IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Сушилки с кипящим (псевдоожиженным) слоем применяют для сушки зернистых и сыпучих, подверженных комкованию, а также пастообразных и жидких материалов. Эти аппараты позволяют одновременно проводить несколько процессов: сушку и обжиг, сушку и классификацию по размерам частиц, сушку и гранулирование. Подобные сушилки отличаются увеличенной поверхностью контакта между материалом и сушильным агентом, но характеризуются высоким расходом электроэнергии (топлива), истиранием частиц материала, повышенным пылением, а также малоэффективны при сушке тонкодисперсных материалов.

В промышленности в основном используют однокамерные сушилки непрерывного действия (рис. 1), представляющие собой цилиндрический корпус, в котором высушиваемый материал, подаваемый шнековым питателем, поддерживается во взвешенном состоянии за счет сушильного агента, проходящего через отверстия распределительной решетки с заданной скоростью. В данной работе в качестве сушильного агента применяется воздух, предварительно нагреваемый в калорифере. Отработанный сушильный агент отводится из аппарата при помощи вентилятора, проходя перед выбросом в атмосферу очистку от дисперсных частиц в циклоне.

Рис. 1. Сушилка с одноступенчатым аппаратом кипящего слоя: 1 – калорифер; 2 – распределительная решетка; 3 – шнековый питатель; 5 – разгрузочная устройство; 6 – циклон; 7 – вентилятор

В данной работе представлен расчет основных параметров работы и размеров сушилки кипящего слоя. В качестве исходных данных для расчета берем следующие параметры:

- высушиваемый материал: песок

- производительность по высушенному материалу: G_к = 0,7 кг/с;

- средний диаметр частиц высушиваемого материала: d_ср = 1,2 мм;

- начальная влажность: ω_нач = 16 %;

- конечная влажность: ω_кон = 0,5 %;

- температура материала на входе в сушилку: Θ₁ = 20 ^оС;

- температура воздуха на выходе из сушилки: t₂ = 70 ^оС;

- температура воздуха, подаваемого в калорифер: t₀ = 20 ^оС;

- влажность воздуха, подаваемого в калорифер: φ₀ = 72 %;

- температура воздуха после калорифера: t₁ = 150 ^оС;

Принимаем удельные потери тепла в окружающую среду q_п = 22,6 кДж/кг, что соответствует примерно 1 % тепла, затрачиваемого на испарение 1 кг воды.

Ведем расчет в следующей последовательности:

Расход воздуха, скорость газов и диаметр сушилки

1. Определяем расход влаги, удаляемой из высушиваемого материала:

кг/с;

2. Рассчитываем удельные потери тепла в окружающую среду, принимая их равными 10 % от тепла Q, вынесенного из сушилки с парами влаги, испарившейся из материала:

q_п = 0,1W(r₀ +c_пt₂),

где r₀ – теплота испарения воды при температуре 0 ^оС, равная 2500 кДж/кг; с_п – средняя теплоемкость водяных паров, равная 1,97 кДж/кг·^оС.

q_п = 0,1·0,109·(2500 +1,97·70) = 28,75 кДж/кг влаги

3. Рассчитываем разность между удельным расходом и приходом тепла в сушилке, принимая, что температура материала в слое на 1 – 2 ^оС ниже температуры отработанного воздуха на выходе из сушилки:

где с_в – теплоемкость влаги во влажном материале при температуре Θ₁ = 20 ^оС, равная 4,19 кДж/кг∙К; cм – теплоемкость материала, равная 0,8 кДж/кг·^оС; tм – температура материала в слое, равная t₂ – 2 = 70 – 2 = 68 ^оС.

кДж/кг влаги

4. По диаграмме состояния влажного воздуха (см. рис. 2) и известным значениям t₀ = 20 ^оС и φ₀ = 72 % определяем начальные параметры воздуха, подаваемого в калорифер (точка А): влагосодержание х_о = 0,012 кг/кг сухого воздуха и энтальпию I₀ = 52 кДж/кг сухого воздуха.

Рис. 2. Построения линий нагрева и сушки на диаграмме состояния влажного воздуха (пояснения в тексте).

5. На этой же диаграмме (см. рис. 2) строим линию нагрева воздуха до температуры t₁ = 150 ^оС (линия АВ), учитывая, что нагрев воздуха в калорифере проводится через стенку, т.е. его влагосодержание не меняется х_о = x₁ = 0,012 кг/кг сухого воздуха. При этой температуре энтальпия воздуха повышается до I₁ = 189 кДж/кг сухого воздуха.

6. Для построения линии сушки задаемся произвольным значением х = 0,04 кг/кг сухого воздуха и определяем соответствующую этой величине энтальпию:

I = I₁ – Δ(х – х₁) = 189 – 301,6 ·(0,04 – 0,012)

I = 180,6 кДж/кг сухого воздуха

Через две точки на диаграмме (см. рис. 2) с координатами x₁, I₁ (точка В) и x, I (точка С) проводим линию сушки (линия ВСD) до ее пересечения с температурой воздуха на выходе из сушилки t₂ = 70 ^оС (точка D).

7. В точке пересечения линии сушки и изотермы 70 оС (точка D) определяем конечное влагосодержание воздуха на выходе из сушилки х₂ = 0,054 кг/кг сухого воздуха.

8. Рассчитываем расход воздуха на сушку:

кг/с

9. Определяем среднюю температуру воздуха в сушилке:

^оС

10. Определяем среднее влагосодержание воздуха в сушилке:

кг/кг сухого воздуха

11. Рассчитываем среднюю плотность сухого воздуха:

,

где М_с.в. – молярная масса сухого воздуха, равная 29 кг/кмоль; υ₀ – молярный объем воздуха, равный 22,4 м³/кмоль.

кг/м³

12. Рассчитываем среднюю плотность водяных паров:

,

где М_в.п. – молярная масса водяных паров, равная 18 кг/кмоль;

кг/м³

13. Рассчитываем среднюю объемную производительность по воздуху:

м³/c

14. Рассчитываем среднюю вязкость воздуха:

,

где μ₀ – динамический коэффициент вязкости при 0 ^оС, равный для воздуха 17,3∙10^-6 Па∙с; С- постоянная Сатерленда, равная для воздуха 124.

15. Рассчитываем критерий Архимеда:

,

где ρ_ч – плотность частиц высушиваемого материала, равная для песка 1500кг/м³.

16. Рассчитываем критерий Рейнольдса:

17. Рассчитываем скорость начала псевдоожижения:

м/c

18. Рассчитываем скорость уноса:

ω_ун = 6,497 м/с

19. Определяем предельное число псевдоожижения:

Так как Кпр < 20, то рабочее число псевдоожижения принимается в пределах от 1,5 до 3. Примем К_ω = 2,3.

20. Рассчитываем рабочую скорость сушильного агента:

ω = К_ω ω_пс =2,3 · 0,365 = 0,84 м/с

21. Рассчитываем диаметр сушилки:

м

Высота псевдоожиженного слоя

1. Рассчитываем критерий Рейнольдса при рабочей скорости сушильного агента:

2. Рассчитываем порозность псевдоожиженного слоя:

м³/м³

3. Рассчитываем коэффициент диффузии водяных паров при средней температуре в сушилке:

,

где D₂₀ – коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при 20 ^оС, равный 21,9·10^-6 м²/с.

м²/с

4. Рассчитываем диффузионный критерий Прандтля:

5. Рассчитываем коэффициент массоотдачи:

β_у = 0,194 м/с

6. Высоту псевдоожиженного слоя h определяем из следующего соотношения:

,

где х^* – равновесное влагосодержание сушильного агента, определяемое по диаграмме состояния влажного воздуха при продлении линии сушки до пересечения с линией постоянной относительной влажности φ = 100% (точка E на рис. 2).

Определяем по рис. 2, что x^*= 0,062 кг/кг сухого воздуха.

Тогда:

Откуда h = 2,52 · 10^-4 м

7. Определяем число отверстий в распределительной решетке:

,

где F_c – доля живого сечения, принимаемая равной от 0,02 до 0,1; d₀ – диаметр отверстий распределительной решетки, выбираемый из ряда нормальных размеров, м.

Принимаем F_c = 0,06 и d₀ = 0,002 м

В соответствии с рекомендациями выбираем расположение отверстий в распределительной решетке по углам равносторонних треугольников.

8. Рассчитываем поперечный шаг отверстий:

t' = 0,95d₀F_с^-0,5 = 0,95 · 0,002 · 0,06^-0,5 = 0,008 м

9. Рассчитываем поперечный шаг отверстий:

t'' = 0,866 t' = 0,866 · 0,008 = 0,007 м

10. Рассчитываем высоту зоны гидродинамической стабилизации слоя:

H_ст = 20d₀ = 20 · 0,002 = 0,04 м

11. Рабочую высоту псевдоожиженного слоя в соответствии с рекомендациями принимаем равной в 4 раза больше высоты зоны гидродинамической стабилизации слоя:

Н = 4Н_ст = 4 · 0,04 = 0,16 м

12. В соответствии с рекомендациями высоту сепарационного пространства сушилки принимают в 4 – 6 раз больше высоты псевдоожиженного слоя:

Н_с = 5Н = 5 · 0,16 = 0,8 м

13. Общая высота аппарата (над решеткой):

Н_а = Н + Н_с = 0,16 +0,8 = 0,96 м

Гидравлическое сопротивление сушилки

1. Рассчитываем гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя:

ΔР_пс = ρ_ч · (1 – ε)gH = 1500 · (1 – 0,422) · 9,81 · 0,16 = 1360,8 Па

2. Рассчитываем минимальное допустимое гидравлическое сопротивление решетки:

,

где ε₀ – порозность неподвижного слоя, принимаемая для шарообразных частиц равной 0,4.

Па

3. Рассчитываем гидравлическое сопротивление выбранной решетки:

,

где ξ – коэффициент сопротивления решетки, равный 1,75.

Так как гидравлическое сопротивление решетки меньше минимального допустимого значения (158,123 < 490,05) необходимо уменьшить долю живого сечения решетки. Принимаем значение F_c = 0,03.

Тогда гидравлическое сопротивление выбранной решетки будет равно:

Гидравлическое сопротивление превышает минимально допустимое значение (632,492 > 490,05), а значит доля живого сечения решетки выбрана верно.

Проводим пересчет значений определяемых долей живого сечения решетки

- число отверстий в распределительной решетке:

- поперечный шаг отверстий:

t' = 0,95d₀F_с^-0,5 = 0,95 · 0,002 · 0,03^-0,5 = 0,011 м

- поперечный шаг отверстий:

t'' = 0,866 t' = 0,866 · 0,011 = 0,01 м

4. Общее гидравлическое сопротивление сушилки:

ΔР_а = ΔР_пс + ΔР_р = 1360,8 + 632,492 = 1993, 292 Па

Заключение

В результате проведенных расчетов было определено изменение влагосодержания сушильного агента на входе в калорифер при температуре t₀ = 20 ^оС, на входе в сушилку при температуре t₁ = 150 ^оС и на выходе из сушилки при температуре t₂ = 70 ^оС. В результате было получено, что влагосодержание воздуха изменилось от х_о = x₁ = 0,012 кг/кг сухого воздуха до x₂ = 0,054 кг/кг сухого воздуха. Также было определено, что при среднем размере частиц d_ср = 1,2 мм и сушке при заданных условиях скорость начала псевдоожижения будет равна ω_пс = 0,365 м/с, а скорость уноса частиц ω_ун = 6,497 м/с.

При определении рабочей скорости сушильного агента было получено значение ω = 0,84 м/с, по которому был определен диаметр аппарата Dс = 2 м. При выбранном диаметре отверстий распределительной решетки d0 = 2 мм и доле живого сечения решетки F_с = 0,03 были определены число отверстий в решетке n = 30000, высота псевдоожиженного слоя H = 0,16 м и высота сепарационного пространства Н_с = 0,8 м. Таким образом, общая высота аппарата над распределительной решеткой составляет 0,96 м. Рассчитанное гидравлическое сопротивление аппарата получилось равным 1993,292 Па.

Список литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю.И., М.: Химия. – 1991. - 496 с.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. – М.: Химия, 1995. – 368 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – С – Пт.: Химия. – 1987. – 576 с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия. – 1973. 754 с.

Код для цитирования: Скопировать