Барабанная сушилка

      ВВЕДЕНИЕ 

      Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем её испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых материалов и проводится двумя способами:

      – первый проводится путем непосредственного соприкосновения сушильного агента с высушиваемым материалом – конвективная сушка.

      –  второй путем нагревания высушиваемого материала тем или иным теплоносителем через стенку, проводящую тепло – контактная сушка.

      Сушка производится также путем нагревания высушиваемых материалов токами высокой частоты или инфракрасными лучами.

      В особых случаях применяется сушка  некоторых продуктов в замороженном состоянии при глубоком вакууме – сушка возгонкой.

      По  своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду.

      Процесс сушки широко используется в химической технологии. Он часто является последней  операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевым механическим способом (например, фильтрованием), а окончательный – сушкой.

      Барабанные  сушилки предназначены для сушки различных взрыво- и пожароопасных нетоксичных сыпучих (кусковых и зернистых) продуктов. Вращающийся барабан установлен на роликовых опорах с наклоном. Привод барабана включает электродвигатель, редуктор и зубчатую передачу. В начальной по ходу продукта зоне барабана установлена приемно-винтовая насадка (в этой зоне продукт, перемещаясь, предварительно подсушивается), за ней – лопастная (для равномерного распределения и перемешивания материала при вращении барабана по его сечению с целью обеспечения развитой поверхности контакта с сушильным агентом) и комбинированная лопастно-секторная. В комплект барабанной сушилки входят камеры загрузки и выгрузки. Герметизация вращающегося барабана с неподвижными камерами осуществляется через уплотнительное устройство [2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1 Описание принципиальной  технологической  схемы 

      Для сушки измельченной древесины используют сушильные установки непрерывного действия, в которых процесс сушки совмещается с перемещением материала.

      Влажный материал ленточным транспортером ТЛ подается в бункер-питатель БП, откуда шлюзовым дозатором ДШ подается в барабанную сушилку БС. Воздух на горение подается вентилятором В. Сушильный агент – топочные газы, полученные при сжигании природного газа в топке Т, разбавляются воздухом в камере смешения КС и поступают в сушилку. Высушенный продукт вместе с сушильным агентом подается в циклон Ц1, где продукт отделяется от сушильного агента. Продукт через шлюзовый затвор ЗШ подается на транспортер ТВ. Отработанный сушильный агент поступает на вторую очистку в циклон Ц2, после чего выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу ДТ. Продукт через шлюзовый затвор ЗШ подается на транспортер ТВ.

      Принципиальная  технологическая схема приведена  на рисунке 1.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

В –  вентилятор; ТЛ – транспортер ленточный; Т – топка; КС – камера смешения; СБ – сушильный барабан; БП – бункер питатель; ДШ – дозатор шлюзовый; ВД – вентилятор-дымосос; ДТ – дымовая труба; З – задвижка; КО – клапан обратный; ЗШ – затвор шлюзовый; ТВ – транспортер винтовой; Д – диафрагма.

      Рисунок 1.1 – Схема сушильной установки

      2 Расчет основных  аппаратов сушильной  установки 

      2.1 Расчет топки для сушильной установки 

      Исходные  данные

      Состав  природного газа (Елшанское месторождение, Саратовская область) следующий, масс. % [4, приложение 1]:

      93,2 CH₄; 0,7 C₂H₆; 0,6 С₃Н₈; 0,6 C₄H₁₀; 0,5 С₅Н₁₂; 4,4 N₂.

      Параметры наружного воздуха

      Температура t_о=17,2 °С

      Относительная влажность φ_о=70 %

      Барометрическое давление Р=750 мм.рт.ст.=0,099 МПа 

      Влагосодержание наружного воздуха  при t_о=24,7 °С; φ_о=50 %:

      х_о=0,622φ_оР_нас/(Р-φ_оР_нас)=0,622·0,7·14,75/(750-0,7·14,75)=0,009 кг/кг,

      где Р_нас=14,75 мм.рт.ст. при t_о=17,2 °С [5, табл. XXXVIII] при Р=750 мм.рт.ст.

