Расчет и проектирование барабанной сушилки для сушки аммофоса

 

1.2.2. Параметры отработанных газов. Расход сушильного агента.

    Из  уравнения материального баланса  сушилки определим расход влаги  W, удаляемой из высушиваемого материала:

      

        кг/с

    Запишем уравнение внутреннего теплового  баланса сушилки:

        (11)

где Δ – разность между удельными приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере, с – теплоемкость влаги во влажном материале при температуре θ₁, кДж/(кг*К); q_доп – удельный дополнительный подвод тепла в сушильную камеру, кДж/кг влаги; при работе сушилки по нормальному сушильному варианту q_доп = 0; q_т – удельный подвод тепла в сушилку с транспортными средствами, кДж/кг влаги; в рассматриваемом случае q_т = 0; q_м – удельный подвод тепла в сушильный барабан с высушиваемым материалом, кДж/кг влаги; q_м = G_k*c_м*(θ₂ – θ₁)/W; c_м – теплоемкость высушенного материала, равная 1,25 кДж/(кг*К) [1]; θ₂ – температура высушенного материала на выходе из сушилки, °С. При испарении поверхностной влаги θ₂ принимают приблизительно равной температуре мокрого термометра t_м при соответствующих параметрах сушильного агента. Принимая в первом приближении процесс сушки адиабатическим, находим θ₂ по I – х диаграмме по начальным параметрам сушильного агента: θ₂ = 55 °С; q_п – удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги.

    Прежде  чем приступить к расчетам внутреннего  теплового баланса, рассчитаем толщину тепловой изоляции и потери в окружающую среду.

    Определим необходимую толщину слоя изоляции сушилки внутри которой температура  t_ср. =

    Изоляционный  материал выбираем совелит, для которого коэффициент теплопроводности

     , где t_t средняя температура изоляционного слоя

     , где t – это температура теплоносителя, равная 250⁰С.

        

    Температура наружной поверхности изоляции не должна быть выше 30 °С (по санитарным нормам).

    Примем  температуру окружающего воздуха  t = 15°C и определим суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией по уравнению:

    

    Удельный  тепловой поток 

    Принимая  приближенно, что все термическое  сопротивление сосредоточено в  слое изоляции можно написать

    

    Толщина слоя изоляции

    

19,4] = 0,0959 м.

    Принимаем δ = 100 мм.

    Так как наш сушильный барабан имеет изоляцию большой толщины, то принимаем, что потери в окружающую среду практически не совершаются, а присутствуют только удельные потери тепла  в окружающую среду на 1 кг испаренной влаги, q_п = 22,6 кДж/кг, что соответствует примерно 1% тепла затрачиваемого на испарение 1 кг воды.

    Разность между удельными приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере определим по формуле (11) с учетом θ₂ = 55 °С

    Подставив соответствующие значения, получим:

        кДж/кг влаги

    Для построения рабочей линии сушки на диаграмме I – х необходимо знать координаты (х и I) минимум двух точек. Координаты одной точки известны:

х₁ = 0,021, I = 326. Для нахождения координат второй точки зададимся произвольным значением х и определим соответствующее значение I. Пусть х = 0,1 кг влаги/кг сухого воздуха. Тогда:

    I = 326 – 218,3*(0,1 – 0,021) = 308,7 кДж/кг сухого воздуха.

    Через две точки на диаграмме I – х с координатами х₁, I₁ и х, I проводим линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром t₂ = 80 °С. В точке пересечения линии сушки с изотермой t₂ находим параметры отработанного сушильного агента: x₂ = 0,0867 кг/кг.

    Расход  сухого газа:

        кг/c

    Расход  сухого воздуха:

        кг/c

    Расход  тепла на сушку:

        кВт

    Расход  топлива на сушку:

        кг/c. В соответствии с тем, что топлива на сушку в зимнее время требуется больше, дальнейшие вычисления будем вести, пользуясь расчетными данными из пунктов 1.1.1. и 1.1.2.

 

     1.3. Определение основных размеров сушильного барабана.

    Основные  размеры барабана выбирают по нормативам и каталогам-справочникам [2, 3] в соответствии с объемом сушильного пространства. Объем сушильного пространства V складывается из объема V_п, необходимого для прогрева влажного материала до температуры, при которой начинается интенсивное испарение влаги (до температуры мокрого термометра сушильного агента), и объема V_с, требуемого для проведения процесса испарения влаги, т. е. V = V_с + V_п. Объем сушильного пространства барабана может быть вычислен по модифицированному уравнению массопередачи [4, 5]:

        (16)

    где – средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³; К_ν – объемный коэффициент массопередачи, 1/с.

    При сушке кристаллических материалов происходит удаление поверхностной  влаги, т. е. процесс протекает в первом периоде сушки, когда скорость процесса определяется только внешним диффузионным сопротивлением. При параллельном движении материала и сушильного агента температура влажного материала равна температуре мокрого термометра. В этом случае коэффициент массопередачи численно равен коэффициенту массоотдачи К_ν = β_ν.

    Для барабанной сушилки коэффициент  массоотдачи β_ν может быть вычислен по эмпирическому уравнению [5]:

        (17)

    где ρ_ср – средняя плотность сушильного агента, кг/м3; с — теплоемкость сушильного агента при средней температуре в барабане, равная 1 кДж/(кг*К) [1]; β – оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом, %; Р_о – давление, при котором осуществляется сушка, Па; p — среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па.

    Уравнение (17) справедливо для значений ωр_ср = 0,6 – 1,8 кг/(м₂*с), n = 1,5 –5,0 об/мин, β = 10 – 25%.

    Рабочая скорость сушильного агента в барабане зависит от дисперсности и плотности высушиваемого материала. Для выбора рабочих скоростей (ω, м/с) при сушке монодисперсных материалов можно руководствоваться данными, приведенными в таблице 1.

    Для полидисперсных материалов с частицами  размером от 0,2 до 5 мм и насыпной плотностью ρ_м = 800 – 1200 кг/м³ обычно принимают скорость газов в интервале 2 – 5 м/с. В данном случае размер частиц высушиваемого материала от 1 до 4 мм, насыпная плотность 1100 кг/м3 [1]. Принимаем скорость газов в барабане ω = 2,2 м/с. Плотность сушильного агента при средней температуре в барабане t_ср = (250 + 80)/2 = 165 ⁰С практически соответствует плотности воздуха при этой температуре:

        кг/м³

    При этом ωρ_ср = 2,2*0,807= 1,775 кг/(м²*с), что не нарушает справедливости уравнения (17).

    Частота вращения барабана обычно не превышает 5 – 8 об/мин; принимаем n = 5 об/мин.

    Оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом β для разных конструкций перевалочных устройств различно. Наиболее распространенные перевалочные устройства показаны на рисунке. 1. Для рассматриваемой конструкции сушильного барабана β = 14 %.

    Рисунок 1. типы перевалочных устройств, применяемых в барабанных сушилках, и степень заполнения барабана β:

    1 – подъемно-лопастного, β = 12%; 2 –  то же, β = 14%; 3 – распределительные, β = 20,6%; 4 – распределительные с закрытыми ячейками, β = 27,5%. 

    Процесс сушки осуществляется при атмосферном  давлении, т. е. при Р_о=10⁵ Па. Парциальное давление водяных паров в сушильном барабане определим как среднеарифметическую величину между парциальными давлениями на входе газа в сушилку и на выходе из нее.

    Парциальное давление водяных паров в газе определим по уравнению:

        кг/м³ (18) 

Таблица 1. К выбору рабочей скорости газов в сушильном барабане ω

    Тогда на входе в сушилку:

        Па

    На  выходе из сушилки:

        Па

    Отсюда  Па

    Таким образом, объемный коэффициент массоотдачи равен:

        с^-1

    Движущую  силу массопередачи  определим по уравнению:

        (19)

    где – движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³; – движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³; – равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м³.

    Средняя движущая сила ΔР_ср, выраженная через единицы давления (Па), равна:

        (20)

    Для прямоточного движения сушильного агента и высушиваемого материала имеем: – движущая сила в начале процесса сушки, Па; – движущая сила в конце процесса сушки, Па; — давление насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па.

    Значения  и определяют по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале (t_м1) и в конце (t_м2) процесса сушки. По диаграмме I-х найдем: t_м1= 52,5°С, t_м2= 51 °С; при этом = 13949,85 Па, = 12956,76 Па [1]. Тогда

        Па

    Выразим движущую силу в кг/м³ по уравнению (19)

        кг/м³.

    Объем сушильного барабана, необходимый для  проведения процесса испарения влаги, без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материала, находим по уравнению (16):

        м³

    Объем сушилки, необходимый для прогрева влажного материала, находят по модифицированному уравнению теплопередачи:

        (21)

где Q_п – расход тепла на прогрев материала до температуры t_м1 кВт; Кν – объемный коэффициент теплопередачи, кВт/(м³*К); Δt_ср – средняя разность температур, град.

    Расход  тепла Q_п равен:

        (22)

        кВт.

    Объемный  коэффициент теплопередачи определяют по эмпирическому уравнению [5]:

        (23)

        кВт/(м³*К).

    Для вычисления Δt_ср необходимо найти температуру сушильного агента t_x, до которой он охладится, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до t_м1. Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса: