Расчет сушилки с кипящем слоем

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Курсовой проект

По дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии (ч.2)»

г. Новотроицк - 2015г



Аннотация

сушилка кипящий теплообменный

Курсовая работа изложена на -- странице. Выполнены: материальный, тепловой, гидродинамический, гидравлический и конструктивный расчеты сушилки с кипящим слоем. Произведен подбор вспомогательного оборудования.

Пояснительная записка: 32 страниц, содержит 17 рисунков, 1 таблица, список использованных источников из 9 наименований.

Сушильный аппарат, сушка, калорифер, схема процесса СКС.

Графическая часть включает в себя 1 чертеж формата А1.

Annotation

A term paper is expounded on 54 pages. Executed: material, thermal, hydrodynamic, hydraulic and structural calculations of dryer with a boiling layer. The selection of ancillaries is produced.

Explanation message: 32 pages, contains 17 pictures, 1 table, list of the used sources from 9 names.

Drying vehicle, drying, heater, chart of process of DBL.

Graphic part plugs in itself a 1 draft of format of А1.



Введение

На сегодняшний день химическая промышленность одна из самых важных и крупнотоннажных отраслей народного хозяйства.

Роль химической промышленности как отдельной отрасли в нашей стране на столько велик, что по некоторым параметрам, например, по выпуски синтетических волокон, минеральных удобрений, других химических продуктов и веществ, она обогнала некоторые развитые европейские страны.

Совершенствование химической техники направлено на повышение производительности труда, улучшение качества готовой продукции и снижение её себестоимости.

Главные направления в развитии химической промышленности:

- увеличение мощностей химико-технологических систем и отдельных аппаратов путём повышения их размеров;

- интенсификация работы аппаратов;

- механизация трудоёмких процессов;

- создание безотходных производств;

- замена периодических процессов непрерывными и др.

Процесс сушки широко распространен в химической отрасли: сушка минеральных удобрений, солей, органических веществ, синтетических красителей, химических волокон, тканей, строительных материалов и др.

Во многих случаях сушка является одной из важнейших операций, определяющих не только качество готовой продукции, но и технико-экономические показатели производства в целом.

В химической промышленности процесс сушки имеет специфические особенности, так как часто сопровождается химическими реакциями или какими-либо термическими процессами. Кроме того, материалы и вещества, подвергаемые сушке, чрезвычайно разнообразны по физическим и химическим свойствам, а технология производства получаемых продуктов весьма различна. В моём курсовом проекте процесс сушки рассматривается со стороны непрерывного действия в сушилке с кипящем слоем.

Сушка различных материалов в кипящем слое получила широкое распространение благодаря специфике процесса. Во-первых, эти методом можно высушивать зернистые, сыпучие, пастообразные и жидкие материалы; во-вторых, процесс протекает очень интенсивно. Даже при сушке комкующихся и плохосыпучих материалов не возникало нарушений работы установки, так как слой является своеобразным ретуром предварительно подсушенного продукта.

В установках с кипящем слоем можно одновременно проводить несколько процессов: сушку и обжиг, сушку и классификацию по размерам частиц, сушку и гранулирование и т.д. Однако эти сушилки имеют и недостатки: повышенный расход электроэнергии, невысокая интенсивность процесса при сушке тонкодисперсных продуктов.



1. Теоретические основы сушки

Сушка, удаление жидкости (чаще всего влаги - воды, реже иных жидкостей, например летучих органических растворителей) из веществ и материалов тепловыми способами. Осуществляется путем испарения жидкости и отвода образовавшихся паров при подводе к высушиваемому материалу теплоты, чаще всего с помощью так называемых сушильных агентов (нагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы, перегретый пар). Сушке подвергают влажные тела: твердые-коллоидные, зернистые, порошкообразные, кусковые, гранулированные, листовые, тканые и другие (эта группа высушиваемых материалов наиболее распространена); пастообразные; жидкие-суспензии, эмульсии, растворы.

Цель сушки, широко применяемой в производствах химико-лесного комплекса, металлургических комплексов, пищевой, строительных материалов, кожевенной, легкой и других отраслях народного хозяйства, - улучшение качества веществ и материалов, подготовка их к переработке, использованию, транспортированию и хранению. Данный процесс часто является последней технологической операцией, предшествующей выпуску готового продукта. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми механическими способами, окончательно-тепловыми.

Естественную сушку на открытом воздухе из-за значительной продолжительности используют крайне редко и главным образом в районах с теплым климатом. В химических производствах применяют, как правило, искусственную сушку, проводимую в специальных сушильных установках, в состав которых входят: сушильный аппарат, или сушилка, где непосредственно протекает процесс; вспомогательное оборудование-теплообменные аппараты (калориферы), тягодутьевое устройство (вентилятор, воздуходувка) и система пылеочистки соответственно для нагревания сушильного агента, пропускания его через сушилку и отделения от высушенного продукта.

По способу подвода теплоты к влажному телу различают следующие виды сушки: конвективную (в потоке нагретого сушильного агента, выполняющего одновременно функции теплоносителя и влагоносителя транспортирующей среды, в которую переходит удаляемая влага, и в ряде случаев способствующего созданию необходимой гидродинамической обстановки); контактную (при соприкосновении тела с нагретой поверхностью); диэлектрическую (токами высокой частоты); сублимационную (вымораживанием в вакууме); радиационную (ИК излучением); акустическую (с помощью ультразвука). В народном хозяйстве используют преимущественно первые два вида, в химических производствах-конвективную. Остальные виды применяют весьма редко и называют обычно специальными видами сушки.

При любом виде сушки ее влажный объект находится в контакте с влажным газом (в основном с воздухом). Поэтому знание их параметров необходимо при описании процессов сушки и их расчетах. Основные параметры: влажного тела - влагосодержание и (отношение массы влаги к массе абсолютно сухой части); влажного газа - температура t, влагосодержание x (отношение массы паров к массе абсолютно сухой части), относительная влажность ц (отношение массы пара в данном объеме к массе насыщенного пара в том же объеме при одинаковых условиях), удельная энтальпия I, равная сумме удельных энтальпий абсолютно сухой части и паров, росы точка, температура мокрого термометра (температура адиабатического насыщения) [1].

