Сушильная установка непрерывного действия. Сушка в псевдоожиженном слое

Сушильная установка непрерывного действия. Сушка в псевдоожиженном слое

Введение

Исходные материалы, промежуточные и конечные твердые продукты многих химических производств часто содержат то или иное количество жидкости. Необходимость частичного или полного удаления жидкости диктуется различными причинами:

влажный продукт может портиться при хранении, так как влага вредно воздействует на некоторые материалы (смерзание в холодное время, образование плесени на пищевых продуктах и т.д.);

влажность полупродуктов может мешать дальнейшей обработке;

транспортировка сухих продуктов более экономична;

При большом начальном содержании жидкости лишь частичное ее удаление из твердых веществ возможно при помощи методов фильтрации и центрифугирования. Полное удаление влаги возможно только путем испарения этой жидкости и отвода образовавшихся паров - сушкой.

Процесс сушки является термическим процессом и требует подвода высушиваемому материалу достаточного количества тепла для испарения жидкости и обеспечения условий, необходимых для ее диффузии изнутри материала во внешнюю среду.

Поэтому, по своей физической сущности термическая сушка является сложным процессом тепло- и массообмена.

В данном курсовом проекте рассматривается процесс сушки твердого материала сахара в псевдоожиженном (ПС) или кипящем слое. В сушильных аппаратах с ПОС обычно сушат твердые частицы с размером зерен от 0,1 до 5 мм.

Как правило, такие сушилки обладают высокой надежностью. Преимущества сушки в ПС заключаются в интенсивном перемешивании твердых частиц с теплоносителем, что обеспечивает большую поверхность контакта фаз, а также в простой конструкции аппаратов.

Еще одной особенностью сушильных аппаратов с ПС является выравнивание температур в объеме слоя, поскольку псевдоожиженный твердый материал движется в сушилке в режиме, близком к идеальному перемешиванию, что приводит к увеличению скорости протекания процесса.

Технологическая схема процесса

Технологическая схема процесса сушки твердого материала в псевдоожиженном (кипящем) слое представлена на рис. 1.

Влажный исходный материал сахар по ленточному конвейеру 1 подается в бункер шнекового питателя 2. Проходя шнековый питатель сахар поступает на газораспределительную решетку сушильного аппарата с псевдоожиженным слоем непрерывного действия 3. Процесс сушки осуществляется при помощи сушильного агента - горячего воздуха, - который с помощью вентилятора 4 нагнетается в сушильный аппарат. В вентилятор 4 поступает воздух комнатной температуры, поэтому его предварительно нагревают греющим паром в калорифере 5 до температуры 105оС.

Полученный сухой продукт через питатель 6 ссыпается на ленточный конвейер 7, откуда отводится в емкость сбора готового продукта 8.

В верхний штуцер сушильного аппарата 3 удаляется использованный сушильный агент. Так как в процессе псевдоожижения образуется пыль, она улетает вместе с использованным сушильным агентом. Для очистки воздуха применяют циклон 9, а также, для более глубокой очистки, ставят электрофильтр 10. Осажденная из воздуха пыль из циклона 9 поступает в бункер, откуда ссыпается на ленточный конвейер и, в результате, оказывается в емкости для готового продукта.

В аппарате держится разряжение в 15 мм. вод. ст., для предотвращения запыления воздуха в цеху.

Отработанный воздух высасывается из системы вентилятором 12, на схеме не показан.

Рис. 1 - Технологическая схема процесса

Исходные данные

Тип сушильного аппарата: псевдоожиженный слой

Вариант процесса: простой

Высушиваемый материал: сахарный песок

Производительность по влажному материалу: 500 кг/ч

Влажность материала: начальная - 4%(масс), конечная - 0,02%(масс)

Средний размер частиц: 0, 05-0,1 (20%); 0,01-0,2 (20%); 0,2-0,5 (50%); 0,5-0,8 (10%), мм

Сушильный агент: воздух

Температура сушильного агента: на входе в сушильный аппарат - 105°С, на выходе из аппарата - 45°С

Давление греющего пара: 0,42 МПа

Предполагаемый район строительства: Москва

Расчёт процесса идеальной сушки

Количество удаленной влаги:

Для начала необходимо провести расчет количества удаленной влаги. По следующему уравнению, воспользовавшись данными из технического задания, количество удаленной влаги W составит:

Количество удаляемого сухого материала:

Исходя из мат. баланса для аппарата можно написать:

Расход сушильного агента:

Количество удаленной влаги необходимо для расчета расхода сушильного агента:

Воспользовавшись диаграммой Рамзина, можно получить следующие данные по влагосодержанию:

Тогда расход сушильного агента L составит:

Определение скорости псевдоожижения:

Из справочных данных плотность высушиваемого материала:

Плотность сухого воздуха при нормальных условиях r0 = 1,29 кг/м3. Рассчитаем плотность влажного воздуха (формула взята из источника):

В данной формуле имеем следующие параметры: T0 = 273 К, Т = 273 + 45 = 318 К - рабочая температура, j = j2 = 0,56 - относительная влажность воздуха, П =15 мм вод. ст. = 0,0015 ат , П0 = 1 ат, pн = 0,0921 ат - нормальное давление насыщенного водяного пара.

