Распылительная сушилка. 2

Введение

Сушка – это  процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за счет подведенного к материалу тепла. Целью сушки является улучшение качества материала (снижение его плотности, повышение прочности) и, в связи с этим, увеличение возможностей его использования.

В керамической промышленности для обезвоживания  шликеров в основном применяют два способа: механический и термический. Механический способ обезвоживания основан на процессе фильтрования суспензии через тканевый фильтр под давлением 0,5 – 1,5 МПа. Обезвоживание производят в камерных и рамных фильтр–прессах периодического действия, а также в автоматических камерных фильтр–прессах циклического действия. Основным недостатком данного способа является относительно высокая влажность осадка (19–25%). Поэтому для получения из осадка пресс–порошка необходимы последующие сушка и помол, что значительно усложняет технологический процесс.

Термический способ обезвоживания материала основан  на процессах тепло- и массообмена, в результате которых из материала испаряется влага. Сушку керамической суспензии проводят в башенных распылительных сушилках и сушильных барабанах.

Распылительная  сушка в основном применяется, если необходимо испарить растворитель и получить из высушиваемого материала порошкообразный или гранулированный сухой продукт.

Экономическая целесообразность распылительной сушки  особенно очевидна при необходимости сушки материалов, близких к состоянию насыщения (например, после выпарки), а также при организации в камере сушилки комбинированного процесса гигрометрической обработки. Высушенные материалы специальными приспособлениями (вращающимися дисками, форсунками) диспергируются в сушильной камере, через которую протекает тепло- и влагоноситель в газообразном состоянии (нагретый воздух, газы продуктов горения топлива, перегретый пар и т.п.). Благодаря развитой поверхности диспергированных частиц происходит интенсивный тепло- и массообмен с агентом сушки (теплоносителем), и распыленные частицы быстро отдают свою влагу. Сухой продукт в виде порошка падает на дно сушильной камеры, откуда непрерывно удаляется. Невыпавшая часть высушенных частиц выделяется из отработанного газа или воздуха в пылеотделителях (матерчатых фильтрах, циклонах, скрубберах и т.д.).

Высушенные  частицы в большинстве случаев  имеют разнообразную форму и  могут быть сплошными (монолитными), пустотелыми или иметь губчатую структуру в зависимости от молекулярной структуры высушиваемого раствора и режима сушки.

Способ сушки  распылением обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами сушки.

1. Процесс сушки протекает чрезвычайно быстро (обычно 15-30 сек), и частицы в зоне повышенных температур имеют насыщенную поверхность, температура которой близка к температуре адиабатного испарения чистой жидкости. Благодаря мгновенной сушке и невысокой температуре распыленных частиц материала высушенный продукт получается хорошего качества. По качественным свойствам продукт, высушенный в распылительных сушилках в нагретом воздухе или инертном газе (азот, углекислый газ), можно сравнить только с продуктом, высушенным в глубоком вакууме.

2. При сушке  распылением легко регулировать  и изменять в нужном направлении качественные показатели готового продукта в зависимости от условий сушки. Например, можно регулировать и изменять в определенных границах плотность сухого порошка, величину частиц, конечную влажность и температуру.

3. В результате  сушки получается готовый продукт,  который не требует обычно  дальнейшего измельчения и обладает  повышенной растворимостью.

4. При применении  сушки распылением часто может  быть значительно сокращен и  полностью механизирован технологический  цикл получения сухого продукта. В этом случае могут быть исключены такие процессы как фильтрация, центрифугирование, размол и т.д.

5. В распылительных  сушилках можно достигнуть высокой  производительности по высушиваемому материалу, при этом не требуется большого количества обслуживающего персонала.

6. Высушиваемый  материал в процессе сушки  не соприкасается с поверхностями сушилки до тех пор, пока он не высохнет. Это упрощает разрешение проблемы коррозии и выбора материала для сушильной камеры. При других способах сушки влажный продукт соприкасается с металлическими поверхностями.

7. В распылительных  сушилках можно осуществить сушку в широких температурных пределах (60-1200° C).

