Расчет сушки, хлорида калия топочными газами
Содержание
1 Введение......................
2 Область применения............
3 Выбор конструкционного
4 Технологическая схема.........................
5 Технологический расчет........
5.1 Исходные данные к расчету.....
5.2 Определение расхода воздуха, скорости газов и диаметра сушилки........6
6 Высота кипящего слоя..........
7 Гидравлическое сопротивление
сушилки.......................
8 Подбор вспомогательного
8.1 Подбор дозаторов..............
8.2 Подбор циклона................
8.3 Подбор газодувки..............
9 Конструктивный расчет.........
Заключение....................
1 Введение
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
- путем нагревания
Сушка производится также путем нагревания высушиваемых материалов токами высокой частоты или инфракрасными лучами.
Количество влаги удаленной из материала можно определить по основному уравнения массопередачи:
М = KFD,
где К – коэффициент массопередачи,
F – поверхность соприкосновения фаз,
D – движущая сила процесса.
При постоянных условиях коэффициент массопередачи и движущая сила остаются постоянными, поэтому интенсифицировать процесс сушки можно за счет увеличения поверхности контакта фаз. Для сыпучих мелкозернистых материалов этого можно достичь в сушилках с псевдоожиженным (кипящем) слоем.
В кипящем слое происходит быстрое выравнивание температур твердых частиц и сушильного агента и достигается весьма интенсивный тепло- и массообмен между твердой и газовой фазами, в результате этого сушка заканчивается в течении нескольких минут.
При сушке в кипящем слое в качестве сушильных агентов применяют топочные газы и воздух, сушку проводят в аппаратах непрерывного и периодического действия, причем непрерывная сушка производится в одноступенчатых и многоступенчатых сушилках. В последнем случае достигается повышенная степень использования тепла сушильного агента.
Сушилки с кипящим слоем являются одним из прогрессивных типов аппаратов для сушки. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала. Сушилки с кипящим слоем в настоящее время успешно применяют в химической технологии не только для сушки сильносыпучих зернистых материалов (например, минеральных и органических солей), но и материалов, подверженных комкованию, например для сульфата аммония, поливинилхлорида, полиэтилена и некоторых других полимеров, а также пастообразных материалов (пигментов, анилиновых красителей), растворов, расплавов и суспензий.
Аппараты с псевдоожиженным слоем зернистого материала получили широкое распространение в химической и других отраслях промышленности. Они отличаются большим разнообразием, как по конструкции, так и по гидродинамическим и тепловым режимам работы. Их можно классифицировать следующим образом:
- по количеству зон однокамерные и многокамерные;
- по характеру движения
- по использованию
- по конфигурации сушильной камеры – круглые, прямоугольные и т.д. Достоинства сушилок с кипящим слоем:
- интенсивная сушка;
- возможность сушки при высоких температурах, которые могут превышать допустимые для данного материала, вследствие кратковременности его соприкосновения с сушильным агентом;
- высокая степень использования тепла сушильного агента;
- возможность автоматического регулирования параметров процесса. Недостатки таких сушилок:
- непригодность для сушки материалов, плохо поддающихся псевдоо-
жижению (например с высокой влажностью, с крупными размерами частиц);
- высокое гидравлическое сопротивление;
- истирание и значительный унос твердых частиц.
Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия, но в сушилках этого типа с цилиндрическим корпусом наблюдается значительная неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от его среднего значения. Поэтому применяются сушилки с расширяющимся кверху сечением, например коническим. Скорость газа внизу камеры должна превышать скорость осаждения самых крупных частиц, а вверху быть меньше скорости осаждения самых мелких частиц. При такой форме камеры достигается более организованная циркуляция твердых частиц, которые поднимаются в центре и опускаются (в виде менее разреженной фазы) у периферии аппарата. Благодаря снижению скорости газов по мере их подъема улучшается распределение частиц по крупности и уменьшается унос пыли. Это, в свою очередь, повышает равномерность нагрева (более мелкие частицы, поднимающиеся выше, находятся в области более низких температур) и позволяет уменьшить высоту камеры.
2 Область применения
Проектируемая сушилка применяется в химической промышленности для сушки кристаллов KCl выходящих из кристаллизатора.
3 Выбор конструкционного материала
Частицы хлорида калия при влажности 16% и температуре 115°С являются коррозионно активным веществом, поэтому в качестве конструкционного материала выбираем сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-74, которая может работать в агрессивной среде до температуры 600 °С.
