Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение.

1.Литературный обзор по теории и технологии процесса сушки материалов

2.Выбор барабанной сушилки и сушильного агента

3.Материальный баланс процесса сушки

4.Расчет времени сушки

5.Расчет горения топлива

6.Графические расчеты процессов сушки в Н-d диаграмме.

7.Материальный баланс сушильного барабана

8.Тепловой баланс сушильного барабана

9.Расчет удельного количества теплоты, топлива и к.п.д. сушилки

10.Расчет частоты вращения и мощности привода сушильного барабана

11.Аэродинамический расчет, подбор приборов для сжигания топлива и вентиляционных устройств

12.Примерный расчет дымовой трубы

13.Расчет толщины теплоизоляционных покрытий

14.Основные требования ПТЭ к сушилкам

Список используемой литературы



Введение

Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов удешевляет их транспортировку и придает им определенные свойства, а также уменьшению коррозии аппаратуры. Влагу можно удалять механическим способом: отжим, центрифугирование, отстаивание. Однако этими способами влага удаляется частично, более тщательное удаление влаги осуществляется путём тепловой сушки: испарение влаги, удаление паров.

Процесс тепловой сушки может быть естественным и искусственным. Естественная сушка применяется редко. По физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом. Его скорость определяется скоростью диффузии влаги из глубинных частей материала к поверхности, а затем в окружающую среду. Удаление влаги при сушке включает не только перенос материала, но и перенос тепла, таким образом является теплообменным и массообменным процессами. По способу подвода тепла к высушиваемому материалу сушку делят:

1) Контактная - путём передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделительную стенку;

2) Конвективная - путём непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом. В качестве которого используют: подогретый воздух, топочные газы либо топочные газы с воздухом;

3) Радиационная - путём передачи тепла инфракрасным излучением;

4) Диэлектрическая - в поле токов высокой частоты;

5) Сублимационная - в замороженном состоянии в вакууме.

Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным воздухом или газом. При конвективной сушке влажному воздуху отводится основная роль. Поэтому необходимо чётко представлять какими параметрами описывается воздух.



1. Литературный обзор по теории и технологии процесса сушки материалов

Сушка-это процесс удаления из материалов влаги, обеспечиваемый ее испарением и отводом образовавшихся паров. Сушка материалов и изделий производится в зависимости от их назначении или последующей обработки. Для ряда материалов в результате сушки увеличивается прочность, долговечность, облегчается обработка, улучшаются теплоизоляционные свойства и т.д.

Различают сушку естественную (на открытом воздухе) и искусственную (в сушилках). При естественной сушке материал можно высушить только до влажности, близкой к равновесной. Преимущество искусственной сушки состоит в ее малой продолжительности и возможности регулирования конечной влажности материала. Аппараты, в которых осуществляют сушку, называют сушилками. По способу сообщения тепла различают конвективные, контактные, терморадиационные, сублимационные и высокочастотные сушилки. Дисперсные материалы, к которым относятся зернистые, порошкообразные, гранулированные, дробленные твердые, а также диспергированные жидкие и пастообразные продукты, в химической технологии высушивают, главным образом, конвективным способом.

В конвективных сушилках тепло процесса несет газообразный сушильный агент (нагретый воздух, топочные газы или смесь их с воздухом), непосредственно соприкасающийся с поверхностью материала. Пары влаги уносятся тем же сушильным агентом. В сушилках многих типов со взвешенным слоем высушиваемого материала сушильный агент служит не только тепло- и влаг носителем, но и транспортирующей средой для дисперсного материала.

Если соприкосновение высушиваемого материала с кислородом воздуха недопустимо или если пары удаляемой влаги взрыво или огнеопасны, сушильным агентом служат инертные к высушиваемому материалу газы: азот, диоксид углерода, гелий и другие инертные газы или перегретый водяной пар.

Скорость процесса сушки влажного материала нагретым воздухом зависит от интенсивности внешнего и внутреннего теплои массообмена, т.к. от этих процессов зависит количество влаги, подведенной к поверхности испарения.

В простейшем виде процесс сушки осуществляется таким образом, что сушильный агент, нагретый до предельно допустимой для высушиваемого материала температуры, используется в сушильном аппарате однократно. Этот процесс называется основным. Снижение температуры термолабильных материалов обеспечивается созданием дополнительной поверхности нагрева внутри сушильной камеры или нагреванием воздуха по ходу процесса за счет тепла, полностью вносимого в сушильную камеру. В процессе сушки во влажном материале происходит перенос влаги, как в виде жидкости, так и в виде пара.

Изучение закономерностей переноса влаги и теплоты может идти двумя путями:

-на основе молекулярно-кинетического метода, т.е. изучения

микроскопической картины происходящих при этом процессов и осмысливания физической сущности отдельных составляющих сложного явления.

-на основе понятий термодинамики процесса. Изучает макроскопические свойства тел и системы тел и процессы их взаимодействия, не интересуясь поведением отдельных молекул.

Перенос газообразного вещества может происходить молекулярным путем за счет хаотического перемещения отдельных молекул (диффузия) или за счет направленного перемещения молекул, когда каждая из них движется независимо друг от друга (эффузия), и молярным путем, когда перемещаются группы, скопления молекул под действием разности давлений в различных точках тела.

Для сушки материалов, требующих повышенной влажности сушильного агента и невысоких температур, применяют устройства, обеспечивающие рециркуляцию (возврат) части отработанного воздуха в сушилку, а также сушилки с промежуточным подогревом воздуха между отдельными ступенями (или зонами) и одновременной рециркуляцией его. При сушке трудно сохнущего материала или для улучшения его сыпучести применяют рециркуляцию части высушенного продукта, т.е. возврат его на вход сушилки и смешение с исходным материалом.

Когда удаляемая из материала жидкость является ценным продуктом (спирты, эфиры, углеводороды и другие растворители), а также при сушке огне- и взрывоопасных материалов применяют схемы с полностью замкнутым циклом инертных газов, включающие дополнительно устройства для конденсации и удаления из системы испаряющейся влаги и одновременного осуществления циркулирующих в системе газов.

Перечисленные схемы являются вариантами основного процесса и находят широкое применение во многих производствах химической промышленности.

