Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Cпроектировать сушильную установку заданного типа для высушивания материала производительностью G₂ от начальной влажности w₁ до конечной w₂. Материал поступает в сушилку с температурой и₁, выходит с температурой в и₂, размер частиц материала d м. Температура сушильного агента на входе в сушилку t₁, на выходе t₂.

Материал	Тип сушил-ки	G2, кг/с	w1, %	w2, %	d, м	и1, K	и2, K	, К	, К	Вспомогатель-ное оборудование
Фосфорит	Бара-банная	2,80	8,0	0,5	0,005	293	345	880	373	Циклон

Таблица 1 - Данные для расчётов



Содержание

Условные обозначения

Введение

Теоретические основы процесса сушки

Мотивировка выбора установки и типа конструкции сушилки

Технологический расчёт

Механический расчёт

Методы интенсификации процесса сушки

Список использованных источников



Условные обозначения

А -- напряжение по влаге, кг/(м³·ч);

с -- теплоемкость, Дж/(кг·К);

D -- коэффициент диффузии, м²/с;

d -- диаметр сушилки, м; диаметр частиц материала, м;

Н, h -- высота, м;

I, i -- энтальпия, кДж/кг;

К -- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

L -- расход сушильного агента, кг/с;

п -- частота вращения барабанной сушилки, м^-1;

Р, р -- давление, МПа;

Q -- расход тепла, кВт;

q -- удельный расход тепла, кВт/кг;

Т, t -- температура;

W-- производительность сушилки по испаренной влаге, кг/с;

w -- скорость сушильного агента, м/с;

х -- влагосодержание сушильного агента, кг/кг;

-- коэффициент избытка воздуха; коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м^а·К);

-- коэффициент массоотдачи, м/с;

-- порозность слоя, м³/м³;

--плотность, кг/м³;

-- влажность материала, %;

-- вязкость, Па·с;

Rе -- критерий Рейнольдса;

Nu, Nu' -- критерий Нуссельта;

Pr, Pr' -- критерий Прандтля;

Ar -- критерий Архимеда.

Индексы:

1 и 2 -- параметры сушильного агента на входе в сушилку и на выходе из нее;

м -- параметры мокрого термометра;

п -- пар;

с. в -- параметры сухого воздуха;

с. г -- параметры сухого газа;

ср -- средняя величина.



Введение

Сушкой называют процесс удаления влаги из влажных материалов путем ее испарения. Сушка производится с целью:

1) придания необходимых свойств материалам,

2) удешевления транспортировки;

3) уменьшения коррозии аппаратуры и трубопроводов при хранении и последующей обработке.

В химических производствах в основном применяется искусственная сушка в специальных сушильных установках, т.к. естественная сушка на открытом воздухе процесс слишком длительный.

Влагу можно удалять из материалов механическими способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугирова-нием). Однако более полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т. е. с помощью тепловой сушки. Этот процесс широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осу-ществляется более дешевыми механическими способами (например, филь-трованием), а окончательное -- сушкой. Такой комбинированный спо-соб удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

Применяемые в химической промышленности виды сушилок можно классифицировать по технологическим признакам: давлению (атмосферные и вакуумные), периодичности процесса, способу подвода тепла (конвективные, контактные, радиационные, с нагревом токами высокой частоты), роду сушильного агента (воздушные, газовые, сушилки на перегретом паре), направлениям движения материала и сушильного агента (прямоточные и противоточные), способу обслуживания, схеме циркуляции сушильного агента, тепловой схеме и т. д.

Выбор типа сушилки зависит от химических свойств материала. Так, при сушке материалов с органическими растворителями используют герметичные аппараты и сушку обычно проводят под вакуумом; при сушке окисляющихся материалов применяют продувку инертными газами; при сушке жидких суспензий используют распыливание материала. Конструкции сушилок весьма разнообразны и выбор их определяется технологическими особенностями производства.



Теоретические основы процесса сушки

Общие сведения

Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, уменьшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.

Этот процесс широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами (например, фильтрованием), а окончательное -- сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена). [2]

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

1) конвективная сушка -- путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

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

3) радиационная сушка -- путем передачи тепла инфракрасными лучами;

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

5) сублимационная сушка -- сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной, но своеобразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.

Последние три вида сушки применяются относительно редко и обычно называются специальными видами сушки. [5]

Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным газом (в большинстве случаев воздухом). При конвективной сушке влажному газу (являющемуся сушильным агентом) принадлежит основная роль в процессе. Поэтому изучение свойств влажного газа необходимо при рассмотрении процессов сушки и их расчетах. [3]

Основные параметры влажного газа.

