Расчет и проектирование сушильных установок. Курсовой ПАХТ. Курсовая работа по дисциплине Процессы и аппараты химической технологии На тему Расчет и проектирование сушильных установок
Скачать 184.75 Kb.
|
1 2 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА» Кафедра технологии цемента и композиционных материалов КУРСОВАЯ РАБОТА По дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» На тему «Расчет и проектирование сушильных установок» Белгород 2017 г. Задание на курсовой проект по дисциплине «ПАХТ» Рассчитать и спроектировать сушилку «кипящего слоя» для сушки каменной соли производительностью G1 (по высушенному материалу). Соль высушивается от U1 до U2 (считая на общую массу). Температура разбавленных воздухом топочных газов ( продукт сгорания топлива – выбор по месту строительства) – t1, температура отходящих газов -t2.
Содержание Введение………………………………………………………………………4 Теоретическая часть……………………………………………...……….4 Расчетная часть…………………………………………………………….5 2.1. Материальный расчет сушилки……………………………….…………5 2.2. Внутренний баланс сушильной камеры………………..………………..6 2.3. Построение на диаграмме I-x процесса сушки воздухом……..………..8 2.4. Расчет расходов сушильного агента, греющего пара и топлива..…….11 2.5. Расчет рабочего объема сушилки………………..……………………...12 2.6. Расчет коэффициента теплоотдачи………………..…………………….14 2.7. Расчет параметров барабанной сушилки…………..…………………....15 2.8. Расчет гидравлического сопротивления сушильной установки………..17 3. Вспомогательные и дополнительные расчеты…………………………….20 3.1. Расчет плотности влажного газа………………………………………….20 3.2. Расчет потери теплоты в окружающую среду…………………………...21 3.3. Расчет калорифера при сушке воздухом………………………………....23 3.4. Подбор питателей и затворов……………………………………………..25 3.5. Подбор и расчет пылеуловителей……………………………………..….25 3.6. Выбор вентилятора и дымососа………………………………...…………27 4. Заключение……………………………………………………………………31 Введение Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства, а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов. Влагу можно удалять из материалов механическими способами(отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т.е. с помощью тепловой сушки. Этот процесс широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами, а окончательное – сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса. В химических производствах, как правило, применяется искусственная сушка материалов в специальных сушильных установках, так как естественная сушка на открытом воздухе – процесс слишком длительный. По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных с друг другом процессов тепло- и массообмена (влагоомена). По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки: 1. Конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом); 2. Контактная сушка – путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку; 3. Радиационная сушка – путем передачи тепла инфракрасными лучами; 4. Диэлектрическая сушка – путем нагревания в поле токов высокой частоты; 5. Сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. Последние три вида сушки применяются относительно редко и обычно называются специальными видами сушки. Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным газом (в большинстве случаев воздухом). Сушка топочными газами. В настоящее время все более широкое распространение приобретает сушка топочными газами, используемыми для сушки не только неорганических, но и органических материалов. Это объясняется в первую очередь тем, что температура топочных газов значительно выше температуры воздуха, нагреваемого перед сушкой. В результате влагопоглощающая способность газов во много раз больше влагопоглощающей способности воздуха и соответственно больше потенциал сушки. В качестве сушильного агента применяют газы, полученные либо сжиганием в топках твердого, жидкого или газообразного топлива, либо отработанные газы котельных, промышленных печей или других установок. Используемые для сушки газы, должны быть продуктами полного сгорания топлива и не содержать золы и сажи, загрязняющих высушиваемый материал в условиях конвективной сушки. С этой целью газы подвергаются сухой или мокрой очистке перед поступлением в сушилку. Обычно температура топочных, газов превышает предельно допустимую для высушиваемого материала и поэтому их разбавляют воздухом для получения сушильного агента с требуемой температурой. Для сушки топочными газами применяются главным образом сушилки, работающие по основной схеме, а также сушилки с частичной рециркуляцией газов. Теоретическая часть Сушилки с кипящим (псевдоожиженным) слоем. Эти сушилки являются одним из прогрессивных типов аппарата для сушки. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала и сократить (до нескольких минут) продолжительность сушки. Сушилки с кипящим слоем в настоящее время успешно применяются в химической технологии не только для сушки сильносыпучих зернистых материалов (например минеральных и органических солей), но и материалов, подверженных комкованию, например для сульфата аммония, поливинилхлорида, полиэтилена и некоторых других полимеров, а также пастообразных материалов (пигментов, анилиновых красителей), растворов, расплавов и суспензий. Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия. Высушиваемый материал подается из бункера питателем в слой материала, «кипящего» на газораспределительной решетке в камере сушилки. Сушильный агент — горячий воздух или топочные газы, разбавленные воздухом, который подается в смесительную камеру вентилятором,— проходит с заданной скоростью через отверстия решетки и поддерживает на ней материал в кипящем (псевдоожиженном) состоянии. Высушенный материал ссыпается через штуцер несколько выше решетки и удаляется транспортером. Отработанные газы очищаются от унесенной пыли в циклоне, после чего выбрасываются в атмосферу. В сушилках этого типа с цилиндрическим корпусом наблюдается значительная неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от его среднего значения. Скорость газа внизу камеры должна превышать скорость осаждения самых крупных частиц, а вверху — быть меньше скорости осаждения самых мелких частиц. При такой форме камеры достигается более организованная циркуляция твердых частиц, которые поднимаются в центре и опускаются (в виде менее разреженной фазы) у периферии аппарата. Благодаря снижению скорости газов по мере их подъема улучшается распределение частиц по крупности и уменьшается унос пыли. Это, в свою очередь, повышает равномерность нагрева (более мелкие частицы, поднимающиеся выше, находятся в области более низких температур) и позволяет уменьшить высоту камеры. 2. Расчетная часть 2.1. Материальный расчет сушилки Общее количество испаряемой влаги в единицу времени: где G1 – расход материала (по высушенному материалу). Переводим G1 из т/ч в кг/с: Расход влажного материала: , Тогда 2.2. Расчет параметров сушильного агента при сушке топочными газами Принимаем коэффициент избытка воздуха =3. Таблица 1. Состав и расчетные характеристики топлива (мазута)
Масса Gв сухого воздуха, необходимого для сжигания топлива и смешения с топочными газами, зависит от принятой величины коэффициента воздуха α (принимаем α=3): где ρс.в. – плотность сухого воздуха, ρс.в=1,293 [кг/м3]; V0 – объем теоретически необходимого воздуха. Масса сухих топочных газов при коэффициенте избытка воздуха α при сжигании 1 кг мазуту: Масса водяных паров в топочных газах при коэффициенте избытка воздуха α составляет: где х0 – влагосодержание воздуха.
2.3. Построение на диаграмме I-x процесса сушки воздухом На диаграмме состояния атмосферного воздуха изображается точка А, состояния горячего воздуха на входе в сушилку точка В. Прямая АВ характеризует процесс нагрева воздуха в калорифере. Точку А наносят на диаграмму по значениям температуры t0 к относительной влажности φ0 в заданном районе. Для зимних условий (при отрицательной температуре) рекомендуется использовать параметры х0 и I0. Влагосодержание воздуха рассчитывается по уравнению: х0=0,622*(φ0*Рн )/(Р-Рн*φ0 ), где Рн – давление насыщенного водяного пара, соответствующее заданной температуре t0 (табл. 2.5); Р – общее давление влажного воздуха (диаграмма I-x построена для давления Р=99,3 кПа). Энтальпия I0 определяется по формуле: I0=св*t0+(r0+сп*t0)*х0 , где t0, х0 – температура и влагосодержание окружающего воздуха; r0, св, сп – удельная теплота парообразования и теплоемкость воздуха и пара, св=1 кДж/(кг*К) Параметры точки А:
Точка В с параметрами х1, t1, I1, находятся из условия равенства х1 и х0 на пересечении вертикальной линии АВ с заданной изотермой t1. Параметры точки В:
Состояние воздуха на выходе из сушилки изображается на диаграмме точкой С с параметрами x2, t2, I2. Так как величина х2 заранее неизвестна, находим сначала точку D (с параметрами х'2, t2, I1 ) на пересечении линий построения энтальпии I1 и изотермы t2 и откладываем по вертикали величину Δ(х'2 –х1) до точки Е.
