Барабанная сушилка
Федеральное агентство по образованию РФУральский Государственный Лесотехнический Университет
Кафедра “Химической технологии древесины”
УСТАНОВКА СУШИЛЬНАЯ
Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту
по процессам и аппаратам химической технологии
УС – 09.00.00 РПЗ
Разработала
студентка ИЭФ-43 Журлова М.С.
Руководитель проекта: Старцева Л.Г.
Зав. кафедрой: Юрьев Ю.Л.
Екатеринбург
2009
С
ОДЕРЖАНИЕВведение
1 Описание принципиальной технологической схемы 6
2 Расчет основных аппаратов сушильной установки…………………….7
2.1 Расчет топки для сушильной установки 7
2.2 Расчет и выбор барабанной сушилки 10
2.2.1 Технологический расчет 10
2.2.2 Построение рабочей линии процесса сушки на I-x диаграмме 11 2.2.3 Тепловой баланс 132.2.4 Гидродинамический расчет 13
2.2.5 Гидравлическое сопротивление сушильного барабана…....14
3 Расчет и выбор вспомогательного оборудования 16
3.1 Расчет бункера-питателя 16
3.2 Расчет ленточного транспортера 16
3.3 Расчет винтового транспортера 17
3.4 Расчет шлюзового дозатора 17
3.5 Расчет шлюзового затвора 18
3.6 Расчет газовой горелки 18
3.7 Расчет вентилятора подачи воздуха на горение природного газа.20
3.8 Расчет и выбор вентилятора-дымососа 21
3.8.1 Расчет патрубка с обратным клапаном 21
3.8.2 Газоход от КС до входа в барабанную сушилку 22
3.8.3 Газоход от сушилки до циклона первой степени очистки 23
3.8.4 Расчет циклона первой степени очистки 25
3.8.5 Газоход от циклона первой степени очистки до циклона второй степенью чистки……………………………………………………….........26
3.8.6 Расчет циклона второй степени очистки 27
3.8.7 Газоход между циклоном второй степени очистки
и дымовой трубой 28
3.8.8 Выбор вентилятора-дымососа………………………………29
4 Расчет толщины тепловой изоляции 30
5 Технико-экономические показатели 32
Список использованных источников 33
Перечень замечаний нормоконтролера Студенту _____Журловой М.С._______________
На тему ____________________________________
| Доку-мент | Лист, страница | Содержание замечаний | Отметка об исполнении |
2.2.3 Тепловой баланс
Теплосодержание сушильного агента на выходе из сушилки при t2 и х1:
I12 = 1,01t2+(2493+1,97t2)x1 = 1,01·90+(2493+1,97·90)·0,033 = 179 кДж/кг
Теплосодержание подсасываемого воздуха:
при t0 и х0: In0 = I0 = 40 кДж/кг
при t2 и х0: In2 = 1,01t2+(2493+1,97t2)x0 = 1,01·90+(2493+1,97·90)·0,009 = 115 кДж/кг;
Расход тепла на испарение воды:
Qи = W(2493+1,97t2-4,19θ1) = 0,318·(2493+1,97·90-4,19·20) = 823 кДж/с
Расход тепла на нагревание материала: Qм = 36 кДж/c;
Потери тепла: Qпот = Wqпот = 0,318·200 = 64 кДж/с;
Расход сушильного агента:
L1 = (Qи+ Qм+ Qпот)/[( I11+ I12)-0,08(In2- In0)] = (823+36+64)/[(512-179)-0,08·(115-40)] = 2,82 кг/с
Принимаем L1 = 3 кг/с;
Количество парогазовой смеси, выходящей из сушилки:
сухих газов: L2 = L1+0,08L1 = 3+0,08·3 = 3,24 кг/с
паров воды: d2 = L1x1+0,08 L1x0+W = 3·0,033+0,08·3·0,009+0,318 = 0,429 кг/с
Влагосодержание парогазовой смеси на выходе из сушилки:
x2 = d2/ L2 = 0,419/3,24 = 0,1 кг/кг.
2.2.4 Гидродинамический расчет
Диаметр сушилки
Выбираем оптимальный угол наклона сушильного барабана: β = -2° и задаемся частотой вращения барабана n = 4 об/мин.
Выбираем оптимальную массовую скорость сушильного агента при β = -2° , t1 = 4000С (2, рисунок 15): ρtw = 2,1 кг/(м3·с).
Диаметр сушильного барабана:
D = [L1/0,785(ρtw)]0,5 = [3/0,785·2,1]0,5 = 1,1 м
Принимаем ближайший диаметр D = 1,2 м; L = 6 м.
Длина сушильного барабана
Действительная массовая скорость:
(ρtw) = L1/0,785D2 = 3/0,785·1,22 = 2,7 кг/(м2с)
Параметр П:
П = [(t2-30)/(t1- t2+10)]0.5 = [(90-30)/(400-90+10)]0.5 = 0.43
Параметр М:
М = 3600·Gа/[П(ρtw)D2t10,425] = 3600·0,6/(0,43·2,7·1,22·4000,425) = 101,3
Коэффициент заполнения сушильного барабана: ψ = 23% (2, рисунок 16).
Параметр К0,34: К0,34 = [ωа2/(ωа1(ωа1-ωа2))]0,34 = [14/(67·(67-14))]0,34 = 0,15.
Значения всех величин (2, формула 4) определяем по [4, таблица 13]: А0,34 = 3,13; dэ0,526 = 0,980,526 = 1; (ρtw)0,136 = 2,70,136 = 1,153; ψ0,39 = 230,39 = 3,4; Dа1 при β = -2° Dа1 = 1,02; sin βb1 = sin (-2)b1 = 0,48; (n2/18002)а = 0,62 при β = -2°.
Длина сушильного барабана:
L0.39 = [МА0,34dэ0,526(ρtw)0,136]/[1360 ψ0,39К0,34 Dа1sin βb1(n2/18002)а] = (101,3·3,13·1·1,153)/(1360·3,4·0,15·1,02·0,48·0,62) = 1,73
L = 4,1 м.
Выбираем параметры стандартной барабанной сушилки [2, таблица 9]: БН 1,2-6НУ-01; D = 1,2 м; L = 6 м; n = 0,085 с-1 при t2 = 900C.
Уточняем тепловой баланс и диаметр барабана.
Теплосодержание сушильного агента на выходе из сушилки при t2 и х1:
I12 = 1,01t2+(2493+1,97t2)x1 = 1,01·90+(2493+1,97·90)·0,033 = 179 кДж/кг
Теплосодержание подсасываемого воздуха при при t2 и х0:
In2 = 1,01t2+(2493+1,97t2)x0 = 1,01·90+(2493+1,97·90)·0,009 = 115 кДж/кг;
Расход тепла на испарение воды:
Qи = W(2493+1,97t2-4,19θ1) = 0,318·(2493+1,97·90-4,19·20) = 823 кДж/с
Расход сушильного агента:
L1 = (Qи+ Qм+ Qпот)/[( I11+ I12)-0,08(In2- In0)] = (823+36+64)/[(512-179)-0,08·(115-40)] = 2,82 кг/с
Количество парогазовой смеси, выходящей из сушилки:
сухих газов: L2 = L1+0,08L1 = 3+0,08·3 = 3,24 кг/с
паров воды: d2 = L1x1+0,08 L1x0+W = 3·0,033+0,08·3·0,009+0,318 = 0,429 кг/с
Влагосодержание парогазовой смеси на выходе из сушилки:
x2 = d2/ L2 = 0,419/3,24 = 0,1 кг/кг.
Диаметр сушильного барабана:
D = [L1/0,785(ρtw)]0,5 = [3/0,785·2,7]0,5 = 1,19 м
Таким образом, диаметр барабана D = 1,2 м выбран правильно.
2.2.5 Гидравлическое сопротивление сушильного барабана
Диаметр барабана Дб = 1200 мм
Длина барабана Lб = 6000 мм
Производительность по влажному опилу Gн = 1 кг/с
Производительность по высушенному опилу Gк = 0,682 кг/с
Давление в барабане Рб = Р0 = 99975 Па
Температура t1 = 400°С, t2 = 90°С
Влагосодержание x1 = 0,033 кг/кг, х2 = 0,081 кг/кг
Объемный расход сушильного агента Vt1 = 5,71 м3/с
Объемный расход сушильного агента:
Vt2 = L2(1+x2)/ ρt2 = 3,24(1+0,081)/0,939 = 3,73 м3/с,
где L2 = 3,24 кг/с; ρt2 = 0,939 кг/м3 при t2 = 90°С [7, приложение 2].
