Расчёт основных параметров барабанной сушилки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

2. РАСЧЕТ

2.1 Исходные данные

2.2 Параметры топочных газов, подаваемых на горение

2.3 Материальный баланс

2.4 Параметры отработанных газов. Расход сушильного агента

2.5 Определение основных размеров сушильного барабана

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение

В данном курсовом проекте выполнен расчёт основных параметров барабанной сушилки, а именно: параметров топочных газов на входе и выходе из сушилки, материальный баланс процесса, а также определены основные размеры барабанной сушилки.

Сушка - процесс удаления влаги из материалов путем испарения и отвода паровой фазы. В химической промышленности этот процесс применяется для улучшения качества продуктов, уменьшения массы, предохранения продуктов от слеживаемости, повышения транспортабельности и т.д. [2].

По своей физической сущности мушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена) [3].

Сушка характеризуется статикой и кинетикой. Статика сушки устанавливает связь между начальными и конечными параметрами высушиваемого материала и сушильного агента на основе уравнений материального и теплового балансов. Из статики сушки определяют состав материала, расход теплоты и сушильного агента. Кинетика сушки устанавливает связь между изменением влажности материала во времени и параметрами процесса. Уравнения кинетики сушки характеризуют процесс удаления влаги из материала во времени и предназначены для определения продолжительности и режима сушки [2]. По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

1. конвективная сушка - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы;

2. контактная сушка - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3. радиационная сушка - путем передачи тепла инфракрасными лучами;

4. диэлектрическая сушка - путем нагревания в поле токов высокой частоты;

5. сублимационная сушка - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной [3].

При проектировании установки должны быть заданы:

1. характеристики материала, подвергаемого сушке (вид материала, его начальная и конечная влажность, начальная и максимально допустимая температура);

2. производительность сушильной установки по сырью;

3. сушильный агент (параметры сушильного агента на входе в сушилку и на выходе из нее, максимально допустимая температура сушильного агента);

4. продолжительность процесса сушки.

В процессе расчета необходимо определить:

1. тип сушильной установки (конструкция сушильной камеры, способ подвода теплоты, вариант сушильного процесса);

2. производительность сушильной установки по высушенному материалу, количество удаляемой влаги;

3. основные физические параметры сушильного агента воздуха, топочных газов;

4. удельный и общий расход сушильного агента и теплоты на сушку;

5. основные размеры сушилки и ее конструктивные элементы;

6. продолжительность сушки [2].

1. Технологическая схема

Рис. 1. Принципиальная схема барабанной сушилки:

где 1 - бункер;

2 - питатель;

3 - сушильный барабан;

4 - топка;

5 - смесительная камера;

6, 7, 11 - вентиляторы;

8 - промежуточный бункер;

9 - транспортер;

10 - циклон;

12 - зубчатая передача;

Принципиальная схема прямоточной барабанной сушильной установки показана на рис. 1. Влажный материал из бункера 1 с помощью питателя 2 подается во вращающийся сушильный барабан 3. Параллельно материалу в сушилку подается сушильный агент, образующийся от сгорания топлива в топке 4 и смешения топочных газов с воздухом в смесительной камере 5. Воздух в топку и смесительную камеру подается вентиляторами 6 и 7. Высушенный материал с противоположного конца сушильного барабана поступает в промежуточный бункер 8, а из него на транспортирующее устройство 9.

Отработанный сушильный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне 10. При необходимости производится дополнительное мокрое пылеулавливание.

Транспортировка сушильного агента через сушильную установку осуществляется с помощью вентилятора 11. При этом установка находится под небольшим разрежением, что исключает утечку сушильного агента через неплотности установки.

Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 12.

2. Расчёт

сушилка топочный теплота барабанный

2.1 Исходные данные

a) Производительность сушилки по высушенному материалу G₂ = 0.01 т/ч

b) Начальное влагосодержание w_H = 7%;

c) Конечное влагосодержание w_K = 1%;

d) Топливо - природный газ, температура топочных газов на входе в барабан 350 ^oC.