2. Виды сушильных аппаратов

В соответствии с многообразием высушиваемых материалов, их свойств и условий обработки конструкции сушилок также очень разнообразны и отличаются: по способу подвода теплоты (конвективные, контактные, специальные); по виду сушильного агента (воздушные, газовые, паровые); по давлению в сушильной камере (атмосферные, вакуумные); по способу организации процесса (периодического или непрерывного действия); по взаимному направлению движения высушиваемого материала и сушильного агента (в конвективных аппаратах-прямоток, противоток, перекрестный ток); по состоянию слоя влажного материала в аппарате (с неподвижным, движущимся или взвешенным слоем). Ниже рассмотрены применяемые в химических производствах сушилки, которые объединены по способу подвода теплоты [1].

Конвективные сушилки. Необходимая для сушки теплота обычно доставляется нагретым воздухом, топочными газами либо их смесью с воздухом. Если не допускается соприкосновение высушиваемого материала с кислородом воздуха или если пары удаляемой влаги огнеопасны, сушильными агентами служат инертные газы (N2, СО2 и др.) либо перегретый водяной пар. В простейшем случае сушильный процесс осуществляется таким образом, что сушильный агент, нагретый до температуры, предельно допустимой для высушиваемого материала, однократно используется в аппарате. Для термолабильных материалов (например, полиэтилена) сушильный агент только частично подогревается в основном калорифере, а остальную теплоту получает в дополнительных калориферах, установленных в сушильной камере. В случае материалов, сушка которых требует (для предотвращения усадки) повышенного влагосодержания теплоносителя и невысоких температур (например, древесина, формованные керамические изделия), применяют сушилки с рециркуляцией части отработанного воздуха, а также сушилки с промежуточным его подогревом между отдельными зонами и одновременной рециркуляцией. Для сушки огне- и взрывоопасных материалов или при удалении из высушиваемых материалов ценных продуктов (углеводороды, спирты, эфиры и др.) используют сушилки с замкнутой циркуляцией потока инертных газов либо воздуха.

Камерные сушилки. В них высушиваемый материал находится неподвижно на полках, установленных в одной или нескольких сушильных камерах. Засасываемый вентилятором и нагретый в калориферах воздух проходит между полками над материалом. Сушилки работают периодически при атмосферном давлении и применяются в малотоннажных производствах для материалов с невысокой температурой сушки (например, красители).

Камерные сушилки обладают существенными недостатками, к числу которых относятся:

1) большая продолжительность сушки, т.к. слой высушиваемого материала неподвижен;

2) неравномерность сушки;

3) потери тепла при загрузке и выгрузке камер;

4) трудные и негигиеничные условия обслуживания и контроля процесса;

5) сравнительно большой расход энергии из-за недостаточной полноты использования тепла сушильного агента (особенно в конечный период сушки).

Туннельные сушилки (рисунок 1) - камерные сушилки непрерывного действия. Представляют собой длинные (типа коридора) камеры, внутри которых по рельсам перемещаются тележки (вагонетки) с лежащим на лотках или противнях высушиваемым материалом. Нагретый воздух обтекает лотки прямо- или противотоком; возможна рециркуляция воздуха. Эти сушилки используют для сушки кирпича, керамических изделий, окрашенных и лакированных металлических поверхностей, пищевых продуктов и т.п. Существенный недостаток туннельных сушилок - неравномерность сушки вследствие расслоения нагретого и холодного воздух.

1-камера (коридор); 2-вагонетки; 3-вентиляторы; 4-калориферы.

Рисунок 1 - Туннельная сушилка

Ленточные сушилки (рисунок 2) обычно выполняют в виде многоярусного ленточного транспортера, по которому в камере, действующей при атмосферном давлении, непрерывно перемещается материал, постепенно пересыпаясь с верхней ленты на нижележащие (скорость каждой ленты 0,1-1 м/мин). Сушильный агент может двигаться со скоростью не более 1,5 м/с прямо- или противотоком, а также сквозь слой материала при наличии перфорированной ленты. Эти сушилки компактнее, чем камерные и туннельные, и отличаются большей интенсивностью сушки, однако также сложны в обслуживании из - за необходимости ручного труда, перекосов и растяжений лент. Область применения - сушка зернистых, гранулированных, крупнодисперсных и волокнистых материалов; непригодны для сушки тонкодисперсных пылящих материалов. Для сушки последних используют ленточные сушилки с формующими питателями, например рифлеными вальцами (вальце-ленточные сушки).

1-камера; 2, 6-загрузочный и разгрузочный бункеры; 3 - ленточный транспортер; 4 - калорифер; 5- вентилятор.

Рисунок 2 - Ленточная сушилка

Для обезвоживания пастообразных и листовых (например, бумаги) материалов иногда служат непрерывно действующие при атмосферном давлении петлевые сушилки (рисунок 3) - разновидность ленточных сушилок. Влажный материал с помощью питателя подается на бесконечную сетчатую ленту, вдавливается в ее ячейки, проходя через обогреваемые паром валки, после чего поступает в сушильную камеру, где движущаяся сетка образует ряд петель. Посредством автоматического ударного устройства высушенный материал сбрасывается в разгрузочный шнек. Горячий сушильный агент движется поперек ленты. Такие сушилки обычно работают с промежуточным подогревом воздуха, частичной рециркуляцией его по зонам и обеспечивают большую скорость сушки по сравнению с камерными сушилками, но конструктивно сложны и требуют значительных эксплуатационных расходов.

1-питатель; 2-лента; 3-валки; 4-автоматич. ударное устройство; 5-разгрузочный шнек; 6-вентиляторы.

