Расчёт сушильной установки для сушки селитры

 

                                                           Содержание 
 

Введение          

1 Теоретическая  часть 

1.1 Теоретические  основы процесса сушки 

1.2 Устройство  и принцип действия сушилки 

1.3 Техника безопасности  при эксплуатации аппарата 

1.4 Охрана окружающей среды 

2  Расчётная  часть 

2.1 Материальный  баланс 

2.2 Тепловой баланс 

2.3 Конструктивный  расчёт 

2.4 Расчёт допустимой  скорости воздуха в барабане 

2.5 Расчёт времени  сушки 

2.6 Расчёт вспомогательного  оборудования 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                        
 

                                                              Введение 

    В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающие изменениями агрегатного состояния, внутренней структуры и состав вещества. Наряду с химическими реакциями, являющимися основной химико-технологических процессов, последние обычно включает многочисленные физические и физико-химические процессы. К таким процессам относится: перемешивание жидкости и твердых материалов, их измельчение и классификация, сжатие и транспортирование газов, нагревание и охлаждение веществ. Их перемешивание, разделение жидких и газовых неоднородных систем, выпаривание растворов, сушка материалов. При этом способ проведения указанных процессов часто определяет возможность осуществить, эффективность и рентабельность производства в целом.

    Таким образом, технология производства самых разнообразных химических продуктов и материалов (кислот, солей, минеральных удобрений и т.д.) включают ряд однотипных и физико-химических процессов, характеризуемых общими закономерностями.

    Интенсификация  технологических процессов и  повышения эффективности химических производств относится к числу наиболее актуальных проблем современной технологии. Одним из методов решения этих проблем является резкое повышение производительности единицы аппаратурного объема, создание агрегатов большой единичной мощности, замена морально устаревшей техники. В основе решения таких задач лежат закономерности процессов химической технологии, методы математического и физического моделирования,  автоматизированное проектирования и разработка. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

      
 
 
 
 

    

    

1 Теоретическая часть. 

1.1 Теоретические основы процесса сушки. 

Сушка – процесс удаления влаги из твёрдого материала путем её испарения и отвода образовавшихся паров.

Удаление влаги  из твёрдых и пастообразных материалов позволяет повысить качество целевых  продуктов, удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, уменьшить слёживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а так же уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.

Влагу можно  удалять из материалов механическими  способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более  полное обезвоживание достигается  путём испарения влаги и отвода образующихся паров, с помощью тепловой сушки.

      Этот процесс  широко используется в химической технологии.он часто является последней  операцией на производстве., предшествующей  выпуску готового продукта. При этом дополнительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами (например, фильтрованием), а окончательное – сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

По своей физической сущности сушка является сложным  диффузионным процессом .скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло - и массо - обмена (влагообмена).

По способу  подвода тепла к высушиваемому  материалу различают следующие  виды сушки:

1)конвективная  сушка – путем непосредственного  соприкосновения высушиваемого  материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагреты воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

2)контактная  сушка – путем передач тепла  от теплоносителя к материалу  через разделяющую их стенку;

3)радиационная  сушка – путём передачи тепла инфракрасными лучами;

4)Диэлектрическая  сушка - путём нагревания в  поле токов высокой частоты.

5)Сублимационная  сушка – сушка в замороженном  состоянии при глубоком вакууме.  По способу передачи тепла  этот способ аналогичен контактной, но своеобразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.

Последние три  вида сушки применяются относительно редко и обычно называются специальными видами сушки.

Высушиваемый  материал при любом методе сушки  находится в контакте с влажным  газом (в большинстве случаев воздухом).

                                    

                                    Равновесие в процессе сушки 

Процессу сушки, как и любому массообменному процессу, соответствует обратный процесс  – поглощение твёрдым материалом влаги из окружающей среды, содержащей либо пары влаги, либо смесь паров влаги с другими газами. Обозначим давление паров влаги, когда только она является окружающей средой, через , а её парциальное давление в смеси с газами окружающей среды – через .

  В то время,  влаге, содержащейся в материале,  соответствует определённое равновесное  давление водяного пара над  влажным высушиваемым материалом .

    Условием  сушки при этом случае являются  неравенства

                                     

Влажность материала, отвечающая условию, соответствует условию равновесия.

Обратному процессу (сорбции паров влаги из окружающей среды твёрдым материалом) соответстуют неравенства:

                                       > и

 Давление  пара над высушиваемым материалом     зависит от влажности материала,  температуры и характера связи  влаги с материалом. С ростом  температуры и влажности материала значение   возрастает. Кроме того, чем сильнее связь влаги с материалом, тем меньше при прочих равных условиях давление паров влаги над этим материалом.

Различают несколько  форм связи влаги с материалом (если под влагой понимать воду, то в порядке убывания энергии связи). 

Химически связанная  влага – гидратная или кристаллизационная, входящая в состав самого химического  соединения, в процессе сушки не удаляется. Для её удаления необходимо либо высокотемпературное воздействие (прокалка), либо химическая обработка.

