Барабанная сушилка

      ВВЕДЕНИЕ 

      Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем её испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых материалов и проводится двумя способами:

      – первый проводится путем непосредственного соприкосновения сушильного агента с высушиваемым материалом – конвективная сушка.

      –  второй 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.

      В особых случаях применяется сушка  некоторых продуктов в замороженном состоянии при глубоком вакууме – сушка возгонкой.

      По  своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду.

      Процесс сушки широко используется в химической технологии. Он часто является последней  операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевым механическим способом (например, фильтрованием), а окончательный – сушкой.

      Барабанные  сушилки предназначены для сушки различных взрыво- и пожароопасных нетоксичных сыпучих (кусковых и зернистых) продуктов. Вращающийся барабан установлен на роликовых опорах с наклоном. Привод барабана включает электродвигатель, редуктор и зубчатую передачу. В начальной по ходу продукта зоне барабана установлена приемно-винтовая насадка (в этой зоне продукт, перемещаясь, предварительно подсушивается), за ней – лопастная (для равномерного распределения и перемешивания материала при вращении барабана по его сечению с целью обеспечения развитой поверхности контакта с сушильным агентом) и комбинированная лопастно-секторная. В комплект барабанной сушилки входят камеры загрузки и выгрузки. Герметизация вращающегося барабана с неподвижными камерами осуществляется через уплотнительное устройство [2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1 Описание принципиальной  технологической  схемы 

      Для сушки измельченной древесины используют сушильные установки непрерывного действия, в которых процесс сушки совмещается с перемещением материала.

      Влажный материал ленточным транспортером ТЛ подается в бункер-питатель БП, откуда шлюзовым дозатором ДШ подается в барабанную сушилку БС. Воздух на горение подается вентилятором В. Сушильный агент – топочные газы, полученные при сжигании природного газа в топке Т, разбавляются воздухом в камере смешения КС и поступают в сушилку. Высушенный продукт вместе с сушильным агентом подается в циклон Ц1, где продукт отделяется от сушильного агента. Продукт через шлюзовый затвор ЗШ подается на транспортер ТВ. Отработанный сушильный агент поступает на вторую очистку в циклон Ц2, после чего выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу ДТ. Продукт через шлюзовый затвор ЗШ подается на транспортер ТВ.

      Принципиальная  технологическая схема приведена  на рисунке 1.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

В –  вентилятор; ТЛ – транспортер ленточный; Т – топка; КС – камера смешения; СБ – сушильный барабан; БП – бункер питатель; ДШ – дозатор шлюзовый; ВД – вентилятор-дымосос; ДТ – дымовая труба; З – задвижка; КО – клапан обратный; ЗШ – затвор шлюзовый; ТВ – транспортер винтовой; Д – диафрагма.

      Рисунок 1.1 – Схема сушильной установки

      2 Расчет основных  аппаратов сушильной  установки 

      2.1 Расчет топки для сушильной установки 

      Исходные  данные

      Состав  природного газа (Елшанское месторождение, Саратовская область) следующий, масс. % [4, приложение 1]:

      93,2 CH₄; 0,7 C₂H₆; 0,6 С₃Н₈; 0,6 C₄H₁₀; 0,5 С₅Н₁₂; 4,4 N₂.

      Параметры наружного воздуха

      Температура t_о=17,2 °С

      Относительная влажность φ_о=70 %

      Барометрическое давление Р=750 мм.рт.ст.=0,099 МПа 

      Влагосодержание наружного воздуха  при t_о=24,7 °С; φ_о=50 %:

      х_о=0,622φ_оР_нас/(Р-φ_оР_нас)=0,622·0,7·14,75/(750-0,7·14,75)=0,009 кг/кг,

      где Р_нас=14,75 мм.рт.ст. при t_о=17,2 °С [5, табл. XXXVIII] при Р=750 мм.рт.ст.

        Теплосодержание  наружного воздуха при t_о=17,2°С и х_о=0,009 кг/кг:

      J_о=1,01t_о+(2493+1,97t_о)х_о=1,01·24,7+(2493+1,97·17,2)·0,009=40 кДж/кг.

        Теплотворная способность  сухого газообразного  топлива:

      Q^р_н

=500,3CH₄+475,22С₂Н₆+463,29С₃Н₈+458,48С₄Н₁₀+453,45С₅Н₁₂+453,32С₂Н₂+ 465,43С₂Н₄+101,10СО+1203,76H₂+153H₂S=500,3·93,2+475,22·0,7+463,29·0,6+458,48·0,6+453,45·0,5=47740,4 кДж/кг.

      Q^р_в = Q^р_н+2500∑(0,09n)/(12m+n)+25W_р = 47740,4+2500[(0,09·4)/(12·1+4)+(0,09·6)/(12·2+6)+(0,09·8)/(12·3+8)+(0,09·10)/(12·4+10)+(0,09·12)/(12·5+12)]+25·0 = 47957,9 кДж/кг.

        Теоретическое количество  абсолютно сухого  воздуха, необходимого  для сжигания 1 кг природного газа:

      L_о = 0,02435СО+0,348Н₂+0,0614Н₂S+1,39∑[(m+n/4)/(12m+n)]C_mH_n-1,39O₂ = =1,39{[(1+4/4)/(12·1+4)]93,2+[(2+6/4)/(12·2+6)]0,7+[(3+8/4)/(12·3+8)]0,6+[(4+10/4)/(12·4+10)]0,6+[(5+12/4)/(12·5+15)]0,5}= =1,39[11,65+0,082+0,068+0,067+0,056] = 16,57кг воздуха/кг газа.

        Масса сухого воздуха,  подаваемого в  топку для сжигания 1 кг природного  газа:

      L_m= α_mL_о = 1,2·16,57 = 19,88 кг воздуха/кг газа,

      где α_m = 1,05-1,2 при сжигании газов.

        Масса сухого газа, получаемого при  сжигании 1 кг природного газа:

      l^’_сг =1+L_m-∑[(0,09n)/(12m+n)]C_mH_n-0,01W_р = 1+19,88-{[(0,09·4)/(12·1+4)]·93,2 +[(0,09·6)/(12·2+6)]0,7+[(3+8/4)/(12·3+8)]0,6+[(0,09·10)/(12·4+10)]0,6+ [(0,09·12)/(12·5+12)]0,5} = 20,88-2,136 = 18,744 кг/кг при W_р=0.

        Масса водяного  пара, получаемого при сжигании 1 кг природного газа с избытком воздуха:

      d′ = ∑[(0,09n)/(12m+n)]C_mH_n+ L_mх_о+0,01W_р = 2,0639+19,88·0,009+0,01·0 = 2,31 кг/кг.

        Влагосодержание  топочных газов:

      х_тг=x′=d′/ l^’_сг = 2,31/18,744 = 0,12 кг/кг.

        Количество компонентов  топочных газов, полученных при сжигании 1 кг природного газа:

      lco₂ = 0,01CO₂+0,0157CO+∑[0,04/(12m+n)]C_mH_n = [0,44/(12·1+4)]93,2+[0,44/(12·2+6)]0,7+[0,44/(12·3+8)]0,6+[0,44/(12·4+10)]0,6+ +[0,44/(12·5+12)]0,5 =2,563+0,0103+0,006+0,0045+0,0031=2,59 кг/кг;

      lso₂ = 0,0188H₂S = 0,0188·0 = 0,00 кг/кг;

      lN₂ = 0,768L_m+0,01N₂ = 0,768·19,88+0,01·4,4 = 15,31 кг/кг.

      lo₂ = 0,232(α_m-1)L_о = 0,232(1,2-1)16,57= 0,77 кг/кг.

      Средняя молекулярная масса  сухих топочных газов:

      М_сг = l^’_сг/[(lco₂/44)+(lso₂/64)+(lN₂/28)+(lo₂/32)] = 18,744/[(2,59/44)+ +(15,31/28)+(0,77/32)]=29,7 кг/кмоль.

      Средняя теплоемкость сухих  топочных газов при t_тг=1000 ºC:

      С_сг = ( Ссо₂lco₂+ Сsо₂lso₂+ СN₂lN₂+Со₂lo₂)/(lco₂+ lso₂+ lN₂+ lo₂) = =(1,12·2,59+1,11·15,31+1,03·0,77)/(2,59+15,31+0,77) = 1,1кДж/(кг·К),

      где теплоемкость при t_тг=1000 ºC [4, приложение, табл. 2]: Ссо₂=1,12; СN₂=1,11; Со₂=1,03 кДж/(кг·К).