Линия ВЕ совпадает по направлению с линией действительного процесса сушки. Ее пересечение с изотермой t2 определяет положение точки С. Для проверки правильности построения необходимо убедиться в том, что разность энтальпий I1 и I2 при влагосодержании х2 (отрезок СС1 на диаграмме) соответствует величине, рассчитанной по формуле: I1 - I2 = Δ ( х2- х1);
2.4. Расчет расходов сушильного агента, греющего пара и топлива Массовый расход абсолютно сухого газа рассчитывают, используя результаты построения процесса сушки на диаграмме I-x: L=W/(x2-x1);
Массовый расход влажного газа Lвл. определяют в зависимости от его влагосодержания:
Расход греющего пара в калорифере при сушке воздухом рассчитывают по уравнению теплового баланса: D=L*(I1-I0)/r;
где r – удельная теплота парообразования, соответствующая заданному давлению греющего пара, r=2149 кДж/кг, P=2,5 кг/см2. 2.5. Расчет рабочего объема сушилки Общее количество теплоты, затрачиваемой в процессе сушки за 1 секунду, определяют по формуле: Q0=L*(I1-I0);
Количество теплоты, передаваемое высушиваемому материалу в рабочем объеме сушилки за 1 секунду: Q=Q0-W*(qтр.-qп.); qтр. =0
Так как расчетные данные по зиме больше, чем по лету, то дальнейший расчет ведем по зиме. Для расчета рабочего объема Vp сушилки используют уравнение теплоотдачи от сушильного агента к материалу: Vp=W/A; Интенсивность теплообмена определяется по уравнению тепломассообмена: А=кv*Δtср, где кv – объемный коэффициент тепломассообмена, кv=0,2 кг/(м3*ч*К) = 0,000056 кг/(м3*с*К) = 5,6*10-5 кг/(м3*с*К) (табл. 2.6). Средний температурный напор вычисляют по формуле логарифмического усреднения, если Δtб./ Δtм>2, или как среднее арифметическое, если Δtб./ Δtм<2. Находим температурные напоры на входе сушильного агента в сушилку и на выходе из нее: Δtб.=t1-θм; Δtм.=t2-θм; где t1, t2 – температуры сушильного агента соответственно на входе в сушилку и на выходе из нее. 1200С 450С 00С 450С Δtм.=45-43=20С; Δtб.=120+10=1300С; 0С А=5,6*10-5*30,7 = 171,92*10-5 кг/(м3/с) м3 2.6. Расчет коэффициента теплоотдачи Среднюю температуру сушильного агента находят по формуле: 0С 0С λ=1,75*102 Вт/(м*К); ν=10,48*106 м2/с; Ср=463,3 Вт/(м*К); Рr=0,31 Для расчета конвективной теплоотдачи при продольном обтекании поверхности турбулентным газом применяют уравнение: где υ – средняя скорость газа; l – определенный линейный размер (таб. 2.6); ν – кинематический коэффициент вязкости, ν =10,48*10-6м2/с; Линейным размером является диаметр кусков материала, d=0,02м (таб.2.6) Коэффициент теплоотдачи к частицам материала можно рассчитать по уравнению, справедливому для значений Re>1000. Принимаем Рr=0,31 Критерий Гухмана Gu, введенный в уравнение учитывает влияние массообмена на теплообмен: , где tcp - средняя температура газа, °С, tM - температура мокрого термометра, °С, Коэффициент теплоотдачи: Вт/(м2*К) 2.7. Расчет параметров барабанной сушилки Из материального баланса сушилки следует зависимость, по которой можно найти коэффициент заполнения ψ барабана, то есть долю рабочего объема барабана, заполненного материалом. , где ρн – насыпная плотность материала (таб. 2.6) ρн=1200 кг/м3 , Во избежание чрезмерного пылеуноса скорость газов vг в барабане не должна превышать 2,5-3 м/с. Исходя из этого условия находят минимально допустимый диаметр сушильного барабана: м где ρг и L – плотность и расход абсолютно сухого сушильного агента. кг/м3 Задаются отношения длины барабана Lб к его диаметру Dб в пределах 4 , Принимаем Lб/Dб=6, тогда Lб=6*Dб, м Принимаем стандартный размер сушильного барабана по ГОСТ 11875-79.
