Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Факультет полимерных композиций и топлива Кафедра промышленной экологии, процессов и аппаратов химических производств Курсовой проект: «Установка для сушки сульфата аммония в барабанной сушилке» Руководитель: ___________В.М.Ушанова (подпись) ______________________ (оценка, дата) Разработал: Студент группы 64-3 ___________Д.А. Дорохова (подпись) __________________________ (дата)
Красноярск 2010 Задание Спроектировать установку для сушки сульфата аммония в барабанной сушилке. В качестве теплоносителя взять воздух Исходные данные 1. Производительность установки 2,0 кг/с на абсолютно сухое вещество 2. Начальная влажность материала Uн = 3,5% 3. Конечная влажность материала Uк = 0,4% 4. Начальная температура теплоносителя 100ºС 5. Конечная температура теплоносителя 50ºС 7. Начальная относительная влажность А=5 кг/м3×ч 8. Начальная температура материала ?=20ºС, ?=70% 9. Конечная температура материала 47ºС. Объем задания 1. Схема установки; 2. Расчет сушильной камеры; 3. Расчет калорифера; 4. Расчет и подбор вентилятора; 5. Расчет аспирационной системы; 6. Чертеж установки; 7. Чертеж сушилки. Реферат В данной пояснительной записке проводится расчет барабанной сушилки, обогреваемой воздухом. Рассчитывается диаметр и объем барабана. Производится расчет вспомогательного оборудования. Текстовый документ изложен на 28 с. Количество рисунков 1, 1 технологическая схема, 1 чертеж установки, 1 приложение. Содержание Введение 5 Схема установки 7 1 РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 8 2РАСЧЕТ И ПОДБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 16 Расчет калорифера 16 Расчет циклона 19 Расчет рукавного фильтра 22 Расчет вентилятора 24 Заключение 27 Список использованной литературы 28 Приложение А ВВЕДЕНИЕ Сушка — это процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за счет подведенного к материалу тепла. Целью сушки является улучшение качества материала (снижение его объемной массы, повышение прочности) и, в связи с этим, увеличение возможностей его использования. В химической промышленности, где технологические процессы протекают в основном в жидкой фазе, конечные продукты имеют вид либо паст, либо зерен, крошки, пыли. Это обусловливает выбор соответствующих методов сушки. Наиболее широко распространены в химической технологии конвективный и контактный методы сушки. При конвективной сушке тепло передается от теплоносителя к поверхности высушиваемого материала. В качестве теплоносителей используют воздух, инертные и дымовые газы. При контактной сушке тепло высушиваемому материалу передается через обогреваемую перегородку, соприкасающуюся с материалом. Несколько реже применяют радиационную сушку (инфракрасными лучами) и сушку электрическим током (высокой или промышленной частоты). Применяемые в химической промышленности виды сушилок можно классифицировать по технологическим признакам: давлению (атмосферные и вакуумные), периодичности процесса, способу подвода тепла (конвективные, контактные, радиационные, с нагревом токами высокой частоты), роду сушильного агента (воздушные, газовые, сушилки на перегретом паре), направлениям движения материала и сушильного агента (прямоточные и противоточные), способу обслуживания, схеме циркуляции сушильного агента, тепловой схеме и т. д. Выбор типа сушилки зависит от химических свойств материала. Так, при сушке материалов с органическими растворителями используют герметичные аппараты и сушку обычно проводят под вакуумом; при сушке окисляющихся материалов применяют продувку инертными газами; при сушке жидких суспензий используют распыливание материала. Конструкции сушилок весьма разнообразны и выбор их определяется технологическими особенностями производства. Наиболее широкое распространение получили барабанные сушилки. Эти сушилки отличаются высокой производительностью и относятся к конвективным сушилкам. В качестве сушильного агента в них используют воздух и дымовые газы. В этих аппаратах сушке подвергают соли, топливо, пасты; их используют в производствах соды, удобрений, ядохимикатов. Т Технологическая схема барабанной сушилки Схема сушильной установки представлена на рисунке 1. Установка состоит из вентиляторов (В1, В2), калорифера (К), барабанной сушилки (БС), циклона (Ц), рукавного фильтра (Ф), бункера влажного материала (Б1) и бункера высушенного материала (Б2), приёмной емкости (Е) и системы трубопроводов. Влажный материал из бункера (Б1) с помощью шлюзового питателя подается во вращающейся барабан (БС). Параллельно материалу в сушилку направляется воздух, нагретый в калорифере (К) до заданной температуры t1. Высушенный материал с противоположного конца сушильного барабана через специальное разгрузочное устройство поступает в промежуточный бункер (Б2), а затем в приемную емкость. Отработанный воздух перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне (Ц) и рукавном фильтре (Ф). Транспортировка сушильного агента через сушильную установку осуществляется с помощью вентиляторов (В1, В2). Конденсат из калорифера через конденсатоотводчик отводится на ТЭЦ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 1 РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ Количество испаряемой влаги: (1)
