Введение
Вразличных отраслях народного хозяйства широко распространены процессы удаленияжидкости (растворителей) с поверхности или из внутренних слоев различныхматериалов. В качестве удерживаемых материалами жидкостей могут быть вода,метанол, бензин, метаноло — ацетоновая смесь, бензино -изопропиловая смесь и т.п. Среди существующих способов обезвоживания материалов (сушка, отжатие,центрифугирование, фильтрование, отсасывание, поглощение химическими реагентамии т. д.) особое место занимает тепловая сушка, при которой удаление влаги изматериала происходит в основном путем испарения.
Подсушкой понимают совокупность термических и массообменных процессов уповерхности (внешняя задача) и внутри (внутренняя задача) влажного материала,способствующих его обезвоживанию. Обезвоживание материалов, в том числе исушка, предназначается для улучшения их качества и долговечности, например присушке древесины, увеличения теплотворности при сушке топлива, возможностидлительного хранения при сушке пищевых продуктов и т.д. Поэтому в ряде случаевсушка сопровождается структурно-механическими, химическими, биохимическими,реологическими изменениями высушиваемого материала.
Скоростьпротекания этих процессов, степень их завершенности зависит не только отспособа подвода теплоты к материалу, но и от режима сушки.
Для оценкиперспективности способа сушки влажные материалы делят на шесть основных групп:истинные и коллоидные растворы, эмульсии и суспензии; пастообразные материалы,не перекачиваемые насосом; пылевидные, зернистые и кусковые материалы,обладающие сыпучестью во влажном состоянии; тонкие гибкие материалы (ткани,пленка, бумага и т.п.); штучные массивные по объему материалы и изделия(керамика, штучные строительные материалы, изделия из древесины и т.п.);изделия, подвергающиеся сушке после грунтования, окраски, склеивания и другихповерхностных работ.
барабанный сушилка вентиляционный привод
1. Литературный обзорпо теории и технологии процесса сушки материалов
Сушка-это процессудаления из материалов влаги, обеспечиваемый ее испарением и отводомобразовавшихся паров. Сушка материалов и изделий производится в зависимости отих назначении или последующей обработки. Для ряда материалов в результате сушкиувеличивается прочность, долговечность, облегчается обработка, улучшаются теплоизоляционныесвойства и т.д.
Различают сушкуестественную (на открытом воздухе) и искусственную (в сушилках). Приестественной сушке материал можно высушить только до влажности, близкой кравновесной. Преимущество искусственной сушки состоит в ее малой продолжительностии возможности регулирования конечной влажности материала. Аппараты, в которыхосуществляют сушку, называют сушилками. По способу сообщения тепла различаютконвективные, контактные, терморадиационные, сублимационные и высокочастотныесушилки. Дисперсные материалы, к которым относятся зернистые, порошкообразные,гранулированные, дробленные твердые, а также диспергированные жидкие ипастообразные продукты, в химической технологии высушивают, главным образом,конвективным способом.
В конвективных сушилкахтепло процесса несет газообразный сушильный агент (нагретый воздух, топочныегазы или смесь их с воздухом), непосредственно соприкасающийся с поверхностьюматериала. Пары влаги уносятся тем же сушильным агентом. В сушилках многихтипов со взвешенным слоем высушиваемого материала сушильный агент служит нетолько тепло- и влагоносителем, но и транспортирующей средой для дисперсногоматериала.
Если соприкосновениевысушиваемого материала с кислородом воздуха недопустимо или если парыудаляемой влаги взрыво- или огнеопасны, сушильным агентом служат инертные квысушиваемому материалу газы: азот, диоксид углерода, гелий и другие инертныегазы или перегретый водяной пар.
Скорость процесса сушкивлажного материала нагретым воздухом зависит от интенсивности внешнего ивнутреннего тепло- и массообмена, т.к. от этих процессов зависит количествовлаги, подведенной к поверхности испарения.
Впростейшем виде процесс сушки осуществляется таким образом, что сушильныйагент, нагретый до предельно допустимой для высушиваемого материалатемпературы, используется в сушильном аппарате однократно. Этот процессназывается основным. Снижение температуры термолабильных материаловобеспечивается созданием дополнительной поверхности нагрева внутри сушильнойкамеры или нагреванием воздуха по ходу процесса за счет тепла, полностьювносимого в сушильную камеру. В процессе сушки во влажном материале происходитперенос влаги, как в виде жидкости, так и в виде пара.
Изучениезакономерностей переноса влаги и теплоты может идти двумя путями:
-на основемолекулярно-кинетического метода, т.е. изучения микроскопической картиныпроисходящих при этом процессов и осмысливания физической сущности отдельныхсоставляющих сложного явления.
-на основе понятийтермодинамики процесса. Изучает макроскопические свойства тел и системы тел ипроцессы их взаимодействия, не интересуясь поведением отдельных молекул.
Перенос газообразноговещества может происходить молекулярным путем за счет хаотического перемещенияотдельных молекул (диффузия) или за счет направленного перемещения молекул,когда каждая из них движется независимо друг от друга (эффузия), и молярнымпутем, когда перемещаются группы, скопления молекул под действием разностидавлений в различных точках тела.
Для сушки материалов,требующих повышенной влажности сушильного агента и невысоких температур,применяют устройства, обеспечивающие рециркуляцию (возврат) части отработанноговоздуха в сушилку, а также сушилки с промежуточным подогревом воздуха междуотдельными ступенями (или зонами) и одновременной рециркуляцией его. При сушкетрудно сохнущего материала или для улучшения его сыпучести применяютрециркуляцию части высушенного продукта, т.е. возврат его на вход сушилки исмешение с исходным материалом.
Когда удаляемая изматериала жидкость является ценным продуктом (спирты, эфиры, углеводороды идругие растворители), а также при сушке огне- и взрывоопасных материаловприменяют схемы с полностью замкнутым циклом инертных газов, включающиедополнительно устройства для конденсации и удаления из системы испаряющейсявлаги и одновременного осуществления циркулирующих в системе газов.
Перечисленные схемыявляются вариантами основного процесса и находят широкое применение во многихпроизводствах химической промышленности.
Механизм конвективнойсушки можно представить следующим образом. При введении влажного тела внагретый газ происходит перенос тепла к поверхности материала, обусловленныйразностью температур между ними, нагрев его и испарение влаги. При этомповышается парциальное давление вблизи поверхности тела, что и приводит кпереносу паров влаги в окружающую среду. В результате испарения влаги споверхности и отвода образовавшихся паров возникает градиент концентрации влагив материале, являющийся движущей силой внутреннего перемещения ее из глубинныхслоев к поверхности испарения. При перемещении происходит нарушение связи влагис веществом твердого тела, что требует дополнительных затрат энергии сверх той,которая необходима для парообразования. Поэтому скорость процесса зависит отхарактера или формы связи влаги с сухим веществом материала.
1.1 Классификациясушильных аппаратов
Промышленные сушильныеустановки классифицируют по следующим признакам:
1) по способуподвода 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 вовремени:
а) непрерывногодействия,
б) периодическогодействия,
в) полу непрерывногодействия;
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 приведеннойклассификации наибольшее распространение получили конвективные сушильныеустановки. Эти установки разделяют на несколько групп:
1)по применяемомусушильному агенту на:
а) воздушные,
б) на дымовых(топочных) газах,
в) нанеконденсирующихся в процессе сушки газах (азоте, гелии, перегретом водяномпаре и т.д.);
2)по схеме движениясушильного агента на:
а) однозонные (соднократным использованием сушильного агента, рециркуляцией),
б) многозонные (спромежуточным подогревом сушильного агента, рециркуляцией его в зонах,рециркуляцией между зонами и т.п.);
3)по давлению всушильной камере на:
а) атмосферные,
б)вакуумные;
4)по направлениюдвижения сушильного агента относительно материала на:
а) прямоточные,
б) противоточные,
в) перекрестно-точные,
г) реверсивные.
1.2 Конструкция ипринцип действия барабанной сушилки
В сушильной техникебарабанные сушилки являются наиболее распространенным типом. Первоначальнотакие сушилки представляли собой открытую вращающуюся трубку, через которуюпропускались горячие дымовые газы, вступавшие в тепло — и массообмен сдвижущимся по трубе материалом. Барабанные сушилки применяются для сушкисыпучих и малосыпучих материалов (колчедан, уголь, фосфориты, минеральные соли,руда, удобрения, песок, различные химические продукты и т.д.). Высокаяприспособляемость позволила им найти им найти применение во многих отрасляхпромышленности и в с/х при индустриальном производстве кормов.
По конструктивномуиспользованию барабанные сушилки очень разнообразны. Сушилка может бытьвыполнена в виде единственной трубы, может также представлять собой систему,состоящую из большого числа труб разных диаметров, вставленных одна в другую.
Наиболеераспространенная барабанная сушилка представляет собой цилиндрический наклонныйбарабан с двумя бандажами, которые при вращении барабана катятся по опорным роликам.Материала поступает с приподнятого конца барабана через питатель, захватываетсявинтовыми лопастями, на которых он подсушивается, после чего перемещается вдольбарабана, имеющего угол наклона к горизонтали до 6°. Осевое смещение барабанапредотвращается упорными роликами.
Материал перемещается всушилке при помощи внутренней насадки, равномерно распределяющей его по сечениюбарабана. Конструкция насадки зависит от размера кусков и свойств высушиваемогоматериала. Насадка осуществляет механическую перевалку материала, сбрасывая егов поток сушильного агента. Ее назначение заключается в том, чтобы процесстеплообмена влажного материала с сушильным агентом осуществлялся по возможнобольшему поперечному сечению барабана.
Наиболеецелесообразна такая насадка, которая наименьшим образом распределяет,пересыпает, перемешивает материал и осуществляет его контакт с потокомсушильного агента, не забиваясь при этом и не нарушая транспортированияматериала.
Насадка с точки зрениятепломассопереноса должна быть компактной, однако для надежноститранспортирования интервал между элементами насадки должен быть как можнобольше.
Обычно в барабанныхсушилках материал и сушильный агент движутся прямотоком, благодаря этомупредотвращается пересушивание и унос материала топочными газами в сторону,противоположную его движению. Для уменьшения уноса при прямотоке скорость газовв барабане поддерживается не более 2-3 м/сек. Газы поступают из топки,примыкающей к барабану со стороны входа материала и снабженной смесительнойкамерой для охлаждения газов до нужной температуры наружным воздухом.
Высушиваемыйматериал проходит через подпорное устройство в виде сменного кольца илиповоротных лопаток, посредством которых регулируется степень заполнениябарабана, обычно не превышающая 20-25% его объема. Готовый продукт проходитчерез шлюзовой затвор, препятствующий подсосу наружного воздуха в барабан, иудаляется транспортером. Газы просасываются через барабан при помощи дымососа,установленного за сушилкой. Для улавливания из газов пыли между барабаном и дымососомвключен циклон.
Барабан приводится вовращение посредством зубчатого венца, который находится в зацеплении с ведущейшестерней, соединенной через редуктор с электродвигателем. Скорость вращениябарабана зависит от угла его наклона и продолжительности сушки; обычно барабанделает 1-8об/мин.
Преимуществами этихсушилок являются:
— интенсивность иравномерность сушки вследствие тесного контакта материала и сушильного агента;
— относительнаяпростота и компактность устройства;
— большаяпроизводительность;
— большое напряжениебарабана по влаге, достигает 100 кг/м3 и более;
— Большаяэкономичность, по сравнению с шахтными.
К недостаткамотносятся:
— громоздкость призначительных затратах металла и необходимость сооружения специальногопомещения.
Большое распространениеполучили сушилки, в которых сырой материал поступает в барабан вместе с горячимсушильным агентом. При одинаковой крупности материала возможна и противоточнаясушка. В этом случае транспортирование материала можно осуществлять толькомеханическим путем навстречу потоку воздуха с помощью винтовых лопастей илинаклона барабана. Перекрестное движение потоков осуществимо только в барабанахс перфорированными стенками.