8. Распылительные  сушилки могут быть использованы  для сушки липких аморфных продуктов, которые требуется получить в измельченном состоянии. Измельчение таких продуктов, например, с помощью размола осуществить невозможно. В камере одновременно находится немного продукта, поэтому нет опасения за порчу большого количества его в случае непредвиденной остановки сушилки.

9. При сушке  распылением легко осуществить  получение высушенного продукта, состоящего в определенных соотношениях из ряда различных сухих компонентов, добавлением необходимого количества других материалов до сушки в основной материал или одновременным распылением этих материалов.

10. Не происходит  вынос пыли высушиваемого продукта  в помещение цеха, что особенно важно при сушке вредных для человеческого организма веществ.

Метод сушки  распылением имеет и недостатки: большие удельные габариты сушильной установки при сушке с начальной температурой воздуха 100-150° C;

сравнительно  дорогое и сложное оборудование для распыления и выделения высушенного продукта из отработанных газов;

повышенный  расход электроэнергии, обусловленный  затратами на распыление и увеличенным расходом воздуха, вследствие небольшого процента насыщения отработанного воздуха при невысоких начальных температурах сушки;

небольшие плотности  высушенного продукта, вследствие чего для необходимой плотности приходится применять, например, брикетирование порошка.

Удельный расход тепла, отнесенный к 1 кГ испаряемой влаги, в распылительных сушилках составляет в зависимости от режима сушки 850-1500 ккал/кГ.

Технико-экономические  показатели этого метода сушки могут  быть значительно улучшены за счет интенсификации процесса испарения в распылительных сушилках. Как показала практика, при сушке высокодиспергированных материалов можно значительно интенсифицировать процесс, в результате чего сокращаются габариты установки и расходы электроэнергии и тепла.

1. Краткое  описание распылительной сушилки

Распылительная сушилка  включает сушильную камеру, газооборудование, вентиляционную систему, систему подачи суспензии, КИП и автоматику.

Сушильная камера представляет собой сварную из 4–5 мм металлического листа башню, перекрытую металлической крышкой. Днище камеры выполнено в виде конусного бункера и приварено к корпусу. В производстве керамических плиток для корпуса используется нержавеющая сталь типа Х13 или Х25Т. Снаружи боковая и верхняя поверхность корпуса изолирована минераловатыми плитами толщиной 200 мм, а днище – минераловатыми плитами толщиной 60–100 мм. Покровным слоем теплоизоляции служит тонколистовой металл – алюминий либо оцинкованная сталь. Днище камеры заканчивается центральным отверстием для выпуска порошка. К отверстию крепится течка с лепестковым затвором, уменьшающим подсосы воздуха. В крышке сушильной камеры устроен взрывной клапан в виде мембраны из асбестового картона толщиной 10 мм. Для наблюдения за работой горелок и форсунок в стенах сушильной камеры имеются люки со смотровыми окнами и устройства для освещения рабочего пространства. Снаружи на конусном днище смонтирован один или несколько стандартных вибраторов с возмущающей силой не более 1000 Н. Вибраторы предназначены для кратковременного включения при «зависании» порошка на днище.

Для сжигания газа в стенах сушильной камеры, примерно в середине по высоте, равномерно по периметру установлены газовые горелки. В конусном днище установлен вытяжной зонт для удаления отработанных газов. Вытяжной патрубок зонта подключен к пылеулавливающему циклону, который, в свою очередь, соединен с отсасывающим вентилятором. Сечение зонта 1–2,5 м, что обеспечивает небольшой (не более 2–4%) вынос материала с отходящими газами. Сушилка оборудована системой контрольно-измерительных приборов, показывающих температуру и разрежение в верхней части сушильной камеры, в выгрузочном конусе, до и после циклонов. Контролируются также давление газа и давление суспензии в нагнетающем трубопроводе. Для распыления суспензии служат механические тангенциальные форсунки, работающие при давлении 10–12 атм. Диаметр сопел форсунок 2,1 или 1,5 мм.