При конвективной сушке сушильный агент передает материалу тепло и уносит влагу, испаряющуюся из материала за счет этого тепла. Таким образом, сушильный агент играет роль тепло- и влагоносителя. При прочих методах сушки находящийся в контакте с материалом влажный газ (обычно воздух) используется лишь для удаления испарившейся влаги, т. е. выполняет роль влагоносителя.

Влажный газ является смесью сухого газа и водяного пара. Под влажным газом подразумевается только влажный воздух, учитывая, что физические свойства топочных газов и влажного воздуха отличаются лишь количественно. Влажный воздух как влаго- и теплоноситель характеризуется следующими основными параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией (теплосодержанием).

Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в кг, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. С достаточной для технических расчетов точностью можно считать, что влажный воздух подчиняется законам идеальных газов. Тогда водяной пар как компонент газовой смеси (влажного воздуха), находясь под парциальным давлением р_п, должен занимать весь объем смеси (1 м³). Поэтому абсолютная влажность равна массе 1 м³ пара, или плотности водяного пара _п (в кг/м³) при температуре воздуха и парциальном давлении р_п.[2]

Относительной влажностью, или степенью насыщения воздуха, называется отношение массы водяного пара в 1 м³ влажного воздуха _п при данных условиях, температуре и общем барометрическом давлении к максимально возможной массе водяного пара в 1 м³ воздуха р_н (плотности насыщенного пара) при тех же условиях. [3]

Относительная влажность является одной из важнейших характеристик воздуха как сушильного агента, определяющая его влагоемкость, т. е. способность воздуха к насыщению парами влаги.

При нагревании воздуха приблизительно до 100 °С величина р_н, возрастает и соответственно снижается ; дальнейшее повышение температуры происходит при = const. При охлаждении воздуха в процессе сушки, которое сопровождается поглощением влаги из материала, р_н уменьшается, а возрастает, в отдельных случаях вплоть до насыщения воздуха ( = 1). [2]

В процессе сушки воздух увлажняется и охлаждается и соответственно изменяет свой объем. Поэтому использование в качестве параметра воздуха его абсолютной влажности усложняет расчеты. Более удобно относить влажность воздуха к единице массы абсолютно сухого воздуха (1 кг сухого воздуха) -- величине, не изменяющейся в процессе сушки. [2]

Энтальпия I влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха t (в °С) как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха с_с.в.t и водяного пара хi_П (Дж/кг сухого воздуха). [4]

Водяной пар находится в процессе сушки в перегретом состоянии в смеси с воздухом.

При увлажнении воздуха содержание в нем водяного пара (обладающего меньшим молекулярным весом, чем сухой оздух) возрастает за счет снижения содержания сухого воздуха. Поэтому с увеличением влажности воздух становится легче. [3]

I--x-диаграмма влажного воздуха

Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определять при помощи I--x -диаграммы, впервые разработанной Л. К. Рамзиным. Диаграмма I--x (рис. 1) построена для постоянного давления Р= 745 мм рт. ст. (около 99 кн/м^г), которое, по многолетним статистическим данным, можно считать среднегодовым для центральных районов СССР.

Диаграмма имеет угол 135° между осями координат, причем на оси ординат отложены в определенном масштабе энтальпии I, а на наклонной оси абсцисс -- влагосодержания х, которые, для удобства пользования диаграммой, спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси ординат. На диаграмме нанесены: 1) линии постоянного влагосодержания (х = const) -- вертикальные прямые, параллельные оси ординат; 2) линии постоянной энтальпии (I = const) -- прямые, параллельные оси абсцисс, т. е. идущие под углом 135° к горизонту; 3) линии постоянных температур, или изотермы (t=const); 4) линии постоянной относительной влажности ( = const); 5) линия парциальных давлений водяного пара р_п во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы. [5]



Рисунок 1. - Диаграмма I--х для влажного воздуха

Линии t = const, = const и р_п построены на диаграмме следующим образом.

Линии постоянных температур, или изотермы, выражающие зависимость I от х при t= const, строятся с помощью уравнения (9). Задаваясь при данной температуре t₁ = const двумя произвольными значениями х₁ и х₂, вычисляют по уравнению (9) соответствующее каждому х значение I. Полученные точки (х₁, I ₁) и (х₂, I ₂) наносят на диаграмму и проводят через них прямую, которая является изотермой t₁ = const. Наклон изотерм несколько увеличивается с возрастанием температуры, так как теплоемкость водяного пара с_П, а следовательно, и i_П при этом возрастает.

