ВСТУП
Сушкаце процес видалення з матеріалу вологи, що забезпечується її випаровуванням тавідведенням пари, що утворюється.
Видаленнявологи з твердих і пастоподібних матеріалів здешевлює їх транспортування інадає їм певні властивості, а також сприяє зменшенню корозії апаратури. Вологуможна видаляти механічними способами віджимання, центрифугування, відстоювання.Проте цими способами волога віддаляється частково, ретельніше видалення вологиздійснюється шляхом теплової сушки. Найбільш ширше поширені в хімічнійтехнології конвективний і контактний методи сушки. При конвективній сушці теплопередається від теплоносія до поверхні висушуваного матеріалу. Як теплоносіївикористовують повітря, інертні гази, димові гази. При контактній сушці тепловисушуваному матеріалу передається через перегородку, що обігрівається, дотичнуз матеріалом. Декілька рідше застосовують радіаційну сушку (інфрачервонимпромінням) і сушку електричним струмом (високої або промислової частоти).Методи сушки сублімацією з скиданням тиску знаходять обмежене застосування вхімічній промисловості. По фізичній суті сушка є складним дифузійним процесом.Його швидкість визначається швидкістю дифузії вологи з глибинних частинматеріалу до поверхні, а потім в навколишнє середовище. Видалення вологи присушці включає не тільки перенесення матеріалу, але і перенесення тепла, такимчином є теплообмінним і масообмінними процесами.
У хімічній промисловості, де технологічні процеси протікаютьв основному в рідкій фазі, кінцеві продукти мають вид або паст, або зерен,крихти, пилу. Це обумовлює вибір відповідних методів сушки.
1ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСУ СУШІННЯ
1.1 Статикасушіння
Сушінняє досить складним технологічним процесом, залежним від великого числа чинників.У всіх випадках при сушінні видаляється легколетючий компонент (органічнийрозчинник, вода). Отже сушіння – це процес видалення з матеріалу вологи, щозабезпечується її випаровуванням і видаленням водяної пари, що утворюється. Цейпроцес може проходити лише якщо тиск пари над поверхнею матеріалу більше ніж уоточуючим середовищі. В сушарках конвективного типу сушильний агент служить нетільки тепло- та волого носієм, але й транспортуючим середовищем для матеріалу,що випарився.
Статикасушіння встановлює зв’язок між початковими та кінцевими параметрами речовин, щоприймають участь у процесі на основі рівнянь теплового та матеріальногобалансів. За допомогою статики сушіння визначають витрату агенту сушіння та тепланеобхідного для процесу.
Механізмконвективного сушіння можна навести таким чином. При введенні вологого тіла унагрітий газ триває перенос тепла до поверхні матеріалу, що обумовленийрізницею температур між ними, нагрів його і випаровування вологи. При цьомупідвищується парціальний тиск поблизу поверхні тіла, що приводить до переносупари вологи до оточуючого середовища. В результаті випаровування вологи зповерхні і відведення утвореної пари виникає градієнт концентрацій вологи уматеріалі, що є рухомою силою внутрішнього переміщення її з глибинних шарів доповерхні випаровування. При переміщуванні триває погіршення зв’язку вологи зматеріалом, що потребує додаткових затрат енергії зверх той, що необхідна дляпароутворення. Тому швидкість процесу сушіння залежить від характеру або формизв’язку вологи з сухою речовиною матеріалу.
АкадемікомП.А.Ребіндером була розроблена фізично обґрунтована класифікація форм зв’язкувологи з матеріалом: хімічна, фізико-хімічна (адсорбційна і осмотична) іфізико-механічна. Хімічно зв’язана волога подає собою воду гідратів, що міцнозв’язана з речовиною у вигляді гідроксильних іонів. Як правило, хімічнозв’язана волога у процесі сушіння не виходить. Адсорбційно зв’язана вологаз’являється при адсорбції молекул пари з оточуючого середовища під впливоммолекулярного силового поля на зовнішній та внутрішній поверхнях речовини.Причиною осмотичного зв’язку є осмотичний тиск, що обумовлює диференційнудифузію води з оточуючого середовища скрізь напівпроникливу оболонку. Вологафізико-механічного зв’язку подає собою рідину, що знаходиться у порах такапілярах матеріалу, і рідину змочування, що прилипнула до поверхні тіла придотику з нею. Зв’язок капілярної вологи з каркасом твердого тіла обумовленийадсорбційним зв’язком полі молекулярного шару поблизу стінок капіляру.
Упромисловості при сушінні мають на меті видалення вологи, що зв’язанафізико-механічним способом. Якщо рідина знаходиться у контакті з газом то їїпара буде змішуватися з ним з утворенням однорідної суміші. Повне насиченнягазу парою рідини відбудеться тоді, коли їх парціальний тиск у газовій сумішістане рівним пружності пари при цій температурі [5].
1.2 Кінетикапроцесу сушіння
Кінетикасушіння встановлює зв’язок між зміною вологості матеріалу у часі та параметрамипроходження процесу. Рівняння кінетики характеризують процес видалення вологиіз матеріалу у часі та використовуються для визначення тривалості та режимусушіння.