Механизм конвективной сушки можно представить следующим образом. При введении влажного тела в нагретый газ происходит перенос тепла к поверхности материала, обусловленный разностью температур между ними, нагрев его и испарение влаги. При этом повышается парциальное давление вблизи поверхности тела, что и приводит к переносу паров влаги в окружающую среду. В результате испарения влаги с поверхности и отвода образовавшихся паров возникает градиент концентрации влаги в материале, являющийся движущей силой внутреннего перемещения ее из глубинных слоев к поверхности испарения. При перемещении происходит нарушение связи влаги с веществом твердого тела, что требует дополнительных затрат

энергии сверх той, которая необходима для парообразования. Поэтому скорость процесса зависит от характера или формы связи влаги с сухим веществом материала.

Подъемно-лопастная насадка применяется для перемещения крупнокусковых и склонных к налипанию высушиваемых материалов.

Распределительные насадки -- полочная и крестообразная -- применяются при сушке мелкокусковых и сыпучих материалов. При помощи таких насадок обеспечивается многократное пересыпание материала и его тесный контакт с сушильным агентом.

Промежуточная, или секторная, насадка применяется для перемещения крупнозернистых высушиваемых материалов, обладающих малой сыпучестью.

Ячейковая насадка применяется в процессах сушки тонкоизмельченных пылящих материалов. При пересыпании таких материалов в закрытых ячейках насадки достигается интенсивное перемешивание частиц.

Интенсификация барабанных конвективных сушилок обеспечивается усовершенствованием конструкции внутренней насадки, увеличивающей количество сыпи. Для оценки эффективности насадки предложена приближенная зависимость

где n -- частота вращения, об/мин;

h -- средняя высота сыпи, м.

Коэффициент К_эф характеризует отношение объема материала, находящегося в сыпи, к полному объему материала в аппарате. Для стандартных аппаратов К_эф = 0,1. Предложенная НИИхиммашем центральная распределительная насадка, образующая ряд поперечных завес, позволила увеличить К_эф с 0,1 до 0,3, что дало возможность сократить длину аппарата в 2--2,5 раза.

Другой важной характеристикой барабанной сушилки является коэффициент заполнения в_М. Чем выше р_м, тем больше поверхность высушиваемого материала участвует в тепломассообмене с сушильным агентом и тем эффективнее используется рабочий объем барабана. Величина в_м зависит от конструкции насадки; по практическим данным в_м = 0,15--0,35.

Барабанные сушилки с непрямым нагревом (контактные) бывают атмосферные и вакуумные.

Из атмосферных сушилок наибольшее распространение получили трубчатые паровые: трубки, обогреваемые изнутри паром, расположены в один или несколько концентрических рядов. По всей длине и вращаются вместе с барабаном. Эти аппараты особенно пригодны для сушки высокодисперсных не слипающихся материалов с содержанием растворителя, подлежащего рекуперации.

Барабанные вакуумные сушилки работают, как правило, периодически. Их применяют для удаления из термочувствительных материалов воды и органических растворителей, а также для сушки токсичных материалов

(ядохимикатов, гербицидов, полимерных, фармацевтических материалов).

Конструктивно вакуумные сушилки выполняют с вращением корпуса или ротора. Барабанные вакуумные сушилки типа ВБС с вращающимся корпусом отличаются хорошей герметичностью, что позволяет применять глубокий вакуум (остаточное давление до 0,1 кПа) и сушить высокотоксичные материалы. Однако высушиваемый материал должен иметь хорошую сыпучесть.

Классификация сушильных аппаратов

Промышленные сушильные установки классифицируют по следующим признакам:

1) по способу подвода теплоты к материалу:

а) конвективные,

б) кондуктивные,

в) радиационные,

г) электромагнитные,

д) комбинированные(конвективно-радиационные, конвективно-радиационно-высоко-частотные и т. п.);

2) по функционированию во времени:

а) непрерывного действия,

б) периодического действия,

в) полунепрерывного действия;

3) по конструкции:

а) камерные,

б) шахтные,

в) туннельные,

г) барабанные,

д) трубчатые,

е) ленточные,

ж) взвешенного слоя,

з) распылительные,

и) сублимационные и др.

Из приведенной классификации наибольшее распространение получили конвективные сушильные установки. Эти установки разделяют на несколько групп:

1)по применяемому сушильному агенту на:

а) воздушные,

б) на дымовых (топочных) газах,

в) на неконденсирующихся в процессе сушки газах (азоте, гелии, перегретом водяном паре и т.д.);

2)по схеме движения сушильного агента на:

а) однозонные (с однократным использованием сушильного агента, рециркуляцией),

б) многозонные (с промежуточным подогревом сушильного агента, рециркуляцией его в зонах, рециркуляцией между зонами и т.п.);

3)по давлению в сушильной камере на:

а) атмосферные,

б) вакуумные;

4)по направлению движения сушильного агента относительно материала на:

а) прямоточные,

б) противоточные,

в) перекрестно-точные,

г) реверсивные.

Конструкция и принцип действия барабанной сушилки

В сушильной технике барабанные сушилки являются наиболее распространенным типом. Первоначально такие сушилки представляли собой открытую вращающуюся трубку, через которую пропускались горячие дымовые газы, вступавшие в тепло- и массообмен с движущимся по трубе материалом. Барабанные сушилки применяются для сушки сыпучих и малосыпучих материалов (колчедан, уголь, фосфориты, минеральные соли, руда, удобрения, песок, различные химические продукты и т.д.). Высокая приспособляемость позволила им найти им найти применение во многих отраслях промышленности и в с/х при индустриальном производстве кормов.

По конструктивному использованию барабанные сушилки очень разнообразны. Сушилка может быть выполнена в виде единственной трубы, может также представлять собой систему, состоящую из большого числа труб разных диаметров, вставленных одна в другую.

Наиболее распространенная барабанная сушилка представляет собой цилиндрический наклонный барабан с двумя бандажами, которые при вращении барабана катятся по опорным роликам. Материала поступает с приподнятого конца барабана через питатель, захватывается винтовыми лопастями, на которых он подсушивается, после чего перемещается вдоль барабана, имеющего угол наклона к горизонтали до 6°. Осевое смещение барабана предотвращается упорными роликами.

Материал перемещается в сушилке при помощи внутренней насадки, равномерно распределяющей его по сечению барабана. Конструкция насадки зависит от размера кусков и свойств высушиваемого материала. Насадка осуществляет механическую перевалку материала, сбрасывая его в поток сушильного агента. Ее назначение заключается в том, чтобы процесс теплообмена влажного материала с сушильным агентом осуществлялся по возможно большему поперечному сечению барабана. Наиболее целесообразна такая насадка, которая наименьшим образом распределяет, пересыпает, перемешивает материал и осуществляет его контакт с потоком сушильного агента, не забиваясь при этом и не нарушая транспортирования материала.

Насадка с точки зрения тепломассопереноса должна быть компактной, однако для надежности транспортирования интервал между элементами насадки должен быть как можно больше.

Обычно в барабанных сушилках материал и сушильный агент движутся прямотоком, благодаря этому предотвращается пересушивание и унос материала топочными газами в сторону, противоположную его движению.

Для уменьшения уноса при прямотоке скорость газов в барабане поддерживается не более 2-3 м/сек. Газы поступают из топки, примыкающей к барабану со стороны входа материала и снабженной смесительной камерой для охлаждения газов до нужной температуры наружным воздухом.

Высушиваемый материал проходит через подпорное устройство в виде сменного кольца или поворотных лопаток, посредством которых регулируется степень заполнения барабана, обычно не превышающая 20-25% его объема. Готовый продукт проходит через шлюзовой затвор, препятствующий подсосу наружного воздуха в барабан, и удаляется транспортером. Газы просасываются через барабан при помощи дымососа, установленного за сушилкой. Для улавливания из газов пыли между барабаном и дымососом включен циклон.

Барабан приводится во вращение посредством зубчатого венца, который находится в зацеплении с ведущей шестерней, соединенной через редуктор с электродвигателем. Скорость вращения барабана зависит от угла его наклона и продолжительности сушки; обычно барабан делает 1-8об/мин.

Преимуществами этих сушилок являются:

- интенсивность и равномерность сушки вследствие тесного контакта материала и сушильного агента;

- относительная простота и компактность устройства;

- большая производительность;

- большое напряжение барабана по влаге, достигает 100 кг/м³ и более;

- Большая экономичность, по сравнению с шахтными.

К недостаткам относятся:

- громоздкость при значительных затратах металла и необходимость сооружения специального помещения.

Большое распространение получили сушилки, в которых сырой материал поступает в барабан вместе с горячим сушильным агентом. При одинаковой крупности материала возможна и противоточная сушка. В этом случае транспортирование материала можно осуществлять только механическим путем навстречу потоку воздуха с помощью винтовых лопастей или наклона барабана. Перекрестное движение потоков осуществимо только в барабанах с перфорированными стенками.

2. Выбор типа барабанной сушилки и сушильного агента

Так как сушимый материал не боится загрязнений, то применяемая в качестве сушильного агента смесь дымовых газов и атмосферного воздуха с начальной температурой t_н=120?С. Дымовые газы рационально использовать и потому, что хлористый барий сушится при температуре выше 120?C. При этом также выявляется небольшая потребность в топливе, снижается металлоемкость, ниже себестоимость сушки. Сушилки, работающие на дымовых газах, более производительны и экономичны. Барабанные сушилки для сушки глины являются наиболее надежными и широко распространенными установками. Они просты по конструкции, удобны в обслуживании, работу их можно автоматизировать.

Верхний предел начальной температуры газов при сушке хлористый барий на практике колеблется от 962 до 1560?C и ограничивается технологическими параметрами.С целью недопущения снижения пластичности хлористый барий при сушке вследствие перегрева, а так же уменьшения пылеуноса принимаем для барабана прямоточную схему движения топочных газов. Прямоток также дает возможность быстрее придать материалу подвижность к транспортированию.

Описание технологической схемы сушильной установки

Влажный материал (-31-31-) поступает в бункер влажного материала Б1, откуда он через дозатор Д поступает в сушильный барабан. Топливо и воздух (3-3-) поступает в топку Т, где сжигается и после смесительной камеры топочные газы (-33-33-) поступают в сушильный барабан. Высушенный материал поступает в бункер высушенного материала Б2, из которого попадает на ленточный конвейер. Дымовые газы после барабана попадают в циклон Ц. Из циклона частицы материала, уносимые с дымовыми газами, также попадают на ленточный транспортер ТЛ транспортер. Топочные газы после циклона идут в мокрый пылеуловитель ПМ. Из него топочные газы уходят в атмосферу, а влажный материал направляется в Б1.

На ряду с прямотоком(противотоком) может применяться и противоток(прямоток). Для сжигания природного газа(мазута) выбираем камерную топку с смесительной горелкой(форсункой). Принцип этой горелки заключается в том, что воздух подается принудительно, коэффициент избытка воздуха б=1,2 . Дымовые газы из топки попадают в смесительную камеру где смешиваются со вторичным воздухом температура на выходе согласно заданию t_н^газ=120°С и с этой температурой газы поступают в качестве сушильного агента, смесь поступает в барабанную сушилку. Преимущество такой топки, в том, что она компактна, имеет более высокий кпд, и позволяет легко регулировать температуру смеси.

Описание сушимого материала

Хлористый барий, BaCl2, образуется при растворении в слабой соляной кислоте природного углекислого бария, витерита, далее при разложении соляной кислотой сернистого бария или при сплавлении сернокислого бария с углем и некоторыми хлористыми металлами. Последний метод употребляется чаще других, так как он легче выполним при крупном производстве, нежели остальные. Из хлористых металлов для этой цели берут или хлористый кальций, составляющий отброс при различных химических производствах, или хлористый марганец, побочный продукт при фабрикации хлорной извести. Реакция между сернокислым барием, хлористым кальцием и углем при краснокалильном жаре идет таким образом, что образуются хлористый барий, нерастворимый в воде сернистый кальций и окись углерода по следующему равенству:

BaSO4+CaCl2+4C = BaCl2+CaS+4CO.

