Проект распылительной сушилки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Институт физики высоких технологий

Направление – Химическая технология

Кафедра – Технологии силикатов и наноматериалов

 

 

Проект распылительной сушилки

 
Курсовой проект 
по дисциплине:

Тепловые процессы в технологии тугоплавких неметаллических и силикат 

 

(подпись)

 

____________________

(дата)

 

Преподаватель   ____________________ 

(подпись)

 

                                                  ____________________

(дата)

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2014

Введение…………………………………………………………………………3

Расчет распылительной сушилки для сушки керамического шликера……...9

1. Выбор основных решений проекта…………………………………………9
2. Расчет материального баланса процесса сушки…………………………...10
3. Подбор сушилки……………………………………………………………..12
4. Теплотехническая часть……………………………………………………..13
1. Расчет горения топлива………………………………………………….13
2. Тепловой баланс процесса сушки………………………………………18
5. Тепловой поток через перекрытие ………………………………………….20
1. тепловой поток через цилиндрическую часть………………………….21
2. тепловой поток через конусную часть ограждения……………………22
6. Неучтённые потери…………………………………………………………..22
7. Расчет топочных устройств………………………..………………………...24
8. Подбор циклонов………………………………………………………….….25
9. Расчет аэродинамических сопротивлений………………………………….25
10. Подбор вентилятора-дымососа……………………………………………...28

Заключение……………………………………………………………………….29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Распылительные сушилки чаще всего используются для обезвоживания керамической суспензии в технологии тонкой керамики при подготовке сырья шликерным способом.

В промышленных условиях применяется два типа сушилок - с верхней и нижней подачей суспензии. Основным недостатком сушилок с верхней подачей является значительная разница во влажности крупных и мелких гранул, в результате чего крупные частицы прилипают к конусному днищу и препятствуют равномерному выходу порошка из установки.

Сушилки с нижней подачей суспензии более надежны в работе и поэтому нашли широкое применение в керамической промышленности.

Принцип устройства и работы распылительной сушилки приведен на рисунке ниже. В сушильную камеру с помощью форсунок или распылительных дисков под высоким давлением (до 40 ат) подается суспензия (влажность до 45%).

Поток суспензии распыляется и, достигнув верха камеры, падает вниз. Восходящий поток суспензии встречает поток воздуха, нагретого в калорифере. Воздух в калорифер нагнетается вентилятором, нагревается и затем по трубопроводу поступает в верхнюю часть сушильной камеры. Расход тепла составляет 700-900 ккал на 1 кг испаренной влаги. При падении частиц суспензии вниз направление их движения совпадает с направлением движения потока нагретого воздуха.

Таким образом, обеспечивается комбинированная сушка суспензии как при противоточном движении материала и сушильного агента, так и при прямоточном, что является особенно эффективным и обеспечивает высушивание материала в наиболее короткий срок.

Для подачи суспензии в сушилку применяются мембранные насосы высокого давления с бесступенчатой регулировкой давления. Подача суспензии, как и теплоносителя, может быть произведена как сверху, так и снизу.

Существуют следующие схемы перемещения теплоносителя в распылительных сушилках: противотоком, прямотоком и противотоком-прямотоком.

При противоточном перемещении теплоносителя к.п.д. установки выше, а остаточная влажность меньше, но тем не менее чаще применяют прямоточные или комбинированные установки.

Недостатком противоточных распылительных сушилок является то, что в них трудно осуществить равномерный поток горячих газов и поддерживать постоянный размер частиц материала.

Высушенный материал представляет собой рыхлую массу с влажностью 8-13%, состоящую из частиц шарообразной или несколько вытянутой формы, часто с характерными "воронками" в центре. Пресспорошок с такой формой зерен обладает высокой текучестью, что обеспечивает: хорошее заполнение им пресс-формы, получение изделий с четкими, ровными гранями, хорошую лицевую поверхность изделий и четкий рельеф на тыльной стороне. Большое значение для нормальной эксплуатации распылительной сушилки имеет равномерность загрузки ее материалом. С этой целью сушилку снабжают блокирующим и регулирующим устройствами. Схема такой установки показана ниже.