Підкінетикою процесу сушіння розуміють зміну середньої вологості с’ і температури`q з перебігомчасу. Графічно кінетичні закономірності зміни середньооб’ємної вологостіматеріалу у часі с¢= f(t) відображуєтьсякривою, що називають кривою сушіння (рис. 1).
/>
Рисунок 1.1 –Крива сушіння
Швидкість сушіння визначається покривій сушіння графічним диференціюванням. Для цього у довільній точці кривої,що характеризує вологість у даний момент часу, потрібно провести дотичну доперехрещення з віссю абсцис (рис. 1.1). Тангенс кута нахилу дотичної до вісіабсцис визначає швидкість сушіння. Період ВС характеризує ділянку постійноїшвидкості сушіння. Від точки С швидкість сушіння починає знижуватися, щообумовлено збільшенням внутридіфузійного опору та досягнення їм у певний моментчасу значення, що порівняне з зовнішньодіфузійним опором.
Вологість, що відповідає точціпереходу з горизонтальної прямої до кривої лінії на межі між періодамипостійної швидкості та швидкості, що зменшується, називають критичною вологістюскр. При досягненні матеріалом рівноважної вологості ср процес сушіннязакінчується. Зовнішній вигляд типової кривої швидкості сушіння зображений нарис. 2.
/>
АВ – періоднагріву матеріалу
ВС — періодпостійної швидкості
СД — період спадушвидкості
Рисунок 1.2 –Крива швидкості сушіння
Період постійної швидкості сушінняхарактеризується постійною температурою матеріалу, а період спаду швидкостісушіння – зростанням температури матеріалу.
Оскількитемпература вологого термометру суттєво нижче температури оточуючого середовищата мало від неї залежить, можна для першого періоду сушіння використовуватитеплоносій з високою температурою. Це дуже важливо для інтенсифікації таналежної організації апаратурно-технологічного оформлення процесу сушіння [5].
2 АПАРАТИ ДЛЯСУШІННЯ
2.1 Розпилювальнасушарка
Розпилювальна сушарка застосовується для сушки пастоподібних ірідких матеріалів. У ній висушуваний матеріал розпилюється в гарячому газі(повітрі). Розпилювання виробляється форсунками (механічними або пневматичними)або відцентровими дисками.
При механічному розпилюванні розчин солі, наприклад оцтовокислогокальцію, нагнітається у форсунках під тиском від 30 до 200 атм. Розмір крапель прирозпилюванні залежить від тиску рідини, діаметру вихідного отвору, в'язкостірідини і т.д., і коливається в межах від 20 до 100 мк. На розміри крапельвпливає головним чином турбулізация рідинного струменя, який створюється підвищеннямшвидкості закручування струменя у форсунці. Форсунка складається з корпусу 1,головки форсунки 2 і диска 3. Насадка змінна, дозволяюча змінювати діаметрвихідного отвору від 0,8 до 1,5 мм.
Механічні форсунки відрізняються високою продуктивністю,безшумністю роботи, дають тонкий і рівномірний распил. Продуктивність форсунокпри сушці до 600 кг/ч, хоча форсунка може розпилювати до 4,5 т/год продуктів.Витрата енергії на розпилювання від 2 до 10 кВт на тонну розчину. До недоліків форсунок слідвіднести неможливість регулювання продуктивності форсунки і швидку засоряємістьвихідних отворів (0,5 мм). Ці форсунки не придатні для обробки суспензій, паст,розчинів, що дають опади.
При відцентровому методі розпилювання можна регулюватипродуктивність сушарки і неважко її автоматизувати. Недоліком же його єпідвищена вартість в порівнянні з розпилюванням за допомогою сопел.
Розпилювання за рахунок відцентрової сили здійснюється шляхомподачі розчину на диск, що швидко обертається. Під дією відцентрової силирозчин рухається на периферію диска і за допомогою лопаток або сопелвиштовхується в камеру. Швидкість обертання диска складає від 4000 до 20000об/мин. Окружна швидкість диска вибирається до 200 м/с. Розпилюючі дискиприводяться в обертання або від електродвигуна, або від парової турбіни.
/>
1 — камера; 2 — рукавні фільтри; 3- распилітельний диск; 4 — вентилятор; 5- шкрябання
Рисунок 2.1 — Розпилювальна сушарка (распилвідцентровимдиском)
На рисунку 2.1 зображена схема найпоширенішої розпилювальноїсушарки, що працює при паралельному струмі газу і частинок. Нагріте повітряпоступає у верхню частину камери 1. Тут він зустрічається з краплями абошматочками матеріалу, що розпилюється диском, що обертається, 3 або іншимпристроєм.
Завдяки розвиненій поверхні зіткнення матеріалу з газом,сушка протікає дуже швидко — на льоту, і на дно сушарки падає вже повністювисушений матеріал. Звідси він шкрябаннями 5 подається в розвантажувальний шнекабо інший розвантажувальний пристрій, що герметизується. Повітря, насиченепарою, відсисається вентилятором 4 з нижньої частини сушарки через рукавніфільтри 2, як на малюнку 15, або інший пиловловлюючий апарат. Паралельний струмстворює можливість застосовувати для сушки високу температуру газу, збільшуючишвидкість сушки, без перегріву висушуваного матеріалу.
