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.

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 сильно сыпучих 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.

В курсовой работе проводится технологический расчет и подбор сушильного аппарата для сушки фосфорита. Также приводится чертеж сушильного аппарата и технологическая схема процесса сушки.

1. Технологический расчёт сушилки

, (2)

где - разность между удельным приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере, кДж/кг влаги;

c - теплоёмкость влаги во влажном материале при температуре, кДж/(кг•К);

q_доп - удельный дополнительный подвод тепла в сушильную камеру, кДж/кг влаги;

q_т - удельный подвод тепла в сушилку с транспортными средствами, кДж/кг влаги;

q_м - удельный подвод тепла в сушильный барабан с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги.

Расчёт удельного подвода тепла в сушильный барабан с высушиваемым материалом рассчитывается по уравнению (3):

q_м=G_к•с_м• (3)

где с_м - теплоёмкость высушенного материала, равная 0,819 кДж/(кг.•К);

- температура высушенного материала на выходе из сушилки, ⁰С.

q_м=2,77•0,819•=207,5 кДж/кг влаги.

При работе сушилки по нормальному сушильному варианту q_доп=0, в рассматриваемом случае q_т=0, тогда получим:

кДж/кг. влаги.

На диаграмме I-x (рисунок 1) по известным параметрам t₀=21 ⁰С и 83% находим влагосодержание x₀ и энтальпию I₀ свежего воздуха: x₀=0,014 кг влаги/кг сухого воздуха; I₀=55 кДж/кг сухого воздуха.

При нагревании воздуха до температуры t₁=143 ⁰С его энтальпия увеличится до I₁ =188 кДж/кг. Так как нагрев сушильного агента осуществляется через стенку, то влагосодержание остается постоянным: х₀=х₁.

Для определения параметров отработанного воздуха построим на диаграмме рабочую линию сушки. Зададим произвольное значение влагосодержания воздуха x = 0,05. Соответствующее ему значение энтальпии найдем по уравнению (4) [1, стр. 297]:

 . (4)

Подставляя найденные ранее значения находим

I=183-149,7•(0,05-0,014)=182,61 кДж/кг сухого воздуха.

В точке пересечения линии сушки и изотермы 65 ⁰С находим конечное влагосодержание отработанного воздуха x₂=0,043 кг/кг.

Расход воздуха L на сушку определяем по уравнению (5) [1, стр. 297]:

, (5)

кг/с.

Рисунок 1- Диаграмма состояния влажного воздуха I - x.

сушилка влага штуцер гидравлический

Среднюю температуру воздуха в сушилке находим из уравнения (6):

(6)

°С.

Среднее влагосодержание воздуха в сушилке находим из уравнения (7):

, (7)

кг влаги/кг сухого воздуха.

Средняя плотность сухого воздуха и водяных паров находим из уравнения (8) и (9):

(8)

(9)

где , - молярная масса сухого воздуха и водяных паров, кмоль/кг;

t_ср - средняя температура воздуха в сушилке, °С.

 кг/м³,

кг/м³.

Средняя объёмная производительность по воздуху находим по уравнению (10):

, (10)

м³/с.

Далее рассчитываем фиктивную (на полное сечение аппарата) скорость начала псевдоожижения по уравнению (11):

(11)

где Re- критерий Рейнольдса;

- вязкость воздуха при средней температуре, Па•с;

d_э - эквивалентный диаметр полидисперсных частиц материала, м;

- средняя плотность воздуха, кг/м³.

Критерий Рейнольдса рассчитывается по формуле (12):

(12)

где Ar - критерий Архимеда.

Критерий Архимеда рассчитывается по формуле(13):

(13)

где - плотность частиц, кг/м³.

Эквивалентный диаметр рассчитывается по формуле (14):

, (14)

где m_i - содержание i-й фракции, массовой доли;

d_i- средний ситовый размер i-й фракции, м.

Скорость начала псевдоожижения:

 м/с.

Верхний предел допустимой скорости воздуха в псевдоожиженном слое определяется скоростью свободного витания (уноса) наиболее мелких частиц. Эту скорость определяют по уравнению (15) [1, стр. 302]:

(15)

где - скорость свободного витания (уноса), м/с;

- плотность воздуха при средней температуре кг/м³;

- вязкость воздуха при средней температуре, Па•с;

d_м - наименьший диаметр частиц высушиваемого материала, кг/м³.

Критерий Архимеда для частиц диаметром 3,1 мм равен:

Скорость свободного витания (уноса) определяем:

м/с.

Рабочую скорость сушильного агента выбирают в пределах от до . Эта скорость зависит от предельного числа псевдоожижения, которое определяется по формуле (16):

, (16)

Так как К_пр меньше 20, то рабочее число псевдоожижения примем К=1,5.

Тогда рабочая скорость сушильного агента определиться по формуле (17):

, (17)

м/с.

Диаметр сушилки d определяют из уравнения расхода (18) [1, стр. 301]:

, (18)

м.

Принимаем диаметр сушилки по каталогу D_с=3,0 м.

Расчет высоты псевдоожиженного слоя

 (19)

где x^* и x - равновесное и рабочее влагосодержание воздуха, кг влаги/кг сухого воздуха;

- коэффициент массоотдачи, м/с;

- порозность псевдоожиженного слоя, м³/м³;

h - высота псевдоожиженного слоя, м.

Равновесное содержание влаги в сушильном агенте определяется по I - x диаграмме как абсциссу точки пересечения рабочей линии сушки с линией постоянной относительной влажности: x^*=0,057 кг/кг.

Тогда левая часть уравнения (18) будет равна:

= кг/кг.

Порозность псевдоожиженного слоя при известном значении рабочей скорости может быть вычислена по формуле (20):

, (20)

где Re - критерий Рейнольдса;

Ar - критерий Архимеда.

Критерий Рейнольдса рассчитывается по формуле (21):

 (21)

Критерий Архимеда Ar = 1,45•10⁶ (см. выше). Тогда

м³/м³.

Коэффициент массоотдачи определяют на основании эмпирических зависимостей; при испарении поверхностной влаги он может быть рассчитан с помощью уравнения (22):

(22)

где Nu - диффузионный критерий Нуссельта;

- диффузионный критерий Прандтля.

Коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при средней температуре в сушилке рассчитывается по формуле (23):

, (23)

где D₂₀ - коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при 20 °С; D₂₀=21,9•10^-6 м²/с.

м²/с.

Диффузионный критерий Прандтля рассчитаем по выражению (24):

= , (24)

.

Коэффициент массоотдачи из уравнения (22) равен:

(25)

м/с.

Подставляя в уравнение (19) получим:

откуда 0,275=e^[-34,21•h],

тогда h= 0,0377 м.

Проверим правильность определения величины h по опытным данным для теплоотдачи в псевдоожиженных слоях.

Найдем высоту слоя из уравнения (26):

(26)

где с - теплоёмкость воздуха при средней температуре, равная 1000 Дж/(кг•К);

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²•К);

t - температура газа, ⁰С;

t_м - температура материала, ⁰С.

Определим высоту псевдоожиженного слоя, необходимую для испарения поверхностной влаги материала. Принимая модель полного перемешивания материала в псевдоожиженном слое, можно считать температуру материала равной температуре мокрого термометра. Последнюю находим по параметрам сушильного агента с помощью I - x диаграммы (рисунок 1). Она равна t_м=42 ⁰С.

Коэффициент теплоотдачи определим по уравнению (27):

, (27)

где - коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре, Вт/(м•К);

Pr - критерий Прандтля.

Критерий Прандтля рассчитаем по формуле (28):

, (28)

где с - теплоёмкость воздуха, кДж/(кг•К);

Вт/(м²•К).

Подставляя найденные значения в уравнение (29) получим:

, (29)

,

откуда

h=0,0188 м.

В случае удаления поверхностной влаги (первый период) сушки, гидродинамически стабильная высота обычно значительно превышает рассчитанную по кинетическим закономерностям. При этом высоту псевдоожиженного слоя Н определяют, исходя из следующих предпосылок. На основании опыта эксплуатации аппаратов с псевдоожижженым слоем установлено, что высота слоя Н должна быть приблизительно в 4 раза больше высоты зоны гидродинамической стабилизации слоя Н_ст, т.е. . Высота Н_ст связана с диаметром отверстий распределительной решётки d₀ соотношением Н_ст следовательно, высоту псевдоожиженного слоя H определяют по соотношению (30):

Диаметр отверстий распределительной решётки выбирают из ряда нормальных размеров, установлено ГОСТ 6636-69.

Выберем диаметр отверстий распределительной решётки d₀ = 0,0056 м.

Тогда высота псевдоожиженного слоя:

Н=80•0,0056=0,448 м.

Число отверстий n в распределительной решетке определяют по уравнению (31):

(31)

где S - сечение распределительной решётки, численно равное сечению сушилки, м²;

F_с - доля живого сечения решётки.

Принимая диаметр сушилки по каталогу D_c=3,0 м и долю живого сечения F_с = 0,04, найдем число отверстий в распределительной решетке:

Рекомендуется применять расположение отверстий в распределительной решетке по углам равносторонних треугольников. При этом поперечный шаг t', и продольный шаг t^” вычисляют по соотношениям (32) и (33):

, (32)

, (33)

откуда

м,

м.

Высоту сепарационного пространства сушилки с псевдоожиженным слоем принимают в 4-6 раз больше высоты псевдоожиженного слоя:

м.

Принимаем высоту сепарационного пространства сушилки Н _С = 2,6 м.

При отсутствии опытных данных по кинетике массообмена можно пользоваться объемным напряжением сушилок с псевдоожиженным слоем по влаге А_v. Проверим соответствие рассчитанного значения высоты псевдоожиженного слоя экспериментальным данным, полученным при сушке материала. Для фосфорита напряжение по влаге А_v=60кг/(м³ч) = 0,0166кг/(м³с) [1, стр. 300].

Объем псевдоожиженного слоя найдем по формуле (34)

V_k= , (34)

м³.

Высота псевдоожиженного слоя находим по формуле (35)

H= , (35)

м.

Расчет гидравлического сопротивления сушилки.

В курсовой работе был проведён технологический расчёт процесса сушки. Были рассчитаны материальный и тепловой баланс процесса сушки. С помощью диаграммы Рамзина определены расход воздуха, скорости воздуха, диаметр сушилки, высота псевдоожиженного слоя, и гидравлическое сопротивление сушилки.

Таким образом, были получены следующие величины сушильного аппарата: D_с=3,0 м; Н=0,448 м; Н_с=2,6 м; =9197 Па.

Список использованной литературы

1. Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-ое издание, переработанное и дополненное. - М.: Химия, 1991.-496 с.

2. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, 13-е издание, стереотипное. - М.: «Альянс», 2006.-576 с.

3. Касаткин А.Г.Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. 14-е изд., стереотипное. Перепечатка с 9-го издания 1973 г. - М.:ООО ИД «Альянс», 2008.-753 с

4. А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. - Л.: - Машиностроение, 1970.-752 с.

Размещено на Allbest.ru