X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

ВВЕДЕНИЕ

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

В связи с этим выбор рационального способа сушки, типа сушильные установки и конструкции сушильного аппарата представляет собой сложную технико-экономическую задачу и пока ещё не может быть включён в студенческий курсовой проект. Поэтому в настоящем пособии приводятся примеры расчёта только конвективных сушилок заданного типа. В примерах не дано обоснование выбора сушильного агента, а также параметров материала и сушильного агента. С этими вопросами проектанты могут ознакомиться в специальной литературе, ссылки на которую приведены в библиографии.

Желание дать общий пример расчета, основана на кинетических закономерностях массо- и теплообмена, определило выбор и высушенного материала, с которым влага связана механическим силами. Процесс в этом случае протекает в первом периоде сушки при постоянной температуре влажного материала, равной температуре мокрого термометра, и скорость сушки определяется внешней диффузией.

Расчет различных вариантов сушильного процесса (с промежуточным подогревом теплоносителя, с дополнительным подводом тепла в сушильную камеру, с частичной рециркуляцией сушильного агента) принципиально не отличается от приведенного в качестве примера расчета сушилки, работающие по основному (нормальному) сушильному варианту.

1. Описание технологической схемы

Принципиальная схема противоточной барабанной сушильной установки показана на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема барабанной установки:

Б - бункер; Д - дозатор; БС - барабан сушильный; Т - топка; СК - смесительная камера; В1-В3 - вентиляторы; Н - насос; ПБ - промежуточный бункер; ЛТ - ленточный транспортер; Ц - циклон; ЗВ - зубчатый венец; ВЗ₁ - ВЗ₆ - вентили запорные; ВР₁ - ВР₃ - вентили регулирующие; З1-З2 - затворы; МП - мокрый пылеуловитель

Влажный материал из бункера Б с помощью питателя Д подается во вращающийся сушильный барабан БС. Параллельно материалу в сушилку подается сушильный агент, образующийся от сгорания топлива в топке Т и смешения топочных газов с воздухом в смесительной камере СК. Воздух в топку и смесительную камеру подается вентиляторами В1 и В2. Высушенный материал с противоположного конца сушильного барабана поступает в промежуточный бункер ПБ, а из него на транспортирующее устройство ЛТ.

Отработанный сушильный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне Ц. Дополнительная очистка производится в мокром пылеуловителе МП.

Транспортировка сушильного агента через сушильную установку осуществляется с помощью вентилятора В3. При этом установка находится под небольшим разрежением, что исключает утечку сушильного агента через неплотности установки.

Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатый венец ЗВ.

_{2. Расчет барабанной сушилки}

_{2.1. Задание на проектирование}

Рассчитать барабанную сушилку с подъемно-лопастными пере-валочными устройствами для высушивания песка топочными газами при следующих исходных данных:

Высушиваемый материал: кварцевого песка,

Производительность сушилки по влажному материалу G_к = 14 т/ч

Влагосодержание материала, % от массы сухого материала:

- начальное W_нач = 26

- конечное W_кон = 3,6

Температура сушильного агента на входе в барабан t_нач = 300°С,

Температура влажного материала начальная θ = 18°С,

Размер частиц материала d = 0,6 мм.

Принимаем следующие значения незаданных параметров:

Конечная температура сушильного агента (на выходе из барабана) t_кон = 100 °С;

Температура топлива t_т = 20 °С;

Температура свежего воздуха t_о = 18 °С;

Относительная влажность воздуха φ₀ = 72 %;

Давление в сушилке: атмосферное

Влагосодержание свежего воздуха х₀= 0,0092 кг/кг.

_{2.2. Параметры топочных газов подаваемых в сушилку}

В качестве топлива используем газ следующего состава [в % (об.)]: 92 ; 2,4; 0,5; 0,2; 0,4; 0,2; 2,4; 1,9.

Теоретическое количество сухого воздуха , необходимого на сжига-ние1 кг топлива, равно [1]:

, (1)

Подставив соответствующие значения, получим:

Количество тепла Q_V, выделяющегося при сжигании 1м³ газа, равно[1]:

, (2)

где Q_i - тепловой эффект реакции горения простого газа, кДж/м³.

Q_v=CH₄∙Q_CH4+C₂H₄∙Q_C2H4+C₃H₆∙Q_C3H6+C₄H₁₀∙Q_C4H10+C₅H₁₂∙Q_C5H12+CO∙Q_CO+H₂∙Q_H2

Плотность газообразного топлива ρ_Т [1]:

, (3)

где - мольная масса топлива, кмоль/кг;-температура топлива, равная 20 ; - мольный объем, равный 22,4 м³/кмоль. Подставив, получим:

Количество тепла, выделяющегося при сжигании 1 кг топлива[1]:

(4)

Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчете на 1кг сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом избытка воздуха α, необходимого дли сжигания топлива и разбавления топочных газов до температуры смеси t_см = t_нач = 300 °С.

Значение α находят из уравнений материального и теплового балансов.

Уравнение материального баланса [1]:

, (5)

где - масса сухих газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива;-массовая доля компонентов, при сгорании которых образуется вода, кг/кг.

Уравнение теплового баланса [1]

(6)

где η - общий коэффициент полезного действия, учитывающий эффек­тивность работ топки и потери тепла топкой в окружающую среду, принима­емый равным 0,95; с_Т - теплоемкость газообразного топлива при температу­ре t_T = 20 °С, равная 1,34 кДж/кг К; I₀ – энтальпия свежего воздуха, кДж/кг;i_c.r.= c_c.r.t_c.r. – энтальпия сухих газов, кДж/(кг К) [2]; c_c.r.t_c.r.- соответственно теплоемкость и температура сухих газов [2]; с_с.r. = 1,05 кДж/(кг К), t_c.r.=550°С; х₀- начальное влагосодержание воздуха, кг/кг сухого воздуха, при температуре t₀ = 20°с, равное 9 г/кг = 0,009 кг/кг;i_п = r₀ + c_пt_п — энтальпия водяных паров, кДж/кг [2]; r₀ - теплота испаре­ния воды при температуре 0°С, равная 2500 кДж/кг; c_п — средняя теплоемкость водяных паров, равная 1,97 кДж/(кг ∙ К); t_п —температура водяных па­ров; t_п= t_cr= t_см= 300 °С.

Решая совместно уравнения (5) и (6), получим:

(7)

Пересчитаем кг топлива, при сгорании которых образуется вода, из объемных долей в массовые [1]:

(8)

где C_mHn - объёмная доля компонента в смеси; V_m- молярный объём, равный 22,4 моль/л; ρ_T - плотность газообразного топлива ; Т₀ - термодина­мическая температура, равная 273 К; t_T— температура топлива, равная 20 °С.

Количество влаги, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива, равно[1]:

Коэффициент избытка воздуха находим по уравнению (7) [1]:

.(9)

Подставив значения, получим:

Общая удельная масса сухих газов, получаемых при сжигании 1 кг топлива и разбавлении топочных газов воздухом до температуры смеси 300°C, равна[2]:

(10)

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

, (11)

Влагосодержание газов на входе в сушилку (х₁ = х_см) на 1 кг сухого воздуха равно [1]:

(12)

Энтальпия газов на входе в сушилку [1]:

(13)

Поскольку коэффициент избытка воздуха α велик, 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 I-х.

2.3. Параметры отработанных газов. Расход сушильного агента.

Определим расход влаги W, удаляемой из высушиваемого материала, при изменении влажности материала от W_нач до W_кон,если влагосодержание задано в процентах от массы сухого вещества [1]:

(14)

Переведём производительность сушилки по высушенному материалу из т/ч в кг/с:

Полученные значения подставим в выражение (14):

.

Уравнение внутреннего теплового баланса сушилки [1]:

(15)

где Δ - разность между удельным расходом и приходом тепла в су­шильной камере,

кДж/кг влаги; с - теплоемкость влаги во влажном материале при температуре θ₁=18 °С, равная 4,19 кДж/кг∙К [2]; q_доп - удельный допол-нительный подвод тепла в сушильную камеру, при работе сушилки по нормальному сушильному варианту: q_доп = 0 [2]; q_T - удельный подвод тепла в сушилку с транспортными средствами, кДж/кг влаги ; в рассматриваемом случае q_T = 0 кДж/кг влаги [2]; q_M - удельный подвод тепла в сушильный барабан с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги [1]:

, (16)

с_м – теплоемкость высушенного материала, равная для мела 0,92 кДж/кг∙К [1]; θ₂ - температура высушенного материала на вхо­де в сушилку, °С. При испарении поверхностей влаги θ₂ принимаем приблизительно равной температуре мокрого термометра t_м при соответствующих параметрах сушильного агента.

Принимая в первом приближении процесс сушки адиабати­ческим, находим θ₂ по I - x диаграмме (приложение В) по начальным параметрам сушильного агента (x₁ = 0,0262 кг/кг; I₁ = 395,896 кДж/кг): θ₂ = t_м = 57°С; qn - удельные потери тепла в окружающую среду.

Подставив соответствующие значения в уравнение (14) получим:

кДж/кг влаги

Запишем уравнение рабочей линии сушки [1]:

(17)

Для построения рабочей линии сушки по диаграмме I - х необходимо знать координаты (х и I) минимум двух точек. Координаты одной точки из­вестны: x₁ = 0,0239 кг/кг; I₁ = 389,049 кДж/кг. Для нахождения координат вто­рой точки зададимся произвольным значением х = 0,1 кг/кг и определим со­ответствующее значение I, подставив в уравнение (16):

.

Через две точки на диаграмме I - х (приложение В) с координатами х₁, I₁ и х, I проводим линию сушки до пересечения с выбранным конечным параметром t_кон= 100°С.

В точке пересечения линии сушки с изотермой t_кон находим параметры отработанного сушильного агента: х₂=0,108 кг/кг; I₂= 380 кДж/кг. Определяем температуру материала на выходе из сушилки: t_MTBвых = 56.

Расход сухого газа [1]:

(18)

.

Расход сухого воздуха [1]:

(19)

.

Расход тепла па сушку [1]:

(20)

Q_c = 10,085 ∙ (383,2 - 4,19) = 3822,316 кДж/с

Расход топлива на сушку [1]:

(21)

.

2.4. Определение основных размеров сушильного барабана

Основные размеры барабана выбирают по нормативам и каталогам - справочникам [2, 3] в соответствии с объемом сушильного пространства. Объем сушильного пространства V складывается из объема Vn, необходимо­го для прогрева влажного материала до температуры, при которой начинает­ся интенсивное испарение влаги (до температуры мокрого термометра су­шильного агента), и объема V_c, требуемого для проведения процесса испаре­ния влаги, то есть V = V_c + Vn. Объем сушильного пространства барабана вы­числяем по уравнению массопередачи [1]:

(22)

где - средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³; K_v- объёмный коэффициент массопередачи, 1/с.

При сушке кристаллических материалов происходит удаление поверхност­ной влаги, т.е. процесс протекает в первом периоде сушки, когда скорость процесса определяется только внешним диффузионным сопротивлением. При параллельном движении материала и сушильного агента температура влажного материала равна температуре мокрого термометра. В этом случае коэффициент массопередачи численно равен коэффициенту массоотдачи K_v=β_v. [1]

Для барабанной сушилки коэффициент массоотдачи β_v вычисляется по эмпирическому уравнению [1]:

(23)

где ρ_ср - средняя плотность сушильного агента, кг/м³; с - теплоемкость сушильного агента при средней температуре в барабане, равная 1 кДж/кг∙К [1]; β - оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом, %; P₀ - давление, при котором осуществляется сушка, Па; Р - среднее парциальное давление водяных паров в сушильным барабане, Па.

Уравнение (23) справедливо для значений ωρ_ср= 0,6 - 1,8 кг/ (м² ∙ с), n = 1,5 -5,0 об/мин, β = 10 - 25%.

Рабочая скорость сушильного агента в барабане зависит от дисперстно-сти и плотности высушиваемого материала. В данном случае сушке подвер-гается кварцевого песка с размером высушиваемого материала 0,6 мм, насыпная плотность кварцевого песка ρ_м = 1500 кг/м³[6]. Принимаем скорость газов в барабане ω = 2,4 м/с.

Средняя температура в барабане:

(24)

Плотность сушильного агента при средней температуре в барабане t_ср практически соответствует плотности воздуха при этой температуре:

(25)

.

При этом ω ∙ ρ_ср = 2,4 ∙ 0,747 = 1,8 кг/м³∙с, что не нарушает справед­ливости уравнения (23).

Прини­маем частоту вращения барабана n = 5 об/мин.

Оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом β для разных конструкций перевалочных устройств различно. Наиболее распространенные перевалочные устройства показаны на рисунке 2. Для рассматриваемой конструкции сушильного барабана β = 12%.

Рис.2. Типы перевалочных устройств, применяемых в барабанных сушилках, и степень заполнения барабана β:

1 – подъемно-лопастного,β = 12%; 2 – то же, β =14%; 3 – распределительные, β =20,6%; 4 – распределительные с закрытыми ячейками, β =27,5%.

Для рассматриваемой конструкции сушильного барабана принимаем степень заполнения барабана β = 12%. Процесс сушки осуществляется при атмосферном давлении, то есть Р₀ = 10⁵ Па. [1]

Парциальное давление водяных паров в газе определим по уравнению: (26)

Тогда на входе в сушилку:

на выходе из сушилки:

.

Парциальное давление водяных паров в сушильном барабане опреде­лим, как среднеарифметическую величину между парциальными давлениями на входе газа в сушилку и на выходе из нее:

(27)

Таким образом, объёмный коэффициент массоотдачи равен [1]:

Движущую силу массопередачи Δx’_cp определим по уравнению [1]:

(28)

где — движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³; — движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³;- равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м³.

Средняя движущая сила ΔР_ср, выраженная через единицы давления (Па) рав­на [1]:

(29)

Для противоточного движения сушильного агента и высушиваемого ма­териала имеем: - движущая сила в начале процесса сушки, Па; - движущая сила в конце процесса сушки, Па;- давления насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па.

Значения определяем по температуре мокрого термометра сушиль­ного агента в начале (t_{MT вх}) и в конце (t_{MT вых}) процесса сушки по уравне­нию:

(30)

(31)

Откуда получаем :

(32)

Выразим движущую силу в кг/м³ по уравнению (27):

Находим объем сушильного барабана V_c, необходимый для проведе­ния процесса испарения влаги, без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материала, находим по уравнению (22):

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

(33)

где Qn - расход тепла на нагрев материала до температуры t_МТвх, кВт; K_v— объёмный коэффициент теплопередачи, кВт/м³ ∙ К; Δt_cp - средняя раз­ность температур, °С

Расход тепла Qn равен [1]:

(34)

Qn= 3,889 ∙ 0,8 ∙ (57 - 18) + 0,83 ∙ (57 - 18) = 157,707 кВт.

Объемный коэффициент теплопередачи определим по эмпириче­скому уравнению [1]:

(35)

k_v = 16 ∙ 1,8^0,9 ∙ 5^0,7 ∙ 12^0,54 = 0,320 кВт/м³∙К

Для вычисления Δt_cp, необходимо найти температуру сушильного аген­та t_x, до которой он охладится от t_нач до t_МТвых, отдавая тепло на нагрев высу­шиваемого материала до t_MTвх. Эту температуру можно определить из урав­нения теплового баланса [1]:

(36)

(37)

Средняя разность температур Δt_cp равна [2]:

Подставляем полученные значения в выражение (33):

Общий объем сушильного барабана равен [1]:

V = V_с+V_п (38)

V = 65,354 + 1,931 = 67,285 м³

В соответствии со справочными данными [7] выбираем барабанную су-шилку φ 2,8 × 12 выпускаемую заводами «Уралхиммаш» и «Прогресс» c общим объемом V=74 м³, основные характеристики, которой представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные характеристики барабанной сушилки

Показатели	Значения
Внутренний диаметр барабана, м	2,8
Длина барабана, м	12
Толщина стенок наружного цилиндра, мм	14
Объём сушильного пространства, м3	74
Частота вращения барабана, об/мин	5
Общая масса, кг	65  ё103
Потребляемая мощность двигателя, кВт/ч	20,6
Производительность, т/ч	2,7

Определим действительную скорость газов в барабане [1]:

(39)

Объемный расход влажного сушильного агента на выходе из барабана равен [1]:

(40)

где х_ср- среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг сухого воздуха, равное:

(41)

Подставим значения в уравнение (39) получим:

Тогда ω_Д = 14,963 /(0,785 ∙ 2,8²)=2,431 м³/с

Действительная скорость газов (ω_Д = 2,431м³/с) отличается от принятой в расчёте (ω=2,4 м/с) менее чем на 15%. Некоторое уменьшение интенсивности процесса сушилки при снижении скорости газов по сравнению с принятой в расчёте полностью компенсируется избытком объёма выбранной сушилкой сравнению с расчётным. Если расхождение принятой и действительной скоростями газов более существенно, необходимо повторить расчёт, внося соответствующие коррективы.

Определим среднее время пребывания материала в сушилке[1]:

(42)

Количество находящегося в сушилке материала (в кг) равно:

; (43)

Отсюда .

Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана α’ [1]:

(44)

Далее проверяем допустимую 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 ω _C.B. определим по уравнению:

(45)

где и - вязкость и плотность сушильного агента при средней темпера-туре; Аr - критерий Архимеда.

Средняя плотность сушильного агента равна [1]:

(46)

Определим вязкость сушильного агента при средней температуре [6]:

(47)

где - динамический коэффициент вязкости при , равен 17,3∙10^-6 Па∙с [6]; Т - температура, равная Т = 200 + 273 = 473 К; С - постоянная Сатерлен-

да, при данных условиях С = 124 [6].

Подставим значения в уравнение (46) получим:

Критерий Архимеда:

(48)

где- плотность частиц высушиваемого материала, равная для кварцевого песка : 1500 кг/м³ [1];

.

Тогда скорость уноса находим по уравнению (44):

.

Рабочая скорость сушильного агента в сушилке (= 2,431 м/с) мень­ше, чем скорость уноса частиц наименьшего размера (= 4,814 м/с), по­этому расчет основных размеров сушильного барабана заканчиваем.

3. Расчет и выбор мокрого пылеуловителя

Определим площадь сечения аппарата:

, (49)

Принимая во внимание таблицу с основными параметрами однополочных аппаратов для очистки газов с отводом воды через сливное устройство [1], выбираем газоочиститель системы ЛТИ и принимаем рабочую скорость газа (на все сечение аппарата) и расход сухого газа L_c.г. = 10,085 кг/с = 13,988 м³/с .

Таблица 2

Параметры пенного газоочистителя ЛТИ - ПГС

Обозначение аппарата	Размеры аппарата
	длина решетки, м	ширина решетки, м	высота решетки, м
50	2,10	3,48	6,030

Определяем сечение аппарата:

S_a= 2,1 3,48 = 7,308 м² ,

Фактическая скорость аппарата равна:

= , (50)

Расход уловленной пыли

_, (51)

где запыленность газа на входе в аппарат; – требуемая степень очистки.

Принимаем коэффициент распределения К_р = 0,7 и концентрацию пыли в утечки x_y = 0,15 кг пыли/ кг воды.

Тогда расход поступающей воды составит:

(52)

Доля свободного сечения решетки при φ = 0,95:

(53)

Если принять, что отверстия располагаются по равностороннему треугольнику, то шаг между отверстиями составит:

(54)

где - диаметр отверстия (2 – 3 мм при скорости газа 6 – 8 м/с).

Толщину решетки примем равной = 5 мм.

Определяем коэффициент скорости пылеулавливания:

(55)

Высота слоя пены на решетке:

(56)

Рассчитываем высоту исходного слоя воды на решетке:

(57)

Интенсивность потока на сливе с решетки найдем с учетом того, что ширина сливного отверстия равна ширине решетки, а L_cл = L/2:

(58)

Высота сливного порога:

(59)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с заданием проведен расчет барабанной сушильной установки с подъемно-лопастными перевалочными устройствами для сушки кварцевого песка. По заданной производительности по сухому материалу, начальной и конечной влажности, температуре сушильного агента и температуре влажно­го материала, а также вида используемого топлива были определены: расход влаги, удаляемой из высушиваемого материала, расход сухого газа, воздуха, тепла, топлива на сушку. Для нахождения выше перечисленных значений был проведен совместный расчет уравнения теплового баланса. Была выбрана барабанная сушилка №7202, выпускаемая заводами «Уралхиммаш» и «Прогресс» .

Выбран однополочный пенный газоуловитель ЛТИ – ПГС – 50.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 3-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД "Альянс", 2007. – 496 с.

Сушильные аппараты и установки. Каталог ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. Изд. 3-е. – М.: 1988. – 73 с.

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

Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. – 754 с.

Лыков М. В. Сушка в химической промышленности. – М.: Химия, 1973. – 754 с.

К.Ф.Павлов, П.Г, Романков, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов /Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.

Оборудование для руды. Сушилка барабанная – URL: www.zgshmg.com (Дата обращения 04.12.17).

Центробежные вентиляторы (радиальные вентиляторы) низкого давления. Основные технические характеристики –URL: ventilator.od.ua (Дата обращения 04.12.17).

Код для цитирования: Скопировать