Незважаючи, проте, на велику швидкість процесу (кількістьводи, що випарувалася, в одиницю часу з одиниці поверхні матеріалу),інтенсивність роботи распилітельних сушарок (кількість води, що випарувалася, водиницю часу в одиниці об'єму апарату) невелика, оскільки на одиницю об'ємуапарату одночасно доводиться порівняно невелика маса матеріалу.
При роботі распилітельних сушарок спостерігається велике віднесеннявисушеного матеріалу газами, оскільки матеріал в процесі сушки знаходиться вдрібно розпиляному стані. Тому значна частина продукту уловлюється з газу вциклонах, рукавних фільтрах, електрофільтрах.
/>
1 — сушильна камера; 2 — механічна форсунка; 3 — введення повітря;4 — фільтр; 5,10 — вентилятори; 6 — підігрівач; 7 — циклон; 8 — топка; 9 — скребок;11 — скрубер; 12,13 — насос.
Рисунок 2.2 – Розпилювальна сушарка (распилмеханічноюфорсункою)
/>
Рисунок 2.3 — Розпилювальна сушарка
Розпилювальні сушарки переважне застосування мають внаступних випадках:
1. Матеріал не переносить тривалого нагріву. Процес сушкипротікає дуже швидко (від десятих часток до декількох секунд) і тому навітьчутливі до нагріву матеріали, наприклад, харчові продукти: молоко, яєчнийпорошок і ін., не встигають розкладеться при висушуванні.
2. Неприпустимо окислення матеріалу, наприклад при сушціметалевих порошків. Через короткочасний нагрів матеріал в процесі сушки невстигає окислюватися.
3.Сушиться пастоподібний, налипаючий матеріал. Сушка його на льоту запобігає заліпанню стінок.Розпилювання рідких матеріалів відцентровим диском зумовлює розкид крапельна стінки камери. Проте, після деякої межі підвищення швидкості обертання диска(4000-20000 об/мин) таке налипання припиняється. Це відбувається, мабуть, черездуже дрібне розпилювання рідини, при якому краплі або не долітають до стінок,або висихають настільки швидко, що частинки, що навіть долетіли, не налипають.
2.2 Стрічкові сушарки
Основною частиною стрічкової сушарки (рисунок 2.4) єгоризонтальна нескінченна стрічка 1, яка рухається в камері 2. Матеріалпоступає з одного кінця стрічки і скидається у висушеному вигляді з іншого їїкінця. Стрічка натягнута між провідною зірочкою 4 і відомою зірочкою 5,служащей для натягнення стрічки. Стрічки виготовляють суцільними (з тканини)або сітчастими (з металевої сітки).
Сушарка звичайно розділяється на декілька зон (у данійсушарці їх три), в кожній з яких встановлений вентилятор для створенняциркуляції повітря. У сушарках з суцільною стрічкою нагріте повітря рухаєтьсянад шаром матеріалу, протитечією його руху. У сушарках з сітчастою стрічкоюповітря проходить перпендикулярно площини стрічки — вгору або вниз. При такомупоперечному продуванні шар матеріалу краще розпушується, що прискорює йогосушку.
У однострічкових сушарках шар матеріалу на стрічці висихаєнерівномірно: частина матеріалу, звернена до стрічки (при русі сушильногоагента уздовж шару матеріалу), залишається вологішою. Тому часто застосовуютьбагатострічкові сушарки, в яких матеріал пересипається з однієї стрічки наіншу.
/>
1 — конвейєрна стрічка; 2 — камера; 3-циркуляційний вентилятор; 4,5 — зірочки; 6, 7 — вентилятори
Рисунок 2.4 — Стрічкова сушарка
2.3 Петльові сушарки
У петльових сушарках (рисунок 2.5) виробляється сушкапастоподібних матеріалів в рухомому тонкому шарі. Матеріал за допомогоюживильника 1 подається на нескінченну сітчасту стрічку 2, вдавлюється в їїосередки, проходячи через валяння, що обігріваються парою, 3, після чогопоступає на сушку в камеру сушарки, де рухома сітка утворює ряд петель.Висушений матеріал скидається за допомогою молотків 4, вдаряючих по сітці, іпадає в розвантажувальний шнек 5. Циркуляція повітря виробляється вентиляторами6, розташованими по обох сторонах камери. У сушарці є декілька зон. Вона працюєз проміжним підігрівом повітря у воздухоподогревателях, розташованих в камері,і частковим поверненням повітря в зони.
/>
1 — живильник; 2 — нескінченна сітчаста стрічка; 3 — валок; 4 — молоток; 5 — розвантажувальний шнек; 6 — вентилятори
Рисунок 2.5 — Петльова сушарка
У петлевих сушарках досягається інтенсивна сушка з наступнихпричин: 1) поверхня випаровування вологи значна, оскільки сітка з висушуванимматеріалом рівномірно омивається повітрям з двох сторін; 2) сушка відбуваєтьсяв порівняно тонкому шарі; 3) матеріал додатково підігрівається стінкамиметалевої сітки; 4) у міру усадки і розтріскування матеріалу в осередках сіткистворюються додаткові поверхні випаровування.