Принцип действия.
Влажный материал(-31-31-) поступает в бункер влажного материала Б1, откуда он через дозатор Дпоступает в сушильный барабан. Топливо и воздух (3-3-) поступает в топку Т, гдесжигается и после смесительной камеры топочные газы (-33-33-) поступают всушильный барабан. Высушенный материал поступает в бункер высушенного материалаБ2, из которого попадает на ленточный конвейер. Дымовые газы после барабанапопадают в циклон Ц. Из циклона частицы материала, уносимые с дымовыми газами,также попадают на ленточный транспортер ТЛ транспортер. Топочные газы послециклона идут в мокрый пылеуловитель ПМ. Из него топочные газы уходят ватмосферу, а влажный материал направляется в Б1.
2. Выбор типабарабанной сушилки и сушильного агента
Выбор типа сушильногоагента проводится на основе комплексного исследования технико-экономическихпоказателей сушильной установки, технологической схемы и связи ее с тепловойсхемой предприятия.
Т.к. сушильный материалне боится загрязнений, то принимаем в качестве сушильного агента смесь дымовыхгазов и атмосферного воздуха с начальной температурой t, г=600°С. Дымовые газырационально использовать и потому, что суперфосфат гранулированный сушится притемпературах выше 80°С. При этом выявляется большая потребность в топливе,снижается металлоемкость, ниже сибистоимость сушки. Сушилки, работающие надымовых газах, более производительны и экономичны. Барабанные сушилки для сушкиглины являются наиболее надежными и широко распространенными установками. Онипросты по конструкции, удобны в обслуживании, работу их можно автоматизировать.Все сорта суперфосфат гранулированных при перегреве выше 600°С теряют полностьюсвою пластичность и способность при соединении с отощающими материалами,превращаться в массу, хорошо поддающуюся формовке. При сушке в барабаннойсушилке мы не получим t° материала выше предела (начинается при 150°С) даже приt° газа на входе в барабан 900°С.
С целью недопущенияснижения пластичности глины при сушке вследствие перегрева, а также уменьшенияпылеуноса принимаем для барабана прямоточную схему движения топочных газов.Прямоток также дает возможность быстрее придать материалу подвижность. Сушилки,работающие на дымовых газах более производительны и экономичны, просты поконструкции и удобны в эксплуатации. Работу их можно автоматизировать Барабанныесушилки для сушки глины являются наиболее надежными и широко распространеннымиустановками.
2.1 Описаниетехнологической схемы сушильной установки
Влажный материал(-31-31-) поступает в бункер влажного материала Б1, откуда он через дозатор Дпоступает в сушильный барабан. Топливо и воздух (3-3-) поступает в топку Т, гдесжигается и после смесительной камеры дымовые газы (-33-33-) поступают всушильный барабан. Высушенный материал поступает в бункер высушенного материалаБ2, из которого попадает на ленточный конвейер. Дымовые газы после барабанапопадают в циклон Ц. Из циклона частицы материала, уносимые с дымовыми газами,также попадают на ленточный конвейер ЛК транспортер. Дымовые газы после циклонаидут в мокрый пылеуловитель МП. Из него дымовые газы уходят в атмосферу, авлажный материал направляется в Б1.
2.2 Описание сушимогоматериала
Порошковый суперфосфатимеет свойство видоизменяться и переходить в неусваиваемое для растенийсостояние, попадая в почву, особенно это свойство ярко выражено, если грунтхорошо замешан с препаратом и если почва кислая. Для решения этой проблемыхимическая промышленность начала производить его в гранулах размером от 1 до 4мм. Таким образом, увеличивается продолжительность действия препарата.
Применяягранулированный вариант, вы можете быть уверены, что в этом случае с почвойконтактирует меньший процент удобрения и необходимое количество фосфора будетусвоено растительной культурой. В ходе гранулирования он подсушивается, ифосфорная кислота частично нейтрализуется, таким образом, количество свободнойфосфорной кислоты уменьшается до 1-2%, а содержание воды – до 1-4%. Но этотфакт компенсируется увеличением продолжительности сохранения фосфора в почве вусваиваемой для растений форме.
Гранулированныйсуперфосфат также содержит серу – до 10%, кальций – 12-17%, 0,5% магния. Вотличие от порошкового, не слеживается и не склеивается. Гранулированныйвариант можно вносить в грунты зерновыми сеялками. Если удобрение вносится вкачестве основного внесения, до засева выращиваемой культуры, то препарат следуетзаделывать под плуг, выдерживая глубину засева семян, так как гранулированныйне смывается осадками, не опускается глубже отметки своего первоначальногозадела. Таким образом, помещение гранул на поверхности почвы и оставлениегрунта не перемешанными не даст необходимых результатов – он долженконтактировать с корневой системой возделываемой культуры в непосредственнойблизости с ней.
Гранулы используютсядля основного внесения – до проведения посевных работ, одновременно с посевом ив качестве подкормки под все растительные культуры на любых видах почв. Самыйрациональный способ внесения удобрения – рядковое совместно с посевом зерен,высадкой корнеплодов. В этом случае количество затрачиваемого удобренияснижается втрое при неизменном результате. Прибавка урожая при таком методевнесения удобрения составит, например, для озимой пшеницы – от 5 до 15центнеров на гектар.
3. Материальныйбаланс процесса сушки
3.1 Определяемколичество влаги W, кг/ч, испарившееся из материала по уравнению материальногобаланса продукта, подвергающегося сушке
/>
где: G1-производительность сушилки по сырому материалу, 15 т/ч = 15000 кг/ч;
w1-начальная влажность материала на общую массу, 12%;
w2-Конечная влажность материала на общую массу, 2%.
