Теоретические основы процесса сушки

 

Q_c = L_сг(I₁ – I₀) .                                                        (3.18)

 

Q_cлет = 1,65 (1064,023 – 45) = 1681,35 кДж/с или 1681,35 кВт.

 

     Расход топлива на сушку (формула (3.19)):

 

G_т = Q_c/Q.                                                                (3.19)

 

G_т = 1681,35 /52456,553 = 0,032 кг/с;

 

 

3.3 Определение  основных размеров сушильного  барабана

     Основные размеры барабана выбирают по нормативам и каталогам–справочникам в соответствии с объемом сушильного пространства. Объем сушильного пространства V складывается из объема V_п, необходимого для прогрева влажного материала до температуры, при которой начинается интенсивное испарение влаги (до температуры мокрого термометра сушильного агента), и объема V_c, требуемого для проведения процесса испарения влаги, т. е. (формула (3.20))

 

V = V_c + V_п .                                                         (3.20)

 

     Объем сушильного пространства барабана может быть вычислен по модифицированному уравнению массопередачи [6, 7] (формула (3.21)):

 

V_c = W/(K_υΔx_сp'),                                                  (3.21)

 

где Δх_сp – средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³;

      К_υ – объемный коэффициент массопередачи, 1/с.

     При параллельном движет материала и сушильного агента температура влажного материала равна температуре мокрого термометра. В этом случае коэффициент   массопередачи численно равен коэффициенту массоотдачи К_υ = β_υ.

     Для барабанной сушилки коэффициент массоотдачи β_υ может быть вычислен по эмпирическому уравнению (3.22) [2]:

 

,            (3.22)

 

где r_сp – средняя плотность сушильного агента, кг/м³;

      с – теплоемкость сушильного агента при средней температуре в барабане,   равная 1 кДж/(кг·К);

      β – оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом, %;

      P₀ – давление, при котором осуществляется сушка, Па;

      P – среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па.

      Принимаем скорость газов в барабане ω = 2 м/с. Плотность сушильного агента при средней температуре в барабане t_ср = 445 °С практически соответствует плотности воздуха при этой температуре (формула (3.23)):

                                             (3.23)

 

кг/м³.

 

При этом:

 

ωρ_сp = 2·0,492 = 0,984 кг/(м²·с).

 

     Уравнение (3.22) справедливо для ωρ_сp = 0,6-1,8 кг/(м²·с).

Частота вращения барабана обычно не превышает 5–8 об/мин; принимаем  n = 5 об/мин. Для рассматриваемой конструкции сушильного барабана β = 12 %.

Процесс сушки осуществляется при атмосферном давлении, т. е. при  P₀ = 10⁵ Па. Парциальное давление водяных паров в сушильном барабане определим как среднеарифметическую величину между парциальными давлениями на входе газа в сушилку и на выходе из нее.

       Парциальное давление водяных паров в газе определим по уравнению (3.24):

 

P = (x/M_в)P₀/(1/M_св + x/M_в).                                (3.24)

 

Тогда на входе в сушилку:

 

p₁ = (0,0345/18)10⁵/(1/29 + 0,0345/18) = 5264 Па;

 

На выходе из сушилки:

 

p₂ = (0,125/18)10⁵/(1/29 + 0,125/18) = 16535 Па;

 

 

 

 

Отсюда (формула (3.25)):

 

p = (p₂ +p₁)/2.                                         (3.25)

 

P_зим = (16353 + 5264)/2 = 10900 Па;

 

 

     Таким образом, объемный коэффициент массоотдачи равен:

 

 

 

 

    Движущую силу массопередачи Δx'_сp определим по уравнению (3.26)

 

,                   (3.26)

 

где Δx'_б = х*₁ – х'₂ – движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³;

      Δx'_м = х*₂ – х'₁ – движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³;

       х*₁, х*₂ – равновесное  содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м³.

      Средняя движущая сила ΔP_сp, выраженная через единицы давления (Па), равна (формула (3.27)):

 

ΔP_сp = (ΔP_б – ΔP_м)/ln(ΔP_б/ΔP_м).                                 (3.27)

 

     Для   прямоточного   движения   сушильного   агента   и   высушиваемого   материала имеем: ΔP_б = p*₁ – P₁ – движущая сила в начале процесса сушки, Па; ΔP_м = p*₂ – P₂ – движущая сила в конце процесса сушки, Па; p*₁, P*₂ – давление насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па.

     Значения p*₁ и p*₂ определяют по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале (T_м1)  и в конце (T_м2)  процесса сушки. По диаграмме I–х (рисунок 3.2) найдем: T_м1 = 70°С, T_м2 = 68°С; при этом p*₁ = 18120,26 Па, P*₂ = 22726,79 Па [2].

 

 

 

 

Тогда

кг/м³;

 

.

 

     Объем сушильного барабана, необходимый для проведения процесса испарения влаги, без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материала, находим по уравнению (3.21):

 

V_cз = 0,15/(0,426·0,127) = 2,7 м³;

 

.

 

      Объем  сушилки,   необходимый  для   прогрева   влажного   материала,   находят по модифицированному уравнению теплопередачи (формула (3.28)):

 

V_п = Q_п/(К_υΔT_сp),                                                 (3.28)

 

где Q_п – расход тепла на прогрев материала до температуры t_м1, кВт;

      K_υ – объемный коэффициент теплопередачи, кВт/(м³·К);

      ΔT_сp – средняя разность температур, град.

    Расход тепла Q_п равен (формула (3.29)):

 

Q_п = G_кс_м(T_м1 – θ₁) + W_вс_в(T_см1 – θ₁).                               (3.29)

 

Q_п = 1,53· 0,92(70 - 20) + 0,15 · 4,19 · (70 - 17,0) = 101,8 кВт;

 

 

      Объемный коэффициент теплопередачи определяют по эмпирическому   уравнению (3.30) [2]:

 

К_υ = 16(ωρ_сp)^0,9n^0,7β^0,54 .                                                 (3.30)

 

К_υ = 16·0,984^0,9·5^0,7·12^0,54 = 185,84 Вт/м³·К = 0,185 кВт/(м³·К).

 

     Для  вычисления  Δt_ср  необходимо  найти температуру сушильного  агента  t_x,  до которой он охладится, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до t_м1. Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса (формула (3.31)):

 

Q_п = L_сг(1+ x₁)c_г(T₁ – T_x).                                                  (3.31)

 

101,8 = 1,65 (1 + 0,0345)1,05(800 – T_x).

 

откуда T_x = 743,13 °С. Средняя разность температур равна (формула (3.32)):

 

ΔT_сp = [(T₁ – θ₁) + (T_x – T_м1)]/2.                                        (3.32)

 

ΔT_сp = [(800 - 20) + (743,13 – 70)]/2 = 726,5 °C.

 

     Подставляем полученные значения в уравнение (3.28):

 

V_П = 101,8 /(0,185 ·743,13) = 0,74 м³.

 

     Общий объем сушильного барабана:

 

V = 0,74+ 2,7 = 3,44 м³

 

 

 

     Далее по справочным данным таблицы (9.3) [3] находим стандартный диаметр, объем и длину барабанной сушилки:

 

№ 7450 (по заводской спецификации)

Внутренний диаметр барабана, м                     1,5

Длина барабана, м                                                8

Толщина стенок наружного  цилиндра, мм        10

Объем сушильного пространства, м³              14,1

Число ячеек, шт                                                   25

Частота вращения барабана, об/мин                    5

Общая масса, т                                                 13,6

Потребляемая мощность двигателя, кВт          5,9

 

 

     Определим действительную скорость газов в барабане (формула (3.33)):

 

ω_д = υ_г/(0,785d²).                                                        (3.33)

 

      Объемный расход влажного сушильного агента на выходе из барабана  (в м³/c) равен (формула (3.34)):

 

                                   (3.34)

 

где x_ср – среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг сухого воздуха.

      x_ср= 0,07

    Подставив, получим:

 

 м³/с.

 

Тогда

 

ω_д = 3,4/(0,785·1,5²) = 1,92 м/с.

 

 

     Определим среднее время пребывания материала в сушилке  (формула (3.35)):

 

τ = G_м/(G_к + W/2).                                                   (3.35)

 

     Количество находящегося в сушилке материала  (в кг) равно (формула (3.36)):

 

G_м = V·β·ρ_м.                                                           (3.36)

 

G_м = 14,1·0,12·1200 = 2030,4 кг.

 

     Отсюда

 

τ = 2030,4 /(1,53+ 0,15/2) = 1265 с.

 

Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана  (формула (3.37)):

 

α' = (30·L/(d·n·τ) + 0,007ω_д)(180/π).                         (3.37)

 

α' = (30·8/(1,5·5·1265) + 0,007·1,92)·57,325 = 2,2 °.

 

 

     Далее необходимо проверить допустимую скорость газов, исходя из условия, что частицы высушиваемого материала наименьшего диаметра не должны уноситься потоком сушильного агента из барабана.  Скорость уноса, равную скорости свободного витания ω_с.в определяют по уравнению(3.38):

 

 

где μ_ср и ρ_ср – вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре,

      d – наименьший диаметр частиц материала, м;

       Ar≈d²p_чp_cpg/ - критерий Архимеда; ρ_ч – плотность частиц высушиваемого материала,  равная для песка 1500 кг/м³.

 

Средняя плотность сушильного агента равна (формула 3.39) :

 

 

                              (3.39)

 

 

_{Подставляем значения:}

 

 

 

Критерий Архимеда:

 

 

 

 

Тогда скорость уноса:

 

 

 

 

 

     Рабочая скорость сушильного агента в сушилке (ω_д= 1,92 м/с) меньше чем скорость уноса частиц наименьшего размера ω_с.г=57,6 м/с. , поэтому расчет основных размеров сушильного барабана заканчиваем.

Заключение

В работе была рассчитана линия для сушки песка. Для осуществления процесса необходим сушильный барабан диаметром 1,5 м и длинной 8 м, с подъёмно-лопастным перевалочным устройством. Высушиваемый материал подаётся прямотоком к сушильному агенту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973. – 787 с.
2. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник / под ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – Т. 2.
3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. – М.: Химия, 1991. – 493 с.
4. Н.Б. Варгафтик, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, М.; Наука, 1972. – 720 с.
5. Романков П. Г., Фролов В. Ф. и др. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). - СПб: Химия, 1993. – 496 с.
6. Справочник химика / Под ред. Б.П. Никольского. Т. 6. – М.-Л.: Химия, 1966. – 642 с.
7. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970. – 429 с.
8. Карпенков А.Ф. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «процессы и аппараты химической технологии». Мн.: БТИ, 1980. – 20с.
9. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчёта химико-технологического и природоохранного оборудования: справочник. Т. 2. – Калуга: издательство Н. Бочкарёвой, 2002. – 1028 с.
10. Павлов В.Ф., Павлов С.В. Основы проектирования тепловых установок. М.: «Высшая школа», 1987. – 212 с.
11. www.promenerg.ru/cat/18
12. ГОСТ 11875-73. Аппараты с вращающимися барабанами общего назначения. Основные параметры и размеры. – Взамен ГОСТ 11875-66; Введ. 01.01.1974. 5 с. Группа Г 47.
13. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности.-М.: Химия, 1977. – 367 с
14. Сушильные установки / Г.К. Филоненко, П.Д. Лебедев . – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1952. – 252 с
15. Справочник по вентиляторам / С.А.Рысин. – М.: Госиздат литературы по строительству и архитектуре , 1954. – 247 с.