Таким образом,

Динамический коэффициент вязкости воздуха при t = 45 oC, определяемый по номограмме VI, равен: m = 0,0195 сП = 0,0195·10-3 кг/м·с. Кинематическая вязкость воздуха можно определить, зная два параметра - динамический коэффициент вязкости и плотность влажного воздуха, - определенный ранее:

Имеем все параметры для определения числа Архимеда:

По заданию эквивалентный диаметр частиц примем равным 0,8 мм (dэ = 0.0008 м), тогда

Зная число Архимеда можно определить и критерий Рейнольдса:

Также есть другая формула определения критерия Рейнольдса, справедливая для начала режима псевдоожижения:

Очевидно, что из этой формулы мы можем определить скорость начала псевдоожижения:

Рабочее число псевдоожижения обычно выбирается из диапазона Kw = W/W0 = 1.5 ¸ 2. Мы примем рабочее число псевдоожижения равным Kw = 1,5 и найдем рабочую скоростью сушильного агента из этого соотношения:

= W0 · Kw = 0,234 · 1,5 = 0,351 м/с.

Удельный условный объем влажного воздуха по номограмме для определения относительного удельного объема при атмосферном давлении, температуре t = 18oC и влагосодержании x = 0,01 равен Vy = 0,933 м3/кг асв. Тогда

Рис. 2

Оценка лимитирующей стадии

Для оценки лимитирующей стадии процесса, воспользуемся следующими критериальными уравнениями:

Критерий Био:

,

где β - коэффициент массоотдачи, R - радиус частицы, Dт - коэффициент диффузии влаги в сахаре.

Критерий Шервуда:

,

где β - коэффициент массоотдачи, d - диаметр частицы, Dса - коэффициент диффузии влаги в сушильном агенте.

,

где Re - критерий Рейнольдса, Sc - критерий Шмидта

Для начала необходимо рассчитать рабочий критерий Рейнольдса при условии, что мы уже приняли выше рабочее число псевдоожижения Kw = 1,5:

Затем рассчитывается критерий Шмидта:

,

где ν - кинематическая вязкость воздуха, так же рассчитанная нами выше.

После чего значения критериев Рейнольдса и Шмидта подставим в уравнение для определение Шервуда:

Из уравнения для Шервуда выразим коэффициент массоотдачи:

И подставив коэффициент массоотдачи в уравнение для критерия Био, получим:

Критерий Био имеет значение больше 20, что говорит о том, что в процессе сушки сахара лимитирует стадия диффузии влаги внутри частицы, то есть задача внутренняя.

Определение габаритов аппарата

Площадь газораспределительной решетки. Площадь газораспределительной решетки можно определить, использую формулу:

Диаметр газораспределительной решетки ищется по уравнению площади круга:

следовательно

Таким образом, диаметр газораспределительной решетки составит

Примем диаметр решётки равный 0,9 м

Определение высоты аппарата.

Сначала необходимо установить время пребывания частиц в аппарате. Так как сушка происходит в условиях внутренней задачи, как показано выше, то время пребывания будет лимитироваться скоростью диффузии влаги через поры частицы сахара. Теоретически, самые большие поры будут составлять в размере радиус частицы.

Итак, примем, что критерий Фурье Foср будет равен 1, то есть концентрация влаги в частице изменится значительно, а именно в e раз.

Тогда из формулы:

Можем посчитать масштаб времени τm:

Чтобы частица высохла наверняка, примем среднее время пребывания её в аппарате равным 5 масштабам времени, то есть:

Теперь рассчитаем загрузку аппарата, то есть массу твёрдого материала находящуюся в аппарате:

Перейдём к расчёту высоты псевдоожиженного слоя из формулы:

Где ε - порозность псевдоожиженного слоя, рассчитываемая по формуле:

, где

р - рабочее число Рейнольдса, равное:

высота псевдоожиженного слоя тогда будет:

Так как высота псевдоожиженного слоя мала, это значит, что мы можем сами задать высоту слоя, обычно принято задавать высоту, равную:

Высота аппарата над распределительной решеткой складывается из двух величин: высоты сепарационного пространства и рабочей высоты псевдоожиженного слоя:

апп = Нсеп + НПОС

Высоту сепарационного пространства сушилки с псевдоожиженным слоем принимают в 4 - 6 раз больше высоты псевдоожиженного слоя, т.е. принимаем Нсеп = 1,8 м.

Таким образом, зная две составляющие формулы, можно найти численное значение высоты аппарата над распределительной решеткой:

Для определения общей высоты аппарата необходимо добавить к высоте над распределительной решеткой высоту нижней части аппарата, которую примем равной высоте «юбки». Поэтому, общая высота аппарата составит

.

Определение потерь тепла в окружающую среду

Определение коэффициента теплоотдачи.

Для определения потерь тепла в окружающую среду наружной поверхностью аппарата

необходимо знать коэффициент теплоотдачи a от наружной поверхности изоляции к окружающей среде, который может быть найден по следующей формуле:

,

где a' - коэффициент теплоотдачи конвекцией, a'' - коэффициент теплоотдачи изоляцией.

Коэффициент теплоотдачи a' в условиях естественной конвекции можно рассчитать по формуле

где Nu - критерий Нуссельта, l - коэффициент теплопроводности воздуха.