Она обеспечивает соответствие количеств материала, находящегося в данный момент в различных частях установки. Это осуществляется с помощью весового контроля производительности фильтра, питающего агрегата, подающего материал к соплу, и количества топлива, поступающего в горелку.

Помимо этого задаются граничные значения температуры отходящего воздуха и перепад давления между пылеулавливающим фильтром и вентилятором.

Ниже показана общая технологическая схема подготовки массы с применением распылительной сушилки.

Раньше традиционно эксплуатировались распылительные башенные сушилки Минского комбината строительных материалов и ПКБ НИИстройкерамики

Применение распылительной сушилки дает большой экономический и технический эффект. Так, например, в результате пуска распылительной сушилки на Минском комбинате строительных материалов снизились трудоемкость приготовления пресспорошка и расход электроэнергии; высвободилось семь фильтр-прессов, два валюшечных пресса с вспомогательным оборудованием, ряд механизмов дробильно-размольного, транспортного оборудования, туннельная сушилка и комплект вагонеток для сушки валюшки; прекращено расходование дорогостоящего бельтинг-полотна; освободилось 2000 м2 производственной площади, резко увеличился срок службы пресс-формы, улучшилось качество продукции, снизились отходы.

Сырец, полученный из пресспорошка, приготовленного в распылительной сушилке, имеет на 50% и выше большую прочность на изгиб, чем сырец, полученный из фильтр-прессового порошка.

Обожженные плитки, полученные из сырья после сушки в распылительной сушилке, приобретают черепок однородного строения с большей прочностью на изгиб и лучшим качеством глазурованной поверхности, чем из массы, полученной другими способами.

Непрерывность работы распылительной сушилки и незначительное колебание влажности высушенного материала дают возможность полностью механизировать и автоматизировать процесс производства, согласно схеме автоматизации. Для повышения экономичности процесса сушки в распылительной сушилке содержание воды в суспензии снижают до 30% путем применения электролитов (NaOH, КОН, жидкое стекло, пирофосфаты, гуминаты и др.).

Известные в настоящее время распылительные сушилки имеют производительность 1600-3000 л испаряемой воды в час, т. е. в них можно высушить до 7 т пресспорошка в час.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет распылительной сушилки для сушки керамического шликера

Задание: рассчитать распылительную сушилку пресспорошка для кирпичного завода производительностью 5 т/ч

 

1. Выбор основных решений проекта

К установке принимаем сушилку конструкции НИИстройкерамики. Она представляет собой круглую башню. Цилиндрическое ограждение собрано из панелей, состоящих из листовой стали, изолированных слоем минераловаты.

Подача суспензии производится снизу сосредоточенным потоком через форсунку в центре башни. Отопление сушилки производится через ряд топок, расположенных по наружному кольцу сушильной камеры. В них осуществляется сжигание топлива, в качестве которого принимаем природный газ. Порошок собирается в конусной части, которая сварена из стальных листов. Отходящие газы отводятся снизу через центр конусного днища. Перед выбросом в атмосферу газы очищаются в группе циклонов. Перекрытие сушилки представляет собой оребренные панели, выполненные из листовой стали с изоляцией слоем минераловаты. В нем устраиваются взрывные клапаны. На рисунке 1 приведена схема установки.

По практическим данным принимаем:

Относительная влажность шликера Wн = 40 %;

Относительная влажность персспорошка Wк = 10%;

Температура шликера tш = 20 °С;

Температура пресспорошка tп = 70 °С;

Унос пресспорошка gун = 1 %;

Температура теплоносителя

на входе в сушилку tн = 1200 °С;

при выходе из сушилки tк = 80 °С;

Напряженность сушильного объема по влаге 7,7 кг/м3·ч;

Топливо – щебелинский газ.

Сушилка расположена на перекрытии здания, среднюю температуру наружнего воздуха принимаем , температуру воздуха в помещении .

2. Расчет материального баланса  процесса сушки

1) Количество пресспорошка, подлежащего сушке, с учетом уноса

 

2) Количество абсолютно  сухого материала, поступающего  на сушку

 

 

1- рабочая камера, 2- отверстия  ввода теплоносителя, 3- форсунка, 4- отвод отработанного теплоносителя, 5- взрывной клапан, 6- циклоны, 7- вентилятор, 8- труба

Рисунок 1 – Распылительная сушилка

 

3) Количество остаточной  влаги

 

4) Количество шликера, поступающего на сушку

 

5) Количество испаряемой  влаги

 

По рассчитанным данным составляем таблицу материального баланса.