Форсунки с соплами  небольшого диаметра быстрее засоряются. Поэтому большое внимание уделяется очистке суспензии. При совместном помоле пластичных и отощающих материалов суспензию при сливе из мельницы пропускают через вибрационное сито с 400 отв/см² и при перекачке в расходный бассейн через сито с 900 отв/см². Соблюдение правил приготовления суспензии и исправность системы ее очистки практически исключают засорение сопел.

В соответствии с ГОСТ 18906–80 распылительные сушилки общего назначения в зависимости от способа распыления суспензии подразделяются на два типа:

РФ – распылительные сушилки  с распылением исходного материала  механическими или пневматическими форсунками;

РЦ – распылительные сушилки  с распылением исходного материала центробежными форсунками.

Исполнение сушилок может  быть: Н – невзрывозащищенное, В-взрывозащищенное, П – с устройством пожаротушения.

Для изготовления конструкционных  элементов сушилки, соприкасающихся в процессе эксплуатации с получаемым порошком или исходной суспензией, могут использоваться материалы следующих групп: У – углеродистые стали и чугун, К – корозионностойкие стали и сплавы, Т – титан и его сплавы, М – цветные сплавы, Э – эмали.

Указанный стандарт устанавливает 6 модификаций распылительных сушилок в зависимости от их конструктивных признаков (места расположения распылителя и подвода теплоносителя, конструкции днища):

1 – с нижним подводом  теплоносителя, коническим днищем  и расположением распылителя вверху сушильной камеры;

2 – с верхним подводом теплоносителя, коническим днищем и расположением распылителя вверху сушильной камеры;

3 – с верхним подводом  теплоносителя, коническим днищем  и расположением распылителя внизу сушильной камеры;

4 – с верхним  подводом теплоносителя, плоским днищем и расположением распылителя вверху сушильной камеры;

5 – с верхним  подводом теплоносителя, плоским  днищем и расположением распылителя внизу сушильной камеры;

6 – с нижним  и верхним подводом теплоносителя,  коническим днищем и расположением  распылителя вверху сушильной камеры.

Основным недостатком  сушилок с верхней подачей  суспензии является значительная разница  во влажности крупных и мелких гранул, в результате чего крупные  частицы прилипают к конусному  днищу и препятствуют равномерному выходу порошка из сушилки. При нижней подаче суспензии влажность порошка на различном расстоянии от оси сушилки практически совпадает со средней. Отмеченные недостатки сушилок с верхней подачей суспензии устранены в сушилках с нижней подачей.

Наряду с  распылительными сушилками на газообразном топливе используют сушилки на жидком топливе, преимущественно на мазуте. Отличительной особенностью таких сушилок является использование выносной топки, установленной на нулевой отметке, и соединительного трубопровода между топкой и потолком сушилки.

В данной курсовой работе будут рассмотрены распылительные сушилки с распылением центробежными форсунками.

2. Особенности  распыления центробежными дисками

Размер зерен  и их содержание в порошке регулируется давлением и размером отверстий форсунок или насадок центробежных дисков. При распыливании суспензии центробежный диск диаметром 300 мм вращается со скоростью около 7000 об/мин, мелко распыляя суспензию в потоке горячего воздуха, поднимающегося в камеру снизу. Суспензия к диску подается самотеком. Распылительный диск изготовляют из нержавеющей стали со сменными форсунками из износоустойчивого материала (карбид вольфрама). Срок службы форсунок более 3000 ч. При использовании дисковых распылителей во избежание налипания массы на внутренние стенки сушильной камеры ее устраивают большего диаметра и меньшей высоты.

Раствор по специальному питательному устройству подается сверху на быстровращающийся диск и получает вращательное движение. Под действием центробежных сил раствор в виде пленки перемещается с непрерывно возрастающей скоростью к периферии диска и сбрасывается в виде неустойчивых струек, распадающихся на капли. Если же производительность по раствору увеличивать, то из струек образуется сплошная пленка, которая распадается с образованием мелких капель.