Линии постоянной относительной влажности выражают зависимость между х и р_н при = const. Задаваясь при данном =const несколькими произвольными температурами t₁ ,t₂ ,t₃,…, для каждой из них находят по таблицам водяного пара соответствующее значение р_н, и вычисляют отвечающее ему значение х по уравнению (6). Точки с известными координатами (t₁, х₁), (t₂, х₂), (t₃, х₃) и т. д. соединяют кривой, которая является линией =const.

Линия = 100% соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Эта линия ограничивает снизу расположенную над ней рабочую площадь диаграммы, отвечающую ненасыщенному влажному воздуху, используемому в качестве сушильного агента. Площадь диаграммы, расположенная под линией = 100%, относится к воздуху, пересыщенному водяным паром, и для расчетов сушилок интереса не представляет. [3]

Равновесие при сушке.

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса:

1) сушка (десорбция влаги из материала) при парциальном давлении пара над поверхностью материала р_м, превышающим его парциальное давление в воздухе или газе р_п, т. е. при р_м > р_п;

2) увлажнение (сорбция влаги материалом) при р_м < р_п .

В процессе сушки давление р_м уменьшается и приближается к пределу р_м = р_п. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью _р.

Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом р_п или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха и определяется опытным путем.

В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая, в свою очередь, подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров (капилляров со средним радиусом приблизительно больше и меньше 10^-5 см). Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности к в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Присутствие этих видов влаги особенно характерно для коллоидных и полимерных материалов. [2]

Применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют в белее широком смысле на свободную и связанную. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности. Следовательно, при наличии в материале свободной влаги р_м = р_н, где р_н -- давление насыщенного пара воды над ее свободной поверхностью. Под связанно и понимают влагу, скорость испарения которой из материала меньше скорости испарения .воды со свободной поверхности р_м < р_н. [5]

Материальный баланс сушки. Баланс по высушиваемому материалу является общим для конвективной, контактной и других видов сушки.

Для составления баланса обозначим:

-- масса влажного материала, поступающего на сушку, кг/ч;

-- масса высушенного материала, кг/ч;

-- начальная и конечная влажность материала соответственно (считая на общую массу материала), %;

-- масса влаги, удаляемой из материала при сушке, кг/ч;

Тогда материальный баланс будет иметь следующий вид: по всему материалу, подвергаемому сушке

(1)

по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале

(2)

Из уравнения (2) следует:

(3)

и

(4)

Обычно целью составления материального баланса является определение массы влаги , удаляемой при сушке. Из уравнения (16) находим:

(5)

Подставляя в выражение (20) значение из уравнения (5), получим



(6)

При подстановке в выражение (6) значения по уравнению (4) определим массу удаляемой влаги:

(7)

Если значение известно, то из уравнения (7) можно определить значение .

Уравнения (6) и (7) являются основными уравнениями материального баланса процессов сушки. [4]

Влажность материала часто бывает удобно выражать по отношению к массе не всего материала, а к массе содержащегося в нем сухого вещества. В этом случае, пользуясь зависимостью (1), заменяют величины и в уравнении (6) на и соответственно. При этом получим

(8)

При расчете конвективных сушилок помимо баланса по высушиваемому материалу составляется материальный баланс по влаге, из которого находят расход сухого воздуха на сушку. [3]

Рассмотрим основную схему процессов конвективной сушки на примере воздушной сушилки, в которой воздух нагревается только в подогревателе (калорифере) перед сушилкой и однократно проходит через сушилку. Принцип устройства такой сушилки соответствует схеме на рисунке 2 при условии, что отсутствует дополнительный подогреватель воздуха, показанный на рисунке.

Пусть на сушку поступает воздух с влагосодержанием х₀, кг/кг сухого воздуха, причем расход абсолютно сухого воздуха составляет L кг/ч. Из сушилки (при отсутствии потерь воздуха) выходит такое же количе-ство абсолютно сухого воздуха, а влагосодержание меняется до х₂ кг/кг сухого воздуха. Масса влаги, испаряющейся из материала в сушилке, составляет кг/ч. Тогда материальный баланс по влаге будет иметь вид:

(9)

Из уравнения баланса определяем расход абсолютно сухого воздуха на сушку

(10)

Удельный расход воздуха на испарение из материала 1 кг влаги равен соответственно

(11)

Рисунок 2. - Принципиальная схема конвективной сушилки непрерывного действия (основной вариант процесса сушки)

