Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчёт сушильной установки для сушки селитры

Содержание

Введение

1 Теоретическая часть

1.1 Теоретические основы процесса сушки

1.2 Устройство и принцип действия сушилки

1.3 Техника безопасности при эксплуатации аппарата

1.4 Охрана окружающей среды

2 Расчётная часть

2.1 Материальный баланс

2.2 Тепловой баланс

2.3 Конструктивный расчёт

2.4 Расчёт допустимой скорости воздуха в барабане

2.5 Расчёт времени сушки

2.6 Расчёт вспомогательного оборудования

Введение

В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающие изменениями агрегатного состояния, внутренней структуры и состав вещества. Наряду с химическими реакциями, являющимися основной химико-технологических процессов, последние обычно включает многочисленные физические и физико-химические процессы. К таким процессам относится: перемешивание жидкости и твердых материалов, их измельчение и классификация, сжатие и транспортирование газов, нагревание и охлаждение веществ. Их перемешивание, разделение жидких и газовых неоднородных систем, выпаривание растворов, сушка материалов. При этом способ проведения указанных процессов часто определяет возможность осуществить, эффективность и рентабельность производства в целом.

Таким образом, технология производства самых разнообразных химических продуктов и материалов (кислот, солей, минеральных удобрений и т.д.) включают ряд однотипных и физико-химических процессов, характеризуемых общими закономерностями.

Интенсификация технологических процессов и повышения эффективности химических производств относится к числу наиболее актуальных проблем современной технологии. Одним из методов решения этих проблем является резкое повышение производительности единицы аппаратурного объема, создание агрегатов большой единичной мощности, замена морально устаревшей техники. В основе решения таких задач лежат закономерности процессов химической технологии, методы математического и физического моделирования, автоматизированное проектирования и разработка.

1 Теоретическая часть.

1.1 Теоретические основы процесса сушки.

Сушка – процесс удаления влаги из твёрдого материала путем её испарения и отвода образовавшихся паров.

Удаление влаги из твёрдых и пастообразных материалов позволяет повысить качество целевых продуктов, удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, уменьшить слёживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а так же уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.

Влагу можно удалять из материалов механическими способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается путём испарения влаги и отвода образующихся паров, с помощью тепловой сушки.

Этот процесс широко используется в химической технологии.он часто является последней операцией на производстве., предшествующей выпуску готового продукта. При этом дополнительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами (например, фильтрованием), а окончательное – сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом .скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло - и массо - обмена (влагообмена).

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

1)конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагреты воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

2)контактная сушка – путем передач тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3)радиационная сушка – путём передачи тепла инфракрасными лучами;

4)Диэлектрическая сушка - путём нагревания в поле токов высокой частоты.

5)Сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот способ аналогичен контактной, но своеобразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.

Последние три вида сушки применяются относительно редко и обычно называются специальными видами сушки.

Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным газом (в большинстве случаев воздухом).

Равновесие в процессе сушки

Процессу сушки, как и любому массообменному процессу, соответствует обратный процесс – поглощение твёрдым материалом влаги из окружающей среды, содержащей либо пары влаги, либо смесь паров влаги с другими газами. Обозначим давление паров влаги, когда только она является окружающей средой, через , а её парциальное давление в смеси с газами окружающей среды – через .

В то время, влаге, содержащейся в материале, соответствует определённое равновесное давление водяного пара над влажным высушиваемым материалом.

Условием сушки при этом случае являются неравенства

Влажность материала, отвечающая условию, соответствует условию равновесия.

Обратному процессу (сорбции паров влаги из окружающей среды твёрдым материалом) соответстуют неравенства:

> и

Давление пара над высушиваемым материалом зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги с материалом. С ростом температуры и влажности материала значение возрастает. Кроме того, чем сильнее связь влаги с материалом, тем меньше при прочих равных условиях давление паров влаги над этим материалом.

Различают несколько форм связи влаги с материалом (если под влагой понимать воду, то в порядке убывания энергии связи).

