1 Производительность сушилки по высушенному материалу G

• Название: 1 Производительность сушилки по высушенному материалу G
• Дата: 11.05.2022
• Размер: 1.08 Mb.
• Имя файла: Baraban_sushilka.docx
• Тип: Документы; #521851

Задание

Рассчитать барабанную сушилку с подъемно-лопастными перевалочными устройствами для высушивания глины простой топочными газами при следующих условиях:

1) Производительность сушилки по высушенному материалу G_к=2,7 кг/с

2) Влажность известняка:

- начальная w_н=22%

- конечная w_к=3,5%

3) Температура влажного материала θ₁=18 ^оС

4) Топливо - природный газ

5) Температура топочных газов:

- на входе в барабан t_см=250

- на выходе из барабана t₂=120

6) Содержание фракций частиц в материале:

- диаметром от 1,5 до 1,0 мм – 50%

- диаметром от 1,0 до 0,5 мм – 50%

7) Удельные потери тепла в окружающую среду на 1кг испаренной влаги q_п=20,4 кДж /кг .

1. Определение параметров топочных газов, подаваемых в сушилку

В качестве топлива используется природный сухой газ следующего состава (в объем. %):

92% - СН₄; 0,5% - С₂Н₆; 5% - Н₂; 1% - СО; 1,5 – N₂.

Теоретическое количество сухого воздуха L₀ затрачиваемого на сжигание 1 кг топлива, равно:



где составы горючих газов выражены в объемных долях.

Подставив соответствующие значения, получим:



Для определения теплоты сгорания топлива воспользуемся характеристиками горения простых газов

Таблица 1 – Характеристики горения простых газов:

Газ	Реакция	Тепловой эффект реакции, кДж/м3
Водород	H2 + 0,5O2 = H2O	10810
Оксид углерода	CO + 0,5O2 = CO2	12680
Метан	CН4 + О2 = СО2 + Н2О	35741
Этан	С2Н6 + О2 = СО2 + Н2О	63797

Количество тепла Q_V, выделяющееся при сжигании 1 м³ газа, равно:



Плотность газообразного топлива ρ_т:



где M_i – мольная масса топлива, кмоль/кг;

tг – температура топлива, равная 20 °С;

V0 – мольный объем, равный 22,4 м³/кмоль.

Подставляем значения:



Количество тепла, выделяющееся при сжигании 1 кг топлива:



Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчете на 1 кг сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом избытка воздуха α, необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов до температуры смеси t_см=250. Значение α находят из уравнений материального и теплового балансов.

Уравнение материального баланса:



где – масса сухих газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива;

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

Уравнение теплового баланса:



где η – общий коэффициент полезного действия, учитывающий эффективность работы топки (полноту сгорания топлива и т.д.) и потери тепла топкой в окружающую среду, принимаемый 0,95;

с_т – теплоемкость газообразного топлива при температуре t_т = 20 °С, равная 1,34 кДж/(кг

I₀ – энтальпия свежего воздуха, кДж/ кг;

i_с.г. – энтальпия сухих газов, кДж/кг;

x₀ – влагосодержание свежего воздуха, кг/кг сухого воздуха, при температуре t₀ = 22 °С и относительной влажности φ₀ = 70 %;

i_п – энтальпия водяных паров, кДж/кг.

Найдем энтальпию сухих газов по формуле:



где с_с.г. – теплоемкость сухих газов, равная 1,05 кДж/(кгК);

t_с.г. – температура сухих газов, равная 250 °С.

Найдем энтальпию водяных паров:



где r₀ – теплота испарения воды при температуре 0 °С, равная 2500 кДж/кг;

с_п – средняя теплоемкость паров, равная 1,97 кДж/(кгК);

t_п – температура водяных паров, t_п = t_с.г. = t_см =250 °С.

