Министерство  образования Российской Федерации

ЭТИ СГТУ

 
 
 
 
 
 
 
КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине "Процессы и аппараты пищевых  производств"

на тему: "Расчет сушильной установки барабанного типа"

 
 
 
Выполнил: ст. гр. МПП-41

Якунин  С.В.

Проверил: Суркова А.Н.

                                              Энгельс,2009

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

      Произвести  технологический расчет сушильной  установки барабанного типа по следующим данным: производительность сушилки по абсолютно сухому веществу G_сух = 1800 кг/ч; начальная и конечная влажность материала соответственно = 25% вес. и = 12,2% вес.; начальная и конечная температуры материала соответственно t_н= 17°С и t_к= 50°С.

      Сушка производится воздухом, нагретым до температуры t₁= 109°С. Температура сушильного агента на выходе из барабана t₂= 60°C. Напряжение барабана по влаге А_v=1,5 кг/(м³ч). коэффициент заполнения барабана β = 0.2.

      Воздух  пропускают через калорифер, который  обогревается паром с давлением Р_п= 2 ат. Район работы установки – Уральск.

      После сушильного барабана отработанный воздух проходит через циклон для удаления пыли.

СОДЕРЖАНИЕ

Задание на проектирование 2

Содержание 3

Введение 4

1. Описание  технологической схемы 5

2. Аналитический  расчет сушильной установки 6

2.1. Определение и выбор основных расчетных параметров теплоносителя 6

2.2. Материальный  баланс сушилки 6

2.3. Предварительный  выбор основных габаритных размеров  барабана 7

2.4. Расход сушильного агента и тепловой баланс сушилки 7

2.4.1. Для  зимних условий 7

2.4.2. Для летних условий 12

3. Определение  продолжительности сушки 15

4. Расчет  процесса сушки с помощью I–х  диаграммы 17

5. Выбор  циклона 19

6. выбор калорифера 20

7. Выбор  вентилятора 21

Литература 22

ВВЕДЕНИЕ

      Тепловая  сушка, или просто сушка, представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых и пастообразных материалов и проводится двумя основными способами:

      путем непосредственного соприкосновения сушильного агента (нагретого воздуха, топочных газов) с высушиваемым материалом – конвективная сушка;

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

      Конвективная сушка осуществляется в таких аппаратах, как камерные сушилки, туннельные сушилки, барабанные, пневматические, распылительные сушилки и сушилки с кипящим слоем.

      Контактная  сушка проводится в вакуум–сушильных шкафах, в гребковых сушилках, в  вальцовых сушилках и др.

      Сушилки бывают как периодического действия, так и непрерывного. Сушилки периодического действия отличаются низкой производительностью, громоздки и в большинстве случаев не удовлетворяют требованиям современной промышленности. Поэтому вместо малопроизводительных сушилок периодического действия применяют сушилки непрерывного действия, в которых достигается сокращение продолжительности сушки и улучшается качество продукта. Сушилки периодического действия целесообразно использовать только в производствах небольших масштабов с разнообразным ассортиментом продукции.

      Сушилки, работающие с использованием топочных газов, более производительны и экономичны, чем воздушные сушилки.

      Важным  фактором, влияющим на выбор сушилок, является характеристика материала, подлежащего сушке.

Например, для сушки кусковых и сыпучих  материалов, малочувствительных к действию высоких температур, применяются  главным образом барабанные и  гребковые сушилки. Однако сушку  многих сыпучих мелкоизмельченных  материалов можно более эффективно проводить в сушилках с кипящим слоем, в которых достигается более высокая производительность при значительно меньших габаритных размерах, чем для барабанных сушилок. 

    Выбор типа сушилки зависит от химических свойств материала. Так, при сушке  материалов с органическими растворителями используют герметичные аппараты и сушку обычно проводят под вакуумом; при сушке окисляющихся материалов применяют продувку инертными газами; при сушке жидких суспензий используют распыливание материала. Конструкции сушилок весьма разнообразны и выбор их определяется технологическими особенностями производства.

