Расчет установки для сушки в псевдоожиженном слое

Чертеж общего вида.cdw

Техническая характеристика.
Аппарат предназначен для сушки казеина от нач. влажности 50% до 12%.
Производительность по испарённой влаге 0
Температура греющего агента 130
Технические требования.
испытании и поставке аппарата должны выполняться
а) ГОСТ 12.2003-74 "Оборудование производвенное. Общие требования безопас-
б) ОСТ 25-291-79 "Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования.
Материал деталей корпуса сушилки В Ст 3 сп 4 ГОСТ 380-71
материал прокладок - паронит ПОН-1 ГОСТ 481-80.
Сварные швы в объёме 10% контролировать рентгенопроссвечиванием.
Болт М16 ГОСТ 7798-70
Гайка М16 ГОСТ 5927-70
Вход влажного продукта
Выход сухого продукта
Вход горячего воздуха
Выход отработанного воздуха
в псевдоожиженном слое

Тех схема.cdw

Калориферная батарея
Ленточный транспортёр
Вентиль регулирующий
Циклон-каплеуловитель
Условное обозначение
Установка для сушки в
псевдоожиженном слое
Технологическая схема

Записка.docx

Технические описания и расчеты
Описание принципа работы технологической схемы
Описание принципа работы проектируемого оборудования
Материальный расчет установки
Тепловой расчет аппарата
Конструктивный расчет аппарата
Расчет комплектующего оборудования
Гидравлический расчет продуктовой линии и подбор нагнетательного оборудования
Список используемых источников
Процессы сушки широко применяются в промышленности и сельском хозяйстве. Объектами сушки могут быть разнообразные материалы на различных стадиях их переработки (сырьё полуфабрикаты готовые изделия).
Сушкой называется процесс удаления из материала любой жидкости в результате чего в нём увеличивается относительное содержание сухой части. На практике при сушке влажных материалов в том числе пищевых продуктов удаляют главным образом воду поэтому под сушкой понимают процесс обезвоживания материалов. Таким образом хотя понятие сушка является более общим однако практически термин “сушка” и “обезвоживание” являются идентичными.
Материалы сушатся с различной целью: для уменьшения массы (это удешевляет их транспортировку) увеличения прочности (керамические изделия древесина) повышения теплоты сгорания (топливо) повышения стойкости при хранении и для консервирования (зерно пищевые продукты биопрепараты).
Большинство пищевых продуктов являются влажными телами содержащими значительное количество воды. Вода входит в состав растительных и животных тканей и являются необходимой составной частью пищи человека. Однако избыток воды снижает питательную ценность пищевых продуктов значительно удорожает их транспортировку и может вызвать порчу продуктов вследствие жизнедеятельности различных микроорганизмов в водной среде. Поэтому большинство пищевых продуктов подвергают сушке в процессе которой их влажность значительно снижается.
Сушка – это сложный технологический (физико-химический) процесс который должен обеспечить не только сохранение качественных показателей материала но в ряде случаев и улучшение этих показателей.
Процесс тепловой сушки пищевых продуктов заключается в переводе влаги находящейся в них в парообразное состояние и удаление образующегося пара во внешнюю окружающую продукты среду.
Существуют различные методы сушки материалов. Можно выделить 2 основных принципа:
)удаление влаги из материала без изменения её агрегатного состояния – в виде жидкости
)удаление влаги из материала с изменением её агрегатного состояния т.е. при фазовом преобразовании жидкости в пар.
Повышение производительности сушильных установок может быть достигнуто как экстенсивным методом т.е. путём увеличения габаритов сушильной камеры сокращением простоев и т.п. так и более эффективными интенсивными методами путём повышения скорости сушки и соответствующего сокращения продолжительности процесса.
Барабанная сушилка представляет собой сварной цилиндр — барабан на наружной поверхности которого укреплены бандажные опоры кольца жесткости и приводной зубчатый венец; ось барабана может быть наклонена к горизонту на угол до 4°.
Барабанные атмосферные сушилки (рисунок 1.1)—непрерывного действия предназначены для сушки сыпучих материалов топочными газами или нагретым воздухом. Разновидностью барабанных атмосферных сушилок являются аппараты с контактным подводом тепла через специальную трубчатую насадку. На концах цилиндрического корпуса барабанной сушилки имеются распределительные камеры служащие для подачи в барабан и отвода из него высушиваемого материала и газообразного теплоносителя.
Внутри барабана установлена специальная насадка конструкция которой зависит от свойств высушиваемого материала. Со стороны загрузочной камеры расположена многозапорная винтовая насадка с числом спиральных лопастей от 6 до 16 в зависимости от диаметра барабана.
Рисунок 1.1 - Барабанная атмосферная сушилка.
При сушке материалов с большой адгезией к поверхности барабана на начальном участке последнего закрепляют цепи при помощи которых разрушаются комки и очищаются стенки барабана. Для этой же цели могут использоваться ударные приспособления расположенные с внешней стороны барабана.