2.2 Параметры топочных газов, подаваемых на горение

В качестве топлива используется природный газ следующего состава:

CH₄ - 92%; C₂H₆ - 0.5%; H₂ - 5%; CO - 1%; N₂ - 1.5%.

Теоретическое количество сухого воздуха L_o, затрачиваемого на сжигание 1 кг топлива, равно [1]:

, (1.1)

Где составы горючих газов выражены в объемных долях. Подставив соответствующие значения, получим:

кг/кг.

Для определения теплоты сгорания топлива воспользуемся характеристиками горения простых газов [1], представленных в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Характеристика горения простых газов

Газ	Реакция	Тепловой эффект реакции, кДж/м3
Водород Оксид углерода Метан Этан	H2 + 0.5CO2 = H2O CO + 0.5O2 = CO2 CH4+2O2 = CO2 + H2O C2H6 + 3.5O2 = 2CO2+3H2O	10810 12680 35820 63750

Количество тепла Q_v выделившееся при сжигании 1м³ газа, равно [1]:

, [кДж/м³m], (1.2)

где Q_эл - тепловой эффект реакции горения простого газа.

,

кДж/м³m.

Плотность газообразного топлива ?_m равна

, (1.3)

где M_i - молярная масса i-того компонента топлива, кмоль/кг;

t_T - температура топлива, равная 20 ^oС;

v_o - молярный объем, равный 22,4 м³/кмоль;

Т_о - термодинамическая температура, равная 273 К.

Подставив значение в формулу (1.3), получим:

кг/м³

Количество тепла, выделяющегося при сжигании 1 кг топлива:

, (1.4)

.

Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчете на 1 кг сжигаемого топлива, определяется общим коэффициентом избытка воздуха ?, необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов до температуры смеси t_СМ = t_H = 350 ^oC.

Значение ? находим из уравнений материального и теплового балансов.

Уравнение материального баланса [1]:

, (1.5)

где L_с.г. - масса сухих газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива;

C_mH_n - массовая доля компонентов, при сгорании которых образуется вода, кг/кг.

Уравнение теплового баланса [1]:

, (1.6)

где ? - 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 t_T = 20 ^oC, равная 1,34 кДж/кг·К;

I_o - энтальпия свежего воздуха [1], равная 41,44 кДж/кг;

I_с.г. - энтальпия сухих газов кДж/кг;

, (1.7)

С_с.г. и t_с.г. - теплоемкость и температура сухих газов;

С_с.г. = 1,059 кДж/кг·К [1], t_с.г. = 350 ^оС;

х_о - влагосодержание свежего воздуха, при температуре t_о = 18 ^оС и относительной влажности ?_о = 72%, х_о = 0,00924 кг/кг сухого воздуха.

i_п - энтальпия водяных паров, кДж/кг;

, (1.8)

r_o - теплота испарения воды при температуре 0 ^оС, равная 2493,1 кДж/кг;

С_п - средняя теплоемкость водяных паров, равная 1,97 кДж/кг·К;

t_п - температура водяных паров t_п = 350 ^оС.

Решая совместно уравнения (1.5) и (1.6), получим [1]:

(1.9)

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

(1.10)

где C_mH_n - объемная доля компонента в смеси;

V_m - молярный объем, равный 22,4 моль/л;

?_Т - плотность газообразного топлива, кг/м³;

Т_о - абсолютная температура, К;

t_T - начальная температура топлива, ^оС.

СН₄ = 0,92·16·273/[22,4·0,6518(273 + 20)] = 0,9394,

С₂Н₆ = 0,005·30·273/[22,4·0,6518(273 + 20)] = 0,0096,

Н₂ = 0,05·2·273/[22,4·0,6518(273 + 20)] = 0,0064.

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

кг/кг (1.11)

Коэффициент избытка воздуха выразим из уравнения (1.9):

, (1.12)

где Q - количество тепла, выделяющееся при сжигании 1 кг топлива.

.

Общая удельная масса сухих газов, получаемых при сжигании 1 кг топлива и разбавлении топочных газов воздухом до температуры смеси 350 ^оС равна [1]:

, (1.13)

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

, (1.14)



Влагосодержание газов на входе в сушилку на 1 кг сухого воздуха равно [1]:

(1.15)

Энтальпия газов на входе в сушилку [1]:

, (1.16)

2.3 Материальный баланс

Исходя из материального баланса выведем формулу для определения количества жидкости по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале [4]:

, (1.17)

, (1.18)

, (1.19)

, (1.20)

, (1.21)



Количество влажного материала поступающего на сушку [4]:

(1.22)

2.4 Параметры отработанных газов. Расход сушильного агента

Температуру материала на входе в сушилку определяем по уравнению (1.16), для начальных параметров сушильного агента: х₁ = 0.0273 кг/кг;

I₁ = 457.44 кДж/кг; t_МТвх = 59.45 ^оС.

Примем теплообменный КПД равным 0.95, тогда температура сушильного агента на выходе из сушилки равна:

, (1.24)

.

Уравнение внутреннего теплового баланса сушилки [4]:

, (1.25)

где ? - разность между удельным расходом и приходом тепла в сушильной камере, кДж/кг(влаги);

q_Мвых - удельные потери тепла с высушиваемым материалом, кДж/кг(влаги) q_Мвх - удельный подвод тепла с материалом поступающим на сушку, кДж/кг(влаги) q_П - тепловые потери в окружающую среду, принимаем 10% от тепла Q, вынесенного из сушилки с парами влаги, испарившейся из материала.

, (1.26)

,

,

, (1.27)

где - С_Жвх - теплоемкость влаги во влажном материале при начальной температуре материала, кДж/кг·К;С_Ж = 4.19 кДж/кг·К [4]

C_М - теплоемкость абсолютно сухого материала, кДж/кг·К,

С_Мвх = 0.8 кДж/кг·К [4]

кДж/кг(влаги),

, (1.28)

кДж/кг(влаги).

кДж/кг(влаги)

Влагосодержание сушильного агента на выходе из сушилки:

, (1.29)

где С_c.r. - теплоемкость сухих газов на выходе из сушилки, кДж/кг·К,

C_c.r. = 1.005 кДж/кг·К [4]

кг/кг.

Энтальпия газов на входе в сушилку [4]:

, (1.30)

кДж/кг.

Температуру материала по уравнению (1.29), для конечных параметров сушильного агента: X₂ = 0.1172 кг/кг; I₂ = 383.94 кДж/кг; t_МТвых = 56.64 ^оС.

Уточняем КПД сушилки:

. (1.31)

Расход сухого воздуха [4]:

, (1.32)

кг/с.

Расход топочных газов [4]:

, (1.33)

кг/с.

Расход тепла на сушку [4]:

, (1.34)

.

Расход топлива на сушку:

, (1.35)

.

2.5 Определение основных размеров сушильного барабана

Объем сушильного пространства V складывается из объема V_n, необходимого для прогрева влажного материала до температуры, при которой начинается интенсивное испарение влаги (до температуры мокрого термометра) и объема V_c, требуемого для проведения процесса испарения влаги, то есть V = V_c + V_n. Объем сушильного пространства барабана вычисляем по уравнению массопередачи [1]:

, (1.36)

где ?X_ср - средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³;

К_? - объемный коэффициент массопередачи, 1/с.

К_? = ?_? (при параллельном движении материала и сушильного агента).

