А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 32

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 

Завдяки спільному процесу контактного й конвективного сушіння помітно (майже на порядок) збільшується швидкість сушіння, підвищу­ється питоме вологовидалення в одиниці об'єму сушильної камери, при цьому відсутній перегрів матеріалу й скорочується тривалість сушіння.

Приклад 8.2 У конвективній сушарці з киплячим шаром висушують Овм = 7500 кг/год сульфату амонію, що подається в сушарку при температурі їпм = 25оС з початко­вою вологістю ипм = 4,2 % та виводиться із сушарки з кінцевою вологістю икм = 0,2 % (%% мас.) Середній розмір частинок сульфата амонію дорівнює йч = 2,0 мм.

Як сушильний агент використовують атмосферне повітря з такими параметрами: початкова температура повітря ї0 = 20оС, відносна вологість повітря ср0 = 0,7, темпера­тура повітря, що видаляється із сушарки ї2 = 60оС Сушіння відбувається за реальним варіантом з витратою деякої кількості підведеного тепла на нагрівання вологого мате­ріалу, висушений матеріал видаляється із сушарки при температурі їкм = 50оС. Як теп­лоносій використовують насичену водяну пару під тисом Р = 0,3 МПа. Визначити основні технологічні параметри процесу та геометричні розміри сушильної камери.

Розв'язання. А. Проведемо розрахунок технологічних параметрів процесу сушіння.

1. Визначимо фізико-хімічні властивості кристалічного сульфата амонію, при цьому знайшли [48]: густина рм= 1770 кг/м3, питома теплоємність см= 1044 Дж/(кг-К).

2. За формулою (8.18) визначимо продуктивність сушарки щодо вологи, видаленої в процесі сушіння,

тт,   ^ К -ик) (0,042-0,002)

ц = Он^.-ЕІ = 7500 —---'- = 300,6 кг/год = 0,0835 кг/с.

(1 - ик) (1 - 0,002)

2. Визначимо продуктивність сушарки щодо висушеного матеріалу

(7 = Єн ^ ~   ) = 7500 (1 - 0,042) = 7199,4 кг/год = 2,0 кг/с . (1 - ик) (1 - 0,002)

3. Зважаючи на те, що температура конденсації гріючої пари дорівнює їгп = 132,9оС (див. додатки, табл. Д.4), температуру повітря після калорифера приймаємо ї1 = 110оС.

4. На І - х діаграмі (див. рис. 8.2) побудуємо робочу лінію процесу сушіння за теоре­тичним варіантом, при цьому маємо такі робочі точки процесу: а) параметри початко­вого повітря: температура ї0 = 20оС; вологовміст хо = 0,01 кг/кг повітря; ентальпія повітря І0 = 45 кДж/кг; б) температура повітря після калорифера ї1 = 110оС, ентальпія нагрітого повітря Ії = 137 кДж/кг; в) температура повітря на виході із сушарки (для т. С) ї2 = 60оС, вологовміст х2 = 0,029 кг/кг повітря.

5. Визначимо питому витрату повітря за формулою (8.21) для процесу теоретичного сушіння, при цьому знайшли

11

І =-=-= 52,63 кг /кг вологи .

(х2 - х0)    (0,029 - 0,01)

6. Визначимо витрату повітря для проведення процесу сушіння за формулою (8.20)

І = І-Ц = 52,63 300,6 = 15820,5 кг повітря /год = 4,3946 кг/с .

7. Визначимо питому витрату тепла на сушіння за формулою (8.41), при цьому

д = І(І2 -10) = 52,63-(137 - 45) = 4842 кДж /кг вологи.

8. На основі формули (8.41) визначимо загальну витрату тепла на проведення проце­су теоретичного сушіння

<2 = Щ2 -10) = д = 4842-0,0835 = 404,3 кВт .

9. За формулою (8.38) визначимо питомі витрати тепла на проведення процесу су­шіння за реальним варіантом

1 2 - І1) = (дд + Св1н ) - м + дт + дп ) = А .

За умовами задачі при сушінні тепло не підводиться додатково (дд = 0), не викорис­товуються транспортні пристрої (дт = 0), не передбачаються втрати тепла в навколишнє середовище (дп = 0). Отже, для даної сушарки питомі витрати тепла дорівнюють

А = Св їнм - дм = І(І2 - Ії) , (А) де  св їнм - тепло, підведене в сушарку з вологою, що знаходиться в висушуваному матеріалі; дм - питомі витрати тепла на нагрівання матеріалу до температури сушіння; дм = Ом см (їкм - їнм) /Ш = 2,0-1,044(50 - 25) /0,0835 = 625,15 кДж / кг вологи , А = св їнм - дм = 4,19-25 - 625,15 = - 520,4 кДж / кг вологи. Розв'язуючи рівняння (А) щодо ентальпії повітря на виході із сушарки, знайшли І2Е = І1 - А/І = 137 - 520,4 /52,63 = 127,1 кДж / кг повітря .

10. Через отриману точку Е ( з параметрами х2С = 0,029 і І2Е = 127,1 кДж / кг повітря)

і точку В, що характеризує параметри нагрітого повітря після калорифера (х0 = 0,01 кг вологи /кг повітря Ії = 137 кДж/кг повітря ) проведемо пря­му ВЕ до перетину з кінцевою температурою по­вітря ї2 = 60оС та отримаємо точку В. Пряма ВВ є робочою лінією реального процесу сушіння згідно з умовами задачі.

Рис. 8.26 - Визначення параметрів та побу­дова робочої лінії процесу сушіння в реальній сушарці (до прикладу 8.2)

Для точки В визначили параметри повітря на виході із сушарки і одержали: вологовміст повіт­ря х2 = 0,027 кг вологи /кг повітря, ентальпія по­вітря І2В = 128 кДж /кг повітря; відносна воло­гість повітря ср2 = 0,2.

Отже для реальної сушарки за умовами задачі робочою лінією процесу є пряма ВВ.

11. Проведемо уточнені розрахунки технологічних параметрів процесу сушіння в умовах реального процесу, при цьому отримали:

- питома витрата повітря        І = 1/(х2 - х0) = 1 /(0,027 -

- загальна витрата повітря     Ь = І •Ш = 58,82 • 300,6 :

- питомі витрати тепла в калорифері

дк = І (І1 -10) = 58,82 (137 - 45) = 5411,4 кДж / кг вологи;

- питомі витрати тепла в сушильній камері

дск = І (І2о -11) = 58,82 (128 - 137) = - 529,4 кДж / кг вологи;

- теплове навантаження калорифера   Цк = дк Ш = 5411,5-0,0835 = 451,86 кВт .

12. Визначимо витрату насиченої водяної пари для нагрівання повітря

Дп = / ггп = 451,86 1 03 /2171-103 = 0,2081 кг/с = 749,3 кг/год.

Б. Проведемо розрахунок конструктивних розмірів сушарки киплячого шару.

13. Робочу швидкість повітря в сушарці визначимо за формулою Тодеса і співав. [11, 69]

Ле —  Л„.„4,75 / Г1 О л- П £1 ЛЛ„.„4Г7'

- 0,010) = 58,82 кг / кг вологи;

17681, 3 кг /год;

75)0,5П

- Аг-є*'п / [18 + 0,61 т-е%, л, де Яг - число Рейнольдса, Яг = м>сІ рп //и; Аг - число Архімеда, Аг = d3g рцрп/^2; е -порізність киплячого шару, за рекомендаціями [66, 69] для крупнодисперсних частинок приймаємо е = 0,6.

Для частинок діаметром 2,0 мм число Архімеда дорівнює

Аг = с?% рч рп /ц2 = (2,0 10-3)3 9,81 1770 0,986 / (2,1 Відповідно число Рейнольдса в цьому разі дорівнює

Кг = 3,10578-105-0,64

/ [18 + 0,61 (3,10578-10 230,6 2,1-10-5

-10-5)2 = 310578 .

-0,64,75)0,5] = 230,6 .

•р    2,0•Ю-3 0,986

2,45 м/с .

Розрахункова середня температура повітря в киплячому шарі матеріалу дорівнює Іп = (ї1 + ї2 )/2 = (110 + 60) /2 = 85°С .

14. Об^мна витрата повітря при розрахунковій середній температурі складає

V = І / р = 17681,3 /0,986 = 17932,3 м3/год = 4,981 м3/с . де рп - густина повітря при середній температурі їсп = 85оС .

15. Площа поперечного перерізу сушарки киплячого шару

5 = V/w = 4,981 / 2,45 = 2,033 м2 . Приймаємо сушарку прямокутного перерізу з розмірами ВхЬ = 0,8 х 2,6 м .

16. Визначимо коефіцієнт тепловіддачі від гарячого повітря до поверхні частинок сульфату амонію, використовуючи критеріальне рівняння, при цьому

Мит = 0,26(Аг Рг)0,33 = 0,26(310578-0,75)0,33 = 15,35, коефіцієнт тепловіддачі при цьому дорівнює

а = Ш-Х /І = 15,35-0,023 / 2,0 10 3 = 176,5 Вт/(м2-К) ,

17. Кількість тепла, передаваного при нагріванні висушуваного матеріалу від темпе­ратури початкової (їкм = 25оС до температури сушіння) дорівнює

Д0н = Омсм Дїм = 2,0 1044(50 - 25) = 52,2-103 Вт

18. Сумарна поверхня частинок сульфату амонію при нагріванні

б 52200 2

а-Дїср    176,5 -40

де Аїср - середня рушійна сила процесу при нагріванні матеріалу гарячим повітрям.

19. Питома поверхня частинок сульфату амонію дорівнює

/п = 6/учрч = 6/0,82-10-3 -1770 = 2,118 м2/кг , де ці - коефіцієнт форми частинок сульфату амонію ці = 0,8.

20. Визначимо висоту псевдозрідженого шару сульфату амонію, що нагрівається на газорозподільчій решітці, при цьому

Ь = Р//п-рч (1 - е)Я = 7,4 / 2,118-1770 (1 - 0,6) 2,08 = 2,37-10-3 м

21. Приймаємо діаметр отворів газорозподільної решітки Іа = 1,8 мм, тоді зона дії газових струмин дорівнює [11, 69] Истр = 4І„ = 4-1,8 10-3 = 7,2 10-3 м .

Висота киплячого шару сульфату амонію дорівнює

Икш = 20 Истр = 20-7,2 10-3 = 144 мм . Приймаємо висоту киплячого шару Нкш = 150 мм .

22. Визначимо коефіцієнт масовіддачі для вологи, що випаровується з поверхні час­тинок сульфату амонію в повітряний потік за формулою (8.53)

Жд = 2 + 0,51Ке°'52Рг(°'33 = 2 + 0,51-230,60,52 0,6570,33 = 9,51 , Ргд = / /р„Ов = 2,1-10-5 / 0,986 32,4-10-6 = 0,657 . Коефіцієнт масовіддачі в киплячому шарі дорівнює дорівнює

)м = Шд-Пв /І = 9,51-2,95-10-5 / 2-10-3 = 0,14 м/с , де Вв - коефіцієнт дифузії пари вологи у повітрі при температурі 60оС, Ов = 2,95-10-5 м2/с.

23. Кількість випарюваної вологи з поверхні нагрітих частинок сульфату амонію

ч> = Р-Дхр • Р = 0,14-0,0182-7,4 = 1,885-10-2 кг/с,

де Ахср - середня рушійна сила процесу масопередачі, кг вологи/кг повітря. Середня логарифмічна рушійна сила процесу сушіння дорівнює Дхср = (Дхп - Дхк) / 1п( Дхп / Дхк) =

= [(0,04 - 0,01) - (0,037 - 0,027)]/ 1п(0,03/ 0,01) = 0,0182 кг вологи/кг повітря .

24. Тривалість процесу висушування вологи з повірхні частинок

х = Ш М = 0,0835 / 0,01885 = 4,3 с.

25. Маса завантаженого вологого матеріалу в сушарку (при висоті шару Нкш =150 мм і площі решітки 2,8 м2 дорівнює

М = Икш-Б-(1 - е)-рч = 0,15-2,08(1 - 0,6)-1770 = 220,9 кг.

26. Фактична тривалість процесу сушіння (перебування) зернистого матеріалу в су­шарці киплячого шару

хпр = М /Ок = 220,9 / 2,0 = 110,45 с.

27. Мінімальна висота сепараційної камери    Нск = 4 Нкш = 4-0,15 = 0,6 м. Приймаємо висоту сепараційної камери Нск = 0,8 м .

28. Габаритні розміри сушильної камери   ВхЬхН = 0,8x2,6x0,8 м . Об'єм сушильної камери V = 0,8х2,6х0,8 = 1,664 м3 . Відповідь: 1) продуктивність сушарки щодо висушеного матеріалу Ок = 7200 кг/год;

продуктивність сушарки щодо видаленої вологи Ш = 300,6 кг/год; 2) витрата повітря за період сушіння складає Ь = 17681,3 кг/год; витрата гріючої пари на нагрівання повітря Вгп = 749,3 кг/год; 3) габаритні розміри сушильної камери такі: ВхЬхН = 0,8x2,6x0,8 м .

8.14 Спеціальні методи сушіння

Для сушіння вологих матеріалів зі специфічними властивостями (що не допускають контакту з повітрям, вимагають особливого темпе­ратурного режиму, термолабільних та ін.) використовують спеціальні методи сушіння й сушарки спеціальних конструкцій.