        Теплосодержание  наружного воздуха при t_о=17,2°С и х_о=0,009 кг/кг:

      J_о=1,01t_о+(2493+1,97t_о)х_о=1,01·24,7+(2493+1,97·17,2)·0,009=40 кДж/кг.

        Теплотворная способность  сухого газообразного  топлива:

      Q^р_н

=500,3CH₄+475,22С₂Н₆+463,29С₃Н₈+458,48С₄Н₁₀+453,45С₅Н₁₂+453,32С₂Н₂+ 465,43С₂Н₄+101,10СО+1203,76H₂+153H₂S=500,3·93,2+475,22·0,7+463,29·0,6+458,48·0,6+453,45·0,5=47740,4 кДж/кг.

      Q^р_в = Q^р_н+2500∑(0,09n)/(12m+n)+25W_р = 47740,4+2500[(0,09·4)/(12·1+4)+(0,09·6)/(12·2+6)+(0,09·8)/(12·3+8)+(0,09·10)/(12·4+10)+(0,09·12)/(12·5+12)]+25·0 = 47957,9 кДж/кг.

        Теоретическое количество  абсолютно сухого  воздуха, необходимого  для сжигания 1 кг природного газа:

      L_о = 0,02435СО+0,348Н₂+0,0614Н₂S+1,39∑[(m+n/4)/(12m+n)]C_mH_n-1,39O₂ = =1,39{[(1+4/4)/(12·1+4)]93,2+[(2+6/4)/(12·2+6)]0,7+[(3+8/4)/(12·3+8)]0,6+[(4+10/4)/(12·4+10)]0,6+[(5+12/4)/(12·5+15)]0,5}= =1,39[11,65+0,082+0,068+0,067+0,056] = 16,57кг воздуха/кг газа.

        Масса сухого воздуха,  подаваемого в  топку для сжигания 1 кг природного  газа:

      L_m= α_mL_о = 1,2·16,57 = 19,88 кг воздуха/кг газа,

      где α_m = 1,05-1,2 при сжигании газов.

        Масса сухого газа, получаемого при  сжигании 1 кг природного газа:

      l^’_сг =1+L_m-∑[(0,09n)/(12m+n)]C_mH_n-0,01W_р = 1+19,88-{[(0,09·4)/(12·1+4)]·93,2 +[(0,09·6)/(12·2+6)]0,7+[(3+8/4)/(12·3+8)]0,6+[(0,09·10)/(12·4+10)]0,6+ [(0,09·12)/(12·5+12)]0,5} = 20,88-2,136 = 18,744 кг/кг при W_р=0.

        Масса водяного  пара, получаемого при сжигании 1 кг природного газа с избытком воздуха:

      d′ = ∑[(0,09n)/(12m+n)]C_mH_n+ L_mх_о+0,01W_р = 2,0639+19,88·0,009+0,01·0 = 2,31 кг/кг.

        Влагосодержание  топочных газов:

      х_тг=x′=d′/ l^’_сг = 2,31/18,744 = 0,12 кг/кг.

        Количество компонентов  топочных газов, полученных при сжигании 1 кг природного газа:

      lco₂ = 0,01CO₂+0,0157CO+∑[0,04/(12m+n)]C_mH_n = [0,44/(12·1+4)]93,2+[0,44/(12·2+6)]0,7+[0,44/(12·3+8)]0,6+[0,44/(12·4+10)]0,6+ +[0,44/(12·5+12)]0,5 =2,563+0,0103+0,006+0,0045+0,0031=2,59 кг/кг;

      lso₂ = 0,0188H₂S = 0,0188·0 = 0,00 кг/кг;

      lN₂ = 0,768L_m+0,01N₂ = 0,768·19,88+0,01·4,4 = 15,31 кг/кг.

      lo₂ = 0,232(α_m-1)L_о = 0,232(1,2-1)16,57= 0,77 кг/кг.