Обозначим влагосодержание воздуха, нагретого в калорифере и поступающего в сушилку, через х₁ кг/кг сухого воздуха. Проходя через калорифер, воздух не поглощает и не отдает влаги, поэтому его влагосодержание остается постоянным, т. е. х₁-- х₀. Соответственно уравнения (23) и (24) могут быть записаны в виде

(12)

и

(13)

Следует иметь в виду, что влагосодержание наружного воздуха х₀ в среднем летом выше, чем зимой. Величина х₀ входит как вычитаемое в знаменатель правой части уравнения (13). Следовательно, расчет удельного расхода воздуха (и соответственно подбор калориферов для его нагрева) надо вести по наибольшей величине х₀ в летних условиях для того географического пункта, в котором должна работать сушилка. [2]

Тепловой баланс сушилок.

При составлении теплового баланса следует учитывать, что в сушилке могут быть транспортные устройства, на которых находится высушиваемый материал (например, вагонетки и т. п.). Пусть .масса этих устройств G_Т кг, удельная теплоемкость их материала с_т Дж/(кг-град), температура на входе в сушилку t_тн. В сушилке температура транспортных устройств возрастает и достигает t_тк на выходе из сушилки.

Согласно схеме (см. рис.2), тепло подводится в калорифер К₁, установленный перед сушилкой (Q_К), и в дополнительный калорифер К₂ внутри камеры сушилки (в количестве Q_Д). Тогда с учетом потерь тепла сушилкой в окружающую среду Q_{К П} имеем:

Приход тепла

С наружным воздухом

С влажным материалом

с сухим материалом

с влагой, испаряемой из материала

С транспортными устройствами

В основном (внешнем) калорифере

В дополнительном (внутреннем) калорифере

Расход тепла

С отработанным воздухом

С высушенным материалом

С транспортными устройствами

Потери тепла в окружающую среду

При установившемся процессе сушки тепловой баланс выражается равенством

Из этого уравнения можно определить общий расход тепла () на сушку:

Разделив обе части последнего равенства на W, получим выражение для удельного расхода тепла (на 1 кг испаренной влаги):

; где (14)

-- количество тепла (с учетом всех видов его прихода и расхода), приходящегося на 1 кг испаренной влаги;

-- удельный расход тепла на нагрев высушенного материала; -- удельный расход тепла на нагрев транспортных устройств;

-- энтальпия 1 кг влаги, поступающей в сушилку и испаряемой из материала; -- удельные потери тепла сушилкой в окружающую среду. [5]

Удельный расход тепла в основном (внешнем) калорифере можно также представить в виде

(15)

Подставляя значение в уравнение (14), находим

(16)

Обозначив правую часть уравнения (16)

(17)

запишем его в следующей форме:

(18)

(19)

Входящая в уравнение величина выражает разность между приходом и расходом тепла непосредственно в камере сушилки, без учета тепла, приносимого и уносимого воздухом, нагретым в основном калорифере. Величину часто называют внутренним балансом сушильной камеры.

Подставляя в уравнение (18) значение l из уравнения (15), получим

(20)

Для анализа и расчета процессов сушки удобно ввести понятие о теоретической сушилке, в которой температура материала, поступающего на сушку, равна нулю, нет расхода тепла на нагрев материала и транспортных устройств, нет дополнительного подвода тепла в самой сушильной камере и потерь тепла в окружающую среду. Следовательно, для теоретической сушилки

(21)

и, согласно выражению (14)

При этом в соответствии с уравнением теплового баланса (29а) при для теоретической сушилки

т. е- процесс сушки в такой сушилке изображается на I --х-диаграмме линией I=const. Это означает, что испарение влаги в теоретической сушилке происходит только за счет охлаждения воздуха, причем количество тепла, передаваемого воздухом, полностью возвращается в него с влагой, испаряемой из материала. [3]



Рисунок 3. - Принципиальная схема контактной сушилки непрерывного действия

В действительных сушилках энтальпия воздуха в сушильной камере обычно не остается постоянной. Если приход тепла в камеру сушилки () больше его расхода (). т. е. значение положительно, то в соответствии с уравнением (16) энтальпия воздуха при сушке возрастает (). При отрицательном значении энтальпия воздуха в процессе сушки уменьшается и .