Критерий Нуссельта содержит неизвестный коэффициент теплоотдачи a, поэтому является определяемым критериями подобия. При конвективном теплообмене уравнение подобия может быть представлено в виде

Nu = f (Re, Gr, Pr)

критерий Рейнольдса; Gr - критерий Грасгофа; Pr - критерий Прандтля. В случае вынужденного движения жидкости и при развитом турбулентном режиме свободная конвекция в сравнении с вынужденной очень мала, поэтому уравнение подобия упрощается:

= f (Re, Pr)

Для некоторых газов критерий Прандтля в процессе конвективного теплообмена почти не изменяется с температурой, поэтому уравнение подобия может принять еще более простой вид:

= f (Re)

При свободном движении жидкости, когда вынужденная конвекция отсутствует, вместо критерия Рейнольдса вводится число Грасгофа:

= f (Gr, Pr)

Именно такой режим преобладает в сушильном аппарате с псевдоожиженным слоем. Поэтому для расчета критерия Нуссельта используют формулу:

= С'· (Gr · Pr)m

Критерий Грасгофа характеризует соотношение подъемной силы, возникающей вследствие разности плотностей газа и силы молекулярного трения.

Для расчета критерия Грасгофа необходимо знать значение кинематической вязкости n воздуха при средней температуре. Средняя температура (температуру поверхности приняли равной температуре на выходе из аппарата):

По таблице физических параметров сухого воздуха при давлении 1 бар для средней температуры 305 К:

l = 2,70·10-2 Вт/м·К

m = 0,019 сП @ 0,02·10-3 кг/м·с

n = 1,65·10-5 м2/с

Несмотря на то, что имеется табличное значение кинематической вязкости, проведем ее расчет для получения более точных данных и сравнения этих данных с табличными. Кинематический коэффициент вязкости:

n = m / rвл.в.

где rвл.в. - плотность влажного воздуха, которая может быть найдена по формуле (2а) (j = 70 % по диаграмме Рамзина при t = 32oC и x = 0,01; pн = 0,0433 ат при t = 32oC):

Тогда, кинематический коэффициент вязкости воздуха

Отсюда видно, что выбранное табличное значение и рассчитанное по формуле практически совпадают. Это свидетельствует о точности проведенных расчетов.

Кроме кинематической вязкости для расчета критерия Грасгофа необходимо определить коэффициент объемного термического расширения воздуха b по формуле:

Учитывая следующие величины - высоту вертикального аппарата (в нашем случае, высота аппарата над газораспределительной решеткой Hапп) и ускорение свободного падения g = const = 9.81 м/с2, определим численное значение критерия Грасгофа

Критерий Прандтля Pr, определяющий физические свойства газа, может быть описан следующей формулой:

где m - вязкость воздуха при средней температуре, l - коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре. Для воздуха при атмосферном давлении в широком диапазоне температур 0 - 500 оС критерий Прандтля остается практически неизменным и равным 0,72.

Таким образом, зная оба критерия - Грасгофа и Прандтля, - можно рассчитать критерий Нуссельта, в которой участвуют также параметры C' и m, значения которых подбираются в зависимости от произведения (Gr · Pr):

· Pr = 3,3·1010 · 0,72 = 2,38·1010

Полученное значение произведения двух критериев лежит в диапазоне 2·107 - 1·1013, поэтому значения параметров принимаются равными: C' = 0,135, m = 1/3.

Соответственно,

Откуда найдем значение коэффициента теплоотдачи:

Для расчета a'' воспользуемся формулой:

В этой формуле: e - степень черноты излучающей поверхности (примем для асбеста e = 0,96), С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела С0 = 5,7 Вт/(м2·К4). Тогда

И, наконец, коэффициент теплоотдачи a = 4,76 + 6,19 = 11 Вт/(м2·К).

Определение поверхности аппарата.

Площадь аппарата складывается из площадей геометрических фигур:

апп = Sцил + Sусеч.кон + Sверх.кон + Sнижн.кон(20)

а) цилиндрическая часть аппарата - пространство под газораспределительной решеткой - имеет боковую площадь, равную (R - радиус цилиндра, L - его высота, D - диаметр)

цил = 2pRL = pDL = 3,14 · 700 · 900 = 1,98·106 мм2;

б) усеченный конус - пространство над газораспределительной решеткой (R1, R2 - радиусы, соответственно, нижнего и верхнего оснований; L - длина боковой стороны):

R1 = 450 мм; R2 = 450 + 2200·tg15 = 1040 мм; L = 2200 / cos15 = 2278 ммусеч.кон = p(R1 + R2)L = 3,14·(450 + 1040)·2278 = 10,7·106 мм2;

Рис. 3 - Упрощенная схема крышек для расчета габаритов сушильного аппарата

в) верхние и нижние конические части. Так как размеры штуцеров намного меньше размеров самих крышек, будем считать крышки коническими поверхностями. Тогда при радиусе основания верхнего конуса Rверх = 1040 мм и длине стороны L = Rверх / sin60 = 1040 / sin60 = 1200 мм, площадь поверхности верхнего конуса составит

верх.кон = pRверх ·(Rверх + L) = 3,14 · 1040 · (1040 + 1200) = 7,31·106 мм2;

А при радиусе нижнего конуса Rнижн = 450 мм и длине стороны

= Rнижн / sin60 = 450 / sin60 = 520 мм, площадь поверхности нижнего конуса будет равнанижн.кон = pRнижн ·(Rнижн + L) = 3,14 · 450 · (450 + 520) = 1,37·106 мм2.

Таким образом, сложив все полученные площади геометрических фигур, найдем общую площадь поверхности аппарата:

апп = 1,98·106 + 10,7·106 + 7,31·106 + 1,37·106 @ 21,9·106 мм2 = 21,9 м2.

Определение потерь тепла в окружающую среду

Итак, зная общую площадь поверхности аппарата Sапп и коэффициент теплоотдачи a, определим потери тепла в окружающую среду по формуле:

Расчёт процесса реальной сушки

В основе технологического расчета и построения в диаграмме I - x процесса в реальной сушилке лежит расчет параметра сушки:

.