4 Технологическая схема
Влажный материал шнековым питателем ШП, подается в слой продукта, “кипяшего” на газораспределительной решетке в аппарате с кипящем слоем АКС. Воздух, забираемый из атмосферы, подается газодувкой ГД в калорифер К, где нагревается за счет конденсации греющего пара до температуры 700°С, азатем поступает в подрешеточное пространство аппарата АКС. Выходя с большой скоростью из отверстий газораспределительной решетки, нагретый воздух псевдоожижает и высушивает слой материала. Высушенный продукт непрерывно выгружается дозатором Д (шлюзовым разгрузителем). Отработанный воздух очищается от унесенной пыли в циклоне Ц. Уловленная пыль непрерывно (или периодически) выгружается из циклона и вместе с высушенным материалом в виде готового продукта направляется на склад или на дальнейшую переработку.
5 Технологический расчет
5.1 Исходные данные к расчету
Для расчета используем следующие данные, указанные в задании на проектирование.
Таблица 1 – Исходные данные для проектирования
Наименование параметра |
Обозначение |
Величина |
Расход сырья (по сухому материалу) |
Gм |
1000 кг/ч |
Начальная влажность материала (масс) |
ωн |
16 % |
Конечная влажность материала (масс) |
ωк |
1 % |
Плотность кристаллов |
ρч |
1984 кг/м3 |
Теплоемкость кристаллов |
см |
4,02 кДж/(кг К) |
Начальная температура материала |
tн |
16 °С |
Конечная температура материала |
tк |
115 °С |
Температура воздуха на входе в сушилку |
tвх |
700 °С |
Температура воздуха на выходе из сушилки |
tвых |
120 °С |
Диаметр частиц материала |
dч |
2,5 мм |
Средняя температура окружающей среды |
t0 |
17 °C |
Средняя влажность |
φ0 |
63 % |
5.2 Определение расхода воздуха, скорости газов и диаметра сушилки
Все расчетные формулы и зависимости взяты из [4]. Определим расход влаги, удаляемой из высушиваемого материала
Уравнение внутреннего теплового баланса идеальной сушилки
где Δ – разность между удельным приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере;
cвл – теплоемкость влаги во влажном материале при температуре tн, принимаем испаряемую влагу – воду, тогда cм = 4,2 кДж/(кг К) [3, табл. XXXIX];
qдоп – удельный дополнительный подвод тепла в сушилку, при работе по нор-
мальному сушильному варианту qдоп = 0 кДж/кг;
qт – удельный расход тепла в сушилке с транспортными средствами, для про-
ектируемой сушилки qт = 0 кДж/кг;
qп – удельные потери тепла в окружающую среду, принимаем 0,93% от тепла,
затрачиваемого на испарение 1 кг влаги, qп = ε·r × 1 кг = 0,0093 × 2440 × 1 кг =
= 22,6 кДж/кг, где r = 2440 кДж/кг – теплота испарения воды при tн [3, табл. LIV];
qм – удельный расход тепла в сушилке с высушиваемым материалом
Расход тепла
Q = Qисп + Qнаг + Qпот = 1,15(W[r0 + cп(tв2 – tм1)] + Gксм(tм2 – tм1)),
где Qисп – тепло затрачиваемое на испарение влаги,
Qнаг – тепло затрачиваемое на нагрев материала,
Qпот – потери тепла в окружающую среду, принимаемые равными 15% от первых двух слагаемых,
r0 = 2439 кДж/кг – теплота испарения при 20° С [1c. 550],
cп = 1,97 кДж/(кг×К) – теплоемкость водяного пара [1c. 528],
cм = 4,02 кДж/(кг×К) – теплоемкость материала [1c. 527],
tм1 = 16° С – температура материала на входе в сушилку,
tм2 = 120° С – температура материала на выходе из сушилки.
Q = 1,15×(0,05[2493+1,97×(120–16)]
По диаграмме I-x по известным параметрам наружного воздуха (t0 = 17 °C и
φ0 = 63%) находим влагосодержание x0 и энтальпию I0 воздуха, поступающего в
калорифер для подогрева и затем в сушилку
x0 = 0,009 кг влаги/кг сухого воздуха
I0 = 45 кДж/кг
При нагревании воздуха до температуры tвх= 700 °C его энтальпия увеличивается до I1= 735 кДж/кг,
,
x0 - подставляется в г влаги /кг сухого воздуха.
Так как нагрев сушильного агента осуществляется через стенку, влагосодержание остается постоянным x0 = х1 = 0,009 кг влаги/кг сухого воздуха
Средняя плотность воздуха
где ρ0 – плотность воздуха при нормальных условиях (20 °C, 760 мм. рт. ст.),
ρ0 = 1,293 кг/м3 [3, табл. IV];
T0 – температура нормальных условий, T0 = 273 K;
Плотность паров
где ρп0 – плотность паров воздуха при нормальных условиях (20 °C, 760 мм. рт. ст.),
ρп0 = 0,803 кг/м3 [3, табл. IV];
Расход воздуха на сушку по уравнению равен:
L = Q/(cв(t2 – t1)) =290/(1×(700 – 120)) = 0,5 кг/с,
где св = 1 кДж/(кг×К) – теплоемкость сухого воздуха [1c. 528].