Для барабанной сушилки коэффициент массопередачи ?_?, вычисляется по эмпирическому уравнению [1]:

, (1.37)

где ?_СР - средняя плотность сушильного агента, кг/м³;

С - теплоемкость сушильного агента при средней температуре в барабане, равной 1.0289 кДж/кг·К [1];

? - относительное заполнение барабана высушиваемым материалом, %;

Р_о - давление, при котором осуществляется сушка, Па;

Р - среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па.

Уравнение (1.37) справедливо для значений [1]:

, (1.38)

n = 1.5 - 5 об/мин, ? = 10 - 25%.

В данном случае у нас песок с размером d_r = 0.2 мм и насыпной плотностью 1200 кг/м³ [1].

Принимаем скорость газов в барабане ? = 1.47 м/с.

Средняя температура в барабане:

.

Плотность сушильного агента при средней температуре в барабане [4]:

, (1.39)

.

При этом ?·?_ср = 1.47·0.7288=1.07 кг/м³·с, что не нарушает справедливости уравнения (1.38). Принимаем частоту вращения барабана [4] n = 5 об/мин. Для рассматриваемой конструкции сушильного барабана (степень заполнения барабана) ? = 20.6% [4]. Процесс сушки осуществляется при атмосферном давлении, то есть Р_о = 101330 Па.

Парциальное давление водяных паров в газе определим по уравнению:

, (1.40)

Тогда на входе в сушилку:

На выходе из сушилки:

Отсюда среднеарифметическое будет равно:

Таким образом, объемный коэффициент массопередачи равен:

.

Движущую силу массоотдачи ??x_cp определим [4]:

, (1.41)

где - движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³;

- движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³;

и - равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м³. Средняя движущая сила и ?Р_ср, выраженная через единицы давления (Па), равна:

, (1.42)

где и - давления насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па.

Значения и определяем по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале () и в конце () процесса сушки по уравнению:

Па

Па

Откуда получаем:

Па,

кг/м³.

Объем сушильного барабана, необходимый для изменения процесса испарения влаги, без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материала, находим по уравнению (1.36):

м³.

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

, (1.43)

где Q_n - расход тепла на нагрев материала до температуры , кВт;

k_? - объемный коэффициент теплопередачи, кВт/м³·К;

?t_cp - средняя разность температур, ^оС.

Расход тепла равен [4]:

, (1.44)

Объемный коэффициент теплопередачи определим по эмпирическому уравнению [4]

, (1.45)

кВт/м³·К.

Для вычисления ?t_cp, необходимо найти температуру сушильного агента t_x, до которой он охладится от t_н до , отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до . Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса [4]:

, (1.46)

,

t_x = 303.92 ^oC. Средняя разность температур равна [4]:

, (1.47)

^оС.

Подставляем полученные данные в уравнение (1.43):

м³.

Общий объем сушильного барабана равен:

м³

Далее по справочным данным находим основные характеристики барабанной сушилки. Ее основные характеристики представлены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 Характеристики барабанной сушилки

Показатели	Значение
Внутренний диаметр барабана, м	0,2
Длина барабана, м	1,1
Толщина стенок наружного цилиндра, мм	10,0
Объем сушильного пространства, м3	0,03
Число ячеек, шт	25,0
Частота вращения барабана, об/мин	1,0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполненных расчётов в данном курсовом проекте были определены основные размеры и характеристики барабанной сушилки: были определены параметры топочных газов на входе и выходе из сушилки, а также их расход, составлен материальный баланс процесса сушки.

В конечном счете получили барабанную сушилку со следующими характеристиками: длина барабана - 1,1м, внутренний диаметр барабана - 0,2 м, толщина стенок - 10 мм и частота вращения барабана - 1 об/мин.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Дытнерский Ю.И. - Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию - 2-е издание переработанное и дополнённое. М., «Химия»,1991. - 496с.

2. Иоффе И.Л. - Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с., ил.

3. Касаткин А.Г. - Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.,. «Альянс», 2006. - 753с.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. - Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л., «Химия», 1987. - 576с.

Размещено на Allbest.ru