Расчет процесса сушки сульфата аммония в кипящем слое

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Исходные данные

теплопередача охлаждение сульфат аммоний

Технологические показатели сушилки:

Производительность, т/ч 6-8

Температура теплоносителя под решеткой, °С 125-130

Сопротивление решетки и слоя, мм рт. ст. 350

Влажность высушенной соли, % 0,2-0,3.

2. Расчет процесса сушки сульфата аммония в кипящем слое

Ниже приведен расчет сушки сульфата аммония в кипящем слое в аппарате конструкции ДПИ. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый паром в калорифере.

Материальный расчет.

Количество влажного сульфата аммония, поступающего в сушилку, равно 7000 кг/ч, из них сульфата аммония 6790 кг/ч и воды 210 кг/ч.

Принимаем влажность сульфата аммония после сушки равной 0,2%; тогда количество удаляемой влаги будет равно

W=210- кг/ч.

Тепловой расчет процесса сушки.

Зона сушки.

Для теплового расчета сушилки принимаем следующие параметры воздуха и сульфата аммония:

t₀=15 °C;

t₀ - температура воздуха, поступающего в калорифер;

t₁=130 °C;

t₁ - температура воздуха после калорифера;

t₂=50 °C;

t₂ - температура воздуха после сушилки;

ц₀=0,7;

ц₀ - относительная влажность поступающего воздуха в калорифере;

t^Ч_c=50 °C;

t^Ч_c - температура поступающего сульфата аммония (принимаем с запасом для зимних условий);

t^"_c=40 °C;

t^"_c -температура выходящего сульфата аммония после сушки.

Приход тепла. 1. Тепло, вносимое сульфатом аммония в сушилку:

Q₁=(6790Ч0,34+210)Ч15=37785 ккал/ч.

2. Тепло, вносимое воздухом из калорифера:

Q₂=Li₁,

где L - количество сухого воздуха, поступающего в калорифер, кг/ч,

i₁ - энтальпия поступающего воздуха, ккал/кг сухого воздуха,

i₁=0,24t₁+0,001d₀(595+0,47t₁),

d₀ - влагосодержание поступающего воздуха, г/кг,

d₀=622 г/кг сухого воздуха,

p₀ - упругость водяных паров при температуре t₀, мм рт. ст.

Подставляя ц₀=0,7; p₀=12,8 мм рт. ст., получим

d₀=622=7,6 г/кг сухого воздуха,

тогда

i₁=0,24Ч130+0,001Ч7,6(595+0,47Ч130)=36,32 ккал/кг сухого воздуха.

Таким образом, Q₂=36,32L ккал/ч.

Общий приход тепла

Q_прих=37785+36,32L ккал/ч.

Расход тепла. 1. Тепло, уносимое высушенным сульфатом аммония из сушильной секции сушилки:

Q₃=(6790Ч0,34+2,5)Ч40=92460 ккал/ч.

2. Тепло, уносимое воздухом из сушильной секции сушилки:

Q₄=Li₂,

где i₂ - энтальпия воздуха, выходящего из сушилки, ккал/кг сухого воздуха,

i₂=0,24t₂+0,001Чd₂(595+0,47t₂);

d₂ - влагосодержание воздуха, выходящего из сушилки, г/кг сухого воздуха.

Но величина

Подставляя d₂, получим

Подставляя t₂=62 °C; W=203,2 кг/ч и d₀=7,6 г/кг сухого воздуха, получим

ккал/кг сухого воздуха,

тогда

Q₄=16,7L+125679 ккал/ч.

3. Тепло, теряемое сушильной камерой наружу в зоне сушки.

Принимаем это тепло равным 10% от тепла, пошедшего на нагрев материала, или

Q₅=0,1(92460-37785)?5468 ккал/ч.

Общий расход тепла

Q_расх=16,7L+223607

Приравнивая приход и расход тепла, получим

37785+36,32L=16,7L+223607

откуда

L=9471 кг/ч,

Масса влажного воздуха

L_вл=9471(1+0,0076)=9542 кг/ч,

из них влаги 71 кг/ч.

