--PAGE_BREAK-- 1. Общая часть
1.1. Сущность процесса
Сушка – это 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.
Сущность процесса сушки заключается в переходе влаги, находящейся в твердом материале из жидкой фазы в газообразную. Такой процесс может протекать лишь в том случае, если давление пара над поверхностью материала больше парциального давления его в окружающей газообразной среде.
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, и 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.
Различают два периода сушки: период постоянной скорости и период падающей скорости процесса.
В течение первого периода влага испаряется со всей поверхности влажного материала. В этом периоде скорость сушки постоянна и определяется лишь скоростью внешней диффузии, т. е. диффузии паров влаги с поверхности материала в окружающую среду.
Во втором периоде скорость сушки определяется внутренней диффузией – перемещением влаги изнутри материала к его поверхности. С начала второго периода поверхность подсушенного материала начинает покрыватся коркой и
поверхность испарения влаги постепенно уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления внутренней диффузии и к непрерывному уменьшению скорости сушки.
Двум основным периодам предшествует некоторый период прогрева материала до температуры сушки.
Период прогрева материала является, как правило, кратковременным и характеризуется неустановившимся состоянием процесса. За этот период температура материала повышается до температуры мокрого термометра, но его влажность w
начснижается незначительно. Скорость сушки возрастает и к концу периода прогрева материала достигает максимума.
В период постоянной скорости скорость процесса является наибольшей, температура материала постоянна.
К концу второго периода температура материала повышается и достигает температуры воздуха или среды, окружающей материал. Одновременно влажность материала снижается до равновесной по всей его длине. С момента достижения равновесной влажности скорость сушки становится равной нулю.
При дальнейшем пребывании материала в сушилке его влажность остается постоянной.
1.2. Сравнительная характеристика и выбор основного оборудования
Общая классификация всех известных типов сушилок табл. 1.1.
Таблица 1.1 Классификация сушилок
ствия
Вид теплоносителя Воздушные, на дымовых или инертных
газах, на насыщенном или перегретом
паре, на жидких теплоносителях Направление движения теплоно- Прямоточные, противоточные, с перекре-
сителя сушильного агента относи- сным током, реверсивные
тельно материала
Характер циркуляции сушильно- С естественной и принудительной цирку-
го агента ляцией
Способ нагревания сушильного С паровыми воздухоподогревателями, то-
агента почными устройствами, электронагрева-
телями, комбинированные
Кратность использования суши- Прамоточные и с рециркуляцией
льного агента
Способ удаления влаги из суши- С отработанным сушильным агентом,
лки конденсационные и с химическим погло-
Конструкции сушильных аппаратов (сушилок) крайне разнообразны. Можно назвать две основные причины такого разнообразия: различие в свойствах высушиваемых материалов и в постановке технологической задачи; недостаточные успехи проектировщиков в разработке единой оптимальной конструкции. В случае сушильных аппаратов определенно преобладает первая причина. Это является следствием широкого разнообразия определяющих факторов:
— консистенциявысушиваемого исходного сырья (изделия; ленты; пленки; нити; зернистые материалы, хорошо и плохо сыпучие; пасты; суспензии и даже растворы);
— размер и формаТМ (крупные и мелкие; сферические и близкие к ним либо сильно отличающиеся от шарообразных; дробленые, игольчатые, чешуйчатые и т.п.);
— устойчивость к высоким температурам:стабильность к очень высоким (на уровне топочных газов) или достаточно высоким температурам либо, наоборот, термолабильность и потому ограниченность температур при сушке;
— виды связи влаги с материалом и необходимая глубина высушивания;
—скорость сушки(существуют материалы, портящиеся при быстрой сушке);
— механическая прочность(устойчивость к сжатию и истиранию) и т.п.
1.3 Выбор конструкции аппарата
Для данного процесса была выбрана конвективнаясушилка с кипящим (псевдоожиженным) слоем.
Рис. 1 — Конвективнаясушилка с кипящим (псевдоожиженным) слоем
Сушилка представляет собой пустотелый вертикальный сварной аппарат с коническим днищем, над которым внутри аппарата установлена газораспределительная решетка 5. Аппарат снабжен шнековым питателем 1 и разгрузочным устройством 2.Через нижний штуцер 3 под решетку подается сушильный агент. Высушиваемый материал поступает на решетку и под действием движущегося через решетку сушильного агента образует кипящий слой. Сушильный агент удаляется из аппарата через верхний штуцер направляясь в систему пылеотделения для дальнейшей очистки.
Распределительные устройства должны обеспечивать равномерное распределение газа по сечению аппарата, иметь небольшое гидравлическое сопротивление, быть простыми по конструкции, доступными для осмотра и надежными в работе. На практике все эти требования не всегда возможно совместить. Характер распределения в значительной степени зависит от числа точек ввода газа на единицу поверхности решетки, скорости и направления потоков газа в местах ввода в слой и сопротивления решетки. Конструкции газораспределителей в промышленных аппаратах весьма разнообразны:
1) неподвижные решетчатые устройства, к которым относятся перфорированные решетки с круглыми, направленными перпендикулярно, или щелевидными косыми отверстиями; пористые решетки, составленные из керамических или металлокерамических плит, колпачковые решетки и колосниковые решетки, набранные из ряда полос или параллельных труб.
2) безрешетчатые устройства, к которым относятся диффузоры или распределители в виде барботеров.
3) распределительные устройства с подвижными элементами с гребковыми устройствами (рис или вибрирующие решетки.
