Сушка сернокислого аммония

Оглавление 

1. Введение 

1.1 Назначение и  классификация процессов сушки 

1.2 Классификация  и конструкция сушилок 

1.3 Обоснование выбора  метода сушки 

2. Тепловой расчёт  процесса сушки 

2.1 Расчёт количества  удаляемой влаге в сушильном  барабане 

2.2 Размеры сушильного  барабана 

3. Расчёт основного  оборудования 

3.1 Расчёт угла  наклона барабана 

3.2 Расчёт мощности, затрачиваемой на вращение барабана 

3.3 Бандажи и опорные  ролики 

3.4 Выбор и расчет  зубчатого венца и привода  барабана 

3.5 Выбор уплотнения  сушильного барабана 

3.6 Выбор насадки 

3.7 Выбор загрузочной  камеры 

3.8 Выбор разгрузочной  камеры 

4. Расчет и выбор  вспомогательного оборудования 

4.1 Расчет калориферной  установки 

4.2 Расчет и подбор  конденсатоотводчиков 

4.3 Расчет и выбор  транспортирующего устройства 

4.4 Расчет циклона 

4.5 Расчет вентилятора 

4.5.3 Расчет напора 

4.6 Выбор электрофильтра 

4.7 Выбор питателя 

4.8 Расчет затвора 

4.9 Расчет бункера 

Список использованной литературы 

Приложения 

1. Введение 

1.1 Назначение и  классификация процессов сушки 

Сушка -- это процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за счет подведенного к материалу тепла. 

При сушке изменяется теплопроводность материала, снижается  его объемный вес и повышается прочность. Чем выше качество материала, тем больше возможность его использования. Это может быть обеспечено при  соответствующем режиме процесса сушки, который должен проводиться при  определенной температуре, давлении и  относительной влажности сушильного агента. Режим сушки зависит от свойств высушиваемого материала. 

Сушка широко применяется  в химической, химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. 

В химической промышленности сушка обычно является завершающим  процессом в производстве почти  всех химических продуктов. 

Среди основных причин, которыми может быть обусловлена  необходимость сушки можно выделить следующие: 

Влажный продукт  может портиться при хранении, так как влага вредно воздействует на товарные свойства многих материалов; слеживание, смерзание в зимний период, образование плесени на пищевых  продуктах. 

Влажность полупродуктов  может быть вредна на последующих  стадиях переработки: выступать  как каталитический яд, ухудшать качество конечного продукта (например, снижать  качество нити в волокнообразующих  полимерах при продавливании  через фильеры). 

Перевозка высушенного  материала потребителю, особенно на дальние расстояния, обходится дешевле  из-за меньшего объемного веса. 

Сушка -- один из наиболее энергоемких процессов химической промышленности: по подсчетам экспертов на нее идет до 12% производимого в стране топлива. В связи с этим, особое внимание должно быть уделено выбору режима сушки, схемы процесса и конструкции сушилки. 

Как и большинство  химических процессов, процесс сушки  преимущественно осуществляют в  непрерывном режиме, при котором, по сравнению с периодическим, легче  управлять процессом и получать продукт стабильного качества с  высокой производительностью. 

Сушка проводится либо под атмосферным давлением, либо под вакуумом, при этом высушиваемый материал может находиться в состоянии  покоя, перемещаться, перемешиваться в  «кипящем слое». 

Процесс сушки проводят при различных способах передачи тепла: конвективная и контактная сушка, сушка токами высокой частоты, сушка  инфракрасными лучами (радиационная сушка), сушка сублимацией. Первые три  метода наиболее распространены в химической промышленности. 

При конвективной сушке  тепло передается от теплоносителя  к поверхности высушиваемого  материала, и происходит испарение  влаги с поверхности материала  в теплоноситель. В качестве теплоносителей применяют воздух, топочные или инертные газы. 

При контактной сушке  идет передача от обогреваемой перегородки  к материалу, лежащему на ней (противни с подогревом снизу, металлические  барабаны с наружным газовым или  водяным обогревом, металлические  обогреваемые изнутри вальцы, по поверхности  которых движется паста, непрерывная  лента высушиваемого материала). Влага поглощается либо воздухом, либо промежуточной средой. 

При радиационной сушке  тепло передается тонкому слою материала, либо поверхности его, покрытой лаками и красками, от электрических или  газовых инфракрасных излучателей. Сушка протекает интенсивно. Сушилки  отличаются малой инерционностью. 