Таблица 1

Материальный баланс процесса сушки

Приход	кг/ч	Расход	кг/ч
Поступает в сушило		Выгружается из сушил
- абсолютно сухого материала,	4545	- абсолютно сухого материала*	4500
		- влаги**	500
		Испаряется влаги	3282,8
- влаги	3788,85	Унос	50,5
	8333,85		8333,3

 

 кг/ч,

 кг/ч.

 

3. Подбор сушилки

Требуемый объем сушильной камеры

,

где – напряженность сушильного объема по влаге, кг/м3·ч, принимаем 7,7 .

 

Принимаем: диаметр сушилки Д = 9,2 м; высота цилиндрической части 9,2 м.

Высота конусной части, конструктивно .

Цилиндрическая часть выполнена из листовой стали толщиной 6 мм с ребрами высотой 0,2 м и толщиной 6 мм. Между ребрами – маты минераловаты толщиной 0,2 м. Перекрытие сушилки выполнено из листовой стали толщиной 6 мм также с ребрами высотой 0,3 м и толщиной 8 мм. Изоляция – маты толщиной 0,3 м.

Конусная часть сварена из стальных листов толщиной 2 мм. Изоляции не имеет.

По наружнему периметру сушильной камеры на расстоянии 1 м от перекрытия располагается 4 топок, представляющих собой цилиндрические камеры, выложенные шамотным огнеупором. Отходящие газы отбираются в группу циклонов, после которых установлен вентилятор дымосос. Выхлопная труба – металлическая, высотой 20 м.

 

4. Теплотехническая часть

 

4.1. Расчет горения топлива

Целью расчета является определение начальных параметров газовоздушной смеси, обеспечивающих принятую температуру в топке 1200 ºС.

В качестве топлива принимаем природный газ Щебелинское месторождения. Состав газа приведен в таблице 2.

 

 

Таблица 2

Состав природного газа Щебелинское месторождения, % об.

Месторождение	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СО2	N2	H2Op
Щебелинское	93,2	4,4	0,8	0,6	0,3	0,1	0,8	-	35800
Влажный газ	92,2	4,35	0,79	0,59	0,29	0,099	0,79	1,0	37643,6

 

 

1. Принимаем содержание влаги в газе 1 %. Пересчитываем состав сухого газа на влажный, рабочий газ.

 

 

 

Остальные составляющие оставляем без изменений. Данные расчета приведены в таблице 2.

2. Уточним теплотворную способность газа

 

 

3. Определяем количество сухого воздуха при его теоретическом расходе

.

Влажного атмосферного воздуха при d=10 г/кг с.в.

 

где 4,76 – коэффициент пересчета расхода кислорода на расход воздуха;

2; 3,5; 5 и т.д. – объем  кислорода, необходимый для окисления  одного объема соответствующего  компонента;

0,0016 – коэффициент пересчета d в н

4. Определяем теоретический объем продуктов горения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполним расчет коэффициента избытка воздуха при сжигании топлива для получения действительной температуры горения 1200 °С. Примем КПД топок 0,85, температуру воздуха 20 °С. Обозначим количество избыточного воздуха . Уравнение теплового баланса процесса смешения для 1 нм3 топлива

.

 

Теплоемкость дымовых газов при 1200 °С рассчитаем по теоретическому составу составу.

 

 

Тогда решение уравнения теплового баланса дает количество избыточного воздуха сухого и атмосферного.

,

,

 

действительный расход атмосферного воздуха

 

Коэффициент избытка воздуха

 

Примем Находим количество и состав продуктов горения при Объем останется без изменений.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

Процентный состав продуктов горения при :

 

 

 

Плотность продуктов горения:

 

 

Уточнение температуры горения.

Из уравнения теплового баланса процесса горения

 

 

Уточним теплоемкость дымовых газов рассчитанного состава при 1200 °С.

 

 

 

Действительная температура теплоносителя

 

Расчетная температура ниже принятой, однако пересчет анне требуется.