2.4 Сушарка з киплячим шаром
У сушарках з киплячим шаром звичайно сушать продукти зрозмірами зерен від 0,1 до 5,0 мм. Ці апарати відрізняються високою надійністю,скороченням часу сушки за рахунок посиленого перемішування матеріалу всушильній камері.
Такі сушарки використовують для сушки сульфату амонія,хлористого калія, вініфлекса і цілого ряду сипких і навіть пастоподібнихматеріалів. Сушарки прості по конструкції (рисунок 2.6). Матеріал через бункер4 подається на похилі грати 1, яка може одержувати коливання від вібратора 5.На сітці відбувається псевдозрідження матеріалу повітрям, що поступає знизу.Відпрацьоване повітря проходить дві паралельні щілини у верхній частині камериі відводиться через патрубок 3, а матеріал вивантажується через патрубок 2 ічастково через патрубок 6. У промисловості використовують сушарки з декількомакамерами [2].
/>
Рисунок 2.6 – Сушарка киплячого шару
2.5 Барабаннасушарка та опис технологічної схеми
Вона є зварним циліндром – барабаном, на зовнішній поверхніякого укріплені бандажні опори, кільцями жорсткості і приводним зубчатимвінцем; Вісь барабана може бути нахилена до горизонту на 4° — 6°
Барабанні атмосферні сушарки безперервної дії призначені длясушки сипких матеріалів топочнимі газами або нагрітим повітрям.
Усередині барабана встановлюють насадки, конструкція якихзалежить від властивостей висушуваного матеріалу. З боку завантажувальноїкамери багатозамочна гвинтова насадка, з числом спіральних лопатей від шести дошістнадцяти залежно від діаметру барабана. При сушці матеріалу з великоюадгезією до поверхні на початковій ділянці останнього закріплюють ланцюги, задопомогою яких руйнують камки і очищають стінки барабана. Для цієї ж метиможуть застосовувати ударні пристосування, розташовані із зовнішньої сторонибарабана.
У сушарках діаметром 1000 – 1600 мм для матеріалу з хорошоюсипучістю і середнім розміром частинок до 8 мм встановлюють секторну насадку. Утих же сушарках, для матеріалів, що володіють підвищеною адгезією або сипкихматеріалів з середнім розміром частинок більше 8 мм встановлюють підйомний –лопатеві пристрої. У сушарках діаметром 1000 – 3500 мм для матеріалів схильнихдо налипання, але поновлюючих сипкі властивості в процесі сушки спочаткувстановлюють підйомний – лопатеві перевалочні пристрої, а потім секторнінасадки.
Основний матеріал для виготовлення барабанів сушарок,завантажувальних і розвантажувальних камер – вуглецеві стали. У технічнообгрунтованих випадках додаткове виготовлення барабанів, розвантажувальних ірозвантажувальних камер частково або повністю з жаростійких сталей спеціальнихмарок.
Барабанні вакуумні сушарки працюють, як правило, періодично іїх застосовують для сушки теплочутливих матеріалів від води і органічнихрозчинників, а також для сушки токсичних матеріалів. Залежно від властивостейматеріалу і вимог до готової продукції застосовують сушарки середнього абоглибокого вакууму. Вакуумні барабанні сушарки застосовують в основному увиробництві полімерних матеріалів.
Принциповасхема барабанної сушарки представлена на схемі
Вологий матеріал з бункера 1 за допомогою живильника 2потрапляє в сушильний барабан 3, що обертається. Паралельно матеріалу в сушаркуподається сушильний агент, що утворюється при згоранні палива в топці 4 ізмішення газів в камері змішувача 5. Повітря в топку і камеру змішувачаподається вентиляторами 6,7. Висушений матеріал з протилежного кінця сушильногобарабана 8, а з нього на транспортуючий пристрій 9.
Відпрацьований сушильний агент перед викидом в атмосферуочищається від пилу в циклоні 10. При необхідності виробляється додаткове,мокре пиловловлювання у скрубері 11.
Транспортування сушильного агента через сушильну камеруздійснюється за допомогою вентилятора 12. При цьому установка знаходиться підрозрідженням 50 – 250 Па, що виключає витік сушильного агента через нещільністьустановки.
Барабан приводиться в обертання електродвигуном через зубчатупередачу 13.
3 РОЗРАХУНОКОСНОВНОГО ОБЛАДНАННЯ
3.1 Матеріальнийрозрахунок
Продуктивністьсушарки складає 2600 кг/год сульфату амонію вологістю 0,2%. З них сухої солі:
/> (3.1)
де Gk – продуктивністьсушарки, кг/год;
ωк– кінцева вологість отриманого сульфату амонію, %.
Звідси
/>
Виходячиз вихідної вологості сульфату амонію 4%, встановлюємо кількість вологи, щовидалена з матеріалу по рівнянню:
/> (3.2)
де Gп — кількістьсолі, що виходить з сушарки;
ωп,ωк — відповідно початкова і кінцева вологість сульфату амонію, %.