Химически связанная влага – гидратная или кристаллизационная, входящая в состав самого химического соединения, в процессе сушки не удаляется. Для её удаления необходимо либо высокотемпературное воздействие (прокалка), либо химическая обработка.

Физико – химически связанная влага (адсорбционная и осмотическая) – влага, находящаяся в микропорах и связанная с материалом на молекулярном уровне адсорбционными и осмотическими силами.

Механически (капиллярно) связанная влага, заполняющая макро- и микрокапилляры, может быть удалена не только при сушке, но и при механических воздействиях.

Значения концентраций влаги в материале используются для описания кинетики процесса сушки, а также расчёта аппаратов, в которых он осуществляется.

Значения концентраций влаги определяются

Влажностью с – отношением массы влаги, содержащейся в материале, к массе влажного материала, кг/кг;

Влагосодержанием x – отношением массы влаги, содержащейся в материале, к массе сухого материала,кг/кг;

Относительной влажностью – отношением количества паров в газе к максимально возможному, отвечающему насыщенному состоянию при тех же температуре и давлении, %.

Кинетика сушки

Сушка является процессом диффузионным, т.к. влага из материала в окружающую среду переходит при поверхностном испарении и диффузии ее из внутренних слоев к поверхности материала.

Для создания оптимального режима, при котором длительность сушки и расходы энергии наименьшие, а свойства высушиваемого материала соответствуют предъявляемым к ним требованиям, проводится анализ изменения среднего влагосодержания и средней температуры материала, т.е. изучается кинетика процесса сушки.

Характер кинетических кривых определяется физико-химическими свойствами высушиваемого материала и закономерностями тепломассообмена его с окружающей средой. Кривая сушки отражает зависимость средней влажности W₀ материала от продолжительности сушки t и строится по опытным данным, полученным при его взвешивании. Анализ кривой сушки показывает, что материалы отдают влагу неравномерно, в связи с чем процесс сушки можно разделить на периоды (рисунок 2.1). До начала сушки материал имел влажность W_н (точка 1 на кривой ΙΙ) и температуру Т_н (точка 1' на кривой Ι). Затем в процессе нагревания материала его температура достигает значения Т₂' и остается стабильной до точки 3', так как в это время скорость сушки (испарения) достигает своего максимума, влага удаляется с открытой поверхности из крупных пор и лицевого слоя материала. Влажность изделия уменьшается от начальной W_н до капиллярной W_К (точки 1, 2, 3). Затем начинает испаряться гигроскопическая влага, диффузия влаги из внутренних слоев не успевает за испарением влаги с открытой поверхности (участок 3—4). Температура материала продолжает повышаться (участок 3'—4'). При дальнейшем нагревании (участок 4'—5') удаляется сорбционная влага (участок 4-5), прочно связанная с материалом. При равенстве температур и влажности материала и воздуха в сушилке Т_м = Тви W_м = Wв = Wр наступает равновесное состояние, сушка закончена.

Рисунок 2.1 - Кривая сушки

Кинетику процесса сушки можно проследить и по кривой скорости сушки (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Кривая скорости сушки

1.2 Устройство и принцип действия барабанной сушки

Барабанные сушилки (рис. 6) распространены благодаря высокой производительности, простоте конструкции и возможности непрерывно сушить при атм. давлении мелкокусковые и сыпучие материалы (колчедан, уголь, фосфориты, минеральные соли и др.). Такая сушилка представляет собой установленный с небольшим наклоном к горизонту (угол a до 4°) цилиндрич. барабан с бандажами. Последние при вращении барабана (с помощью зубчатого колеса от электропривода) с частотой 5-6 мин:¹ катятся по опорным роликам; осевое смещение барабана предотвращается опорно-упорными роликами. Влажный материал через питатель поступает в барабан и равномерно распределяется по его сечению размещенными внутри насадками. Тесно соприкасаясь при пересыпании с сушильным агентом, например топочными газами (возможен также контактный подвод теплоты через спец. трубчатую насадку), материал высушивается и движется к разгрузочному отверстию в приемном бункере. Газы поступают из примыкающей к барабану топки и просасываются прямотоком через него вентилятором со скоростью 0,5-4,5 м/с; для улавливания из газов пыли между барабаном и вентилятором установлен циклон. Напряжение рабочего объема барабана по испаренной влаге достигает 200 кг/(м³-ч).