Средняя плотность парогаза при tср и хср:
tср = t1+ t2/2=400+90/2 = 245 °С; xср = x1+ x2/2 = 0,033+0,081/2 = 0,057 кг/кг,
ρср =Р(1+xср)/462(273+tср)(0,62+xср) = 105(1+0,057)/462(273+245)(0,62+0,057) = 0,652 кг/м3
При коэффициенте заполнения барабана ψ = 0,25 относительное свободное сечение барабана φ = 1 – 0,25 = 0,75.
Средняя скорость парогаза в барабане:
wср = 0,5(Vt1+ Vt2)/0,785 Дб2φ = 0,5·(5,71+3,73)/0,785·1,22·0,75 = 5,6 м/с
Эквивалентный диаметр барабана для секторной насадки:
Дэ = π Дбφ/(π+Z) = 3,141,20,75/(3,14+5) = 0,35 м
где Z = Lб/Дб = 6000/1200 = 5.
Критерий Re = wсрDсрρср/μср = 5,6·0,652·0,35/27,13·10-6 = 47104
где μср = 27,13·10-6 при tср = 2450С и хср = 0,057 кг/кг [7, приложение 3].
Коэффициент трения определяем для гладкой трубы по рис 1.5 [5] и по Re = 47104: λб = 0,0209.
Сопротивление барабана без учета транспортировки материала:
Δ Рб = λб(Lб/Дэ)(wср2ρср/2) = 0,0209·(6/0,35)(5,92·0,652/2) = 4,1 Па.
Относительная массовая концентрация материала:
ỹ = Gн+Gк/2 L2(1+xср) = 1+0,682/2·3,24(1+0,057) = 0,246 кг/кг.
Сопротивление сушильного барабана при к = 1,4:
Δ Рс = Δ Рб(1+кỹ) = 4,1(1+1,4·0,246) = 5,5 Па. Принимаем Δ Рс = 6 Па
3 Расчет и выбор вспомогательного оборудования
3.1 Расчет бункера-питателя
Бункер-питатель используется для дозирования влажного опила в сушилку.
Производительность по влажному опилу Gн = 1 кг/с
Относительная влажность опила wо1 = 40%
Абсолютная влажность опила wа1 = 67%
Насыпная плотность влажного опила ρн = 130 кг/м3 [2, таблица 3].
Объем бункера питателя: V = τGн/ρн = 300·1/130 = 2,31 м3,
где τ = 5 мин – продолжительность, необходимая для аварийного отключения ленточного транспортера, подающего опил в бункер.
По ГОСТ 9931-61 выбираем бункер вместимостью 2,5 м3, диаметром 1200 мм, высотой 2450 мм [1, таблица 81].
3.2 Расчет ленточного транспортера
Ленточный транспортер перемещает влажный опил от бункер-хранилища в бункер-питатель.
Производительность транспортера Gн = 1 кг/с
Насыпная плотность опила при wа1 = 67% ρн = 130 кг/м3
Характеристика ленточного транспортера
Длина L = 30 м
Угол наклона к горизонту α = 9°
Выбираем плоскую ленту шириной В = 0,5 м, которая принимает форму желоба благодаря трем роликовым опорам.
Объемная производительность транспортера
V = Gн/ρн =1/130 = 76,9·10-4 м3/с.
Скорость движения ленты:
W = V/1,16B2c·tg(0,35·φ) = 76,9·10-4/0,16·0,52·1·tg(0,35·40) = 0,77 м/с,
где с = 1 при α = 9°; φ = 400 для опила.
Мощность на приводном валу транспортера:
N0=(KLW+0,54·10-3GнL+10,1·10-3GнH)K1K2=(0,018·30·0,77+0,54·10-3 ·1·30+10,1·10-3·1·4,7)·1,12·1,07 = 0,48 кВт
где Н = Lsinα = 30·sin 9 = 4,7 м; К = 0,018 при В = 0,5 м; К1 = 1,12 при
L = 30 м; К2 = 1,07.
Установочная мощность электродвигателя:
N = N0K0/η = 1,2·0,48/0,85 = 0,68 кВт.
Принимаем электродвигатель по N = 0,68 кВт типа АОЛ-12-
[6, таблица 16] N = 1,1 кВт.
Принимаем ленточный транспортер: L = 30 м; α = 9°; В = 500 мм;
w = 0,16 м/с; N = 1,1 кВт.
3.3 Расчет винтового транспортера
Винтовой транспортерперемещает высушенный опил на следующую стадию производства.
Производительность по сухому опилу Gк = 0,682 кг/с
Абсолютная влажность опила ωо2 = 12%
Насыпная плотность ρк = 102 кг/м3 [4, таблица 3]
Характеристика горизонтального винтового транспортера
Длина L = 25 м
Шаг винта t = Dв
Угол наклона к горизонту α = 00
Объемная производительность транспортера
V = Gн/ρн =0,682/102 = 0,669·10-2 м3/с.
Частота вращения винта:
n = V/0,785Dв2tK1 = 0,699·10-2/0,785·0,252·0,25·0,3 = 1,82 с-1
Принимаем Dв = t = 0,25 м; К1 = 0,3 для опила; К2 = 1 при α = 00.
Выбираем винтовой горизонтальный транспортер:
Dв = 0,25 м; L = 25 м; t = 0,25 м; n = 1,82 с-1.
Установочная мощность электродвигателя:
N = Gк(Lφ+Р)g/1000η = 0,682·(25·1,8+0)·9,8/1000·0,8 = 0,38 кВт,
где φ = 1,8 для опила;
Принимаем электродвигатель по N = 0,38 кВт типа АОЛ-12-2
N = 1,1 кВт [5, таблица 17] N = 1,1 кВт.
3.4 Шлюзовый дозатор
Шлюзовый дозатор установлен под бункером-питателем. Назначение – равномерная, регулируемая подача влажных еловых опилок в барабанную сушилку. Дозатор одновременно выполняет и роль питателя.
Производительность транспортера Gн = 1 кг/с
Насыпная плотность опила при wа1 = 67% ρн = 130 кг/м3
Объемная производительность шлюзового дозатора
V = Gн/ρн =1/130 = 76,9·10-4 м3/с.
Выбираем стандартный шлюзовой дозатор по V = 76,9·10-4 м3/с типа Ш1-45, диаметр ротора D = 450 мм, длина ротора L = 400 мм (равна диаметру загрузочного штуцера), частота вращения ротора 0,035-0,33 с-1 [3, таблица 2].
Частота вращения ротора:
n = V/0,785K1K2D2L = 76,9·10-4/0,785·0,8·0,8·0,452·0,4 = 0,043 с-1,
где К1 = 0,6 для опила; К2 = 0,8.
Установочная мощность электродвигателя:
N = GнLgβφ/1000η = 1·0,4·9,8·3·2,5/1000·0,6 = 0,049 кВт,
где β = 3; φ = 2,5.
Выбираем взрывозащищенный электродвигатель по N = 0,049 кВт типа В71В6 N = 0,55 кВт, n = 15,3 с-1 [7, таблица 2].
1 – привод; 2 – загрузочное окно; 3 – ротор; 4 – выгрузочное окно.
Рисунок 3.1 – Шлюзовый питатель
3.5 Расчет шлюзового затвора
Шлюзовые затворы хорошо себя зарекомендовали при установке под бункерами циклонов и других аппаратов при выгрузке сухого материала. Не рекомендуется применять в случае улавливания слипающихся пылей.
Производительность по сухому опилу Gк = 0,682 кг/с
Абсолютная влажность опила wа2 = 14%
Насыпная плотность ρк = 103 кг/м3 [4, таблица 3]
Объемная производительность затвора
V = Gк/ρк =0,682/103 = 66,21·10-4 м3/с.
Выбираем стандартный шлюзовой дозатор по V = 66,21·10- м3/с типа Ш1-45, диаметр ротора D = 450 мм, длина ротора L = 400 мм (равна диаметру загрузочного штуцера), частота вращения ротора 0,035-0,33 с-1 [7, таблица 2].
Частота вращения ротора:
n = V/0,785K1K2D2L = 66,21·10-4/0,785·0,8·0,8·0,452·0,4 = 0,16 с-1,
где К1 = 0,6 для опила; К2 = 0,8.
Установочная мощность электродвигателя:
N = GнLgβφ/1000η = 0,682·0,4·9,8·3·2,5/1000·0,6 = 0,049 кВт,
где β = 3; φ = 2,5.