В частном случае в действительной сушилке возможны условия, при которых отдельные члены правой части уравнения (27) хотя и не равны нулю, как для теоретической сушилки, но вследствие того, что приход тепла в сушильную камеру равен его расходу

(23)

значение также будет равно нулю и процесс сушки в действительных условиях равнозначен процессу в теоретической сушилке. [2]



Мотивировка выбора установки и типа конструкции основного оборудования

Сушка аммиачной селитры может осуществляться в сушильных аппаратах различной конденсации (например, барабанные, шнековые, ленточные и др.), на практике наиболее часто используют барабанные аппараты непрерывного действия. Эти аппараты наклонены к оси горизонта под углом 3-5 градусов, имеют длину 5-8 м, дмаметр1-1,5 м, частоту вращения 0,2-0,4 с^-1. Внутри барабана расположены лопастные насадки () позволяющие поддерживать во взвешенном состоянии селитру при ее движении к выходу из барабана. Теплоносителем служит подогретый в калориферах воздух или топочные газы, которые подаются к выходу селитры из барабана по принципу противотока (возможно и прямоточное движение сушильного аппарата).

Обычно используют следующие тепловые режимы:

-воздух или газ обычно имеет при в ходе в сушилку температуру 100…145 єС;

-температура сушильного агента на входе 45…60 єС;

-максимальная температура сушки аммиачной селитры в средней зоне сушилки 80…100 єС (ни более);

- температура аммиачной селитры на выходе из сушилки 40 єС;

-среднее время пребывания селитры в сушилке 25-40 мин. [5]

Описание технологической схемы установки и выбор конструкционного материала.

Барабанные сушилки. Эти сушилки широко применяются для непре-рывной сушки при атмосферном давлении кусковых, зернистых и сыпу-чих материалов (минеральных солей, фосфоритов и др.)

Барабанные конвективные сушилки различных конструкций получили наибольшее применении в химической промышленности (сушка фтористого алюминия, полимерных материалов, сложных и простых удобрений, аммиачной селитры и т.д.). Такое положение объясняется тем, что процесс протекает в них экономично благодаря возможности использования высоких температур газов при параллельном движении материала и агента сушки, достигается большая производительность единичного аппарата и, кроме того, они вполне надежны в эксплуатации.

Существуют так же конструкции барабанных сушилок, в которых тепло передается через обогреваемую стенку. В качестве сушильного агента используются воздух или дымовые газы. [5]

Барабанные сушилки обычно отличаются высокой производительностью и устанавливаются либо в начале технологического процесса для предварительной подсушки сырья, либо в конце процесса для окончательной сушки готового продукта.

В барабанных сушилках можно производить сушку солей и пластических масс. Недостатком барабанных сушилок является плохая герметичность, вследствие чего материал может попадать в атмосферу цеха. Барабанные сушилки так же широко применяются в технологии производства соды в технологии азотных удобрений, в производстве суперфосфата.

В настоящем времени ведутся работы по интенсификации процесса сушки в барабанных сушилках за счет использования ультразвука работы по созданию комбинированных схем сушилок, позволяющих высушивать в барабанных сушилках пасты и т.д.

Барабанная сушилка имеет цилиндрический барабан, установленный с небольшим наклоном к горизонту (1/15--1/50) и опи-рающийся с помощью бандажей 2 на ролики 3. Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 4 и редуктор. Чис-ло оборотов барабана обычно не превышает 5--8 об/мин; положение его в осевом направлении фиксируется упорными роликами 5. Материал по-дается в барабан питателем 6, предварительно подсушивается, перемеши-ваясь лопастями 7 приемно-винтовой насадки, а затем поступает на внут-реннюю насадку, расположенную вдоль почти всей длины барабана. Насадка обеспечивает равномерное распределение и хорошее перемеши-вание материала по сечению барабана, а также его тесное соприкоснове-ние при пересыпании с сушильным агентом -- топочными газами. Газы и материал особенно часто движутся прямотоком, что помогает избежать перегрева материала, так как в этом случае наиболее горячие газы со-прикасаются с материалом, имеющим наибольшую влажность. Чтобы избежать усиленного уноса пыли с газами последние просасываются че-рез барабан вентилятором 8 со средней скоростью, не превышающей 2-- 3 м/сек. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются от пыли в циклоне 9. На концах барабана часто устанавливают уплотнительные устройства (например, лабиринтные), затрудняющие утечку сушиль-ного агента. [2]

Рисунок 3. - Барабанная сушилка

1 - барабан; 2 - бандажи; 3 - опорные ролики; 4 - передача; 5 - опорно упорные ролики; 6 - питатель; 7 - лопасти; 8 - вентилятор; 9 - цыклон; 10 - разгрузочная камера; 11 - разгрузочное устройство