/>
3.2 Определяемколичество сухого материала G2, кг/ч
G2=G1-WW (2)
G2=15000-1704,55=13295,45
3.3 Определяемколичество влаги W вл.н., кг/ч, содержащееся во влажном материале до сушки
/>
/>
3.4 Определяемколичество влаги Wвл.к., кг/ч, содержащееся в высушенном материале
/>
/>
3.5 Определяемсодержание остаточной влаги W, кг/ч
W=Wвл.н-Wвл.кк (5)
W=1800– 34,09 = 1834,09
3.6 Составляем материальныйбаланс по абсолютно сухому материалу, расход по массе которого не изменяется впроцессе сушки
Gc=G1(1-w1)=G2(1-w2)) (6)
Gc=15000(1-0,12)=13295,45 (1-0,02)
Gc=13200=13029,54
Из справочнойлитературы, согласно вида высушенного материала, для сушки в барабанныхсушилках выбираем тип насадки и напряжение барабана по влаге, т.е. количествовлаги (кг), которое испаряется с 1м3объема барабана за 1 час.
Для суперфосфатагранулированного принимаем тип насадки подъемно лопастная секторная.
3.7 Определяем объембарабана Vбар, м3
/>
m0- напряжение барабана по влаге, 60 м3/час
/>
3.8 Принимаем отношениедлины барабана к его диаметру
/>
3.9 Определяем диаметрбарабана D, м
/>
/>
/>
Принимаем Dбар=1,77
Уточняем Vбар
/>
3.10 Определяем площадьсечения S, м2
/>
/>
3.11 Определяем длинубарабана Lбар, м
/>
/>
Принимаем длину корпусаLбар= 11,46 м.
Тогда отношение вполнедопустимо.
/>
3.12 Объемноенапряжение барабана по влаге составит
/>
4.Расчет времени сушки
Время нахожденияматериала в барабане определяем по формуле, с:
/>
Где: β-коэффициентзаполнения барабана (принимаем согласно вида высушиваемого материала и типанасадки барабана) = 0,15%;
ρ-плотностьсуперфосфата гранулированного (кг/м3) при средней ее влажности ωСР = 3,1 ρс= 2600 кг/м3:
/>
/>
/>
/>
5.Расчетгорения топлива
В качестве сушильногоагента в конвективных сушилках применяют смесь топочных газов. При расчетесушильных установок необходимо знать основные физические параметры сушильногоагента.
Топочные газыобразуются при сжигании различных топлив и их использование в качествесушильного агента имеет свои преимущества по сравнению с сушилками с паровымиили водяными калориферами — большая экономичность по расходу топлива;
— меньшиегабаритно-весовые показатели;
— меньшая инерционностьпо температуре сушильного агента.
К недостаткам сушилок стопочными газами следует отнести возможность засорения сушимого продукта сажей.
Состав топлива (мазутмалосернистый) по массе (%):
Wp– 3,0%/>
Ap– 0,05%
Sp–0,3%
Cp– 84,65%
Hp– 11,7%
Np–0.3%
Op– 0.3%
5.1 Теоретическоеколичество воздуха по объему, необходимое для полного сгорания 1кг топлива, м3воздуха/ кг топлива
Qнр=339CР+1030SHp — 108,5(Op — Sp)-25 Wp; м3/кг(18)
Qнр=339*84,65+1030*11,7-108,5(0,3 – 0,3)-25*3=40672
L0=0,0889*CР+0,265*HР-0,0333(OР- SР);кг/кг(19)
L0=0,0889*84,65+0,265*11,7-0,0333(0,3– 0,3)=10,6
5.2 Находим количествоатмосферного 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
5.3 Действительноеколичество воздуха при коэффициенте избытка
Принимаем α –коэффициент избытка воздуха 1,2.
Для сухого воздуха
Lα=α*L0
Lα=1,2*10,6=12,72
Для атмосферноговоздуха
Lα’=α*L0’ (21)
Lα’=1,2*10,78=12,9
5.4 Количество и полныйсостав продуктов полного горения при α=1,2:
/>
/>0,01855*84,65=1,57
/>
/>
/> />(25)
/>
/>(26)
/>
/>(27)
/>
/>(28)
/>
5.5 Общее объемноеколичество продуктов горения
/>(29)
/>
5.6Рассчитать состав продуктов горения
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
5.7 Определяемвлагосодержание продуктов горения кг/кг:
/>
/>
5.8 Определяемэнтальпию дымовых газов на 1 кг. сухих газов, кДж/кг:
/>
Где: η– к.п.д. топки, принимаем 0,9;
Ст tт– количество теплоты, Ст = 2,30 кДж/(кг* °С), tт=120 °С;
Н0 – энтальпияатмосферного воздуха, равна 40 кДж на 1 кг. сухого воздуха;
Vуд– удельный объем влажного воздуха при В = 99,4 кПа Vуд= 0,843 м3 на 1 кг. сухого воздуха.
/>
По H-tдиаграмме находим действительную температуру приложение 13, источник 1, приα = 1,2, tг=1420
6.Графическиерасчеты процессов сушки в H,d-диаграмме
Графический расчетпроцессов сушки в Н-d диаграмме.
6.1 Рассчитываем начальныепараметры теплоносителя
Температура газов привходе в барабан tнгаз =600°С. Дляполучения такой температуры топочные дымовые газы разбавляем атмосфернымвоздухом. Приняв к.п.д. топки η=0.9, определяем количество воздуха,необходимого для смешивания с дымовыми газами. Для этого составляем уравнениетеплового баланса топки и камеры смешивания на 1 кг сжигаемого топлива.
/>
где: Нвоз – энтальпияпоступающего для смешивания воздуха при температуре, кДж/кг
/>
Ндым — энтальпиядымовых газов при tгазн 600°С, Ндым=1050кДж/кг
Нв, — энтальпия воздухапри температуре 120 °С (таблица Vll.33),
Нв, =815 кДж/кг
Тогда:
/>
/>
/>
/>
6.2 Общее количествовоздуха. Необходимое для горения 1 кг топлива и разбавления дымовых газов дозаданной температуры составляем кг/с:
/>
6.3Общий коэффициент избытка воздуха
/>
6,4 Определяемвлагосодержание разбавленных дымовых газов
/>
Где: /> — объемыотдельных составляющих продуктов горения при αобщ = 2,7
Рассчитываем объемсоставляющих продуктов горения:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Таким образом:
/>
6.5 Производимпостроение теоретического процесса сушки
Точка К характеризуетсяпараметрами Нгаз = 2213 кДж на 1 кг сухих газов и dгаз= 75,08 г на 1 кг сухих газов, а также А параметрами окружающего воздуха t0= 15°Cb φ0= 75% (d0 = 10,6 г).
По известным начальнымпараметрам сушильного агента (tнгаз= 600°C и dн=26,4)
Находим точку В –начало теоретического процесса сушки. Эта точка характеризует параметрысушильного агента ( смесь продуктов сгорания топлива с воздухом), поступающегов сушильный барабан. Соотношение между топочными газами (точки К) и воздухом(точка А) при смешивании их до заданных параметров (точка В) определяетсязависимостью.
/>
где: /> - количествосухого воздуха. Необходимого для получения смеси с температурой tнгаз=600°С/>
От точки В проводимлинию Ннгаз = const до пересечения сизотермой tкгаз =120°С иопределяем положение конечной точки процесса L0.Теоретический процесс сушки на Н-dдиаграмме изобразится линией ВС0. Параметрами точки С0 на 1 кг сухих газовявляются постоянная энтальпия Ннгаз =1100 кДж и влагосодержание d2= 300 г.
6.6 Расход сухих газовпо массе при теоретическом процессе сушки
/>
/>
6.7 Построениедействительного процесса в реальной сушилке сводится к определению направлениялинии сушки для чего находим удельное количество теплоты, отданное в окружающуюсреду поверхностью сушильного барабана и на нагрев материала.
/>
где: /> - количествотеплоты, расходуемой на нагрев сушимого материала, кДж/кг.
/>
где: см – удельнаятеплоемкость высушенного материала при конечной влажности />.
/>
где: /> – теплоемкость,/>
/>
/>
/> - количествотеплоты, потерянной сушилкой в окружающую среду.
/>
где: α1 –коэффициент теплоотдачи от газов к внутренней поверхности сушильного барабанаравной 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;
/> - коэффициенттеплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции в окружающую среду обычнопринимаемый 12-15 Вт/(м2*°С), />;
/> – площадьбоковой поверхности сушильного барабана
/>
/>
/> - разностьтемператур газов рабочего пространства барабана и окружающего воздуха, °С />
/> - средняятемпература материала в барабане
/>
где: /> средняятемпература материала в барабане.
/>
/>
Следовательно:
/>
Подставляем числовыезначения в формулу />:
/>
Подставляем числовыезначения в формулу />:
/>
6.8 Так как частьтеплоты теряется, то энтальпия /> в концепроцесса будет меньше энтальпии /> газов в началепроцесса сушки, т.е />
Находим величинууменьшения энтальпии дымовых газов.
/>
/>
Откладываем на Н-dдиаграмме значение />= />кДж на 1 кгсухих газов от точки С0 вертикально вниз и получаем точку D,которую соединяем с точкой В. Линия BDпоказывает направление линии действительного процесса сушки с учетом тепловыхпотерь. Линия пересечения пучка действительного процесса сушки с линией /> = 600°С даетточку С – конца процесса сушки. При заданной конечной температуре процесса /> =65°С весьпроцесс в действительной сушилке выразился линией ВС. Следовательно, процесспойдет по более крутой линии и конечная точка переместится по вертикали вниз отС до точки D на величину, равнуюпотере теплоты, отнесенной к 1 кг сухого газа, проходящего через сушилку.Притом энтальпия уменьшается при постоянном влагосодержании, поскольку потеритеплоты снижают температуру газов. Определяем на Н-dдиаграмме конечное влагосодержание газов для точки С, dк= 270г на 1 кг сухих газов.
6.9 Действительныйрасход газов по массе на сушку составит
/>
/>
6.10 Определяемколичество теплоты на сушку
/>
/>
6.11 Приняв к.п.д.топки η=0,9 определим количество подводимой теплоты в топку
/>
/>
6.12 Определим тепловуюмощность топки
/>
/>
6.13 Расход топлива помассе составляет
/>
/>
7.Материальный и тепловойбаланс 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 сдымовыми газами (баланс влаги) на 1 ч работы сушилки. Малая величина потеряннойтеплоты в окружающую среду объясняется применением тепловой изоляции. Проверимконструктивные размеры сушильного барабана.