Рисунок 3 - Петлевая сушилка

Барабанные сушилки (рисунок 4) распространены благодаря высокой производительности, простоте конструкции и возможности непрерывно сушить при атм. давлении мелкокусковые и сыпучие материалы (колчедан, уголь, фосфориты, минеральные соли и др.). Такая сушилка представляет собой установленный с небольшим наклоном к горизонту (угол a до 4°) цилиндрический барабан с бандажами. Последние при вращении барабана (с помощью зубчатого колеса от электропривода) с частотой 5-6 мин1: катятся по опорным роликам; осевое смещение барабана предотвращается опорно-упорными роликами. Влажный материал через питатель поступает в барабан и равномерно распределяется по его сечению размещенными внутри насадками. Тесно соприкасаясь при пересыпании с сушильным агентом, например топочными газами (возможен также контактный подвод теплоты через специальную трубчатую насадку), материал высушивается и движется к разгрузочному отверстию в приемном бункере. Газы поступают из примыкающей к барабану топки и просасываются прямотоком через него вентилятором со скоростью 0,5-4,5 м/с; для улавливания из газов пыли между барабаном и вентилятором установлен циклон. Напряжение рабочего объема барабана по испаренной влаге достигает 200 кг/(м3/ч).

1-барабан; 2-питатель; 3-бандажи; 4-зубчатое колесо; 5 - вентилятор; 6-циклон; 7-приемный бункер; 8-топка.

Рисунок 4 - Барабанная сушилка

Сушилки со взвешенным слоем характеризуются высокими относительными скоростями движения фаз и развитой поверхностью контакта. Основные гидродинамические режимы работы: пневмотранспорт; закрученные потоки; псевдоожижение; фонтанирование. При существенном уменьшении в процессе сушки массы частиц дисперсного материала применяются режимы свободного фонтанирования и проходящего кипящего слоя. Среди этих сушилок наиболее распространены пневматические, вихревые камеры, аппараты с кипящим и фонтанирующим слоем, вибрационные.

Пневматические сушилки (рисунок 5) представляют собой одну или несколько последовательно соединенных вертикальных труб длиной 15-20 м. В них через питатель подается влажный материал и вентилятором снизу нагнетается воздух, нагретый в калорифере. Материал увлекается потоком воздуха, движущимся со скоростью 15-25 м/с. В циклоне сухой материал отделяется от воздуха и удаляется через разгрузочное устройство; воздух через фильтр выводится в атмосферу. Для активизации режима сушки в трубы-сушилки вставляют турбулизаторы (расширители, отклоняющие пластины, завихрители и т.п.). Вследствие кратковременности контакта

(1-5 с) такие сушилки пригодны для обработки термически нестойких материалов даже при высокой температуре сушильного агента; их отличают также компактность, простота конструкции, но одновременно повышенные расходы электроэнергии и теплоты (до 8,4 кДж/кг влаги).

Вихревые сушильные камеры - наиболее интересные представители аппаратов с закрученными потоками сушильного агента. Эти камеры представляют собой дисковые аппараты, напоминающие центробежный вентилятор с тангенциальным подводом теплоносителя. Влажный сыпучий или волокнистый материал загружается питателем через боковую часть камеры и под действием газовых струй закручивается, образуя в аппарате кольцевой вращающийся слой. Скорость истечения газа 50-80 м/с, время пребывания в камере материала 10-20 с и 2-3 мин для частиц размером соотв. 0,1-0,2 и 3-4 мм.

1-бункер; 2-питатель; 3-труба; 4-вентилятор; 5-калорифер; 6-сборник-амортизатор; 7-циклон; 8-разгрузочное устройство; 9- фильтр.

Рисунок 5 - Пневматическая сушилка

Сушилки с кипящим слоем (КС, рисунок 6) бывают постоянного, расширяющегося, прямоугольного, а также круглого сечения (в последних меньше вероятность образования застойных зон). Работа таких аппаратов существенно зависит от конструкции газораспределительных решеток, по которым перемещается материал и которые могут быть плоскими, выгнутыми, выпуклыми, с отверстиями различной конфигурации; через них снизу продувается предварительно нагретый сушильный агент (объемный коэффициент теплоотдачи 6-12 кВт/(м*К)). Используют одно- и многосекционные сушилки. В односекционных аппаратах, применяемых часто для удаления поверхностной влаги (удельный влагосъем достигает 1000 кг с 1 м2 решетки), вследствие близости по гидродинамике к аппаратам идеального смешения наблюдается значительный разброс времен пребывания частиц материала, что приводит к неравномерности сушки; многосекционные сушилки обеспечивают большую равномерность высушивания материала. Аппараты с КС позволяют обрабатывать разнообразные сыпучие материалы; сушка паст, суспензий и растворов возможна в кипящем слое инертных частиц (на их нагретой поверхности). Достоинства сушилок с кипящим слоем: интенсивность сушки; возможность высушивания при высоких температурах, высокая степень использования тепла сушильного агента, возможность автоматического регулирования параметров процесса. Недостатки: большие расходы электроэнергии для создания значительных давлений (300ч500 мм вод. ст.), необходимых для кипения слоя, а также измельчение частиц материала в сушилке.

а, б-односекционные соответсвенно с ненаправленным и направленным движением материалов (в первом случае - термостойких, во втором - трудно высыхающих, для которых необходима высокая равномерность сушки); в, г - многосекционные соответствия с расположением секций одна над другой и разделением их перегородками (для термочувствительных материалов, свойства которых сильно изменяются при сушке); пунктирные линии - газораспределительные решетки.

Рисунок 6 - Сушилки с кипящим слоем

Сушилки с фонтанирующим слоем-цилиндро-конические, а также вытянутые (в виде желоба) аппараты. В этих сушилках создастся режим фонтана, в ядре которого частицы материала движутся вверх в режиме пневмотранспорта, а на периферии медленно сползают вниз. Область применения - сушка плохо псевдоожижаемых зернистых материалов с более крупными частицами, чем в аппаратах с КС.

