Расчет и проектирование сушилки кипящего слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Белгородскийгосударственныйтехнологическийуниверситет им. В.Г. Шухова

Институт строительного материаловедения

Кафедра общей химической технологии

Курсовой проект

на тему: “Расчет и проектированиесушилки кипящего слоя”

Белгород, 2007



Задание

На курсовой проект по дисциплине ПАХТ

Студента гр. 4ХС - 31

Рассчитать и спроектировать сушилку «кипящего слоя » для сушки песка производительностью (считать по высушенному материалу) от влажности до . Сушка производиться воздухом с начальной температурой , конечной . Давление пара в калорифере .

№ варианта	Место строительства
43	Баку	5.5	6.5	0.4	125	69	3.5

Задание выдал: ___________ /Яшуркаева Л.И./



Введение

Сушилки с кипящим (псевдоожиженным) слоем являются одним из прогрессивных типов аппарата для сушки. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала и сократить(до нескольких минут) продолжительность сушки. Сушилки с кипящим слоем в настоящее время успешно применяются в химической технологии не только для сушки сильносыпучих зернистых материалов (например минеральных и органических солей), но и материалов, подверженных комкованию, например для сульфата аммония, поливинилхлорида, полиэтилена и некоторых других полимеров, а также пастообразных материалов, растворов, расплавов и суспензий.

Рис. 1 - Однокамерная сушилка с кипящим слоем

Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия. Высушиваемый материал подается из бункера 4 питателем 3 в слой материала, «кипящего» на газораспределительной решетке в камере 5 сушилки. Сушильный агент - горячий воздух, который подается в калорифер 2 вентилятором 1, проходит с заданной скоростью через отверстия решетки и поддерживает на ней материал, ссыпается через штуцер несколько выше решетки и удаляется транспортером. Отработанные газы очищаются от унесенной пыли в циклонах 6 и рукавном фильтре 7, после чего выбрасываются в атмосферу дымососом 8.

В сушилках этого типа с цилиндрическим корпусом наблюдается значительная неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от среднего значения. Поэтому применяют сушилки с расширяющимся кверху сечением, например коническом, как показано на рис. 1. Скорость газа внутри камеры должна превышать скорость осаждения самых крупных частиц, а вверху - быть меньше скорости осаждения самых мелких частиц. При такой форме камеры достигается более организованная циркуляция твердых частиц, которые поднимаются в центре и опускаются у периферии аппарата. Благодаря снижению скорости газов по мере их подъема улучшается распределение частиц по крупности и уменьшается унос пыли. Это, в свою очередь, повышает равномерность нагрева и позволяет уменьшить высоту камеры.

С помощью сушилок с кипящим слоем при рациональном аппаратурном оформлении процесса достигается экономичная сушка с высоким влагосъемом с единицы объема сушильной камеры. Поэтому при сушке некоторых продуктов (например, солей) сушилки с кипящим слоем вытесняют барабанные и менее эффективные сушилки других типов.



1. Основной расчет сушильной установки

1.1 Материальный расчет сушилки

Целью расчета является определение количества влаги , испаряемой в сушилке за единицу времени, и расхода влажного материала .

Общее количество испаряемой влаги в единицу времени:

где G2 - расход материала (по высушенному материалу).

и - соответственно начальная и конечная влажность материала

Переводим G2 из т/ч в кг/с:

Расход влажного материала:

1.2 Внутренний баланс сушильной камеры

Величина , называется внутренним балансом сушильной камеры, выражает разность между приходом и расходом теплоты непосредственно в сушильной камере без учета теплоты сушильного агента:



Расчет величины выполняют для летних и зимних условий

Удельный приход теплоты с влагой материала равен:

,

где - удельная теплоемкость влаги удаляемой из материала (для воды

)

Удельный расход теплоты на нагревание высушенного материала равен:

где - удельная теплоемкость высушенного материала.

где - удельная теплоемкость абсолютно сухого материала;

Температуру влажного материала принимаем равной температуре мокрого термометра при средних параметрах окружающего воздуха. В зимних условиях допускается считать .

Температуру высушенного материала при «мягком» режиме сушки рекомендуется поднимать на 5-10 К выше температуры мокрого термометра, определяемой по параметрам сушильного агента на входе в сушилку

Удельные потери теплоты в окружающую среду оценивают предварительно в долях от теплоты, расходуемой на испарение 1 кг влаги:

где - удельная теплота парообразования при нормальных условиях (дляводы )

удельная теплоемкость пара ()

коэффициент для сушки в кипящем слое

температура сушильного агента на выходе из сушилки

Находим внутренний баланс сушильной камеры, для этого найдем среднее значение и относительной влажности для г. Баку, для зимы и лета.

Зима	Лето

1.3 Построение на диаграммеI-х процесса сушки воздухом

На диаграмме состояние атмосферного воздуха изображается точкой А, состояние горячего воздуха на входе в сушилку - точкой В. Прямая АВ характеризует процесс нагрева воздуха в калорифере.

Точку А на диаграмму наносят по значениям и относительной влажности . Для зимних условий (при отрицательной температуре) рекомендуется использовать параметры и . Влагосодержание воздуха рассчитывают по уравнению:

где давление насыщенного водяного пара, при темперетуре ;

(табл. 2.5. [3]).

общее давление влажного воздуха;

относительная влажность

Энтальпию определяем по формуле:

где температура и влагосодержание окружающего воздуха

удельная теплота парообразования и теплоемкость воздуха

и пара.

Точка В с параметрами находят из условия равенства на пересечении вертикальной линии АВ с заданной изотермой .

Состояние воздуха на выходе из сушилки изображается на диаграмме точкой С с параметрами . Так как величина заранее неизвестна, находят сначала точку D (с параметрами ) на пересечении линии постоянной энтальпии с заданной изотермой и откладывают по вертикали величину до точки E. Линия ВЕ совпадает по направлению с линией действительного процесса сушки. Ее пересечение с изотермой определяет положение точки С.

Для проверки подлинности построения необходимо убедиться в том, что разность энтальпий и при влагосодержании соответствует величине, рассчитанной по формуле:

где внутренний баланс сушильной камеры

Построение на диаграмме проводим для зимних и летних условий.

Зима	Лето
Проверка	Проверка

1.4 Расчет расхода воздуха на сушку

Массовый расход абсолютно сухого воздуха (в составе сушильного агента) рассчитываем, используя результаты построения процесса сушки на I - х диаграмме:

Массовый расход влажного газа Lвл.г. определяем в зависимости от его влагосодержания х2:



Зима	Лето

Расход греющего пара в калорифере при сушке воздухом рассчитывают по уравнению теплового баланса:

где удельная теплота парообразования, соответствующая заданному давлению греющего пара (табл LVII [2]).

Зима	Лето

1.5 Расчет рабочего объема сушилки

Размеры сушилки в значительной степени зависят от интенсивности тепломассообменных процессов. Лишь при сушке в кипящем слое решающее значение приобретают условия псевдосжижения.

Общее количество теплоты, затрачиваемой в процесс сушки за 1 секунду, определяют по формуле:

Вычитая из него тепловые потери на нагрев транспортных устройств и в окружающую среду, можно найти количество теплоты передаваемое высушиваемому материалу в рабочем объеме сушилки за 1 секунду.

; т.к. нет транспортирующих устройств

Лето	Зима

Т.к. расчетные данные по зиме больше чем по лету, то дальнейшие расчеты ведем по зиме.

Для расчета величины находим температурные напоры на входе сушильного агента в сушилку и на выходе из нее:

где и температуры сушильного агента соответственно на входе в сушилку ина выходе из нее.

В большинстве случаев допускается принимать температуру материала равной температуре мокрого термометра , которую находят с помощью диаграммыI - х по параметрам сушильного агента на входе и выходе из сушилки.

При подаче теплоносителя по противоточной схеме:

1250 690

490 00

т.к. , т.е. , тогда средний температурный напор находим по формуле:

1.6 Расчет параметров псевдоожиженного слоя

По среднему диаметру dт частиц, характером физических свойств влажного воздуха при среднейтемпературе tср. (вязкость м, плотности с) и плотность ст материала вычисляют критерий Архимеда.



где

dт = 0,5 мм = 0,5·10-3 м;

ст - плотность материала, ст= 1500 кг/м3;(рис. VI [2])

с - плотность воздуха ()

м - коэффициент динамической вязкости, м=0,023·10-3 Па·с.

Принимаем величину порозности е псевдоожиженного слоя в интервале 0,55 ч 0,75. Определяем критерий Рейнольдса Re.

учитывая, что , находим фиктивную (отнесенную к полному сечению) скорость х0сжижающего газа.

Принимаем е =0,75

При сушке материала, близкого по составу к малодисперсному, определяем также критическую скорость псевдоожижения хпс. при е = 0,4 и число псевдоожижения:

,



По расходу сухого газа через сушилку и скорости х0 находим расчетную площадь Sпс. псевдоожиженного слоя и диаметр Dпс. сушилки в области псевдоожиженного слоя:

где

х2 и с2 - влагосодержание и плотность сушильного агента на выходе из

слоя, х2=18,3·10-3 кг/кг·с

Диаметр Dпс. сушилки округляем до стандартного по ГОСТ 9931 - 79.

Диаметр сушилки Dпс.=2400 мм;

Высота сушилки Нпс.=1600 мм.

Уточняем величину фиктивной скорости х0 газа псевдоожиженного слоя, величину порозности слоя и расчетную площадь Sпс.:

.

Площадь Sр распределительной решетки примерно равна расчетной площади Sпс. псевдоожиженного слоя.

Живое сечение распределительной решетки находим по формуле:

где

цр - доля живого сечения решетки. Принимаем цр=0,04

При большом свободном сечении решетки и малом ее сопротивлении распределения потока по сечению решетки будет неравномерным. Для удовлетворения распределения газового потока следует соблюдать определенное соотношение между сопротивлениями слоя и решетки. Минимально допускаемое гидравлическое сопротивление решетки может быть вычислено по формуле:

где

?Рсп - сопротивление кипящего слоя, Па;

Кх - число псевдоожижения;

е - порозность неподвижного слоя.

Перепад давления в псевдоожиженном слое находим из условия равенства силы гидравлического сопротивления слоя весу всех его частиц:



где

Нпс. - высота кипящего слоя, м

При сушке кристаллических материалов Нпс кипящего слоя выбирают обычно не менее 250…300 мм. Чтобы предотвратить каналообразование, и не более 400…500мм, т.к. от высоты слоя непосредственно зависит перепад давления в нем и следовательно, расход электроэнергии на сушку материала.

На основе опыта эксплуатации установлены следующие расчетные соотношения, связывающие высоту псевдоожиженного слоя Нпс. и высоту зоны действия струи (зоны гидравлической стабильности) Нст. с диаметром отверстий распределительной решетки.

Принимаем Нпс=400 мм =0,4 м, тогда

Расчетную величину d0 округляем до размеров установленных

ГОСТ 8636 - 69. Принимаем d0=5 мм.

Долю живого сечения распределительной решетки подбираем так, чтобы ее сопротивление ?Рр было примерно равно ?Pmin.

Сопротивление распределительной решетки с кипящим слоем:



где

жр - коэффициент гидравлического сопротивления решетки,

,

где

с - коэффициент зависящий от соотношения диаметра отверстий d0 и толщины решетки д. Принимаем с=0,7.

Принимаем ?Рр ??Рmin и определяем скорость газа хр:

Площадь живого сечения решетки S0, соответствующая этой скорости рассчитывается по формуле:

,

где

с1 - плотность влажного воздуха (газа) при начальной температуре сушки t1 и влагосодержании х1.

Теперь находим цр:



Расчетную величину следует округлять до размеров, установленных ГОСТ 6636-69

Число отверстий в решетке определяем по уравнению:

.

Принимаем шахматное расположение отверстий в распределительной решетке по углам равностороннего треугольников. В этом случае поперечный шаг l1 и продольный шаг l2 вычисляем по формулам:

Для беспровальных перфорированных решеток, расстояние между верхней распределительной и нижней запирающей решетками:

,

где

гм - угол естественного откоса материала. Принимаем гм=40°



1.7Расчет коэффициента теплоотдачи

Для расчета конвективной теплоотдачи применяем эмпирические уравнения, которые устанавливают зависимость критерия Нуссельта, от критерия Рейнольдса:

.

где

х - средняя скорость газа, м/с;

l - определяющий линейный размер, м;

л - коэффициент теплопроводности, ВТ/м·К;

н - кинематический коэффициент вязкости, м2/с;

т.к. , т.е. , тогда критерий Нуссельта вычисляем по формуле:

где порозность псевдоожиженного слоя, ;

критерий Прантля

Тогда коэффициент теплоотдачи будет равен:



Среднюю температуру сушильного агента находим по формуле:

где температура материала рассчитанная

Находим температуру газа на выходе из псевдоожиженного слоя:

где

теплоемкость газа

и температура газа на входе в слой и на выходе из него;

температура материала в слое

По площади кипящего слоя высоте и порозности определяем заполнение сушилки материалом и среднее время сушки материала.



2. Вспомогательные и дополнительные расчеты

2.1 Расчет плотности влажного газа

Плотность пара значительно меньше плотности сухого газа, поэтому при расчете параметров псевдоожиженного слоя, гидравлического сопротивления воздуховодов и в некоторых других случаях следует плотность сушильного агента находить с учетом его влагосодержания.

Рассматривая плотность влажного газа св.г. как сумму плотностей абсолютно сухого газа сс.г. ипара сп, взятых при их парциальных давлениях, а влагосодержание х как соотношение плотностей пара и воздуха () получим расчетную формулу:

Парциальное давление сухого газа Рс.г. вычисляем как разность между общим давлением смеси Р и парциальных давлений пара Рп.

Парциальное давление пара Рп можно найти по дополнительному графику на I - х диаграмме в зависимости от величины влагосодержания х.

Плотность сухого газа при давлении Рс.г. и температуре t:



где

2.2 Расчет калорифера при сушке воздухом

Поверхность теплообмена калорифера определяют по уравнению теплопередачи:

где общее количество теплоты, кВт;

средний температурный напор, 0С;

коэффициент теплоотдачи

При этом температурные напоры и на концах теплообменника рассчитывают как разность температуры греющего пара и температура воздуха при входе в калорифер или на выходе из него



тогда

Рекомендуемая скорость воздуха 3…5 кг/м2·с. Принимаем По ГОСТ 7201-70 принимаем оребренный калорифер средней модели №9.

Поверхность теплообмена -

Живое сечение для воздуха -

Размеры секций:

Длина - 200 мм

Ширина - 880 мм

Высота - 1050мм

Находим необходимое число секций выбираем с 20% запасом по сравнению с расчетным:

Фактическое число секций принимаем 16 шт.

Секции калорифера устанавливают параллельно по ходу воздуха, так, чтобы получить в них рекомендуемую скорость воздуха, и последовательно по ходу воздуха, для набора необходимой поверхности теплообмена. Затем рассчитывают среднюю массовую скорость воздуха в калорифере:

где расход абсолютно сухого воздуха, .

площадь живого сечения секций, включенных параллельно по ходу воздуха, 

Фактическая скорость воздуха:

Потери давления при проходе воздуха через секцию калорифера можно определить по формуле:

Сопротивление секций средней модели в 1,2 раза меньше, чем большой.

Сопротивление 16 секций 14.78 Па

Секции калорифера устанавливают параллельно по ходу воздуха, так, чтобы получить в них рекомендуемую скорость воздуха, и последовательно по ходу воздуха для набора необходимой поверхности теплообмена. Затем рассчитываем среднюю массовую скорость воздуха в калорифере:

где расход абсолютно сухого воздуха, (кг/с)

площадь живого сечения секций, включенных параллельно по

ходу воздуха, м2.

Фактическая скорость воздуха:



Потери давления при проходе воздуха через секцию калорифера можно определить по формуле:

Сопротивление секций средней модели в 1,2 раза меньше, чем большой.

Сопротивление 16 секций составляет 147,8 Па.

2.3 Выбор и расчет пылеулавливателей

Объемный расход газов Vг в системе пылеулавливания (без учета присосов воздуха) определяем по массовому расходу и параметрам сушильного газа на выходе из сушилки:

Рекомендуемый расход газов qц через одиночный циклон НИИОГАЗ диаметром Dц определяем из условия:

?Рц - гидравлическое сопротивление циклона;

сг - плотность газа, кг/м3

Принимаем , тогда

В этом случае:

где

жц - коэффициент гидравлического сопротивления циклона, определяемый по условной скорости газа в цилиндрической части циклона.

Принимаем циклон НИИОГАЗ типа ЦН-15 с коэффициентом сопротивления жц=105, Dц=400 ч 800 мм. Принимаем Dц=700 мм.

В этом случае:

Число циклонов должно соответствовать рекомендациям каталогов:

Принимаем количество циклонов равное 4 шт.

Техническая характеристика циклона НИИЩГАЗ ЦН-15

Угол наклона крышки входного патрубка	150
Внутренний диаметр циклона	700 мм
Высота конуса циклона	1400 мм
Высота цилиндрической части циклона	1582 мм
Общая высота циклона	3192 мм
Наружный диаметр выхлопной трубы	420 мм
Высота выхлопной трубы	1218 мм
Высота внешней части выхлопной трубы	210 мм
Высота входного патрубка	462 мм
Ширина входного патрубка	182 мм
Длина входного патрубка	420 мм
Высота установки фланца	200 мм
Внутренний диаметр пылевыпускного отверстия	250 мм

Коэффициент очистки газа при фракционном составе . Количество пыли, уловленной в пылеуловителе, находим из выражения:

где запыленность газа перед пылеуловителем

Остаточная запыленность газа на выходе из пылеуловителя:

Для выбора рукавного фильтра определяем расчетную площадь поверхности фильтрования:

где Vг - объемный расход газов через систему пылеулавливания;

хф. - фиктивная скорость газа в фильтровальной ткани, т.е. расход газа,

приходящийся на 1 м2 ткани:

Выбираем рукавный фильтр типа СМЦ - 101 с рукавами из лавсана



Площадь фильтрующей поверхности	378 м2
Длина рукава	4500 мм
Производительность	24 тыс. м3/ч

2.4 Расчет питателей и затворов

В данной технологической линии для подачи песка в сушилку используем шнековый питатель.

Диаметр шнекового питателя:

где

G - расход материала через питатель;

n - частота вращения питателя;

ш - доля объема питателя, заполненного материалом, ш=0,7;

сн - насыпная плотность материала;

L - расчетная длина питателя.

2.5 Расчет гидравлического сопротивления сушильной установки

Потерю давления на трение и на преодоление местных сопротивлений на отдельных участках воздушного тракта рассчитывают по уравнению:



где коэффициент трения

и соответственно длина и эквивалентный диаметр расчетного участка тракта

и плотность и средняя скорость газа на этом участке

сумма коэффициентов местных сопротивлений на расчетном участке тракта т.к. доля сопротивления трению в общей потере давления невелика, величину обычно принимают постоянной и независимой от величины критерия Рейнольдса. Для стальных нефутированных газоходов

Эквивалентный диаметр вычисляют по формуле:

1. участок:

2. участок:

1. участок

Длина трубопровода

2. участок

Длина трубопровода



Общее сопротивление тракта, находящегося под давлением определяют, суммируя потери давления всех его участков и в аппаратах.

где сопротивление воздушного тракта, до калорифера

сопротивление калорифера

сопротивление распределительной решетки

сопротивление псевдоожиженного слоя

номинальное разряжение, которое обычно поддерживают в рабочем объеме сушилки

динамическое давление струй воздуха, выходящих из отверстий распределительной решетки.

тогда

Общее сопротивление тракта, находящегося под разряжением рассчитывают суммируя потери давления в сушильном аппарате, пылеуловителях, соединительных воздуховодах.