Смесь всех этих веществ нагревают до плавления в пламенной печи, у которой под имеет небольшое чашеобразное углубление, и продолжают прокаливание до тех пор, пока над тестообразной расплавленной массой более не будет заметно огоньков горящей окиси углерода. Сплав вынимают из печи, оставляют охладиться в железном ящике и выщелачивают водой, причем хлористый барий переходит в раствор, а сернистый кальций остается нерастворенным. Раствор хлористого бария сгущают выпариванием в железных чренах и оставляют кристаллизоваться. Кристаллы отделяют от маточного раствора и высушивают. Они имеют состав BaCl 2 ·2Н 2 О и представляют ромбические таблички горького вкуса, сильно ядовитые, как и все вообще баритовые соли. 100 ч. воды растворяют при 0° 32,62 ч. ВаСl 2, а при 100° 58,8 ч.; в алкоголе эта соль почти нерастворима; из концентрированных водных растворов выделяется от прибавления крепкой соляной кислоты. Хлористый барий теряет свою кристаллизационную воду при 121°; безводная соль плавится при краснокалильном жаре и представляет по охлаждении прозрачную массу, уд. веса 3,7. Хлористый барий применяется для получения других баритовых солей и составляет необходимый реактив при химич. анализе. В технике он употребляется для очищения воды, идущей на питание паровых котлов. С этой целью к воде прибавляют известное количество хлористого бария, отвечающее содержанию в ней сернокислой извести или гипса, а затем еще приливают известкового молока; гипс удаляется хлористым барием, а кислые углекислые соли щелочных земель - известковым молоком.

3. Материальный баланс процесса сушки.

Определяем количество влаги W, кг/ч, испарившееся из материала по уравнению материального баланса продукта, подвергающегося сушке:

где G₁- производительность сушилки по сырому материалу, 8 т/ч = 8000 кг/ч;

w₁- начальная влажность материала на общую массу, 5%;

w₂- Конечная влажность материала на общую массу, 1,2%.

Определяем количество сухого материала G₂, кг/ч



G₂=G₁-W (2)

G₂=8000-307,7 =7692,3

Определяем количество влаги W _вл.н., кг/ч, содержащееся во влажном материале до сушки

Определяем количество влаги W_вл.к., кг/ч, содержащееся в высушенном материале :

Определяем содержание остаточной влаги W, кг/ч

W=W_вл.н-W_вл.к (5)

W=400 - 92,3 = 307,7

Составляем материальный баланс по абсолютно сухому материалу, расход по массе которого не изменяется в процессе сушки:

G_c=G₁(1-w₁)=G₂(1-w₂) (6)

G_c=8000(1-0,05)=7692,3(1-0,012)

G_c=7600=7600



Из справочной литературы, согласно вида высушенного материала, для сушки в барабанных сушилках выбираем тип насадки и напряжение барабана по влаге, т.е. количество влаги (кг), которое испаряется с 1м³ объема барабана за 1 час.

Для хлористого бария принимаем тип насадки подъемно - лопастной.

Определяем объем барабана V_бар , м³

m₀ - напряжение барабана по влаге, 2,0 м³/час

Принимаем отношение длины барабана к его диаметру:

n=5

Определяем диаметр барабана D, м



Принимаем D_бар=3,4

Уточняем V_бар

Определяем площадь сечения S, м²

Определяем длину барабана L_бар, м

Принимаем длину корпуса L_бар= 17 м.

Тогда отношение вполне допустимо.

Объемное напряжение барабана по влаге составит:



4.Расчет времени сушки

Время нахождения материала в барабане определяем по формуле :

Где: в-коэффициент заполнения барабана (принимаем согласно вида высушиваемого материала и типа насадки барабана) = 0,12%;

с-плотность хлористого бария (кг/м³) при средней ее влажности

щ_СР = 3,1 с_с = 3920 кг/м³ :

5.Расчет горения топлива

В качестве сушильного агента в конвективных сушилках применяют смесь топочных газов. При расчете сушильных установок необходимо знать основные физические параметры сушильного агента.

Топочные газы образуются при сжигании различных топлив и их использование в качестве сушильного агента имеет свои преимущества по

сравнению с сушилками с паровыми или водяными калориферами - большая экономичность по расходу топлива;

- меньшие габаритно-весовые показатели;

- меньшая инерционность по температуре сушильного агента.

К недостаткам сушилок с топочными газами следует отнести возможность засорения сушимого продукта сажей.

Состав топлива (мазут малосернистый) по массе (%):

W^p - 3,0%

A^p - 0,05%

S^p- 0,3%

C^p - 84,65%

H^p - 11,7%

N^p- 0.3%

O^p - 0.3%

Теоретическое количество воздуха по объему, необходимое для полного сгорания 1кг топлива, м³ воздуха/ кг топлива

сушка топливо барабан дымовой

Q_н^р=339C^Р+1030S H^p - 108,5(O^p - S^p)-25 W^p; м³/кг (18)

Q_н^р=339*84,65+1030*11,7- 108,5(0,3 - 0,3)-25*3=40672

L₀=0,0889*C^Р+0,265*H^Р-0,0333(O^Р - S^Р); кг/кг (19)

L₀=0,0889*84,65+0,265*11,7-0,0333(0,3 - 0,3)=10,6

Находим количество атмосферного воздуха при его влагосодержании:

L₀'=(1+0,0016*d₀) L₀ (20)

d₀- влагосодержании, 10,8 г на 1 кг сухого воздуха

L₀'=(1+0,0016*10,8)10,6=10,78



Действительное количество воздуха при коэффициенте избытка

Принимаем б - коэффициент избытка воздуха 1,2.

Для сухого воздуха

L_б=б* L₀ (21)

L_б=1,2*10,6=12,72

Для атмосферного воздуха

L_б'=б* L₀' (22)

L_б'=1,2*10,78=12,9

Количество и полный состав продуктов полного горения при б=1,2:

0,01855*84,65=1,57

(25)

(26)

(27)

(28)

Общее объемное количество продуктов горения



(29)

Рассчитать состав продуктов горения

Определяем влагосодержание продуктов горения, кг/кг:

Определяем энтальпию дымовых газов на 1 кг. сухих газов, кДж/кг:



Где: з - к.п.д. топки, принимаем 0,9;

С_т t_т - количество теплоты, С_т = 2,05 кДж/(кг* °С), t_т =80 °С;

Н₀ - энтальпия атмосферного воздуха, равна 40 кДж на 1 кг. сухого воздуха;

V_уд - удельный объем влажного воздуха при В = 99,4 кПа V_уд = 0,861 м³ на 1 кг. сухого воздуха.