Находят средний массовый расход материала: кг/с Найдем объем барабана: Находим время пребывания материала в барабане: Выбираем угол наклона сушильного барабана γб согласно стандарту от 0,0175 до 0,07 рад (1-40) и рассчитывают частоту вращения барабана nб или угловую скорость wб, необходимую для перемещения заданного количества материала по длине Lб за время сушки τ: , где γб – угол наклона барабана, γб=0,07 рад, а1 –коэффициент зависящий от типа насадки, а1=0,7 (для подъемно-лопастной); а2 - коэффициент зависящий от плоскости высушиваемого материала и направления движения газов и материалов, так как у нас тяжелый материал, то а2=0,5. Потребляемую мощность Nб на вращение барабана приближенно определяют по формуле: Nб=78*σ*ρнас*nб* Dб3* Lб = 78*0,026*1200*0,312*(1,6)3*10 = 31,1 кВт, σ – коэффициент мощности (табл. 2.10), σ=0,22*ψ+0,016 = 0,22*0,047+0,016 = 0,026, Массу металла барабанной сушилки Gб, допускается определять ориентировочно в зависимости от ее рабочего объема Vp. Gб=7200+630*Vp = 7200+630*12,7 = 15,2 т. 2.8. Расчет гидравлического сопротивления сушильной установки Разобьем сушильную установку на участки. 1-й участок: от вентилятора до калорифера. Определим исходные данные. Найдем плотность газа на участке: кг/м3 Коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе: ζвх.=0,5; ζвых.=1, =15 м/с, l=1 м. Найдем диаметр трубопровода на участке. м Потеря давления на трение ΔрТР на участке определим по уравнению Па где λ - коэффициент трения, λ=0,02; d - диаметр расчетного участка тракта. Давления на преодоление местных сопротивлений Δрм находим по уравнению: Па Полная потеря давление на первом участке: ΔР1= ΔРтр+ ΔРм= 13,08+263,8 = 276,88 Па Аналогично проведем расчет для всех других участков. 2-й участок: от калорифера до сушильного барабана: l=1,5 м; L=0,86 кг/с; v=15 м/с; ζвх.=0,5; ζвых.=1, λ=0,02. кг/м3 м Па Па ΔР2= ΔРтр+ ΔРм=10,28+175,21 = 185,49 Па 3-й участок: от сушильного барабана до циклона: l=8м, v=15 м/с, L=0,86 кг/с, ζвх.=0,5; ζвых.=1; ζ90=0,18, ζ180=0,25, λ=0,02. кг/м3 м Па Па ΔР3= ΔРтр+ ΔРм = 79,92+263,48 = 343,4 Па 4-й участок: от циклона до рукавного фильтра: l=12м, v=15 м/с, L=0,86кг/с, ζвх.=0,5; ζвых.=1; ζ90=0,18, , ζ180=0,25, λ=0,02, ρ =1,11 кг/м3 м Па Па ΔР4= ΔРтр+ ΔРм = 119,88+263,48 = 383,36 Па 5-й участок: от рукавного фильтра до дымососа: l=10м, v=15 м/с, L=0,86 кг/с, ζвх.=0,5; ζвых.=1; ζ90=0,18, ζ180=0,25, λ=0,02, ρ =1,11 кг/м3 м Па Па ΔР4= ΔРтр+ ΔРм = 99,9+241 = 340,9 Па Общее сопротивление тракта, находящегося под давлением определяют, суммируя потери давления на всех его участках и в аппаратах: ΔРдав.= ΔРт+ ΔРв- ΔРобщ, где ΔРв- сопротивление воздушного тракта до топки или калорифера; . ΔРт- сопротивление калорифера; ΔРобщ- минимальное разряжение, которое обычно поддерживают в рабочем объеме сушилки (ΔРобщ≈10 Па); ΔРдав.= 232,98+276,88 - 10 = 499,86 Па; Общее сопротивление тракта, находящегося под разряжением рассчитывают, суммируя потери давления в сушильном аппарате, в пылеуловители и в соединительных газовоздухопроводах. ΔРраз.= ΔРоб.+ ΔРс+ΔРц.+ ΔРпл +ΔРг, где ΔРс −сопротивление сушильного аппарата; ΔРц − сопротивление циклонных аппаратов; ΔРпл – сопротивление рукавного фильтра. ΔРг − сопротивление соединительных газовоздухопроводов. ΔРраз.= 10+150+522,5+1100+1067,66 = 2850,16 Па 3. Вспомогательные расчеты 3.1. Расчет плотности влажного газа Плотность пара значительно меньше плотности сухого воздуха, поэтому при расчете параметров гидравлического сопротивления газовоздухопроводов и в некоторых других случаях следует плотность сушильного агента (газа или воздуха) находить с учетом его влагосодержания. Рассматривая плотность влажного газа рв.г. как сумму плотностей абсолютно сухого газа рс.г и пара ρп, взятая при их парциальных давлениях, а влагосодержание х как соотношение плотностей пара и воздуха (ρп/рс.г), получим расчетную формулу ρв.г = рс.г(1 +х) Парциальное давление абсолютно сухого газа Рс.г вычисляют как разность между общим давлением смеси Р и парциальным давлением пара ρп: Рс.г = P - ρп; ρп — парциальное давление пара, его можно найти на диаграмме 1-х в зависимости от влагосодержания х, при этом общее давление P влажного газа следует принять равным 99,4 кПа; ρп =0,05114 кПа, Рс.г =99400-3900 = 95,5 кПа, кг/м3 где р0 – плотность при нормальных условиях, ρ0 = 1,293 кг/м3; Р0-давление соответствующее нормальным условиям, Р0=101,3 кПа; Т0 –температура соответствующая нормальным условиям, Т0=273К; Т – температура влажного газа, Т=273 +t, t=45°С кг/м3 3.2. Расчет потери теплоты в окружающую среду Тепловой поток Qп через поверхность Sст стенок сушилки вычисляют по уравнению теплопередачи: Qп= к*Δtср*Sст, Коэффициент теплопередачи κ рассчитывается по формуле для многослойной плоской стенки: где δ и λ – соответственно толщина и коэффициент теплопроводности различных слоев футеровки и теплоизоляции. Найдем значение критерия Re: Nu=0,037*Re0,8*Pr0,43=0,037*(3339694,6)0,8*0,580,43=4846,6. Коэффициент теплоотдачи α1 от сушильного агента к внутренней поверхности стенок: , Вт/(м2*К) Суммарный коэффициент теплопередачи конвекций и излучением от наружной стенки к окружающему воздуху: α2=9,74+0,07*(tср-tв) = 9,74+0,07*(40-20)=11,14 Вт/(м2*К), где tср – температура наружной стенки, tср=400С, tв – температура окружающего воздуха, tв=200С, По температуре газов выбираем толщину футеровки (таб. 3.1) Толщина: λ: футеровки – 250 мм шамота – 125 мм шамота – 1,05 Вт/м*К стали – 15 мм стали - 46,5 Вт/м*К диатома – 125 мм диатома – 0,15 Вт/м*К Находим коэффициент теплопередачи: Определяем поверхность стенки Sст : Sст=π*d*l=3,14*1,6*10 = 50,24 м2, Qп = 0,86*30,7*50,24 = 1326 Вт. Удельную потерю теплоты в окружающую среду определяют по формуле: Вт*с/кг, где W – масса влаги, удаляемая из высушенного материала за 1 с. 3.3. Расчет калорифера при сушке воздухом Вычислим средний температурный напор по формуле логарифмического уравнения: где Δtм =t1-t2к Δtб=t1-t2н t1- температура греющего пара (равное температуре насыщения пара при заданном давлении). При давлении 1,7 атм. t1=113,4610С t2н, t2к- температура воздуха на входе в калориметр и выходе из него, t2к=1100С; t2н=-8,80С. Δtб=125+9,8=134,80С, Δtм =125-120=50С, Массовую скорость воздуха в калорифере рассчитывают по формуле: кг/(м2*с), где L – расход абсолютно сухого воздуха; S – площадь живого сечения секций, включенных параллельно по ходу воздуха. Коэффициент теплопередачи для оребреных калориферов К=37,2 кг/(м2*с) Поверхность теплообмена Sт калориметра определяют по уравнению теплоотдачи : м2 где К- коэффициент теплоотдачи, который для оребренных калориферов применяется в зависимости от массовой скорости воздуха ρ*v. Находим необходимое число nк. секций калорифера: , где Sс – поверхность теплообмена секции. Примем оребренный калорифер:
Т. к. фактическое число секций выбирают с 15-20 %-ним запасом, то nк.=2,91+2,91*0,15=3. В калорифере устанавливают 4 секции, параллельно по ходу воздуха так, чтобы получить в них рекомендуемую скорость воздуха. Потерю давления при проходе воздуха через секцию калорифера можно определить по формуле в оребренном калорифере большой модели. ΔP=4,4*( ρ*v)1,85 = 4,4*4,721,85=77,66 Па; ΔРТ=77,66*3 сек.=232,98 Па. 3.4. Подбор питателей и затворов Внутренний диаметр входного патрубка клапана-мигалки определяют по формуле: , Где G – расход материала через мигалку; Gуд – удельная производительность мигалки (рекомендуется принимать 15-80 кг/(м2*с). По ГОСТу принимаем D=70 мм. 3.5. Выбор и расчет пылеуловителей Объемный расход газов vг в системе пылеулавливания (без учета подсосов воздуха) определяют по массовому расходу и параметрам сушильного газа на выходе из сушилки: м3/с Рекомендуемый расход газа qц через одиночный циклон НИИОГАЗ или один элемент одиночный циклон НИИОГАЗ диаметром Dц определяют из уравнения: Па/(кг*м3) где Δрц- гидравлическое сопротивление циклона; ρ- плотность газа. Па В этом случае: где ζц- коэффициент гидравлического сопротивления циклона. Пусть ζц =105(таб. 3.5) определенный по условной скорости газа в циклической части циклона (циклон НИИОГАЗ типа ЦН-15). Dц=400÷800мм, принимаем Dц=0,6м. м3/с Число циклонов или элементов в батарейном циклоне должно соответствовать рекомендациям каталогов: Принимаем 1 циклон. Для улавливания мелкодисперсной пыли необходимо учесть дополнительную ступень очистки газа. 8> 1 2 |