сушилка

Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)
Кировский вечерний факультет
Кафедра «Процессы и аппараты химических производств
Семестровая работа
по дисциплине: «Процессы и аппараты химических производств»
Выполнила: Т.А. Собакина
Проверила: Шибитова
Волгоград 2013г.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Задание
Рассчитать и спроектировать барабанную сушилку с подъемнолопастными перевалочными устройствами для высушивания руды железной
(магнитогорской) топочными газами при следующих условиях:
1.
Производительность сушилки по высушенному материалу Gк =
4,98 кг/с.
2.
Влажность руды железной (магнитогорской):
- начальная Wн = 13,3%;
- конечная Wк = 3,5%
3.
Температура влажного материала Ɵ1 = 17ºС.
4.
Топливо природный газ
5.
Температура топочных газов:
- на входе в барабан tсм = 275ºС;
- на выходе из барабана t2 = 112ºС.
6.
Содержание фракций частиц в материале:
- диаметром от 10.0 до 8.2мм – 50%;
- диаметром от 8.2 до 6.0мм – 50%.
7.
Удельные потери тепла в окружающую среду на 1кг испаренной
влаги qи = 22,5 кДж/кг (что соответствует примерно 1% тепла,
затрачиваемого на испарение 1кг воды);
8.
Параметры свежего воздуха:
- температура t0 = 22ºC;
- относительная влажность 65%
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
В химической технологии широко распространены и имеют важное
значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или
нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного или
более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и
гомогенные системы (газовые смеси, жидкие растворы и др.).
В промышленности применяются в основном следующие процессы
массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой,
между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами.
В данной семестровой работе рассматривается процесс сушки
топочными
газами
в
барабанной
сушилке
с
подьемно-лопастными
перевалочными устройствами.
Сушка - это процесс удаления влаги из твердых материалов главным
образом путем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой
фазы в газовую или паровую. По своей физической сущности сушка является
сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется
скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в
окружающую среду.
Сушка топочными газами - в настоящее время приобрела широкое
распространение, так как температура топочных газов значительно выше
температуры
воздуха,
нагреваемого
перед
влагопоглощающая
способность
газов
во
влагопоглощающей
способности
воздуха
и
потенциал сушки [3].
сушкой.
много
В
результате
раз
соответственно
больше
больше
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Расчет параметров топочных газов подаваемых в сушилку
В качестве топлива используется природный газ следующего состава (в
объемных процентах):
СН4 – 98,0%,
С2Н6 – 1,0%,
С3Н8 – 0,2%,
С4Н10 – 0,3%,
СО – 0,2%,
Н2 – 0,3%.
Теоретическое количество сухого газа L0 затрачиваемого на сжигание
одного кг топлива равно:
L0=138·(0,0179·СО+0,248·Н2+Σ [
]Cm·Hn), (1)
где составы горючих газов выражены в объемных долях.
Подставив соответствующие значения, получим:
L0=138·(0,0179х0,002+0,248х0,003+0,125х0,98+0,116х0,01+0,1136х0,00
2+0,1121х0,003)=17,25 кг/кг.
Для
определения
теплоты
сгорания
топлива
характеристиками горения простых газов.
Таблица – 1 Характеристики горения простых газов.
Газ
Реакция
Тепловой эффект реакции, кДж/м3
1
2
3
Водород
Н2+0,5О2=Н2О
10810
Оксид углерода (II)
СО+0,5О2=СО2
12680
Метан
СН4+2О2=СО2+2Н2О
35741
Ацетилен
С2Н2+2,5О2=2СО2+Н2О
58052
Этилен
С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О
59108
Этан
С2Н6+3,5О2=2СО2+3Н2О
63797
Пропан
С3Н8+5О2=3СО2+4Н2О
91321
воспользуемся
Размещено на http://www.allbest.ru/
Бутан
С4Н10+6,5О2=4СО2+5Н2О
118736
Сероводород
Н2S+1,5O2=S2O+H2O
23401
Количество тепла QV, выделяющееся при сжигании 1м3 газа равно:
QV = Σφi ∙ Нi, (2)
где φi – объемная доля компонентов газа;
Нi – тепловой эффект реакции, кДж/м3
QV =0,98 ∙ 35741 + 0,01 ∙ 63797 + 0,002 ∙ 91321 + 0,003 ∙ 118736 + 0,002 ∙
12680 + 0,003 ∙ 10810 = 36260,79 кДж/кг.