Составим материальный баланс процесса горения для 100 нм3 топлива.

 

Таблица 3

Материальный баланс процесса горения

Приход	кг	Расход	кг
Воздух: кислород азот вода	66,1 5,89 1,595 1,67 0,93 0,19 0,98 0,80   524,11 1726,05 22,47	Невязка	211,54 1713,87 174,46 224,35 13,91
	2350,78		2336,87

 

 

Результаты расчета горения топлива используются в дальнейшей работе.

 

4.2. Тепловой баланс процесса  сушки

Расчет ведем на 1 час работы установки. В результате решения уравнения теплового баланса будет определен расход топлива и рассчитаны технико-экономические показатели работы сушила.

Приход тепла

1. Тепло горения топлива

 

где - часовой расход топлива, нм3/ч.

 

2. Физическое тепло воздуха

,

 

Физическое тепло материала учитываем в расходной части баланса.

 

1. На нагрев материала

 

где - часовое количество абсолютно сухого материала, кг/ч (таблица 1),

- теплоемкость  глины, принимаем 

 – температура  шликера и выгружаемого порошка  соответственно, °С.

 

2. Расход тепла на испарение и нагрев влаги

 

где - часовое количество испаряемой влаги, кг/ч (таблица 2) с учетом влаги уноса,

 - скрытая теплота парообразования при 0 °С, 2493 кДж/кг вл.,

- теплоемкость  пара при температуре уходящих  газов, ,

- теплоемкость  воды,

 

3. Расход тепла на подогрев остаточной влаги

,

где - количество остаточной влаги, кг/ч.

 

4. Потери тепла с сухой частью отходящих газов

,

где - теплоемкость газов при температуре уходящих газов,

Уточним теплоемкость уходящих газов

 

 

 

5. Потери тепла в окружающую среду

Рассчитываем отдельно для перекрытия, цилиндрической и конусной части.

Размеры и исполнение ограждений приведены в разделе 3. Температуру газов в верхней части сушила примем 200 °С, среднюю температуру внутри цилиндрической части 160 °С, а в конусной части – 80 °С. Конусная часть сушила находится в закрытом помещении, среднюю температуру примем 10 °С.

Расчет теплового потока через однослойную стенку производим по формуле

,

через многослойную стенку:

,

где - толщина слоя, м;

- коэффициент теплопроводности  слоя (, );

- коэффициент теплоотдачи, примем от внутренней среды  к поверхности ограждения , от наружней поверхности в окружающую среду ,

- площадь ограждения, м2.

 

5.1) Тепловой поток через  перекрытие 

а) через изолированную часть

На рисунке 2 показана схема выполнения перекрытия.

Рисунок 2 – Схема перекрытия

 

Коэффициент общей теплопередачи

 

Площадь перекрытия

 

Температура газов под перекрытием составляет 200 °С, а температуру наружнего воздуха принимаем -10 °С.

Тепловой поток

 

б) через ребра перекрытия

Суммарная длина ребер составляет (10-15)D, принимаем

 

Площадь поверхности ребер

 

Тепловой поток через ребра

 

5.2) Тепловой поток через  цилиндрическую часть

В связи с исчезающее малыми значениями теплового сопротивления стальных листов в сравнении с другими слагаемыми, в дальнейших расчетах им пренебрегаем.

Площадь боковой поверхности цилиндрической части

 

Тепловой поток

 

Тепловой поток через ребра цилиндрической части. Ребра располагаются по периметру через 1 м. Количество ребер 30 штук, длина ребер 8 м, ширина 0,006 м, высота 0,2 м. Площадь поверхности ребер

 

Тепловой поток

 

5.3) Тепловой поток через  конусную часть ограждения

Площадь поверхности конусной части

 

Тепловой поток

 

Суммарный тепловой поток в окружающую среду

 

 

 

6. Неучтенные потери

Принимаем равными 10 % от расхода тепла, т.е.

 

 

Уравнение теплового баланса

 

 

 

 

 

 

Составим тепловой баланс установки на 1 кг продукта, для этого статьи теплового баланса, полученные при расчете на 1 час работы, поделим на часовую производительность установки .

