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 (рпов
) была больше, чем концентрация водяных паров в окружающей газовой среде (ргаз
). Если рпов
< ргаз
, 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 4-6о
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.

τпреб
>τсуш

Время сушки материала определяем по формуле:

Время пребывания материала в барабане определяем по формуле:

, где

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

ρ
м
- плотность шлака при средней его влажности Wcp
;

mо
- объемное напряжение по влаге (120 кг/м3
ч);

L6
- длина барабана, м;

Dб
- внутренний диаметр сушильного барабана, м;

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

испаренной влаге принимаем n=3.2 об/мин).

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

<1, примем 0,9 м/с

Зная начальную и конечную влажность, определим среднею влажность

шлака:

Wср
=(Wн
+Wк
)/2, Wср
=(20+0,3)/2=10,15%

Затем найдем плотность шлака при средней его влажности:

ρ
м
= ρс
[100/(100- Wcp
)]=2700*[100/(100- 10.15)]= 3005кг/м3

.

ρ
с
- плотность сухого материала (принимаем из справочной литературы д

доменного гранулированного шлака 2700 кг/м3
).

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

τпреб
= (Lб
/Dб
)*[60/(2*3,3*(0,035-0,007*0,9)]= (
L
б

/
D
б

)*391
;

Приравниваем τпреб
= τсуш
и получим: ((
Lб
/Dб
)*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 Dб
=2.2 м. Тогда Lб
=16,5 м.

Вычисли объем барабанаV
= L6
*(n*D2
б
)/4=16,5*(3,14*2,22
)/4*= 62,69 м3

Объемное напряжение по влаге составитто
=Вл/V, гдеВл-
количество влаги, удаляемой при сушке шлака:

Вл
=GM
[(Wн
- Wк
)/(100 – Wн
)]=6780*[(20- 0,3)/(100 - 20)]=1670
кг/час, тогда

т0

=1670/62,69=26,5 кг/м3
ч
.

τсуш

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

τпреб
= (Lб
/Dб
)*391= (2,2/16,5)*391=52мин=3120сек
;

Условие τпре
б
> τсуш

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: Dб
=2.2 м , t1-1
=600°C, t2-2
=100°C

δиз
=λиз
[(t-tн
)/q -(l/ αн
)],
где

λиз
- коэффициент теплопроводностиизоляционного слоя вккал/( ч м о
С);

t - температура теплоносителя во
С;

tн
- температура окружающего воздуха в о
С
(примем tн
= 22 С, т.к установка

будет работать в помещении) ;

q - тепловая потеря (тепловой поток) вккал/( ч м2
);

αн
- коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающий

воздух вккал/( чм2
о
С);

tср
= (t1-1
+t2-2
)/2=(600+100)/2=3500
C

λиз
=0,046+0,00016*tcp
=0,046+0,00016*350=0,102

δиз
= 0,102 [350 - 22)/157 -(1/ 6)]=0,252м=252 мм

Принимаем по ГОСТу 21880-86 7 минераловатных прошивных матов толщиной 40 мм.

Графические расчеты процессов сутки в I-d диаграмме

Исходные данные t1-1
=600°C, d1-1
=20 г/кг (по заданию преподавателя)

Теоретический процесс сушки:

По известным начальным параметрам сушильного агента (t1-1
=600°C и d1-1
=20 г на 1 кг сухих газов) находим точку В - начало теоретического процесса сушки. Эта точка характеризует параметры сушильного агента, поступающего в сушильный барабан. От точки В проводим линию I=const до пересечения с φ =30%. Получаем конечную точку при теоретическом процессе сушки С0
с параметрами t2-2
=l 00° С, d2-2
=220г/кг. Расход сушильного агента при теоретическом процессе сушки:

LС. А.
(теор)=[1000*Вл/(d2-2
-d1-1
)]=[1000*1670/(220- 20)]=8350 кг/час Фактический процесс сушки.

Построение действительного процесса сушки в реальной сушилке сводится к определению направления линии сушки, для чего находим удельное количество теплоты, отданное в окружающую среду поверхностью сушильного барабана и на нагрев и материала Qм
, т.е.:

∑Q=Qм
+ Qп

Qм
= Gсух.матер.
*см
*(tм
к
– tм
н
), кДж/час, где

Gсух.матер
-производительность по сухому материалу; см
- теплоемкость шлака, принимаем 0,94 кДж/кг °С;tм
к
из справочной литературы принимаем 350 °С;tм
н
=-32° С - температура хранения шлака. Шлак храниться на улице, поэтому температуру хранения по самой холодной пятидневке по СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология». Установка будет размещена в городе Перми.

Тогда QM
=6780*0,94(350+32)=2434562 кДж/час

Количество теплоты, потерянной сушилкой в окружающую среду, определяем по формуле:

Qп
=F*qфакт
, где

F- площадь наружной поверхности сушильного барабана.

F
=Fпов
+Fm
ор
= πDб
Lб
+2* (πD2
)/4=3,14*2,2*16,5+(3,14*2,22
)/2=12I,58м2

Qп
=121,58*( 157 *3,6)/1000=68,72кДж/кг.

Находим величину уменьшения энтальпии дымовых газов ∆:

∆ = =(2434562 + 68, 72)/8350=292 кДж/кг

Откладываем на I-d диаграмме значение потерь от точки С0
вертикально вниз и получаем точку К, которую соединяем с точкой В.Линия ВК показывает направление линии действительного процесса сушки с учетом тепловых потерь. Пересечение этой прямой с φ=30% дает конечную точку фактического процесса сушки. Её параметры t2-2
=300°С, d2-2
=180 гр/кг. Прямая ВС’ - прямая фактического процесса сушки. Действительный расход сушильного агента на сушку составит:

LС. А.
(действ.)
=[1000*Вл/(d2-2
-d1-1
)]=[1000*1670/(180- 20)]=15181 кг/час

Материальный баланс установки

Тепловой баланс установки

Уравнение теплового баланса для сушильного барабана примет вид

QС.А
=Qм
+ Qна исп.влаги
+Qсреду
+Qнеучт.

Технико-экономические показатели

Определяем удельный расход сухих газов на 1 кг испаренной влаги:

lС.А
=LС.А
/Вл= 15181/1670=9,1кг

Расход топлива mm
=Q/(QH
p
*КПД) кг, где QH
P
- низшая теплотворная способность. КПД для топки принимаем 0.9.

Низщая теплотворная способность природного газа пермского месторождения 33100 (кДж/м).

Аннотация.

Сведения по пояснительной записке:

Объем пояснительной записки -7стр.

Количество рисунков -3

Количество таблиц -3

Сведения по графической части: Лист 1 — Чертеж сушильного барабана, Лист 2 — Разрез, спецификация, примечания.

Использованная литература:

1.Катаева Л.И. «Методическое указание «Теплотехника и теплотехническое оборудование технологий строительных материалов,

изделий и конструкций».

2. Кузнецов Г.Ф. «Тепловая изоляция», мрсква 1976г.

3. М.И.Роговой, М.Н. Кондакова, М.Н.Сагановский «Расчеты и задачи по теплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительных материалов. Москва 1975г.

4. Теплотехнический справочник под редакцией В.Н. Юренева, 11.Д Лебедевой. Москва 1976г.

5. Справочник по оборудованию заводов строительных материалов. М.Я Сапожников, Н.Е. Дроздов. Москва 1970г.

6. СНиП 2.04.14-88(98) «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».

7. ГОСТ 27134-86 «Аппараты сушильные с вращающимися барабанами. Основные параметры и размеры.»