Электрический ток (высокой  или промышленной частоты) применяется  для сушки древесины, пенопласта, искусственного волокна и т.д. При  сушке древесины быстро прогреваются внутренние слои материала, направления  потоков влаги и тепла совпадают и процесс резко ускоряется. Этот метод отличается дороговизной. 

Сушка сублимацией, или молекулярная сушка, которая  происходит при значительном вакууме  в сушильной камере, чаще применяется  в пищевой, чем в химической промышленности, с целью сохранения объема, цвета, запаха, вкусовых и биологических  свойств материала. Этот метод используется при получении сгущенного и сухого молока. Оборудование для этого метода отличается высокой сложностью. 

Сушка в жидких средах является относительно новым методом, при котором высушиваемый материал помещают в высококипящую среду (t=150°C). Обычно этот метод используется для сушки древесины при одновременной  ее пропитке. 

Следует также упомянуть  о сушке со сбросом давления, когда  влага выделяется из нагретого материала  при сбросе давления в сушильной  камере. 

Помимо указанных, существуют комбинированные методы сушки, при которых совмещаются  конвективная и высокочастотная  сушка, сушка инфракрасными лучами и воздушная конвективная сушка, что снижает затраты на сушку (сушка кинопленки). 

1.2 Классификация  и конструкция сушилок 

Из разнообразия возможных методов сушки следует  множество конструкций сушилок  для осуществления тех или  иных методов. По технологическим признакам  сушилки можно классифицировать следующим образом: 

по давлению (атмосферные и вакуумные); 

по периодичности  процесса (периодического, полунепрерывного и непрерывного действия); 

по способу подвода  тепла (конвективные контактные, радиационные и сушилки с нагревом материала  токами высокой частоты); 

по роду сушильного агента (воздушные, газовые сушилки  и сушилки на перегретом или насыщенном паре); 

по направлению  движения материала и теплоносителя (прямоточные, противоточные и перекрестного  тока); 

по тепловой схеме (калориферные, с дополнительным внутренним обогревом, с рециркуляцией части  отработанного воздуха, со ступенчатым  подогревом и комбинированные, например, со ступенчатым подогревом и рециркуляцией); 

по способу обслуживания (с ручным обслуживанием и механизированные); 

по способу нагрева (с паровым, огневым, газовым и электронагревом); 

по циркуляции теплоносителя (с естественной, искусственной циркуляцией, однократной и многократной циркуляцией). 

Типовые конструкции  сушилок: шкафные, камерные, туннельные, шахтные, ленточные, барабанные, вальцевые (контактные), пневматические, распыливающие, с кипящим слоем, вибрационные. 

Выбор давления в  сушилках определяется химическим составом продукта, условиями его окисления  и разложения, допускаемой температурой нагрева. В атмосферных сушилках давление либо атмосферное, либо несколько  выше его. Эти сушилки используются для сушки большинства химических продуктов. 

Вакуумные сушилки  применяются при сушке химикатов  для обработки цветной кинопленки, красителей, крошки смолы лавсан, полиамидной  крошки смолы капрон и т.д. В химической технологии в качестве сушильного агента широко используется воздух (сушка  калийных солей, анилиновых красителей), топочные газы (сушка суперфосфата натрия и т.д.), инертные газы (сушка  поликапроамида в токе азота). 

Наиболее экономичными по затрате тепла являются противоточные  сушилки. Прямоточные сушилки применяются  в тех случаях, когда высушиваемый материал не выдерживает высокой  температуры в конце сушки. Как  видно из приведенной классификации, по конструктивным особенностям сушилки  весьма разнообразны. Барабанные сушилки  широко применяются при сушке  топлива, руды, удобрений, ядохимикатов, сопутствующих продуктов и т.д. 

1.3 Обоснование выбора  метода сушки 

Задание на курсовое проектирование определяет необходимость  осуществления процесса сушки в  непрерывном режиме. Высушиваемый материал -- солянокислый анилин. Установка должна обеспечивать производительность 13800 кг/ч. 

На основании этого  наиболее выгодной для осуществления  процесса конструкцией является барабанная сушилка из-за ее высокой производительности и надежности. В качестве самого дешевого сушильного агента выбирается воздух. Процесс в режиме прямотока. 

Выбор источника  теплоты определяется наличием доступного вида энергоносителя, в данном случае греющего пара (от ТЭЦ или сопряженных  химических процессов). 

Барабанная сушильная  установка должна размещаться в  производственных помещениях для защиты от атмосферных воздействий на оборудование и сокращения тепловых потерь в зимний период. Материал деталей корпуса  барабанной сушилки - сталь В Ст 3 сп ГОСТ 380 - 71. 