Плотность газообразного топлива:
ρt = (Σ
где
)×(
), (3)
– мольная масса топлива, кмоль/кг;
tт – температура топлива; tт = 20ºС;
V0 – мольный объем; V0=22,4м3/кмоль;
Т0=273ºС.
ρt=
=0,6756 кг/м3
Количество тепла, выделяющееся при сжигании 1кг топлива равно:
Q=
Q=
, (4)
=53671,98 Дж ∙м3
Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчете на 1кг
сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом избытка воздуха α,
Размещено на http://www.allbest.ru/
необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов, до
температуры смеси tсм=275ºС.
Значение α находят из уравнений материального и теплового баланса.
Уравнение материального баланса:
1+L0=Lcг + Σ
, (5)
где Lcг – масса сухих газов образовавшихся при сгорании 1кг топлива;
– массовая доля компонентов, при сгорании которых образуется
вода, кг/кг.
Уравнение теплового баланса:
Q∙η+cт∙tт+α∙L0∙I0=[Lcг+L0(α - 1)]∙iсг+[α∙L0∙x0+Σ
], (6)
где η – общий КПД учитывающий эффективность работы топки и
потери тепла топкой в окружающую среду; η=0,95;
ст-теплоемкость газообразного топлива при температуре топлива
200ºС;
ст=1,34кДж/кг×К;
I0-энтальпия свежего воздуха (кДж/кг): I0=49кДж/кг;
Iсг-энтальпия сухих газов;
Iсг=ссг×tсг=1,05∙275=289кДж/кг
х0-влагосодержание свежего воздуха при температуре t0-22ºC, и
относительной влажности φ0=65%,
х0=0,012кг/кг.
Размещено на http://www.allbest.ru/
iп=г0 + cn ∙ tn, (7)
где г0-теплота испарения воды при температуре 0ºС,
г0=2500кДж/кг;
сп-средняя теплоемкость водяных паров,
сп=1,97кДж/кг×К;
tп-температура водяных паров,
tп= tсг= tсм=275ºС
iп =2500+1,97∙275=3042кДж/кг.
Решая совместно уравнения 5 и 6 получаем:
α=
, (8)
Пересчитаем содержание компонентов топлива при сгорании которых
образуется вода, из объемных долей в массовые по формуле:
ω(А)=
, (9)
ω(CH4)=0,06157×0,98×16=0,9654,
ω(C2H6)=0,06157×0,01×30=0,0185,
ω(C3H8)=0,06157×0,002×44=0,0054,
ω(C4H10)=0,06157×0,003×58=0,0107.
Количество влаги, выделяющееся при сгорании 1кг топлива равно:
Σ
×CmHn=2,17+0,0333+0,00972+0,0166=2,2296.
Коэффициент избытка воздуха находим по уравнению (8):
α=
=8,53.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Общая удельная масса сухих газов получаемая при сжигании 1кг
топлива и разбавлении топочных газов воздухом до температуры смеси
tсм=275ºС равна:
Gcг=1+α×L0-Σ
×CmHn , (10)
Gcг=1+8,53×17,25-2,2296=145,913 кг/кг.
Удельная масса водяных паров в газовой смеси при сжигании 1кг
топлива равна:
Gn = Σ
×CmHn+α ∙ x0 ∙ I0, (11)
Gn=8,53 ∙ 0,012 ∙ 17,25+2,2296=3,995 кг/кг.
Влагосодержание газов на входе в сушилку (х1=хсм) равно:
х1=
х1=
, (12)
=0,027кг/кг.
Энтальпия газов на входе в сушилку:
I1 =
I1 =
, (13)
=399 кДж/кг.
Поскольку коэффициент избытка воздуха α велик (α>1), физические
свойства газовой смеси, используемой в качестве сушильного агента,
Размещено на http://www.allbest.ru/
практически не отличаются от физических свойств воздуха. Это дает
возможность использовать в расчетах диаграмму состояния влажного
воздуха.
2.
Определение
параметров
отработанных
газов,
расхода
сушильного агента и расхода тепла на сушку
Из уравнения материального баланса сушилки определим расход влаги
W, удаляемой из высушенного материала.
W=Gк×
W=4,98∙
, (14)
=0,56 кг/с.
Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:
∆=сѲ1+qдоп-(qm+qм+qn), (15)
где ∆-разность между удельным приходом и расходом тепла
непосредственно в сушильной камере;
с-теплоемкость влаги во влажном материале при температуре Ѳ1,
кДж/кг×К;
qдоп-удельный дополнительный подвод тепла в сушилку, кДж/кг влаги;
при работе сушилки по нормальному сушильному варианту, qдоп=0;
qm-удельный расход тепла в сушилке с транспортными средствами,
кДж/кг влаги; в рассматриваемом случае: qm=0;
qм - удельный расход тепла в сушильном барабане с высушиваемом
материалом, кДж/кг влаги.
Размещено на http://www.allbest.ru/
qм=
, (16)
где См-теплоемкость высушенного материала, кДж/кг×К;
Ѳ1-температура влажного материала на входе в сушилку, ºС;
Ѳ1=17ºС.
При испарении поверхностной влаги Ѳ2 принимается приблизительно
равной температуре мокрого термометра при соответствующих параметрах
сушильного агента. Принимая в первом приближении процесс сушки
адиабатическим, находим Ѳ2 по диаграмме Рамзина по начальным
параметрам сушильного агента;
Ѳ2=52ºС
qм=
=280,13 кДж/кг.
qп - удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги; на 1кг
испаренной влаги:
qп=22,5 кДж/кг влаги;
Подставив соответствующие значения, получим:
∆=4,19∙17 - (280,13+22,5)=-231,4 кДж/кг влаги;
Запишем уравнение рабочей линии сушки:
∆=
, или I=I1+∆∙(x-x1), (17)
Для построения рабочей линии сушки на диаграмме Рамзина
необходимо знать координаты (х и I) минимум двух точек. Координаты
первой точки известны: x1=0,027 кг/кг, I1=399 кДж/кг. Для нахождения
координат второй точки зададимся произвольным значением х и определим
соответствующее значение I. Пусть х=0,1кг влаги/кг сух.воздуха. Тогда по
уравнению (17) получим
Размещено на http://www.allbest.ru/
I=399+(-231,4)∙(0,1-0,027)=382 кДж/кг.
Через 2 точки на диаграмме Рамзина с координатами (х1,I1) и (х,I)
проводим линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром.
t2=112ºС. В точке пересечения линии сушки с изотермой t находим
параметры отработанного сушильного агента:
х2=0,095кг/кг
I2=340
Расход сухого газа Lcг равен:
Lcг=
, (18)
= 8,24 кг/с.
Lcг=
Расход сухого воздуха L равен:
L=
L=
, (19)
=6,79 кг/с.
Расход тепла на сушку Qc равен:
Qc= Lcг∙(I1-I0), (20)
Qc=8,24∙(399-49)=2884 Вт.
Расход топлива на сушку:
Размещено на http://www.allbest.ru/
Gт=
Gт=
, (21)
=0,054кг/с.
3. Определение основных размеров сушильного барабана
барабанный сушилка перевалочный топочный
Расчет
основных
размеров
сушильного
барабана
сводится
к
определению объема сушильного барабана Vб, длины и диаметра барабана.
Определив длину и диаметр барабана, выбирают стандартный аппарат.
Объем барабана складывается из объема необходимого для сушки Vсуш
и объема для прогрева материала Vпрогр.
Vб=Vсуш+ Vпрогр, (22)
Объем необходимый для сушки материала можно определить по
формуле:
Vсуш=
, (23)
где Кv – объемный коэффициент массопередачи, с-1
∆хср – средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м3
Движущую силу массопередачи ∆хср определяем по уравнению:
∆ср=
, (24)
Размещено на http://www.allbest.ru/
∆хб=х1*- х1 - движущая сила в начале процесса сушки, кг/м3;
∆хм=х2* - х2 – движущая сила в конце процесса сушки, кг/м3;
∆рб=р1*- р1 – движущая сила в начале процесса сушки, Па;
∆рм=р2*- р2 – движущая сила в конце процесса сушки, Па;
Х1*, Х2* - равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на
выходе из нее, кг/м3
р1*,р2* - давление насыщенных паров над влажным материалом в
начале и в конце процесса сушки, Па. Их значения определяются по
температуре мокрого термометра сушильного агента в начале t м1 и в конце tм2
процесса сушки.
По диаграмме Рамзина найдем:
tм1=59ºС
р1*=18498 Па
tм2=56ºС
р2*=17109 Па
р1, р2 – давление водяных паров в газе в начале и конце процесса
сушки, Па. Их определяют по формуле:
р=
, (25)
где х-влагосодержание на входе или на выходе из сушилки.
Тогда на входе в сушилку
р1=(
× 105) / (
+
)=4321Па.
на выходе из сушилки
р2==(
∆ср=
× 105) / (
+
)=15054Па.
=6276Па.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Откуда ∆хср=
tср=
=0,03кг/м3.
=
=194.
В случае сушки кристаллических материалов, т.е. при удалении
поверхностной, свободной влаги и параллельном движении материала и
сушильного
агента,
коэффициент
массопередачи
Кv
пропорционален
коэффициенту массоотдачи βv.
Для барабанной сушилки коэффициент массоотдачи β v может быть
вычислен по эмпирическому уравнению:
βv=1,6∙10-2∙
, (26)
где ρср-средняя плотность сушильного агента, кг/м3
ρср=
, (27)
ρcp=
= 0,75 кг/м3.
с-средняя теплоемкость сушильного агента, с=1кДж/кг∙К
β-степень заполнения барабана высушиваемым материалом, %
р-среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане,
Па.
р=
, (28)
Размещено на http://www.allbest.ru/
р=
= 9687,5 Па.
ω-рабочая скорость сушильного агента в барабане, м/с
n-число оборотов барабана (изменяется в реальных барабанах от 2 до
12 об/мин).
Уравнение (26) справедливо для значений:
ωρср=0,6…1,8 кг/м2∙с
n=1,5…5 об/мин
β=10…25%
Если указанные пределы не соблюдаются, то объем барабана можно
рассчитывать по величине объемного напряжения по влаге:
Vб=
, (29)
где Аv-значение объемного напряжения по влаге.
Скорость газов в барабанах выбирается в зависимости от размеров
частиц и насыпной плотности высушиваемого материала по таблице 3.
Таблица – 3 Выбор рабочей скорости газов в сушильном барабане.
Размер частиц, мм
Значение скорости ω при насыпной плотности
350
1000
1400
1800
2200
0,3 - 2
0,5-1,0
2,0-5,0
3,0-7,5
4,0-8,0
5,0-10,0
Более 2-х
1,0-3,0
3,0-5,0
4,0-8,0
6,0-10,0
7,0-12,0
Степень заполнения барабана зависит от конструкции перевалочных
устройств:
подъемно-лопастные допускают β=12…14%;
распределительные с открытыми и закрытыми ячейками –β=21…27%
Принимаем:
ω=6м/с
n=5об/мин
Размещено на http://www.allbest.ru/
β=12%
βv=1,6∙10-2∙
= 0,45с-1.
Тогда объем сушильного пространства рассчитывается по формуле (23)
и равен:
Vсуш=
=42,91 м3.
Объем барабана необходимый для прогрева влажного материала
определяют по уравнению:
Vпрог=
, (30)
где Qn-расход тепла на прогрев материала до температуры tм1, кВт
Qn=Gк∙Cм∙( tм1-Ѳ1)+Wв∙Cв∙( tм1-Ѳ1), (31)
Qn=4,98∙0,9∙(59-17)+0,56∙4,19∙(59-17)=286,7кВт.
-объемный коэффициент теплопередачи, кВт/м3∙К;
, (32)
=16×(6×0,75)0,9×50,7×120,54=0,327кВт/м3×К,
-средняя разность температур, 0ºС;
Св-теплоемкость воздуха, кДж/кг×К;
Ѳ1-температура влажного материала, Ѳ1=Т0.
Для вычисления
агента tx, до
которой
необходимо найти температуру сушильного
он
охлаждается, отдавая
тепло
на нагрев
Размещено на http://www.allbest.ru/
высушиваемого материала до tм1. Эту температуру можно определить из
уравнения теплового баланса:
Qn=Lсг∙(1+Х1)∙Сг∙(t1-tx), (32)
Откуда: tx=t1-
,
=212,5ºC.
tx= 275-
Средняя разность температур
=
равна:
, (33)
=
=205,5ºС
Подставляем полученные значения в уравнение (30):
Vпрог=
=1,09м3
Общий объем сушильного барабана равен:
Vб=23,75+1,09=24,84м3
По справочным данным находим основные характеристики барабанной
сушилки – длину и диаметр, взяв за основу объем сушильного пространства.
По табл. выбираем барабанную сушилку №7119 со следующими
характеристиками:
объем V=30,5м3,
диаметр dвн=1,8м
длина l=12м,
частота n=5об/мин;
Определим действительную скорость газов в барабане:
Размещено на http://www.allbest.ru/
ωд=
, (34)
где Vг-объемный расход влажного сушильного агента на выходе из
барабана, м3/с
Vг=Lсг×22,4×
×(
+
), (35)
хср-среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг.
хср=
, (36)
хср=
=0,08 кг/кг
Vг=2,61×22,4×
Тогда принятое: ωд=
×(
+
)=17,5 м2,
=6,8 м/с
Время пребывания материала в барабане:
τ=
, (37)
=V∙β∙ρм=30,5∙0,12∙1200=4392 кг/кг.
Отсюда:
τ=
=956 с.
Зная время пребывания, рассчитываем угол наклона барабана α:
Размещено на http://www.allbest.ru/
α= (
α= (
+0,007×ωд)×
, (38)
+0,007×6,8)×
=5,02°
Проверим допустимую скорость газов по уносу мелких частиц:
ωун=
где
, (39)
- плотность сушильного агента
=[29×(ρ0-ρ)+18×ρ]×
, (40)
=[29×(105-9687,5)+18×9687,5]×
Аr=
=[
=0,725 кг/м3
]=34,6 104
-вязкость и плотность сушильного агента при средней
температуре;
d-диаметр частиц материала, м;
-плотность частиц материала.
Скорость уноса равна:
ωун=
=4,6м/с.
Рабочая скорость сушильного агента в сушилке ωд=6,8м/с больше чем
скорость уноса частиц ωун=4,6м/с, поэтому расчет основных размеров
сушильного барабана заканчивается
Размещено на http://www.allbest.ru/
Заключение
На основании исходных данных был произведен расчет размеров
аппарата для проведение процесса сушки и выбрана барабанная сушилка,
обеспечивающая непрерывный процесс сушки железной (магнитогорской)
руды топочными газами при заданных условиях.
Основные характеристики барабанной сушилки [4, табл.9.3]:
внутренний диаметр 1,8м
длина барабана 12м
толщина стенок наружного цилиндра 12мм
объем сушильного пространства 30,5 м3
число ячеек 28шт
частота вращения барабана 5об/мин
общая масса 42т
потребляемая мощность двигателя 10,3кВт
На рисунке – 1 показан общий вид барабанной сушилки с подъемнолопастными перевалочными устройствами.
1 — барабан; 2, 3 — роликовые опоры; 4 — вход сушильного агента;
5— влажный материал; 6 — приемно-винтовая насадка; 7 — вывод
сушильного агента; 8 — насадка лопастная; 9 — высушенный материал.
Рисунок – 1 Барабанная прямоточная сушилка.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Список использованной литературы
1.
К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу
Процессов и аппаратов химической технологии». - Л.: «Химия», 1970г.
2.
К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу
Процессов и аппаратов химической технологии». – Л.: «Химия», 1987г.
3.
А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической
технологии». – М.: «Химия» 1971г.
4.
Ю.И. Дытнерский «Основные процессы и аппараты химической
технологии» Пособие по проектированию. – М.: «Химия» 1991г.
Размещено на Allbest.ru