Тоді
/>
Такимчином, кількість матеріалу що подається до сушарки становить:
Gп = Gк + W (3.3)
Gп=2600 + 103,1 =2703.1 кг/год = 0.750 кг/с
Кількістьвологи, що залишається у висушеній солі становить [2]:
Wост= 2600 –2594,8 = 5.2 кг/год = 0.001кг/с
3.2 Тепловийрозрахунок сушарки
3.2.1 Визначенняпараметрів топочних газів
Якпаливо використовується сухий природний газ наступного складу: CH4 – 92.0 (% об.); C2H6 — 0,5; H2 – 5,0; CO – 1,0; N2 – 1,5.
Дляспалювання 1 кг цього газу необхідно L0 кг сухого повітря. Розрахунок L0 за наступноюформулою:
/> (3.4)
деСО, Н2, СmHn – об’ємні долі компонентів, що горять.
Звідси:
/> кг/кг
Виходячи з тепловихефектів реакцій згоряння компонентів палива:
H2 + 0.5 O2 →H2O + 10810 кДж/м3
CO + 0.5 O2 →CO2 + 12680 кДж/м3
CH4 + 2 O2 → CO2+ 2H2O + 35741 кДж/м3
C2H6 + 3.5 O2 →2CO2 + 3H2O + 63797 кДж/м3
Розрахуємо кількістьтепла, що утвориться при згорянні 1 м3 газу:
/> (3.5)
де ω — об’ємна доля компоненту, %; q – питома теплотазгоряння компоненту, кДж/м3.
Отримуємо:
/> кДж/м3
Щільність паливного газувизначимо за формулою:
/> (3.6)
де Мі – мольна масакомпоненту, tп – температура палива, υ0 – мольний об’єм газу.
Підставивши у формулузначення отримаємо:
/> кг/м3
Кількість тепла, щовиділяється при спалюванні 1 кг газу:
/> кДж/кг
Масагазів, що подається до барабану у розрахунку на 1 кг палива, що горитьвизначається загальним коефіцієнтом надлишку повітря α, необхідного длягоріння палива та розбавлення топочних газів до температури 130°С. Значенняα знаходять з рівнянь теплового та матеріального балансів:
/> (3.7)
де η – ККД топки(дорівнює 0,95); сп – теплоємність палива при 20°С, (дорівнює 1,34 кДж/(кг*К)); І0 – ентальпія свіжого повітря, кДж/кг; іс.г. – ентальпія сухих газів,кДж/кг; х0 – вологовміст свіжого повітря, кг/кг; іп=r0+спtвп, r0 – теплотавипаровування води при 0°С, 2500 кДж/кг; сп – середня теплоємність водяноїпари, 1,97 кДж/(кг* К); температура пари на вході у барабан tвп=130°С.
Длярозв’язання цьогорівняння необхідно розрахувати кількість вологи, що утвориться при згоряннігазу. Перерахуємо об’ємні долі компонентів у масові:
/>
/>
/>
Кількістьвологи, що утвориться при згорянні 1 кг палива дорівнює:
/>кг/кг
Вологовмістсвіжого повітря знаходимо по даних вологості повітря φ0=70%, татемпературі tпов=20°С за формулою:
/> (3.8)
де Р– атмосферний тиск (101 кПа); рвп – парціальний тиск насиченої водяної пари при20°С, (2340 Па).
Звідси:
/> кг/кг
Ентальпіяатмосферного повітря визначається по формулі:
І0 =(1,01 + 1,97 * х0) * tпов + 2500 * х0 (3.9)
або
І0 =(1,01 + 1,97 * 0,01) * 20 + 2500 * 0,01 = 46,5 кДж/кг
Коефіцієнт надлишкуповітря знаходимо з рівняння (3.7):
/>
Загальнапитома маса сухих газів, що утворюються при згорянні 1 кг палива та розбавленітопочних газів повітрям до температури 130°С дорівнює [3]:
/> (3.10)
/>
Питомамаса водяної пари у газовій суміші при спалюванні 1 кг палива:
/> (3.11)
/>
Вологовмістгазів на вході у барабан сушарки:
/> (3.12)
/>
Ентальпіягазів на вході у барабан сушарки:
/> (3.13)
/>
3.2.2 Розрахунокнеобхідної кількості теплоти на сушіння
Упроцесі сушіння тепло витрачається на нагрівання та випаровування вологи,нагрівання матеріалу, та непродуктивні втрати теплоти у оточуюче середовище. Зрівняння теплового балансу сушіння:
/> (3.14)
Длятеоретичної сушарки Δ=0. Для реальної сушарки:
/> (3.15)
де qм – питомавитрата тепла на нагрівання матеріалу; qвтр – втрати тепла уоточуюче середовище віднесені до 1 кг випареної вологи. Згідно з ОСТ26-01-450-78 приймаються для барабанних сушарок у межах 85 – 120 кДж/кг.Приймаємо qвтр = 120 кДж/кг.
/> (3.16)
де tм/, tм// — температураматеріалу на вході та на виході з сушарки.
/>
Звідсиза формулою (3.15):
/>
Ентальпія водяної пари навиході з сушарки:
/> r0 + сп*tг.к. (3.17)
де tг.к. –температура газів на виході з сушарки.
/>2500+1,97*75=2647,75кДж/кг
Ентальпія вологих газівна виході з барабану сушарки:
/> (3.18)
Звідси:
/>
Вологовміст газу навиході з барабану:
/> (3.19)
/>
В процесі сушіння вологаз матеріалу випаровується та уноситься агентом сушіння. При цьому вологовмістгазів збільшується з х1 до х2 [1]. Тому:
/> (3.20)
Витрата теплоносія:
/> (3.21)
/>
Витрата тепла на сушіння:
/> (3.22)
/>
Витрата паливного газу:
/> (3.23)
З цього
/>
3.3 Визначеннярозмірів сушильного барабану
Основнірозміри сушильного барабану вибирають виходячи з об’єму сушильного простору.Цей об’єм складається зоб’єму, необхідногодля прогріву матеріалу до температури при котрій починається інтенсивневипаровування (Vп), та об’єму необхідного для процесу випаровування вологи (Vc).
Об’єм простору в якийвипаровується волога може бути знайдений з модифікованого рівняння масопередачі:
/> (3.24)
деΔхср’- середня рухаючасила масопередачі, кг/м3; Кυ — об’ємний коефіцієнт масопередачі.
Якщорух матеріалу та агенту сушіння прямоточний, то коефіцієнт масопередачі Кυчисельно рівний коефіцієнту масовіддачі βυ. Для барабанної сушарки коефіцієнтмасовіддачі βυ може бути розрахований за емпіричним рівнянням:
/> (3.25)
деρср – середня цільність сушильного агенту, кг/м3; с – теплоємністьсушильного агенту при середній температурі в барабані (1 кДж/кг*К); β –коефіцієнт заповнення барабану матеріалом (12%); Р0 – тиск при якомупроводиться процес, Па; р – середній парціальний тиск водяної пари, Па; n – частотаобертів барабану, об/хв. приймаємо n=1,5 об/хв; ω – швидкість газовогопотоку в барабані, м/с.
Середнящільність сушильного агенту при середній температурі в барабані розраховуєтьсяза формулою:
/> (3.26)
Середнютемпературу знаходимо як середньоарифметичну між температурою сушильного агентуна вході (t1) та на виході (t2) з сушарки:
/> (3.27)
/>
Тодіза (3.26):
/>
Розрахуємосередній парціальний тиск парів води у барабані по значеннях вологовмісту навході та на виході з барабану:
/> (3.28)
Значенняпарціальних тисків розрахуємо за формулами:
/> та /> (3.29)
Звідси
/> />
Згідно(3.28):
/>
Маючиусі вихідні дані розрахуємо коефіцієнт масовіддачі βυ за (3.25):
/>
Рухаючусилу масопередачі Δхср’ визначимо через рівняння:
/> (3.30)
ДеΔРср – середня рухаюча сила масопередачі, Па. Її можна розрахувати зарівнянням:
/> (3.31)
Дляпрямоточних сушарок ΔРб = р1* — р1 – рухаюча сила в началі процесу таΔРм = р2* — р2 — рухаюча сила наприкінці процесу. р* — тиск водяної паринад вологим матеріалом.( р1*= 17153 Па; р2*= 16063 Па). Звідси:
/>
Розрахуєморухаючу силу масопередачі Δхср’ за (3.30):
/>
Об’єм простору необхіднийдля процесу випаровування знаходимо за (3.24):
/>
Об’єм необхідний дляпрогріву матеріалу знаходимо з модифікованого рівняння теплопередачі:
/> (3.32)
де Qп – витрата теплана прогрів матеріалу, кВт; Кυ — об’ємний коефіцієнт теплопередачі, кВт/м3*К; Δtср – середнярізниця температур теплоносія та матеріалу.
Витрататепла Qп дорівнює:
/> (3.33)
де t – температураматеріалу на вході в сушарку; θ – температура матеріалу на виході, см –теплоємність сухого сульфату амонію.
Отже:
/>
Об’ємний коефіцієнттеплопередачі знаходимо за емпіричним рівнянням:
/> (3.34)
Звідси:
/>
Длярозрахунку Δtср необхідно знайти температуру, до якої охолодитьсясушильний агент віддаючи тепло матеріалу сушіння. Цю температуру можна знайти зрівняння [3]:
/> (3.35)
де tх – шуканатемпература.
Звідки:
/>
Підставляючирозраховані значення у (3.32) отримуємо:
/>
Звідсиоб’єм сушильногопростору барабану:
/>
Відношеннядовжини барабану до його діаметру повинно знаходитися у межах 3,5÷7.Приймаємо L/D = 5.
Зформули:
/> (3.36)
/>
Звідсидіаметр барабану:
/>
Довжинабарабану:
/>
ЗаОСТ 26-01-437 – 85 вибираємо барабан сушарки 1200×6000 мм. Об’єм його сушильногопростору 6,78м3 [4].