В ленточных сушилках имеется ленточный одно- или многоярусный транспортер расположенный внутри прямоугольного корпуса. Сушилки работают непрерывно с рециркуляцией газа и без нее в некоторых конструкциях предусмотрен внутренний многократный подогрев газообразного теплоносителя в качестве которого используют топочные газы воздух а иногда - перегретый пар. Загрузка материала осуществляется специальными питателями.
В ленточных сушилках наряду с сушкой можно проводить прокаливание и охлаждение материалов причем такие установки отличаются от обычных только числом ярусов транспортера. Конструкция ленточного транспортера обусловлена свойствами высушиваемого материала. Транспортеры могут выполняться в виде металлической плетеной сетки перфорированной штампованной или пластинчатой ленты отдельных прямоугольных лотков с укрепленной в них сеткой могут иметь одну или две рабочие поверхности. Все сушилки данного типа работают с продувкой слоя движущегося материала потоком газообразного теплоносителя.
Ленточные сушилки предназначены для сушки сыпучих (зернистых гранулированных крупнодисперсных) и волокнистых материалов а также готовых изделий и полуфабрикатов. Для тонкодисперсных пылящих материалов ленточные сушилки не используются так как пыль трудно удерживается на ленте и оседает на калориферах при этом пыль органических материалов может обугливаться и даже возгораться. Ленточные сушилки особенно целесообразны для сушки формованных изделий и гранулированных катализаторов при сушке которых не допускается расслоение или повреждение формы.
В ленточных сушилках легко осуществляются прямоток противоток и смешанная схема движения теплоносителя и продукта.
В многоленточных сушилках агент сушки используют многократно пропуская его снизу вверх последовательно через несколько транспортеров с материалом. Перед каждым слоем его подогревают в калориферах установленных между лентами. В некоторых случаях под каждую ленту извне подают добавочный свежий теплоноситель. Такое же количество газообразного теплоносителя после пропускания через слой материала выводят из установки.
Одноленточные сушилки типа СЛ-1200-3 (рисунок 1.2) предназначены для сушки мелкодисперсных материалов.
Рисунок 1.2 - Одноленточная сушилка типа СЛ-1200-3.
Сушильная камера этой сушилки разделена на три секции. Для циркуляции горячего воздуха нагреваемого в паровых калориферах в каждой секции установлены вентиляторы.
Сушилки взвешенного слоя (псевдоожиженного и фонтанирующего) находят широкое применение в процессах сушки. Конструктивно их можно разделить на одно- и многосекционные. Односекционные аппараты наиболее просты как в конструктивном так и эксплуатационном отношениях обладают высокими экономическими показателями легко поддаются автоматизации. Недостатком их при обработке полидисперсных материалов является неравномерность сушки обусловленная широким спектром времени пребывания отдельных частиц в рабочей зоне аппарата.
Односекционные аппараты псевдоожиженного слоя (круглого или прямоугольного сечения) часто применяют для сушки материалов от поверхностной влаги причем удельный влагосъем достигает в отдельных случаях 1000 кг влаги с 1 м2 газораспределительной решетки. Для повышения равномерности обработки используют многосекционные сушилки с последовательным движением материала и подачей свежего теплоносителя в каждую секцию и ступенчато-противоточные со встречным движением материала и теплоносителя.
Сушилки псевдоожиженного слоя могут иметь расширяющееся или постоянное по высоте сечение. Камеры прямоугольного сечения (с малым отношением сторон) и квадратные камеры менее предпочтительны чем круглые так как в них больше вероятность образования застойных зон.
На рисунке 1.3 даны принципиальные схемы наиболее распространенных сушилок с псевдоожиженным слоем. На рисунке 1.3 а показана схема однокамерной сушилки с ненаправленным движением материала. Сушильная камера имеет круглое сечение и может быть цилиндрической или расширяющейся (для уменьшения уноса мелких частиц из камеры). Максимальное сечение камеры подбирают так чтобы предотвратить унос мелких частиц. Такие сушилки обычно используют для сушки термостойких материалов. На рисунке 1.3 б представлена схема сушилки с направленным движением материала. В таких сушилках угол наклона решетки обычно 1—4°; они характеризуются большими скоростями движения материала в слое. Для выравнивания времени пребывания частиц материала в камере устанавливают поперечные перегородки. Угол наклона решетки принимают зависимости от скорости псевдоожижения длины решетки и характера изменения свойств частиц в процессе сушки.
Сечение камеры в направлении газового потока может быть прямоугольным или трапециидальным (для уменьшения уноса частиц). Такие сушилки работают с перекрестным потоком материала и теплоносителя. Их рекомендуется применять при удалении влаги из трудновысыхающих материалов для которых необходима высокая равномерность сушки.