- удельные потери тепла с уходящим (высушенным) материалом, которые можно определить по формуле

,

где t', t'' - начальная и конечная температуры равные, соответственно, 18 оС и 45 оС; СМ'' - теплоемкость сухого материала, по справочным данным СМ'' = 1,31 кДж/(кг·град); Св - теплоемкость воды, Св = 4,19 кДж/кг.

Таким образом,

Удельные потери тепла в окружающую среду qокр:

Откуда,

Отрицательное значение параметра сушки говорит о том, что подвод теплоты в сушильной камере недостаточен для компенсации суммы теплопотерь. Тогда процесс сушки идет с понижением энтальпии. Компенсация теплопотерь осуществляется путем увеличения расхода сушильного агента (воздуха). Т.е. новое рассчитанное значение расхода сушильного агента должно превышать его значение при идеальном процессе сушки.

Расход сушильного агента для реального процесса сушки рассчитывается аналогично идеальному процессу:

, x1 = x0 = 0,01 кгВл. / кгАСВ.

Необходимо определить влагосодержание x2. Его определяют из уравнения

Зададимся x = 0,02 (выбираем произвольное значение x > x1), тогда зная I1 = 133 кДж/кг (расчет приведен в разделе идеальной сушки), можем посчитать значение I:

Воспользовавшись диаграммой Рамзина в координатах I - x, определим параметры для значения влагосодержания в точке 2: x2 = 0,028 кгВл/кгАСВ, I2 = 113 кДж/кгАСВ. Тогда расход сушильного агента составит

.

Полученное значение расхода в условиях реальной сушки, как мы и предполагали, получилось немного больше соответствующего значения в условиях идеальной сушки. Рассчитаем в процентах отличие вычислений при идеальном и реальном процессе сушки:

Тогда, зная условный удельный объем воздуха Vу = 0,933 м3/кг (см. идеальную сушку), найдем

Пересчет габаритов аппарата в реальных условиях сушки

Зная расход сушильного агента в реальных условиях пересчитаем габариты аппарата:

) Площадь и диаметр газораспределительной решетки

) Высота аппарата

Нсеп. = 6 · 0,333 = 2 м

Высота аппарата над распределительной решеткой Hапп = 2 + 0,333 = 2,33 м. Общая высота аппарата - Нобщ = 2,33 + 0,7 = 3,03 м.

Сопротивление псевдоожиженного слоя, газораспределительной решетки и общее сопротивление сушилки

Определение порозности псевдоожиженного слоя в рабочем состоянии

Порозность псевдоожиженного слоя в рабочем состоянии может быть найдена по формуле:

Учитывая, что при 105оС плотность сушильного агента (воздуха) равна r = 0,932 кг/м3, вязкость воздуха m = 2,25 · 10-5 Па·с, скорость сушильного агента по расчету в идеальном процессе сушки w = 0,351 м/с и диаметр частиц влажного материала d0 = 0,8 ·10-3 м, найдем критерий Рейнольдса по формуле:

Критерий Архимеда (rтв = 1591,5 кг/м3 - плотность влажного материала):

Таким образом, порозность псевдоожиженного слоя равна:

Сопротивление псевдоожиженного слоя [4, стр. 310]

 Па

Сопротивление газораспределительной решетки и выбор живого сечения

Выбор живого сечения необходимо выполнять таким образом, чтобы обеспечивалось равномерное газораспределение. Для этого необходимо определить минимальное сопротивление решетки, достаточного для псевдоожижения слоя и его растекания в случае частичного внезапного обнажения решетки. Через отверстия в обнаженной части решетки будет проходить большее количество газа, и их сопротивление окажется больше сопротивления участков решетки, покрытых материалом. Для того, чтобы скорость газа в отверстиях, покрытых твердым материалом, не упала ниже скорости начала псевдоожижения, должно выполняться условие:

DРреш > (DРреш)min

Расчет сопротивления решетки ведем по формуле [4, стр. 310]:

,где

x = 1,75 - коэффициент сопротивления решетки;= 0,02 - доля живого сечения решетки, принимаемая в интервале 0,02 - 0,1;

r = 0,932 кг/м3 - плотность сушильного агента (воздуха) при 105оС;= 0,351 м/с - скорость сушильного агента.

 Па

Минимальное сопротивление решетки [4, стр. 310]:

, где

= 1,5 - рабочее число псевдоожижение (см. расчет рабочей скорости сушильного агента в процессе идеальной сушки);

e0 = 0,4 - порозность неподвижного слоя для шарообразных частиц.

 Па

Таким образом, выполняется поставленное условие DРреш > (DРреш)min, следовательно выбор доли живого сечения был сделан правильно.

Общее гидравлическое сопротивление сушилки:

 Па

Число отверстий распределительной решетки

гдеDр = 1,0 м - диаметр распределительной решетки;= 0,002 м - диаметр отверстий решетки.

 отверстий

Шаг отверстий

 м = 13,6 мм, примем 14 мм

м = 12,1 мм, примем 12 мм

Рис. 4 - Газораспределительная решетка

Расчёт и подбор калорифера

В калориферной установки подогревается воздух в количестве 0,307 кг/с (см. расчет процесса идеальной сушки) от начальной температуры 18оС (средняя температура окружающей среды для г. Москва) до конечной температуры 140оС (при такой температуре воздух должен входить в сушильный аппарат). Давление греющего пара 0,42 МПа. В данном разделе необходимо установить тип калориферов, провести расчет их основных параметров и выбрать их габаритные размеры.