По H-t диаграмме находим действительную температуру приложение 13, источник 5, при б = 1,2, t_г=1430/

6.Графические расчеты процессов сушки в H,d-диаграмме

Графический расчет процессов сушки в Н-d диаграмме.

Рассчитываем начальные параметры теплоносителя. Температура газов при входе в барабан t_н^газ =120 °С. Для получения такой температуры топочные дымовые газы разбавляем атмосферным воздухом. Приняв к.п.д. топки з=0.9, определяем количество воздуха, необходимого для смешивания с дымовыми газами. Для этого составляем уравнение теплового баланса топки и камеры смешивания на 1 кг сжигаемого топлива.



где: Н_воз - энтальпия поступающего для смешивания воздуха при температуре, кДж/кг

Н_дым - энтальпия дымовых газов при t^газ_н =120°С, Н_дым =246 кДж

Н_в^, - энтальпия воздуха при температуре 120 °С (таблица Vll.33),

Н_в^, =156,2 кДж/кг

Тогда:

Общее количество воздуха. Необходимое для горения 1 кг топлива и разбавления дымовых газов до заданной температуры составляем:

Общий коэффициент избытка воздуха.

Определяем влагосодержание разбавленных дымовых газов.



где: - объемы отдельных составляющих продуктов горения при б_общ = 19,07

Рассчитываем объем составляющих продуктов горения:

Таким образом:

Производим построение теоретического процесса сушки.

Точка К характеризуется параметрами Н_газ = 2289,7 кДж на 1 кг сухих газов и d_газ = 75,08 г на 1 кг сухих газов, а также А параметрами окружающего воздуха t₀ = 20°C b ц₀ = 75% (d₀ = 10,8 г).

По известным начальным параметрам сушильного агента (t_н^газ = 120°C и d_н =15,62)

Находим точку В - начало теоретического процесса сушки. Эта точка характеризует параметры сушильного агента ( смесь продуктов сгорания топлива с воздухом), поступающего в сушильный барабан. Соотношение между топочными газами (точки К) и воздухом (точка А) при смешивании их до заданных параметров (точка В) определяется зависимостью.

Где: - количество сухого воздуха. Необходимого для получения смеси с температурой t_н^газ =120°С

От точки В проводим линию Н_н^газ = const до пересечения с изотермой t_к^газ =80°С и определяем положение конечной точки процесса L₀. Теоретический процесс сушки на Н-d диаграмме изобразится линией ВС₀. Параметрами точки С₀ на 1 кг сухих газов являются постоянная энтальпия Н_н^газ =980 кДж и влагосодержание d₂ = 280 г.

Расход сухих газов по массе при теоретическом процессе сушки.

Построение действительного процесса в реальной сушилке сводится к определению направления линии сушки для чего находим удельное количество теплоты, отданное в окружающую среду поверхностью сушильного барабана и на нагрев материала.



где: - количество теплоты, расходуемой на нагрев сушимого материала, кДж/кг.

где: с_м - удельная теплоемкость высушенного материала при конечной влажности .

где: - теплоемкость,

- количество теплоты, потерянной сушилкой в окружающую среду.

где: б₁ - коэффициент теплоотдачи от газов к внутренней поверхности сушильного барабана равной 150 Вт/(м²*°С);

s₁ - толщина стенки барабана = 14 мм;

s₂ - толщина теплоизоляции барабана равна 40 мм;

и - теплопроводность соответственно стальной стенки

= 58,2 Вт/°С;

= 0,2 Вт/°С;

- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции в окружающую среду обычно принимаемый 12-15 Вт/(м²*°С), ;

- площадь боковой поверхности сушильного барабана

- разность температур газов рабочего пространства барабана и окружающего воздуха, °С

- средняя температура газов в барабане

где: средняя температура материала в барабане.

Следовательно:



Подставляем числовые значения в формулу :

Подставляем числовые значения в формулу :

Так как часть теплоты теряется, то энтальпия в конце процесса будет меньше энтальпии газов в начале процесса сушки, т.е .

Находим величину уменьшения энтальпии дымовых газов.

Откладываем на Н-d диаграмме значение = кДж на 1 кг сухих газов от точки С₀ вертикально вниз и получаем точку D, которую соединяем с точкой В. Линия BD показывает направление линии действительного процесса сушки с учетом тепловых потерь. Линия пересечения пучка действительного процесса сушки с линией = 120°С дает точку С - конца процесса сушки. При заданной конечной температуре процесса =65°С весь процесс в действительной сушилке выразился линией ВС. Следовательно, процесс пойдет по более крутой линии и конечная точка переместится по вертикали вниз от С до точки D на величину, равную потере теплоты, отнесенной к 1 кг сухого газа, проходящего через сушилку. Притом энтальпия уменьшается при постоянном влагосодержании, поскольку потери теплоты снижают температуру газов. Определяем на Н-d диаграмме конечное влагосодержание газов для точки С, d_к = 250 г на 1 кг сухих газов. 6.9 Действительный расход газов по массе на сушку составит.

Определяем количество теплоты на сушку.

Приняв к.п.д. топки з=0,9 определим количество подводимой теплоты в топку.

Определим тепловую мощность топки.

Расход топлива по массе составляет:



7.Материальный и тепловой баланс сушильного барабана

При установившемся процессе сушки количество влаги, поступающей в сушильный барабан с материалом и дымовыми топочными газами, должно быть равно количеству влаги, остающейся в материале, и влаги, ушедшей с дымовыми газами (баланс влаги) на 1 ч работы сушилки. Малая величина потерянной теплоты в окружающую среду объясняется применением тепловой изоляции. Проверим конструктивные размеры сушильного барабана.