Наиболее  широкое распространение получили барабанные сушилки. Эти сушилки  отличаются высокой производительностью  и относятся к конвективным сушилкам. В качестве сушильного агента в них используют воздух и дымовые газы. В этих аппаратах сушке подвергают соли, топливо, пасты; их используют в производствах соды, удобрений, ядохимикатов. Сушилка представляет собой цилиндрический барабан 1, к которому крепятся бандажи 9, опирающиеся на опорные 3 и опорно-упорные 6 ролики. Вращение барабану передается от электродвигателя через редуктор 4 и зубчатый венец 5, закрытый кожухом 10. Мощность двигателя от 1 до 40 кВт. Частота вращения барабана 1—8 об/мин. Размеры корпусов сушилки нормализованы. Так, по нормали машиностроения МН 2106—61 установлены следующие диаметры барабанов: 1000, 1200, (1400), 1600, (1800), (2000), 2200, 2500, 2800 мм. Длина барабана зависит от диаметра и составляет 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 м. Обычно отношение длины L барабана к диаметру D должно быть L/D =  3,5 — 7,0.

Высушиваемый  материал подается в приемную камеру 8 и поступает на приемно-винтовую насадку, а с нее — на основную насадку. Лопасти насадки поднимают и сбрасывают материал при вращении барабана. Барабан установлен под углом а к горизонтали до 6°; высушиваемый продукт передвигается к выгрузочной камере 2 и при этом продувается сушильным агентом. Между вращающимся барабаном и неподвижной камерой установлено уплотнительное устройство 7. Выбор типа насадки зависит от материала. Для крупных кусков и налипающих материалов применяют лопастную систему насадки, для сыпучих материалов — распределительную, для пылеобразующих материалов — перевалочную с закрытыми ячейками. Барабан заполняют материалом обычно до 20%. 

Барабанная  сушилка 

  Туннельные  сушилки применяют для сушки долго сохнущих материалов.     Высушиваемый материал помещают на вагонетки (тележки), которые проталкиваются специальным толкателем через туннель. Длина туннеля составляет 25—60 м. Воздух проходит через весь туннель; во избежание расслаивания потока воздуха по высоте и неравномерности сушки аппарат разбивают на ряд зон, на перекрытиях которых устанавливают отопительно-вентиляционные агрегаты, создающие вертикальную циркуляцию воздуха. Скорость теплоносителя 2—3 м/с.

  Время сушки в обычных сушилках может  достигать 200 ч. В сушилке, показанной на рисунке, время сушки сокращено до 20 ч за счет интенсификации процесса и изменения режима (использование воздуха с повышенными влажностью и температурой). Основные размеры таких сушилок определяются продолжительностью сушки. Длина сушилки зависит от размеров тележек, емкости туннеля и определяется производительностью и временем сушки.

 Сушилка с кипящим  слоем. В сушилках с кипящим слоем обычно сушат продукты с размерами зерен от 0,1 до 5,0 мм. Эти аппараты отличаются высокой надежностью, сокращением времени сушки за счет усиленного перемешивания материала в сушильной камере. Такие сушилки используют для сушки сульфата аммония, хлористого калия, винифлекса и целого ряда сыпучих и даже пастообразных материалов. Сушилки просты по конструкции. Материал через бункер  подается на наклонную решетку , которая может получать колебания от вибратора . На сетке происходит псевдоожижение материала воздухом, поступающим снизу. Отработанный воздух проходит две параллельные щели  в верхней части камеры и отводится через патрубок, а материал выгружается через патрубок  и частично через патрубок. В промышленности используют сушилки и с несколькими камерами. Разновидностью этих сушилок являются вихревые сушилки.

  Распылительные  сушилки. Распылительные сушилки применяют для обезвоживания концентрированных растворов веществ, суспензий, эмульсий, подвижных паст. Материал, подлежащий высушиванию, распыливается механическими форсунками (производство уксусно-кислого кальция), пневматическими форсунками, центробежными дисковыми распылителями (производство антибиотиков). При этом площадь поверхности материала резко возрастает. Горячий воздух или дымовые газы подаются в сушильную камеру по прямоточной или противоточной схеме и отводятся из камеры через пылеулавливающее устройство. Высушенный материал (сушка происходит мгновенно) падает вниз и гребковым устройством выводится из камеры. Такие сушилки используют для сушки хлористого винила, меламина, триполифосфата натрия, глинозема. Для сушки применяют горячие газы, но вследствие малого времени контакта поверхность материала прогревается только до 60—70° С и не пересыхает. Здесь можно совмещать сушку с одновременным прокаливанием и охлаждением материала.

  Высушенный  материал попадает на прокалочные тарелки, которые обогреваются дымовыми газами. Материал перемешивается гребками и пересыпается с тарелки на тарелку, а затем, после прохождения охлаждающей тарелки, выводится из сушилки.

    Помимо  рассмотренных типов конвективных сушилок в химической промышленности применяют и другие конструкции: ленточные, камерные, аэрофонтанные сушилки, пневмосушилки, сушилки с виброкипящим слоем и т. д.

  Контактные  сушилки. В контактных сушилках тепло высушиваемому материалу передается через металлическую стенку, обогреваемую паром или водой. Поверхность контакта может быть либо цилиндрической, когда паста или густой раствор высушиваемого продукта подаются на поверхность обогреваемого цилиндра (одно- и двухвальцовые сушилки), либо плоской, когда влажный продукт насыпается на горизонтальные плиты, обогреваемые изнутри паром, водой, электронагревателями. Применяют цилиндрические поверхности с наружным обогревом цилиндров и подачей материала внутрь (гребковые, центробежно-щеточные сушилки).

  Одновальцовая сушилка представляет собой полый  чугунный валец 5, вращающийся от электродвигателя. Пар, обогревающий валец, поступает через патрубок 2 и цапфу 3. Влажный материал подается в лоток 9, где перемешивается мешалкой. Конденсат отводится через сифонную трубку 1. Пленка материала, образующаяся на поверхности вальца, калибруется скребком, укрепленным на оси 11, и срезается ножом 10. Высушенный продукт по фартуку 8 через патрубок 7 поступает в ящик 6. Влажный воздух отсасывается через патрубок 4.  

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

     Принципиальная  схема прямоточной барабанной сушильной установки показана на рис. 1.

     Рис. 1. Сушка подогретым воздухом: 1 –  вентилятор; 2 – генератор тепла; 3 – сушилка; 4 – пылеулавливающее устройство; 5 – отсасывающее устройство

      Влажный материал из бункера с помощью  питателя подается во вращающийся сушильный барабан 3. Параллельно материалу в сушилку вентилятором 1 подается сушильный агент (воздух), подогретый в калорифере 2. Высушенный материал с противоположного конца сушильного барабана поступает в промежуточный бункер, а из него – на транспортирующее устройство.

      Отработанный  сушильный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне 4.

      Транспортировка сушильного агента через сушильную установку осуществляется с помощью вентилятора 5. При этом установка находится под небольшим разрежением, что исключает утечку сушильного агента через неплотности установки.

      Барабан приводится во вращение электродвигателем  через зубчатую передачу.

2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

2.1. Определение и  выбор основных  расчетных параметров  теплоносителя

     По [5] определяем параметры свежего  воздуха для Уральска:

     – зимой t₀ = –14ºC, φ₀ = 0,85;

     – летом t₀ = 23,5ºC, φ₀ = 0,47.

      Влагосодержание воздуха:

где Р_н – давление насыщенного водяного пара при температуре t, В – барометрическое давление.

     По [5] определяем при t₀ = –14ºC Р_н = 1,357 мм рт. ст., при t₀ = 23,5ºC Р_н = 21,73 мм рт. ст. Влагосодержание воздуха:

     зимой x₀= 0,622 = 0,00095 кг/кг сухого воздуха;

     летом х₀= 0,622 = 0,00847 кг/кг сухого воздуха.

      Теплосодержание влажного воздуха I (в кДж/кг сухого воздуха):

где t –  температура воздуха в °С; х  – влагосодержание в кг/кг.

На входе  в калорифер:

– зимой I₀=(1+1,97·0,00095)(–14)+2493·0,00095 = - 11,7 кДж/кг сухого воздуха.

– летом I₀=(1+1,97·0,00847)23,5+2493·0,00847 = 45 кДж/кг сухого воздуха.

На входе  в сушилку (x₁ = x₀):

– зимой  I₁=(1+1,97·0,00095)109+2493·0,00095= 111,57 кДж/кг сухого воздуха.

– летом I₁=(1+1,97·0,00847)109+2493·0,00847= 131,93 кДж/кг сухого воздуха.

2.2. Материальный баланс  сушилки

      Количество  влажного материала, поступающего на сушку:

где G_сух – производительность сушилки по абсолютно сухому продукту, кг/с; ω₁– начальная влажность материала, %.

      Количество  высушенного материала:

ω₂ – конечная влажность материала, %.

      Количество  влаги, удаляемой в сушилке:

2.3. Предварительный  выбор основных  габаритных размеров  барабана

      Объем сушильного барабана V_б (м³) может быть ориентировочно определен по формуле:

где A_v – объемное напряжение барабана по влаге, кг/(м³ч).

V_б=3600·0,098/1,5=235,2 м³.

      Далее по справочным данным выбираем длину  и диаметр барабанной сушилки: L_б= 22 м, D_б=2,8 м [3].

      Тогда объем сушильного пространства составит

V_б=0,785

2.4. Расход сушильного агента и тепловой баланс сушилки

Расчет  выполняется отдельно для зимних и летних условий работы сушилки.

2.4.1. Для зимних условий

     Задаемся  произвольно влажностью воздуха  на выходе из сушилки φ₂=13,25%. Влагосодержание воздуха на выходе из сушилки при t₂=60°С < 100 °С:

где Р_п2 = 149,4 мм рт. ст. – давление насыщенного водяного пара при температуре t₂=60ºC [3].

     При использовании воздуха в качестве сушильного агента расход сухого воздуха L определяют по формуле:

     Удельный  расход сухого воздуха на сушку:

     Удельный  расход тепла на подогрев воздуха  в калорифере q_к:

      Энтальпия сушильного агента на выходе из сушилки

I₂=(1+1,97·0,01663)60+2493·0,01663=103,42 кДж/кг.

    Теплоемкость  материала на выходе из сушилки определяют по формуле:

где c_сух– удельная теплоемкость сухого материала, Дж/(кг·К), определяемая по справочным данным; ω₂– влажность материала в %; с_вл – теплоемкость влаги, Дж/(кг·К).

      По [9] определяем для зерна с_сух=1760 Дж/(кг·К).

=1760·(100–12,2)/100+4190·12,2/100=1772 Дж/(кг·К).

     Потери  тепла в окружающую среду в  кДж/кг влаги находят из основного  уравнения теплопередачи:

где F –  площадь наружной поверхности сушилки, м²; Δt_ср – средняя разность температур сушильного агента и окружающей среды, °С; К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); W – количество испаряемой влаги, кг/с.

     Средняя разность температур сушильного агента и окружающей среды:

где Δt_б=t₁–t₀ – разность температур сушильного агента на входе в сушилку и окружающей среды, °С; Δt_м=t₂–t₀ – разность температур сушильного агента на выходе из сушилки и окружающей среды, °С.

    Примем  температуру воздуха в цехе t₀=15°С. Тогда Δt_б=109–15=94°С, Δt_м=60–15=45°С.

     Коэффициент теплопередачи К определяют по формуле:

где α₁ – коэффициент теплопередачи [Вт/(м²·К)] от сушильного агента к стенке сушилки, – сумма всех термических сопротивлений слоев стенки, α₂ – коэффициент теплопередачи [Вт/(м²·К)] от наружной стенки барабана к окружающему воздуху.

     Коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к  стенке сушилки можно определить по формуле Л. М. Федорова:

где k=1,2 1,3 – поправочный коэффициент, учитывающий турбулизацию потока; α₁^/ и α₂^// – коэффициенты теплоотдачи от сушильного агента к стенке барабана за счет вынужденной и естественной конвекции соответственно.

     Все параметры сушильного агента берут  при средней температуре его  в сушилке:

     Объемный  расход влажного сушильного агента на выходе из барабана:

где x_ср – среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг сухого воздуха; V₀ – мольный объем, V₀=22,4 м³/кмоль; M_с.г. – мольная масса сухого газа; М_в – мольная масса воды.

      х_ср=0,5(х₁+х₂)=0,5(0,00095+0,01663)=0,00879 кг/кг сухого воздуха;

     Скорость  сушильного агента в барабане:

где β  – коэффициент заполнения барабана.

      Определяем  режим движения сушильного агента

      Re_f=wD_бρ/μ=0,42·2,8·0,987/(0,021·10^–3)=43428.

Здесь при t_f = 84,5°С плотность воздуха ρ = 0,987 кг/м³; вязкость μ = 0,021 мПа·с [8].

     Коэффициент теплоотдачи α₁^/ при турбулентном режиме (Re_f > 10⁴) определяют по формуле:

где ε₁ – поправочный коэффициент, зависящий от Re и отношения длины сушилки к ее диаметру (L_б/D_б).

      При L_б/D_б=22/2,8=7,86 и Re_f=43428 ε₁=1,183 [6].

Nu_f=0,018∙43428^0,81,183=109,3.

где λ  – коэффициент теплопроводности сушильного агента, Вт/(м·К).

     При t_f =84,5°С λ=0,0308 Вт/(м·К) [8].

α^/₁=109,3·0,0308/2,2=1,53 Вт/(м²·К).

     Значение  α₁^// можно найти из функции вида Nu_m=С(GrPr) . Здесь Pr=cν_cρ/λ, ν_c– кинематическая вязкость сушильного агента, м²/с; с – удельная теплоемкость сушильного агента, Дж/(кг·К); ρ – плотность сушильного агента, кг/м³; λ – коэффициент теплопроводности сушильного агента, Вт/(м·К). Значения константы С и показателя степени n определяются режимом движения сушильного агента. Их значения в зависимости от величины (GrРr)_m приведены в [6]. Все физические константы выбирают при средней температуре пограничного слоя t_сл=(t_f+t_ст)/2, где t_ст – температура стенки, °С.

      Задаемся t_ст1= 76,5°С. Тогда при t_сл= (84,5+76,5)/2 = 80,5°С по [8] определяем с = 1009 Дж/(кг·К); λ = 0,0304 Вт/(м·К); μ = 0,021 мПа·с; ρ = 0,998 кг/м³.

Pr=1009·0,021·10^–3/0,0304=0,697.

     Критерий  Грасгофа:

Δt=t_пот–t_ст – разность средней температуры потока и стенки, °С.

Gr=

(GrРr)_m=5,34·10⁹·0,697=3,72·10⁹– вихревой режим.

     Расчетное уравнение

     Nu_m=0,135(GrPr)

     α₁^//=208,3·0,0304/2,2=2,87 Вт/(м²·К).

     Принимаем k=1,25.

     α₁=1,25(1,53+2,87)=5,5 Вт/(м²·К).

     Коэффициент теплоотдачи от наружной стенки барабана в окружающую среду α₂ определяют по формуле:

где α₂^/ – коэффициент теплоотдачи за счет естественной конвекции; α₂^// – коэффициент теплоотдачи за счет лучеиспускания.

      Для расчета тепловых потерь q_п предварительно определяют величину наружной поверхности барабана с учетом слоя изоляции. При определении необходимой толщины слоя изоляции принимают, слой изоляции толщиной δ₂ защищен кожухом из железа δ₃ (рис. 2). 

Рис 2. Схема  распределения температур

     Толщина стенки барабана δ₁= 14 мм. Без особой погрешности можно принять, что t_cт1=t_ст^/и t_ст^//=t_cт2, где t_cт1 и t_ст^/ – температура внутренней и наружной поверхностей стенки барабана, °С; t_ст^// и t_cт2 – температура внутренней и наружной поверхности стенки защитного кожуха.

     Для расчета используют формулы теплопроводности через цилиндрическую стенку. Удельный тепловой поток

     Наружный  диаметр барабана D_н с изоляцией определяют из уравнения

где D_н – наружный диаметр барабана, м; =2,8+2·0,014=2,828 м; λ₂ – коэффициент теплопроводности изоляционного материала.