Визначимошвидкість газів в барабані за формулою:
/> (3.37)
деβн – коефіцієнт заповнення барабану насадкою; υг – об’ємна витрата вологогосушильного агенту на виході з барабану, м3/с. Він дорівнює:
/> (3.38)
дехср – середній вологовміст сушильного агенту, кг/кг сухого. Розраховується яксередньоарифметичне між х1 та х2:
/>
Тоді:
/>
Швидкістьгазів в барабані:
/>
Перевіримо,чи є дана швидкість припустимою, виходячи з того, що кристали сульфату амоніюбільші 0,35 мм не повинні виноситися током газів з барабану. Швидкість уносурівну швидкості витання знайдемо з формули:
/> (3.39)
деμср – в’язкість газу при середній температурі, (рівна 0,022 мПа*с);ρср –щільність агенту сушіння при середній температурі; d – діаметр частокматеріалу; Ar – критерій Архімеду, рівний:
/> (3.40)
деρч – щільність часток матеріалу.
/> (3.41)
Звідси:
/>/>
Розрахуємокритерій Архімеду з (3.39):
/>
Швидкістьвитання:
/>
Вонає меншою за фактично розраховану швидкість газів у барабані ωд=2,23 м/с,тому розрахунок основного обладнання закінчуємо [1].
Кількістьматеріалу, що знаходиться у сушарці:
/> (3.42)
/>= 1424 кг
Часперебування матеріалу у барабані:
/> (3.43)
/>
Кутнахилу барабану розраховується за формулою:
/> (3.44)
звідси
/>/>
4 РОЗРАХУНОКДОПОМІЖНОГО ОБЛАДНАННЯ
барабанна сушаркасульфат амоній
4.1 Розрахунокциклону
Дляочищення газу, що виходить з барабану сушарки від захопленого пилу сульфатуамонію використовується циклон (рис. 4.1). У циклоні через виникнення відцентровихсил, внаслідок закручування газового потоку, що тангенціально увійшов доциклону у вхідний патрубок 1, частки пилу прижимаються до стінок апарату 2 тазсипаються у бункер пилозбірник 3, а очищений газ виходить з циклону черезвідхідний патрубок 4 [6].
/>
Рисунок 4.1 — Циклон
Длярозрахунку циклону необхідні наступні дані:
- витрата газу при робочих умовах: Qp = 2,02 м3/с;
- щільність газу: ρг=1,02 кг/м3;
- динамічний коефіцієнт в’язкості газу: 22*10-6 Па*с.
Задамосятипом циклону ЦН – 24, виконаним НИИОГаз та визначимо оптимальну швидкість газув апараті за [6]:
ωопт=4,5 м/с
Визначимонеобхідну площу перерізу циклону, м2:
/> (4.1)
/>
Заформулою:
/> (4.2)
визначимодіаметр циклону, м:
/>
Згідноз ГОСТ 9617-67 приймаємо циклон діаметром 800 мм.
Розрахуємодійсну швидкість газів в циклоні:
/>, (4.3)
звідси
/>
Перевіримо,як вона відрізняється від оптимальної. Розбіг не повинен перевищувати 15 %:
/>, що менше 15%.
Розрахуємокоефіцієнт гідравлічного опору:
/> (4.4)
де /> — коефіцієнтопору стандартного циклону НЦ – 24, />= 80;
к1 =1,05 — поправочний коефіцієнт на діаметр циклону [6];
к2 = 1- поправочний коефіцієнт на запиленість газу, що прийнята 1 г/м3.
Звідси:
/>
Розрахуємогідравлічний опір обраного циклону за формулою:
/> (4.5)
/>
Конструктивніпараметри обраного циклону:
діаметрциклону D – 0,8 м
внутрішнійдіаметр вихлопної труби (0,59D), d – 0,45 м
внутрішнійдіаметр пиловипускного отвору (0,3D), d1 — 0,23 м
кутнахилу кришки та вхідного патрубку, a — 24°
висотавхідного патрубку (1.11D), а — 0,84 м
висотавихлопної труби (2,11D), hт — 1,6 м
висотациліндричної частини циклону (2,11D), Hц — 1,6 м
висотаконусу циклону (1,75D), Hk — 1,3 м
висотазовнішньої частини вихлопної труби (0,4D), hв — 0,3 м
загальнависота циклону (4,26D), H – 3.25 м.
ЦиклонНЦ-24 та схема основних розмірів зображена на рисунку 4.2
/>
Рисунок 4.2 –Схема циклону НЦ-24
4.2 Розрахуноквідцентрового вентилятору
„Хвостовий”вентилятор встановлюється наприкінці гідравлічної мережі для транспорту газів зсушарки до атмосфери. Обираючи тип вентилятора необхідно врахувати втрати тискув гідравлічної мережі та те, що сушарка повинна роботати при розрідженні 250Па.
Вихідніданні для розрахунку:
Витратагазу: 2,02 м3/с;
Длинатрубопроводу: 15 м;
Трубопровідмає 4 повороти на 90°, 2 засувки та 1 вентиль.
Гідравлічнийопір циклону: 693 Па;
Розрідженняу барабані сушарки: 250 Па.