2. Тепловой расчёт  процесса сушки 

Расчёт основного  оборудования начинаем с расчёта  основного узла сушильной установки - барабана, т.е. с определения его  размеров, - диаметра и длины, на основе исходных данных, а именно: объёмного  напряжения барабана по влаге; расхода  влажного материала; конечной влажности  материала. 

2.1 Расчёт количества  удаляемой влаге в сушильном  барабане 

W - количество удаляемой  влаги в сушильном барабане, кг/с; 

GС.М. - расход сухого  материала, ; 

U1, U2 - относительная  влажность материала соответственно  на входе в барабан и на  выходе из барабана, 

;

2.2 Размеры сушильного  барабана 

Объём барабана 

, 

где m-отношение между  Lб и Dб (из [1]); 

Напряжение по влаге  в рабочем объёме , а количество удаляемой влаги в барабане равно , принимаем ориентировочное значение m (из [1]) из ряда m=48, например m=6. 

Определяем в первом приближении диаметр барабана: 

Ближайший больший  диаметр барабана (из [1]): Dб=2500 мм. При этом длина аппарата равна 14000 мм. Выбор длины аппарата определяется минимально необходимым объёмом аппарата: 

Минимально необходимая  длина аппарата при известном  минимально- необходимом объёме и  известном диаметре аппарата: 

Окончательно имеем: Dб=2500 мм, Lб=14000 мм. 

Найденное значение диаметра барабана следует проверить  по предельно допустимой скорости сушильного агента в барабане, Wс.а., м/с. 

Для определения  скорости движения сушильного агента в барабане необходимо, прежде всего, рассчитать его потребный расход (массовый и объёмный). 

Расчёт потребного расхода сушильного агента 

Определение параметров воздуха на входе в сушильную  камеру 

В случае сушки атмосферным  воздухом параметры атмосферного воздуха  определяются непосредственно по диаграмме  Рамзина в зависимости от географического района, в котором будет установлена сушилка. Свою сушку расположим в г. Пермь, что не так далеко от одного из крупнейших заводов по производству сернокислого аммония: ГУБАХИНСКОГО КОКСОХИМИЧЕСКОГО ЗАВОДА, АООТ. 

В справочной части [2], (стр. 512-513) находим температуру  и относительную влажность атмосферного воздуха в г. Пермь для июля месяца: t0=18 0C; 0=72%. По диаграмме I-X определяем остальные параметры воздуха: I0=41,8 кДж/кг а.с.в.; X0=0,0091 кг вл./кг а.с.в. 

Определение параметров воздуха на входе в сушильный  барабан. 

Параметры атмосферного воздуха претерпевают изменения  при прохождении через калорифер  сушильной установки и становятся равными: t1, 1, I1, X1. 

X1=X0 при нагревании, t1=128 0C. Определяем положение точки  1 по диаграмме I-X по этим параметрам. Далее находим значения энтальпии  и относительной влажности на  входе в сушильную камеру: 1<5%; I1=154,6 кДж/кг а.с.в. 

Определение параметров воздуха на выходе из сушильного аппарата в случае идеальной сушки. 

В соответствии с  уравнением теплового баланса сушильной  установки имеем: 

, 

где qдоп - удельный подвод тепла в сушильной камере, кДж/кг уд.вл.; q0, qT, qM, соответственно удельные потери тепла в окружающую среду, с транспортными устройствами и с материалом; I - удельный расход абсолютно сухого воздуха, кг а.с.в./кг уд.вл.; I1, I2 - энтальпия воздуха, соответственно, на входе и выходе сушильного барабана, кДж/кг а.с.в. 

Согласно определению  идеальной сушилки каждая из qдоп, q0, qT, qM равна нулю, следовательно, для такой сушилки I2=I1, т.е. линия сушки совпадает с линией I=const. По диаграмме Рамзина по двум параметрам (I2, t2) определяем положение точки 2, которая характеризует воздух на выходе из сушильного барабана. Получаем: 

2=38,5%, Х2=0,0384 кг вл./кг а.с.в. 

Определение действительных параметров воздуха на выходе из сушильного барабана. 

Воспользуемся основным уравнением статики сушки: 

Здесь I и X - параметры  воздуха в произвольном сечении  сушильного барабана. Значение ? будет определяться суммой двух величин: удельными потерями тепла в окружающую среду и с материалом. 

