Выбор конструкционного материала

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.

 

 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Проектируемая сушилка применяется промышленности для сушки.

 

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 150°С, а затем 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.

 

Материальный расчет

Производительность сушилки по сырому материалу:

= 1,944×(100 – 6)/(100 – 0,4) = 1,835 кг/с,

где G_K = 7000/3600 = 1,944 кг/с – производительность сушилки по вы-

сушенному материалу

Количество испаряемой влаги:

W = G_H – G_K = 1,944 – 1,835 = 0,109 кг/с.

 

Тепловой расчет

Расход тепла

Q = Q_исп + Q_наг + Q_пот = 1,15{W[r₀ + c_п(t_в2 – t_м1)] + G_кс_м(t_м2 – t_м1)},

где Q_исп – тепло затрачиваемое на испарение влаги,

Q_наг – тепло затрачиваемое на нагрев материала,

Q_пот – потери тепла в окружающую среду, принимаемые равными

15% от первых двух слагаемых,

r₀ = 2439 кДж/кг – теплота испарения при 0° С [1c. 550],

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

c_м = 1,42 кДж/(кг×К) – теплоемкость материала [1c. 527],

t_м1 = 10° С – температура материала на входе в сушилку,

t_м2 = 85° С – температура материала на выходе из сушилки.

Q = 1,15×{0,109[2493+1,97×(90–10)]+1,944×1,42×(85–10)} =570,3 кВт

 

Расход сухого воздуха

L = Q/[c_в(t₂ – t₁)] =570,3/[1×(150 – 90) = 9,51 кг/с,

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

Удельный расход сухого воздуха:

l = L/W = 9,51/0,109 = 87,2 кг/кг.

Параметры атмосферного воздуха: t₀=19 °C, j₀ = 71% (лето, Иваново).

Начальное влагосодержание воздуха: х₁ = 0,01 кг/кг.

Влагосодержание воздуха на выходе из сушилки:

х₂ = х₁ + 1/l = 0,01 + 1/87,2 = 0,021 кг/кг.

Рабочая скорость воздуха

Критерий Архимеда:

=

= 9,8×0,0030³/(22,3×10^-6)²×(1770-0,97)/0,97 = 970916,

где r_М = 1770 кг/м³ – плотность материала [1c. 511].

 

Критерий Рейнольдса для рабочего режима:

=

= 970916×0,60^4,75/[18+0,61×(970916×0,60^4,75)^1/2] = 436,2,

где e = 0,60 – порозность кипящего слоя.

 

Рабочая скорость воздуха:

v_р = Re_рn_t/d_t = 436,2×22,3×10^-6/0,0030 = 3,24 м/с.

 

Высота кипящего слоя

Критерий Прандтля:

Pr = cm_t/l_t = 1000×21.6×10^-6/0,035 = 0,62,

где l_t = 0,035 Вт/(м×К) – теплопроводность воздуха [1c. 530].

 

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,4(Re_р/e)^0,67Pr^0,33 = 0,4×(436,2/0,60)^0,67×0,62^0,33 = 28,2.

 

Коэффициент теплообмена:

a = Nul_t/d = 28,2×0,035/0,0030 = 329 Вт/(м×К)

 

Число единиц переноса:

= ln[(150 – 85)/(90 – 85)] = 2,56.

 

Объем кипящего слоя:

V_сл = Lc_Вm₀/[aS_уд(1 – e)],

где S_уд = 6/d = 6/0,0030 = 2000 м^-1 – удельная поверхность.

V_сл = 9,51×1000×2,56/(329×2000×(1 – 0,60)] = 0,092 м³.

 

Высота слоя:

Н_сл = V_сл/S_p = 0,092/3,090 = 0,030 м

По практическим данным обычно принимают высоту слоя

Н_сл = 80d₀ = 80×5,0 = 400 мм [2c. 171],

где d₀ = 5,0 мм – диаметр отверстий.

Общая высота аппарата Н = 5Н_сл = 5×400 = 2000 мм.

 

Подбор дозаторов

Часовая объемная производительность установки:

Q = 3600×G/r_н = 3600×1,944/1300 = 5,38 м³/час,

где r_н = 1300 кг/м³ – насыпная плотность [1c. 511].

 

Для загрузки установки выбираем винтовой питатель типа ПВ-160 со следующими характеристиками [4 c.26]:

производительность – 0,6¸6 м³/час,

диаметр винта – 160 мм,

диаметр вала – 60 мм,

мощность привода – 2,2 кВт.

 

Для разгрузки установки выбираем шлюзовой питатель типа ПШ1-250 [4c. 27] со следующими характеристиками:

производительность – до 1,46 ¸ 14,2 м³/час,

объем ротора – 0,0126 м³,

мощность привода – 1,1 кВт.

 

Подбор циклона

Скорость воздуха в циклоне:

=(2×700/60×1,11)^0,5 = 4,6 м/с,

где = 60 – коэффициент сопротивления циклона типа НЦ-24,

DР = 700 Па гидравлическое сопротивление циклона.

Диаметр циклона

= [9,51/(0,785×4,6×0,97)]^1/2 = 1,25 м.

Принимаем циклон диаметром 1200 мм со следующими размерами:

 

диаметр выходной трубы	0,6D	720 мм
ширина выходного патрубка	0,26D	312 мм
высота входного патрубка	0,66D	792 мм
высота цилиндрической части	2,26D	2712 мм
высота конической части	2,0D	2400 мм
общая высота циклона	4,56D	5472 мм

 

Подбор газодувки

Объемный расход воздуха на выходе:

Q = L/r₂ = 9,51 / 0,97 = 9,80 м³/с.

По гидравлическому сопротивлению и объемному расходу выбираем газодувку ТВ-600-1,1 [2c. 42], для которой

напор 10000 Па,

производительность 10,0 м³/с,

 

 

Конструктивный расчет

Толщина обечайки

d = DP/2sj +C_к,

где D = 2,0 м – диаметр греющей камеры аппарата;

P = 0,1 МПа – давление греющего пара;

s = 138 МН/м² – допускаемое напряжение для стали [2 c.76];

j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77];

C_к = 0,001 м – поправка на коррозию.

d = 2,0×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,002 м.

Согласно рекомендациям[3c.24] принимаем толщину обечайки d=10 мм.

Днища

Снизу аппарат закрыт плоским стальным неотбортованным днищем по ГОСТ 12622-78 [5 c.36], приваренным непосредственно к обечайке, а сверху – коническим отбортованным с углом при вершине 120°

Фланцы

Соединение обечайки с верхним днищем осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ГОСТ 28759-90, размеры которых приводятся на рисунке:

Штуцера

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G – массовый расход теплоносителя,

r - плотность теплоносителя,

w – скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость воздуха в штуцере на входе w = 25 м/с, на выходе из сушилки 25 м/с, тогда штуцер для входа воздуха:

d₁ = (9,51/0,785×25×0,83)^0,5 = 0,664 м,

принимаем d₁ = 600 мм;

 

диаметр штуцера для выхода воздуха:

d₂ = (9,51/0,785×25×0,97)^0,5 = 0,655 м,

принимаем d₂ = 600 мм;

 

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

 

dусл	D	D2	D1	h	n	D

 

Опоры аппарата.

Масса аппарата.

Масса цилиндрической обечайки:

G_o = 0,785(D_н² – D_в²)Нr = 0,785(2,020² – 2,00²)3,0×7800 =1477 кг,

где Н = 3,0 м – высота цилиндрической обечайки,

r = 7800 кг/м³ – плотность стали.

Масса плоского днища:

G_пд = 0,785D²sr = 0,785×2,0²×0,010×7800 =245 кг.

Масса конического днища G_кд =412 кг [4 c.469].

Принимаем массу вспомогательного оборудования (загрузочное и разгрузочное устройства, фланцы штуцера, газораспределительная решетка) 30% от массы основных частей аппарата, тогда полная масса аппарата:

G_a = 1,3(G_o+G_пд+G_кд) = 1,3(1477+245+412) =2774 кг = 0,0272 МН.

 

Принимаем, что аппарат установлен на трех опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

G_оп = 0,0272/3 = 0,009 МН

По [4 c.673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,01 МН.

 

Расчет тепловой изоляции

Расчет тепловой изоляции. В качестве материала тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности l_и = 0,09 Вт/м×К. Принимаем температуру наружной поверхности стенки t_ст.в.=40 °С; температуру окружающей среды t_в = 18 °С, тогда толщина слоя изоляции:

,

где a_в – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в

окружающую среду,

a_в = 8,4+0,06(t_ст.в. – t_в) = 8,4+0,06(40 – 18) = 9,72 Вт/м²×К.

d_и = 0,09(150-40)/9,72(40-18) = 0,043 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 50 мм.

Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

3. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.:Химия, 1977.

4. Сушилка с псевдоожиженным слоем зернистого материала. Методические указания. Иваново, 1989.

5. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета

химической аппаратуры – Л. «Машиностроение», 1975.

 

 

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.

 

 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Проектируемая сушилка применяется промышленности для сушки.

 

ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Частицы при влажности 6% и температуре 155°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.

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 150°С, а затем 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.

 

Материальный расчет

Производительность сушилки по сырому материалу:

= 1,944×(100 – 6)/(100 – 0,4) = 1,835 кг/с,

где G_K = 7000/3600 = 1,944 кг/с – производительность сушилки по вы-

сушенному материалу

Количество испаряемой влаги:

W = G_H – G_K = 1,944 – 1,835 = 0,109 кг/с.

 

Тепловой расчет

Расход тепла

Q = Q_исп + Q_наг + Q_пот = 1,15{W[r₀ + c_п(t_в2 – t_м1)] + G_кс_м(t_м2 – t_м1)},

где Q_исп – тепло затрачиваемое на испарение влаги,

Q_наг – тепло затрачиваемое на нагрев материала,

Q_пот – потери тепла в окружающую среду, принимаемые равными

15% от первых двух слагаемых,

r₀ = 2439 кДж/кг – теплота испарения при 0° С [1c. 550],

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

c_м = 1,42 кДж/(кг×К) – теплоемкость материала [1c. 527],

t_м1 = 10° С – температура материала на входе в сушилку,

t_м2 = 85° С – температура материала на выходе из сушилки.

Q = 1,15×{0,109[2493+1,97×(90–10)]+1,944×1,42×(85–10)} =570,3 кВт

 

Расход сухого воздуха

L = Q/[c_в(t₂ – t₁)] =570,3/[1×(150 – 90) = 9,51 кг/с,

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

Удельный расход сухого воздуха:

l = L/W = 9,51/0,109 = 87,2 кг/кг.

Параметры атмосферного воздуха: t₀=19 °C, j₀ = 71% (лето, Иваново).

Начальное влагосодержание воздуха: х₁ = 0,01 кг/кг.

Влагосодержание воздуха на выходе из сушилки:

х₂ = х₁ + 1/l = 0,01 + 1/87,2 = 0,021 кг/кг.