Расчет сушки, хлорида калия топочными газами

Содержание

 

1 Введение.............................................................................................................2

2 Область применения.........................................................................................4

3 Выбор конструкционного материала..............................................................4

4 Технологическая  схема....................................................................................5

5 Технологический расчет...................................................................................5

5.1 Исходные данные к расчету..........................................................................5

5.2 Определение расхода воздуха, скорости газов и диаметра  сушилки........6

6 Высота кипящего слоя......................................................................................10

7 Гидравлическое сопротивление  сушилки.......................................................11

8 Подбор вспомогательного оборудования........................................................12

8.1 Подбор дозаторов...........................................................................................12

8.2 Подбор циклона..............................................................................................12

8.3 Подбор газодувки...........................................................................................13

9 Конструктивный расчет....................................................................................13

Заключение............................................................................................................16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

Сушка, представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых и пастообразных материалов и проводится двумя основными способами:

- путем непосредственного соприкосновения  сушильного агента (нагретого воздуха, топочных газов) с высушиваемым материалом конвективная сушка;

- 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.

Количество влаги удаленной из материала можно определить по основному уравнения массопередачи:

М = KFD,

где  К –  коэффициент массопередачи,

F –  поверхность соприкосновения фаз,

D –  движущая сила процесса.

При постоянных условиях коэффициент массопередачи и движущая сила остаются постоянными, поэтому интенсифицировать процесс сушки можно за счет увеличения поверхности контакта фаз. Для сыпучих мелкозернистых материалов этого можно достичь в сушилках с псевдоожиженным (кипящем) слоем.

В кипящем слое происходит быстрое выравнивание температур твердых частиц и сушильного агента и достигается весьма интенсивный тепло- и массообмен между твердой и газовой фазами, в результате этого сушка заканчивается в течении нескольких минут.

При сушке в кипящем слое в качестве сушильных агентов применяют топочные газы и воздух, сушку проводят в аппаратах непрерывного и периодического действия, причем непрерывная сушка производится в одноступенчатых и многоступенчатых сушилках. В последнем случае достигается повышенная степень использования тепла сушильного агента.

Сушилки с кипящим слоем являются одним из прогрессивных типов аппаратов для сушки. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала. Сушилки с кипящим слоем в настоящее время успешно применяют в химической технологии не только для сушки сильносыпучих зернистых материалов (например, минеральных и органических солей), но и материалов, подверженных комкованию, например для сульфата аммония, поливинилхлорида, полиэтилена и некоторых других полимеров, а также пастообразных материалов (пигментов, анилиновых красителей), растворов, расплавов и суспензий.

Аппараты с псевдоожиженным слоем зернистого материала получили широкое распространение в химической и других отраслях промышленности. Они отличаются большим разнообразием, как по конструкции, так и по гидродинамическим и тепловым режимам работы. Их можно классифицировать следующим образом:

- по количеству зон  однокамерные и многокамерные;

- по характеру движения материала - с направленным и ненаправленным движением от места загрузки материала к месту его выгрузки;

- по использованию теплоносителя  однократное и многократное;

- по конфигурации сушильной  камеры – круглые, прямоугольные  и т.д. Достоинства сушилок с кипящим слоем:

- интенсивная сушка;

- возможность сушки при высоких  температурах, которые могут превышать допустимые для данного материала, вследствие кратковременности его соприкосновения с сушильным агентом;

- высокая  степень использования тепла  сушильного агента;

- возможность  автоматического регулирования  параметров процесса. Недостатки  таких сушилок:

-  непригодность  для сушки материалов, плохо поддающихся  псевдоо-

жижению (например с высокой влажностью, с крупными размерами частиц);

          - высокое  гидравлическое сопротивление;

          - истирание  и значительный унос твердых  частиц.

Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия, но в сушилках этого типа с цилиндрическим корпусом наблюдается значительная неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от его среднего значения. Поэтому применяются сушилки с расширяющимся кверху сечением, например коническим. Скорость газа внизу камеры должна превышать скорость осаждения самых крупных частиц, а вверху быть меньше скорости осаждения самых мелких частиц. При такой форме камеры достигается более организованная циркуляция твердых частиц, которые поднимаются в центре и опускаются (в виде менее разреженной фазы) у периферии аппарата. Благодаря снижению скорости газов по мере их подъема улучшается распределение частиц по крупности и уменьшается унос пыли. Это, в свою очередь, повышает равномерность нагрева (более мелкие частицы, поднимающиеся выше, находятся в области более низких температур) и позволяет уменьшить высоту камеры.