Вибрационные сушилки бывают с виброаэрокипящим или с виброкипящим слоем. В первом случае материал ожижается благодаря воздействию вибраций и потока газа, поступающего через перфорированное днище, во втором-только за счет вибраций. Частота и амплитуда последних обычно 20-60 Гц и 2-10 мм.

Сушилки с виброаэрокипящим слоем используют для сушилок слипающихся и комкующихся дисперсных материалов, сушилки с виброкипящим слоем - главным образом для досушки материалов или сушки материалов с хорошими сыпучими свойствами.

Распылительные сушилки (рисунок 7) имеют цилиндрические или цилиндро-конические камеры. В них вязкие жидкие и текучие пастообразные материалы распыляются в поток горячего сушильного агента механическими и пневматическими форсунками, а также вращающимися с окружной скоростью 100-200 м/с центробежными дисками расход энергии на распыление 1 т материала составляет соответственно 2-4, 50-70 и 50-100 кВт*ч). При сушке в распыленном состоянии материала, движущегося прямо- или противотоком, а также смешанным током с нагретым сушильным агентом, благодаря большой удельной поверхности испарения влаги процесс завершается в течение 15-30 с. Производительность сушилок по испаренной влаге 10-20000 кг/ч. Недостатки: громоздкость из-за относительно низкого напряжения рабочего объема сушильной камеры по влаге [до 25 кг/(м3*ч)]; конструктивно сложные и дорогие в эксплуатации распыливающие и пылеулавливающие устройства.

I - центральный закрученный подвод сушильного агента (прямоточный аппарат); II-равномерное распределение газов по сечению через решетку; III-равномерная подача газов над факелом распыла по всему сечению камеры; IV-сосредоточенная подача газов под корень факела распыла.

Рисунок 7 - Сушилки с форсуночным (а, б) и дисковым (в, г) распылением материалов

Контактные сушилки. Теплота, требуемая для сушки, передается теплопроводностью от нагретой поверхности, с которой соприкасается высушиваемый материал. Такие сушилки работают под вакуумом или атмосферным давлением. Применение вакуумных сушилок, несмотря на их более высокую стоимость и сложность по сравнению с атмосферными сушилками, позволяет обрабатывать чувствительные к высоким температурам, а также токсичные и взрывоопасные вещества, получать продукты повышенной чистоты, улавливать пары неводных растворителей, удаляемых из материалов.

Вакуум-сушильные шкафы (рисунок 8) - простейшие контактные сушилки периодического действия. Такая сушилка представляет собой цилиндрическую камеру, в которой размещены полые плиты, обогреваемые водяным паром или горячей водой. Материал слоем толщиной до 60 мм находится на противнях, установленных на плитах; напряжение их рабочей поверхности обычно не превышает 0,5-3,5 кг/(м2* ч) влаги. Во время работы камера герметически закрыта и соединена с вакуум-конденсационной системой и вакуум-насосом. Эти сушилки имеют небольшую производительность и малоэффективны, поскольку сушка в них происходит в неподвижном слое при наличии плохо проводящих теплоту воздушных прослоек между противнями и плитами; материал загружается и выгружается вручную. Однако шкафы универсальны, так как обеспечивают возможность сушки разных материалов (в том числе легко окисляющихся и выделяющих ценные пары) при оптимальных условиях.

1-камера; 2-полые плиты.

Рисунок 8 - Вакуум-сушильный шкаф

Гребковые вакуум-сушилки (рисунок 9) представляют собой горизонтальные периодически действующие аппараты с цилиндрическим корпусом, снабженным паровой рубашкой. Дисперсный материал (например, краситель), заполняющий 20-30 % объема аппарата, хорошо перемешивается гребками, закрепленными на валу мешалки, имеющей реверсивный привод, который автоматически изменяет направление ее вращения с частотой 6-10 мин-1. Между гребками свободно перекатываются трубы-скалки, способствующие разрушению комков и дополнительному перемешиванию материала. Последний можно нагревать также через вал мешалки, если он выполнен полым. Разгрузка и выгрузка материала механизированы. Напряжение поверхности сушилок по влаге 6-8 кг/(м2*ч).

1-корпус; 2-рубашка; 3-вал с гребками; 4-трубы-скалки.

Рисунок 9 - Гребковая вакуум-сушилка

Вальцовые сушилки (рисунок 10) предназначены для непрерывной атмосферной или вакуумной сушки вязких, жидких и пастообразных материалов (красители, пектиновый клей, молоко и т.п.). Основные элементы-обогреваемые водяным паром полые вальцы, вращающиеся с частотой 1-13 мин-1; сушилки могут быть одно- и двухвальцовые. Материал смачивает поверхность вальцов и высушивается в тонком слое; толщина сухой пленки, снимаемой специальными ножами, составляет 0,1-1,0 мм. Расход пара по испаряемой влаге 1,2-1,6 кг/кг, напряжение поверхности вальцов по влаге для атмосферных и вакуумных сушилок соответственно 13-15 и 25-70 кг/(м2*ч).

а-одновальцовая; б-двухвальцовая; 1-корпус; 2-полый барабан (валец); 3-корыто; 4-распределит. валик; 5-нож; 6-шнек; 7-приемный колпак; 8-сборник; 9-вальцы; 10-наклонная стенка.

Рисунок 10 - Вальцовые вакуум-сушилки [2].



3. Схема процесса и конструкция сушилки с кипящем слоем

1-бункер; 2-питатель; 3-газораспределительная решетка; 4-камера сушилки; 5-смесительная камера; 6-вентилятор; 7-штуцер для выгрузки высушенного материала; 8-транспортер; 9-циклон; 10-батарейный пылеуловитель.