 

Таблица 4

Тепловой баланс сушила

Приход	кДж/кг	%	Расход	кДж/кг	%
Тепло горения топлива Тепло воздуха	656,5 7,91		На нагрев материала На испарение влаги На подогрев остаточной влаги С отходящими газами Потери тепла через ограждения Неучтенные потери Невязка	23,05 485,1 10,58 1,86   72,46 71 0,36
	664,41			664,41

 

 

Удельный расход тепла на испарение влаги

 

На 1 кг шликера

 

На 1 кг порошка

 

На 1 кг сухого вещества

 

Удельный расход топлива – природного газа:

- на 1 кг испаренной влаги

 

- на 1 т шликера

 

- на 1 т продукта

 

- на 1 т сухого вещества

 

Удельный расход условного топлива:

- на 1 кг испаренной влаги

 

- на 1 т шликера

 

- на 1 т порошка

 

- на 1 т сухого вещества

 

 

Расчет топочных устройств

Топки располагаются по наружнему периметру камеры под перекрытием на равном расстоянии друг от друга. Принимаем количество топок 4 штук. Топки представляют собой цилиндрические камеры с внутренним диаметром 1,2 м, выполненные из шамота ГОСТ 21436-2004. Тепловая мощность одной топки

 

Резерв принимаем 20 %, т.е. Примем тепловое напряжение топочного объема , тогда объем топки

 

Длина топочной камеры

 

Примем конструктивные размеры топочной камеры , , что обеспечивает некоторый запас мощности на случай увеличения влажности шликера. Топки оборудуют газовыми горелками низкого давления ГНП. Производительность одной горелки

 

 

Подбор циклонов

В качестве пылеосадительных устройств принимаем циклоны НИИОГаз. Производительность циклонов

 

 

При температуре 80 °С

.

Расчет аэродинамических сопротивлений

Принимаем секундный расход газов

при 80 °С:

Примем диаметр трубопроводов 1 м. Площадь сечения Сопротивление трения примем в размере 20 % от суммы местных сопротивлений. Расчет потерь на местные сопротивления ведем по формуле:

 

где ξ – коэффициент местного сопротивления;

- скорость газов  при действительных условиях, м/с;

 – плотность  газа, кг/м3.

В отходящих газах содержится большой объем Н2О, поэтому произведем уточнение плотности.

Процентный состав отходящих газов

 

 

.

Плотность смеси:

,

где - доля компонента в смеси.

.

 

1. Вход в отводящий патрубок ()

 

2. Пять плавных поворотов на 90 º ()

 

3. Разветвление при подходе к циклонам ()

 

4. Сопротивление циклонов

Для циклонов НИИОГаз при расчете на скорость, отнесенную к площади сечения. Для одного циклона , , .

 

5. Сопротивление собирающего тройника ()

 

6. Конфузор у всасывающего патрубка вентилятора ()

 

7. Диффузор у выхлопного патрубка ()

 

Сумма местных сопротивлений

 

С учетом сопротивлений трения

.

Влияние запыленности газов учитываем надбавкой по формуле:

,

где - опытный коэффициент, для молотой глины ;

 – концентрация пыли, кг/кг газа.

Согласно материального баланса процесса сушки (таблица ) унос составляет 50,5 кг/ч. Часовой расход теплоносителя .

Масса теплоносителя .

Тогда .

.

 

 

Подбор вентилятора – дымососа

Часовое количество отработанного теплоносителя . Производительность вентилятора принимаем с запасом 25 %.

округленно

Расчетное давление вентилятора

.

Выбираем вентилятор среднего давления серии ВРС № 8, КПД=0,61, А=5 000, скорость в выходном отверстии 22 м/с.

Мощность на валу электродвигателя для условий транспортирования запыленного газа

 

Установленная мощность при значении коэффициента запаса мощности К=1,1

 

Число оборотов рабочего колеса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В данном курсовом проекте был произведен теплотехнический расчет распылительной сушилки. Были выполнены:

1. расчет конструктивных разменов распылительной сушилки: Dср= 9.2 м, Н = 9,2 м.
2. расчет горения топлива.
3. составлены теплотехнический и материальные балансы.
4. рассчитаны удельное количество теплоты Q= , КПД печи равный 85%
5. было подобрано и рассчитано основное и вспомогательное вентилятор ВРС-8.