Величина капель и однородность распыла зависят  от окружной скорости диска и толщины  пленки раствора; последняя определяется производительностью. При окружных скоростях диска меньше 50 м/сек получается резко выраженный неоднородный распыл. С увеличением скорости вращения неоднородность распыла уменьшается и скорости свыше 60 м/сек можно считать имеющими промышленное значение. Кроме того, дисперсность зависит от конструкции распылительного диска. По данным, полученным при центробежном распылении красителей, независимо от конструкции диска рекомендуется вести распыление при больших окружных скоростях (от 130 м(/сек и выше). Это позволяет получить более тонкую и однородную дисперсность высушенного материала; сократить размеры сушильной камеры, так как диаметр факела распыла и необходимая высота для сушки вследствие более тонкой дисперсности распыляемого материала уменьшаются и, кроме того, создаются более благоприятные условия для улучшения распределения распыленною продукта и теплоносителя; увеличить производительность сушилки, не меняя ее габаритов.

Существует  большое количество конструкций  центробежных дисков.  Для распыления вязких растворов, грубых суспензий или подвижных паст применяют сплошные диски в виде тарелки, так как скорость раствора, слетающего с диска, вследствие скольжения меньше, чем при распылении другими типами дисков. В ряде случаев для уменьшения скольжения на поверхности диска делают канавки круглого или прямоугольного сечения или выполняют диски с лопатками. Для того чтобы получить большую производительность при малом диаметре факела распыла, необходимо применять многоярусные диски. На таких конструкциях при малых диаметрах дисков легко получить высокие скорости вращения. Для получения однородного распыла при дисковом распылении необходимо вращать  диск с постоянной скоростью без колебаний и вибраций. Подача раствора должна быть постоянной, а поверхность диска достаточно гладкой.

Преимущества  и недостатки распыления с помощью  центробежных дисков: Распыление с помощью центробежных дисков имеет большие преимущества по сравнению с другими способами распыления. На диске можно распылять растворы с высокой вязкостью, включая грубодисперсные суспензии и пасты.

Диски не имеют  малых   отверстий   для   прохода   раствора, поэтому они не засоряются и работают надежно, давая равномерный распыл. При распылении на одном и том же диске можно  изменять производительность по раствору в пределах ±25%  без существенного изменения дисперсности и факела распыла. На одном диске можно получить большую   производительность (до 15000 кг/ч), Расход электроэнергии в несколько раз меньше, чем при пневматическом распылении и немного выше по сравнению   с   механическим   распылением.   При   дисковом   распыле сушильная установка легко автоматизируется.

К числу недостатков  этого метода распыления следует  отнести  большую стоимость распыливающего механизма, необходимость тщательного ухода, в частности, за смазкой и состоянием самого диска, иначе при пуске вследствие дебалансировки произойдет порча продукта, а в некоторых случаях - сушильной камеры.

3. Исходные данные для проектирования

W^ш =50% начальная влажность шликера

W^п =7% конечная влажность материала, после сушки.

t_ш=20 поступающего в сушилку

t_п=70 выгружаемого из сушилки

g_ун=1% унос порошка с отработанными газами

Число рабочих  смен в сутки N=3

Эксплуатационных часов в смену t=8ч

Эксплуатационных часов в сутки t=24ч

Рабочих дней в  неделю N_дн=7

Рабочих недель в году N_нг=50

Коэффициент использования  оборудования К=0,95

Пустотность керамической плитки Кп=4%

Объёмная масса  керамического черепка g=1800 кг/м³

Потери при  прокаливании п.п.п.=5%

Размеры керамического  камня 150*150*9 мм

Производительность  гидравлического пресса марки К/PY – 160(Тюрингия) П_ч=2800 шт/ч

t¹=300° С – температура сушильного агента при входе в сушильный барабан.

t²=120° С- температура сушильного агента на выходе.

d¹=40 гр/кг – влагосодержание сушильного агента при входе в суш. барабан.

4. Определение  производительности сушилки

Часовую производительность сушилки по условной плитке берем по производительности формовочных прессов, в нашем случае мы взяли гидравлический пресс K/PY-160 (Тюрингия) с часовой производительностью по условной плитке П_ч=2800 шт\ч.