Рисунок 11 - Однокамерная сушилка с кипящем слоем

Сушка материалов происходит в так называемом «кипящем слое» зернистого материала, когда под действием восходящего потока газа (сушильного агента) частицы слоя переходят во взвешенное состояние. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала и сократить (до нескольких минут) продолжительность сушки. Сушилки с кипящим слоем в настоящее время успешно применяются не только для сушки сильносыпучих зернистых материалов (например, минеральных и органических солей), но и материалов, подверженных комкованию, а также пастообразных материалов, растворов, расплавов и суспензий. Конструкции сушильных аппаратов данного класса весьма разнообразны и зависят в основном от характеристик высушиваемого материала.

Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия (рисунок 12). Высушиваемый материал подается из бункера 1 питателем 2 в слой материала, «кипящего» на газораспределительной решетке 3 в камере 4 сушилки. Сушильный агент -- горячий воздух или топочные газы, разбавленные воздухом, который подается в смесительную камеру 5 вентилятором 6 -- проходит с заданной скоростью через отверстия решетки 3 и поддерживает на ней материал в кипящем (псевдоожиженном) состоянии. Высушенный материал ссыпается через штуцер 7 несколько выше решетки 3 и удаляется транспортером 8. Отработанные газы очищаются от унесенной пыли в циклоне 9 и батарейном пылеуловителе 10, после чего выбрасываются в атмосферу.

В сушилках этого типа с цилиндрическим корпусом наблюдается значительная неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от его среднего значения. Поэтому применяют сушилки с расширяющимся кверху сечением, например коническим, как показано на рисунке 12. Скорость газа внизу камеры должна превышать скорость осаждения самых крупных частиц, а вверху быть меньше скорости осаждения самых мелких частиц. При такой форме камеры достигается более организованная циркуляция твердых частиц, которые поднимаются в центре и опускаются (в виде менее разреженной фазы) у периферии аппарата. Благодаря снижению скорости газов по мере их подъема улучшается распределение частиц по крупности и уменьшается унос пыли. Это, в свою очередь, повышает равномерность нагрева (более мелкие частицы, поднимающиеся выше, находятся в области более низких температур) и позволяет уменьшить высоту камеры. В промышленности используются также многокамерные сушилки состоящие из двух и более камер, через которые последовательно движется высушиваемый материал. Камеры располагаются либо рядом, либо одна над другой. Многокамерные сушилки более сложны по конструкции (и соответственно в эксплуатации), требуют больших удельных расходов сушильного агента и электроэнергии. Кроме того, процесс в них труднее поддается автоматизации. Применение многокамерных сушилок целесообразно лишь для материалов со значительным сопротивлением внутренней диффузии влаги, требующих длительной сушки, а также для материалов, нуждающихся в регулировании температурного режима сушки (во избежание перегрева). В них удобно совмещать процессы сушки и охлаждения материала. Для материалов, мало чувствительных к нагреву, применяют двух- и трехсекционные ступенчато-противоточные сушилки с кипящим слоем. За счет противотока материала и сушильного агента достигается более высокая степень насыщения газа влагой, но высушенный материал соприкасается с наиболее горячим теплоносителем. Для регулирования температуры нагрева в слой материала в секциях помещают змеевики. В таких сушилках выгрузка высушенного материала производится над слоем через переточные патрубки. Чтобы избежать чрезмерного увеличения гидравлического сопротивления, высоту кипящего слоя в сушилках непрерывного действия поддерживают в пределах 0,4-0,7 кПа (400-700 мм вод. ст. ) в зависимости от свойств высушиваемого материала. С помощью сушилок с кипящим слоем при рациональном аппаратурном оформлении процесса достигается экономичная сушка с высоким влагосъемом с единицы объема сушильной камеры. Поэтому при сушке некоторых продуктов (например, солей) сушилки с кипящим слоем вытесняют барабанные и менее эффективные сушилки других типов. В определенных условиях значения напряженности по влаге при сушке некоторых продуктов в промышленных непрерывно действующих сушилках с кипящим слоем достигают 1250 кг/(м3*час). К недостаткам сушилок кипящего слоя следует отнести трудность управления процессом - чрезмерное увеличение расхода влажного материала или понижение температуры сушильного агента приводит к слипанию материала, образованию застойных зон в аппарате, препятствующих прохождению газа и повышению гидравлического сопротивления сушильного агрегата. Аппараты кипящего слоя трудно масштабируются - наиболее эффективно работают сушилки небольшого размера, крупные сушилки требуют секционирования для равномерного распределения материала на решетке.

Помимо классической сушки в кипящего слоя в настоящее время используются ее различные разновидности, такие как сушилки фонтанирующего слоя, сушилки вихревого слоя, сушилки с инертным слоем материала (работающие на полный пылевынос) [3].



4. Калорифер. Виды теплообменников

4.1 Теоретические основы калорифера

Канальный нагреватель (или калорифер) -- прибор для нагревания воздуха в помещении, состоящий из труб, по которым циркулирует горячая вода, пар или горячий воздух.

По принципу передачи тепловой энергии различают электрические и водяные (подключается к системе центрального отопления) канальные нагреватели. В зависимости от конфигурации и сечения вентиляционной системы используют воздухонагреватели прямоугольной и круглой формы.

Существуют канальные нагреватели с утилизацией тепла (рекуперация). В этом случае холодный приточный воздух нагревается за счет теплообмена с удаляемым теплым воздухом. Воздушные потоки при этом не смешиваются.

Электрические воздухонагреватели. Электрические воздухонагреватели состоят из ряда металлических нитей накаливания или проволочной спирали. Они создают электрическое сопротивление, которое преобразует энергию в тепло. Преимущества электрических воздухонагревателей состоят в следующем: они имеют небольшой перепад давления, для них легко рассчитать мощность, и они недороги в установке. Недостатком является то, что металлические нити накаливания имеют значительную инерцию, а потому электрические воздухонагреватели должны быть снабжены защитой от перегрева. Кроме этого, затраты на электроэнергию при использовании электрических воздухонагревателей втрое превышают затраты на тепло в виде перегретой воды.