Потери тепла в  окружающую среду изолированного барабана составляют: 

где -коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности барабана к окружающей среде и может быть рассчитан по формуле (из [2]): 

где и, t0 - температура, соответственно, наружной поверхности  изоляционного слоя барабана и окружающей среды (если установка располагается  в помещении, тогда и=3050 0С, t0=1520 0С); 

DИ - диаметр барабана с учётом толщины изоляции, м. 

Удельные потери тепла с материалом рассчитываются по формуле:

где Н1 и Н2 - энтальпия влажного материал, соответственно, на выходе и входе в барабан, кДж/кг с.м. 

Энтальпия влажного материала: 

где и - теплоёмкость, соответственно сухого материала и  влаги; - температура материала на выходе из барабана. 

Зададимся температурой наружной поверхности изоляции и=40 0С, и температурой окружающей среды t0=20 0C. Диаметр барабана с изоляцией  принимаем равным диаметру барабана без изоляции, т.е. DИ=2500 мм. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности барабана к окружающей среде: 

Тогда удельные потери тепла в окружающую среду: 

Рассчитаем энтальпию  материала на входе и выходе барабана прямоточной сушилки, если принимаем, что температура материала на входе в барабан(со склада) равна 5 0С, температура воздуха на выходе составляет 55 0С, а теплоёмкость сухого материала (из [3], стр.228) равна 2,02 кДж/кг*град. Выбираем прямоточную подачу СА и материала, во избежание разложения (сульфат аммония разлагается при температуре чуть выше 100 0С, превращаясь при этом в гидросульфат аммония), размягчения, и слипания материала., при этом материал содержит свободную влагу и его температура не может подняться выше 100 0С. 

Рассчитаем энтальпию  материала на выходе и входе барабана, принимая 

Удельные потери тепла с материалом: 

Рассчитаем сумму  удельных потерь тепла: 

Задаёмся произвольным значением влагосодержания воздуха  Х>Х0, Х=0,020, и находим сопряжённое ему значение теплосодержания: 

Находим положение  произвольной точки (Х, I), в поле диаграммы. Соединяем полученную точку с  точкой 1 (Х1, t1) и продолжаем линию реального процесса до пересечения с линией t2=550C. Находим положение точки 2 и соответствующие ей параметры: 

t2=55 0C, I2=116,8 кДж/кг  а.с.в., X2=0,0235 кг вл./кг а.с.в. 

Расчёт потребного расхода воздуха в реальной сушилке. 

Потребный расход воздуха  в реальной сушилке может быть выражен: через массовый расход а.с.в., L; через массовый расход влажного воздуха, Lвл; через объёмный расход влажного воздуха; соответственно: 

где V0 - условный удельный объём воздуха, который может  быть рассчитан по формуле: 

где Rв - газовая постоянная для воздуха = 287 Дж/кг*К; 

Tв - температура воздуха, К; B - барометрическое давление, Па. 

Определим удельный расход воздуха: 

Тогда массовый расход а.с.в. будет равен: 

Условный удельный объём отработанного воздуха: 

Объёмный расход влажного воздуха: 

Расчёт скорости движения воздуха на выходе барабанной сушилки. 

Скорость движения сушильного агента в выходном сучении  барабана Wв связана с диаметром барабана Dб уравнением расхода: 

где - коэффициент  заполнения барабана, или доля сечения  барабана, занятая высушиваемым материалом. Коэффициент заполнения изменяется с изменением типов внутренних устройств  барабана (лопастная система, распределительная  система, перевалочная система с  закрытыми ячейками, комбинированная), с изменением диаметра подпорного кольца на выходе из барабана высушиваемого  материала, с изменением свойств  материала; и может колебаться от 0,05 до 0,30. Этот параметр процесса определяет среднее время пребывания материала  в барабане. Время сушки уже  известно по заданию в неявном  виде в форме напряжения по влаге . 

Находим внутренний диаметр барабана, учитывая, что  толщина стенок барабана 14 мм (из [1], стр. 16): 

Определяем скорость воздуха, принимая коэффициент заполнения барабана высушиваемым материалом - 0,2.: 

Расчет скорости уноса частиц основной фракции 

Определим среднюю  температуру сушильного агента в  барабане как среднее арифметическое температуры воздуха на входе  и выходе из сушилки: 

Для данной температуры  в барабане по номограмме [2], стр.530, рис.VI коэффициент динамической вязкости воздуха: 

Среднее влагосодержание  воздуха в сушилке составляет: 

Среднее парциальное  давление водяных паров в сушилке  определим по уравнению: 

, 

где Mасв=29 кг/кмоль - молярная масса воздуха, Mв=18 кг/кмоль - молярная масса воды. 