Перед основным расчетом проведем определение температуры греющего пара. Ее определяют экстраполяцией по данным из источника

гр.пара = 0,42 МПагр.пара = 143 оС

В настоящее время промышленностью выпускаются только калориферы с биметаллическим спирально-накатным оребрением типа КП3-СК-01 АУЗ - средняя модель.

Рассмотрим два варианта калориферной установки - с одним и двумя калориферами в ряду.

Рис. 5 - Калориферные установки с одним и двумя калориферами в ряду

Допустимые скорости движения воздуха во фронтальном сечении калорифера Vr = 2 - 7 кг/м2·сек. Расчет скорости во фронтальном сечении установки с одним калорифером в ряду ведем по формуле:

с двумя калориферами в ряду:

где G - количество подогреваемого воздуха, кг/с fв - площадь фронтального сечения калорифера для прохода воздуха, м2.

Используя справочные данные, составим таблицу (табл. 1)

Выбор калориферов по скорости движения воздуха во фронтальном сечении (жирным выделены те скорости, которые удовлетворяют условию Vr = 2 ¸ 7 кг/м2·сек). Для последующего рассмотрения пригодна более всего установка №6 для однорядных. Оценим величины коэффициентов теплопередачи в зависимости от скорости воздуха во фронтальном сечении калориферной установки и рассчитаем необходимую поверхность теплообмена установки по формуле:

где k - коэффициент теплопередачи (Вт/м2·град) в зависимости от скорости воздуха для каждого из калориметров; Q - мощность калориферной установки; Q = G · C · (tк - tн) = 0,307 · 1,01 · (105 - 18) = 27,9 кВт; Dt - температурный напор:

D' = 143 - 18 = 125 oC; D'' = 143 - 105 = 38 oC

Расчет необходимой поверхности и выбор констант теплопередачи сведем в таблицу

Таблица 1 - Определение Fн и выбор k

Значения констант теплопередачи определялись по данным в зависимости от скорости воздуха соответствующей калориферной установки интерполированием.

Число рядов калориферной установки и сопротивление каждой из установок определим по следующим формулам:

;

Запас по поверхности теплообмена на приемлемых вариантах калориферных установок определяется следующим образом:

где Fд - действительная поверхность, м2; Fд = F · n (F - поверхность одного калорифера)

Таблица 2 - Расчет запаса по поверхности

Запас по прочности поверхности нагрева установки составляет 10 - 20 %. Меньший запас недостаточен для компенсации возможного уменьшения теплопроизводительности калориферной установки, обусловленного отклонением фактических значений константы теплопроводности от их паспортных показателей, а также загрязнением поверхности в процесс эксплуатации. Запас в размере, превышающий рекомендованный, увеличивает стоимость установки.

Примем также критерий сопротивления установки DPу не более 250 Па. Таким образом, двум критериям соответствуют обе установки - №6 и

Окончательный выбор. Проведя все необходимые расчеты и сравнив полученные значения с рекомендованными, приходим к выводу, что наилучший вариант - однорядная калориферная установка с одним калорифером типа №6 в ряду.

Габариты калориферной установки.

Принимая, что установка представляет собой блок, собранный из одного калорифера, определим габариты калориферной установки:

Высота - 602 мм

Длина - 180 мм

Ширина - 575 мм

Расчёт изоляции

Выбор изоляционного материала.

Применение внешней изоляции необходимо для снижения тепловых потерь при проектировании теплообменных аппаратов. Изоляция химико-технологических аппаратов позволяет обеспечить надежное проведение технологического процесса. Другая функция тепловой изоляции - создание безопасных условий труда для персонала. Согласно санитарным нормам температура наружной поверхности изоляции аппаратов не должна превышать 40 - 50оС.

В качестве тепловой изоляции применяются самые разнообразные материалы с коэффициентом теплопроводности менее 0,125 Вт/мК при 25°С. Кроме невысокой теплопроводности изоляционные материалы должны удовлетворять следующим требованиям:

обладать малой кажущейся плотностью (менее 600 кг/м3) за счет высокой пористости. Пористость - положительное свойство изоляции, т.к. находящийся в порах воздух имеет низкую теплопроводность (lвозд = 0.026 Вт/мК);

обладать низкой гигроскопичностью, т.к. при впитывании влаги увеличивается теплопроводность изоляции за счет высокой теплопроводности влаги;

характеризоваться высокой теплоемкостью, чтобы иметь низкую температуропроводность;

обладать термостойкостью, механической прочностью, достаточной пластичностью, чтобы при колебаниях температур и механических нагрузок не изменялась структура изоляционного материала;

должны быть невосприимчивы к посторонним запахам и практически не иметь собственного запаха;

должны быть пожаробезопасными; не выделять при горении вредных и ядовитых веществ;

должны быть долговечными и дешевыми. Продолжительность эксплуатации мастичных изоляций составляет 5-10 лет, засыпных - до 4 лет, штучных (формованных) до 6-8 лет и оберточных - до 5-8 лет.

Согласно перечисленным требованиям к изоляционным материалам при имеющейся максимальной температуре воздуха 105оС можно использовать асбестовую ткань с хлопком (ГОСТ 6102-78). Характеристики материала:

r = 500 - 600 кг/м3;

l = 0,124 Вт/(м·К);

Сmax = 0,83 кДж/(кг·К);= 200oC.

Расчет толщины термоизоляции сушилки с псевдоожиженным слоем.

