О распределении пульпы в секционированной сушилке – грануляторе кипящего слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

О распределении пульпы в секционированной сушилке - грануляторе кипящего слоя

В производстве минеральных удобрений с использованием секционированной сушилки-гранулятора с кипящим слоем (ССГ КС) представляет интерес размещение нескольких параллельно или последовательно работающих форсунок для распыления пульпы [1]. Для оценки эффективности такой системы должны быть определены массовые расходы пульпы по секциям аппарата с учетом массы и размера растущих частиц в зависимости от дисперсности факела распыла, времени пребывания гранул в секциях и размеров решеток по секциям.

Наряду с используемыми аппаратами цилиндроконической формы [2], применяют секционированные прямоточные аппараты [3], в которых пульпа распыляется на поверхность КС и геометрия факела распыла определяется высотой установки форсунки над зеркалом КС.

Целью данной работы является разработка модели и расчет ССГ КС с учетом числа точек орошения и протекающих процессов сушки, псевдоожижения и грануляции удобрений.

В предлагаемой расчетной схеме ССГ приняты следующие допущения:

подвод дополнительного внешнего ретура прекращается после вывода аппарата на стационарный режим работы;

скорость роста гранул не зависит от диаметра частиц;

выгрузка частиц любого размера равновероятна;

частицы ретура попадают на слой с влажностью, равной влажности отводимого из аппарата продукта.

В расчете учитываются использование некоторой доли частиц в качестве внутреннего ретура и унос мелкой фракции отходящими газами. Мелкодисперсные капли распыленной пульпы, вследствие их малых размеров, мгновенно высушиваются и уносятся потоком газа из аппарата, массовую долю этих частиц можно определить по уравнению [4]:

. (1)

Массовая доля частиц ретура, образовавшихся в высокотемпературном факеле, оценивается по уравнению ретур частица газ

, (2)

где dу, dр, dm - диаметр частиц, уносимых отходящими газами, диаметр частиц ретура, попадающих в КС, приведенный диаметр капель распыла соответственно; n - степень полидисперсности распыла.

Расчет величин dm и n освещен в литературе [4] и относится к пневматической распылительной форсунке.

Влажность пульпы, попадающей на зеркало КС, определяется уравнениями материальных и тепловых балансов для зоны распыла [2]:

материальный баланс для зоны распыла представим уравнением

, (3)

уравнение теплового баланса для зоны распыла имеет вид

(4)

где п, пр - индексы соответственно для пульпы и продукта; р, отх - индексы сушильных и отходящих газов; ост - индекс для пульпы, пленкой или мелкодисперсным капельным потоком попадающей на гранулы КС.

На поверхности зеркала КС наблюдается неравномерное распределение пульпы на поверхности частиц, что приводит к снижению локальной скорости процессов тепло- и массообмена. В принятой математической модели допускается аналогия об использовании плотности орошения насадки в массообменном аппарате. В данном случае активный гидродинамический режим в аппарате КС, как и нерегулярная насадка массообменного аппарата, должен обеспечить равномерное перераспределение пульпы на поверхности гранул, при этом все неизбежные неравномерности орошения сравниваются.

Поэтому материальный баланс процесса сушки и грануляции в КС одной секции описывается уравнением

. (5)

Для односекционного аппарата в целом

. (6)

Таким образом, когда задан продукционный размер гранул, можно определить разность числа вводимых и отводимых из слоя частиц и скорость их роста. Так как для минеральных удобрений скорость роста гранул не зависит от их линейных размеров [5], то по разности чисел вводимых частиц ретура и отводимых продукционных гранул можно определить фракцию внутренних центров гранулообразования (ЦГО). При известности параметров частиц в зоне распыла dр, Nр, центров гранулообразования в зоне КС di, Ni=Nк-Nр, а также в зоне отвода продукционных гранул dк, Nк гидродинамическим и тепловым расчетами определяем количество материала, одновременно находящегося в слое, что позволяет оценить эффективность гранулообразования в аппарате.

Все принятые допущения использованы при расчете процессов сушки и грануляции в аппарате с последовательно расположенными в нем форсунками, обеспечивающими подвод в зону распыла пульпы и сушильных газов, а также газов в подрешеточное пространство (рис. 1).

Рисунок 1 - Конструкция 3 секционного аппарата КС:

1 - зона КС;

2 - газораспределительная камера;

3 - зона распыла и сепарации;

А - ввод пульпы;

Б, В - ввод сушильных газов;

Г - ввод ретура; Д - выход продукта;

Е - выход отработанных сушильных газов

Расчет проводится в две основные стадии.