На рисунке 1.3 в и г показаны схемы многосекционных сушилок. В сушилке изображенной на рисунке 1.3 в секции сушки расположены одна над другой размеры решеток в секциях одинаковы. Подобные сушилки могут работать с направленным и ненаправленным движением материала. В каждой секции могут создаваться различные гидродинамические и температурные режимы так как теплоноситель поступает в них от автономных вентиляторов. Эти сушилки применяют для термочувствительных материалов свойства которых сильно изменяются в процессе сушки. Расположение секций одна над другой делают установку компактной однако зона сепарации в них ограничена. Кроме того переточные каналы из одной секции в другую работают неудовлетворительно при сушке тонкодисперсных материалов. Поэтому необходимо создавать перепад давления между секциями. Такая сушилка рекомендуется для крупнозернистых материалов с хорошими сыпучими свойствами.
Рисунок 1.3 - Типы сушилок с псевдоожиженным слоем.
Для совмещения процессов сушки и прокаливания применяют многосекционные сушилки с многократным использованием теплоносителя показанные на рисунке 1.3 д (сушилка прямоугольного сечения с направленным движением материала) и 1.3 е (цилиндрическая сушилка). Для более надежной работы аппарата иногда верхнюю решетку делают несколько меньших размеров чтобы снизить унос пыли из второй зоны. Когда в зоне прокаливания сжигают природный газ (т. е. обходятся без специального топочного устройства) под решетку подают холодный воздух для сжигания топлива в слое материала.
В пневматических сушилках сушка материалов осуществляется в процессе их транспортирования газообразным теплоносителем. Пневматические сушилки используют для сушки дисперсных материалов. Чаще всего сушилка представляет собой вертикально расположенную трубу где в режиме близком к режиму идеального вытеснения газовзвесь перемещается обычно снизу вверх. Время пребывания материала в зоне сушки составляет несколько секунд. Скорость газа в трубе-сушилке выбирают в несколько раз больше скорости витания частиц наиболее крупных фракций высушиваемого материала.
Разработаны трубы-сушилки самых разнообразных конструкций позволяющие высушивать материалы с широким интервалом свойств и требований к готовому продукту.
Установка ТС-1-375 (рисунок 1.4) состоит из трубы-сушилки 3 диаметром 375 мм и высотой 12м (диаметр расширителя 600мм) двухшнекового питателя 1 бункера с ворошителем 2 циклонов 4 5 секторных затворов 7 расположенных по два под каждым из циклонов (для исключения подсосов) четырех калориферов 8 и хвостового вентилятора 7.
Рисунок 1.4 - Сушильная установка с одноступенчатой трубой сушилкой ТС-1-375.
Эту установку можно использовать для сушки материалов со свободной и слабосвязанной влагой. Основное ее назначение - сушка относительно термочувствительных минеральных солей в мало- и среднетоннажных производствах.
Простым и эффективным способом интенсификации тепло-массообменных процессов в потоках газовзвеси является увеличение относительной скорости фаз обеспечиваемое центробежной силой которая возникает при движении газовзвеси по винтовой или спиральной траектории. Такой способ интенсификации процесса сушки реализуется в аппаратах с винтовыми вставками и плоскими спиралями.
В МИХМе совместно с НИИполимеров разработана конструкция сушилки с плоским спиральным каналом расположенным в горизонтальной плоскости. Сушилка сблокирована с циклоном в котором происходит сепарация частиц (рисунок 1.5).
Газовзвесь материала через штуцер 6 подается в спиральный канал 5 образуемый между днищем 5 корпусом 1 крышкой 2 и спиральной лентой 3 где и осуществляются процессы тепло-массопереноса. Затем газовзвесь попадает в сепарирующую камеру 7 для разделения фаз. Сухой продукт выводится через отверстие в конической части камеры а газ — через патрубок 4. Известно много модификаций такой конструкции. Недостатком спиральных сушилок с плоской спиралью закрученной к центру является ограниченный расход теплоносителя вследствие чрезмерного повышения гидравлического сопротивления. На практике использование сушилок этого типа ограничено расходом сушильного агента (12—15 тыс. м3ч).
Рисунок 1.5 - Сушилка с плоским спиральным каналом расположенным в горизонтальной плоскости.
Более совершенной представляется разработанная МИХМом и НИИполимеров конструкция сушилки со спиральным каналом в виде плоской двойной спирали расположенной в вертикальной плоскости (рисунок 1.6). Сушилка имеет спиральный канал по которому газовзвесь движется первоначально от периферии к центру а затем от центра к периферии. Гидравлическое сопротивление сушилки составляет 1—25 кПа. Преимуществами данной пневмосушилки по сравнению с прямоствольными являются: более высокая интенсивность процесса малые габариты и металлоемкость. Сушилка используется для сушки полимерных материалов и пищевых продуктов.
– спиральный канал. 23 – спиральные ленты 4 – S-образный переход 5 – стенка 6 – крышка.
Рисунок 1.6 - Сушилка со спиральным каналом в виде плоской двойной спирали расположенной в вертикальной плоскости
Фирмой «Шильде» (ФРГ) разработаны циклонные сушилки (рисунок 1.7) с несколькими тангенциальными вводами теплоносителя по высоте цилиндрической камеры и регулируемым временем пребывания материала в аппарате. При этом движение материала может быть спиральным (рисунок 1.7а) если газ непрерывно подается во все вводы со скоростью не более 5—20 мс или в виде прерывистых колец (рисунок 1.7 б) если предусмотрена поочередная подача газа в тангенциальные вводы (сверху вниз) с большими скоростями (до 100 мс). В последнем случае образуется кольцевой слой циркулирующего материала сначала у верхнего ввода а затем после мгновенного прекращения или уменьшения подачи газа у следующего ввода и т. д. Продолжительность пребывания материала в зоне сушки особенно по второму режиму работы можно регулировать в широких пределах (до 10 мин).
Высушенный продукт отделяется от теплоносителя в конической части камеры под воздействием центробежных сил и через секторный затвор выгружается из камеры а отработанный газ покидает сушилку через штуцер в верхней ее части.
Загружают влажный материал в верхней части камеры секторным питателем. Циклонные сушилки - высокоинтенсивные и компактные аппараты предназначены главным образом для удаления поверхностной влаги из полидисперсных сыпучих материалов не налипающих на стенки аппарата.
– подвод сушильного агента 2 – выход отработанного агента сушки
– загрузка влажного материала 4 – выгрузка высушенного материала.
Рисунок 1.7 - Циклонные сушилки с регулируемым временем пребывания материала
Из аппаратов с закрученными потоками сушильного агента наибольший интерес представляют вихревые сушилки. Особенность их — циркулирующий слой материала. По гидродинамической модели процесса они значительно ближе к аппаратам идеального смешения чем циклонные сушилки или трубы с винтовыми вставками. В вихревых сушилках в отличие от циклонных закрутка потока происходит около горизонтальной оси.
Различают барабанные и дисковые вихревые сушилки с круглым сечением. Барабанные разрабатываются фирмой Бюттнер (ФРГ). Принцип работы сводится к следующему. Сушильный агент из топки поступает в распределительный короб и через узкую щель вводится тангенциально в сушильную камеру. На пути газа установлены направляющие пластины которые придают винтовое вращение теплоносителю в барабане. Материал подаваемый питателем захватывается воздушным потоком и движется вместе с ним по спирали к противоположному концу барабана. Высушенный продукт отделяется в циклоне. Фирма Бюттнер изготовляет сушилки подобного типа диаметром 13—3 м и длиной 42—12 м.
Дисковые вихревые сушилки разрабатываются в НИИхиммаше. Их преимущество — весьма активный гидродинамический режим что связано с высокими относительными скоростями газа и частиц регулируемым временем пребывания материала и равномерностью его обработки. Последнее затруднительно в вихревых сушилках барабанного типа.
Дисковые вихревые сушилки предназначены для широкого круга сыпучих и волокнистых материалов содержащих как свободную так и связанную влагу. Время пребывания материала в слое в несколько раз больше чем в трубах с винтовой вставкой. На рисунке 1.8 представлена схема вихревой сушилки НИИхиммаша. Сушка осуществляется воздухом нагретым в топке или в последовательно расположенных паровом и электрическом калориферах. Сушильный агент подается в камеру по периферии тангенциально вместе с влажным материалом (последний можно подавать сразу в сушильную камеру). Влажный материал подхватывается закрученным газовым потоком и образует в периферийной зоне камеры кольцевой вращающийся слой. На частицы действуют центробежные силы поэтому они движутся преимущественно по наружной поверхности кольцевого слоя. По мере подсыхания частицы перемещаются к его внутренней поверхности и выносятся из аппарата вместе с охлажденным воздухом через улитку на торцовой стенке камеры в систему пылеулавливания. сопротивление сушильной камеры 15 – 20 кПа.
– головной вентилятор 2 – паровой калорифер 3 – электрический калорифер 4 – бункер влажного продукта 5 – вихревая камера 6 – сборник продукта 8 – отсасывающий вентилятор.
Рисунок 1.8 - Дисковая вихревая сушилка НИИхиммаша
Технические описания и расчёты
1 Описание принципа работы технологической схемы
Исходный продукт – казеин с содержанием влаги Wн=50% и температурой 1=20°С при помощи шнека Ш подается в сушильную камеру С. Снизу в сушильную камеру вентилятором В нагнетается воздух нагреваемый в калориферной батарее КБ. Воздух на входе в калориферную батарею имеет температуру t0=172°С и относительную влажность φ0=70 %. В калориферной батарее воздух нагревается до температуры t1=130°С. Подогрев воздуха в калориферной батарее осуществляется за счёт конденсации греющего пара. Из верхней части сушильной камеры отработанный воздух с температурой t2=60°С поступает на очистку от мелких частиц в циклон ЦН-24 и далее в скруббер “Вентури”. Из скруббера “Вентури” воздух выбрасывается в атмосферу. Шлак из скруббера собирается в емкости Е. Орошение отработанного воздуха в скруббере осуществляется водой подаваемой под давлением 300 кПа.
Рисунок 2.1 – Технологическая схема
Сухой продукт с содержанием сухих веществ 88% и имеющий температуру 2=58°С из нижней части сушильной камеры поступает в бункер высушенного материала Б1 и далее на ленточный транспортёр а из циклона ЦН-24 – прямо на ленточный транспортёр.
2 Описание принципа работы проектируемого аппарата
Сушилка с псевдоожиженным слоем предназначена для сушки пищевых продуктов.
Рисунок 2.2 - Сушилка с псевдоожиженным слоем
Казеин поступает в сушилку с начальными параметрами Wн=50% и температурой 1=20°С.
Продукт в сушильную камеру загружается с помощью шнека.
Снизу через патрубок 2 поступает воздух с t1=130°С. Воздух снизу через решётку поступает в сушильную камеру где идёт процес сушки. Казеин попадая в сушильную камеру встречаются с нагретым воздухом средняя температура которого tср=95°С и с этого начинается процесс сушки.
Высушенный продукт отводится из сушилки через патрубок 3 с конечной влажностью Wк =12 % и температурой 2=58°С.
Воздух из сушилки отводится через патрубок 1 с температурой t2=60°С. Вместе с воздухом вылетают частички казеина которые осаждаются в циклоне и скруббере “Вентури” при очистке воздуха.
3 Материальный расчёт установки
Из уравнения материального баланса сушильной установки определим расход влаги W удаляемый из высушиваемого материала[3]:
Gк = 75 кгч = 753600 = 00208 кгс
где Gк – производительность установки по сухому веществу 00208 кгс;
Wн – начальная влажность продукта 50%;
Wк – конечная влажность продукта 12%.
Производительность сушилки по исходному материалу
4 Тепловой расчёт установки
Определение основных параметров влажного воздуха
К основным параметрам влажного воздуха относятся:
относительная влажность воздуха φ%
удельное влагосодержание х кгкг
Температуру и относительную влажность воздуха на входе в калорифер определяем по климатическим таблицам для г. Екатеринбурга на июль месяц[4]:
температура t0=172°С
относительная влажность φ0=70%.
Удельное влагосодержание воздуха рассчитаем по формуле:
где 0622 – отношение мольных масс водяного пара и воздуха;
Рн – давление насыщенного водяного пара при данной температуре воздуха Па;
Рн=19654 Па при t0=172°С [9];
В – барометрическое давление воздуха Па. (Для Европейской части СНГ принимается 745 мм рт. ст. = 99100 Па.)
Удельное влагосодержание воздуха на входе в калорифер:
Т.к. подогрев воздуха в калорифере происходит при неизменном влагосодержании воздуха то удельное влагосодержание воздуха на входе в калорифер тоже что и на входе в сушилку:
Энтальпия влажного воздуха представляет сумму энтальпий сухого воздуха и водяного пара приходящегося на 1 кг сухого воздуха:
где Сс.в. – средняя удельная теплоёмкость сухого воздуха (при t200°С Сс.в.=1004 кДж(кг.К));
t – температура влажного воздуха °С;
х – удельное влагосодержание воздуха кгкг с.в.;
где r0 – удельная теплота парообразования воды (при 0°С r0=2500 кДжкг);
cn – средняя удельная теплоёмкость водяного пара;
Энтальпия воздуха на входе в калорифер:
Энтальпия воздуха на выходе из калорифера (на входе в сушилку):
Тепловой расчёт сушилки
Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:
где - разность между удельными приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере кДжкг влаги;
- теплоемкость влаги во влажном материале при температуре 1=20°С кДж(кг.К);
qдоп. - удельный дополнительный подвод тепла в сушилку кДжкг влаги; при работе сушилки по нормальному сушильному варианту qдоп.=0;
qт. - удельный расход тепла с транспортными средствами кДжкг влаги; в рассматриваемом случае qт.=0;
qм. - удельный расход тепла в сушилке с высушиваемым материалом:
см - теплоемкость высушенного материала:
сс - теплоемкость абсолютно сухого материала кДж(кг.К);
сс=094 кДж(кг.К) [10];
qп. - удельные потери тепла в окружающую среду:
l - удельный расход абсолютно сухого воздуха:
кг возд.кг влаги; (9)
I2 – энтальпия воздуха на выходе из сушилки кДжкг;
х2 – удельное влагосодержание воздуха на выходе из сушилки кгкг с.в..
Значение х2 находим по I-х диаграмме влажного воздуха построив теоретический процесс сушки и по нему рассчитываем значение I2.
Теплоемкость высушенного материала:
Удельный расход тепла в сушилке с высушиваемым материалом:
Удельные потери тепла в окружающую среду:
Разность между удельными приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере:
Запишем уравнение рабочей линии сушки:
Для построения рабочей линии сушки на диаграмме I-х (рисунок 2.3) необходимо знать координаты (I и х) минимум двух точек. Координаты одной точки известны:
Для нахождения координат второй точки зададимся произвольным значением х и определим соответствующее ему значение I. Пусть х=0016 кг влагикг с.в. тогда:
Через две точки на диаграмме I-х с координатами I1 х1 и I х поводим линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром t2=60°С. В точке пересечения линии сушки с изотермой t2=60°С находим параметры воздуха: х2=00271 кгкг с.в..