У разгрузочного конца барабана имеется подпорное устройство в виде сплошного кольца или кольца, образованного кольцеобразно рас-положенными поворотными лопатками (в виде жалюзи). Назначение это-го кольца -- поддерживать определенную степень заполнения барабана ма-териалом; как правило, степень заполнения не превышает 20%. Время пребывания обычно регулируется скоростью вращения барабана и реже -- изменением угла его наклона. Высушенный материал удаляется из камеры 10 через разгрузочное устройство 11, с помощью которого гер-метизируется камера 10 и предотвращается поступление в нее воздуха извне. Подсосы воздуха привели бы к бесполезному увеличению произ-водительности и энергии, потребляемой вентилятором 8.

Устройство внутренней насадки барабана зависит от размера кусков и свойств высушиваемого материала. [2]

Подъемно- лопастная насадка используется для сушки крупнокусковых и склонных к налипанию материалов, а секторная насадка -- для малосыпучих и крупнокусковых материалов с большой плотностью. Для мелкокусковых, сильно сыпучих материалов широко применяются распределительные насадки. Сушка тонкоизмельченных, пылящих материалов производится в барабанах, имеющих перевалочную насадку с закрытыми ячейками. Иногда исполь-зуют комбинированные насадки, например подъемно-лопастную (в перед-ней части аппарата) и распределительную.

Типы промышленных барабанных сушилок разнообразны: сушилки, работающие при противотоке сушильного агента и материала, с исполь-зованием воздуха в качестве сушильного агента, контактные барабанные сушилки и др.



Типы насадок барабанных сушилок:

а - подъемно лопастная; б - секторная; в,г - распределительная; д - перевалочная

Достоинства барабанных сушилок:

1. интенсивна и равномерная сушка вследствие тесного контакта материала и сушильного агента.

2. большое напряжение по влаги достигающее и более.

3. компактность установки.

В моей курсовой работе высушиваемым материалом является аммиачная селитра, поэтому материалом для барабана и циклона я выбрала сталь марки Вст3. Данная сталь является коррозионно-стойкой и жаростойкой, а также не восприимчива к агрессивным средам. Остальное оборудование можно изготовить из менее дорогого материала, например, из стали марки 45Х . [5]

Технологический расчет барабанной сушилки

1) Уравнение материального баланса сушилки.

; [4, стр.423] (24)



.

2) Расход сушильного агента.

3)

, где [3, стр 663] (25)

количество влаги, удаляемое из материала в процессе сушки;

[3, стр 663] (26)

.

конечное и начальное влагосодержание в высушиваемом материале.

Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:

, где [5, стр 271] (27)

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

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

-- удельный дополнительный подвод тепла в сушилку, кДж/кг влаги; при работе сушилки по нормально сушильному варианту ;

_т -- удельный расход тепла в сушилке с транспортные средствами, кДж/кг влаги; в рассматриваемом случае _т = 0;

_м -- удельный расход тепла в сушильном барабане с насушиваемым материалом, кДж/кг влаги;



где [5, стр 271] (28)

с_м -- теплоемкость высушенного материала, равняя 0,143 кДж/(кг·К);

-- температура высушенного материала на выходе из сушилки, °С;

-- удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги. Для барабанной сушилки предварительно принимаются потери в окружающую среду (80…160) кДж/кг.

Тогда

кДж/кг влаги

Для определения параметров воспользуемся I-x диаграммой Рамзина. Координаты первой точки при и начальной температуре :

Из уравнения рабочей линии сушки:

, или . [3, стр. 668] (29)

Зададим координаты второй точки: . Тогда

Находим координаты значения по диаграмме I -- х.

Рисунок 4. - Диаграмма состояния влажного воздуха I -- х при заданных условиях

Таким образом, ,

Тогда

4) Определение основных размеров сушильного барабана.

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

где[3, стр. 658] (30)

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

- объемный коэффициент массопередачи, 1/с.

Для сушки кристаллических материалов коэффициент массопередачи численно равен коэффициенту массоотдачи .

, где [4, стр. 429] (31)

-- средняя плотность сушильного агента, кг/м³;

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

Р-- степень заполнения барабана высушиваемым материалом, %;

Р₀ -- давление, при котором осуществляется сушка, Па;

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

Уравнение справедливо для значений: = 0,6--1,8 кг/(м²·с), n=1,5--5,0 об/мин,

= 10--25 %.

Для выбора рабочих скоростей (w, м/с) при сушке монодисперсных материалов воспользуемся данными таблицы 2. [1, стр. 298]

Таблица 2. К выбору рабочей скорости газов в сушильном барабане w

Размер частиц, мм	Значение w, м/с, при, кг/м3
	350	1000	1400	1800	2200
0,3 - 2 Более 2	0,5 - 1 1 - 3	2 - 5 3 - 5	3 - 7,5 4 - 8	4 - 8 6 - 10	5 - 10 7 - 12



Принимаем скорость газов в барабане w = 3,5 м/с.

Плотность сушильного агента при средней температуре в барабане

t_ср = °С практически соответствует плотности воздуха при этой температуре:

; [1, стр. 298] (32)

.

При этом = 3,5·1,75 = 6,1 кг/(м²·с).

Частоту вращения барабана принимаем n =5 об/мин.

Для распределительных насадок степень заполнения барабана высушиваемым материалом = 20,6 %. [1,стр. 300]

Р₀ = 10⁵ Па.

Парциальное давление водяных паров в газе:

; [1, стр. 298] (33)

Тогда на входе в сушилку:

Па;

на выходе из сушилки:

Па;

Откуда:

;



.

Движущая сила процесса: где [4, стр.428] (34)

движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³;

где

влагосодержание насыщенного потока, кг/кг;

, где [4, стр.428] (35)

, где [4, стр.428] (36)

температура мокрого термометра,

По I-х диаграмме Рамзина ; ;

кг/м³.

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

, где [1, стр. 297] (37)

Q_П -- расход тепла на прогрев материала до температуры t_M1, кВт;

-- объемный коэффициент теплопередачи, кВт/(м³·К);

-- средняя разность температур, град.

; [1, стр. 297] (38)

кВт.

;

кВт/(м³·К);

, где [4, стр. 428] (39)

температура сушильного агента, град.;

t_x можно определить из уравнения теплового баланса:

[3, стр. 665] (40)

12,129 = 4·(1 + 0,05) 1,05 (100 - t_x)

Откуда t_x = 97,2 °С.

°С;

.

Общий объем сушильного барабана равен:

V = 11,87 + 0,265=12,1 м³.

Объем сушильного барабана:

, где [1, стр. 301] (41)



объемного напряжения по влаге, кг/(м³?ч);

По справочным данным: = 4…6 кг/(м³·ч);

Выбираем барабанную сушилку № 7119 со следующими характеристиками:

объем V = 30,5 м³, диаметр d = 1,8 м, длина l = 12 м.

Определим действительную скорость газов барабане w_Д:

, где [1, стр. 301] (42)

объемный расход влажного сушильного агента выходе из барабана , м³/с ;

, где [1, стр. 301] (43)

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

м³/с.

Тогда:

1,055/0,785·1,8² = 0,42 м³/с.

Действительная скорость газов (0,42 м/с) отличается от принятой в расчете

(w = 6,1 м/с). Это уменьшение интенсивности процесса сушки при снижении скорости газов по сравнению с принятой в расчете полностью компенсируется избытком объема выбранной сушилки по сравнению с расчетным.

Таблица З. Основные характеристики барабанных сушилок

Показатели	Номер по заводской спецификации
	7450	7119	6843	6720	7207	7208
Внутренний диаметр барабана, м	1,5	1,8	2,2	2,2	2,8	2,8
Длина барабана, м	8	12	12	14	12	14
Толщина стенок наружного цилиндра, мм	10	12	14	14	14	14
Объем сушильного пространства, м3	14,1	30,5	45,6	53,2	74,0	86,2
Число ячеек, шт.	25	28	28	28	51	51
Частота вращения барабана, об/мин	5	5	5	5	5	5
Общая масса, т	13,6	24,7	42	45,7	65	70
Потребляемая мощность двигателя, кВт	5,9	10,3	12,5	14,7	20,6	25,8

5) Среднее время пребывания материала в сушилке:

, где [1, стр. 302] (44)

G_M - количество находящегося в сушилке материала, кг;

; [3, стр. 685] (45)

G_M = 30,5·0,14·900= 3843 кг;

Отсюда

с.

Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана ':

; [3, стр. 686] (46)

.

Допустимая 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 , определяют по уравнению:

, где [1, стр. 303] (47)

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

d -- диаметр частиц материала, м;

-- критерий Архимеда; [1, стр. 303] (48)

-- плотность частиц высушиваемого материала, равная для аммиачной селитры 980 кг/м³;

- средняя плотность сушильного агента.

; [1, стр. 303] (49)

кг/м³

Скорость уноса :

м/с.