Выбираем взрывозащищенный электродвигатель по N = 0,1 кВт типа В71В6 N = 0,55 кВт, n = 15,3 с-1 [7, таблица 2].
3.6 Расчет газовой горелки
Газовые горелки при сжигании природного газа работают с невысоким давлением и скоростью выхода газовой струи из сопла не более 60-70 м/с.
Рисунок 3.2 - Схема газовой горелки
Воздух на горение подается двумя потоками: через корпус горелки 20-40% и 80-60% непосредственно в топку (рисунок 3.2).
Расход природного газа Vг = 146 м3/ч
Расход воздуха на горение Vгt0 = 2220 м3/ч
Диаметр газового сопла при wс=70 м/с:
dc = √Vг/36000,785wc = √146/3600·0,785·70 = 0,027 м.
Принимаем d=30 мм.
Диаметр трубы, подводящей газ к форсунке, при wг=15 м/с:
dтр = √Vг/3600·0,785wг = √146/3600·0,785·15 = 0,059 м.
Принимаем трубу Ш63,5Ч3 мм по [6, таблица 8].
Определяем наружный диаметр трубы корпуса горелки. Принимаем расход первичного воздуха 35% от Vгt0=2220 м3/ч, т.е. Vв=0,35·2220=777 м3/ч, а скорость воздуха в кольцевом сечении форсунки wв=20 м/с, тогда сечение кольцевой щели: fвоз=Vв/3600wв=777/3600·20=0,0108 м2.
Диаметр кольцевой щели:
dщ = √fвоз/0,785 = √0,0108·0,785 = 0,117 м.
Сечение, занимаемое газовой трубой диаметром 63,5 мм, равно:
f=fвоз+fгаз=0,0108+0,0027=0,0135 м2.
fгаз=Vг/3600wг=146/3600·15=0,0027 м2
Этому сечению соответствует диаметр:
d = √f/0,785 = √0,0135/0,785 = 0,131 м.
Принимаем трубу корпуса горелки Ш140Ч4мм [6, таблица 8].
Объемная производительность вторичного воздуха:
Vввоз = Vгt0-Vв = 2220-777 = 1443 м3/ч.
Диаметр воздуховода вторичного воздуха при скорости w=3 м/с:
dввоз = √Vввоз/3600·0,785w = √1443/3600·0,785·3 = 0,41 м.
Принимаем воздуховод Ш450Ч0,6 [6, таблица 2].
Диаметр воздуховода первичного воздуха:
dв =√Vв/3600·0,785w = √777/3600·0,785·15 = 0,135 м.
Принимаем воздуховод Ш140Ч0,5 мм [6, таблица 2].
Гидравлической сопротивление газовой горелки ориентировочно принимаем равным ΔPг=5000 Па.
3.7 Расчет вентилятора подачи воздуха на горение природного газа
Расчет проводим согласно рисунок 3.3. Вентилятор и топка смонтированы на открытой площадке, защищенной от атмосферных осадков индивидуальным навесом. Воздух от вентилятора подается по параллельным воздуховодам, поэтому расчет проводим по линии наибольшего сопротивления, т.е. по линии подачи воздуха в форсунку.
В – вентилятор; Ф – форсунка; Т – топка; КС – камера смешения; З – задвижка; Д – диафрагма; О – отвод; ВР – вентилятор регулирующий.
Рисунок 3.3 – Схема для расчета вентилятора подачи воздуха на горение природного газа
Параметры воздуха, подаваемого в горелку
Объемная производительность Vф=2220м3/ч
Температура tо=17,2°С
Плотность [7, приложение 2] rtо=1,171 кг/м3
Динамическая вязкость [7, приложение 3] mtо=18,03Ч10-6 ПаЧс
Диаметр воздуховода. Скорость воздуха принимаем w=10 м/с.
D = √Vф/0,785w = √2220/0,785Ч10 = 0,280 м.
Выбираем стандартный диаметр воздуховода Ш315Ч0,6 мм. [6,таблица2]
Фактическая скорость воздуха:
w=Vф/0,785D2=2220/3600Ч0,785Ч0,3142=7,97 м/с.
Критерий Re=wDrtо/mtо=7,97Ч0,314Ч1,171/18,03Ч10-6=162536.
Коэффициент трения определяем по критерию Re для гладкой трубы (шероховатости практически отсутствуют, так как воздуховод новый) и по Re=162536 и по рис. 1.5 [5]: l=0,0175.
Длину воздуховода принимаем ориентировочно: L=7 м.
Местные сопротивления принимаем по [6, таблица 12, 13] и рис. 1:
конфузор (вход в вентилятор) zк=0,21 1 шт.
диффузор (выход из вентилятора) zдиф=0,21 1 шт.
отводы при a=90° zот=0,39 3 шт.
заслонка (задвижка) zз=1,54 1 шт.
диафрагма (измерение расхода воздуха) zд=2 1 шт.
вход в горелку zвх=1 1 шт.
Sz=1zк+1zдиф+3zот+1zз+1zд=1Ч0,21+1Ч0,21+3Ч0,39+1Ч1,54+1Ч2+1Ч1=6,13.
Гидравлическое сопротивление воздуховода:
ΔРгв=(1+(lL/D)+Sz)(w2rtо/2)=(1+(0,0175Ч7/0,314)+6,13)Ч(7,972Ч1,171/2)=414 Па.
Суммарное гидравлическое сопротивление от вентилятора до топки:
SDРг= ΔРгв +DРг+DРтопки=414+5000+500=5914 Па,
где DРг=5000 Па – сопротивление горелки при подаче воздуха на горение;
DРтопки=500 – сопротивление топки.
Приведенное сопротивление не рассчитываем, т.к. tо=24,7 °С и rtо=1,141 кг/м3.
Выбираем вентилятор высокого давления по Vгt0 = 2220 м3/ч = 0,617 м3/с и SDРг=5914Па по [6, таблица 31].
Принимаем турбовоздуходувку марки ТВ-25-1,1 V=0,833 м3/с, DР=10000 Па, n=48,3 с-1.
Установочная мощность электродвигателя:
N=bVгt0SRг/1000h=1,1Ч0,617Ч5914/1000Ч0,65=6,2 кВт.
Принимаем электродвигатель типа АО2-62-6, N=13 кВт [6, таблица 31].
3.8 Расчет и выбор вентилятора-дымососа
Вся сушильная установка (рис.1), начиная от камеры смешения, работает под небольшим разряжением. Это исключает утечку топочных газов через наплотности в газоходах и аппаратах и подсос воздуха на разбавление топочных газов.
3.8.1 Расчет патрубка с обратным клапаном для подсасывания воздуха в камеру смешения (приточная шахта)
Воздух из атмосферы подсасывается в камеру смешения с целью снизить температуру топочных газов с 1000°С до 400°С.
Параметры атмосферного воздуха
Температура t0 = 17,2°С
Влагосодержание x0 = 0.009 кг/кг
Теплосодержание I0 = 40кДж/кг
Масса сух воздуха, подаваемого в
камеру смешения Lсм = 72 кг возд/кг газа
Плотность [7, приложение 2] ρto = 1,171 кг/м3
Динамическая вязкость [7, приложение 3] μto = 18,03 · 10-6 Па·с
Объемный расход воздуха на разбавление топочных газов:
Vt0p =BLсм(1+x0)/ ρto = 111,6·72·(1+0,009)/1,171 = 6923,58 м3/ч = 1,9 м3/с
Диаметр воздуховода рассчитываем, принимая скорость воздуха w = 10 м/с [5, таблица 9].
D = √Vt0p/0,785w = √1,9/0,785·10 = 0,492 м;
Выбираем стандартный диаметр воздуховода Ш 500 Ч 0,7 мм [5, таблица 2].
Фактическая скорость воздуха:
w = Vt0p/0,785D2 = 1,9/0,785·0,4992 = 9,7 м/с;
Критерий Re = wDρto/μto = 9,7·0,499·1,171/18,03·10-6 = 314365;
Коэффициент трения определяем для гладкой трубы по рис 1.5 [5] и по Re = 314365: λ = 0,0145
Длина патрубка: L = 2 м.
Местные сопротивления в патрубке [5, таблица 12, 13]:
приточная шахта (патрубок) ξвх = 2,5 1 шт.
выход из патрубка ξвых = 1 1 шт.
∑ζ = ξвх·1+ ξвых·1 = 2,5·1+1,0·1 = 3,5
Гидравлическое сопротивление патрубка:
ΔРпатр=(1+(λL/d)+∑ζ)( w2ρto/2)=(1+(0,0145·2/0,499)+3,5)·(9,72·1,171/2) = 251 Па
3.8.2 Газоход от смесительной камеры до входа в барабанную сушилку
Сушильный агент
Температура t1 = 400°С
Расход L1 = 2,82 кг/с
Влагосодержание х1 = 0,033 кг/кг
Теплосодержание J1 = 512 кДж/кг
Динамическая вязкость μt1 = 33,08 · 10-6 Па·с
Плотность сушильного агента:
ρt1 = Р(1+x1)/462(273+t1)(0,62+х1) = 105·(1+0,033)/462·(273+400)·(0,62+0,033) = 0,51 м3/с
Объемный расход сушильного агента:
Vt1 = L1(1+х1)/ρt1 =2,82·(1+0,033/0,51) = 5,71 м3/с
Принимаем диаметр воздуховода для барабанной сушилки D = 0,5Dсушилки·D = 0,5 · 1,2 = 0,6 м. Принимаем воздуховод Ш 630Ч0,7 мм [6, таблица 2].
Фактическая скорость воздуха:
w = Vt1/0,785D2 = 5,71/0,785·0, 6292 = 18,3 м/с
Критерий Re = wDρt1/μt1 = 18,3·0,629·0,51/32,92·10-6 = 183743
Коэффициент трения определяем для гладкой трубы по рис 1.5 [5] и по Re = 183743: λ = 0,0159
Длина воздуховода: L = 15 м (принимаем ориентировочно).
Местные сопротивления [6, таблица 12, 13]:
вход в газоход ξвх = 1 1 шт.
выход из газохода ξвых = 1 1 шт.
∑ζ = ξвх·1+ ξвых·1 = 1,0·1+1,0·1 = 2
Гидравлическое сопротивление газохода при t1 = 4000C:
ΔРt1=(1+(λL/d)+∑ζ)( w2ρt1/2)=(1+(0,0159·15/0,629)+2)·(18.32·0.51/2) = 256 Па
Компенсационное удлинение газохода:
l = 12,5·10-6 tcmL = 12,5·10-6·400·15 = 75·10-3 м
Принимаем линзовый компенсатор по диаметру D=630 мм и по табл.11[6].
Таблица 1.1 – Результат расчета и выбора линзового компенсатора на участке от камеры смешения до сушилки
| d,мм | dн,мм | D,мм | б,мм | d,мм | a,мм | b,мм |
| 630 | 720 | 1120 | 2,5 | 715 | 160 | 83 |
Рисунок 3.4 - Компенсатор однолинзовый
3.8.3 Газоход от сушилки до циклона первой степени очистки
Параметры парогазовой смеси, выходящей из сушилки
Температура t2 = 90°С
Расход L2 = 3,24 кг/с
Влагосодержание х2 = 0,1 кг/кг
Плотность ρt2 = 0,892 кг/м3
Вязкость μt2 = 20,23·10-6 Па·с
Объемный расход сушильного агента:
Vt2 = L2(1+x2)/ ρt2 = 3,24(1+0,1)/0,892 = 4,0 м3/с.
Диаметр газохода выбираем, принимая скорость воздуха w = 12 м/с [6, таблица 9]:
D = √Vt2/0,785w = √4,0/0,785·12 = 0,7 м
Выбираем газоход Ш 710Ч0,7 мм [6, таблица 2].
Фактическая скорость парогазовой смеси:
w = Vt2/0,785D2 = 4,0/0,785·0, 7092 = 10,1 м/с
Критерий Re = wDρt2/μt2 = 10,1·0,709·0,8921/20,23·10-6 = 315781
Коэффициент трения определяем для гладкой трубы по рис 1.5 [5] и по Re = 315781: λ = 0,0144.
Длина газохода: L = 20 м (принимаем ориентировочно).
Местные сопротивления [5, таблица 12, 13]:
вход в газоход ξвх = 1 1 шт.
выход из газохода ξвых = 1 1 шт
отводы α = 900 ξот = 0,39 2 шт.
вход в циклон ξц = 0,21 1 шт.
∑ζ = ξвх·1+ ξвых·1+ξот·2+ ξц·1 = 1·1+1·1+0,39·2+0,21·1 = 2,99.
Гидравлическое сопротивление газохода без учета пыли, содержащейся в парогазовой смеси:
ΔРt2=(1+(λL/d)+∑ζ)( w2ρt2/2) = (1+(0,0144·20/0,709)+2,99)(10,12·0,892/2) = 200 Па
Гидравлическое сопротивление газохода с учетом перемещающейся пыли в циклон:
ΔРt2II = ΔРt2(1+kỹ)+Нỹρt2g
где k – опытный коэффициент, для древесной стружки и опила k = 1,4;
ỹ - относительная массовая концентрация высушиваемого материала, кг материала/кг паровоздушной смеси.
ỹ = 0,1 Gк/ L2(1+x2) = 0,1·0,682/3,24(1+0,1) = 0,019 кг/кг.
Н – высота вертикального участка газохода Н = 15-20 м.
ΔРt2II = 200(1+1,4·0,019)+15·0,019·0,892·9,8 = 208 Па
Компенсационное удлинение газохода:
l = 12,5·10-6 tcmL = 12,5·10-6·90·20 = 22,5·10-3 м
Принимаем линзовый компенсатор по диаметру D=710 мм и по табл.11[6].
Таблица 1.2 – Результат расчета и выбора линзового компенсатора на участке от сушилки до циклона первой степени очистки
| d,мм | dн,мм | D,мм | б,мм | d,мм | a,мм | b,мм |
| 710 | 820 | 1220 | 2,5 | 815 | 160 | 83 |
Рисунок 3.5 - Компенсатор однолинзовый
3.8.4 Расчет циклона первой степени очистки
Назначение – улавливание частиц высушенных еловых опилок после барабанной сушилки. Циклон работает на сеть.
Размер частиц опила dэ = 2,2·10-3 мм Производительность по сухому материалу Gк = 1,16 кг/с
Гидравлическое сопротивление сушилки и
газоходов до входа в циклон ∑ΔРi = 554 Па
Объемный расход очищаемого газа Vt2 = 3,73 м3/с
Температура воздуха t2 = 900С
Влагосодержание x2 = 0,1 кг/кг
Вязкость[6, прил. 3] μt2 = 20,23·10-6 Па·с
Запыленность воздуха на входе:
C = Gк/Vt2 = 1,16/3,73 = 183·10-3 кг/м3.
Принимаем циклон ЦН-24, так как улавливаются частицы размером более dэ = 2,2 мм.
Принимая прямоугольную компоновку циклонных элементов типа ЦН-24 с организованным подводом воздуха, определяем коэффициент гидравлического сопротивления группового циклона:
ξцгр = К1К2zц500+К3 =1·0,86·75+35=99,5,
где zц500 = 75 для ЦН-24 [3, таблица 13]; К1 = 1,0 при D = 500 мм [3, таблица 14];К2 = 0,86 при С = 183·10-3 кг/м3 [3, таблица 15];К3 = 35 [3, таблица 16].
Условная скорость воздуха в циклоне:
wц = [(DRц/rt)/0,5 ξцгр]0,5 = [300/0,5·99,5]0,5 = 2,46 м/с,
где ΔРц/ρt = 300 м2/с2 для ЦН-24.
Объемный расход воздуха, проходящего через один элемент группового циклона:
Υ = 0,785D2wц = 0,785·0,82·2,46 = 1,24 м3/с.
Число циклонных элементов в групповом циклоне:
Z = Vt3/υ = 3,73/1,24 = 3.
Выбираем групповой циклон ЦН-24 из 4 элементов диаметром 800 мм.
Фактическая скорость воздуха в элементах группового циклона:
wф = Vt3/0,785D2Z = 3,73/0,785·0,82·4 = 1,86 м/с.
Абсолютное давление запыленного воздуха в циклоне:
Ра = В±Р = 9,81·104-554 = 97546 Па.
Циклон работает под разряжением, поэтому в формуле ставим знак “минус”, если под давлением знак ”плюс”. Атмосферное давление В = 9,81·104 Па; Р – давление газов на входе в циклон: Р = ∑ΔРi – сумма гидравлических сопротивлений газоходов и аппаратов до циклона, Па.
Плотность влажного воздуха при рабочих условиях:
ρt2 = Ра(1+х2)/462(273+ t2)(0,62+х2) = 97546(1+0,1)/462(273+90)(0,62+0,1) = 0,89 кг/кг.
Гидравлическое сопротивление группового циклона:
DRц1 = 0,5 ξцгр wц2rt2=0,5·99,5·1,862·0,89 = 153 Па.
3.8.5 Газоход от циклона первой степени очистки до циклона второй степени очистки
Параметры парогазовой смеси, выходящей из сушилки
Температура t3 = 85°С
Расход L3 = 2,96 кг/с
Влагосодержание х3 = 0,1 кг/кг
Плотность ρt3 = 0,899 кг/м3
Вязкость μt3 = 19,99·10-6 Па·с
Объемный расход сушильного агента:
Vt3 = L3(1+x3)/ ρt3 = 2,96(1+0,1)/0,899 = 3,62 м3/с,
Диаметр газохода выбираем, принимая скорость воздуха w = 12 м/с [6, таблица 9]:
D = √Vt3/0,785w = √3,62/0,785·12 = 0,62 м
Выбираем газоход Ш 630Ч0,7 мм [6, таблица 2].
Фактическая скорость парогазовой смеси:
w = Vt3/0,785D2 = 3,62/0,785·0, 6292 = 11,7 м/с
Критерий Re = wDρt3/μt3 = 11,7·0,629·0,899/19,99·10-6 = 330966
Коэффициент трения определяем для гладкой трубы по рис 1.5 [5] и по Re = 330966: λ = 0,0143.
Длина газохода: L = 20 м (принимаем ориентировочно).
Местные сопротивления [6, таблица 12, 13]:
вход в газоход ξвх = 1 1 шт.
выход из газохода ξвых = 1 1 шт
отводы α = 900 ξот = 0,39 3 шт.
вход в циклон ξц = 0,21 1 шт.
∑ζ = ξвх·1+ ξвых·1+ξот·3+ ξц·1 = 1·1+1·1+0,39·3+0,21·1 = 3,38.
Гидравлическое сопротивление газохода без учета пыли, содержащейся в парогазовой смеси:
ΔРt3=(1+(λL/d)+∑ζ)( w2ρt3/2) = (1+(0,0143·20/0,629)+3,38)(11,72·0,899/2) = 298 Па
Компенсационное удлинение газохода:
l = 12,5·10-6 tcmL = 12,5·10-6·85·20 = 21,25·10-3 м
Принимаем линзовый компенсатор по диаметру D=630 мм и по табл.11[6].
Таблица 1.3 – Результат расчета и выбора линзового компенсатора на участке от циклона первой степени очистки до циклона второй степени очистки
| d, мм | dн, мм | D,мм | б,мм | d,мм | a,мм | b,мм |
| 630 | 720 | 1120 | 2,5 | 715 | 160 | 83 |
Рисунок 3.6 - Компенсатор однолинзовый
3.8.6 Расчет циклона второй степени очистки
Назначение – улавливает частицы высушенного опила после циклона первой степени очистки. В циклоне второй степени очистки уловлено 85% опила, т.е. в циклон-очиститель попадает оставшийся опил (15%). Таким образом, производительность по стружке составит
к= 0,682·0,15=0,1023 кг/с. Циклон работает на выхлоп.
Размер частиц волокна dэ=2,2·10-3м
Производительность по высушенному волокну Gк= 0,1023 кг/с
Объемный расход очищаемого газа Vt3 = Vt2 =3,73 м3/с
Запыленность воздуха на входе в циклон:
C = Gк/Vt3 = 0,1023/3,73 = 0,027 кг/м3.
Выбираем циклон ЦН-15, так как улавливаются крупные частицы dэ=2,2 мм.
Принимая прямоугольную компоновку циклонных элементов типа ЦН-15 с организованным подводом воздуха, определяем коэффициент гидравлического сопротивления:
ξцгр = К1К2zц500+К3 =1·0,92·163+35=184,96 ,
где zц500 = 163 [3, таблица 13]; К1 = 1 при D = 600 мм [3, таблица 14]; К2 = 0,92 при C = 0,067 кг/м3 [3, таблица 15]; К3 = 35 [3, таблицы 16].
Принимаем диаметр циклона D = 600 мм. Отношение по DRц/rt для циклона ЦН-15 принимаем: DRц/rt = 500 м2/с2.
Условная скорость воздуха в циклоне:
wц = [(DRц/rt)/0,5 ξцгр]0,5 = [500/0,5·184,96]0,5 = 2,32 м/с.
Объемный расход воздуха, проходящего через один элемент группового циклона:
Υ = 0,785D2wц = 0,785·0,62·2,32 = 0,66 м3/с.
Число циклонных элементов в групповом циклоне:
Z = Vt3/υ = 3,73/0,66 = 5,65.
Выбираем групповой циклон ЦН-15 из 6 элементов диаметром 600 мм.
Фактическая скорость воздуха в элементах группового циклона:
wф = Vt3/0,785D2Z = 3,73/0,785·0,62·6 = 2м/с.
Гидравлическое сопротивление группового циклона:
DRц2 = 0,5 ξцгр wц2rt3=0,5·184,96·2,322·0,91 = 453 Па.
3.8.7 Газоход между циклоном второй степени очистки и дымовой трубой
Параметры парогазовой смеси
Температура t4 = 75°С
Расход L4 =2,96 кг/с
Влагосодержание х4 = 0,1 кг/кг
Плотность ρt4 = 0,93 кг/м3
Вязкость μt4 = 19,54·10-6 Па·с
Объемный расход сушильного агента:
Vt4 = L4(1+x4)/ ρt4 = 2,96(1+0,1)/0,93 = 3,5 м3/с,
Диаметр газохода выбираем, принимая скорость воздуха w = 12 м/с [6, таблица 9]:
D = √Vt4/0,785w = √3,5/0,785·12 = 0,561 м
Выбираем газоход Ш 630Ч0,7 мм [6, таблица 2].
Фактическая скорость парогазовой смеси:
w = Vt4/0,785D2 = 3,5/0,785·0, 6292 = 9,5 м/с
Критерий Re = wDρt3/μt3 = 9,5·0,629·0,93/19,54·10-6 = 284402
Коэффициент трения определяем для гладкой трубы по рис 1.5 [5] и по Re = 284402: λ = 0,0148.
Длина газохода принимаем ориентировочно: L = 75 м, минимальная высота дымовой трубы 16 м.
Местные сопротивления [6, таблица 12, 13]:
вход в газоход zвх=1 1 шт.
отводы a=90° zот=0,39 3 шт.
заслонка (задвижка) zз=1,54 1 шт.
диафрагма при dо=0,5D, m=0,25 zд=29,4 1 шт.
переход (вход и выход из вентилятора) zп=0,21 2 шт.
выход из дымовой трубы в атмосферу с зонтом zд.тр=1,3 1 шт.
Sz=zвх+3zот+zз+zд+2zп+zд.тр=1+3Ч0,39+1,54+29,4+2Ч0,21+1,3=34,83.
Гидравлическое сопротивление газохода без учета пыли, содержащейся в парогазовой смеси:
ΔРt4=(1+(λL/d)+∑ζ)( w2ρt4/2) = (1+(0,0148·75/0,629)+34,83)(9,52·0,93/2) = 1578 Па
Компенсационное удлинение газохода:
l = 12,5·10-6 tcmL = 12,5·10-6·75·75 = 70,31·10-3 м
Принимаем линзовый компенсатор по диаметру D=630 мм и по табл.11[6].
Таблица 1.4 – Результат расчета и выбора линзового компенсатора на участке между циклоном второй степени очистки и дымовой трубой
| d,мм | dн,мм | D,мм | б,мм | d,мм | a,мм | b,мм |
| 630 | 720 | 1120 | 2,5 | 715 | 160 | 83 |
Рисунок 3.7 - Компенсатор однолинзовый
3.8.8 Выбор вентилятора-дымососа
Суммарное гидравлическое сопротивление сети:
SDR=DRпатр+DRt1+DRc+DRt2+DRц2+DRt4 = 251+256+6+200+453+1578 = 2744 Па.
Приведенное сопротивление: DRпр=SDR(273+t4)Pо/273(Pо+SDR)=2744·(273+75)Ч1,013Ч105/273(1,013Ч105+2744)=3406 Па.
По Vt4=3,5 м3/с=12600 м3/ч и DRпр=3406 Па выбираем вентилятор высокого давления по табл.28 [6].
Принимаем вентилятор ВДН-11,2, V=25000 м3/ч, n=25 c-1,h=0,55, N=41 кВт.
Установочная мощность электродвигателя:
Nэ=bVt4DRпр/1000h=1,1Ч3,5Ч3554/1000Ч0,55=24,9 кВт.
Выбираем электродвигатель по табл.27 [6]
Принимаем электродвигатель типа АО2-72-4, N=30 кВт, h=0,5.
4 Расчет толщины тепловой изоляции
Оборудование и трубопроводы требуют изоляции, если температура нагретых поверхностей превышает 45°С, а трубопроводов – 60°С.
Цель нанесения теплоизоляции: поддержание заданной температурный режим в аппарате; исключить потери тепла в окружающую среду и создать нормальные санитарно-гигиенические условия работы обслуживающему персоналу.
Требования, предъявляемые при выборе изоляции: малая теплопроводность, небольшая теплоемкость, невысокая стоимость, легкость нанесения на трубы, малая масса и долговечность
Толщина теплоизоляции.
Толщину тепловой изоляции δи (рис.8) находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции (λи/δи)(tст1–tст2) и от поверхности изоляции в окружающую среду α2(tст2–tср2), т.е. (λи/δи)(tст1–tст2)= α2(tст2–tср2),
Рисунок 4.1 - Схема теплопередачи
Температуру изоляции со стороны аппарата (газохода) tст1 принимаем равной температуре среды в аппарате tср1 ,т.к. термическое сопротивление стенки аппарата (трубы) незначительно по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции.
Температуру изоляции со стороны окружающей среды (воздуха) принимаем: tст2=35-40°С для аппаратов, работающих в закрытом помещении.
Температуру воздуха принимаем:
tср2=20°С в закрытом помещении.
Коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в окружающую среду: α2 = 9,3+0,058tст2 = 9,3+0,058·40 = 11,62 Вт/(м2·К).
Выбор материала теплоизоляции проводят по данным табл.10 [6].
1) Топка:
tст1 = 1000°С.
По табл. 10[6]: λи = 0,072 Вт/(м·К) – зонолит.
δи =λи(tст1-tст2)/α2(tст2-tср2) = 0,072(1000-40)/11,62(40-20) = 0,297 м.
Принимаем изоляцию из зонолита толщиной 300 мм.
2) Газоход от смесительной камеры до сушилки:
tст1 = 400°С.
По табл.10 [6]: λи = 0,072 Вт/(м·К) – зонолит.
δи = λи(tст1-tст2)/α2(tст2-tср2) = 0,072(400-40)/11,62(40-20) = 0,112 м.
Принимаем изоляцию из зонолита толщиной 115 мм.
3) Сушилка:
tст1 = 400°С.
По табл. 10 [6]: λи = 0,09 Вт/(м·К) – совелит.
δи = λи(tст1-tст2)/α2(tст2-tср2) = 0,09(400-40)/11,62(40-20) = 0,139 м.
Принимаем изоляцию из совелита толщиной 140 мм.
4) Газоход от сушилки до циклона-разгрузителя:
tст1 = 90°С.
По табл. 10 [6]: λи = 0,465 Вт/(м·К) – войлок строительный.
δи = λи(tст1-tст2)/α2(tст2-tср2) = 0,465(900-40)/11,62(40-20) = 0,100 м.
Принимаем изоляцию из войлока строительного толщиной 110 мм.
5) Газоход между циклоном-разгрузителем и циклоном-очистителем:
tст1 = 85°С.
По табл. 10 [6]: λи = 0,465 Вт/(м·К) – войлок строительный.
δи = λи(tст1-tст2)/α2(tст2-tср2) = 0,072(85-40)/11,62(40-20) = 0,090 м.
Принимаем изоляцию из войлока строительного толщиной 100 мм.
6) Газопровод между циклоном-очистителем и дымовой трубой
tст1 = 75°С.
По табл. 10 [6]: λи = 0,16 Вт/(м·К) – войлок строительный.
δи =λи(tст1-tст2)/α2(tст2-tср2) = 0,465(75-40)/11,62(40-20) = 0,070 м.
Принимаем изоляцию из войлока строительного толщиной 80 мм.
5 Технико-экономические показатели сушилки
Технологические показатели работы сушилки.
Производительность:
1 = 1 кг/с = 3600 кг/ч. Удельная производительность по испаренной влаге (напряжение по влаге):
A = W/Vc = 0,318/7 = 0,0454 кг/(м3Чс) = 163 кг/(м3Чч),
где Vc = 0,785D2L=0,785·1,22·6 = 7 м3.
Удельный объемный расход сушильного агента:
υ = Vt1/Vc = 6,22/7 = 0,89 м3/(м3Чс) = 3024 м3/(м3Чч).
Энергетические показатели работы сушилки
Тепловой КПД процесса сушки:
η1 = Qи/Qоб = 823/923 = 0,89 кДж/с,
где Qоб = Qи+Qм+Qпот = 823+36+64 = 2506 кДж/с.
Термический КПД сушилки:
2 = (J1-J2)/J1 = (512-307)/512 = 0,4.
Коэффициент теплового напряжения:
Bt = (t1-t2)/t1 = (400-90)/400 = 0,775.
Удельный расход природного газа на один кг испаренной влаги:
dВ = B/W = 0,033/0,318 = 0,1 кг/кг.
Удельный расход природного газа на один кг высушенного опила:
dG = B/
2 = 0,033/0,682 = 0,05 кг/кг. Удельный расход тепла на один кг испаренной влаги:
dQ = Qоб/W = 923/0,318 = 2903 кДж/кг.
Удельный расход электроэнергии на один кг испаренной влаги:
dN=i/W=(1,1+1,1+0,55+0,55+13+30)/0,318=146 кДж/кг,
где 1=1,1 кВт – ленточный транспортер; 2=1,1 кВт – винтовой транспортер; 3=0,55 кВт – шлюзовой дозатор (под бункером-питателем); 4=0,55 кВт – шлюзовой затвор; 5=13 кВт – вентилятор подачи воздуха на горение; 6=30 кВт – вентилятор-дымосос.
Список использованных источников
1 Процессы и аппараты химической технологии. Справочные материалы. Сост. канд. техн. наук Орлов В.П. Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. – 121 с.
2 Вдерникова М.И., Орлов В.П., Терентьев В.Б., Штеба Т.В., Кожевников Н.П. Проектирование сушильных установок для сушки измельченной древесины. Ч. I. Технологические и гидродинамические расчеты. Екатеринбург, УГЛТА, 2001. 44с.
3 Ведерникова М.И., Старцева Л.Г., Орлов В.П., Терентьев В.Б. Проектирование сушильных установок для сушки измельченной древесины. Ч.II. Вспомогательное оборудование. Екатеринбург: УГЛТА, 2001. 44 с.
4 Ведерникова М.И., Старцева Л.Г., Орлов В.П., Терентьев В.Б. Проектирование сушильных установок для сушки измельченной древесины. Ч. III. Примеры расчетов сушилок. Екатеринбург, УГЛТА, 2001. 41с.
5 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия. 1987. 576с.
6 Ведерникова М.И. Гидравлические расчеты. Ч. I. Расчет и выбор насосов и вентиляторов. Екатеринбург, УГЛТА, 2000. 40с.
7 Старцева Л.Г., Ведерникова М.И. Гидравлические расчеты. Ч. II. Примеры расчетов и выбора насосов и вентиляторов. Екатеринбург, УГЛТА, 2000. 44с.
8 Ведерникова М.И., Таланкин В.С., Панова Т.М. Общие требования к выполнению и оформлению курсовых и дипломных проектов (работ). Требования к текстовой части. Ч. I. Екатеринбург, УГЛТУ: 2002. 56 с.
9 Ведерникова М.И., Таланкин В.С., Панова Т.М. Общие требования к выполнению и оформлению курсовых и дипломных проектов (работ). Требования к графической части. Ч. II. Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. 50 с.
10 Ведерникова М.И., Таланкин В.С., Юрьев Ю.Л. Оборудование для переработки растительного сырья. Атлас чертежей. Екатеринбург: УГЛТУ, 2005. 75 с.
33
ВВЕДЕНИЕ
Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем её испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых материалов и проводится двумя способами:
– первый проводится путем непосредственного соприкосновения сушильного агента с высушиваемым материалом – конвективная сушка.
– второй путем нагревания высушиваемого материала тем или иным теплоносителем через стенку, проводящую тепло – контактная сушка.
Сушка производится также путем нагревания высушиваемых материалов токами высокой частоты или инфракрасными лучами.
В особых случаях применяется сушка некоторых продуктов в замороженном состоянии при глубоком вакууме – сушка возгонкой.
По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду.