Энтальпию воздуха рассчитываем по формуле:
Расход воздуха на сушку:
Средняя температура воздуха в сушилке:
Рисунок 2.3 – Процесс сушки в I–x диаграмме
Среднее влагосодержание воздуха в сушилке:
Средняя плотность воздуха:
Средняя плотность водяных паров:
Средняя объемная производительность по воздуху:
Расход тепла на сушку:
5 Конструктивный расчёт сушилки с
псевдоожиженным слоем
Расчёт скорости газов и диаметра сушилки[6]
Фиктивная (на полное сечение аппарата) скорость начала псевдоожижения:
где Re - критерий Рейнольдса:
Аr - критерий Архимеда:
— вязкость воздуха при средней температуре:
dэ – эквивалентный диаметр частиц
- плотность частиц высушиваемого материала кгм3;
Критерий Рейнольдса:
Скорость начала псевдоожижения:
Верхний предел допустимой скорости воздуха в псевдоожиженном слое определяется скоростью свободного витания (уноса) наиболее мелких частиц.
где d – наименьший диаметр частиц материала м
Предельное число псевдоожижения:
Принимаем рабочее число псевдоожижения: тогда рабочая скорость сушильного агента:
Высота псевдоожиженного слоя
Высоту псевдоожиженного слоя высушиваемого материала определим на основании экспериментальных данных по кинетике как массо- так и теплообмена:
Равновесное содержание влаги в сушильном агенте х* определяем по I-х диаграмме как абсциссу точки пересечения рабочей линии сушки с линией постоянной относительной влажности =100 %. Величина х*=0034 кгкг.
При этом левая часть уравнения:
Порозность псевдоожиженного слоя при известном значении рабочей скорости:
Коэффициент массоотдачи при испарении поверхностной влаги рассчитаем с помощью уравнения:
где - диффузионный критерий Нуссельта:
- диффузионный критерий Прандтля:
Коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при средней температуре в сушилке:
D20=219·10-6 м2с. [3 с.307]
Коэффициент массоотдачи равен:
Высота псевдоожиженного слоя высушиваемого материала:
Проверим правильность определения величины h по опытным данным для теплоотдачи в псевдоожиженных слоях. Приравняем уравнение теплового баланса и уравнение теплоотдачи:
где с - теплоемкость воздуха при средней температуре в сушилке
- коэффициент теплоотдачи Вт(м2·К);
t - температура газа °С;
tм - температура материала °С.
tм=30°С (по H-d диаграмме).
Коэффициент теплоотдачи определяем по уравнению:
т.к. Re=3003200 (36)
где - критерий Нуссельта
λ - коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре Вт (м·К);
λ=0032 Вт (м·К) [4 c.513];
c=101·103 Дж(кг·К) [4 c.530].
Коэффициент теплоотдачи для рассматриваемого случая:
Определим высоту псевдоожиженного слоя необходимую для испарения влаги:
Сравнивая величины рассчитанные на основании опытных данных по массоотдаче ( м) и по теплоотдаче ( м) можно заключить что они удовлетворительно совпадают.
Рабочую высоту псевдоожиженного слоя H определяем путем сравнения рассчитанных величин с высотой необходимой для гидродинамически устойчивой работы слоя и предотвращения каналообразования в нем. Разница между этими высотами зависит от того каким (внешним или внутренним) диффузионным сопротивлением определяется скорость сушильного процесса и насколько велико это сопротивление.
Высота слоя H должна быть приблизительно в 4 раза больше высоты зоны гидродинамической стабилизации слоя Hст т. е. H4Hст. Высота 4Hст связана с диаметром отверстий распределительной решетки d0 соотношением Hст20 следовательно H80d0.
Диаметр отверстий распределительной решетки выбираем из ряда нормальных размеров установленного ГОСТ 6636-69 (в мм): d0=2 мм [3 c.308].
Тогда высота псевдоожиженного слоя:
H80·2·10-3=16·10-2 м.
Число отверстий n в распределительной решетке определяют по уравнению:
где S - сечение распределительной решетки численно равное сечению сушилки м2;
Fc - доля живого сечения решетки
Число отверстий в распределительной решетке:
Принимаем расположение отверстий в распределительной решетке по углам равносторонних треугольников. При этом поперечный шаг t' и продольный шаг t" вычисляют по следующим соотношениям:
Высоту сепарационного пространства сушилки с псевдоожиженным слоем Hс принимаем в 4-6 раз больше высоты псевдоожиженного слоя:
Hс=5H=5·16·10-2=08 м. (43)
Гидравлическое сопротивление сушилки
Основную долю общего гидравлического сопротивления сушилки ΔP составляют гидравлические сопротивления псевдоожиженного слоя ΔPпс и решетки ΔPр:
Величину ΔPпс находим по уравнению:
Для удовлетворительного распределения газового потока необходимо соблюдать определенное соотношение между гидравлическими сопротивлениями слоя и решетки. Минимально допустимое гидравлическое сопротивление решетки ΔPр вычисляем по формуле:
Порозность неподвижного слоя во для шарообразных частиц принимают равной =045 [3 c.310]. Подставляя соответствующие значения получим:
Гидравлическое сопротивление выбранной решетки:
Коэффициент сопротивления решетки =175 [3 c.310].
Значение ΔPр=1292 Па превышает минимально допустимое гидравлическое сопротивление решетки ΔPmin=283 Па.
Общее гидравлическое сопротивление сушилки:
ΔP=ΔPпс+ΔPр=11654+283=11937 Па (48)
6 Расчет комплектующего оборудования
6.1 Расчёт циклона ЦН-24
Кол-во очищаемого воздуха при рабочих условиях:
Плотность газа при рабочих условиях (t=95ºС):
Динамическая вязкость воздуха при рабочих условиях:
Рисунок 2.4 – Циклон ЦН - 24
Оптимальная скорость газа в аппарате:
Необходимая площадь сечения циклона:
где N – кол-во циклонов;
Стандартное значение D=500 мм (ГОСТ 9617-67 [5 c.65])
Действительная скорость газа в циклоне:
Коэффициент гидравлического сопротивления циклона:
где - коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона
К1 – поправочный коэффициент на диаметр циклона К1=1 [5 c.65];
К2 – поправочный коэффициент на запылённость газа К2=093 [5 c.65];
К3 – коэффициент учитывающий дополнительные потери давления
Потери давления в циклоне:
Минимальное время пребывания частиц в циклоне:
L – длина пути проходимого газовым потоком в циклоне.
Скорость во входном патрубке:
Скорость осаждения частиц:
6.2 Расчёт и подбор калориферов
Принимаем к установке калорифер КФБО-3 для которого:
площадь поверхности нагрева Fк=1628 м2 [2 с.268]
площадь живого сечения по воздуху fк=0112 м2 [2 с.268].
Площадь поверхности теплопередачи:
где Q – расчётное количество теплоты необходимое для подогрева воздуха кВт
k – коэффициент теплопередачи от греющего теплоносителя к воздуху Вт(м2·К)
b n – опытные коэффициенты
ρ – массовая скорость воздуха в живом сечении калорифера кг(м2·К)
Δtср. – средняя разность температур греющего теплоносителя и воздуха °С
где Δt' – большая разность температур между температурами греющего пара и воздуха °С;
Δt'' – меньшая разность температур между температурами греющего пара и воздуха °С.
Для подогрева воздуха в калорифере используется греющий пар имеющий при давлении 5 атм. температуру 1511°С. [4 с.550]
Количество параллельно установленных калориферов:
где L – расход воздуха кгс
Уточняем массовую скорость воздуха в живом сечении калорифера:
Количество последовательно установленных калориферов:
Установочная площадь поверхности теплопередачи калориферной батареи:
Сопротивление калорифера:
где e m – опытные коэффициенты [6 с.83]
Сопротивление калориферной батареи:
6.3 Расчёт скруббера “Вентури”
Расчёт скруббера “Вентури” проведём с помощью энергетического метода.
Массовый расход газов подлежащих очистке Gг=086 кгс
Температура газов перед скруббером t'г=60ºС
Плотность газов =051 кгм3 (при н.у.)
Концентрация казеина на входе в скруббер с1=003 гм3
Необходимая концентрация казеина на выходе из скруббера с2=00015 гм3
Абсолютное давление газов перед скруббером Р'г=200 кПа
Температура осветлённой воды поступающей на орошение t'ж=30ºС
Напор воды Рж=300 кПа
Содержание взвеси в осветлённой воде Сж=55мгкг
Расчёт ведём в следующем порядке:
Учитывая незначительное содержание паров в газах при температуре 60ºС выбираем конструкцию скруббера “Вентури” состоящую из стандартной трубы Вентури и прямоточного циклона-каплеуловителя ЦН-24 с разрывом в выхлопной трубе.
Эффективность аппарата:
Число единиц переноса:
Уравнение энергетической зависимости для данного процесса:
где В х – константы определяемые дисперсным составом пыли
Удельное орошение трубы “Вентури” m=10-3 м3м3
Плотность газов на входе в скруббер:
Объёмный расход газов поступающих в скруббер:
Расход орошающей воды:
Гидравлическое сопротивление скруббера “Вентури”:
Принимаем температуру газов на выходе из скруббера t''г=59ºС
Плотность газов на выходе из скруббера:
Объёмный расход газов на выходе из скруббера:
Скорость газов в сечении прямоточного циклона-каплеуловителя =2 мс
Диаметр циклона-каплеуловителя:
Высота циклона-каплеуловителя:
Гидравлическое сопротивление циклона-каплеуловителя:
Гидравлическое сопротивление трубы Вентури:
Учитывая незначительное сопротивление циклона-каплеуловителя плотность газов на выходе из трубы Вентури принимаем равной 081 кгм3
Коэффициент гидравлического сопротивления сухой трубы Вентури:
Коэффициент гидравлического сопротивления учитывающий введение в трубу Вентури орошающей жидкости:
Скорость газов в горловине трубы Вентури:
Диаметр горловины трубы Вентури:
Расчёт геометрических параметров трубы Вентури
Геометрические параметры горловины:
Геометрические параметры конфузора:
Геометрические параметры диффузора:
– конфузор; 2 – горловина; 3 – диффузор.
