Глава 3. Определение основных размеров сушильного барабана
Расчет основных размеров сушильного барабана сводится к определению объема сушильного барабана Vб, длины и диаметра барабана.
Определив длину и диаметр барабана, выбирают стандартный аппарат.
Объем барабана складывается из объема необходимого для сушки Vсуш и объема для прогрева материала.
Vб = Vсуш + Vпрогр (16)
Объем необходимый для сушки материала можно определить по формуле:
, (17)где Кv – объемный коэффициент массопередачи, с-1
ΔХср – средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м3
Движущую силу массопередачи ΔХср определяем по уравнению:
, (18)где
ΔХб = Х1* - Х1 – движущая сила в начале процесса сушки, кг/м3
ΔХм = Х2* – Х2 – движущая сила в конце процесса сушки, кг/м3
Δрб = р1* – р1 – движущая сила в начале процесса сушки, Па
Δрм = р2* – р2 – движущая сила в конце процесса сушки, Па
Х1*, Х2* – равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м3
р1*, р2* – давление насыщенных паров над влажным материалом в начале и конце процесса сушки, Па. Их значения определяются по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале tм1 и в конце tм2 процесса сушки.
По диаграмме Рамзина найдем:
tm1 = 57 оC
р1* = 18498 (Па),
tm2 = 56 оC
р2* =17109 (Па);
р1, р2– давление водяных паров в газе в начале и конце процесса сушки, Па. Их определяют по формуле:
, (19)где Х – влагосодержание на входе или на выходе из сушилки.
Тогда на входе в сушилку
p1 = (0,028/18∙105) / (1/29 + 0,028/18) = 4321 Па
на выходе из сушилки
р2 =(0,11/18∙105) / (1/29 + 0,11/18) = 15054 Па
Δpср = ((18498–4321) − (17109 − 15054)) / ln(16,7) = 6276 Па
Откуда ΔХср по уравнению 18 будет равно:
ΔХср = 6276∙18 / (105∙22,4∙((273 + 190)/273)) = 0,029 (кг влаги/м
)tср = (tвх + tвых) / 2 = 300 + 80 / 2 = 190 0С
В случае сушки кристаллических материалов, т.е. при удалении поверхностной, свободной влаги и параллельном движении материала и сушильного агента, коэффициент массопередачи Кv пропорционален коэффициенту массоотдачи βv.
Для барабанной сушилки коэффициент массотдачи βv может быть вычислен по эмпирическому уравнению:
(20)где
ρср – средняя плотность сушильного агента, кг/м3
ρср = М∙Т0 / (V0(T0 + tср)) = 29∙273 / (22,4∙(273 + 190)) = 0,763 кг/м3
с – средняя теплоемкость сушильного агента,
с = 1 кДж/(кг∙К)
β – степень заполнения барабана высушиваемым материалом, %
р – среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па
p = (p1 + p2)/2 = (4321 + 15054)/2 = 9687,5(Па)
ω – рабочая скорость сушильного агента в барабане, м/с
n – число оборотов барабана ( изменяется в реальных барабанах от 2 до 12 об/мин)
Уравнение 20 справедливо для значений:
ωρср = 0,6 … 1,8 кг/м2∙с
n = 1,5 … 5 об/мин
β = 10 … 25 %
Если указанные пределы не соблюдаются, то объем барабана можно рассчитывать по величине объемного напряжения по влаге:
, (21)где Аv - значение объемного напряжения по влаге
Скорость газов в барабанах выбирается в зависимости от размеров частиц и насыпной плотности высушиваемого материала по таблице 3.
Таблица 3 «Выбор рабочей скорости газов в сушильном барабане».