где сопротивление сушильного аппарата

сопротивление циклонов

сопротивление рукавного фильтра

сопротивление соединительных воздуховодов

2.6 Выбор вентиляторов и дымососов

Вентиляторы характеризуются подачей Vн (м3/ч) и перепадом полных давлений между выходными и входными патрубками, называемыми давлением вентилятора Рн.

Расчетную подачу вентилятора, устанавливаемого на воздушной стороне тракта, находим по формуле:

где

коэффициент запаса, =1,05;

расход абсолютно сухого воздуха кг/ч

Расчетная подача вентилятора (дымососа), устанавливаемого на газовой стороне тракта:

Vг - объемный расход газов в системе пылеулавливания,

- коэффициент запаса, учитывающий присосы воздуха в системе пылеулавливания, =1…1,2.

Расчетное давление вентилятора определяем по уравнению:

где

в2 - коэффициент запаса, в2=1…1,1;

?р - суммарное гидравлическое сопротивление участка тракта, находящегося под давлением.

Заводская характеристика вентилятора дается обычно для воздуха при температуре отличной от расчетной, поэтому при выборе вентилятора используем величину приведенного расчетного давления , отличающегося от величины Рн поправочным множителем Кс, учитывающим различие плотностей газа в расчетных и заводских условиях.

где

с0- плотность воздуха при нормальных условиях, с0=1,293 кг/м3;

сг - плотность воздуха (газа) у вентилятора (приблизительно равная плотности сушильного газа с2 на выходе из сушилки);

tзавод. - температура воздуха по заводской характеристике машины, tзавод.=30 °С.



Мощность, расходуемая вентилятором:

Мощность электродвигателя:

где

зпер. - К.П.Д. передачи, зпер.=0,98;

зпер. - К,П.Д. электродвигателя, зпер.=0,95

Установочная мощность электродвигателя:

где

вуст. - коэффициент запаса, вуст=1,1

Выбираем вентилятор:



Тип	ВДН - 12,5
Диаметр колеса, мм	1250
Частота вращения, об/мин	1000
Подача, тыс.м3	25,0
Полное давление, Па	2580
Потребляемая мощность, кВт	22

Расчет дымососа ведем по аналогичным формулам, что и для вентилятора.

Расчетная подача дымососа:

Расчетное давление вентилятора:

Приведенное расчетное давление:

Выбираем дымосос:

Тип	ДН - 21
Диаметр колеса, мм	2100
Частота вращения, об/мин	1000
Подача, тыс.м3	144
Полное давление, Па	5800
Потребляемая мощность, кВт	276
Температура расчетная, °С	100

2.7 Расчет потери теплоты в окружающую среду

баланс теплоотдача дымосос

Тепловой поток Через поверхность стенок сушилки вычисляют по уравнению теплоотдачи:



Коэффициент теплоотдачи рассчитывают по формуле для многослойной стенки.

где и соответственно толщина и коэффициент теплопроводности различных слоев теплоизоляции.

	Сталь	Стекловата
	0,015	0,065
	46,5	0,04

Коэффициент теплопередачи от сушильного агента к внутренней поверхности стенки находят с помощью критериальных уравнений.

где определяющий линейный размер (высота сушилки)

т.е. , тогда критерий Нуссельта находим по уравнению:

где критерий Прандтля

и учитывая, что:

находим

где коэффициент теплопроводности газа

Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением от наружной поверхности стенки к окружающему воздуху при установке сушилки в помещении можно определить по эмпирическому уравнению:

где температура наружной поверхности стенки

температура окружающего воздуха

тогда

,

Удельную потерю теплоты в окружающую среду определяют по:



Список используемой литературы

1. Касаткин А.Г. “Основные процессы и аппараты химической технологии”, Издательство Химия М., 2004 г. 750с.

2. Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии”, Ленинград 1987 г. 575с.

3. Рахимбаев Ш.М. Кузнецов В.А. “Сушильные установки в производстве строительных материалов. Учебное пособие для курсового проектирования”, М. Изд. МИСИ и БТИСМ, 1983 г. 82с.

Размещено на Allbest.ru

...