2 Область применения

Проектируемая сушилка применяется в химической промышленности для сушки кристаллов KCl выходящих из кристаллизатора.

3 Выбор конструкционного материала

Частицы хлорида калия при влажности 16% и температуре 115°С  являются коррозионно активным веществом, поэтому в качестве конструкционного материала выбираем сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-74, которая может работать в агрессивной среде до температуры 600 °С.

4 Технологическая  схема

 

Влажный материал шнековым питателем ШП, подается в слой продукта, “кипяшего”  на газораспределительной решетке в аппарате с кипящем слоем  АКС. Воздух, забираемый из атмосферы, подается газодувкой ГД в калорифер К, где нагревается за счет конденсации греющего пара до температуры 700°С, азатем поступает в подрешеточное пространство аппарата АКС. Выходя с большой скоростью из отверстий газораспределительной решетки, нагретый воздух псевдоожижает и высушивает слой материала. Высушенный продукт непрерывно выгружается дозатором Д  (шлюзовым разгрузителем). Отработанный воздух очищается от унесенной пыли в циклоне Ц. Уловленная пыль непрерывно (или периодически) выгружается из циклона и вместе с высушенным материалом в виде готового продукта направляется на склад или на дальнейшую переработку.

 

5 Технологический  расчет

5.1 Исходные данные  к расчету

 

Для расчета используем следующие данные, указанные в задании на проектирование.

 

 

 

Таблица 1 – Исходные данные для проектирования

Наименование параметра	Обозначение	Величина
Расход сырья (по сухому материалу)	Gм	1000 кг/ч
Начальная влажность материала (масс)	ωн	16 %
Конечная влажность материала (масс)	ωк	1 %
Плотность кристаллов	ρч	1984 кг/м3
Теплоемкость кристаллов	см	4,02 кДж/(кг К)
Начальная температура материала	tн	16 °С
Конечная температура материала	tк	115 °С
Температура воздуха на входе в сушилку	tвх	700 °С
Температура воздуха на выходе из сушилки	tвых	120 °С
Диаметр частиц материала	dч	2,5 мм
Средняя температура окружающей среды	t0	17 °C
Средняя влажность	φ0	63 %

 

5.2 Определение расхода воздуха, скорости  газов и диаметра сушилки

Все расчетные формулы и зависимости взяты из [4]. Определим расход влаги, удаляемой из высушиваемого материала

 

Уравнение внутреннего теплового баланса идеальной сушилки

 

где Δ – разность между удельным приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере;

cвл – теплоемкость влаги во влажном материале при температуре tн, принимаем испаряемую влагу – воду, тогда cм = 4,2 кДж/(кг К) [3, табл. XXXIX];

qдоп – удельный дополнительный подвод тепла в сушилку, при работе по нор-

мальному сушильному варианту qдоп = 0 кДж/кг;

qт – удельный расход тепла в сушилке с транспортными средствами, для про-

ектируемой сушилки qт = 0 кДж/кг;

 

qп – удельные потери тепла в окружающую среду, принимаем 0,93% от тепла,

затрачиваемого на испарение 1 кг влаги, qп = ε·r × 1 кг = 0,0093 × 2440 × 1 кг =

= 22,6 кДж/кг, где r = 2440 кДж/кг – теплота испарения воды при tн [3, табл. LIV];

qм – удельный расход тепла в сушилке с высушиваемым материалом

 

 

 

Расход тепла

Q = Qисп + Qнаг + Qпот = 1,15(W[r0 + cп(tв2 – tм1)] + Gксм(tм2 – tм1)),

где Qисп – тепло затрачиваемое на испарение влаги,

Qнаг – тепло затрачиваемое на нагрев материала,

Qпот – потери тепла в окружающую среду, принимаемые равными 15% от первых двух слагаемых,

r0 = 2439 кДж/кг – теплота испарения при 20° С [1c. 550],

cп = 1,97 кДж/(кг×К) – теплоемкость водяного пара [1c. 528],

cм = 4,02 кДж/(кг×К) – теплоемкость материала [1c. 527],

tм1 = 16° С – температура материала на входе в сушилку,

tм2 = 120° С – температура материала на выходе из сушилки.