Решая совместно уравнения материального и теплового балансов получим:



Пересчитаем содержание компонентов топлива, при сгорании которых образуется вода, из объемных долей в массовые:








Количество влаги, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива, равно:



Коэффициент избытка воздуха находим из уравнения материально-теплового баланса:



Общая удельная масса сухих газов, получаемая при сжигании 1 кг топлива и разбавлении топочных газов воздухом до температуры смеси 25- °С, равна:



Удельная масса водяных паров в газовой смеси при сжигании 1 кг топлива:



Влагосодержание газов на входе в сушилку (х₁ = х_см) равно:



Энтальпия газов на входе в сушилку:



Поскольку коэффициент избытка воздуха α велик, физические свойства газовой смеси, используемой в качестве сушильного агента, практически не отличаются от физических свойств воздуха. Это дает возможность использовать в расчетах диаграмму состояния влажного воздуха l – x.

2. Определение параметров отработанных газов, расхода сушильного агента и расхода тепла на сушку

Из уравнения материального баланса сушилки определим расход влаги W, удаляемый из высушиваемого материала:



Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:



где ∆ - разность между удельными приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере;

с – теплоемкость влаги во влажном материале при температуре ;

q_доп – удельный дополнительный подвод тепла в сушилку, кДж/кг влаги; при работе сушилки по нормальному сушильному варианту q_доп=0;

q_т – удельный расход тепла в сушилке с транспортными средствами, кДж/кг влаги; в рассматриваемом случае q_т=0;

q_м – удельный расход тепла в сушильном барабане с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги; ;

с_м – теплоемкость высушенного материала, равная 0,92 кДж/(кг·К) [приложение 1, таблица - 1] ;

θ₂ – температура высушенного материала на выходе из сушилки, °С.

Принимая в первом приближении процесс сушки адиабатическим, находим по l – x диаграмме по начальным параметрам сушильного агента: θ₂ =53 ^оС;

q_п – удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги.


Запишем уравнение рабочей линии сушки:



Для построения рабочей линии сушки на диаграмме l – x необходимо знать координаты (l и x) минимум двух точек. Координаты одной точки известны: х₁ =0,022, l₁ = 328,10. для нахождения координат второй точки зададимся произвольными значением х и определим соответствующее значение l. Пусть х =0,125 кг влаги/кг сухого воздуха. Тогда:



Через две точки на диаграмме l – х (рис.1) с координатами х₁, l₁ и х, l проводим линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром t₂ = 120°C. В точке пересечения линии сушки с изотермой t₂ находим параметры отработанного сушильного агента:

х₂ = 0,074, l₂=325 кДж/кг.



Расход сухого газа L_с.г равен:



Расход сухого воздуха L:



Расход тепла на сушку Q_с:



Расход топлива на сушку:



3. Определение основных размеров сушильного барабана

Основные размеры барабана выбирают по нормативам и каталогам в соответствии с объемом сушильного пространства. Объем сушильного пространства V складывается из объема V_п, необходимого для прогрева влажного материала до температуры, при которой начинается интенсивное испарение влаги (до температуры мокрого термометра сушильного агента), и объема V_с, требуемого для проведения процесса испарения влаги, т.е.

V = V_с + V_п. Объем сушильного пространства барабана может быть вычислен по модифицированному уравнению массопередачи:



где ∆х´_ср- средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³; К_v – объемный коэффициент массопередачи, 1/с.

При сушке кристаллических материалов происходит удаление поверхностной влаги, т.е. процесс протекает в первом периоде сушки, когда скорость процесса определяется только внешним диффузионным сопротивлением. При параллельном движении материала и сушильного агента температура влажного материала равна температуре мокрого термометра. В этом случае коэффициент массопередачи численно равен коэффициенту массоотдачи β_v.

Для барабанной сушилки коэффициент массоотдачи может быть вычислен по эмпирическому уравнению:



где – средняя плотность сушильного агента, кг/м³;

с – теплоемкость сушильного агента при средней температуре в барабане, равная 1 кДж/(кг·К);

β – оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом, %;

Р₀ – давление, при котором осуществляется сушка, Па;

р – среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па.

Для выбора рабочих скоростей при сушке монодисперсных была использована таблица «К выбору рабочей скорости газов в сушильном барабане».

Для полидисперсных материалов с частицами размером от 0,5 до 1,5 мм и насыпной плотностью ρ_м = 1800 кг/м3 обычно принимают скорость газов в интервале 4-8 м/с [1, стр.510, таблица II]. Примем скорость газов в барабане ω = 6 м/с.

Найдем среднюю температуру в барабане:



Средняя плотность сушильного агента при средней температуре примерно равна средней плотности воздуха:



При этом , что не нарушает справедливости уравнения.

Частота вращения барабана обычно не превышает 5-8 об/мин; принимаем n=5 об/мин.

Для сушильного барабана с подъёмно-лопастным перевалочным устройством β=12%.[2, с. 299, рис 9.3]

Процесс сушки осуществляется при атмосферном давлении, т.е. при Р₀=10⁵ Па. Парциальное давление водяных паров в сушильном барабане определим, как среднеарифметическую величину между парциальным давлениями на входе газа в сушилку и на выходе из нее.

Парциальное давление водяных паров в газе определим по уравнению:


Тогда на входе в сушилку:



На выходе из сушилки:



Откуда:



Таким образом, объемный коэффициент массоотдачи равен:



Движущую силу массопередачи определим по уравнению:



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

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

- равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м³.

Средняя движущая сила ∆Р_ср, выраженная через единицы давления (Па), равна



Для случая прямоточного движения сушильного агента и высушиваемого материала имеем:

– движущая сила в начале процесса сушки, Па;

– движущая сила в конце процесса сушки, Па;

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

Значения и определяются по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале t_м1 и конце t_м2 процесса сушки. По диаграмме l – x найдем t_м1=53 ^оС , t_м2=52 ^оС ; при этом p*₁=14383 Па , p*₂=13702.

Тогда



Выразим движущую силу в кг/м³ по уравнению:



Объем сушильного барабана, необходимый для проведения процесса испарения влаги, без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материала:



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



где ∆Q_п – расход тепла на прогрев материала до температуры t_м1, кВт;

К_v – объемный коэффициент теплопередачи, к Вт/(м³·К);

∆t_ср – средняя разность температур, °С.

Расход тепла Q_п равен:




Объемный коэффициент теплопередачи определяют по эмпирическому уравнению:



Для вычисления ∆t_ср необходимо найти температуру сушильного агента t_х, до которой он охладится, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до t_м1. Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса:







Средняя разность температур ∆t_ср равна:



Подставляем полученные данные в уравнение:



Общий объем сушильного барабана равен:



Далее по справочным данным находим основные характеристики барабанной сушилки – длину и диаметр.

По таблице выбираем барабанную сушилку №7207 со следующими характеристиками: объем V= 74,0 м³, диаметр d=2,8 м, длина l=12 м.

Определим действительную скорость газов в барабане :



Объемный расход влажного сушильного агента на выходе из барабана , м³/с равен:



где х_ср – среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг сухого воздуха.



Тогда:



Действительная скорость газов (w_д=4,52 м/с) отличается от принятой в расчете (w=4) примерно на 14% больше.

Далее определим среднее время пребывания материала в сушилке:



Количество находящегося в сушилке материала G_м (кг) равно:



Отсюда



Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана α´:



Далее необходимо проверить допустимую скорость газов, исходя из условия, что частицы высушиваемого материала наименьшего диаметра не должны уноситься потоком сушильного агента из барабана. Скорость уноса, равную скорости свободного витания w_св, определяют по уравнению:



где и – вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре;

d – наименьший диаметр частиц материала, м;

Ar – критерий Архимеда ( );
Средняя плотность сушильного агента равна:





Найдем значение критерия Архимеда:



Скорость уноса w_св:



Рабочая скорость сушильного агента в сушилке 2,79 м/с меньше, чем скорость уноса частиц наименьшего размера 3,21 м/c , поэтому расчет основных размеров барабана заканчиваем.

Принципиальная схема барабанной сушилки



Рисунок 1 - технологическая схема барабанной сушилки

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

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

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

Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 12.

Заключение

В ходе выполнения семестровой работы я ознакомилась с устройством и принципом работы барабанной сушилки. Произвела расчет сушилки с производительностью 2,7 кг/с. Исходя из результатов расчета была подобрана в каталоге барабанная сушилка №7207 со следующими характеристиками: объем V= 74,0 м³, диаметр d=2,8 м, длина l=12 м.

Приложение.

Таблица 1 – Теплофизические свойства горных пород.



Список использованной литературы

1. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с., ил.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Под ред. Ю. И. Дытнерского. – М.: Химия, 1983. – 272 с., ил.