Тогда производительность  в год:

П_г=П_ч* N_дн*N_нг *t*К=2800*50*7*24*0,95 = 22344000 шт\год

Объём одной  условной плитки

V_k=0,15*0,15*0,009=0,0002025 м³

Часовое кол-во по массе обожженного продукта

G_ч= П_ч* V_k*g*(1-К_п/100)=2800*0,0002025*1800*(1-4/100)=1020,6 кг/ч

Абсолютно сухого сырца

G`_ч= G₄/(1-п.п.п./100)=1074,3157 кг/ч

Абсолютно сухого материала поступающего в сушилку  с учётом уносов

 G``_ч= G`₄/(1- g_ун/100)=1085,1673 кг/ч

Порошка выходящего из сушилки

G_п= G`_ч/(1-W_п/100)=1207,0962 кг/ч

Порошка подлежащего  сушке с учётом уносов

G`_п= G_п/(1- g_ун/100)=1219,289 кг/ч

Шликера подлежащего сушке в распылительной сушилке

G_ш= G`_ч/(1- W^ш/100)*(1- g_ун/100)=2170,3347кг/ч

Испарённой  влаги

∆G_w= G_ш- G`_п=951,0457 кг/ч

5. Расчет  теплового баланса установки

А) Теоретический процесс сушки.

Зная начальные  параметры t¹=210° С, d¹=40 (гр/кг), j=10%  Используя i-d диаграммы найдём  конечную точку при теоретическом процессе сушки C₀ c параметрами t²=134, d²=70(гр/кг).

Теоретический расход сушильного агента

(кг/ч).

Б) Фактический процесс сушки.

 Далее необходимо  найти величину уменьшения энтальпии дымовых газов Δ.

 ΣQ=Q_м+Q_{окр среду}+Q_и

• Расход теплоты на нагрев материала

G_{сух мат}-производительность по сухому материалу,

c_м- теплоемкость шликера при средней влажности.

(кДж/кг° С).

(кДж/ч).

• Расход теплоты на испарение влаги с учётом затрат теплоты на перегрев образовавшихся паров

(кДж/ч).

∆G_w- расход испаряемой влаги.

• Удельные потери теплоты в окружающую среду

Q_{окр.сред}=Q_перекр+Q_{цилиндр}+Q_конус

Тепловой поток  через плоскую часть перекытия

Q_перекр=K×F(t_w-t_e)=30,2×0.29(210+20)=2014 кДж/ч

F-площадь перекрытия

м²

К- коэффициент  общей теплопередачи 

Тепловой поток  через гладкую поверхность цилиндрического ограждения

Q_{цилиндр}= K×F(t_w-t_e)=0.29×102,6×(210+20)=6843,42 кДж/ч

F=πDH=3.14×6,2×5,26=102,6м²

Тепловой поток  через гладкую поверхность конусную часть ограждения

Q_конус= K×F(t_w-t_e)=39,4×0.29×(210+20)=2628 кДж/ч

       S Q_{окр.сред}= Q_перекр+Q_{цилиндр}+Q_конус =11485,42 кДж/ч

Суммарные потери:

S Q=11485,42+40287+2774923 = 2826695,42 кДж/ч

Тогда (кДж/кг).

Откладываем эти  потери на диаграмме от точки C₀ вертикально вниз. Получаем точку К. Проводим через точки В и К прямую. Пересечение этой прямой с φ=10% даст конечную точку фактического процесса сушки. Ее параметры t^2-2=94° С, d^2-2=61 (гр/кг). Прямая ВС₁- прямая фактического процесса сушки.

 Рассчитаем  расход сушильного агента при  фактическом процессе сушки 

(кг/ч).

Тепловой баланс:

Невязка баланса  1,1%. 

7. Технико-экономические  показатели

При определении  удельного расхода топлива учитываем  к.п.д. топки, принимаемый h_t=0,9[4].

Определяем  удельный расход сухих газов на 1 кг испаренной влаги.

Расход топлива m_т=Q/(Q_н^р*КПД) =94(м³)

где Q_н^р- низшая теплотворная способность., природного газа шебелинского месторождения 38300 (кДж/м³).

К.п.д. установки