      Средняя молекулярная масса  сухих топочных газов:

      М_сг = l^’_сг/[(lco₂/44)+(lso₂/64)+(lN₂/28)+(lo₂/32)] = 18,744/[(2,59/44)+ +(15,31/28)+(0,77/32)]=29,7 кг/кмоль.

      Средняя теплоемкость сухих  топочных газов при t_тг=1000 ºC:

      С_сг = ( Ссо₂lco₂+ Сsо₂lso₂+ СN₂lN₂+Со₂lo₂)/(lco₂+ lso₂+ lN₂+ lo₂) = =(1,12·2,59+1,11·15,31+1,03·0,77)/(2,59+15,31+0,77) = 1,1кДж/(кг·К),

      где теплоемкость при t_тг=1000 ºC [4, приложение, табл. 2]: Ссо₂=1,12; СN₂=1,11; Со₂=1,03 кДж/(кг·К).

      Средняя теплоемкость природного газа при t=24,7 ºC:

      C_т = Ссн₄Yсн₄+Сс₂н₆Yc₂н₆+…+Сс_mн_nYc_mн_n = 2,18·0,932+1,64·0,007+1,28·0,006+1,59·0,006 = 2,06 кДж/(кг·К),

      где Ссн₄=2,18; Сс₂н₆=1,64; Сс₃н₈=1,28; Сс₄н₁₀=1,59 кДж/(кг·К) при t=17,2 ºC [4, приложение, таблица 2]:

      Средняя температура топочных газов на выходе из топки без учета диссоциации углекислого газа и паров воды:

      t_тг = (Q^р_вŋ_т+C_тt+L_mJ_о+w_gi_g-2500l^’_сгх′)/[l^’_сг(С_сг+1,97х′)] =(47957,9·0,95+2,06·17,2 +19,88·40-2500·18,744·0,12)/[18,744(1,1+1,97·0,12)] = 1627 °C,

      где w_g = 0, так как газ не распыляют ни воздухом, ни паром.

      Температуру топочных газов снижают до t_тг=1000 °C за счет подачи наружного воздуха в топку с целью предотвратить разрушение футеровки топки.

      Теплосодержание топочных газов:

      J_тг=1,01t_тг+(2493+1,97t_тг)x_тг=1,01·1000+(2493+1,97·1000)0,12=1546 кДж/кг.

      Теплосодержание пара в составе  топочных газов при t₁=400 °C:

      i_n=r₀+1,97t₁=2493+1,97·400=3281 кДж/кг

      Коэффициент избытка воздуха при разбавлении топочных газов воздухом до температуры t₁=400 °C:

      α₂=(Q^р_вη_T +C_тt_т )/L₀( C_сгt₁+x₀i₀-J₀)-{1-∑[0,09n/(12m+n)]C_mH_n-0,01W_p}C_сгt₁/L₀∙ (C_сгt₁+x₀i₀-J₀)-{∑[0,09n/(12m+n)]C_mH_n-0,01W_p]i_n+W_gi_n}/L₀(C_сгt₁+x₀i₀-J₀)=(47957,9∙0,95+2,06∙17,2)/16,57(1,1∙400+0,009∙3281-40)-[1-2,136∙1,1∙400]/16,57(1,1∙400+0,009∙3281-40-2,136∙2305,05+0}/16,57(1,1∙400+0,009∙3281-40) = 5,5

      Количество  воздуха, подаваемого  в камеру смешения на 1 кг природного газа для разбавления  до t₁=400 °C:

      L_см=L_о(α₂-α_m) = 16,57(5,5-1,2) = 72 кг воздуха/кг газа.

      Количество  сухой смеси топочных газов с воздухом на 1 кг природного газа:

      l"_сг = l'_сг+L_cм = 18,74+72 = 91 кг/кг.

      Количество  паров воды в смеси  топочных газов с  воздухом, полученных при сжигании 1 кг природного газа:

      d^'' = d^'+L_смx_о=2,31+72·0,009 = 2,96 кг пара/кг газа.

      Влагосодержание смеси топочных газов  с воздухом на выходе из смесителя:

      x₁=x″=d″/ l"_сг = 2,96/91 = 0,033 кг/кг.

      Теплосодержание сушильного агента при  входе в сушилку:

      J₁=1,01t₁+(2493+1,97t₁)x₁=1,01·215+(2493+1,97·400)0,033 = 512 кДж/кг.

      Расход  природного газа на сушку елового  волокна в сушилке:

      В = L₁/ l"_сг = 2,82/91 = 0,031 кг/с=111,6 кг/ч,

      где L₁=2,82 кг/с [см. расчет барабанной сушилки].

      Объем топочной камеры:

      V_гор= Q^р_нВ/q_v=47740,4·111,6/1260·10³=4,2 м³,

      где q_v=1260·10³ кДж/(м³·ч) [4, приложение, таблица 3].

      Принимаем соотношение длины к диаметру топки L/D=1,8

      Диаметр топки: D= (V_гор/0,785·1,8)^1/3=(4,2/0,785·1,8)^1/3=1,44 м.

      Принимаем диаметр топки 1,5 м.

      Длина топки:

      L=1,8D=1,8·1,5=2,7 м.

      Размеры топки:  D=1500 мм; L=2700 мм. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2.2 Расчет и выбор барабанной сушилки 

      Исходные  данные

      Параметры материала

      Материал        еловый опил

      Размер  частиц       1,2 × 2,0 × 1,8 мм

      Производительность  по сухому материалу  G₁ = 3,6т/ч = 1кг/с

      Относительная влажность:

            начальная       ω₀₁ = 40%

            конечная       ω₀₂ = 12%

      Температура влажного материала    θ₁ = 20°С

      Параметры сушильного агента

      Сушильный агент – топочные газы, разбавленные воздухом.

      Топливо – природный газ Елшанского месторождения

      Вход  в сушилку

            Температура      t₁ = 400°С

            Влагосодержание      x₁ = 0.033 кг/кг

      Выход из сушилки

            Температура      t₂ = 90°С

      Параметры наружного воздуха

      Температура       t₀ = 17,2°С

      Влагосодержание      x₀ = 0.009 кг/кг

      Теплосодержание      I₀ = 40кДж/кг 

      2.2.1 Технологический расчет

      Теплофизические свойства елового опила 

      Эквивалентный диаметр частиц

      d_э = (6V_ч/π)^0,33= [(6·4,32·10^-9)/3,14]^0,33 = 2,2·10^-3 м,

      где V_ч - объем частицы, м³;

      V_ч = δbl = 1,2·2,0·1,8·(10^-3)³ = 4,32·10^-9

      Абсолютная  влажность материала:

      на  входе в сушилку: ω_а1 = 100ω₀₁/(100-ω₀₁) = 100·40/(100-40) = 67%

      на  выходе из сушилки: ω_а2 = 100ω₀₂/(100-ω₀₂) = 100·12/(100-12) = 14%

      средняя влажность: ω_{а ср} = 0,5(ω_а1+ω_а2) = 0,5(67+14) = 40,5%;

      Плотность опила при ω_{а ср} = 40,5% [4, таблица 4]: ρ_ср = 522 кг/м³;

      Теплоемкость  опила при θ_ср = 0,5(θ₁+θ₂) = 0,5(20+60) = 40°С и при ω_{а ср} = 40,5% [2, таблица 6]: С_м  = 2,64 кДж/(кг·К).

      Теплопроводность  опила при ω_{а ср} = 40,5% [4, таблица 7]: λ_ср = 0,158 Вт/(м·К)

      Насыпная  плотность опила ρ_н = 200 кг/м³ [2, таблица 5]. 