Процесс сушки широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевым механическим способом (например, фильтрованием), а окончательный – сушкой.
Барабанные сушилки предназначены для сушки различных взрыво- и пожароопасных нетоксичных сыпучих (кусковых и зернистых) продуктов. Вращающийся барабан установлен на роликовых опорах с наклоном. Привод барабана включает электродвигатель, редуктор и зубчатую передачу. В начальной по ходу продукта зоне барабана установлена приемно-винтовая насадка (в этой зоне продукт, перемещаясь, предварительно подсушивается), за ней – лопастная (для равномерного распределения и перемешивания материала при вращении барабана по его сечению с целью обеспечения развитой поверхности контакта с сушильным агентом) и комбинированная лопастно-секторная. В комплект барабанной сушилки входят камеры загрузки и выгрузки. Герметизация вращающегося барабана с неподвижными камерами осуществляется через уплотнительное устройство [2].
1 Описание принципиальной технологической схемы
Для сушки измельченной древесины используют сушильные установки непрерывного действия, в которых процесс сушки совмещается с перемещением материала.
Влажный материал ленточным транспортером ТЛ подается в бункер-питатель БП, откуда шлюзовым дозатором ДШ подается в барабанную сушилку БС. Воздух на горение подается вентилятором В. Сушильный агент – топочные газы, полученные при сжигании природного газа в топке Т, разбавляются воздухом в камере смешения КС и поступают в сушилку. Высушенный продукт вместе с сушильным агентом подается в циклон Ц1, где продукт отделяется от сушильного агента. Продукт через шлюзовый затвор ЗШ подается на транспортер ТВ. Отработанный сушильный агент поступает на вторую очистку в циклон Ц2, после чего выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу ДТ. Продукт через шлюзовый затвор ЗШ подается на транспортер ТВ.
Принципиальная технологическая схема приведена на рисунке 1.1
В – вентилятор; ТЛ – транспортер ленточный; Т – топка; КС – камера смешения; СБ – сушильный барабан; БП – бункер питатель; ДШ – дозатор шлюзовый; ВД – вентилятор-дымосос; ДТ – дымовая труба; З – задвижка; КО – клапан обратный; ЗШ – затвор шлюзовый; ТВ – транспортер винтовой; Д – диафрагма.
Рисунок 1.1 – Схема сушильной установки
2 Расчет основных аппаратов сушильной установки
2.1 Расчет топки для сушильной установки
Исходные данные
Состав природного газа (Елшанское месторождение, Саратовская область) следующий, масс. % [4, приложение 1]:
93,2 CH4; 0,7 C2H6; 0,6 С3Н8; 0,6 C4H10; 0,5 С5Н12; 4,4 N2.
Параметры наружного воздуха
Температура tо=17,2 °С
Относительная влажность φо=70 %
Барометрическое давление Р=750 мм.рт.ст.=0,099 МПа
Влагосодержание наружного воздуха при tо=24,7 °С; φо=50 %:
хо=0,622φоРнас/(Р-φоРнас)=0,622·0,7·14,75/(750-0,7·14,75)=0,009 кг/кг,
где Рнас=14,75 мм.рт.ст. при tо=17,2 °С [5, табл. XXXVIII] при Р=750 мм.рт.ст.
Теплосодержание наружного воздуха при tо=17,2°С и хо=0,009 кг/кг:
Jо=1,01tо+(2493+1,97tо)хо=1,01·24,7+(2493+1,97·17,2)·0,009=40 кДж/кг.
Теплотворная способность сухого газообразного топлива:
Qрн
=500,3CH4+475,22С2Н6+463,29С3Н8+458,48С4Н10+453,45С5Н12+453,32С2Н2+ 465,43С2Н4+101,10СО+1203,76H2+153H2S=500,3·93,2+475,22·0,7+463,29·0,6+458,48·0,6+453,45·0,5=47740,4 кДж/кг.
Qрв = Qрн+2500∑(0,09n)/(12m+n)+25Wр = 47740,4+2500[(0,09·4)/(12·1+4)+(0,09·6)/(12·2+6)+(0,09·8)/(12·3+8)+(0,09·10)/(12·4+10)+(0,09·12)/(12·5+12)]+25·0 = 47957,9 кДж/кг.
Теоретическое количество абсолютно сухого воздуха, необходимого для сжигания 1 кг природного газа:
Lо = 0,02435СО+0,348Н2+0,0614Н2S+1,39∑[(m+n/4)/(12m+n)]CmHn-1,39O2 = =1,39{[(1+4/4)/(12·1+4)]93,2+[(2+6/4)/(12·2+6)]0,7+[(3+8/4)/(12·3+8)]0,6+[(4+10/4)/(12·4+10)]0,6+[(5+12/4)/(12·5+15)]0,5}= =1,39[11,65+0,082+0,068+0,067+0,056] = 16,57кг воздуха/кг газа.
Масса сухого воздуха, подаваемого в топку для сжигания 1 кг природного газа:
Lm= αmLо = 1,2·16,57 = 19,88 кг воздуха/кг газа,
где αm = 1,05-1,2 при сжигании газов.
Масса сухого газа, получаемого при сжигании 1 кг природного газа:
l’сг =1+Lm-∑[(0,09n)/(12m+n)]CmHn-0,01Wр = 1+19,88-{[(0,09·4)/(12·1+4)]·93,2 +[(0,09·6)/(12·2+6)]0,7+[(3+8/4)/(12·3+8)]0,6+[(0,09·10)/(12·4+10)]0,6+ [(0,09·12)/(12·5+12)]0,5} = 20,88-2,136 = 18,744 кг/кг при Wр=0.
Масса водяного пара, получаемого при сжигании 1 кг природного газа с избытком воздуха:
d′ = ∑[(0,09n)/(12m+n)]CmHn+ Lmхо+0,01Wр = 2,0639+19,88·0,009+0,01·0 = 2,31 кг/кг.
Влагосодержание топочных газов:
хтг=x′=d′/ l’сг = 2,31/18,744 = 0,12 кг/кг.
Количество компонентов топочных газов, полученных при сжигании 1 кг природного газа:
lco2 = 0,01CO2+0,0157CO+∑[0,04/(12m+n)]CmHn = [0,44/(12·1+4)]93,2+[0,44/(12·2+6)]0,7+[0,44/(12·3+8)]0,6+[0,44/(12·4+10)]0,6+ +[0,44/(12·5+12)]0,5 =2,563+0,0103+0,006+0,0045+0,0031=2,59 кг/кг;
lso2 = 0,0188H2S = 0,0188·0 = 0,00 кг/кг;
lN2 = 0,768Lm+0,01N2 = 0,768·19,88+0,01·4,4 = 15,31 кг/кг.
lo2 = 0,232(αm-1)Lо = 0,232(1,2-1)16,57= 0,77 кг/кг.
Средняя молекулярная масса сухих топочных газов:
Мсг = l’сг/[(lco2/44)+(lso2/64)+(lN2/28)+(lo2/32)] = 18,744/[(2,59/44)+ +(15,31/28)+(0,77/32)]=29,7 кг/кмоль.
Средняя теплоемкость сухих топочных газов при tтг=1000 єC:
Ссг = ( Ссо2lco2+ Сsо2lso2+ СN2lN2+Со2lo2)/(lco2+ lso2+ lN2+ lo2) = =(1,12·2,59+1,11·15,31+1,03·0,77)/(2,59+15,31+0,77) = 1,1кДж/(кг·К),
где теплоемкость при tтг=1000 єC [4, приложение, табл. 2]: Ссо2=1,12; СN2=1,11; Со2=1,03 кДж/(кг·К).
Средняя теплоемкость природного газа при t=24,7 єC:
Cт = Ссн4Yсн4+Сс2н6Yc2н6+…+СсmнnYcmнn = 2,18·0,932+1,64·0,007+1,28·0,006+1,59·0,006 = 2,06 кДж/(кг·К),
где Ссн4=2,18; Сс2н6=1,64; Сс3н8=1,28; Сс4н10=1,59 кДж/(кг·К) при t=17,2 єC [4, приложение, таблица 2]:
Средняя температура топочных газов на выходе из топки без учета диссоциации углекислого газа и паров воды:
tтг = (Qрвŋт+Cтt+LmJо+wgig-2500l’сгх′)/[l’сг(Ссг+1,97х′)] =(47957,9·0,95+2,06·17,2 +19,88·40-2500·18,744·0,12)/[18,744(1,1+1,97·0,12)] = 1627 °C,
где wg = 0, так как газ не распыляют ни воздухом, ни паром.