Подставляя значение L во все статьи теплового расчета сушильной установки, получим следующий тепловой баланс сушилки, ккал/ч:

Приход			Расход
Тепло, вносимое сульфатом аммония	37785		Тепло, уносимое сульфатом аммония	92460
Тепло, вносимое воздухом	343987		Тепло, уносимое воздухом Потери тепла наружу	283844 5468
Итого	381772		Итого	381772

Б. Зона охлаждения.

Приход тепла. 1. Тепло, вносимое сульфатом аммония из зоны сушки:

Q₁=92460 ккал/ч.

2. Тепло, вносимое охлаждающим воздухом при температуре 15 °С:

Q₂=L₀i₀,

i₀=0,24t₀+0,001d₀(595+0,47t₀) ккал/кг сухого воздуха. Подставляя t₀=15°C; d₀=7,6 г/кг сухого воздуха, получим i₀=0,24Ч15+0,001Ч7,6(595+0,47Ч15)=8,19 ккал/кг сухого воздуха.

Тогда

Q₂=8,19L₀,

Общий приход тепла

Q_прих=92460+8,19L₀.

Расход тепла. 1. Тепло, уносимое сульфатом аммония, выходящим из зоны охлаждения, принимая температуру высушенного и охлажденного сульфата аммония равной 25 °С.

Q₃=(6790Ч0,34+2,5)Ч25=57778 ккал/ч.

2. Тепло, уносимое охлаждающим воздухом из охлаждающей секции:

Q₄=L₀i₃,

i₃ - энтальпия воздуха после охлаждающей зоны, принимая температуру воздуха равной 43 °С;

i₃=0,24t₃+0,001d₀(595+0,47t₃) ккал/кг сухого воздуха. Подставляя d₀=7,6г/кг сухого воздуха и t₃=43 °C, получим i₃=0,24Ч43+0,001Ч7,6(595+0,47Ч43)=15 ккал/кг сухого воздуха.

Тогда

Q₄=15L₀.

Общий расход тепла равен

Q_расх=57778+15L₀.

Приравнивая расход и приход тепла, получим

92460+8,19L₀=57778+15L₀,

откуда L₀=5093 кг/ч.

Масса влажного воздуха

L^Ч₀=5093(1+0,0076)=5132 кг/ч, из них влаги 39 кг/ч.

Тепловой расчет калорифера

Приход тепла.1. Тепло вносимое воздухом в калорифер:

Q₁=Li₀ или Q₁=8,19Ч9471=77567 ккал/ч.

2. Тепло, вносимое паром Q₂.

Общий приход тепла

Q_прих=77567+Q₂.

Расход тепла. 1. Тепло, уносимое воздухом из калорифера:

Q₃=343987 ккал/ч.

2. Тепло, теряемое наружу, принимаем равным 10% от передаваемого тепла:

Q₄=0,1(343987-77567)=26642 ккал/ч.

Общий расход тепла

Q_расх=370629 ккал/ч.

Приравнивая приход и расход тепла, получим расход тепла на калорифер:

Q₂=293062 ккал/ч.

Расход пара на калорифер при давлении пара 4 атм и теплоте конденсации пара 511,1 ккал/кг составит

573 кг/ч.

Определение размеров сушильной камеры.

Определение площади решетки для сушильной зоны камеры. Необходимая площадь решетки определяется исходя из расхода теплоносителя и оптимальной скорости псевдоожижения.

Необходимая площадь решетки равна

м²,

где V_c - объем воздуха, поступающего в сушильную зону при средней температуре, м³/ч;

х_c - оптимальная скорость псевдоожижения, м/сек.

Объем воздуха, поступающего в сушильную зону при средней температуре °С и давлении под решеткой

768 мм рт. ст., равен

17147 м³/ч,

где 9471 - количество сухого воздуха, кг/ч;

71 - количество влаги в поступающем воздухе, кг/ч;

281 - количество влаги в выходящем воздухе, кг/ч.