Водяные воздухонагреватели. Водяные воздухонагреватели с поперечным течением являются наиболее распространенным типом воздухонагревателей, используемых в вентиляционных установках. Вода движется под прямым углом и в противоположном направлении по отношению к воздушному потоку. Вода направляется снизу и протекает по батарее вверх, и это позволяет воздушным пузырькам собираться в верхней точке, откуда они легко выводятся через воздушные краны.

При эксплуатации в широтах, где температура наружного воздуха опускается ниже 0 °С, водяные воздухонагреватели должны иметь защиту от замерзания, иначе вода при замерзании может разорвать трубки [7].

4.2 Принципы работы теплообменных аппаратов и их виды

Оборудование теплообменника функционирует по трем разным принципам: через конвекцию, тепловое излучение и теплопроводность. Теплообменники классифицируются по тем способам, по которым передается тепло: смесительные способы и теплообменные. Чтобы купить теплообменник, нужно знать, что конструкция, предназначение и эффективность каждого из устройств отличаются друг от друга. Принцип действий, например, распространенных поверхностных теплообменников состоит в том, что в процессе используются такие рабочие поверхности, как пластина, трубка и т.д. Но вот в смесительных теплообменниках перемешиваются две среды, например, воздух и жидкость, в течении которого достигается высокий уровень КПД, простота конструкции и высокая скорость рабочего цикла. Но такой вид теплообменников допускается лишь при условии смешения двух разнотипных сред.

В теплообменные аппараты встраиваются два типа устройств: рекуперативные и регенеративные. Две жидкости в первом типе теплообменников контактируют посредством разделительных стенок, но при этом поток рабочей жидкости тепла остается тот же и не меняет направления. В регенеративных теплообменниках рабочая поверхность является одновременно и источником тепла, и аккумулятором устройства. Соприкасаясь к ней друг за другом, эти рабочие жидкости проходят рабочий цикл, при котором осуществляются процесс теплообмена. Но тут тепловой поток уже меняет свое направление.

Существует несколько основных типов теплообменников:

пластинчатые теплообменники;

витые теплообменники;

спиральные теплообменники;

кожухотрубчатые теплообменники;

двухтрубные аппараты;

графитовые аппараты;

элементные теплообменники;

погружные теплообменники [8].

Пластинчатые теплообменники (рисунок 12) сегодня стали довольно популярными, благодаря небольшой конструкции, быстрой сборке, легкой чистке, минимальному гидравлическому сопротивлению. В состав пластинчатых теплообменников входят такие элементы, как концевые камеры, стяжные болты, рама и рабочие пластины, разделенные между собой резиновыми прокладками. Пластины изготавливаются из тонколистовой стали. Резиновые прокладки по бесклеевой технологии присоединяются к поверхности пластин и при этом служат герметичными разделительными перегородками. Рабочая среда направляется по прямоточной, смешанной и противоточной схеме вдоль пластины.



1, 2, 11, 12 - штуцера; 3 - передняя стойка; 4 - верхнее угловое отверстие; 5 - кольцевая резиновая прокладка; 6 - граничная пластина; 7 - штанга; 8 - нажимная плита; 9 - задняя стойка; 10 - винт; 13 - большая резиновая прокладка; 14 - нижнее угловое отверстие; 15 - теплообменная пластина.

Рисунок 12 - Схема современного пластинчатого аппарата [9].

В витых теплообменниках (рисунок 13) используются концентрические змеевики, которые закрепляются на головках и защищаются кожухом. Один из потоков жидкости направляется по трубкам, другой - заполняет межтрубное пространство. Этот вид теплообменника может выдержать высокое давление и значительное напряжение при низких температурах без потери своей работоспособности.

Рисунок 13 - Схема витого теплообменника

Спиральные теплообменники (рисунок 14) работают на металлических листах, закрученных спираль вокруг керна. Герметизация корпуса таких спиральных теплообменников обеспечивается путем глухого заваривания или уплотнением упругой прокладкой. Спиральные аппараты отличаются сложностью сборки, обслуживания и ремонта. Их нельзя также применять в системах с рабочим давлением в 10 кгс/см2. Однако они пользуются популярностью своими малыми габаритами, маленьким гидравлическим сопротивлением и высокой степенью теплообмена.

1, 2 - листы, свернутые в спирали; 3 - перегородка; 4, 5 - крышки.

Рисунок 14 - Спиральный теплообменник

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, корпус, трубные решетки, крышки, патрубки, элементы компенсации напряжений. Эти аппараты бывают как наклонными, так и горизонтальными или вертикальными. В кожухотрубчатом теплообменнике (рисунок 15) одна из обменивающихся теплом сред 1 - движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая 2- в межтрубном пространстве. Среду обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло - в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании и охлаждении.Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.

1 - корпус (обечайка); 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышки; 5 - перегородки в крышках; 6 - перегородки в межтрубном пространстве.

Рисунок 15 - Кожухотрубчатые а) одноходовой и б) многоходовой теплообменники

Двухтрубные теплообменники типа «Труба в трубе». Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев (рисунок 16). Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двух трубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева состоят из ряда секций, параллельно соединенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газо-жидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена. Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного теплообменника: громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Рисунок 16 - Теплообменник типа «Труба в трубе»

Графитовые теплообменники. Эти теплообменники составляют отдельную группу. Высокая коррозионная стойкость и значительная теплопроводность делают графит незаменимым в некоторых производствах. Промышленностью выпускаются блочные, кожухотрубные, оросительные теплообменники и погружные теплообменные элементы.

Для устранения пористости графит предварительно пропитывают фенолоформальдегидными смолами. Пропитанный графит является химически стойким материалом в весьма агрессивных средах (например, в горячей соляной, разбавленной серной, фосфорной кислотах и др.) и отличается высокими коэффициентами теплопроводности, равными 92-116 вт/(м*град), или 70- 90 ккал/(м*ч*град).

