Размещено на http://www.allbest.ru/ Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) Кировский вечерний факультет Кафедра «Процессы и аппараты химических производств Семестровая работа по дисциплине: «Процессы и аппараты химических производств» Выполнила: Т.А. Собакина Проверила: Шибитова Волгоград 2013г. Размещено на http://www.allbest.ru/ Задание Рассчитать и спроектировать барабанную сушилку с подъемнолопастными перевалочными устройствами для высушивания руды железной (магнитогорской) топочными газами при следующих условиях: 1. Производительность сушилки по высушенному материалу Gк = 4,98 кг/с. 2. Влажность руды железной (магнитогорской): - начальная Wн = 13,3%; - конечная Wк = 3,5% 3. Температура влажного материала Ɵ1 = 17ºС. 4. Топливо природный газ 5. Температура топочных газов: - на входе в барабан tсм = 275ºС; - на выходе из барабана t2 = 112ºС. 6. Содержание фракций частиц в материале: - диаметром от 10.0 до 8.2мм – 50%; - диаметром от 8.2 до 6.0мм – 50%. 7. Удельные потери тепла в окружающую среду на 1кг испаренной влаги qи = 22,5 кДж/кг (что соответствует примерно 1% тепла, затрачиваемого на испарение 1кг воды); 8. Параметры свежего воздуха: - температура t0 = 22ºC; - относительная влажность 65% Размещено на http://www.allbest.ru/ Введение В химической технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, жидкие растворы и др.). В промышленности применяются в основном следующие процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами. В данной семестровой работе рассматривается процесс сушки топочными газами в барабанной сушилке с подьемно-лопастными перевалочными устройствами. Сушка - это процесс удаления влаги из твердых материалов главным образом путем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой фазы в газовую или паровую. По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Сушка топочными газами - в настоящее время приобрела широкое распространение, так как температура топочных газов значительно выше температуры воздуха, нагреваемого перед влагопоглощающая способность газов во влагопоглощающей способности воздуха и потенциал сушки [3]. сушкой. много В результате раз соответственно больше больше Размещено на http://www.allbest.ru/ 1. Расчет параметров топочных газов подаваемых в сушилку В качестве топлива используется природный газ следующего состава (в объемных процентах): СН4 – 98,0%, С2Н6 – 1,0%, С3Н8 – 0,2%, С4Н10 – 0,3%, СО – 0,2%, Н2 – 0,3%. Теоретическое количество сухого газа L0 затрачиваемого на сжигание одного кг топлива равно: L0=138·(0,0179·СО+0,248·Н2+Σ [ ]Cm·Hn), (1) где составы горючих газов выражены в объемных долях. Подставив соответствующие значения, получим: L0=138·(0,0179х0,002+0,248х0,003+0,125х0,98+0,116х0,01+0,1136х0,00 2+0,1121х0,003)=17,25 кг/кг. Для определения теплоты сгорания топлива характеристиками горения простых газов. Таблица – 1 Характеристики горения простых газов. Газ Реакция Тепловой эффект реакции, кДж/м3 1 2 3 Водород Н2+0,5О2=Н2О 10810 Оксид углерода (II) СО+0,5О2=СО2 12680 Метан СН4+2О2=СО2+2Н2О 35741 Ацетилен С2Н2+2,5О2=2СО2+Н2О 58052 Этилен С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О 59108 Этан С2Н6+3,5О2=2СО2+3Н2О 63797 Пропан С3Н8+5О2=3СО2+4Н2О 91321 воспользуемся Размещено на http://www.allbest.ru/ Бутан С4Н10+6,5О2=4СО2+5Н2О 118736 Сероводород Н2S+1,5O2=S2O+H2O 23401 Количество тепла QV, выделяющееся при сжигании 1м3 газа равно: QV = Σφi ∙ Нi, (2) где φi – объемная доля компонентов газа; Нi – тепловой эффект реакции, кДж/м3 QV =0,98 ∙ 35741 + 0,01 ∙ 63797 + 0,002 ∙ 91321 + 0,003 ∙ 118736 + 0,002 ∙ 12680 + 0,003 ∙ 10810 = 36260,79 кДж/кг. Плотность газообразного топлива: ρt = (Σ где )×( ), (3) – мольная масса топлива, кмоль/кг; tт – температура топлива; tт = 20ºС; V0 – мольный объем; V0=22,4м3/кмоль; Т0=273ºС. ρt= =0,6756 кг/м3 Количество тепла, выделяющееся при сжигании 1кг топлива равно: Q= Q= , (4) =53671,98 Дж ∙м3 Масса сухого газа, подаваемого в сушильный барабан, в расчете на 1кг сжигаемого топлива определяется общим коэффициентом избытка воздуха α, Размещено на http://www.allbest.ru/ необходимого для сжигания топлива и разбавления топочных газов, до температуры смеси tсм=275ºС. Значение α находят из уравнений материального и теплового баланса. Уравнение материального баланса: 1+L0=Lcг + Σ , (5) где Lcг – масса сухих газов образовавшихся при сгорании 1кг топлива; – массовая доля компонентов, при сгорании которых образуется вода, кг/кг. Уравнение теплового баланса: Q∙η+cт∙tт+α∙L0∙I0=[Lcг+L0(α - 1)]∙iсг+[α∙L0∙x0+Σ ], (6) где η – общий КПД учитывающий эффективность работы топки и потери тепла топкой в окружающую среду; η=0,95; ст-теплоемкость газообразного топлива при температуре топлива 200ºС; ст=1,34кДж/кг×К; I0-энтальпия свежего воздуха (кДж/кг): I0=49кДж/кг; Iсг-энтальпия сухих газов; Iсг=ссг×tсг=1,05∙275=289кДж/кг х0-влагосодержание свежего воздуха при температуре t0-22ºC, и относительной влажности φ0=65%, х0=0,012кг/кг. Размещено на http://www.allbest.ru/ iп=г0 + cn ∙ tn, (7) где г0-теплота испарения воды при температуре 0ºС, г0=2500кДж/кг; сп-средняя теплоемкость водяных паров, сп=1,97кДж/кг×К; tп-температура водяных паров, tп= tсг= tсм=275ºС iп =2500+1,97∙275=3042кДж/кг. Решая совместно уравнения 5 и 6 получаем: α= , (8) Пересчитаем содержание компонентов топлива при сгорании которых образуется вода, из объемных долей в массовые по формуле: ω(А)= , (9) ω(CH4)=0,06157×0,98×16=0,9654, ω(C2H6)=0,06157×0,01×30=0,0185, ω(C3H8)=0,06157×0,002×44=0,0054, ω(C4H10)=0,06157×0,003×58=0,0107. Количество влаги, выделяющееся при сгорании 1кг топлива равно: Σ ×CmHn=2,17+0,0333+0,00972+0,0166=2,2296. Коэффициент избытка воздуха находим по уравнению (8): α= =8,53. Размещено на http://www.allbest.ru/ Общая удельная масса сухих газов получаемая при сжигании 1кг топлива и разбавлении топочных газов воздухом до температуры смеси tсм=275ºС равна: Gcг=1+α×L0-Σ ×CmHn , (10) Gcг=1+8,53×17,25-2,2296=145,913 кг/кг. Удельная масса водяных паров в газовой смеси при сжигании 1кг топлива равна: Gn = Σ ×CmHn+α ∙ x0 ∙ I0, (11) Gn=8,53 ∙ 0,012 ∙ 17,25+2,2296=3,995 кг/кг. Влагосодержание газов на входе в сушилку (х1=хсм) равно: х1= х1= , (12) =0,027кг/кг. Энтальпия газов на входе в сушилку: I1 = I1 = , (13) =399 кДж/кг. Поскольку коэффициент избытка воздуха α велик (α>1), физические свойства газовой смеси, используемой в качестве сушильного агента, Размещено на http://www.allbest.ru/ практически не отличаются от физических свойств воздуха. Это дает возможность использовать в расчетах диаграмму состояния влажного воздуха. 2. Определение параметров отработанных газов, расхода сушильного агента и расхода тепла на сушку Из уравнения материального баланса сушилки определим расход влаги W, удаляемой из высушенного материала. W=Gк× W=4,98∙ , (14) =0,56 кг/с. Запишем уравнение внутреннего теплового баланса сушилки: ∆=сѲ1+qдоп-(qm+qм+qn), (15) где ∆-разность между удельным приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере; с-теплоемкость влаги во влажном материале при температуре Ѳ1, кДж/кг×К; qдоп-удельный дополнительный подвод тепла в сушилку, кДж/кг влаги; при работе сушилки по нормальному сушильному варианту, qдоп=0; qm-удельный расход тепла в сушилке с транспортными средствами, кДж/кг влаги; в рассматриваемом случае: qm=0; qм - удельный расход тепла в сушильном барабане с высушиваемом материалом, кДж/кг влаги. Размещено на http://www.allbest.ru/ qм= , (16) где См-теплоемкость высушенного материала, кДж/кг×К; Ѳ1-температура влажного материала на входе в сушилку, ºС; Ѳ1=17ºС. При испарении поверхностной влаги Ѳ2 принимается приблизительно равной температуре мокрого термометра при соответствующих параметрах сушильного агента. Принимая в первом приближении процесс сушки адиабатическим, находим Ѳ2 по диаграмме Рамзина по начальным параметрам сушильного агента; Ѳ2=52ºС qм= =280,13 кДж/кг. qп - удельные потери тепла в окружающую среду, кДж/кг влаги; на 1кг испаренной влаги: qп=22,5 кДж/кг влаги; Подставив соответствующие значения, получим: ∆=4,19∙17 - (280,13+22,5)=-231,4 кДж/кг влаги; Запишем уравнение рабочей линии сушки: ∆= , или I=I1+∆∙(x-x1), (17) Для построения рабочей линии сушки на диаграмме Рамзина необходимо знать координаты (х и I) минимум двух точек. Координаты первой точки известны: x1=0,027 кг/кг, I1=399 кДж/кг. Для нахождения координат второй точки зададимся произвольным значением х и определим соответствующее значение I. Пусть х=0,1кг влаги/кг сух.воздуха. Тогда по уравнению (17) получим Размещено на http://www.allbest.ru/ I=399+(-231,4)∙(0,1-0,027)=382 кДж/кг. Через 2 точки на диаграмме Рамзина с координатами (х1,I1) и (х,I) проводим линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром. t2=112ºС. В точке пересечения линии сушки с изотермой t находим параметры отработанного сушильного агента: х2=0,095кг/кг I2=340 Расход сухого газа Lcг равен: Lcг= , (18) = 8,24 кг/с. Lcг= Расход сухого воздуха L равен: L= L= , (19) =6,79 кг/с. Расход тепла на сушку Qc равен: Qc= Lcг∙(I1-I0), (20) Qc=8,24∙(399-49)=2884 Вт. Расход топлива на сушку: Размещено на http://www.allbest.ru/ Gт= Gт= , (21) =0,054кг/с. 3. Определение основных размеров сушильного барабана барабанный сушилка перевалочный топочный Расчет основных размеров сушильного барабана сводится к определению объема сушильного барабана Vб, длины и диаметра барабана. Определив длину и диаметр барабана, выбирают стандартный аппарат. Объем барабана складывается из объема необходимого для сушки Vсуш и объема для прогрева материала Vпрогр. Vб=Vсуш+ Vпрогр, (22) Объем необходимый для сушки материала можно определить по формуле: Vсуш= , (23) где Кv – объемный коэффициент массопередачи, с-1 ∆хср – средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м3 Движущую силу массопередачи ∆хср определяем по уравнению: ∆ср= , (24) Размещено на http://www.allbest.ru/ ∆хб=х1*- х1 - движущая сила в начале процесса сушки, кг/м3; ∆хм=х2* - х2 – движущая сила в конце процесса сушки, кг/м3; ∆рб=р1*- р1 – движущая сила в начале процесса сушки, Па; ∆рм=р2*- р2 – движущая сила в конце процесса сушки, Па; Х1*, Х2* - равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м3 р1*,р2* - давление насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па. Их значения определяются по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале t м1 и в конце tм2 процесса сушки. По диаграмме Рамзина найдем: tм1=59ºС р1*=18498 Па tм2=56ºС р2*=17109 Па р1, р2 – давление водяных паров в газе в начале и конце процесса сушки, Па. Их определяют по формуле: р= , (25) где х-влагосодержание на входе или на выходе из сушилки. Тогда на входе в сушилку р1=( × 105) / ( + )=4321Па. на выходе из сушилки р2==( ∆ср= × 105) / ( + )=15054Па. =6276Па. Размещено на http://www.allbest.ru/ Откуда ∆хср= tср= =0,03кг/м3. = =194. В случае сушки кристаллических материалов, т.е. при удалении поверхностной, свободной влаги и параллельном движении материала и сушильного агента, коэффициент массопередачи Кv пропорционален коэффициенту массоотдачи βv. Для барабанной сушилки коэффициент массоотдачи β v может быть вычислен по эмпирическому уравнению: βv=1,6∙10-2∙ , (26) где ρср-средняя плотность сушильного агента, кг/м3 ρср= , (27) ρcp= = 0,75 кг/м3. с-средняя теплоемкость сушильного агента, с=1кДж/кг∙К β-степень заполнения барабана высушиваемым материалом, % р-среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па. р= , (28) Размещено на http://www.allbest.ru/ р= = 9687,5 Па. ω-рабочая скорость сушильного агента в барабане, м/с n-число оборотов барабана (изменяется в реальных барабанах от 2 до 12 об/мин). Уравнение (26) справедливо для значений: ωρср=0,6…1,8 кг/м2∙с n=1,5…5 об/мин β=10…25% Если указанные пределы не соблюдаются, то объем барабана можно рассчитывать по величине объемного напряжения по влаге: Vб= , (29) где Аv-значение объемного напряжения по влаге. Скорость газов в барабанах выбирается в зависимости от размеров частиц и насыпной плотности высушиваемого материала по таблице 3. Таблица – 3 Выбор рабочей скорости газов в сушильном барабане. Размер частиц, мм Значение скорости ω при насыпной плотности 350 1000 1400 1800 2200 0,3 - 2 0,5-1,0 2,0-5,0 3,0-7,5 4,0-8,0 5,0-10,0 Более 2-х 1,0-3,0 3,0-5,0 4,0-8,0 6,0-10,0 7,0-12,0 Степень заполнения барабана зависит от конструкции перевалочных устройств: подъемно-лопастные допускают β=12…14%; распределительные с открытыми и закрытыми ячейками –β=21…27% Принимаем: ω=6м/с n=5об/мин Размещено на http://www.allbest.ru/ β=12% βv=1,6∙10-2∙ = 0,45с-1. Тогда объем сушильного пространства рассчитывается по формуле (23) и равен: Vсуш= =42,91 м3. Объем барабана необходимый для прогрева влажного материала определяют по уравнению: Vпрог= , (30) где Qn-расход тепла на прогрев материала до температуры tм1, кВт Qn=Gк∙Cм∙( tм1-Ѳ1)+Wв∙Cв∙( tм1-Ѳ1), (31) Qn=4,98∙0,9∙(59-17)+0,56∙4,19∙(59-17)=286,7кВт. -объемный коэффициент теплопередачи, кВт/м3∙К; , (32) =16×(6×0,75)0,9×50,7×120,54=0,327кВт/м3×К, -средняя разность температур, 0ºС; Св-теплоемкость воздуха, кДж/кг×К; Ѳ1-температура влажного материала, Ѳ1=Т0. Для вычисления агента tx, до которой необходимо найти температуру сушильного он охлаждается, отдавая тепло на нагрев Размещено на http://www.allbest.ru/ высушиваемого материала до tм1. Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса: Qn=Lсг∙(1+Х1)∙Сг∙(t1-tx), (32) Откуда: tx=t1- , =212,5ºC. tx= 275- Средняя разность температур = равна: , (33) = =205,5ºС Подставляем полученные значения в уравнение (30): Vпрог= =1,09м3 Общий объем сушильного барабана равен: Vб=23,75+1,09=24,84м3 По справочным данным находим основные характеристики барабанной сушилки – длину и диаметр, взяв за основу объем сушильного пространства. По табл. выбираем барабанную сушилку №7119 со следующими характеристиками: объем V=30,5м3, диаметр dвн=1,8м длина l=12м, частота n=5об/мин; Определим действительную скорость газов в барабане: Размещено на http://www.allbest.ru/ ωд= , (34) где Vг-объемный расход влажного сушильного агента на выходе из барабана, м3/с Vг=Lсг×22,4× ×( + ), (35) хср-среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг. хср= , (36) хср= =0,08 кг/кг Vг=2,61×22,4× Тогда принятое: ωд= ×( + )=17,5 м2, =6,8 м/с Время пребывания материала в барабане: τ= , (37) =V∙β∙ρм=30,5∙0,12∙1200=4392 кг/кг. Отсюда: τ= =956 с. Зная время пребывания, рассчитываем угол наклона барабана α: Размещено на http://www.allbest.ru/ α= ( α= ( +0,007×ωд)× , (38) +0,007×6,8)× =5,02° Проверим допустимую скорость газов по уносу мелких частиц: ωун= где , (39) - плотность сушильного агента =[29×(ρ0-ρ)+18×ρ]× , (40) =[29×(105-9687,5)+18×9687,5]× Аr= =[ =0,725 кг/м3 ]=34,6 104 -вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре; d-диаметр частиц материала, м; -плотность частиц материала. Скорость уноса равна: ωун= =4,6м/с. Рабочая скорость сушильного агента в сушилке ωд=6,8м/с больше чем скорость уноса частиц ωун=4,6м/с, поэтому расчет основных размеров сушильного барабана заканчивается Размещено на http://www.allbest.ru/ Заключение На основании исходных данных был произведен расчет размеров аппарата для проведение процесса сушки и выбрана барабанная сушилка, обеспечивающая непрерывный процесс сушки железной (магнитогорской) руды топочными газами при заданных условиях. Основные характеристики барабанной сушилки [4, табл.9.3]: внутренний диаметр 1,8м длина барабана 12м толщина стенок наружного цилиндра 12мм объем сушильного пространства 30,5 м3 число ячеек 28шт частота вращения барабана 5об/мин общая масса 42т потребляемая мощность двигателя 10,3кВт На рисунке – 1 показан общий вид барабанной сушилки с подъемнолопастными перевалочными устройствами. 1 — барабан; 2, 3 — роликовые опоры; 4 — вход сушильного агента; 5— влажный материал; 6 — приемно-винтовая насадка; 7 — вывод сушильного агента; 8 — насадка лопастная; 9 — высушенный материал. Рисунок – 1 Барабанная прямоточная сушилка. Размещено на http://www.allbest.ru/ Список использованной литературы 1. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу Процессов и аппаратов химической технологии». - Л.: «Химия», 1970г. 2. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу Процессов и аппаратов химической технологии». – Л.: «Химия», 1987г. 3. А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии». – М.: «Химия» 1971г. 4. Ю.И. Дытнерский «Основные процессы и аппараты химической технологии» Пособие по проектированию. – М.: «Химия» 1991г. Размещено на Allbest.ru