Плотность этого воздуха

0,56.

Скорость псевдоожижения определяется по числу Рейнольдса, исходя из следующего уравнения:

и ,

где Ar - критерий Архимеда,

;

g - ускорение, м/сек;

с_Т - плотность твердого сульфата аммония, кг/м³;

с_с - плотность воздуха, кг/м³;

v - кинематическая вязкость воздуха, м³/сек;

d_Т - максимальный диаметр частиц твердого сульфата аммония в полидисперстной системе, м;

е - порозность кипящего слоя;

для неподвижного слоя

,

для условий выноса

е=1,

для оптимальных условий псевдоожижения

е=0,65ч0,75,

с_н - насыпная масса твердого сульфата аммония, кг/м³.

Кинематическая вязкость воздуха при средней температуре воздуха 96°С, равна

v=23,5Ч10^-6 м²/сек.

Максимальный диаметр частиц твердого сульфата аммония равен d_T=0,001м.

Плотность

с_Т=1766 кг/м³.

Тогда критерий Архимеда

;

=56000.

Критерий Рейнольдса

;

=137.

Тогда

;

=3,22 м/сек

=1,5 м².

Определение площади решетки для охладительной зоны камеры. Объем воздуха, поступающего в охладительную камеру, при средней температуре =29 °С и давлении 768 мм рт. ст., составит

=4363 м³/ч.

Плотность этого воздуха

=1,18 кг/м³.

Кинематическая вязкость воздуха при температуре 29 °С равна

v=16,6Ч10^-6 м²/сек.

Тогда критерий Архимеда

=53400.

Критерий Рейнольдса

=127.

Тогда

=2,11 м/сек.

Необходимая площадь решетки

=0,57 м².

Общая площадь решетки

F_общ=0,5+0,57=1,7 м².

Принимая соотношение длины и ширины решетки равным 7:1, получим ширину решетки, равной

;

=0,49 м,

и длину

Длина сушильной зоны составит

и охладительной l₀=2,5 м.

Определение высоты неподвижного и кипящего слоя в камере. Высота кипящего слоя определяется по высоте неподвижного слоя и порозностей кипящего и неподвижного слоев в сушильной зоне камеры.

Высота же неподвижного слоя материала определяется на основе расчета требуемой поверхности соприкосновения теплоносителя с частицами высушиваемого материала, которая должна быть достатсчной для передачи количества тепла, потребного для проведения сушки.

Необходимая поверхность соприкосновения материала и теплоносителя, т.е. поверхность теплопередачи, равна

где Q - количество передаваемого тепла, ккал/ч;

б - коэффициент теплоотдачи от воздуха к материалу, ккал/(м²*ч*град);

?t_ср - средняя разность температур между теплоносителем и материалом, град.

Количество тепла, передаваемое в зоне сушки теплоносителем в кипящем слое материалу:

Q=Q_нагр+Q_исп+Q_пот,

где Q_нагр - тепло, пошедшее на нагрев материала;

Q_нагр=92460-37785=54675 ккал/ч;

Q_исп - тепло, пошедшее на испарение воды;

Q_исп=203,2Ч595=120904 ккал/ч;

Q_пот - тепло, теряемое камерой наружу;

Q_пот=5468 ккал/ч.

Таким образом,

Q=181047 ккал/ч.

Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к материалу определяем по уравнению

,

где Re - число Рейнольдса, определяемое по среднему диаметру частиц твердого сульфата аммония;

d_ср - средний диаметр частиц твердого, равный 0,0005 м;

H₀ - высота неподвижного слоя материала на решетке; принимаем ее равной 0,22 м.

Тогда число Рейнольдса

=69.

Критерий Архимеда

7002.

Тогда

0,195

;

10 ккал/(м²ЧчЧград),

где л - коэффициент теплопроводности воздуха при температуре 96°С, равный 2,62Ч10^-2 ккал/(мЧчЧград).