Температуру топочных газов снижают до tтг=1000 °C за счет подачи наружного воздуха в топку с целью предотвратить разрушение футеровки топки.
Теплосодержание топочных газов:
Jтг=1,01tтг+(2493+1,97tтг)xтг=1,01·1000+(2493+1,97·1000)0,12=1546 кДж/кг.
Теплосодержание пара в составе топочных газов при t1=400 °C:
in=r0+1,97t1=2493+1,97·400=3281 кДж/кг
Коэффициент избытка воздуха при разбавлении топочных газов воздухом до температуры t1=400 °C:
α2=(QрвηT +Cтtт )/L0( Cсгt1+x0i0-J0)-{1-∑[0,09n/(12m+n)]CmHn-0,01Wp}Cсгt1/L0∙ (Cсгt1+x0i0-J0)-{∑[0,09n/(12m+n)]CmHn-0,01Wp]in+Wgin}/L0(Cсгt1+x0i0-J0)=(47957,9∙0,95+2,06∙17,2)/16,57(1,1∙400+0,009∙3281-40)-[1-2,136∙1,1∙400]/16,57(1,1∙400+0,009∙3281-40-2,136∙2305,05+0}/16,57(1,1∙400+0,009∙3281-40) = 5,5
Количество воздуха, подаваемого в камеру смешения на 1 кг природного газа для разбавления до t1=400 °C:
Lсм=Lо(α2-αm) = 16,57(5,5-1,2) = 72 кг воздуха/кг газа.
Количество сухой смеси топочных газов с воздухом на 1 кг природного газа:
l"сг = l'сг+Lcм = 18,74+72 = 91 кг/кг.
Количество паров воды в смеси топочных газов с воздухом, полученных при сжигании 1 кг природного газа:
d'' = d'+Lсмxо=2,31+72·0,009 = 2,96 кг пара/кг газа.
Влагосодержание смеси топочных газов с воздухом на выходе из смесителя:
x1=x″=d″/ l"сг = 2,96/91 = 0,033 кг/кг.
Теплосодержание сушильного агента при входе в сушилку:
J1=1,01t1+(2493+1,97t1)x1=1,01·215+(2493+1,97·400)0,033 = 512 кДж/кг.
Расход природного газа на сушку елового волокна в сушилке:
В = L1/ l"сг = 2,82/91 = 0,031 кг/с=111,6 кг/ч,
где L1=2,82 кг/с [см. расчет барабанной сушилки].
Объем топочной камеры:
Vгор= QрнВ/qv=47740,4·111,6/1260·103=4,2 м3,
где qv=1260·103 кДж/(м3·ч) [4, приложение, таблица 3].
Принимаем соотношение длины к диаметру топки L/D=1,8
Диаметр топки: D= (Vгор/0,785·1,8)1/3=(4,2/0,785·1,8)1/3=1,44 м.
Принимаем диаметр топки 1,5 м.
Длина топки:
L=1,8D=1,8·1,5=2,7 м.
Размеры топки: D=1500 мм; L=2700 мм.
2.2 Расчет и выбор барабанной сушилки
Исходные данные
Параметры материала
Материал еловый опил
Размер частиц 1,2 Ч 2,0 Ч 1,8 мм
Производительность по сухому материалу G1 = 3,6т/ч = 1кг/с
Относительная влажность:
начальная ω01 = 40%
конечная ω02 = 12%
Температура влажного материала θ1 = 20°С
Параметры сушильного агента
Сушильный агент – топочные газы, разбавленные воздухом.
Топливо – природный газ Елшанского месторождения
Вход в сушилку
Температура t1 = 400°С
Влагосодержание x1 = 0.033 кг/кг
Выход из сушилки
Температура t2 = 90°С
Параметры наружного воздуха
Температура t0 = 17,2°С
Влагосодержание x0 = 0.009 кг/кг
Теплосодержание I0 = 40кДж/кг
2.2.1 Технологический расчет
Теплофизические свойства елового опила
Эквивалентный диаметр частиц
dэ = (6Vч/π)0,33= [(6·4,32·10-9)/3,14]0,33 = 2,2·10-3 м,
где Vч - объем частицы, м3;
Vч = δbl = 1,2·2,0·1,8·(10-3)3 = 4,32·10-9
Абсолютная влажность материала:
на входе в сушилку: ωа1 = 100ω01/(100-ω01) = 100·40/(100-40) = 67%
на выходе из сушилки: ωа2 = 100ω02/(100-ω02) = 100·12/(100-12) = 14%
средняя влажность: ωа ср = 0,5(ωа1+ωа2) = 0,5(67+14) = 40,5%;
Плотность опила при ωа ср = 40,5% [4, таблица 4]: ρср = 522 кг/м3;
Теплоемкость опила при θср = 0,5(θ1+θ2) = 0,5(20+60) = 40°С и при ωа ср = 40,5% [2, таблица 6]: См = 2,64 кДж/(кг·К).
Теплопроводность опила при ωа ср = 40,5% [4, таблица 7]: λср = 0,158 Вт/(м·К)
Насыпная плотность опила ρн = 200 кг/м3 [2, таблица 5].
Материальный баланс
Производительность по влажному материалу:
G2 = G1(100-ω01)/(100 ω02) = 1·(100-40)/(100-12) = 0,682 кг/с;
Производительность по испаренной влаге:
W = G1 – G2 = 1 - 0,682 = 0,318 кг/с;
Производительность по абсолютно сухому материалу:
Gа = G1 (100-ω01)/100 = 1·(100-40)/100 = 0,6 кг/с;
2.2.2 Построение рабочей линии процесса сушки на I-x диаграмме (рисунок 2.1)
Теплосодержание сушильного агента на входе в сушилку при х1 и t1:
I11 = 1,01·t1+(2493+1,97·t1)·x1 = 1,01·400+(2493+1,97)·0,033 = 512 кДж/кг;
Параметры наружного воздуха:
Точка А на I-x диаграмме: x0 = 0.009 кг/кг; t0 = 17,2°С; I0 = 40кДж/кг
Параметры топочных газов:
Точка К на I-x диаграмме:
x тг = x’ = 0,12 кг/кг;
t тг = 1000°С;
I тг = 1,01·1000+(2493+1,97·1000)·0,12 = 1546 кДж/кг;
Параметры сушильного агента
Вход в сушилку
Точка В на I-x диаграмме: x0 = 0,009 кг/кг;
Выход из сушилки
Точка С на I-x диаграмме: t2 = 90°С.
Последовательность построения рабочей линии сушки на I-x диаграмме
1. На I-x диаграмме находим точку А по x0 = 0.009 кг/кг и t0 = 17,2°С точку К по x тг = 0,12 кг/кг и по t тг = 1000°С проводим рабочую линию горения мазута АК.
2. Находим точку В на пересечении линии АК и линии температур t1 = 400°С Определяем x1 = 0.033 кг/кг. Ошибка при построении точки В: (0,045-0,033)·100/0,045=2,8%
3. Определяем температуру материала на выходе из сушилки, при условии, что из опила испаряется только поверхностная влага при tм1 (I1 = I2), тогда θ2 = tм1 =40°С
4. Расход тепла на нагревание материала:
Qм = G2См(θ2-θ1) = 0,682·2,64·(40-20) = 36 кДж/c;
5. Удельный расход тепла на нагрев материала:
qм = Qм/W = 36/0,318 = 113 кДж/кг влаги;
6. Удельные потери тепла принимаем qпот = 200 кДж/кг влаги;
7. Внутренний тепловой баланс сушилки:
Δ = 4,19θ1-(qм+qпот) = 4,19·20-(113+200) = -229 кДж/кг влаги;
8. Координаты точки Е. Задаемся значением x > x1; х = 0,05 кг/кг:
I = I11+Δ(x-x1) = 512-229·(0,05-0,033) = 508 кДж/кг;
9. Строим точку Е по координатам: х = 0,05 кг/кг и I = 508 кДж/кг.
10. Строим рабочую линию сушки ВС: соединяем точку В и Е и продолжаем линию до пересечения с линией температур t2 = 900C, получаем точку С – окончание сушки.
11. По координатам точки С определяем влагосодержание сушильного агента на выходе из сушилки: х2 = 0,081 кг/кг.
Теплосодержание сушильного агента на выходе из сушилки:
I2=1,01t2+(2493+1,97t2)x2=1,01·90+(2493+1,97·90)·0,081=307 кДж/кг.
Рисунок 2.1 - Построение рабочей линии сушки на диаграмме I – x
13