Определяем объем сушильного барабана V_бар,м³ :

где: К_б--коэффициент, учитывающий долю объема барабана, занятого насадками и винтовыми направляющими (К_б=1,1 ...1,2) К_б=1,2;

Ф -- тепловой поток, передаваемый от газов к материалу и расходуемый на испарение влаги и нагрев материала:

Ф=( 2493+1,97*t_к^газ-4,2*t_н^м)*0,278*W+0,278*Q_м (61)

где: Q_м- количество теплоты, расходуемой на нагрев сушимого материала:



Ф=( 2493+1,97*65-4,2*20)*0,278*307,7+0,278*267576,66=291407,09=291,4

Определяем среднюю логарифмическую разность температур между газами и материалом в барабане для случая прямотока по формуле:

?t_ср=?t_макс-?t_мин/?2,3*lg*(?t_макс/?t_мин)( (62)

?t_макс= t_н^газ - t_н^м (63)

?t_макс=120-20=100

?t_мин= t_к^газ - t_к^м (64)

?t_мин =80-65=15

?t_ср=100-15/(2,3*lg*(100/15)=44,85

Принимаем объемный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к единице свободного объема барабана, не занятого перегородками и лопастями Вт/(м³*°С):

Таблица 1. Материальный баланс

Приходные статьи	Количество	Расходные статьи	Количество
	кг/ч	%		кг/ч	%
Влажного материала по массе, G1	8000	85,7	Высушенного материала по массе, G2	7692	82,4
Сухих дымовых газов, Gгаз	1312,83	14,06	Отходящих газов с водяными парами Gгаз+W	1620,53	17,36
Водяных паров в газах: Gв.п.	21,83	0,23	Невязка баланса	+22,13	0,23
Итого:	9334,66	100		9334,66	100



Определим количество водяных паров в газах:

8.Расчет удельного количества теплоты, топлива и к.п.д. сушилки.

Таблица 2. Тепловой баланс сушильного барабана

Приходные статьи	Количество теплоты	Расходные статьи	Количество теплоты
	Общее, кДж/ч	на 1 кг испаренной влаги, кДж	%		Общее, кДж/ч	на 1 кг испаренной влаги, кДж/кг	%
От сгорания топлива: Qгор=mт*Qpн	982635,52	319,35	88,39	На нагрев глины Qм	267576,66	76,86	24,07
				В окружающую среду Qп	174291,7	50,06	15,68
				На испарение и на нагрев влаги минерала: Qисп=(2493+1,97tгазк-4,2tмн)W	660508,8	189,73	59,41
				С отходящими газами, за исключением теплоты, уносимой испарившейся влагой Qух=(бобщL?0+ДV)mт *Нух	2508950,76	720,68	222,7
С атмосферным воздухом: Qв=бобщ* *L? 0Нвmт	129133,74	37,09	11,61	Потерянной в топке Qтоп=mтQрн(1-зтоп)	98263,55	28,23	8,84
				Невязка баланса	-2509384,96	- 720,8	-222,7
Итого:	1111769,26	356,44	100	Итого:	1111767,26	356,44	100



9. Расчет частоты вращения и мощности привода сушильного барабана

Определяем удельный расход сухих газов на 1 кг испаренной влаги:

l_см=1000/ (d₂-d_н) (66)

l_см=1000/(280-15,62)=3,78 кг

Удельное количество теплоты на 1 кг испаренной влаги составит:

q= Q_топ/W (67)

Определим количество теплоты потерянные в топке, кДж/ч:

q=98263,5/307,7=319,35 кДж

Удельный расход топлива на 1 кг испаренной влаги составит:

b = m_т/W (69)

b=24,16/307,7=0,08

Тепловой к.п.д. барабанной сушилки равен:

з= Q_исп/q (70)

Определим количество теплоты на испарение и нагрев влаги материала, кДж/ч;

з=189,73/319,35=0,59



10. Расчет частоты вращения и мощности привода сушильного барабана

Частоту вращения барабана определяем по формуле:

n= L_БАР/(a* t *D* tg б) (71)

где: a- коэффициент, зависящий от типа насадки и диаметра барабана.

Для подъемно лопастной насадки принимаем угол наклона барабана: б=3⁰ (tg =0,052)

n=17/(1.2*33840*3,4*0.052)=0,0024 об/с = 0,14 об/м

Мощность, необходимую на вращение барабана, определяем по формуле А.П.Ворошилова:

N=0,0013* D³_БАР* L_БАР*n* з*с_н (72)

где: з- коэффициент мощности для барабана

с_н- объемная насыпная масса хлористого бария в барабане при средней влажности , кг/м³

Следовательно:

N=0,0013*3,4³*17*0,14*4045*0,038=18,69 кВт

11 Аэродинамический расчет, подбор приборов для сжигания топлива и вентиляционных устройств

Расчет топочного устройства и подбор горелочного устройства



Объем топки V_т,м³:

V_т=Q_т/q_v (73)

q_v =(250000)кВт/м³

V_т=(40762*24,16)/250000=3,94 м³

Диаметр топки D_т, м:

D_т= (75)

D_т==1,36

Длина топки L_т, :

L_т=2* D_т (76)

L_т=2*1,36=2,72

Рассчитаем мощность горелки, мВт:

Q_г=(m_т *Q)/10⁶ (77)

Q_г=(24,16*984809,92)/10⁶=23,79

По рассчитанной мощности принимаем к установке газомазутную горелку с форсунками воздушного распыливания Оргмонтажэнергогаз ОЭН-75-ГМВ-6, номинальной производительностью-86 м³/ч, с давлением газа перед горелкой 1-1.5 кПа.

Определяем объемный расход воздуха V'_ВОЗ,м³/ч, необходимого для горения газа :

(78)

Определяем подачу воздуха вентилятором V_t, м³/ч, при температуре воздуха t₀ = 20°C (летние условия работы):

Вентилятор подбирают в зависимости от требуемых подачи и создаваемого давления, необходимого для преодоления сопротивлений воздушного тракта с целью нормальной работы горелки.

11.6 Принимаем полное давление, развиваемое вентилятором при плотности воздуха с_в=1,2 кг/м³: P_t = 250 Па. По таблицам выбираем центробежный вентилятор ВЦ-14-46, имеющего следующие характеристики: к. п. д. _в -- 0,6 .

11.7 Определяем мощность на валу электродвигателя N_ДВ, кВт, приняв к.п.д. привода для вентилятора, соединенного с двигателем при помощи эластичной муфты з_п=0,98:

Определяем установочную мощность электродвигателя N_уст, кВт, с учетом запаса.



где К -- коэффициент запаса мощности электродвигателя на пусковой момент, который принимают в зависимости от мощности на валу N_ДВ, кВт. К=1.1-1.2, К=1.2

Принимаем к установке электродвигатель типа АИР 56 А4, мощностью 0.12 кВт.

С целью понижения температуры дымовых газов, а также интенсивного перемешивания их с воздухом и предохранения загрузочной течки от быстрого перегорания воздух подают специальным вентилятором в подсводовое пространство смесительной камеры.

Определяем объемный расход холодного воздуха V''_в, м³/ч, необходимого для разбавления дымовых газов в камере смешивания:

(82)

С учетом температурной поправки подача воздуха вентилятором V_t, м³/ч

По таблице выбираем вентилятор ВЦ-14-46-2.5 с КПД равным 0.6.

Вентилятор соединяют с электродвигателем с помощью муфты, что требует соответствия частоты вращения его и двигателя. К. п. д. привода =0,98. 

Определяем мощность N_ДВ, кВт, на валу электродвигателя:

Определяем установочную мощность N_уст, кВт, двигателя

N_уст=K*N_дв (85)

N_уст=1,2*0,58=0,7

где: К -- коэффициент запаса мощности на пусковой момент, равный 1,2 .

Принимаем к установке электродвигатель типа АИР100L8, мощностью 1,5 кВт, 750 об/мин.

Определяем действительный объемный расход влажных отходящих газов V_см,м³/с, при выходе из сушильного барабана:

где g_cm -- расход газов по массе, выходящих из сушильного барабана, кг/ч

Определяем плотность уходящих дымовых газов с _см, кг/м³, при t^ГАЗ_К =80° С



По H,d-диаграмме при t^ГАЗ_К =80° С и d_K=250г на 1 кг сухих газов парциальное давление водяного пара в отходящих газах составит

Р_п = 22661Па

Тогда

Следовательно,

Сопротивление барабанной сушилки принимают 100--200 Па при скорости газа =1,7...2 м/с и коэффициенте заполнения = 20.7 %.

Наибольшее сопротивление движению газового потока оказывает батарейный циклон для очистки от пыли отходящих газов. Подбираем батарейный циклон с элементами диаметром D=150 мм, коэффициент гидравлического сопротивления элемент=90. Исходя из технико-экономических соображений, а также из требований надежности работы батарейных циклонов принимаем гидравлическое сопротивление батарейного циклона из соотношения (отношение перепада давления в циклоне к плотности газа): Принимаем

Определяем пропускную способность V_эл, м/с, через один элемент циклона по запыленному газу :

Определяем требуемое количество элементов циклона n:

Принимаем тип секции ПС-5-5, количество элементов в секции n=8. Располагаем их в 4 рядя по ходу газа ( 4 элементов в каждом ряду).

Определяем гидравлическое сопротивление циклона ,Па

ДР=550*с_см (91)

ДР=550*0,9=495

Начальная запыленность газа, поступающего в батарейный циклон, допускается до 100 г/м³. К. п. д. батарейного циклона зависит от фракционного состава пыли и в среднем колеблется от 78 до 95%.

Определяем скорость газов на выходе из барабана V_газ, м/с :



Определяем скорость газов н, м/с, в цилиндрической части циклонного элемента

Общее аэродинамическое сопротивление, которое должен преодолеть дымосос, складывается из следующих сопротивлений:

газоходов от топки до входа в сушильный барабан…………....100 Па

барабанной сушилки…………………………..………….................200

выходной газовой камеры от конца барабана до выходного патрубка циклона…………………………………………………….………………...50

батарейного циклона………………………………………..............495

Полное сопротивление сушильной установки составит = 845Па.

Обычно газы отсасываются вентилятором среднего давления, подачу которого рассчитывают из условий обеспечения скорости газов по массе в сечении барабана 2--3 кг/(с-м²) с учетом подсосов по газовому тракту в размере 50--70%.

Определяем подачу дымососа V_дым, м³, с учетом подсосов воздуха в размере 50%:

V_дым=V_cм*1,5 (94)

V_дым=1823,33*1,5=2735

При подборе дымососа следует учитывать запас давления примерно до 40% к общей сумме аэродинамических сопротивлений, Па. Соответственно:



ДР_су=845*1,4=1183

11.23 В качестве дымососа можно использовать обычный центробежный вентилятор среднего давления (желательно с охлаждением подшипников). Так как характеристики для подбора вентиляторов составлены для нормальных условий при Т₀=273+20 = 293° К, Па.

По этим данным (V_дым=2735 м³/ч и Р₀=1425,3 Па) подбираем центробежный вентилятор типа ВЦ-14-46-6.3: к.п.д. _B = 0,63.

Определяем мощность электродвигателя N_дв, кВт, вентилятора

где: -- к. п. д. передачи при помощи эластичной муфты, равный 0,98.

Определяем установочную мощность двигателя N_уст, кВт, при коэффициенте запаса мощности К=1,2, кВт.

N_уст=N_дв*К (97)

N_уст=1,75*1,2=2,1



Принимаем к установке двигатель серии АИР90L4 с номинальной мощностью 2,2 кВт. Дымосос и циклон необходимо изолировать в том случае, если ожидается охлаждение газов в них ниже 70--75 °С.

Вращающиеся барабанные сушилки обычно работают под полным давлением (585-635 Па), чтобы предотвратить выход в цех запыленных вредных топочных газов. Слишком большой подсос воздуха снизит температуру сушки, поэтому стремятся за счет уплотнений (лабиринтных радиальных и торцовых) снизить подсос воздуха до минимального предела.