Количество высушенного материала: (2) Размеры сушильного барабана Объем барабана рассчитывается по формуле: (3)
Принимаем . Диаметр барабана находим из соотношения (4) Тогда длина барабана рассчитывается по уравнению: (5) По нормалям завода «Прогресс» выбираем сушильный барабан с диаметром d=2200мм и длиной L=12000мм. Число оборотов барабана в секунду: (6) Где а – опытный коэффициент; тангенс угла наклона барабана время пребывания материала в барабане, с. Время пребывания материала в барабане: (7) Где - средняя масса материала, проходящего через барабан; - коэффициент заполнения барабана; - средняя насыпная плотность материала;
Барабан имеет угол наклона к горизонту 0,5– 6º; Принимаем а=2º, . Тогда
где 1,2 – коэффициент ? для подьемно-лопастной насадки. Потери тепла в окружающую среду: (8) где - боковая поверхность барабана,; tст – температура стенки барабана с внешней стороны, ºС –температура окружающей среды, ºC - коэффициент теплоотдачи от стенки барабана в окружающую среду, он равен:
где - коэффициент теплоотдачи за счет вынужденной конвекции окружающей среды относительно наружной поверхности вращающегося барабана, Вт/(м2×К); - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2×К). Принимаем tст=30ºС и определяем режим движения окружающего воздуха относительно наружной поверхности барабана: (9) где d = 2,3 м – в данном случае определяющий размер с учетом возможной толщины тепловой изоляции; - плотность воздуха при 20ºС - вязкость воздуха при 20 ºС, - относительная скорость движения воздуха. (10) Коэффициент теплоотдачи от стенки барабана в окружающую среду за счет вынужденной конвекции:
Где - теплопроводность воздуха при 20ºС. Определим коэффициент теплоотдачи излучением:
где с0 = 5,7 Вт/(м2*К) – коэффициент лучеиспускания абсолютного тела; - степень черноты для поверхности, покрытой черной краской. Коэффициент теплоотдачи от стенки барабана к воздуху равен:
Определим необходимую толщину слоя изоляции. В качестве изоляционного материала выбираем шлаковую вату с Поверх изоляции толщиной имеется кожух из листового железа, покрытый масляной краской. Толщина стенки барабана Можно принять t1=t2=50ºC и t3=t4=30ºC. Здесь t1 и t2 – температура внутренней и наружной стенок барабана; t3 и t4 – температура стенок защитного кожуха. Расчет ведем по известным формулам теплопроводности через цилиндрическую стенку. Удельный тепловой поток:
По упрощенной формуле: (11) Определяем толщину изоляции:
Наружная поверхность барабана: (12) Тепловые потери в окружающую среду: (13) Удельная потеря тепла: (14) Расходы воздуха L, тепла Q и пара G. Для определения расхода воздуха и тепла на сушку строим диаграмму сушильного процесса I-x: см. приложение 1. Для нахождения точки А задается температурой и относительной влажностью окружающего воздуха , . Из диаграммы определяют и =0,011 кг влаги/кг сухого воздуха. Точку В находят по заданной температуре и из диаграммы определяют . Точку С (окончание идеального сушильного процесса) находят по заданной температуре и . Чтобы найти направление реального процесса в сушилке, из произвольной точки е, лежащей на линии теоретического процесса (точка е должна лежать ближе к точке С, чтобы величины отрезков, которые участвуют в графическом расчете сушилки были по возможности больше), опускают перпендикуляр ef на линию АВ, измеряют его и определяют величину отрезка еЕ по формуле:
где ; Св – теплоемкость воды, кДж/(кг*К); qд – дополнительный подвод тепла, кДж/кг влаги ( в барабанной сушилке q=0); - сумма потерь тепла (с высушенным материалом, в окружающую среду и с транспортными приспособлениями), кДж/кг влаги. В барабанной сушилке потерь тепла, связанных с транспортными потерями нет. Потери тепла с высушенным материалом: (15) Теплоемкость высушенного материала:
где с =0,695 - теплоемкость сульфата аммония. После подстановки получаем:
Определяем отрезок еЕ:
где ef=x2-x0 , берется для произвольно выбранной точки е на линии Ii=const (рисунок 1); Св=4,19кДж/(кгК) – теплоемкость влаги при t=20ºС. Если происходит дополнительный подогрев и отрезок еЕ откладывается от точки е вертикально вверх; в данном случае , поэтому отрезок еЕ откладывают вниз. Точку В соединяем с полученной точкой Е и продолжаем прямую до пересечения с заданной изотермой t2. Полученная точка С1 характеризует состояние воздуха после сушки: кДж/кг сухого воздуха; кг влаги/сухого воздуха. Расход сухого воздуха: (16) Объем влажного воздуха, проходящего через сушилку за 1 час: (17) где - удельный объем влажного воздуха, отнесенный к 1 кг сухого воздуха, м3/кг сухого воздуха. (18) где R – газовая постоянная равная 287 Дж/(кгК); Т – абсолютная температура воздуха; Роб – общее давление паровоздушной смеси, Н/м2; Рп – парциальное давление водяного пара, Н/м2; Принимаем общее давление Р=745 мм рт.ст. На входе в калорифер:
На выходе из калорифера:
При выходе из барабана:
Расход тепла в калорифере: (19) Расход пара в калорифере: (20) где r=2208 кДж/кг – теплота парообразования при Р=3ат. 2 РАСЧЕТ И ПОДБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 2.1 Расчет и подбор калорифера Для подогрева до 100ºС воздуха, поступающего в сушилки, применяют воздухонагреватели с большой поверхностью теплообмена и малым гидравлическим сопротивлением. Наиболее подходят для этого кожухотрубные и пластинчатые (с ребристой поверхностью) калориферы, применяемые для подогрева воздуха. Принимают для расчета кожухотрубный калорифер. Необходимая поверхность нагрева F, м3 определяется по формуле: (21) где К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К); - средняя разность температур между теплоносителями, С. Принимаем в качестве источника тепла насыщенный водяной пар: Р=3ат; - 132,9ºС. Температурные условия процесса: 119,6 119,6 20 100 (22) Принимаем турбулентный режим движения воздуха по трубному пространству. Диаметр труб d=25×2мм. Для предварительного расчета полагают Re=20000. Из выражений: и Определяют: (23) где G=L× (1+0,010)=38794×0,021=39181 кг влажного воздуха/ч, - вязкость воздуха при t ср.
По каталогу НИИХиммаша для расчета выбирают одноходовой теплообменник типа «ТН» с общим числом труб n=642, и диаметром d=1000мм. Уточняют значение критерия Рейнольдса:
Для турбулентного движения воздуха в трубах: (24) откуда
где =0,024×1,163 Вт/(м×К) – теплопроводность воздуха при 60ºС. - Критерий Прандтля для воздуха при 60ºС ( с – теплоемкость воздуха при Р=const и t=60ºС). Так как коэффициент теплоотдачи со стороны пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб в межтрубном пространстве, достаточно велик и основное термическое сопротивление будет сосредоточено со стороны воздуха , то можно принять Принимают тепловую проводимость загрязнений со стороны накипи и со стороны нагреваемого воздуха соответственно равными 5000 и 2320 Вт/(м2*К), а теплопроводность стали Тогда:
Общий коэффициент теплопередачи:
Необходимая поверхность нагрева калорифера:
Устанавливают два одноходовых кожухотрубчатых типа «ТЛ» теплообменника со следующими характеристиками: F=202 D=1000мм n=642 шт Запас поверхности:
2.2 Расчет циклона Выбираем циклон типа ЦН-15. Принимаем , диаметр найдем по формуле: (25) Определяем условную скорость газа в цилиндрической части циклона:
Следовательно:
Принимаем d=900 мм. Выбираем одиночный циклон с диаметром равным 0,9м. Вычисляем действительную скорость газов в подобранном циклоне:
Рассчитываем объем газа проходящего через одиночный циклон:
Количество одиночных циклонов: (26) Вычисляем действительную скорость газа в подобранном циклоне:
Отклонение действительной скорости от оптимальной 0%. Рассчитываем сопротивление циклона: (27) На рисунке 1 приведен циклон и его геометрические размеры. Таблица1 - Характеристики циклона Характеристики циклона Тип циклона
ЦН-24
Диаметр выходной трубы,D1 0.6
Ширина входного патрубка,b 0.26
Высота входного патрубка, h1 1,11
Высота выходной трубы,h2 2,11
Высота цилиндрической части,h3 2,11
Высота конической части,h4 1,75
Общая высота циклона,H 4.26
Коэффициент сопротивления, ; 60
Рисунок 1 – Циклон НИИОГАЗ 2.3 Расчет рукавных фильтров Определяем поверхность фильтрования: (28) Где Vг – расход запыленного газа,; Vг=V3=2,65м3/с ; Vпр – расход продувочного газа, ; (0,1 – 0,2) Vг; Vпв – расход подсасываемого в аппарат воздуха, принимаем на 10% больше расхода газа (1,05 – 1,1)Vг; - допустимая удельная нагрузка тканевого фильтра по газу. Vпр =0,15×2,65=0,3975 м3/с, Vпв =1,1×2,65=2,915 м3/с. Рассчитанная поверхность фильтрации должна быть проверена на допустимую запыленность ткани:
Где G1н – исходное количество пыли в газе, кг/с, поступающем в рукавный фильтр; G1д=(0,2 – 0,3) допустимая удельная запыленность ткани.
Тогда:
662,5>10,15 => условие соблюдено. Выбираем фильтр с обратной посекционной продувкой ФР-518 со следующими характеристиками: фильтрующая поверхность F=518 количество секций 6 количество рукавов в аппарате 432 диаметр рукава 127 мм высота рукава 3 м габариты: ширина 3,4 м длина 13,7 м высота 9,5 м масса 25 т Завод-изготовитель – Кемеровский, химического машиностроения. 2.4 Выбор вентилятора Мощность потребляемая вентилятором: (29) где V – подача вентилятора; - полное сопротивление сушильной установки с учетом скоростного напора; - общий КПД вентиляторной установки.
(30) где - сопротивление трения воздухопроводов, Н/м2 - местное сопротивления,; - сопротивление сушилки, - сопротивление калорифера, - сопротивление циклонов, - скоростное давление, В соответствии со схемой сушильной установки принимают следующие исходные данные для расчета: Общая длинна воздуховодов 20м Количество задвижек 2 шт Количество отводов под углом 90 2 шт Скорость газов в трубопроводах допускается в пределах 10-20 м/с, принимаем w=15м/с. Из уравнения расхода находим диаметр воздухопровода между аппаратами:
Принимаем трубопровод из углеродистой стали d = 4262 мм. Уточняем скорость движения воздуха:
скоростное давление:
где - плотность воздуха при tср=60ºС. (31) Предварительно подсчитываем критерий Re:
Где - вязкость воздуха при 60ºС. При Re= 206320 коэффициент трения 0,015 Для отводов под углом 90 и задвижек находят, что , следовательно:
Сопротивление барабанных сушилок колеблется в пределах 10-20 мм вод.ст, а циклонов – в пределах 40-85 мм вод.ст. Принимают
Сопротивление рукавного фильтра принимаем: Р=1000Н/м2 Полное сопротивление сушильной установки: 169,55+196,2+1000+340,2+835+92,65=1633,6Н/м2 Мощность потребляемая вентилятором:
Устанавливаем центробежный вентилятор ЦП-40-8К. Технические характеристики: Q=1,39-6,95 м3/с Па n =26,65 с -1
Мощность привода барабанной сушилки Ориентировочная необходимая для вращения барабана мощность может быть определена по формуле:
(32) Заключение В данной курсовой работе рассчитали барабанную сушилку для сушки хлорида калия. По результатам расчета выбрали барабанную сушилку с диаметром D=2200мм и длинной L=12000. Установили циклон типа ЦН-24, одноходовой кожухотрубчатый теплообменник типа «ТЛ» со следующей характеристикой: F=202 D=1000мм n=642 шт По каталогу ОСТ 26 – 14 – 2005 – 77 выбираем фильтр ФР – 518 [Приложение А - 12]. Характеристика фильтра ФР-2800: фильтрующая поверхность F=518 количество секций 6 количество рукавов в аппарате 432 диаметр рукава 127 мм высота рукава 3 м габариты: ширина 3,4 м длина 13,7 м высота 9,5 м масса 25 т Устанавливаем центробежный вентилятор ЦП-40-8К. Технические характеристики: Q=1,39-6,95 м3/с Па n =26,65 с -1
Список использованных источников Ченцова Л.И. Процессы и аппараты химической технологий/ Л.И Ченцова, М.К Шайхутдинова, В.М Ушанова.- Красноярск: СибГТУ,2006.-262с. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Под ред. чл. корр. АН России П.Г. Романкова.-11 изд., стереотипное. Перепечатка с изд.1987.- М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004.- 576с. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. 12-е изд., стереотипное, доработанное. Перепечатка с девятого издания 1973 г.- М.:ООО ТИД «Альянс», 2005-753с.