Вычислим плотность  воздуха при средней температуре  в сушильном барабане: 

, 

где - мольный объем  при стандартных условиях, T0 = 273,15 K - стандартная температура. 

Найдем коэффициент  кинематической вязкости воздуха: 

Вычислим критерий Архимеда из [13], стр.28: 

, 

где - ускорение свободного падения, - плотность высушиваемого  материала. 

Скорость уноса  основной фракции частиц высушиваемого  материала определим по формуле  Тодеса [13], стр.235, ф.(2.72): 

Скорость уноса  основной фракции частиц материала  больше скорости движения сушильного агента в барабане. Уноса основной фракции материала быть не должно. 

Проверка найденного значения диаметра барабана по допустимой скорости сушильного агента в барабане. 

В выбранном сушильном  аппарате материал и сушильный агент  движутся параллельно и прямотоком. При этом достигается высокая  интенсивность сушки и минимальные  затраты тепла. Кроме того, материал сохраняет начальные свойства, т.к. в процессе его сушки не перегреваются  даже самые мелкие частицы. 

Наиболее простой  зависимостью связана допустимая скорость сушильного агента в барабане с дисперсностью  и плотностью частиц материала в  случае прямотока. В таблице 3.1 (из [4], стр. 13) представлена зависимость допустимой скорости сушильного агента в барабане от кажущейся плотности материала  и от размера частиц. 

Кажущаяся плотность  материала: 

где - плотность материала, - порозность, примем , тогда кажущаяся плотность:

При среднем размере  частиц материала составляет 0,8 мм, и кажущейся плотности материала  сK=1061 кг/м3, найденное значение диаметра барабана обеспечивает скорость движения сушильного агента не превышающую допустимую. 

3. Расчёт основного  оборудования 

3.1 Расчёт угла  наклона барабана 

Для продвижения  материала в осевом направлении  барабан устанавливается под  некоторым углом наклона к  горизонту, изменяющимся на практике от 10 до 40. Необходимый угол наклона  барабана для данного числа оборотов может быть определён. Пренебрегая  влиянием скорости сушильного агента в барабане на поведение частиц высушиваемого  материала, можно записать следующее  выражение для скорости перемещения  материала в барабане: 

где - коэффициент  высоты подъёма частиц материала, зависящий  от типа насадки, выбираем распределительную  насадку, m=0,333; - дистанция, которую проходит каждая частица материала за один оборот барабана. Также перемещение  скорость материала в барабане может  быть найдена: 

где VM - объёмный расход материала, м3/с; F - поперечное сечение  материала, м2; - доля сечения барабана, занятая материалом. Получаем окончательно:

Т.к. , получаем: 

Объёмный расход материала: 

- для распределительной  насадки выбираем 20% (из [5], стр. 299), n выбираем 4об./мин, тогда угол наклона барабана: 

3.2 Расчёт мощности, затрачиваемой на вращение барабана 

Момент, необходимый  для вращения барабана, установленного на роликах, складывается из четырех  слагаемых: момента трения качения  бандажа по роликам; момента трения скольжения на цапфах роликов в подшипниках; момента трения от скольжения сыпучего материала по барабану при его  вращении; момента, возникающего от действия силы тяжести материала вследствие непрерывного поднимания его на некоторую  высоту. Произведение суммы вышеназванных моментов на угловую скорость вращения барабана и есть потребная мощность барабана. В упрощенном виде такое произведение было представлено Л.Б. Левинсоном в виде формулы: 

где , а G и G0, соответственно, масса барабана и масса материала в барабане. 

Согласно последней  формуле можно сделать вывод, что масса загруженного в барабан  материала оказывает значительно  большее влияние на мощность, чем  масса самого барабана. 

Практика расчетов показывает, что формула Левинсона  дает завышенные значения мощности по сравнению с действительной (каталожной), и кроме того, эта формула не учитывает влияние внутреннего  устройства барабана на потребляемую мощность. Формула, приведенная ниже, лишена указанных недостатков и позволяет произвести расчет потребной мощности на вращение барабана с точностью достаточной для технических расчетов. 

где G0 - масса загруженного материала в кг; Dб - диаметр барабана в м, п - число оборотов барабана, об/мин.; К - поправочный коэффициент, учитывающий внутреннее устройство барабана: для гладкого барабана К = 1; 

для барабана с распределительными насадками К = 1,51,6; 

Мощность электродвигателя назначают с учетом к.п.д. привода: