Проектирование сушильного барабана

Введение 

Сушка представляет собой тепловую обработку материалов с целью удаления из них влаги путем испарения (на испарение 1кг воды затрачивается 2500 кДж). Испарение влаги из материала может происходить при условии, когда окружающая среда не насыщена влагой и способна воспринять водяные пары от поверхности материала. Следовательно, при сушке, необходимо, чтобы концентрация (парциальное давление) водяного пара непосредственно у поверхности влажного материала (р_пов) была больше, чем концентрация водяных паров в окружающей газовой среде (р_газ). Если р_пов< р_газ, то будет увлажнение материала, сопровождающееся конденсацией влаги из окружающей среды на его поверхности.

Интенсивность сушки будет тем выше, чем больше разность парциальных давлений пара на поверхности материала и окружающей среды и больше приток тепла к  поверхности материала. При проектировании сушильных установок всегда ставится задача повышения интенсивности  процесса сушки за счет совершенствования  конструкции сушила и применения новых методов и режимов сушки.

По технологическим  требованиям производства сушила должны обеспечить заданную производительность, возможную гибкость регулирования  процесса и соблюдения оптимального режима сушки, чтобы получить наилучшее  качество сушимого материала при  наименьших затратах. При этом большое  значение имеет равномерность сушки  материалов или изделий по всему  объему рабочего пространства сушил.

При выборе конструкций  сушильных устройств необходимо учитывать экономичность их работы по таким показателям, как удельный расход тепла на 1кг испаренной влаги, удельный расход электроэнергии, стоимость  установки и расход материала  на 1т сушимого материала. 

В современных  условиях идет полная автоматизация  производства и

полная механизация  сушил, а также совмещение их с  другими агрегатами, в частности  с печами для обжига или с размольными  установками. Последнее

сокращает цикл производства, исключает часть транспортных устройств и

оборудования  и создает наиболее благоприятные  условия для осуществления

автоматизации производства.

  Применяемые в промышленности сушила можно классифицировать по ряду конструктивных, технологических и других признаков. По виду обрабатываемого материала они разделяются на сушила для сушки изделий и сушки сыпучих и кусковых материалов. По конструкции сушильного пространства - туннельные, шахтные, барабанные, камерные. По способу подачи и перемещения материала - распылительные, конвейерные, пневматические, размольно-сушильные. По схеме движения материала и сушильного агента - противоточные, прямоточные, с рециркуляцией и другие. 

Анализ  существующих сушильных  установок для  сыпучих материалов 

  Для сушки мелкосыпучих, сыпучих материалов порошков применяются различные конструкции сушил непрерывного действия, например, барабанные, пневматические распылительные.

  Барабанные сушилки имеют широкое распространение в промышленности строительных материалов для сушки глины, песка, известняка, мела, угля, шлаков и др. Эти сушилки высокопроизводительны, просты по конструкции и надежны в работе. Барабан сушила имеет длину 4-30 м и диаметр 0,1-3,2 м, установлен под углом 4-6^о    к горизонту и вращается со скоростью 0,5-8 об/мин. Движение материалов и топочных газов внутри суша может быть прямоточным и противоточным (рис. 1). Последнее обусловливается рядом факторов. Если требуется глубокое   высушивание материла или когда материал не выдерживает высокой температуры в первый период сушки может быть нагрет до более высокой температуры в конце сушки, схема движения может быть противоточной. Противоток применяется при сушке песка, известняка и др. Однако в большинстве случаев находит применение прямоточная схема движения. Прямоток обеспечивает меньшее пыление и унос; влажные и пластичные материалы легче отдают начальную влагу и быстро приобретают необходимую сыпучесть. 
 