Удельный расход сухого воздуха:
l = L/W = 0,5/0,05 = 10 кг/кг.
Начальное влагосодержание воздуха: х1 = 0,009 кг/кг.
Влагосодержание воздуха на выходе из сушилки:
х2 = х1 + 1/l = 0,009 + 1/10 = 0,109 кг влаги/кг сухого воздуха
Среднее влагосодержание воздуха в сушилке
Средняя объемная производительность по воздуху
Далее рассчитываем фиктивную (на полное сечение аппарата) скорость начала псевдоожижения:
где – критерий Рейнольдса; –критерий Архимеда; – вязкость воздуха при средней температуре;
dэ – эквивалентный диаметр частиц, dэ = dч = 2,5 мм.
Критерий Архимеда
Критерий Рейнольдса
Скорость начала псевдодвижения:
м/с.
Верхний предел допустимой скорости воздуха в псевдоожиженном слое определяется скоростью свободного витания (уноса) наиболее мелких частиц. Эту скорость определяют по уравнению:
где и – вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре; d – наименьший диаметр частиц материала, м;
Рабочую скорость w сушильного агента выбирают в пределах от wnc до wcв. Эта скорость зависит от предельного числа псевдоожижения К = wcв / wnc: при К более 40–50 рабочее число псевдоожижения Kw= w/wnc рекомендуется выбирать в интервале от 3 до 7; при К меньше 20 - 30 значение Kw можно выбирать в интервале от 1,5 до 3. В рассматриваемом расчете К = 16 / 1,26 = 13. Примем Kw = 2,38. Тогда рабочая скорость сушильного агента
w = Kw · wПС = 2,38 · 1,26 = 3 м/с.
Диаметр сушилки d определяют по уравнению:
.
Примем диаметр сушилки d = 0,8 м.
Где νг - объемный расход влажного сушильного агента на выходе из сушилки.
6 Высота кипящего слоя
Критерий Прандтля:
Pr = cmt/lt = 1000×22×10-6/0,035 = 0,62,
где lt = 0,035 Вт/(м×К) – теплопроводность воздуха.
Критерий Нуссельта:
Nu = 0,4(Reр/e)0,67Pr0,33 = 0,4×(177/0,45)0,67×0,620,33 = 18,7
Коэффициент теплообмена:
a = Nult/d = 18,7×0,035/0,0025 = 262 Вт/(м×К)
Число отверстий n в распределительной решетке определяют по уравнению:
где S – сечение распределительной решетки, численно равное сечению сушилки, м2; Fc – доля живого сечения решетки, принимаемая в интервале от 0,02 до 0,1.
Приняв долю живого сечения Fc = 0,05, найдем число отверстий в распределительной решетке:
Число единиц переноса:
= ln[(700 – 115)/(120 – 115)] = 4,76.
Объем кипящего слоя:
Vсл = LcВm0/[aSуд(1 – e)],
где Sуд = 6/d = 6/0,0025 = 2400 м-1 – удельная поверхность.
Vсл = 0,5×1000×4,76/(262×2400×(1 – 0,45)] = 0,0068 м3.
По практическим данным обычно принимают высоту слоя
Нсл = 80d0 = 80×4 = 320 мм = 0,32 м,
где d0 = 4 мм – диаметр отверстий.
Диаметр отверстий распределительной решетки выбирают из ряда нормальных размеров, установленного ГОСТ 6636-69 (в мм): 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,2; 3,6; 4,0; 4,5; 5,0; 5,6.
Общая высота аппарата Н = 5Нсл = 5×320 = 1600 мм.
7 Гидравлическое сопротивление сушилки
Основную долю общего гидравлического сопротивления сушилки ∆Р составляют гидравлические сопротивления псевдоожиженного слоя РПС и решетки Рр
Величину ∆РПС находят по уравнению:
Для удовлетворительного распределения газового потока необходимо определенное соотношение между гидравлическими сопротивлениями слоя. Минимально допустимое гидравлическое сопротивление решетки Рmin вычисляется по формуле:
Порозность неподвижного слоя e0 для шарообразных частиц принимают равной 0,4.
Гидравлическое сопротивление выбранной решетки:
Коэффициент сопротивления решетки ξ = 1,75.
Значение Рр = 1638 Па превышает минимально допустимое гидравлическое сопротивление решетки Рmin = 346 Па.
Общее гидравлическое сопротивление сушилки в соответствии с уравнением равно:
.
8 Подбор вспомогательного оборудования
8.1 Подбор дозаторов
Часовая объемная производительность установки:
Q = 3600×Gм/rн = 3600×0,27/2000 = 42 м3/час,
где rн = 2000 кг/м3 – насыпная плотность KCl.
Для загрузки установки выбираем винтовой питатель типа ПВ-160 со следующими характеристиками:
производительность – 0,6¸6 м3/час,
диаметр винта – 160 мм,
диаметр вала – 60 мм,
мощность привода – 2,2 кВт.
Для разгрузки установки выбираем шлюзовой питатель типа ПШ1-250 со следующими характеристиками:
производительность – до 1,46 ¸ 14,2 м3/час,
объем ротора – 0,0126 м3,
мощность привода – 1,1 кВт.
8.2 Подбор циклона
Циклоны ВЦНИООТ – циклоны с обратным конусом. Применяются для улавливания сухой, неслипающейся, абразивной пыли, а так же для малослипаюшейся пыли (сажа, тальк).
Циклоны с нижним выводом воздуха. Циклоны НВГ разработаны на базе циклонов ЦН-15 и СДК-ЦН-33, и применяются в производстве моющих средств, а так же для улавливания пыли кокса в литейном производстве. При улавливании коксовой пыли с медианным диаметром 120 мкм эффективность циклонов данного вида достигала 97-98%.
Скорость воздуха в циклоне:
где = 160 – коэффициент сопротивления циклона типа ЦН-15,
DР = 700 Па гидравлическое сопротивление циклона.
Диаметр циклона
Выбираем циклон марки ЦН-15-500 диаметром 500 мм со следующими характеристиками:
Производительность по воздуху - 2270-2645 м3/ч,
Высота - 2280 мм,
Масса - 112 кг.
8.3 Подбор газодувки
Объемный расход воздуха на выходе:
Q = L/r2 = 0,5 / 0,52 = 1 м3/с.
выбираем турбогазодувку ТВ-600-1,1 для которой
напор 10000 Па,
производительность 10,0 м3/с.
9 Конструктивный расчет
9.1. Толщина обечайки
d ≥ DP/(2sj-Р) +Cк,
где D = 0,8 м – диаметр греющей камеры аппарата;
P = 0,1 МПа – давление греющего пара;
s = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение для стали [2 c.76];
j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77];
Cк = 0,001 м – поправка на коррозию.
d ≥ 0,8×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,002 м.
Согласно рекомендациям принимаем толщину обечайки d=10 мм.
9.2 Днище и крышка
Снизу аппарат закрыт коническим стальным отбортованным днищем,
а сверху – конической отбортованной крышкой с углом при вершине 120°
9.3 Фланцы
Соединение обечайки с днищем и крышкой осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ГОСТ 12834-67.
9.4 Штуцера
Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:
d =
где G – массовый расход теплоносителя,
r - плотность теплоносителя,
w – скорость движения теплоносителя в штуцере.
Принимаем скорость воздуха в штуцере на входе w = 3 м/с, на выходе из сушилки 3 м/с, тогда штуцер для входа воздуха:
d1 =
принимаем d1 = 600 мм;
Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80.
9.5 Опоры аппарата
Масса аппарата.
Масса цилиндрической обечайки:
Go = 0,785(Dн2 – Dв2)Нr = 0,785(0,8202 – 0,8002)1,6×7800 =317 кг,
где Н = 1,6 м – высота цилиндрической обечайки,
r = 7800 кг/м3 – плотность стали.
Масса конического днища Gкд =107,3 кг по ГОСТ 12619-78
Принимаем массу вспомогательного оборудования (загрузочное и разгрузочное устройства, фланцы,штуцера, газораспределительная решетка) 30% от массы основных частей аппарата, тогда полная масса аппарата:
Ga = 1,3(Go+Gкк+Gкд) = 1,3(317+107,3+107,3) =691 кг = 6910 Н.
Принимаем, что аппарат установлен на трех опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:
Gоп = 6910/3 = 2303 Н
Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 4 КН.
Заключение
В данной курсовой работе была спроектирована сушильная установка для высушивания кристаллов хлорида калия. В ходе курсовой работы были проведены технологический расчет и выбор вспомогательного оборудования.
В первом разделе описаны достоинства и недостатки сушильных установок с кипящим слоем и приведена технологическая схема такой сушильной установки.
В разделе, посвященном описанию конструкций оборудования, приведены конструкции типовых сушилок с кипящим слоем и выбран аппарат, в котором выполняется процесс сушки кристаллов хлорида калия. Также описана конструкция очистительных устройств и выбран его тип.
В технологическом разделе приведены расчеты, необходимые для проектирования промышленного объекта. Определен расход воздуха на сушку
L = 30 кг/ч при начальной температуре 700 °С, рассчитан диаметр сушилки
D = 0,7 м.
В качестве вспомогательного оборудования рассчитаны газодувка и очистительное устройство – циклон. По результатам расчета выбрана турбогазодувка ТВ-600-1,1 и циклон D = 0,5 м.
Рассчитанная сушильная установка удовлетворяет техническому заданию и может быть использована в производстве.