Рис. 6. Барабанная сушилка: 1-барабан; 2-питатель; 3-бандажи; 4-зубчатое колесо; 5 - вентилятор; 6-циклон; 7-приемный бункер; 8-топка.

Сушилки со взвешенным слоем характеризуются высокими относительными скоростями движения фаз и развитой поверхностью контакта. Основные гидродинамические режимы работы: пневмотранспорт; закрученные потоки; псевдоожижение; фонтанирование. При существенном уменьшении в процессе сушки массы частиц дисперсного материала применяются режимы свободного фонтанирования и проходящего кипящего слоя. Среди этих сушилок наиболее распространены пневматические, вихревые камеры, аппараты с кипящим и фонтанирующим слоем, вибрационные.

Барабанная сушилка выполняется в виде сварного цилиндра. К его наружной поверхности прикреплены бандажные опоры, а также кольца жёсткости и приводной зубчатый венец. Наклон оси барабана может составлять до 3-6 градусов к горизонту.

Данные сушилки относятся к атмосферным сушилкам непрерывного действия. В них сушат сыпучие продукты. В качестве сушильного агента используются топочные газы или нагретый воздух.

Внутри барабана располагаются насадки. Их конструкция определяется свойствами высушиваемого продукта. Со стороны загрузочной камеры расположена многозапорная винтовая насадка. В зависимости от диаметра барабана она может иметь от 6 до 16 спиральных лопастей. Для сушки продуктов обладающих большой адгезией к поверхности в барабане закрепляют цепи, которые дробят комки, а также очищаю стенки барабана. Вместо цепей могут использоваться ударные приспособления. Их крепят с внешней стороны барабана.

В зависимости от свойств продукта могут применяться различные схемы барабанных сушилок. Так, если продукт обладает хорошей сыпучестью и имеет средний размер частиц (до 8 мм), то при диаметре барабана от 1000 до 1600 мм используют секторную насадку. Для продуктов, имеющих высокую адгезию или размер частиц сыпучего продукта больше 8 мм, применяют подъёмно-лопастные устройства. Если продукт характеризуется налипанием, но в процессе сушки восстанавливает сыпучие свойства, то для сушилок с диаметром барабана от 1000 до 3500 мм устанавливают сначала подъёмно-лопастные перевалочные устройства, а далее ставят секторные насадки.

Для изготовления, как самых барабанов, так и загрузочных и разгрузочных камер в основном применяют углеродистые стали. В некоторых случаях барабаны, разгрузочные и загрузочные камеры частично или полностью изготавливают из жаростойких сталей специальных марок.

Наряду с атмосферными существуют вакуумные барабанные сушилки периодического действия. Они делятся на сушилки среднего и глубокого вакуума.

1.3 Техника безопасности при эксплуатации сушилок

Общие требования безопасности оборудования определяются действующим ГОСТом. Так, производственное оборудование должно быть безопасным при монтаже, эксплуатации, ремонте, оно не должно загрязнять выбросами вредных веществ окружающую среду, должно быть пожаро- и взрывобезопасным.

Сушилку широко применяют в производствах химической промышленности, для этого используют специальные сушильные установки различных типов: полочные, барабанные, ленточные, камерные, с кипящим слоем и другие.

Сушилка сопровождается выделением больших количеств конвекционного и лучистого тепла. Во многих случаях она связана с применением тяжелого ручного труда при загрузке, перемешивании и выгрузке материалов.

В сушилах всех видов места выгрузки и загрузки твёрдых пылящих материалов должны быть по возможности герметизированы, а укрытия над этими местами обеспечены вытяжной вентиляцией.

Сушильные барабаны в местах соединения вращающихся частей с неподвижными оборудуют уплотнительными кольцами. Бандажи и шестерни сушильных барабанов закрывают сплошными кожухами на высоту 1.7 м.

Сушильные устройства или отдельные их части, выделяющие тепло, покрывают теплоизоляцией или экранируют. Температура наружной поверхности теплоизоляции или экранируемых устройств не должна превышать 45˚С, а для оборудования, внутри которого температура равна или ниже 100˚С, она должна составлять 35˚С. В барабанных сушилках предусмотрено автоматическое прекращение подачи сырого продукта при остановке превращающегося барабана. При изменении количества подаваемого на сушку продукта и его влажности тепловой режим сушильного барабана может измениться, что нарушит технологический процесс. Режим сушки регулируется системой автоматических устройств.

1.4 Охрана окружающей среды

Охрана природы – это система государственных и общественных мероприятий, обеспечивающих сохранение природной среды, пригодной для жизнедеятельности нынешних и будущих поколений людей. Предприятия химической промышленности выбрасывают в атмосферу значительные количества газов и пыли. К основным вредным веществам, загрязняющим атмосферу, относятся: углеводороды и их производные, оксид углерода, сероводород, сероуглерод, сернистый ангидрид, оксиды азота, хлор, технический углерод, фтористые соединения и другие продукты. Для очистки технологических выбросов от взвешенных частиц или тумана применяют различные газопылеулавливающие устройства. Предварительную очистку газа осуществляют в механических сухих пылеуловителях, пылеосадительных камерах различных конструкций, в инерционных пыле -и брызгоуловителях , циклонах и мультициклонах.

При этом частицы пыли, имеющие большую инерцию, чем частицы воздуха ударяются о стенки аппарата и опускаются в сборник пыли . В циклонах частицы пыли прижимаются центробежной силой к стенкам наружного цилиндра ,теряют скорость и соскальзывают в разгрузочный бункер, а воздух через внутренний цилиндр выходит в атмосферу. Эффективность очистки увеличивается при уменьшении размера циклона, так как центробежная сила обратно пропорциональна расстоянию частиц пыли от оси циклона. Поэтому вместо одного циклона большого размера целесообразно ставить параллельно несколько циклонов меньших размеров, которые называются батарейным циклоном. Применение пылеулавливающих устройств мокрого типа ограничивается в тех случаях, когда недопустимо увлажнение очищаемого газа. К этим устройствам относятся скрубберы, пенные газопромыватели, трубы Вентури, циклоны с водяной пленкой. Газовый поток в аппарате мокрой очистки обычно направляются снизу в вверх, а жидкость распыляется форсунками сверху Вода (жидкость) захватывает частицы пыли и уносит их из аппарата в виде шлама. Для тонкой очистки воздуха от пыли применяют фильтры различной конструкции. Сухие фильтры бывают бумажные, матерчатые, сетчатые и др. Гофрированную пористую бумагу закладывают в кассеты, через которые проходит запыленный воздух. Рукавные матерчатые фильтры располагают в металлической камере. Запыленный воздух поступает в тканевые рукава снизу. Проходя через ткань, он очищается и выходит наружу. Пыль оседает на поверхности ткани и периодически встряхиванием сбрасывается в пылесборник, откуда выводится шнеком.

Технологические меры уменьшения загрязнения стоков. Наиболее радикальным способом защиты водоемов от сбросов промышленных предприятий является создание технологических процессов, при ведении которых если не полностью, то хотя бы максимально уменьшается количество отходов. Полностью безотходных технологических процессов пока ещё немного. Однако многие отходы можно использовать в других производствах вместо природного сырья. При современном уровне производства в нашей стране ежегодно в виде отходов получают значительное количество сульфата натрия, отработанной серной кислоты с примесями азотной кислоты, минеральных веществ, органических соединений и много других отходов.