Кроме прямоугольных блоков применяют также цилиндрические блоки, в которых горизонтальные каналы располагаются радиально.

Рабочее давление в блочных теплообменниках не превышает 2,9*105 Н/м2 (3 ат).

Отдельные секции элементных теплообменников, соединяясь между собой, образуют единую структуру. По принципу работы они напоминают кожухотрубные аппараты. В них используется также противоточная схема, а также сочетание элементов с небольшим количеством труб.

Погружные теплообменники. Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погруженные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости приме нения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема [8].



5. Характеристика соли хлорида калия (KCl)

Хлорид калия-- химическое соединение, формула KCl, калиевая соль соляной кислоты.

Относится к структурному типу NaCl. В природе встречается в виде минералов сильвина и карналлита, а также входит в состав сильвинита.

Внешний вид:

Бесцветные кубические кристаллы.

Брутто-формула (система Хилла): ClK;

формула в виде текста: KCl.

Молекулярная масса (в а.е.м.): 74,55.

Температура плавления (в °C): 776.

Температура кипения (в °C): 1500.

Растворимость:

вода: легко растворим;

этанол: практически не растворим.

Вкус, запах:

вкус: соленый;

запах: без запаха.

Плотность: 1,99 (20°C, г/см3).

Показатель преломления (для D-линии натрия): 1,49 (20°C).

Дипольный момент молекулы (в дебаях): 6,3 (750°C).

Стандартная энтальпия образования ДH (298 К, кДж/моль): -435,9 (т).

Стандартная энергия Гиббса образования ДG (298 К, кДж/моль): -408 (т). Стандартная энтропия образования S (298 К, Дж/моль·K): 82,56 (т).

Стандартная мольная теплоемкость Cр (298 К, Дж/моль·K): 51,29 (т).

Энтальпия плавления ДHпл (кДж/моль): 25,5 [6].



6. Расчет сушилки с кипящим слоем

6.1 Расход воздуха, скорость и диаметр сушилки

Материальный баланс сушильной установки:

Производительность сушилки по высушенному материалу:

где Gк - производительность сушилки по высушенному материалу, кг/c;

Gн - производительность сушилки по влажному материалу, кг/с;

uн - начальная влажность материала, % масс;

uк - конечная влажность материала, % масс.

Количество испаряемой влаги:

где W - расход влаги, кг/с.

Тепловой баланс сушильной установки:

Уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:

где св - теплоемкость воды (влаги) в материале, св = 4,190 кДж/(кг·К);

ин - температура влажного материала;

qм - удельный подвод тепла с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги;

qп - удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги.

Удельный подвод тепла в сушильный барабан с высушиваемым материалом равен:

где см - теплоемкость высушиваемого материала (KCl),

см =0,695 кДж/(кг·К);

ик и ин - температуры влажного и высушенного материала;

Gк - масса высушенного материала, кг/с.

Удельные потери тепла в окружающую среду примем равными 5% от теплоемкости испарения воды, т.е.

где iп - удельная энтальпия пара при t1, кДж/кг.

Запишем уравнение рабочей линии сушки

На рисунке 17 по известным параметрам t0=10 0С и ц0=50 % находим влагосодержание х0=х1 и энтальпию I1свежего воздуха.

x=0,04 кг/кг - взяли произвольно;

x0=x1=0,004 кг/кг;

I1=33,9*4,187=140,26 кДж/кг;

x2=0,0225 кг/кг;

I2=131,89 кДж/кг.

Рисунок 17 - Диаграмма Рамзина. I-D-диаграмма состояний влажного воздуха

Расход сухого воздуха на сушку:

Средняя температура воздуха в сушилке:

Среднее влагосодержаение воздуха в сушилке:

Средняя плотность сухого воздуха:

где Мсв - молярная масса воздуха, Мсв = 29 г/моль;

Vм - молярный объем, Vм =22,4 л/моль;

Т0 - температура, Т0 =273К.

Средняя плотность водяных паров:

где Мв - молярная масса воды, Мв=18 г/моль.

Средняя объемная производительность по воздуху:

Критерий Архимеда:

где dэ - эквивалентный диаметр, м;

- плотность частиц высушиваемого материала,

- вязкость сушильного агента при средней температуре,

;

g - ускорение свободного падения, g = 9,8 м/сІ.

Критерий Рейнольдса:

Фективная скорость начала псевдосжижения:

Критерий Ar для наименьших размеров частиц:

где dmin - минимальный диаметр, м.

Критерий Рейнольдса для наименьших размеров частиц:

Скорость свободного витания (уноса):

Предельное число псевдосжижения:

Примем Кw=3

Рабочая скорость сушильного агента:

Диаметр сушки:

6.2 Высота псевдоожиженного слоя

Равновесие содержание влаги х* определяем по I-D диаграмме как абсциссу точки пересечения рабочей линии сушки с линией постоянной относительной влажностью ц=100%. Величина х*=0,0345 кг/кг.

Критерий Рейнольдса для рабочей скорости:



Порозностьпсевдоожиженного слоя:

Коэффициент диффузии водяных паров:

где D20 - коэффициент диффузии водяных паров при 20 0С,

D20=21,9*10-6 м2/с.

Диффузионный критерий Прандтля:

Коэффициент массоотдачи:

Высота псевдоожиженного слоя:

Высота зоны гидравлической стабилизации:

Диаметр отверстия распределительной решетки выбираем d0= 2 мм по

ГОСТу 6636-69.

Высота псевдоожиженного слоя с учетом гидростабилизации:

Число отверстий n в распределительной решетке:

где Fс - доля живого сечения решетки, Fс=0,02.

Поперечный шаг:

Продольный шаг:

Высота сепарационного пространства сушилки с псведоожиженным слоем:



6.3 Гидравлическое сопротивление

Минимальное допустимое гидравлическое сопротивление решетки:

где - порозность неподвижного слоя, .

