Расчет барабанной сушилки, обогреваемой воздухом

Барабанные сушилки. Эти сушилки широко применяются для непрерывной сушки при атмосферном давлении кусковых, зернистых и сыпучих материалов (минеральных солей, фосфоритов и др.)

Барабанная сушилка имеет цилиндрический барабан, установленный с небольшим наклоном к горизонту (1/15--1/50) и опирающийся с помощью бандажей 2 на ролики 3. Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 4 и редуктор. Число оборотов барабана обычно не превышает 5 -- 8 об мин; положение его в осевом направлении фиксируется упорными роликами 5. Материал подается в барабан питателем 6, предварительно подсушивается, перемешиваясь лопастями 7 приемно-винтовой насадки, а затем поступает на внутреннюю насадку, расположенную вдоль почти всей длины барабана. Насадка обеспечивает равномерное распределение и хорошее перемешивание материала по сечению барабана, а также его тесное соприкосновение при пересыпании с сушильным агентом -- топочными газами.

Газы и материал особенно часто движутся прямотоком, что помогает избежать перегрева материала, так как в этом случае наиболее горячие газы соприкасаются с материалом, имеющим наибольшую влажность. Чтобы избежать усиленного уноса пыли с газами последние просасываются через барабан вентилятором 8 со средней скоростью, не превышающей 2-- 3 м/сек. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются от пыли в циклоне 9. На концах барабана часто устанавливают уплотнительные устройства (например, лабиринтные), затрудняющие утечку сушильного агента.

У разгрузочного конца барабана имеется подпорное устройство в виде сплошного кольца или кольца, образованного кольцеобразно расположенными поворотными лопатками (в виде жалюзи). Назначение этого кольца -- поддерживать определенную степень заполнения барабана материалом; как правило, степень заполнения не превышает 20%. Время пребывания обычно регулируется скоростью вращения барабана и реже -- изменением угла его наклона. Высушенный материал удаляется из камеры 10 через разгрузочное устройство 11, с помощью которого герметизируется камера 10 и предотвращается поступление в нее воздуха извне. Подсосы воздуха привели бы к бесполезному увеличению производительности и энергии, потребляемой вентилятором 8.

Устройство внутренней насадки барабана зависит от размера кусков и свойств высушиваемого материала.

Подъемно- лопастная насадка используется для сушки крупнокусковых и склонных к налипанию материалов, а секторная насадка -- для малосыпучих и крупнокусковых материалов с большой плотностью. Для мелкокусковых, сильно сыпучих материалов широко применяются распределительные насадки. Сушка тонкоизмельченных, пылящих материалов производится в барабанах, имеющих перевалочную насадку с закрытыми ячейками. Иногда используют комбинированные насадки, например подъемно-лопастную (в передней части аппарата) и распределительную.

Типы промышленных барабанных сушилок разнообразны: сушилки, работающие при противотоке сушильного агента и материала, с использованием воздуха в качестве сушильного агента, контактные барабанные сушилки и др.

Типы насадок барабанных сушилок:

а - подъемно лопастная; б - секторная; в,г - распределительная; д - перевалочная

Достоинства барабанных сушилок:

1 интенсивна и равномерная сушка вследствие тесного контакта материала и сушильного агента.

2 большое напряжение по влаги достигающее и более.

3 компактность установки.

1. Расчет сушильной камеры

1.1 Количество влаги, испаряемой за час

1.2 Количество материала, высушенного за час

1.3 Размеры сушильного барабана

Объем барабана

Где А- напряжение барабана по влаги, определяемое опытным путем, [приложение А4]. А=4

Отношение длины барабана к диаметру должно быть 3,5?7; принимают Диаметр барабана находят из соотношения

Длина барабана

По нормалям завода «Прогресс» выбирают сушильный барабан с диаметром d=2000мм и длиной L=8000мм.

Число оборотов барабана в 1сек

Где a- опытный коэффициент; tg a-тангенс угла наклона барабана; ?-время пребывания материала в барабане, сек.

Время пребывания материала в барабане

Здесь Gср- средняя масса материала, проходящего через барабан; = 0,12- коэффициент заполнения барабана; pсрpм=745- средняя насыпная плотность материала.

Барабаны имеют угол наклона к горизонту 0,5-6°; принимают = 2°, tgc=0,035. Тогда

Где 1,2-коэффициент для подъемно-лопастной насадки.

Потери тепла в окружающую среду

Где Fбок - боковая поверхность барабана, м2 ;tст - температура стенки барабана с внешней стороны, ;t0-температура окружающей среды,; ?-коэффициент теплоотдачи от стенки барабаны в окружающую среду, . Он равен:

Где ?к-коэфициент теплоотдачи за счет вынужденной конвекции окружающей среды относительно наружной поверхности вращающего барабана, - коэффициент теплоотдачи излучением,

Принимают tст =25 и определяют режим движения окружающего воздуха относительно наружной поверхности барабана:

Здесь

относительная скорость движения воздуха; L=d=2,1м - в данном случае определяющий размер с учетом возможной толщины тепловой изоляции; плотность воздуха при 25; вязкость воздуха при 25оС.

Коэффициент теплоотдачи от стенки барабаны в окружающую среду за счет вынужденной конвекции

-

где-теплопроводность воздуха при 25.

Определяют коэффициент теплоотдачи излучением

Где с0=5,7 -коэффициент лучеиспускания абсолютного тепла; ?=0,95-степень черноты для поверхности покрытой черной краской.

Коэффициент теплоотдачи от стенки барабана к воздуху

Определяют необходимую толщину слоя изоляции. В качестве изоляционного материала выбирают шлаковую вату с ??2=0,076 Поверх изоляции толщиной ?2 имеется кожух из листового железа (?3=1 мм ), покрытый масляной краской. Толщина стенки барабана ?1=1,2 мм. Можно принять t1=t2=60°C и t3=t4=35°C. Здесь t1иt2-температура стенок защитного кожуха.

Расчет ведут по известным формулам теплопроводности через цилиндрическую стенку

Удельный тепловой поток

По упрощенной формуле

Определяют толщину изоляции ?2

Отсюда.

Уточняют величину наружного диаметра барабана

Наружная поверхность барабана

Тепловые потери в окружающую среду

Удельная потеря тепла

Расход воздуха L, тепла Q, и пара Cn.Для определения расходов воздуха и тепла на сушку строят диаграмму сушильного процесса I-x (рис 10).

Для нахождения точки А дается t0=25°CИз диаграммы определяют I0=50.7 кдж/кг сухого воздуха и x0=0,01кг влаги/кг сухого воздуха.

Точку В находят по заданной температуре t1 = 1200C и x1=x0 Из диаграммы определяют I1=119 кдж/кг сухого воздуха. Точку С (окончание идеального сушильного процесса) находят по заданной температуре t2=550C и I2-I1 Чтобы найти направление реального процесса (точка е должна лежать ближе к точке С, чтобы величина отрезков , которые участвуют в графическом расчете сушилки, были по возможности больше), опускают перпендикуляр ef на линию АВ, измеряют его и определяют величину отрезка eE по формуле

Здесь

СВ - теплоемкость воды, кдж/(кг·град); qД-дополнительный подвод тепла , кдж/кг влаги (в барабанной сушилке qД = 0); ?q-сумма потерь тепла (с выпущенным материалом, в окружающую среду и с транспортными приспособлениями), кжд/кг влаги.

В барабанной сушилке потерь тепла, связанных с транспортными приспособлениями, нет.

Потери тепла с высушенного материала

Теплоемкость высушенного материала

Здесь

- теплоемкость сухого хлорида калия; ?СА-сумма атомных теплоемкостей; М-молекулярная масса.

После подстановки получают

Определяют отрезок еЕ:

Здесь, е= берется для произвольно выбранной точки е на линии I1=const (Рис 10); Св=4,19кдж/(кг*град)-теплоемкость влаги при t`=200C

Здесь ?›0 , происходит дополнительный подогрев и отрезок eE откладывается от точки e вертикально вверх ; Точку B соединяют с полученной точкой E и продолжают прямую до пересечения с заданной изотермой t2 .Полученная точка С, характеризует состояние воздуха после сушки:

I2=125кдж/кг сухого воздуха;

Х2=0,0265 кг влаги/кг сухого воздуха.

Расход сухого воздуха

Объем влажного воздуха, проходящего через, сушилку за 1 час рассчитывают по формуле

Где Vуд- удельный объем влажного воздуха, отнесенный к 1 кг сухого воздуха.

Здесь R-газовая постоянная для воздуха, равная 287 дж/(кг*град)(29,7 кгс*м/кгс*град); Т-абсолютная температура воздуха, 0К; Роб -общее давление паровоздушной смеси, н/м2 ; Рn=-парциальное давление водяного пара,н/м2

Принимают общее давление Роб=745 мм рт.ст.

На входе в калорифер t0=250C, Х0=0,010 кг влаги/кг сухого воздуха, Рn=10,27 мм рт.ст.

На выходе из калорифера t1=900C, x1=x2=0,010 кг влаги/кг сухого воздуха, Рn =11,5 мм рт.ст.

При входе из барабана t1=55C, x2=0,024 кг влаги/кг сухого воздуха, Рn=29,25 мм рт.ст.

Расход тепла в калорифере

Расход пара в калорифере

Где r=2171 кдж/кг - теплота парообразования при Р=3 ата

2. Выбор и расчет калорифера

Для подогрева до 1500С воздуха поступающего в сушилки, применяют воздухонагреватели с большой поверхностью теплообьена и малым гидравлическим сопротивлением. Наиболее подходят для этого кожухотрубные и пластинчатые (с ребристой поверхностью) калориферы , применяемые для подогрева воздуха ,

Принимают для расчета кожухотрубный калорифер. Расчет такого калорифера ничем не отличается от типового расчета кожухотрубного теплообменника.

Необходимая поверхность нагрева

Где К - коэффициент теплопередачи, вт/(м3 град); средняя разность температур ьежду теплоносителями, град. Принимают в качестве источника тепла насыщаный водяной пар:

Р=3 ama; tn=132,90C

Температурные условия процесса

Принимают турбулентный режим движения воздуха по трубному пространству.

Диаметр труб d=38?2 мм. Для придворительного расчета полагают Re=20000.

Из выражений

Определяют

, µ=0.021?103 н?сек/м2-вязкость воздуха при

По каталогу НИИХинмаша для расчета выбирают одноходовой теплообменник типа ТЛ с общим числом труб n=211 и диаметром d=800мм. Уточняют значение критерия Рейнольдса

Для турбулентного движения воздуха в трубах

Откуда

Здесь : ?= 0,0285•1,163 вт/(м2•град)-теплопроводность воздуха при температуре 57,5?;

(ср-теплоемкость воздуха при р = const и t=57,5?)

Так как коэффициент теплопередачи со стороны пара, конденсирующегося на наружной стороне труб в межтрубном пространстве, достаточно велик и основное термическое сопротивление будет сосредоточено со стороны воздуха(?k››?B)/ То можно принять ?k=12000 вт/(м2•град).

Принимают тепловую проводимость загрязнений равным 5000 и 2320 вт/(м2•град), а теплопроводность стали ?ст=46,4 вт/(м2•град). Тогда

Общий коэффициент теплопередачи

Необходимая поверхность нагрева калорифера

Устанавливают один одноходовой кожухотрубный теплообменник типа ТЛ со следующей характеристикой:

F=57 м2;

d =800 мм;

n=211 шт;

dтр=38?2 мм.

Запас поверхности

3. Расчет циклона

Выбираем тип циклона ЦН-15

Определяем диаметр циклона

Согласно ГОСТ 9617-67 принимаем циклон ЦН - 15 диаметром 600 мм.

Рекомендуемые диаметры:

Для ЦН-15 от 200 до 800 мм;

Вычисляем действительную скорость газов в подобранном циклоне:

Рассчитываем сопротивление циклона по формуле

Характеристика циклона ЦН-15

Диаметр выходной трубы,D1=0,36

Ширина входного патрубка,b=0,0156

Высота входного патрубка,h1=0,396

Высота выходного трубы,h2=1,044

Высота цилиндрической части,h3=1,596

Высота конической части,h4=1,2

Общая высота циклона,H=2,736

Коэффициент сопротивления,??0=160

4. Расчет рукавного фильтра

Для очистки газов от пыли фильтрованием широко применяют тканевые фильтры, и в частности рукавные или мешочные фильтры, самовстряхивающийся с обратной принудительной продувкой фильтрованной ткани.

Поверхность фильтрования

Где Vr-расход запыленного газа =V2 =1711, м3/с

Vпр- расход продувочног газа, м3/с

Vпр=(0,1-0,2)Vr; Vпр=0,15•1711=256,65, м3/с

Vпв-расход подсасываемого в аппарат воздуха, м3/с принимается на 10% больше расхода газа Vпв=(1,05-1,1)Vr; Vпв=1,05•1711=1796 м3/с

Wr=(0,8-1,0)•10-2 м3/м2с-допустимая тканевая нагрузка фильтра по газу.

По каталогу ОСТ 26-14-2005-77 Выбираем параметры фильтра:

Тип СМЦ 101

Число рукавов аппарата 108

Фильтрующая поверхность Fрф=150 м2

Число секций 3

Масса 9,1 тонн

Высота рукавов Н=2,25 м

5. Выбор вентилятора

Мощность потребляемая вентилятором

квт

Где V-подача вентилятора , м3/с; ?р- полное сопротивление сушильной установки с учетом скоростного напора, н/м2; ? = ?В, ? пр - общий кпд вентиляторной установки.

Где

?Pсуш = сопротивление сушилки, н/м2;

?Pкал = сопротивление калориферов, н/м2;

?Pu-сопротивление циклонов, н/м2;

В соответствии со схемой сушильной установки принимают следующие исходные данные для расчета:

Общая длина воздухопроводов30 м

Количество задвижек 2шт

Количество отводов под углом 900 2шт

Скорость газов в трубопроводах допускается в пределах 10-20 м/сек; принимают ?В =15 м/сек.

Из уравнения расхода находят диаметр воздухопровода между аппаратами

Принимают трубопровод из листового железа диаметром 426?11мм. 22/0,404

Уточняется скорость движения воздуха

Скоростной напор:

Где

И предварительно подсчитывается критерий Re:

Где µ=0,021•10-3 н•сек/м2-вязкость воздуха при?.

При Re=369047 коэффициент трения ?=0,017

Для отводов под углом 900и задвижек (при условном проходе 300 мм и выше) находят, что ??i=0,015 следовательно,

Сопротивление барабанных сушилок колеблется в пределах 10-20 мм вод.

Принимают:

?Pсуш=20мм вод ст =20•9,81=196,2 н/м2

Полное сопротивление сушильной установки

?P=171+196,2+350+1500=2217 н/м2

Мощность, потребляемая вентилятором

Где ? = 0,65 - принятый кпд вентилятора

Устанавливают центробежный вентилятор марки «Сироко» среднего давления №4 со следующей характеристикой:

Производительность 84-160 м3/мин

Давление 25-200 мм вод ст

Мощность 1-12 квт

Скорость 720-1970 об/мин

6. Мощность привода барабанной сушилки

Ориентировочно необходимая для вращения барабана мощность может быть определена по формуле

Где d-диаметр барабана, м; L-длинна барабана, м; ?м - насыпная масса материала, кг/м3; n-число оборотов барабана в 1 сек; ? - коэффициент зависящий от типа насадки и степени заполнения барабана.

Заключение

В результате проведенного расчета подобран по каталогу барабанная сушилка D=1600 мм, L=8000мм, циклон типа ЦН-15, кожухотрубный теплообменник типа ТЛ F=57 м2, рукавной фильтр типа СМЦ 101, вентилятор марки «Сироко» среднего давления №4, и мощность привода сушилки равная 3,68 квт.

Список использованной литературы

1. М.К. Шайхатдинова, Л.И. Ченцова, Э.И. Стрижнева, В.М. Воронин «Процессы и аппараты химической технологии» (Расчет сушильных установок): К.-2001 г

2. Ю.И. Дыднерский «Основные процессы и аппараты химической технологии»: М.-1991 г

3. К.Ф. Павлов и др. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических технологий» Л.-1991 г

4. Справочник химика. - Л: Химия, -1968 г