 

 Рис. 1. Схема изменения температур материала и сушильного агента в барабанной сушильной установке. а — при прямотоке; б — при противотоке 

                                                                                 

                                   

                      

Рис. 2. Насадки для сушильных барабанов. а - ячейковая; б - промежуточного типа;

в -подъёмно- лопастная 

Металлический корпус барабана для повышения экономичности  сушки снабжают внутренними насадками. На рис.2 показаны типы применяемых  насадок. Ячейковая насадка применяется для сушки материала, способного к пылеобразованию. Принцип работы: перед насадкой устанавливают лопасти, которые распределяют материал по ячейкам. Далее материал при вращении барабана движется и пересыпается только в своей ячейке и проходит весь барабан , не попадая в другие ячейки. При таком движении, например глины, высота её падения в ячейке меньше чем в барабане без ячеек, поэтому количество образуемой пыли значительно уменьшается. Промежуточного типа целесообразно использовать при сушке материала типа песка, более крупного по сравнению с глиной. Здесь материал уже движется по своему сектору , занимающему по площади ¼ барабана. В секторе материал задерживается на лопатках, поднимается при повороте барабана, падает вниз сектора. Такое движение позволяет сушильному агенту омывать всю поверхность частиц материала. Подъёмно- лопастная рассчитана для кускового материала. Лопатки насадок поднимают материал при вращении и постепенно сбрасывают его вниз.

  
 
 
 

 При сушке  материалов в барабане основное  количество теплоты от сушильного  агента материалу передается  конвекцией во время пересыпания.  При увеличении степени загрузки  барабана материалом возможность  пересыпания его сокращается.  Вместе с этим уменьшается  поверхность материала, омываемого  сушильным агентом, и уменьшается  интенсивность сушки. Поэтому  оптимальным условием загрузки, по экспериментальным данным, считают  заполнение объема барабана материалом не бол ее чем на 15—20 %. Кроме того, материал получает теплоту от нагретых устройств барабана за счет теплопроводности. Конструкции барабана и поверхность материала получают теплоту за счет излучения.

  Пневматические сушила представляют собой сушильные трубы диаметром 
до 1 м, служат для сушки мелкокусковых материалов размером не более 
20мм. В них материал подвергается сушке во взвешенном состоянии. 
Интенсивность сушки мелкозернистых материалов во взвешенном состоянии 
характеризуется высокой   напряженностью   объема   сушильного

пространства. Сушка  производится дымовыми газами, которые  поступают в трубу-сушило с температурой 300-800° и движутся по ней со скоростью 10-35 м/сек, увлекая за собой сушимый  материал. Благодаря хорошему перемешиванию  материала в газовом потоке и  большой поверхности испарения  материал высушивается во время перемещения  по трубе в течение 1,-2,5 сек. Пневмосушила тем экономичнее, чем мельче частицы  материала и чем больше они  содержат свободной влаги. Сушку  выгодно вести при скоростях газа, незначительно превышающих скорость витания частиц. К недостаткам пневматических сушил относят большой расход электроэнергии для получения необходимой скорости движения газов, большой износ газопроводов, особенно в местах поворота движущегося с газами материала, а также громоздкость газоочистительных пылеулавливающих устройств.

  Распылительные сушила применяются для получения тонкодисперсного однородного порошка. При этом молотое сырье предварительно смешивают с водой,  получая  шликер,  который  после  процеживания  подают в распылительные сушила.                                                       

Последние представляют собой шахтную конструкцию —  башню с отношением высоты к диаметру 1,1-1,2. Шликер распыливается вверху башни  центробежным способом за счет вращающихся  дисков со скоростью 5000-20 000 об/мин. Сушильный агент также подается сверху( прямоток). Распыленный шликер до размера капель 0,5-1,0 мм обладает очень большой поверхностью, поэтому сушка происходит за 2-5 сек. Высушенный порошок удаляется с пода башни вращающимися скребками и шнеком, а внесенная газами часть материала улавливается фильтрующими устройствами.

Аэродинамическая  схема установки.рис.3

Так как шлак не выдерживает высокой температуры  в первый период сушки и может  быть нагрет до более высокой температуры  в конце сушки и при противотоке  наиболее полно используется тепло, подводимое в сушильную установку, то для сушки шлака принимаем  противоточную схему движения сушильного агента. Данная установка (противоток) будет экономичнее (иметь пониженный расход сушильного агента), чем установка с прямотоком. 

Определение основных размеров сушильного барабана

  Размеры сушильного барабана производят из условия: время пребывания материала больше времени сушки. Выполнение этого условия необходимо для того, чтобы при транспортировке высушенного материала в трубах не скапливался конденсат.

  τ_преб>τ_суш

Время сушки  материала определяем по формуле:

   
           

Время пребывания материала в барабане определяем по формуле:

, где

K_V -коэффициент заполнения барабана (принимаем 0,15);

ρ_м- плотность шлака при средней его влажности W_cp;

m_о - объемное напряжение по влаге (120 кг/м³ч);

L₆ - длина барабана, м;

D_б - внутренний диаметр сушильного барабана, м;

n- частота вращения барабана (по ГОСТу 27134-86 по производительности по

испаренной влаге  принимаем n =3.2 об/мин).

β_рад- угол наклона барабана в радианах ( принимаем 4^о=0.035 рад).

<1, примем 0,9 м/с

Зная начальную  и конечную влажность, определим  среднею влажность

шлака:

W_ср=(W ^н +W^к)/2,    W_ср=(20+0,3)/2=10,15%

Затем найдем плотность  шлака при средней его влажности:

ρ_м = ρ_с [100/(100- W_cp)]=2700*[100/(100- 10.15)]= 3005кг/м³.

ρ _с- плотность сухого материала (принимаем из справочной литературы для

доменного гранулированного шлака 2700 кг/м³ ).

τ_суш =120*[(0,15*3005)/120]*[(20 - 0,3)/(200-(20-0,3)]=49мин=2940 сек.

τ_преб = (L_б/D_б)*[60/(2*3,3*(0,035-0,007*0,9)]= (L_б/D_б)*391;

Приравниваем τ_преб= τ_суш и получим: ((L_б/D_б)*391=2940 => (L_б/D_б)=7,5<8 (для сушильных барабанов отношение длины к диаметру должно быть в пределах 8).

По ГОСТу 27134-86 принимаем D_б=2.2 м. Тогда L_б=16,5 м.

 Вычисли  объем барабана V= L₆ *(n*D²_б)/4=16,5*(3,14*2,2²)/4*= 62,69 м³ Объемное напряжение по влаге составит т_о=Вл/V, где Вл- количество влаги, удаляемой при сушке шлака: 

Вл=G_M[(W^н- W^к)/(100 – W^н)]=6780*[(20- 0,3)/(100 - 20)]=1670 кг/час, тогда

т₀=1670/62,69=26,5 кг/м³ ч.

τ_суш=120[(0,15*3005)/ 26,5]*[(20 - 0,3)/(200-(20-0,3)]=37 мин=2200сек

τ_преб = (L_б/D_б)*391= (2,2/16,5)*391=52мин=3120сек;

Условие τ_преб > τ_суш выполняется. Значит, принимаем длину барабана 16,5 м,

внутренний  диаметр 2,2 м.

Расчет  и проектирование теплоизоляции

По СНиПу 2.04.14-88(98) «Тепловая изоляция оборудования и  трубопроводов», если диаметр барабана превышает 2 м, то при расчете теплоизоляции  используем формулы для расчета  плоской стенки. Так как максимальная температура сушильного агента не превышает 600° С, то расчет теплоизоляции будем  вести по нормированной плотности  теплового потока. В качестве теплоизоляционного материала принимаем минераловатные прошивные маты на металлической сетки марки 150. Максимально-допустимая температура применения материала 700° С.

Исходные данные: D_б=2.2 м , t^1-1=600°C, t^2-2=100°C

δ_из =λ_из [(t-t_н)/q -(l/ α_н)], где

 λ_из - коэффициент теплопроводности изоляционного слоя в ккал/( ч м ^оС);

t - температура теплоносителя в ^оС;