Рисунок 2.5 - Нормализованная труба Вентури
Расчет геометрических параметров циклона-каплеуловителя ЦН-24 с разрывом в выхлопной трубе.
а=111·Dц=111·082=091 м;
h1=181·Dц=181·082=148 м;
hкол=12·Dц=12·082=098 м;
hb=08·Dц=08·082=066 м;
b=02·Dц=02·082=016 м;
dнар=06·Dц=06·082=05 м;
hk=2·Dц=2·082=164 м;
h2=0.6·Dц=06·082=05 м.
Рисунок 2.6 - Циклон-каплеуловитель ЦН-24 с разрывом в выхлопной трубе
7 Гидравлический расчёт линии воздуха
и подбор вентилятора
L=086 кгс - массовый расход воздуха;
Разобьем участок движения воздуха на III участка предварительно образмерив.
Рисунок 2.7 – Схема движения воздуха
Для трубопровода примем скорость движения воздуха =20мс.
Диаметр трубопровода равен
где V-объемный расход воздуха равен
Относительная влажность φ0=70%;
Рн – давление насыщенного водяного пара при данной температуре воздуха Па
Температура воздуха на первом участке 1720С.
Выбираем стальную трубу наружным диаметром 245 мм. Внутренний диаметр трубы d=022 м [3].
Фактическая скорость воздуха в трубе
где при данной температуре плотность воздуха
Вязкость при рабочих условиях
Примем абсолютную шероховатость труб =0210-3 м [3] тогда относительная шероховатость трубы равна
Таким образом в трубопроводе имеет место смешанное трение и расчет следует проводить по формуле
Потери на преодоление местных сопротивлений:
коэффициенты местных сопротивлений
Потери давления на придание скорости потоку:
Для трубопровода примем скорость движения воздуха =30мс.
Относительная влажность φ0=2%;
Температура воздуха на втором участке 1300С.
Выбираем стальную трубу наружным диаметром 245 мм. Внутренний диаметр трубы d=021 м.
Примем абсолютную шероховатость труб =0210-3 м тогда относительная шероховатость трубы равна
Потери на преодоление местных сопротивлений
вн. вентиль прямоточный при полном открытии.
Для трубопровода примем скорость движения воздуха =25мс.
относительная влажность φ0=22%;
Температура воздуха на первом участке 600С.
вых. выход из трубы.
Общие потери напора:
Гидравлическое сопротивление всей сети:
Полезная мощность вентилятора:
Мощность электродвигателя:
Выбираем к установке:
газодувку: марка ТВ-25-11 с Р=10000 Па и Q=0833 м3с
электродвигатель: марка АО2-71-2 с N=22 кВт и дв=088.
Рассчитали сушилку псевдожиженного слоя для сушки казеина с Wн= 50 %. Производительность по готовому продукту 75 кгч.
В результате расчёта получили сушилку с D= 138 м. Продукт из сушилки выходит с Wк= 12 % и температурой 58 0С.
Для данной установки подобрали калорифер КФБО-3 с F= 1628 м2 f= 0112м2.
Расчитали циклон ЦН-24 для сухой очистки воздуха выходящего из сушилки и сруббер “Вентури” – для мокрой.
Трубопровод для воздуха сделали круглого сечения. Для подачи воздуха по полезной мощности подобрали вентилятор марки ТВ-25-11 с с Р= 10000 Па и Q= 0833 кВт и электродвигатель для вентилятора с N= 22 кВт и дв= 088.
Список использованных источников
Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продктов Москва пищевая промышленность 1973 г.
Гинзбург А.С. Расчёт и проектирование сушильных установок пищевой промышленности Москва Агропрмиздат 1985 г.
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию Москва Химия 1991 г.
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической промышленности.
Справочник по пыле и газоулавливанию. Под. ред. Русанова
Стахеев И.В Пособие по курсовому проектированию процессов и аппаратов пищевых производств Минск Вс. школа 1975 г.
Стабников В.Н. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств Киев В. школа 1982 г.
Левьюк Л.Н. Методические указания к практическим занятиям по курсу “Процессы и аппараты пищевых производств” Могилев 1998г 21 с.
Ривкин С.Л. Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. –М.: Энергоатомиздат 1984.
Чубик И.А. Маслов А.Н. Справочник по теплофизическим константам пищевых продуктов и полуфабрикатов.-М.:1965.