Q = 1,15×(0,05[2493+1,97×(120–16)]+0,28×4,02×(115–16)) = 290 кВт

 

По диаграмме I-x по известным параметрам наружного воздуха (t0 = 17 °C и

φ0 = 63%) находим влагосодержание x0 и энтальпию I0 воздуха, поступающего в

калорифер для подогрева и затем в сушилку

x0 = 0,009 кг влаги/кг сухого воздуха

I0 = 45 кДж/кг

При нагревании воздуха до температуры tвх= 700 °C его энтальпия увеличивается до I1= 735 кДж/кг,

,

x0 - подставляется в г влаги /кг сухого воздуха.

Так как нагрев сушильного агента осуществляется через стенку, влагосодержание остается постоянным x0 = х1 = 0,009 кг влаги/кг сухого воздуха

Средняя плотность воздуха

 

где ρ0 – плотность воздуха при нормальных условиях (20 °C, 760 мм. рт. ст.),

ρ0 = 1,293 кг/м3 [3, табл. IV];

T0 – температура нормальных условий, T0 = 273 K;

 

 

Плотность паров

 

где ρп0 – плотность паров воздуха при нормальных условиях (20 °C, 760 мм. рт. ст.),

ρп0 = 0,803 кг/м3 [3, табл. IV];

Расход воздуха на сушку по уравнению равен:

L = Q/(cв(t2 – t1)) =290/(1×(700 – 120)) = 0,5 кг/с,

где св = 1 кДж/(кг×К) – теплоемкость сухого воздуха [1c. 528].

Удельный расход сухого воздуха:

l = L/W = 0,5/0,05 = 10 кг/кг.

Начальное влагосодержание воздуха: х1 = 0,009 кг/кг.

Влагосодержание воздуха на выходе из сушилки:

х2 = х1 + 1/l = 0,009 + 1/10 = 0,109 кг влаги/кг сухого воздуха

 

Среднее влагосодержание воздуха в сушилке

 

Средняя объемная производительность по воздуху

 

 

 

Далее рассчитываем фиктивную (на полное сечение аппарата) скорость начала псевдоожижения:

 

где – критерий Рейнольдса; –критерий Архимеда; – вязкость воздуха при средней температуре;

dэ – эквивалентный диаметр частиц, dэ = dч = 2,5 мм.

Критерий Архимеда

 

Критерий Рейнольдса

 

Скорость начала псевдодвижения:

 м/с.

Верхний предел допустимой скорости воздуха в псевдоожиженном слое определяется скоростью свободного витания (уноса) наиболее мелких частиц. Эту скорость определяют по уравнению:

 

где и – вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре; d – наименьший диаметр частиц материала, м;

Рабочую скорость w сушильного агента выбирают в пределах от wnc до wcв. Эта скорость зависит от предельного числа псевдоожижения К = wcв / wnc: при К более 40–50 рабочее число псевдоожижения Kw= w/wnc рекомендуется выбирать в интервале от 3 до 7; при К меньше 20 - 30 значение Kw можно выбирать в интервале от 1,5 до 3. В рассматриваемом расчете К = 16 / 1,26 = 13. Примем Kw = 2,38. Тогда рабочая скорость сушильного агента

w = Kw · wПС = 2,38 · 1,26 = 3 м/с.

Диаметр сушилки d определяют по уравнению:

.

Примем диаметр сушилки d = 0,8 м.

Где νг - объемный расход влажного сушильного агента на выходе из сушилки.

 

6 Высота кипящего слоя

Критерий Прандтля:

Pr = cmt/lt = 1000×22×10-6/0,035 = 0,62,

где lt = 0,035 Вт/(м×К) – теплопроводность воздуха.

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,4(Reр/e)0,67Pr0,33 = 0,4×(177/0,45)0,67×0,620,33 = 18,7

 

 

Коэффициент теплообмена:

a = Nult/d = 18,7×0,035/0,0025 = 262 Вт/(м×К)

Число отверстий n в распределительной решетке определяют по уравнению:

 

где S – сечение распределительной решетки, численно равное сечению сушилки, м2; Fc – доля живого сечения решетки, принимаемая в интервале от 0,02 до 0,1.

Приняв долю живого сечения Fc = 0,05, найдем число отверстий в распределительной решетке:

 

Число единиц переноса:

= ln[(700 – 115)/(120 – 115)] = 4,76.

Объем кипящего слоя:

Vсл = LcВm0/[aSуд(1 – e)],

где Sуд = 6/d = 6/0,0025 = 2400 м-1 – удельная поверхность.