На первом этапе проводится расчет аппарата в целом, при этом расчет зоны распыления пульпы выполняется, как для установки с одиночной форсункой, что позволяет определять общую площадь решетки КС, ее ширину и длину. Также определяются среднее время сушки и пребывания материала в аппарате, а также объем материала, одновременно находящегося в слое. На основании уравнения перетекания материала в аппарате определяем величину поперечного сечения КС Sср, длину аппарата La и начальную ширину b0:

. (7)

На втором этапе проводится посекционный расчет аппарата с несколькими точками ввода пульпы; в расчете должны быть учтены следующие условия:

для обеспечения перетока гранул между секциями суммарное гидравлическое сопротивление каждой последующей секции сопоставимо с его значением для предыдущей;

для получения готового продукта заданной влажности время сушки должно соответствовать времени пребывания псевдоожиженного материала в секциях и в аппарате в целом;

при определении места расположения форсунок не допускается наложение факелов распыления на боковые стенки аппарата;

угол сужения--b--камеры КС постоянен по всей длине аппарата и принимается равным 4° на основе практических результатов [6].

Рисунок 2 - Схема к определению областей орошения на зеркале КС

Принимаем величины открытых участков, равными величине перекрываемых участков факелов распыла: Sсвоб=Sпер.

Геометрическими преобразованиями получим, что межосевое расстояние между факелами распыла с радиусами Ri равно:

, , или в общем виде .

Для определения поперечного сечения КС между секциями выделим в каждой i-й секции на решетке начальную bi-1 и конечную bi ширину. В этом случае уменьшение ширины рабочей решетки по центру факела распыления составит:, , или в общем виде

Тогда радиус факела распыления и длину любой i-й секции можно определить по формулам:

, , , (8)

где С - безразмерный комплекс, зависящий от угла сужения решетки КС.

Площадь увлажнения зеркала КС факелом распыления позволяет определить размеры рабочей зоны каждой секции, а затем на основе тепловых балансов определить расход пульпы и прирост размеров гранул по секциям. Полученное значение рабочей площади решетки секции позволяет определить скорость газа в КС, интенсивность сушки, а также условия гранулообразования.

Расчет диаметров гранул в секциях отдельно для процессов псевдоожижения, сушки и грануляции представим в виде зависимостей:

- для псевдоожижения di=f(S(i), wp (i), Vкс(i));

- для сушки d(i)=f(dp (i), a(i), W (i), t(i), Gсух (i)); (9)

- для грануляции di=f(G(i), dp (i)) ® di=f(G(i), Rp (i)),

где xi - массовая доля пульпы, подаваемой в каждую секцию;

Gi - массовый расход пульпы, Gi=xiЧGп.

Формулы для расчета эквивалентного диаметра частиц в каждой секции по зависимостям (9) приведены в [2,6]. На их основе был разработан алгоритм расчета (рис. 3), позволяющий оценить интенсивность и достаточные условия для одновременного протекания процессов псевдоожижения, сушки и гранулообразования в аппарате.

Рисунок 3 - Алгоритм расчета 3 секционного гранулятора КС

На основе алгоритма было разработано программное обеспечение и проведен счетный эксперимент для грануляции монокальцийфосфата.

Результаты расчета приведены на рис. 4.

Расчетом определено, что наиболее рациональным является массовое распределение пульпы по секциям аппарата: I секция - 34%, II - 45%, III - 21%. На основе материальных и тепловых балансов секций, а также заданного соотношения площадей решеток КС определены значения критериев Re и Ar и порозности слоев.

Изменение величины сопротивления слоев гранул в секциях не превышает 10%, что должно обеспечить переток материала между секциями. Дополнительно, в оптимизационном расчете получены данные о возможности удаления в зоне распыления до 42%масс. общего количества влаги, поступающей с пульпой.

Таким образом, предложенный метод расчета на основе предварительно определенных размеров аппарата КС на заданную производительность позволяет определить число форсунок и расход пульпы по секциям в зависимости от размера и скорости роста гранул, рассчитать интенсивность процессов гидродинамики, тепло- и массообмена при сушке и грануляции минеральных удобрений в продольно секционированной сушилке кипящего слоя.

Список литературы

1. Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов.- М.: Химия, 1988. - 352c.

2. Расчеты аппаратов кипящего слоя: Справочник/ Под ред. И.П. Мухленова, Б.С. Сажина, В.Ф. Фролова. - Л.: Химия, 1986. - 352 с.

3. Кочетков В.Н. Гранулирование минеральных удобрений. - М.: Химия, 1975. - 223 с.

4. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984. - 254 c.

5. Корниенко Я.Н. Исследование процесса грануляции сульфата аммония в псевдоожиженном слое: Дис… канд. техн. наук. - К.: КПИ, 1979.

6. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. Изд. 3-е. - Л.: Химия, 1979. - 272 c.

Размещено на Allbest.ru