Рабочая скорость сушильного агента в сушилке = 0,4 м/с меньше, чем скорость уноса частиц = 5 м/с.

6) Выбор и расчет вспомогательного оборудования.

Вспомогательное оборудование включает в себя два основных аппарата: циклон и вентилятор.

Рассчитаем циклон.

Наименьший размер частиц , расход воздуха , температура . барабанная сушилка непрерывный химический

Для улавливания частиц материала размером выбираем циклон типа ЦН-15.

Принимая .

Диаметр циклона:

. [1, стр. 314] (50)

Предварительно определив условную скорость газа в цилиндрической части циклона из уравнения:

, где [1, стр. 314] (51)

;

.

Следовательно:

.

Принимаем диаметр циклона равным .

Гидравлическое сопротивление циклона:

Зная диаметр циклона, мы можем рассчитать основные размеры циклона ЦН-15: [5]

Диаметр выходной трубы ;

Ширина выходного патрубка ;

Высота входного патрубка ;

Высота выходной трубы ;

Высота цилиндрической части ;

Высота конической части ;

Общая высота циклона

Рисунок Основные размеры циклона ЦН-15

Мощность вентилятора выбирается из расчёта того, что воздух придется протягивать через: топку, собственно саму сушилку, калорифер.

[5, стр. 278] (52)

Так как мы знаем необходимое давление только для калорифера, то для того чтобы получить для вентилятора мы увеличим калорифера в 3 раза, это позволить высчитать необходим мощность вентилятора для всей системы. Принимаем:

, ,.

.

Выбираем следующую марку вентилятора: В-Ц14-46-5К-02

Механический расчет барабана

Толщина стенки барабана предварительно определяется в зависимости от диаметра барабана D по эмпирической формуле: [8, стр. 100]

Принимаем д=12 мм.

1) Крутящий момент барабана.

N-- мощность привода, кВт;

п--частота вращения барабана, об/с.

Мощность привода ориентировочно принимаем 80 кВт.

Условие прочности барабана имеет вид:



Расчетный (приведенный) момент М_р (в МН·м):

Момент сопротивления кольцевого сечения барабана:

W=0,785D²6;

W= м³.

2) Допускаемое напряжение принимаем 20 МН/м².

3) Проверка барабана на гибкость.

Для нормальной работы допускается прогиб f ? мм на 1 м длины, т. е.

=0,0003·7,02=0,002106.

Прогиб от равномерно распределенной нагрузки:

, где

Е=-- модуль упругости материала барабана, МН/м²;

I -- осевой момент инерции кольцевого сечения барабана, м⁴;



f=.

Методы интенсификации процесса сушки

В связи с ростом производства различных химических продуктов, повышение требований к их качеству, совершенствованием технологии производства появляется необходимость в разработке новых способов сушки, обеспечивающих высокое качество продукта, максимальную автоматизацию, механизацию и значительную интенсификацию процесса.

Для интенсификации процессов сушки и повышения экономической эффективности работы аппаратов могут быть выбраны следующие пути:

· Использование более высоких начальных температур теплоносителя в условиях автоматизированных контроля и регулирования температуры. С повышением температуры теплоносителя резко сокращается длительность, в результате материал сохраняет свои качественные показатели. При этом уменьшаются удельные расходы топлива и электроэнергии;

· Использование больших локальных скоростей (сопловая сушка), пульсирующих газовых потоков и вибрации частиц материала, закрученных высокоскоростных потоков (вихревая сушка) и т.д.,

· Применение электрических и магнитных полей;

· Применение перегретых паров испаряемой из материала жидкости в качестве теплоносителя (водяные пары, пары органических растворителей - тетрахлорид углерода, хлорбензол и т.д.)

· Применение комбинированных способов сушки и совмещение различных процессов в одном аппарате;

· Использование вторичных энергетических и тепловых ресурсов производства (тепло отходящих газов, а также котельных, сушилок и других термических установок).



Список используемой источников

1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию.-М.: Химия, 1983.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 3-е. В 2-х кН.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия, 2002. - 400 с.: ил.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов.-М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл. - корр. АН России П.Г. Романкова. - 13-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М.: ООО ТИД «Альянс», 2006. - 576 с.

5. Чернобыльский И.И. Сушильные установки химической промышленности.-Киев: «Техника», 1969.

6. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник/Лащинский А.А. - Ленинград: «Машиностроение», ленинградское отделение, 1981. - 378 с.

Размещено на Allbest.ru

...