Физико –  химически связанная влага (адсорбционная  и осмотическая) – влага, находящаяся  в микропорах и связанная с  материалом на молекулярном уровне адсорбционными и осмотическими силами.

Механически (капиллярно) связанная влага, заполняющая макро- и микрокапилляры, может быть удалена не только при сушке, но и при механических воздействиях.

  Значения  концентраций влаги в материале  используются для описания кинетики  процесса сушки, а также расчёта  аппаратов, в которых он осуществляется.

      Значения концентраций влаги   определяются

Влажностью с  – отношением массы влаги, содержащейся в материале, к массе влажного материала, кг/кг;

Влагосодержанием  x – отношением массы влаги, содержащейся в материале, к массе сухого материала,кг/кг;

Относительной влажностью – отношением количества паров в газе к максимально  возможному, отвечающему насыщенному  состоянию при тех же температуре  и давлении, %.

 
 

                                                 Кинетика сушки

Сушка является процессом диффузионным, т.к. влага из материала в окружающую среду переходит при поверхностном  испарении и диффузии ее из внутренних слоев к поверхности материала.

           Для создания оптимального режима, при котором длительность сушки и расходы энергии наименьшие, а свойства высушиваемого материала соответствуют предъявляемым к ним требованиям, проводится анализ изменения среднего влагосодержания и средней температуры материала, т.е. изучается кинетика процесса сушки.

Характер  кинетических кривых определяется физико-химическими свойствами высушиваемого материала и закономерностями тепломассообмена его с окружающей средой. Кривая сушки отражает зависимость средней влажности W₀ материала от продолжительности сушки t и строится по опытным данным, полученным при его взвешивании. Анализ кривой сушки показывает, что материалы отдают влагу неравномерно, в связи с чем процесс сушки можно разделить на периоды (рисунок 2.1).  До начала сушки материал имел влажность W_н (точка 1 на кривой ΙΙ) и температуру Т_н (точка 1' на кривой Ι). Затем в процессе нагревания материала его температура достигает значения Т₂'  и остается стабильной до точки 3', так как в это время скорость сушки (испарения) достигает своего максимума, влага удаляется с открытой поверхности из крупных пор и лицевого слоя материала. Влажность изделия уменьшается от начальной W_н до капиллярной W_К (точки 1, 2, 3). Затем начинает испаряться гигроскопическая влага, диффузия влаги из внутренних слоев не успевает за испарением влаги с открытой поверхности (участок 3—4). Температура материала продолжает повышаться (участок 3'—4'). При дальнейшем нагревании (участок 4'—5') удаляется сорбционная влага (участок 4-5), прочно связанная с материалом. При равенстве температур и влажности материала и воздуха в сушилке Т_м = Тв  и  W_м = Wв = Wр  наступает равновесное состояние, сушка закончена.

Рисунок 2.1 -  Кривая сушки 

 

       Кинетику  процесса сушки можно проследить и по кривой скорости сушки (рисунок 2.2).

       Рисунок 2.2 - Кривая скорости сушки 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 Устройство  и принцип действия барабанной  сушки

Барабанные сушилки (рис. 6) распространены благодаря высокой производительности, простоте конструкции и возможности непрерывно сушить при атм. давлении мелкокусковые и сыпучие материалы (колчедан, уголь, фосфориты, минеральные соли и др.). Такая сушилка представляет собой установленный с небольшим наклоном к горизонту (угол a до 4°) цилиндрич. барабан с бандажами. Последние при вращении барабана (с помощью зубчатого колеса от электропривода) с частотой 5-6 мин:¹ катятся по опорным роликам; осевое смещение барабана предотвращается опорно-упорными роликами. Влажный материал через питатель поступает в барабан и равномерно распределяется по его сечению размещенными внутри насадками. Тесно соприкасаясь при пересыпании с сушильным агентом, например топочными газами (возможен также контактный подвод теплоты через спец. трубчатую насадку), материал высушивается и движется к разгрузочному отверстию в приемном бункере. Газы поступают из примыкающей к барабану топки и просасываются прямотоком через него вентилятором со скоростью 0,5-4,5 м/с; для улавливания из газов пыли между барабаном и вентилятором установлен циклон. Напряжение рабочего объема барабана по испаренной влаге достигает 200 кг/(м³-ч).

Рис. 6. Барабанная сушилка: 1-барабан; 2-питатель; 3-бандажи; 4-зубчатое колесо; 5 - вентилятор; 6-циклон; 7-приемный бункер; 8-топка.

Сушилки со взвешенным слоем характеризуются высокими относительными скоростями движения фаз и развитой поверхностью контакта. Основные гидродинамические режимы работы: пневмотранспорт; закрученные потоки; псевдоожижение; фонтанирование. При существенном уменьшении в процессе сушки массы частиц дисперсного материала применяются режимы свободного фонтанирования и проходящего кипящего слоя. Среди этих сушилок наиболее распространены пневматические, вихревые камеры, аппараты с кипящим и фонтанирующим слоем, вибрационные.