5 * 0,12 * 1200 =4392 (29)

Отсюда

ф = 4392 / (3,3 + 0,348/2) = 1264,25 с;

Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана б:

, (30)

б = (30•12/1,8•5•1264,25 + 0,007•2,4)•(180/3,14) = 2,8⁰;

Проверим допустимую скорость газов по уносу мелких частиц:

, (31)

где с_ср - плотность сушильного агента

с_ср = [29•(10⁵-9687,5)+18•9687,5]•273/(22,4•10⁵•(273+190)) = 0,735 кг/м³;

Ar = (d³•с_ч•с_ср•g) / µ_ср² = [(1•10^-3)³ •1200•0,735•9,8]/(0,025•10^-3)² = 34,6•10⁴;

м_ср и с_ср - вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре;

d - диаметр частиц материала, м;

с_r - плотность частиц материала.

Скорость уноса равна:

щ_ун = 0,025•10^-3/1•10^-3•0,735•[34,6•10⁶/(18 + 0,575•v34,6•10⁶)] = 4,6 м/с;

Рабочая скорость сушильного агента в сушилке щ_д = 2,4 м/с меньше чем скорость уноса частиц щ_ун = 4,6 м/с, поэтому расчет основных размеров сушильного барабана заканчиваем.

7. Прочностной расчет: расчет барабана

Механические расчеты вращающихся барабанов включают определение толщины стенки барабана, обеспечивающей прочность и жесткость конструкции, расчет на прочность бандажей, а также опорных и упорных роликов.

Толщину стенки барабана предварительно определяют по нормалям или, в зависимости от диаметра барабана D, по эмпирической формуле

и затем проверяют на прочность по допускаемому напряжению на изгиб как балку кольцевого сечения.

Расчетная схема

В простейшей расчетной схеме (см.рис.) барабан можно представить в виде балки длиной L = 8 м. , свободно лежащей на двух опорах и нагруженной равномерно распределенной нагрузкой от веса барабана G и загружаемого материала .

G = 13600кг = 2300кг

q=(13600+2300)/2=1987,5 Н/м

В наиболее опасном сечении балки (посередине между опорами) обеспечивается минимальный изгибающий момент

при расстоянии между опорами

= 0,585L=0,585•8=4,68 м.

M = ((13600+2300)·4.68/4) - 1987,5·16/8=14628 Н·м

Барабану передается также крутящий момент от привода, необходимый главным образом для поднятия центра тяжести материала на определенную высоту. Крутящий момент (в МН·м) можно определить из уравнения

=5300/2·3,14·0,083·1000=10,17 Н·м

где N -- мощность привода =5,3 , кВт;

n -- частота вращения барабана, = 0,083 .

Условие прочности барабана имеет вид:

где расчетный (приведенный) момент (в МН·м) определяют по формуле

=0,35·14628+0,65·=14628 Н·м

момент сопротивления кольцевого сечения барабана

,

W=0.785·1.5·0.01=0,0118

Допускаемое напряжение рекомендуется принимать (с учетом возможных температурных напряжений, неточностей монтажа и т.п.) для барабанов без футеровки (сушилки, кристаллизаторы) в пределах 5--10 МН/.

Условие выполняется.

После проверки на прочность барабан проверяют на прогиб. Для нормальной работы допускается прогиб f не более 1/3 мм на 1 м длины, т. е.

Прогиб от равномерно распределенной нагрузки определяют по формуле

где Е -- модуль упругости материала барабана, МН/м2; E=1,71·10 МПа

I -- осевой момент инерции кольцевого сечения барабана (в м4), который находят по формуле

I=3,14·(1,5-0,01)·0,01/8=0,013 м4;

f=5·1987,5*4,68/3841·1,71·10·0,013=0,005·10 м.

Условие выполнено.

Бандажи служат для передачи давления от веса барабана и загруженного материала на опорные ролики(см. Рис.)

Схема расчета бандажа и опорных роликов: 1 - барабан; 2 - бандаж; 3 - башмак; 4 - опорный ролик

Бандажи представляют собой кольца прямоугольного или коробчатого сечения. Для барабанов большого диаметра D>1м. чаще всего применяют свободное крепление бандажей, при котором они надеваются на чугунные или стальные башмаки. Башмаки повернуты упорными головками в разные стороны для предупреждения аксиального смещения бандажа. Предварительно по нормалям выбирают ширину и диаметр бандажей и опорных роликов, а затем выполняют проверку их на прочность.

=0,1 м.

Условие контактной прочности на смятие в месте соприкосновения ролика и бандажа записывается в виде

где R -- реакция опорного ролика, МН.

Значение R определяют по формуле

где б - угол наклона барабана б=2°;

ц -- угол между опорными роликами (ц=60°);

z -- число бандажей.

R=15900·cos2/2·1·cos30=0,0092 MH

-- наружный радиус бандажа и опорного ролика, м;

-- допускаемое напряжение материала ролика и бандажа на смятие для стального литья = 300--500 МПа.

МПа<=300МПа

Условие выполняется.

Выполним проверку прочности бандажа на изгиб. Рассматривая участок бандажа между двумя башмаками (см.рис.) как кривой брус, можно записать условие прочности бандажа на изгиб в виде

где -- максимальный изгибающий момент в месте контакта опорного ролика и бандажа, МН·м;

--момент сопротивления сечения бандажа, м3.

Изгибающий момент можно определить по формуле

Где

расстояние между соседними башмаками, м;

m - общее число башмаков.=8

=0,68 м

МПа

Момент сопротивления бандажа прямоугольного сечения определяют по формуле



где -- соответственно ширина и высота бандажа, м.

м

Условие выполняется.

Заключение

По данным условиям мы рассчитали процесс конвективной сушки материала (глины) в барабанной, вращающейся сушилке при подогреве воздуха продуктами сгорания отопительного газа. Так же по приведенным данным произвели расчет материального и теплового балансов процесса сушки с помощью диаграммы Рамзина. По расчетам нашли тип барабанной сушилки - № 7119 и его характеристики: диаметр d_вн = 1,8 м, длина l = 12 м, объем V = 30,5 м³, частота n = 5 об/мин, угол наклона к горизонту которой составляет б = 5⁰.

Список литературы

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

2. Сушильные аппараты и установки. Каталог НИИХИММАШ. 3-е изд., М.:, 1975.

3. Аппараты с вращающимися аппаратами общего назначения. Основные параметры и размеры. ГОСТ 11875-79.

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

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

6. Дытнерский Ю.И., Основные процессы и аппараты химической технологии. 4-е издание М:Альянс, 2008.

7. Лыков А. В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М., Госэнергоиздат, 1956, 464 с. с ил.

8. Мастрюков Б. С. Теплотехнические расчеты промышленных печей. М. «Металлургия», 1972, 367 с. с ил.

9.Иоффе Н.И. Теплотехнический расчёт барабанного сушила. Ив. 1981,32 с.

10. Левченко П.В. Расчет печей и сушил силикатной промышленности. М: Высшая школа, 1968г.

11. Гвоздкова В.С. Теплотехнические расчёты в силикатной технологии (расчёты горения топлива). Ив. 1983, 23с.

Размещено на Allbest.ru

...