12. Примерный расчет дымовой трубы

Определяем температуру газов в устье трубы t_у, °С, из условий понижения температуры по высоте = 1,5° С на 1 м для кирпичной трубы и 2--3° С в металлических нефутерованных трубах:

t_у=t_осн-30Дt (98)

t_у=80-30*1,5=35

Определяем среднюю температуру tср, °С ,газов в трубе:

Определяем среднюю плотность окружающего воздуха, кг/м³ :



Определяем диаметр устья трубы D_у, м, принимая скорость н_оу=4м/с, если плотность газов при давлении 101,3 кПа и t=80° С составляет ₀ = 1 кг/м³:

Принимаем D_y-0,12м.

Тогда

Определяем диаметр основания трубы D_осн, м:

D_OCH =l,5D_y =1,5*0,12=0,18 (103)

Определяем средний диаметр D_ср, м:

12.8. Определяем среднюю скорость газов в трубе н_ср, м/с:



При искусственной тяге высоту дымовой трубы выбирают с учетом санитарно-гигиенических требований и «Санитарных норм проектирования промышленных предприятий» . Металлические трубы изготовляют высотой не более 30--40 м. При сжигании сернистых топлив не следует применять металлические трубы вследствие их износа от коррозии за 3--4 года. Согласно санитарно-техническим нормам, дымовую трубу высотой 30 м допускают при суточном массовом расходе многозольного топлива до 5 т/ч. При работе на газе и мазуте высота дымовых труб может быть уменьшена, но она должна быть больше высоты зданий, расположенных вблизи сушильной или печной установки. Если в радиусе 200 м от сушильной установки имеются здания высотой более 15 м, минимальную высоту трубы принимают равной 45 м. В соответствии с требованиями пожарной охраны минимальную высоту дымовой трубы принимают не менее 16 м.

Кирпичные трубы выполняют высотой 30--70 м и диаметром не менее 800 мм для сушильных и печных установок средней и большой производительности. Железобетонные трубы выполняют высотой 80--150 м для тепловых установок большой и сверхбольшой мощности. Кирпичные и железобетонные трубы являются дорогими сооружениями, поэтому одну трубу устанавливают на 2--4 агрегата. Скорость газов на выходе из трубы выбирают в пределах 12--20 м/с. При колебании расхода топлива скорость в устье трубы не должна превышать 2-- 6 м/с. При скорости меньше 2 м/с возможны нарушения тяги трубы от воздействия ветра.

Принимаем к установке кирпичную дымовую трубу высотой ориентировочно H=30 м. При естественной тяге рассчитывают необходимую высоту дымовой трубы и ее диаметр. Расчетную скорость газов при выходе из трубы выбирают при условии минимальных ее сопротивлений, значительно более низкой, чем при искусственной тяге, (в пределах 6--10 м/с и не менее 4 м/с во избежание «задувания» трубы).



13. Расчет толщины теплоизоляционных покрытий

Определяем толщину тепловой толщины д_из, мм, из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:

где б₂- коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м² °К;

t_ст2- температура поверхности изоляции со стороны окружающей среды, для аппаратов, работающих в закрытом помещении не должна превышать t_ст2=45°С;

t_ст1- температура изоляции со стороны аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1, принимаем равный средней температуре между газами и материалом в барабане сушилки t_ст1=94,73;

t_ок- температура окружающей среды (воздуха), t_ок=20°С, пункт

Толщина изоляции д_из ,м



где: л_и- коэффициент теплопроводности изоляции, принимаем асботермит: л_и =0,112 Вт/м°К

14. Основные требования ПТЭ к сушилкам

Камеры сушилок должны быть герметичными. Двери камер должны иметь рычажные, клиновые, винтовые или другие устройства, плотно закрывающие их.

Если в конвейерных сушилках по условиям эксплуатации не могут быть устроены двери или конструкция сушилки не обеспечивает зону с нулевым давлением, у входа и выхода сушилки необходимо устраивать тепловые (воздушные) завесы.

Сушильные установки должны иметь тепловую изоляцию, обеспечивающую минимальные технологические потери теплоты.

При установке сушилок на открытом воздухе теплоизоляция должна быть влагостойкой с гидроизоляционным покрытием.

В сушильных установках, в которых происходит пропаривание материала или изделий, ограждающие конструкции должны покрываться слоем гидроизоляции.

В сушилках с принудительной циркуляцией воздуха должны устанавливаться ребристые или гладкотрубные подогреватели или пластинчатые калориферы. Для лучшего обеспечения стока конденсата пластинчатые калориферы должны устанавливаться вертикально.

Для обеспечения равномерного распределения воздуха в сушильной камере должны устанавливаться направляющие экраны, решетки и другие устройства. Сушилка материалов в камерных сушилках с неполными габаритами штабеля по высоте запрещается

При сушке порошкообразных или дробленых материалов удаляемый из сушилки воздух должен очищаться путем устройства пылеосадочных камер, сухих или мокрых циклонов, мультициклонов, матерчатых фильтров. В этих сушилках должна применяться рециркуляция воздуха.

Кратность рециркуляции воздуха должна быть определена расчетным путем с учетом режима взрывоопасных паров и пыли, выделяемой при сушке, и указана в инструкции по эксплуатации.

На рабочем месте работника, обслуживающего сушильную установку, должна быть режимная карта. При эксплуатации сушилки должен осуществляться контроль за параметрами теплоносителя! регламентируемыми температурами по зонам, за качеством высушиваемого материала с регистрацией показателей в оперативном журнале

Режим работы сушильных установок и характеристики работы основного и вспомогательного оборудования определяются энергетическими испытаниями, которые должны производиться:

после капитальных ремонтов сушилок;

после внесения конструктивных изменений или внедрения рационализаторских предложений;

для устранения неравномерности сушки, связанной с выходом бракованной продукции

При испытаниях сушилки должны определяться часовой расход и параметры греющего теплоносителя, температура и влажность сушильного воздуха в разных точках камеры, коэффициент теплопередачи нагревательных поверхностей, производительность вентиляторов и частота вращения электродвигателей (в сушилках с принудительной циркуляцией воздуха.



Список используемой литературы

1. В.Ф. Степанчука, Справочное пособие по теплотехническому оборудованию промышленных предприятий. Мн.: Высшая школа, 1983-256с.