Основное уравнение для расчета толщины термоизоляции:

где tст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в закрытом помещении эта температура принимает значения в интервале 35 - 45 оС, поэтому принимаем tст2 = 40оС;ст1 - температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции эту температуру принимают равной температуре греющего пара, т.е. tст1 = 143оС (при давлении греющего пара 0,42 МПа);окр.ср. - температура окружающей среды, tв = 18 оС;

lи - коэффициент теплопроводности изоляционного материала; lи = 0,124 Вт/(м·К);

dи - толщина термоизоляции;

aв - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду

 Вт/(м2·К)

Тогда

м

Расчёт шнекового питателя

Шнековый питатель изображен на технологической схеме (рис. 1) позицией 2. Необходимо подобрать шнековый питатель по числу оборотов винта. Производительность определяется по формуле:

,

откуда число оборотов винта

,

где:G - производительность по влажному материалу; G = 500 кг/час;- диаметр винта, м;- шаг винта, м;

j - коэффициент поперечного сечения канала; j = 0,25;

Сb - коэффициент, учитывающий угол наклона винта к горизонту b; Сb = 1 при b =1;н - насыпной вес материала, рассчитываемый по формуле jн = j · (1 - e0) при значениях j = 1591,5 кг/м3 (плотность твердых частиц), e0 = 0,4; jн = 1591,5 · (1 - 0.4) = 955 кг/м3.

Таким образом, подставив числовые значения известных величин, получим зависимость числа оборотов от квадрата диаметра винта и его шага:

По методическим данным произведем подбор значений диаметра и шага винта по номинальному числу оборотов винта, составляющее n = 7,5 об/мин:

Выбираем шнековый питатель в соответствии с ГОСТ 2037-65:= 200 мм,= 160 мм,н = 7,5 об/мин.

Ленточный конвейер

Ленточные конвейеры применяются для транспортировки веществ. В нашем проекте используется два ленточных конвейера: один (на технологической схеме (рис. 1) под пунктом 1) доставляет влажный (исходный) материал к шнековому питателю, второй (на технологической схеме (рис. 1) под пунктом 7) - транспортирует высушенный материал (продукт) в емкость для сбора готового продукта 8.

Для транспортировки материалов будем использовать рифленые конвейерные ленты на основе хлопчатобумажных тканей, которые предназначены для конвейеров с углом наклона до 18о. Применяются на стационарных и подвижных конвейерах малой длины (от 40 до 105 м) при наличии влажности транспортируемого материала.

Характеристики ленты:

Сердечникпрорезиненный бельтинг Б-820

Толщина обкладки, мм

Рабочей 3,0

нерабочей 1,0

Прочность связи, не менее, кгс/см

между обкладкой и прокладкой2,8

между прокладками3,0

Прочность готовой ленты при разрыве, кгс/см ширины одной прокладки, не менее

по основе55

по утку15

Относительное удлинение при разрыве по основе не более 18 %

Относительное удлинение при нагрузке 18 кгс/см ширины одной прокладки 4 - 12 %

Характеристика обкладочной резины (ОПБ - особопрочный бельтинг)

Сопротивление разрывуне менее 200 кгс/см2

Относительное удлинениене менее 450 %

Истираниене более 700 см3/квт·ч

Расчет скорости движения ленточного конвейера

Необходимо рассчитать скорость движения ленточного конвейера, которую можно определить из уравнения для ширины грузонесущей ленты:

где: G - производительность по влажному материалу; G = 500 кг/час; jн - насыпной вес материала, см. расчет шнекового питателя jн = 955 кг/м3; С - константа, для плоской ленты с углом откоса насыпного груза на ленте 15о С = 240; B - ширина ленты, принимаем по данным. B = 0,80 м. W - скорость движения ленты.

Таким образом,

После ряда вычислений, получим:

@ 0,005 м/с @ 18 м/ч

Циклоны

Циклоны типа ЦН-15 являются наиболее универсальным типом пылеулавителей. Они предназначены для сухой очистки воздуха. Бункеры циклонов имеют пирамидальную форму. При работе циклонов должна быть обеспечена непрерывная выгрузка осажденной пыли. При этом уровень пыли в бункерах должен быть не ниже плоскости, отстоящей от крышки бункера на 0,5 диаметра цилиндрической части циклона.

Циклоны могут эксплуатироваться как по одиночке, так и группами. Группы циклонов используются при больших потоках воздуха. Необходимо определить тип циклона, его геометрические размеры.

Подбор циклона необходимо проводить по производительности:

где L - расход воздуха в реальных условиях (см. расчет процесса реальной сушки), Vу - удельный объем воздуха, который находится по номограмме [2, стр. 1234] при температуре 40оС (считаем, что температуры на выходе из сушильного аппарата и на входе в циклон одинаковы) и влагосодержании x = 0,028. Таким образом,

Руководствуясь справочными данными по подбору циклонов, находим, что при данной необходимой производительности циклона следует выбрать сборку из одиночного циклона «ЦМ-15».

Рассчитаем коэффициент гидравлического сопротивления одного циклона из четырех по формуле:

,

где  = 150 - коэффициент гидравлического сопротивления циклона при чистом воздухе; K2 = 0,92 - поправочный коэффициент (для начальной запыленности 20 г/см3).