7.1 Определяем объем сушильного барабана Vбар, м3
/>
где: Кб—коэффициент, учитывающий долю объема барабана,занятого насадками и винтовыми направляющими (Кб=1,1 ...1,2) Кб=1,2;
Ф — тепловой поток, передаваемый от газов к материалу ирасходуемый на испарение влаги и нагрев материала:
Ф=( 2493+1,97*tкгаз-4,2*tнм)*0,278*W+0,278*Qм(61)
где: Qм-количество теплоты, расходуемой на нагрев сушимого материала:
/> кДж/ч
Ф=(2493+1,97*120-4,2*15)*0,278*1704,55+0,278*505227,1=1403967,86кВт
7.2 Определяем среднююлогарифмическую разность температур между газами и материалом в барабане дляслучая прямотока по формуле
∆tср=∆tмакс-∆tмин/﴾2,3*lg*(∆tмакс/∆tмин)﴿ (62)
∆tмакс=tнгаз — tнм(63)
∆tмакс=600-15=585°С
∆tмин=tкгаз – tкм(64)
∆tмин=120-65=55°С
∆tср=585-55/(2,3*lg*(585/55)=224,58°С
Принимаем объемныйкоэффициент теплоотдачи, отнесенный к единице свободного объема барабана, незанятого перегородками и лопастями /> Вт/(м3*°С)
/>
Таблица 1. Материальный балансПриходные статьи Количество Расходные статьи Количество кг/ч % кг/ч % Влажного материала по массе, G1 15000 67,61 Высушенного материала по массе, G2 13295,45 59,93 Сухих дымовых газов, Gгаз 6997,3 31,54
Отходящих газов с водяными парами
Gгаз+W 8701,85 39,22
Водяных паров в газах:
Gв.п. 187,47 0,85 Невязка баланса +187,47 0,85 Итого: 22184,77 100 22184,77 100
7.3 Определим количество водяных паров в газах
/>
/>
8.Расчетудельного 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 5789659,2 339,66 98,64 На нагрев глины Qм 505227,1 29,23 8,49 В окружающую среду Qп 28620,42 1,65 0,48
На испарение и на нагрев влаги минерала:
Qисп=(2493+1,97tгазк-4,2tмн)W 356932,77 20,65 5,99
С отходящими газами, за исключением теплоты, уносимой испарившейся влагой
Qух=(αобщL′0+ΔV)mт *Нух 3778267,9 218,61 63,5
С атмосферным воздухом:
Qв=αобщ*
*L′ 0Нвmт 80793,16 4,67 1,36 Потерянной в топке Qтоп=mтQрн(1-ηтоп) 578965,92 33,499 9,73 Невязка баланса 622438,25 36 10,7 Итого: 5870452,36 344,33 100 Итого: 5870452,36 344,33 100
9. Расчет частотывращения и мощности привода сушильного барабана
9.1 Определяем удельныйрасход сухих газов на 1 кг испаренной влаги
lсм=1000/(d2-dн)(66)
lсм=1000/(300-26,4)=3,65кг
9.2 Удельное количествотеплоты на 1 кг испаренной влаги составит
q=Qтоп/W(67)
Определим количествотеплоты потерянные в топке, кДж/ч:
/>
/>
q=578965,92/1704,55=339,66кДж
9.3 Удельный расходтоплива на 1 кг испаренной влаги составит
b=mт/W(69)
b=142,35/1704,55=0,084
9.4 Тепловой к.п.д.барабанной сушилки равен
η= Qисп/qq (70)
Определим количествотеплоты на испарение и нагрев влаги материала, кДж/ч;
/>
/>
η=20,65/339,66 =0,06
10. Расчет частоты вращения и мощности приводасушильного барабана
10.1 Частоту вращения барабанаопределяем по формуле
n=LБАР/(a*t *D* tg α) (71)
где: a-коэффициент, зависящий от типа насадки и диаметра барабана.
Для подъемно лопастнойнасадки принимаем угол наклона барабана: α=30(tg =0,052)
n=11,46/(1.2*2649*1,77*0.052)=0,039 об/с = 2,35 об/м
10.2 Мощность,необходимую на вращение барабана, определяем по формуле А.П.Ворошилова
N=0,0013*D3БАР* LБАР*n*η*ρн (72)
где: η- коэффициентмощности для барабана
ρн- объемнаянасыпная масса суперфосфата гранулированного в барабане при средней влажности,/> кг/м3
Следовательно:
N=0,0013*1,773*11,46*2,35*0.038*2600=19,18кВт
11 Аэродинамический расчет, подбор приборов для сжиганиятоплива и вентиляционных устройств
Расчет топочного устройства и подбор горелочногоустройства
11.1 Объем топки Vт, м3:
Vт=Qт/qv (73)
/>
qv =(100000)кВт/м3
Vт=(40762*142,35)/100000=5,8 м3
11.2 Диаметр топки Dт, м:
Dт=/> (75)
Dт=/>=1,55
11.3 Длина топки Lт, :
Lт=2* Dт (76)
Lт=2*1,55=3,1
Рассчитаем мощность горелки, мВт:
Qг=(mт *Q)/106 (77)
Qг=(142,35*/>)/106=50,8
По рассчитанной мощности принимаем к установкегазомазутную горелку с форсунками воздушного распыливания ОргмонтажэнергогазОЭН-75-ГМВ-6, номинальной производительностью-86 м3/ч, с давлением газа передгорелкой 1-1.5 кПа.
11.4 Определяем объемный расход воздуха V'ВОЗ, м3/ч,необходимого для горения газа :
/>(78)
/>
11.5 Определяем подачу воздуха вентилятором Vt, м3/ч, притемпературе воздуха t0 = 15°C (летние условия работы):
/>
/>
Вентилятор подбирают в зависимости от требуемых подачи исоздаваемого давления, необходимого для преодоления сопротивлений воздушноготракта с целью нормальной работы горелки.
11.6 Принимаем полное давление, развиваемое вентиляторомпри плотности воздуха ρв=1,2 кг/м3: Pt = 1500 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 NДВ, кВт, принявк.п.д. привода для вентилятора, соединенного с двигателем при помощи эластичноймуфты ηп=0,98
/>
/>
11.8 Определяем установочную мощность электродвигателя Nуст, кВт, с учетомзапаса
/>
где: К — коэффициент запаса мощности электродвигателя напусковой момент, который принимают в зависимости от мощности на валу NДВ, 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 такжеинтенсивного перемешивания их с воздухом и предохранения загрузочной течки отбыстрого перегорания воздух подают специальным вентилятором в подсводовоепространство смесительной камеры.
11.9 Определяем объемный расход холодного воздуха V''в, м3/ч,необходимого для разбавления дымовых газов в камере смешивания
/>(82)
/>
С учетом температурной поправки подача воздухавентилятором Vt, м3/ч
/>
/>
По таблице выбираем вентилятор ВЦ-14-46-2.5 с КПД равным0.6.
Вентилятор соединяют с электродвигателем с помощьюмуфты, что требует соответствия частоты вращения его и двигателя. К. п. д.привода />=0,98.
11.10 Определяем мощность NДВ, кВт, на валуэлектродвигателя
/>
/>
11.11 Определяем установочную мощность Nуст, кВт,двигателя
Nуст=K*Nдв (85)
Nуст=1,2*1,7=2,06
где К — коэффициент запаса мощности на пусковой момент,равный 1,1 .
Принимаем к установке электродвигатель типа АИР100L6, мощностью 2,2кВт, 1000 об/мин.
11.12 Определяем действительный объемный расход влажныхотходящих газов Vсм, м3/с, при выходе из сушильного барабана:
/>
где gcm — расход газов по массе, выходящих из сушильногобарабана, кг/ч
/>
/>
11.13 Определяем плотность уходящих дымовых газов ρсм, кг/м3, при tГАЗК =120° С
/>
По H,d-диаграмме при tГАЗК =120° С и dK=270г на 1 кг сухих газов парциальное давление водяногопара в отходящих газах составит
Рп = 26664.5 Па
Тогда
/>
Следовательно,
/>
11.14 Сопротивление барабанной сушилки /> принимают 100—200 Па при скорости газа />=1,7...2 м/с и коэффициенте заполнения />= 20,6 %
Наибольшее сопротивление движению газового потока оказываетбатарейный циклон для очистки от пыли отходящих газов. Подбираем батарейныйциклон с элементами диаметром D=150 мм, коэффициент гидравлического сопротивленияэлемент/>=90. Исходя из технико-экономических соображений, а также из требованийнадежности работы батарейных циклонов принимаем гидравлическое сопротивлениебатарейного циклона из соотношения (отношение перепада давления в циклоне кплотности газа): />Принимаем/>
11.15 Определяем пропускную способность Vэл, м/с, черезодин элемент циклона по запыленному газу
/>
/>
11.16 Определяем требуемое количество элементов циклонаn:
/>
/>
11.17 Принимаем тип секции ПС-5-5, количество элементовв секции n=50. Располагаем их в 5 рядов по ходу газа ( 10элементов в каждом ряду)
Определяем гидравлическое сопротивление циклона />, Па
ΔР=550*ρсм (91)
ΔР=550*0,8=440
Начальная запыленность газа, поступающего в батарейныйциклон, допускается до 100 г/м3. К. п. д. батарейного циклона зависит отфракционного состава пыли и в среднем колеблется от 78 до 95%.
11.18 Определяем скорость газов на выходе из барабанаVгаз, м/с
/>
/>
11.19 Определяем скорость газов ν, м/с, в цилиндрическойчасти циклонного элемента
/>
/>
11.20 Общее аэродинамическое сопротивление, котороедолжен преодолеть дымосос, складывается из следующих сопротивлений
газоходов от топки до входа в сушильный барабан….…………....100Па
барабанной сушилки……………………………..………….................200
выходной газовой камеры от конца барабана до выходного патрубкациклона…………………………………………………………………………...50
батарейного циклона………………………………………..............440
Полное сопротивление сушильной установки составит /> = 790Па.
11.21 Обычно газы отсасываются вентилятором среднегодавления, подачу которого рассчитывают из условий обеспечения скорости газов помассе в сечении барабана 2—3 кг/(с-м2) с учетом подсосов по газовому тракту вразмере 50—70%
Определяем подачу дымососа Vдым, м3, с учетом подсосоввоздуха в размере 50%:
Vдым=Vcм*1,5 (94)
Vдым=/>*1,5=16867,32
11.22 При подборе дымососа следует учитывать запасдавления примерно до 40% к общей сумме аэродинамических сопротивлений, Па
Соответственно:
ΔРсу=790*1,4=1106
11.23 В качестве дымососа можно использовать обычныйцентробежный вентилятор среднего давления (желательно с охлаждением подшипников)
Так как характеристики для подбора вентиляторовсоставлены для нормальных условий при Т0=273+15 = 288° К, Па.
/>
/>
По этим данным (Vдым=2735 м3/ч и />Р0=1509 Па) подбираем центробежный вентилятор типа ВЦ-14-46-6.3: к.п.д. />B = 0,63.
11.24 Определяем мощность электродвигателя Nдв, кВт,вентилятор
/>
/>
где: /> — к. п. д. передачи при помощи эластичной муфты,равный 0,98.
11.25 Определяем установочную мощность двигателя Nуст,кВт, при коэффициенте запаса мощности К=1,1, кВт.
Nуст=Nдв*К К (97)
Nуст=11,45*1,1=12,59
Принимаем к установке двигатель серии АИР160S-4 с номинальноймощностью 15 кВт, 1500 оборотов в минуту. Дымосос и циклон необходимоизолировать в том случае, если ожидается охлаждение газов в них ниже 70—75 °С.
Вращающиеся барабанные сушилки обычно работают подполным давлением (585-635 Па), чтобы предотвратить выход в цех запыленныхвредных топочных газов. Слишком большой подсос воздуха снизит температурусушки, поэтому стремятся за счет уплотнений (лабиринтных радиальных и торцовых)снизить подсос воздуха до минимального предела.
12. Примерный расчет дымовой трубы
12.1 Определяем температуру газов в устье трубы tу, °С, из условийпонижения температуры по высоте />= 1,5° С на 1 м для кирпичной трубы и 2—3° С вметаллических нефутерованных трубах:
tу=tосн-30Δt (98)
tу=120-30*1,5=7512.2 Определяем среднюю температуру tср, °С, газов в трубе:/>
12.3 Определяем среднюю плотность окружающего воздуха/>, кг/м3 :/>
12.4 Определяем диаметр устья трубы Dу, м, принимаяскорость νоу=4м/с, если плотность газов при давлении 101,3 кПа и t=80° С составляет />0 = 1 кг/м3:
/>
/>
12.5 Принимаем Dy-1,22м.
Тогда/>
12.6 Определяем диаметр основания трубы Dосн, м:
DOCH =l,5Dy =1,5*1,22= 1,83
12.7 Определяем средний диаметр Dср, м:
/>
12.8 Определяем среднюю скорость газов в трубе νср,м/с:
/>
При искусственной тяге высотудымовой трубы выбирают с учетом санитарно-гигиенических требований и«Санитарных норм проектирования промышленных предприятий». Металлические трубыизготовляют высотой не более 30—40 м. При сжигании сернистых топлив не следуетприменять металлические трубы вследствие их износа от коррозии за 3—4 года.Согласно санитарно-техническим нормам, дымовую трубу высотой 30 м допускают присуточном массовом расходе многозольного топлива до 5 т/ч. При работе на газе имазуте высота дымовых труб может быть уменьшена, но она должна быть большевысоты зданий, расположенных вблизи сушильной или печной установки. Если врадиусе 200 м от сушильной установки имеются здания высотой более 15 м,минимальную высоту трубы принимают равной 45 м. В соответствии с требованиямипожарной охраны минимальную высоту дымовой трубы принимают не менее 16 м.