Среднюю разность температур в теплопередаче рассчитывают как среднюю логарифмическую разность, причем температуру материала принимаем одинаковой по всему слою, т.е.

,

где - температура воздуха на входе в сушилку и на выходе из кипящего слоя;

_- температура материала в слое.

Подставляя соответствующие температуры, получим

28,9 град.

Тогда требуемая поверхность теплопередачи в сушильной зоне будет равна

696 м².

Массу материала, образующего такую поверхность теплопередачи, определяем по уравнению

;

102,4 кг.

Высота неподвижного слоя для камер призматического сечения определяется из уравнения

0,

где б⁰ - угол наклона стенки камеры и вертикали, принимаемый равным 15°С;

б - ширина камеры, м;

l - длина сушильной зоны камеры, м;

V_M - объем неподвижного слоя материала, м³,

0,119 м³.

Здесь с_н - насыпная масса твердого, равная 858 кг/м³.

Тогда

0.

Отсюда H₁=0,22 м, что и было принято ранее.

Гидравлическое сопротивление кипящего слоя

?с=0,22с_н;

?с=0,22Ч858=189 мм рт. ст.

Продолжительность сушки

;

53 сек,

где G_ср - средняя масса материала, проходящего сушилку;

6895 кг/ч.

Высоту кипящего слоя в камере определяем исходя из принятой порозности кипящего слоя е=0,7 и высоты неподвижного слоя материла.

Высоту кипящего слоя в камере H₂ вычисляем из уравнения

0,

где е₀ - порозность неподвижного слоя,

;

0,515,

тогда

0.

Отсюда H₂=0,2 м.

На такой высоте и должен быть установлен порог на выходе из камеры.

Ширину камеры вверху определяем из размеров частиц, уносимых из камеры, и порозности кипящего слоя е=1 для этих частиц.

Принимаем максимальный размер уносимых частиц из камеры равным 0,00015 м, что обеспечивает получение сульфата аммония по крупности, соответствующей ГОСТу, так как при этом будут отдуты мелкие частицы соли.

Число Рейнольдса для условий уноса определяем по формуле

.

Число Архимеда

191,

тогда 7,26 и скорость, обеспечивающая вынос из камеры частиц размером d?0,15 мм, будет равна

;

1,162 м/сек.

Тогда ширина камеры вверху должна быть равна

;

1 м.

Общую высоту камеры определяем по формуле

;

0,85 м.

Проверка зоны охлаждения на возможность охлаждения. Объем материала, находящегося в зоне охлаждения, определим из уравнения

0.

Так как H₁=0,22 м; б=15°; а=0,49 м; l₀=0,7 м, то

(0,22²Ч0,268+0,49Ч0,22)Ч0,7=0,08 м³.

Тогда масса этого материала

G₀=0,08с_н;

G₀=0,08Ч858=68,6 кг.

Поверхность теплопередачи равна

;

466 м².

Коэффициент теплопередачи в этой зоне определяем по уравнению

.

Число Рейнольдса

63,5.

Число Архимеда

6660.

Тогда

0,179

7,9 ккал/(м²*ч*град),

где 2,22Ч10^-2 - коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре 29 °С.

Среднюю разность температур в теплопередаче определяем исходя из постоянства температуры материала в слое равной температуре на выходе, т.е. 45°С.

10,35 град.

Тогда количество тепла, которое может быть передано в охладительной секции материала к воздуху:

Q=бЧS₀Ч?t_ср;

Q=7,9Ч466Ч10,35=38102 ккал/ч.

Необходимо же передать согласно тепловому расчету в охладительной зоне

Q=92460-37785=54765 ккал/ч.

Таким образом, режим охлаждения принят правильным, так как он обеспечивает необходимое охлаждение материала.

Продолжительность охлаждения

36 сек.

Общее время пребывания материала в сушилке

ф_общ=53+36=89 сек, или примерно 1,5 мин.

Размещено на Allbest.ru