      Средняя теплоемкость природного газа при t=24,7 ºC:

      C_т = Ссн₄Yсн₄+Сс₂н₆Yc₂н₆+…+Сс_mн_nYc_mн_n = 2,18·0,932+1,64·0,007+1,28·0,006+1,59·0,006 = 2,06 кДж/(кг·К),

      где Ссн₄=2,18; Сс₂н₆=1,64; Сс₃н₈=1,28; Сс₄н₁₀=1,59 кДж/(кг·К) при t=17,2 ºC [4, приложение, таблица 2]:

      Средняя температура топочных газов на выходе из топки без учета диссоциации углекислого газа и паров воды:

      t_тг = (Q^р_вŋ_т+C_тt+L_mJ_о+w_gi_g-2500l^’_сгх′)/[l^’_сг(С_сг+1,97х′)] =(47957,9·0,95+2,06·17,2 +19,88·40-2500·18,744·0,12)/[18,744(1,1+1,97·0,12)] = 1627 °C,

      где w_g = 0, так как газ не распыляют ни воздухом, ни паром.

      Температуру топочных газов снижают до t_тг=1000 °C за счет подачи наружного воздуха в топку с целью предотвратить разрушение футеровки топки.

      Теплосодержание топочных газов:

      J_тг=1,01t_тг+(2493+1,97t_тг)x_тг=1,01·1000+(2493+1,97·1000)0,12=1546 кДж/кг.

      Теплосодержание пара в составе  топочных газов при t₁=400 °C:

      i_n=r₀+1,97t₁=2493+1,97·400=3281 кДж/кг

      Коэффициент избытка воздуха при разбавлении топочных газов воздухом до температуры t₁=400 °C:

      α₂=(Q^р_вη_T +C_тt_т )/L₀( C_сгt₁+x₀i₀-J₀)-{1-∑[0,09n/(12m+n)]C_mH_n-0,01W_p}C_сгt₁/L₀∙ (C_сгt₁+x₀i₀-J₀)-{∑[0,09n/(12m+n)]C_mH_n-0,01W_p]i_n+W_gi_n}/L₀(C_сгt₁+x₀i₀-J₀)=(47957,9∙0,95+2,06∙17,2)/16,57(1,1∙400+0,009∙3281-40)-[1-2,136∙1,1∙400]/16,57(1,1∙400+0,009∙3281-40-2,136∙2305,05+0}/16,57(1,1∙400+0,009∙3281-40) = 5,5

      Количество  воздуха, подаваемого  в камеру смешения на 1 кг природного газа для разбавления  до t₁=400 °C:

      L_см=L_о(α₂-α_m) = 16,57(5,5-1,2) = 72 кг воздуха/кг газа.

      Количество  сухой смеси топочных газов с воздухом на 1 кг природного газа:

      l"_сг = l'_сг+L_cм = 18,74+72 = 91 кг/кг.

      Количество  паров воды в смеси  топочных газов с  воздухом, полученных при сжигании 1 кг природного газа:

      d^'' = d^'+L_смx_о=2,31+72·0,009 = 2,96 кг пара/кг газа.

      Влагосодержание смеси топочных газов  с воздухом на выходе из смесителя:

      x₁=x″=d″/ l"_сг = 2,96/91 = 0,033 кг/кг.

      Теплосодержание сушильного агента при  входе в сушилку:

      J₁=1,01t₁+(2493+1,97t₁)x₁=1,01·215+(2493+1,97·400)0,033 = 512 кДж/кг.

      Расход  природного газа на сушку елового  волокна в сушилке:

      В = L₁/ l"_сг = 2,82/91 = 0,031 кг/с=111,6 кг/ч,

      где L₁=2,82 кг/с [см. расчет барабанной сушилки].

      Объем топочной камеры:

      V_гор= Q^р_нВ/q_v=47740,4·111,6/1260·10³=4,2 м³,

      где q_v=1260·10³ кДж/(м³·ч) [4, приложение, таблица 3].

      Принимаем соотношение длины к диаметру топки L/D=1,8

      Диаметр топки: D= (V_гор/0,785·1,8)^1/3=(4,2/0,785·1,8)^1/3=1,44 м.