Кирпичные трубы выполняют высотой 30—70 м и диаметром неменее 800 мм для сушильных и печных установок средней и большой производительности.Железобетонные трубы выполняют высотой 80—150 м для тепловых установок большойи сверхбольшой мощности. Кирпичные и железобетонные трубы являются дорогимисооружениями, поэтому одну трубу устанавливают на 2—4 агрегата. Скорость газовна выходе из трубы выбирают в пределах 12—20 м/с. При колебании расхода топливаскорость в устье трубы не должна превышать 2— 6 м/с. При скорости меньше 2 м/свозможны нарушения тяги трубы от воздействия ветра.
Принимаем к установке кирпичнуюдымовую трубу высотой ориентировочно H=30 м. При естественной тяге рассчитываютнеобходимую высоту дымовой трубы и ее диаметр. Расчетную скорость газов привыходе из трубы выбирают при условии минимальных ее сопротивлений, значительноболее низкой, чем при искусственной тяге, (в пределах 6—10 м/с и не менее 4 м/сво избежание «задувания» трубы).
13. Расчет толщинытеплоизоляционных покрытий
13.1 Определяем толщинутепловой толщины δиз, мм, из равенства удельных тепловых потоков черезслой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду:
/>
где α2-коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала вокружающую среду, Вт/м2 °К;
/>
tст2- температураповерхности изоляции со стороны окружающей среды, для аппаратов, работающих взакрытом помещении не должна превышать tст2=45°С;
tст1- температураизоляции со стороны аппарата, ввиду незначительного термического сопротивлениястенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1,принимаем равный средней температуре между газами и материалом в барабанесушилки tст1=50,7;
tок- температураокружающей среды (воздуха), tок=15°С, пункт
/>
Толщина изоляцииδиз, м
/>
где: λи-коэффициент теплопроводности изоляции, принимаем асботермит: λи =0,112Вт/м°К
/>
14.Основные требования ПТЭ к сушилкам
Камерысушилок должны быть герметичными. Двери камер должны иметь рычажные, клиновые,винтовые или другие устройства, плотно закрывающие их.
Если в конвейерныхсушилках по условиям эксплуатации не могут быть устроены двери или конструкциясушилки не обеспечивает зону с нулевым давлением, у входа и выхода сушилкинеобходимо устраивать тепловые (воздушные) завесы.
Сушильныеустановки должны иметь тепловую изоляцию, обеспечивающую минимальныетехнологические потери теплоты.
Приустановке сушилок на открытом воздухе теплоизоляция должна быть влагостойкой сгидроизоляционным покрытием.
Всушильных установках, в которых происходит пропаривание материала или изделий,ограждающие конструкции должны покрываться слоем гидроизоляции.
Всушилках с принудительной циркуляцией воздуха должны устанавливаться ребристыеили гладкотрубные подогреватели или пластинчатые калориферы. Для лучшегообеспечения стока конденсата пластинчатые калориферы должны устанавливатьсявертикально.
Дляобеспечения равномерного распределения воздуха в сушильной камере должныустанавливаться направляющие экраны, решетки и другие устройства. Сушилка материаловв камерных сушилках с неполными габаритами штабеля по высоте запрещается
Присушке порошкообразных или дробленых материалов удаляемый из сушилки воздухдолжен очищаться путем устройства пылеосадочных камер, сухих или мокрыхциклонов, мультициклонов, матерчатых фильтров. В этих сушилках должнаприменяться рециркуляция воздуха.
Кратностьрециркуляции воздуха должна быть определена расчетным путем с учетом режимавзрывоопасных паров и пыли, выделяемой при сушке, и указана в инструкции поэксплуатации.
Нарабочем месте работника, обслуживающего сушильную установку, должна бытьрежимная карта. При эксплуатации сушилки должен осуществляться контроль запараметрами теплоносителя! регламентируемыми температурами по зонам, закачеством высушиваемого материала с регистрацией показателей в оперативномжурнале
Режимработы сушильных установок и характеристики работы основного и вспомогательногооборудования определяются энергетическими испытаниями, которые должныпроизводиться:
послекапитальных ремонтов сушилок;
послевнесения конструктивных изменений или внедрения рационализаторских предложений;
дляустранения неравномерности сушки, связанной с выходом бракованной продукции
При испытаниях сушилкидолжны определяться часовой расход и параметры греющего теплоносителя,температура и влажность сушильного воздуха в разных точках камеры, коэффициенттеплопередачи нагревательных поверхностей, производительность вентиляторов ичастота вращения электродвигателей (в сушилках с принудительной циркуляциейвоздуха.
Список используемойлитературы
1. М.М.Роговой, М.Н. Кондакова, М.Н. Сагановский « Расчеты и задачи потеплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительныхматериалов»
2. В.Ф.Степанчука, Справочное пособие по теплотехническому оборудованию промышленныхпредприятий. Мн.: Высшая школа, 1983-256с.
3. В.А.Григорьев,В.М. Зорин, «Промышленная теплоэнергетика итеплотехника: Справочник».-М.: Энергоатомиздат,1983.
4. Ю.И.Дытнерский, Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: «Химия»,1991-545с.
5. Р.И.Эстеркин,Промышленные котельные установки. Л.: Энергоатом издательство, 1985-400с.
6. «Правилатехнической эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетейпотребителей. Техника безопасности при эксплуатации теплоиспользующих установоки тепловых сетей потребителей».-Мн.: ЦОТЖ,2004