1.4. Физико-химическая характеристика продукта процесса
Сульфат аммония( NH4)2SO4. По внешнему виду сульфат аммония — это кристаллический порошок белого или слабоокрашенного цвета, допускаются светло-желтый и розовый оттенок, По эффективности применения не уступает аммиачной селитре и карбамиду, а в части физико-химических свойств (негорючий, взрывобезопасный, неслеживается при долгом хранении) и своей стоимости выгодно отличается и обладает явным преимуществом.
Физико — химический состав; показатели:
Массовая доля азота в пересчете на сухое вещество 21%
Массовая доля воды 0,3%
Массовая доля свободной серной кислоты 0,05%
Сыпучесть 100%
Сульфат аммония( NH4)2SO4 бесцветные кристаллы с ор-торомбической решеткой; плотность 1,766 г/см3; Сp° 187,4 ДжДмоль-К. Выше 100о С разлагается с выделением NH3 и образованием сначала NH4HSO4, а затем (NH4)2S2O7 и сульфаниловой к-ты. Р-римость в воде (г в 100 г): 70,5 (0оС), 76,4 (25°С), 101,7 (100°С). Окисляется до N2 под действием сильных окислителей, напр. КМпО4. Образует двойные соли с сульфатами др. металлов, напр. Al, Fe.
При нагревании аммония сульфата до 147°С получают гидросульфат NH4HSO4 — бесцв. кристаллы с моноклинной решеткой; плотн. 1,78 г/см3; Нообр — 1025,5 кДж/моль. Выше 147°С разлагается с образованием NH3 и (NH4)2S2O7
Получение
В лаборатории получают действием концентрированной серной кислоты на концентрированный раствор аммиака.
2NH3+H2SO4→(NH4)2SO4
Эту реакцию, как и все другие реакции взаимодействия аммиака с кислотами проводят в приборе для получения растворимых веществ в твёрдом виде.
Среди основных способов получения сульфата аммония, которые наиболее часто используются в химической промышленности, имеются следующие: процесс нейтрализации серной кислоты синтетическим аммиаком; использование аммиака из газа коксовых печей для его химической реакции с серной кислотой; получение в результате обработки гипса растворами карбоната аммония; получение при переработке отходов, остающихся после производства капролактама. Вместе с тем имеются и другие способы производства сульфата аммония, например, получение этого вещества из дымовых газов электростанций и сернокислотных заводов. Для этого в горячие газы вводят газообразный аммиак, который связывает имеющиеся в газе окислы серы в различные соли аммония, в том числе и в сульфат аммония.
1.5. Выбор конструкции материала
В химической промышленности условия работы аппаратов характеризуется широким диапазоном температур – примерно от –254 до +2500°С при давлениях от 0,015 Па до 600 МПа при агрессивном воздействии среды. Основными требованиями, которым должны отвечать химические аппараты, являются механическая надежность, долговечность, конструктивное совершенство, простота изготовления, удобство транспортирования, монтажа и эксплуатации. Поэтому к конструктивным материалам проектируемой аппаратуры предъявляются следующие требования:
1. Высокая коррозийная стойкость материалов в агрессивных средах при рабочих параметрах процесса;
2. Высокая механическая прочность при заданных рабочих давлениях, температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и эксплуатации аппаратов;
3. Хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений;
4. Низкая стоимость и доступность материалов.
Кроме того, при выборе конструкционных материалов необходимо учитывать физические свойства материалов (теплопроводность, линейное расширение и т.д.).
Для изготовления аппаратов в химической промышленности в качестве конструкционных материалов применяют черные материалы и сплавы (сплавы, чугуны), цветные материалы и сплавы, незащищенные и защищенные с поверхности покрытиями (металлическими и неметаллическими), неметаллические материалы (пластмассы, материалы на основе каучука, керамику, углеграфитовые и силикатные материалы, дерево).
Под коррозией понимают разрушение поверхности металла вследствие протекания химических или электрохимических процессов.
Химическая коррозия – результат взаимодействия металла с химически активными веществами. Частными случаями химической коррозии являются газовая водородная, карбонильная, сероводородная и некоторые случаи атмосферной коррозии.
Для изготовления химической аппаратуры должны использоваться конструкционные материалы, скорость коррозии которых не превышает 0,1 – 0,5 мм/год; чаще применяются материалы стойкие (скорость коррозии 0,01 – 0,05мм/год)
Коррозионная стойкость определяет долговечность химического оборудования. Для большинства типов оборудования химических заводов установлена длительность эксплуатации 7 – 10 лет. Излишняя долговечность не может быть оправдана, так как оборудование морально устаревает и требует замены. Материал, из которого изготавливают химические аппараты, должен обладать высокой химической стойкостью не только для обеспечения необходимой долговечности аппарата, но и для безопасности условий работы и сохранения чистоты продукта. Разрушившийся материал загрязняет продукт, снижает его качество и может проявить каталитические свойства в побочных процессах или, наоборот, может быть каталитическим ядом (например, в процессе окисления аммиака).
Разрушение неметаллических материалов представляет собой химическое их разрушение, происходящее в результате воздействия внешней среды (жидких и газообразных реагентов, нагрева и охлаждения), метеорологических условий и микробиологического процесса. Воздействие водных растворов веществ на неметаллические материалы неорганического происхождения приводит к их растворению или выщелачиванию.
Нагревание неорганических неметаллических материалов может вызывать их термическую деструкцию, в результате чего снижаются механическая и химическая стойкость.
Органические конструкционные материалы – органические полимеры (пластмассы) – обладают высокой химической стойкостью ко многим агрессивным средам, но подвержены термической и фотохимической деструкции, биологической коррозии в результате действия жидких и газообразных агрессивных сред.
Таким образом, конструкционным материалом выбрана сталь, так как она имеет наибольшее применение в химическом машиностроении.
2 Специальная часть
продолжение
--PAGE_BREAK--