Гидравлическое сопротивление выбранной решетки:

Значение превышает минимально допустимое гидравлическое сопротивление решетки . Решетка подходит.



7. Расчет теплообменника

Определяем тепловую нагрузку теплообменного аппарата в соответствии с заданными условиями:

,

где L - Расход сухого воздуха, кг/с;

Св - теплоемкость воздуха кДж/(кг*К);

t1 - температура сушильного агента на входе в сушилку, ;

tmin - среднегодовая температура, .

Выбираем прямоточную схему теплообмена. Выбранный нами теплообменник без компенсатора. Если выбрать прямоточную схему, то теплообменник при высоком давлении поведёт. Чтобы избежать этого, нужно либо установить компенсатор (что дороже), либо выбрать прямоточную схему теплообмена.

Большая разность температур:

,

где- начальная температура теплоносителя, ;

tmin - среднегодовая температура, .

Меньшая разность температур :

tкон= tk - t1=55 0С ,

где tk - конечная температура пара, ;

t1 - температура сушильного агента на входе в сушилку,.

Средняя разность температур теплоносителей:

Находим ориентировочное значение площади теплообмена по формуле:

,

где Q - тепловая нагрузка теплообменника, Вт;

Кор - коэффициент теплопередачи. Принимаем значение коэффициента К=15 Вт/(м2*К) [5];

Дtср - средняя разность температур, .

Среднюю температуру пара находим по формуле:

где - начальная температура пара, примем равной 185;

- конечная температура пара, .

Среднюю температуру воздуха:

Считаем значение коэффициента теплопередачи:

=46,14 Вт/(м2•К),

где - суммарное термическое сопротивление стенки и ее загрязнений с обеих сторон, м2*К/Вт;

- коэффициент теплопроводности стали, 46,4 Вт/(м2*K);

- коэффициент теплоотдачи пара,13300 Вт/(м2•К);

- коэффициент теплоотдачи воздуха,=46,4 Вт/(м2•К).

Определим количество тепла:

Находим температуру стенки внутреннею и внешнюю:

По проведённым расчетам выбираем кожухотрубчатый теплообменник, с параметрами которые приведены в таблице 1.

Таблица 1- Параметры кожухотрубчатого теплообменника

D кожуха, мм	1200
d труб, мм	20х2
Число ходов	2
Общее число труб, шт.	1138
Поверхность теплообмена, (м2) при длине труб 9 м	643
Площадь сечения одного хода по трубам, м2	0,114
Площадь сечения потока между перегородками	0,146
Площадь сечения в вырезе перегородок	0,101

И теперь при этих параметрах, проводим расчёт.

Найдём число труб, приходящейся на один ход:

Высчитываем критерий Рейнольдса для воздуха, по формуле:



,

где dвнутр - внутренний диаметр трубы, м;

- вязкость воздуха при средней температуре,

.

Считаем критерий Прандтля для воздуха:

,

где- коэффициент теплопроводности воздуха, 0,027 Вт/(м2*K).

Считаем величину критерия Прандтля для стенки:

,

где - вязкость воздуха при температуре стенки,20,3*10-6 Па*с.

Посчитаем коэффициент теплоотдачи для воздуха, по формуле:

, 46,4 Вт/(м2*К),

Вт/(м2*К);

Вт/(м2*К).

Считаем значение коэффициента теплопередачи К:

Тогда, требуемая поверхность теплопередачи составит:

625,9 м2

Выбранный нами теплообменник, подходит для работы в наших условиях. Запас поверхности теплообмена, составляет 2,7 %. что очень мало для теплообменника, но при соблюдении всех условий, выбранный кожухотрубчатый холодильник обеспечит необходимый теплообмен.

7.1 Гидравлический расчет теплообменника

Гидравлический расчет кожухотрубчатого теплообменника сводится в определении гидравлического сопротивления его трубного и межтрубного пространства.

Найдём скорость в трубном пространстве, по формуле:

,

где- вязкость воздуха при средней температуре, Па*с;

- плотность сухого воздуха,0,95 кг/м3.

Коэффициент трения рассчитываем по формуле:

Тогда гидравлическое сопротивление в трубном пространстве составит:



,75 Па,

где n - число ходов, м;

l - длина труб, м;

d - диаметр труб, м.

Найдём скорость в межтрубном пространстве:

,

где SВ - площадь сечения в вырезе перегородок, м2,

- плотность пара,6,78 кг/м3.

Число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве, определяем по формуле:

19,47

Округляя в большую сторону, получим m=20. Число сегментных перегородок при диаметре кожуха 1200 мм и длине труб 9 м по справочным данным составляет х=14.

Тогда гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве составит:



Заключение

В данной курсовой работе произведен расчет основных параметров сушилки с кипящем слоем, предназначенной для сушки KCl, производительностью по влажному материалу 2,5 кг/с. В качестве сушильного агента в процессе сушки используется атмосферный воздух города Новотроицка. В проекте представлены теоретические основы и области применения процесса сушки с кипящем слоем; описания разных конструкций сушилок, приведена технологическая схема однокамерной сушилки с кипящем слоем, также рассмотрены основные виды теплообменников и представлены теоретические основы калорифера.

Определен основной размер корпуса сушилки с кипящем слоем: диметр сушки . Высчитана высота псевдоожиженного слоя: высота псевдоожиженного слоя с учетом гидростабилизации 0,16 м и высота сепарационного пространства сушилки с псведоожиженным слоем 0,8м. Также произведен расчет: гидравлического сопротивления 14086,56 Па.

Далее был высчитан теплообменник и гидравлический расчет теплообменника. Выбранный в данном курсовом проекте кожухотрубчатый теплообменник, подходит для работы в наших условиях. Запас поверхности теплообмена, составляет 2,7 %. что очень мало для теплообменника, но при соблюдении всех условий, выбранный кожухотрубчатый холодильник обеспечит необходимый теплообмен. В данном проекте принята прямоточная схема теплообмена.

Размещено на Allbest.ru