Определяем плотность воздуха в рабочих условиях (P = 0,998 ат, t = 40oC, плотность воздуха при нормальных условиях r0 = 1,293 кг/м3 [6]):

Оптимальные условия работы циклона ЦН-15 обеспечиваются при DP/rg = 50 ¸100 м. Примем это соотношение DP/rg = 75. Находим условную скорость движения воздуха в циклоне из уравнения

;

Находим диаметр циклона по формуле:

Принимаем стандартное значение диаметра D = 700 мм. Уточняем значения Wусл и DP/rg для принятого значения диаметра:

Найденные значения Wусл и DP/rg не выходят за оптимальные пределы.

Технические характеристики сборки из 1-го циклона типа ЦН-15.

Рассматривается вариант с выводом очищенного газа через улитку.

Выбор геометрических размеров циклона.

Группа из 1 циклона ЦН-15 представлена на рис. 9. Ниже приведена таблица (табл. 4) основных геометрических размеров сборки (в мм).

Таблица 3 - Таблица размеров сборки из 1 циклона ЦН-15

сушка шнековый питатель сопротивление

Гидравлическое сопротивление циклона.

Основная формула для расчета гидравлического сопротивления циклона:

, [1, стр. 97]

где  - коэффициент сопротивления циклона,  = 138; rв - плотность воздуха при 40оС, проходящего через циклон; wц - условная скорость газа в цилиндрической части циклона. Зная из предыдущих расчетов соотношение DР/rвg = 4,02 м, найдем условную скорость газа в циклоне:

Тогда,

Минимальный размер осаждаемых частиц.

Необходимо определить ориентировочный минимальный размер (диаметр) осаждаемых частиц. Для этого воспользуемся формулой из источника:

,

где i - конструктивная постоянная, для циклонов ЦН-15 i = 2;ц = 0,70 м - диаметр циклона;

= 4 м/с - максимально допустимая скорость потока во входном патрубке циклона;

rт = 1591,5 кг/м3 - плотность осаждаемых частиц сахара;

m = 0,0195·10-3 кг/(м·с) - динамический коэффициент вязкости воздуха при температуре 40оС.

Таким образом,

Электрофильтр

Электрофильтры типа ЭГА предназначены для очистки от пыли неагрессивных невзрывоопасных технологических газов и аспирационного воздуха температурой до 330оС и разряжением до 15 кПа.

Электрофильтры представляют из себя одно- или двухсекционные аппараты прямоугольной формы, состоящие из двух или четырех электрических полей, установленных последовательно по ходу газа. Корпуса аппаратов обычно выполнены из стали и покрыты снаружи теплоизоляцией.

Активная зона электрофильтров состоит из осадительных и коронирующих электродов. Удаление уловленной пыли с электродов - механическое.

Выбор электрофильтра производим по производительности 0,307 м3/с = 1,05·103 м3/ч.

Марка электрофильтра - ЭГА-10-4-4-2

Код ОКП -36 4611 1013

Производительность по очищаемому газу (при скорости 1 м/с) - 39600 м3/ч

Активный объем - 56,5 м3

Площадь активного сечения - 11 м2

Площадь поверхности осаждения - 430 м2

Разряжение в электрофильтре - 5 кПа

Массовая концентрация пыли на входе - не более 90 г/м3

Масса внутреннего механического оборудования - 13900 кг

Конденсатоотводчик

Выбираем поплавковый конденсатоотводчик 45ч13нж1. Этот тип конденсатоотводчиков предназначен для автоматического отвода конденсата водяного пара рабочей температуры до 300оС из различного рода пароприемников.

Подбор осуществляется по условной пропускной способности KVу, которая может быть найдена по следующей формуле:

где DР = Р1 - Р2 = 0,4 - 0,01 = 0,39 МПа,

Р1 = 0,95·P= 0,95·0,42 = 0,4 МПа - давление греющего пара перед конденсатоотводчиком;

Р2 = 0,01 МПа - давление после конденсатоотводчика (при свободном сливе конденсата);- количество конденсата после теплообменного аппарата G = 1,2 Gрасч; расчетное значение Gрасч определяется по количеству тепла, которое отдает греющий пар, а именно: Q = Gрасч r (r = 2141 кДж/кг - теплота парообразования при давлении 0,42 МПа и температуре греющего пара 143оС по таблице; Q = 27,9 кВт - теплота, равная теплоте калориферной установки).

 кг/с

 кг/с

Степень охлаждения конденсата. Конденсат охлаждается от начальной температуры 143оС до конечной температуры, принимаемой на 5 - 10 оС меньше, т.е. 133оС. Тогда

Итак, условная пропускная способность равна

По таблице 5, 6 выбираем конденсатоотводчик по ближайшему большему значению KVу = 0,63 т/ч с условным обозначением 45ч13нж1.

Диаметр условного прохода Dy = 20 мм

Диаметр конденсатоотводчика D = 150 мм

Высота конденсатоотводчика H = 244 мм

Допустимый перепад давлений МПа 0,03 - 0,4 МПа

Масса 7 кг

Расчет насосов

Основная формула полного сопротивления первого насоса:

Р = Pкалор + Pтр + Рсуш - Pразр

При движении газа в трубопроводе весь располагаемый напор затрачивается на преодоление гидравлических потерь:

Для трубопровода круглого сечения объемный расход воздуха:

Средняя скорость потока в трубопроводе принимается равной W = 10 - 20 м/с. Тогда диаметр трубопровода:

 при L = 0,307 кг/с и Vусл = 1,09 м3/кгАСВ (при t = 105oC, x = 0,01), определяемому по номограмме. Таким образом,

= 0,307 · 1,09 = 0,335 м3/с

Согласно стандартным значениям диаметра выбираем d = 0,2 м. Проведем расчет критерия Рейнольдса:

где m - коэффициент динамической вязкости, m = 2,25·10-5 кг/(м·с) (при температуре 105оС);

r - плотность воздуха при температуре 105оС; . Тогда критерий Re составит

Полученное значение критерия Рейнольдса находится в диапазоне 104 < Re < 105, поэтому

.

Найдем сумму местных сопротивлений:

 м

Сопротивление трубопровода равно:

 Па

Сопротивления:

калориферной установки Pкал = 20,53 Па

сушилки Рсуш = 3,21·103 Па

Тогда P = 20,53 + 268 + 3,21·103 + (1,03·105 - 154,5)= 1,06·105 Па

Расход воздуха в вентиляторе Vвент = Vу · L = 0,933 · 0,307 = 0,287 м3/с.

Подбираем марку вентилятора по его производительности и расходу воздуха, используя справочные данные:

Давление18000 Па

Расход воздуха 5.0 м3/с

Марка вентилятора ТГ-300-1,18

Число оборотов 50 с-1

Электродвигатель марка ВАО-315М-2

Номинальная мощность электродвигателя 160 кВт

Основная формула полного сопротивления второго насоса:

Р = - Pразр +Pцикл + Pэл.ф + Ртр

При движении газа в трубопроводе весь располагаемый напор затрачивается на преодоление гидравлических потерь:

Для трубопровода круглого сечения объемный расход воздуха:

Средняя скорость потока в трубопроводе принимается равной W = 10 - 20 м/с. Тогда диаметр трубопровода:

 при L = 0,307 кг/с и Vусл = 0,960 м3/кгАСВ (при t = 40oC, x = 0,028), определяемому по номограмме. Таким образом,

= 0,307 · 0,960 = 0,295 м3/с

Согласно стандартным значениям диаметра выбираем d = 0,2 м. Проведем расчет критерия Рейнольдса:

где m - коэффициент динамической вязкости, m = 1,95·10-5 кг/(м·с) (при температуре 40оС);

r - плотность воздуха при температуре 40оС; . Тогда критерий Re составит

Полученное значение критерия Рейнольдса находится в диапазоне 105 < Re < 107, поэтому:

.

Найдем сумму местных сопротивлений:

 м

Сопротивление трубопровода равно:

 Па

Сопротивления:

циклона Pцикл = 44,6 Па

электрофильтра Pэл.ф = 500 Па

Тогда P = 44,6 + 500 + (1,03·105 - 154,5)= 1,03·105 Па

Расход воздуха в вентиляторе Vвент = Vу · L = 0,960 · 0,307 = 0,295 м3/с.

Подбираем марку вентилятора по его производительности и расходу воздуха, используя справочные данные:

Давление18000 Па

Расход воздуха 5.0 м3/с

Марка вентилятора ТГ-300-1,18

Число оборотов 50 с-1

Электродвигатель марка ВАО-315М-2

Номинальная мощность электродвигателя 160 кВт

Подбор материала аппарата, люка, подбор днища и крышки и расчет и подбор штуцеров

Так как высушиваемое вещество - сахар, не агрессивное, то можем выбрать практически любой материал, выбираем материал аппарата Сталь Х18Н10Т

Подбираем коническое днище неотбортованное из материала Сталь 16ГС.в=1000 мм

Нв=866 мм=6 мм=2010 мм

α=120 °C

Масса днища mднища=74,4 кг

Подбор штуцеров.

Просыпавшийся ТМ:

Подбираем штуцер d=40 мм

Входящий газ:

Подбираем штуцер d=200 мм

Отработанный газ:

Подбираем штуцер d=200 мм (14, стр.657)

Таблица штуцеров:

Выбор люка.

Выбираем люк тип 3 по ОН 26-01-35-67 в исполнении II

Dy=50 ммн=57 мм=3,5 мм=6 ммф=160 мм=160 мм=110 мм

d=14

Расчет опорных конструкций.

Материал опорных конструкций - сталь Ст 3, ρстали=7,85·103 кг/м3, δ=5 мм

Объем обечайки:

Масса обечайки:

Рассчитаем объем и массу материала.

Объем материала:

Масса материала:

Масса крышки и днища: днища=mкрышки=74,7 кг

Рассчитаем общую массу аппарата с материалом:

Полная масса аппарата:

Распределим равномерно полную массу аппарата на четыре опоры:

Подбираем опоры Тип II для аппаратов с изоляцией

Литература

1.     Борисов Г.С. и др. "Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию". Под ред. Дытнерского Ю.И., 2-е изд. М., "Химия", 1991 г.

2.      Нащекин В.В. "Техническая термодинамика и теплопередача", 3-е изд., испр. и доп., М., "Высшая школа", 1980 г., 469 с.

.        Айнштейн В.Г. "Основы гидравлики псевдоожиженного слоя и смежных дисперсных систем с твердой фазой". Конспект лекций. М., МИТХТ, 1974 г., 148 с.

.        Варфоломеев Б.Г., Карасев В.В. "Учебно-методическое пособие. Тепловая изоляция аппаратов", М., МИТХТ, 2001, 61 с.

.        Мясоеденков В.М. "Учебно-методическое пособие. Расчет и подбор циклонов". М., МИТХТ, 2000 г., 53 с.

.        Мясоеденков В.М. "Учебно-методическое пособие. Подбор конденсатоотводчиков", М., МИТХТ, 2000 г., 23 с.

.        Лощинский А.А., Толчинский А.Р. "Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры. Справочник", «Машгиз», 1963 г.