      Материальный  баланс 

      Производительность  по влажному материалу:

      G₂ = G₁(100-ω₀₁)/(100 ω₀₂) = 1·(100-40)/(100-12) = 0,682 кг/с;

      Производительность  по испаренной влаге:

      W = G₁ – G₂ = 1 - 0,682 = 0,318 кг/с;

      Производительность  по абсолютно сухому материалу:

      G_а = G₁ (100-ω₀₁)/100 = 1·(100-40)/100 = 0,6 кг/с; 

      2.2.2 Построение рабочей линии процесса сушки на I-x диаграмме (рисунок 2.1) 

      Теплосодержание сушильного агента на входе в сушилку  при х₁ и t₁:

      I₁₁ = 1,01·t₁+(2493+1,97·t₁)·x₁ = 1,01·400+(2493+1,97)·0,033 = 512 кДж/кг;

      Параметры наружного воздуха:

      Точка А на I-x диаграмме: x₀ = 0.009 кг/кг; t₀ = 17,2°С; I₀ = 40кДж/кг

      Параметры топочных газов:

      Точка К на I-x диаграмме:

      x _тг = x’ = 0,12 кг/кг;

      t _тг = 1000°С;

      I _тг = 1,01·1000+(2493+1,97·1000)·0,12 = 1546 кДж/кг;

      Параметры сушильного агента

      Вход  в сушилку

      Точка В на I-x диаграмме: x₀ = 0,009 кг/кг;

      Выход из сушилки

      Точка С на I-x диаграмме: t₂ = 90°С. 

      Последовательность  построения рабочей  линии сушки на I-x диаграмме 

      1. На I-x диаграмме находим точку А по x₀ = 0.009 кг/кг и t₀ = 17,2°С точку К по x _тг = 0,12 кг/кг и по t _тг = 1000°С проводим рабочую линию горения мазута АК.

      2. Находим точку В на пересечении линии АК и линии температур t₁ = 400°С Определяем x₁ = 0.033 кг/кг. Ошибка при построении точки В: (0,045-0,033)·100/0,045=2,8%

      3. Определяем температуру материала на выходе из сушилки, при условии, что из опила испаряется только поверхностная влага при t_м1 (I₁ = I₂), тогда θ₂ = t_м1 =40°С

      4. Расход тепла на  нагревание материала:

      Q_м = G₂С_м(θ₂-θ₁) = 0,682·2,64·(40-20) = 36 кДж/c;

      5. Удельный расход  тепла на нагрев  материала:

      q_м = Q_м/W = 36/0,318 = 113 кДж/кг влаги;

      6. Удельные потери  тепла принимаем q_пот = 200 кДж/кг влаги;

      7. Внутренний тепловой баланс сушилки:

      Δ = 4,19θ₁-(q_м+q_пот) = 4,19·20-(113+200) = -229 кДж/кг влаги;

      8. Координаты точки Е. Задаемся значением x > x₁; х = 0,05 кг/кг:

      I = I₁₁+Δ(x-x₁) = 512-229·(0,05-0,033) = 508 кДж/кг;

      9. Строим точку Е по координатам: х = 0,05 кг/кг и I = 508 кДж/кг.

      10. Строим рабочую  линию сушки ВС: соединяем точку В и Е и продолжаем линию до пересечения с линией температур t₂ = 90⁰C, получаем точку С – окончание сушки.

      11. По координатам точки С определяем влагосодержание сушильного агента на выходе из сушилки: х₂ = 0,081 кг/кг.

      Теплосодержание сушильного агента на выходе из сушилки:

      I₂=1,01t₂+(2493+1,97t₂)x₂=1,01·90+(2493+1,97·90)·0,081=307 кДж/кг. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 2.1 - Построение рабочей линии сушки на диаграмме I – x