Длярозрахунку гідравлічного опору трубопроводу необхідно визначити діаметр. Йогоможна визначити знаючи швидкість газів у трубопроводі за формулою:
/> (4.6)
де Vг – витрата газу,м3/с; ω0 – прийнята швидкість газів у трубопроводі, м/с. Приймаємо її за [3] 10м/с.
Звідси:
/>
Приймаємонайближчий за типорозміром газохід 529×5.
Дійснашвидкість газу в трубопроводі:
/> (4.7)
/>
Визначиморежим руху газу через критерій Рейнольдсу:
/> (4.8)
де r — густина повітря кг/м3;
μ — динамічна в’язкість повітря прифактичних умовах, Па*с.
Тоді:
/>
Отжережим руху турбулентний та визначення коефіцієнту тертя можливе за формулою:
/> (4.9)
де λ – коефіцієнттертя;
ε– відносна шорсткість трубопроводу. Її можна визначити через формулу:
/> (4.10)
деΔ – абсолютна шорсткість, мм.
Розрахуємо4.10:
/>
Звідси
/>
Розрахуємосумарний коефіцієнт місцевих опорів що є у гідравлічній системі:
/> (4.11)
де x1 – коефіцієнт місцевогоопору на вхід до труби x1 = 0,5 ;
n – кількістьповоротів на 90° n = 2 ;
x2 — коефіцієнт місцевого опору на поворот 90° x2 = 1,1 ;
x3 – коефіцієнт місцевого опору на засувку x3 = 0,15;
x4 – коефіцієнт місцевого опору на вентиль x4 = 0,29
x5 – коефіцієнт місцевого опору на вихід з труби x5 = 1 [3];
Тоді:
/>
Сумарнівтрати тиску у газоході розраховуються по формулі:
/> (4.12)
Вонискладуть:
/>
Загальнувтрату тиску у гідравлічній системі „хвостового” вентилятору можна розрахуватиза формулою:
/>
звідси
/>
Теоретичну потужністьелектродвигуна вентиляторної установки розраховується по формулі:
/> (4.13)
Звідси:
/>
Потужністьна валу електродвигуна розраховують по формулі:
/> (4.14)
де hв – к.к.д. вентилятору, 71%;
hп – к.к.д. передачі, 100%;
hе – к.к.д. електродвигуна, 87% [3].
Тоді:
/>
Встановленупотужність електродвигуна з урахуванням пускових перевантажень знаходимо поформулі:
Nвст = b * N, (4.15)
де b — коефіцієнтзапасу потужності [3].
Знаходимо:
Nвст = 1,1 * 3,35= 3.7 кВт
Виходячиз розрахованих втрат тиску та потужності двигуна можна обрати відцентровийвентилятор В-Ц14-46-5К-02, що має наступні характеристики:
— об’ємна витрата газу: Q =3,67 м3/с;
— напір: Н = 2360 Па;
— частотаобертів робочого колеса вентилятора: n = 24,1 c-1;
— к.к.д.вентилятора: η=0,71;
таобладнати його двигуном АО2-41-2 номінальною потужністю 5,5 кВт [3].
ВИСНОВКИ
Урезультаті виконання курсового проекту був проведений розрахунок барабанноїсушарки для сушіння сульфату амонію топочними газами.
Проведеноознайомлення із фізико-хімічними аспектами процесу, розглянуто конструкціїрізних апаратів для конвективного сушіння сипких матеріалів.
Урозрахунковій частині проекту наведені матеріальні, теплові розрахунки барабанноїсушарки, що використовує топочні гази як сушильний агент. Витрата теплоносія на сушку становить L.= 6561 кг/год, витратапаливного газуна сушку становить Gп = 17,2 кг/год, випаруємоївологи 103,1 кг/год.
Виконаний конструктивний розрахунок барабанної сушарки. Для встановлення обраний сушильнийбарабан діаметром 1,2 м, та довжиною 6 м, з об’ємом сушильного простору V = 6,78м3. Маса барабану 8300 кг.Частота обертів n = 1,5 хв-1. Тривалість сушіння сульфату амонію у сушарці становить t = 1936,5 с. Кутнахилу барабану 5,4о.
Проведено розрахунок та вибір циклону. До встановлення прийнято циклон НДІОГазу типу ЦН — 24 діаметром D = 0,8 м. Гідравличний опір циклону становить DР = 693 Па. По результатахгідравлічного розрахунку прийнятий до встановлення відцентровий вентилятормарки В-Ц14-46-5К-02, що обладнаний двигуном АО2-41-2.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Иоффе И.Л. Проектирование процессов иаппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1991. – 296с.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппаратыхимической технологии. – М.: Госхимиздат, 1961. – 830с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии/Подред. Ю.И. Дытнерского. – М.: Химия, 1991. – 494 с.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А.Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.:Химия, 1987. – 576 с.
5. Сажин Б.С. Основы техники сушки. – М.: Химия,1984. – 320с.
6. Справочник по пыле- и золоулавливанию/ Подред.: Русанова А.А. – изд. 2-е, перераб. И доп. – М.: Энергоатомиздат, 1983. –312с.