Размер частиц, мм | Значение скорости ω при насыпной плотности | ||||
350 | 1000 | 1400 | 1800 | 2200 | |
0,3 – 2 | 0,5 – 1,0 | 2,0 – 5,0 | 3,0 – 7,5 | 4,0 – 8,0 | 5,0 – 10,0 |
Более 2-х | 1,0 – 3,0 | 3,0 – 5,0 | 4,0 – 8,0 | 6,0 – 10,0 | 7,0 – 12,0 |
Степень заполнения барабана зависит от конструкции перевалочных устройств:
подъемно – лопастные допускают β = 12 … 14 %;
распределительные с открытыми и закрытыми ячейками – β = 21 … 27 %
Принимаем:
ω = 2,3 м/с
n = 5 об/мин
β = 12 %
Тогда объем сушильного пространства рассчитывается по формуле 17 и равен:
Vсуш = 0,348 / 0,45∙0,029 = 26,6 м3;
Объем барабана необходимый для прогрева влажного материала определяют по уравнению:
, (22)где Qп – расход тепла на прогрев материала до температуры tм1, кВт
Qп = GкСм(tм1 – Θ1) + WвСв(tм1 – Θ1 ) (23)
Qп = 3,3 * 0,8 * 37 + 0,348 *4,19 * 37 = 151,63
Кv – объемный коэффициент теплопередачи, кВт/(м3∙К)
Kv = 16(2,3
0,763)0,9 50,7 120,54 = 0,3127кВт/м3*КΔtср – средняя разность температур, 0С
Св – теплоемкость вздуха
Θ1 – температура влажного материала
Θ1 = Т0
Для вычисления Δtср необходимо найти температуру сушильного агента tх до которой он охлаждается, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до tм1 .Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса:
Qn = Lс.г.∙(1+X1 )∙Cг∙(t1 – tх ) (24)
Откуда:
tx =
tx = 267 0С;
Средняя разность температур Δtср равна:
, (25)Δtср = ((300 – 20) + (267 – 57)) / 2 = 245 0С;
Подставляем полученные значения в уравнение 22:
Vп = 151,63 / 0,3127∙245 = 1,98 м3;
Общий объем сушильного барабана равен:
Vб = Vсуш + Vпрогр = 26,6 + 1,98 = 28,58 м3;
По справочным данным находим основные характеристики барабанной сушилки – длину и диаметр, взяв за основу объем сушильного пространства.
По таблице выбираем барабанную сушилку № 7119 со следующими характеристиками:
Объем V = 30,5 м3,
Диаметр dвн = 1,8 м,
Длина l = 12 м,
Частота n = 5 об/мин;
Определим действительную скорость газов в барабане:
, (26)где Vг – объемный расход влажного сушильного агента на выходе из барабана, м3/с
, (27)хср – среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг
Vг =
Тогда:
ωд = 6,1 / 0,785∙1,82 = 2,4 м/с;
Принятое: ω = 2,3 м/с
Время пребывания материала в барабане:
, (28)где Gм = Vβρм = 30,5 * 0,12 * 1200 =4392 (29)
Отсюда
τ = 4392 / (3,3 + 0,348/2) = 1264,25 с;
Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана α:
, (30)α = (30∙12/1,8∙5∙1264,25 + 0,007∙2,4)∙(180/3,14) = 2,80;
Проверим допустимую скорость газов по уносу мелких частиц:
, (31)где ρср – плотность сушильного агента
ρср = [29∙(105–9687,5)+18∙9687,5]∙273/(22,4∙105∙(273+190)) = 0,735 кг/м3;
Ar = (d3∙ρч∙ρср∙g) / µср2 = [(1∙10-3)3 ∙1200∙0,735∙9,8]/(0,025∙10-3)2 = 34,6∙104;
μср и ρср – вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре;
d – диаметр частиц материала, м;
ρr – плотность частиц материала.
Скорость уноса равна:
ωун = 0,025∙10-3/1∙10-3∙0,735∙[34,6∙106/(18 + 0,575∙√34,6∙106)] = 4,6 м/с;Рабочая скорость сушильного агента в сушилке ωд = 2,4 м/с меньше чем скорость уноса частиц ωун = 4,6 м/с, поэтому расчет основных размеров сушильного барабана заканчиваем.
IV. Заключение
По данным условиям мы рассчитали процесс конвективной сушки материала (глины) в барабанной, вращающейся сушилке при подогреве воздуха продуктами сгорания отопительного газа. Так же по приведенным данным произвили расчет материального и теплового балансов процесса сушки с помощью диаграммы Рамзина. По расчетам нашли тип барабанной сушилки – № 7119 и его характиристики: диаметр dвн = 1,8 м, длина l = 12 м, объем V = 30,5 м3, частота n = 5 об/мин, угол наклона к горизонту которой составляет α = 50.
Список литературы:
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Посков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1981.
2. Сушильные аппараты и установки. Каталог НИИХИММАШ. 3-е изд., М.:, 1975.
3. Аппараты с вращающимися аппаратами общего назначения. Основные параметры и размеры. ГОСТ 11875-79.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973.
5. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970.