Терморадіаційні сушарки знайшли застосування для висушування волокнистих матеріалів, штучних і натуральних шкір, прогумованих тканин та ін. У таких сушарках необхідне для процесу тепло підводить­ся до матеріалу, що висушується, за допомогою променистого (радіа­ційного) теплообміну у вигляді випромінювання з довжиною хвиль 0,6 - 340 мкм. Енергія інфрачервоного випромінювання при попаданні на поверхню висушуваного матеріалу перетворюється в теплову енер­гію, під дією якої відбувається сушіння. При терморадіаційному сушін­ні в основному видаляють поверхневу вологу з матеріалу, звичайно пе­реміщуваного на конвеєрному транспортері, або висушуваний матеріал являє собою стрічку. Терморадіаційне сушіння використовують також при сушінні лакофарбових покрить, що наносяться на великогабаритні вироби (наприклад, корпуси автомобілів та машин).

Як теплові випромінювачі застосовують лампи спрямованого інфра­червоного випромінювання або випромінюючі тепло керамічні панелі -блоки, нагріті до 600 - 800оС електричними спіралями або газовими пальниками безполуменевого горіння. Потужність теплового потоку при терморадіаційному сушінні досить значна, що дозволяє досягти швидкості випаровування вологи у багато разів перевищуючу швид­кість випарювання при конвективному або контактному сушінні.

Сушіння струмами високої частоти (діелектричне сушіння) волого­го матеріалу відбувається на транспортерній стрічці, що переміщається між обкладками конденсатора, приєднаними до генератора струмів високої частоти. Звичайно при такому сушінні висушуваний матеріал повинен мати діелектричні властивості. У результаті високочастотної зміни заряду пластин конденсатора відбувається багаторазова переорі­єнтація молекул вологи у матеріалі, що висушується. Під дією електри­чного поля високої напруги й під впливом змінного струму високої частоти відбувається регульований розігрів матеріалу зсередини, при цьому внутрішні шари матеріалу розігріваються швидше, ніж зовнішні.

У результаті такого розігріву матеріалу відбувається термодифузій-не видалення вологи із внутрішніх шарів матеріалу до зовнішніх шарів при невисокій навколишній температурі. Діелектричне сушіння є єди­ним способом підведення тепла до вологого матеріалу по всій його то­вщині, що забезпечує рівномірність сушіння товстолистових матеріалів (наприклад, для сушіння керамічних і порцелянових електроізоляторів, ливарних стрижнів та ін.). Недоліками таких сушарок є складність установки й велика питома витрата енергії на видалення вологи.

Сублімаційне сушіння знайшло застосування при видаленні вологи із заморожених продуктів, хіміко-фармацевтичних і біопрепаратів при температурах до -50оС і низькому залишковому тиску (0,1-1,0 мм рт. ст.). Сублімаційне сушіння являє собою процес видалення вологи шля­хом переходу її із твердого стану - льоду - в пароподібний, минаючи рідиннофазний стан. Хоча витрата енергії на сушіння близька до витра­ти тепла на випарювання вологи, що видаляється, сублімаційне сушін­ня є дорогим через складність установки, необхідність мати обладнання для створення й підтримки в установці глибокого вакууму, а також внаслідок низької швидкості випаровування вологи.

Запитання й вправи для самоконтролю

1. У чому полягає фізична сутність процесів термодифузійного сушіння?

2. Нарисуйте схему сушильної установки й розкажіть принцип її роботи.

3. Що є рушійною силою процесу конвективного сушіння та як її визначають?

4. Назвіть основні параметри вологого повітря. Як вони взаємозалежні між собою та відображуються на І - х діаграмі?

5. Запишіть  рівняння  матеріального   балансу   процесу   повітряного сушіння. Як визначають витрату повітря й вологи, що видаляється під час сушінні?

6. Запишіть рівняння теплового балансу процесу повітряного сушіння. Як визначи­ти витрату теплоносія (пари) для проведення процесу сушіння?

7. Який фізичний зміст питомих витрат повітря й тепла на сушіння? Запишіть рівняння для визначення питомих витрат повітря й тепла на сушіння.

8. Як відображуються робочі лінії основних процесів (нагрівання повітря та сушін­ня) на І - х діаграмі при повітряному сушінні?

9. Які сушарки називають теоретичними або реальними? Як зображуються тео­ретичний і реальний процеси сушіння на І - х діаграмі?

10. Як визначають середню рушійну силу процесу сушіння?

11. Які варіанти сушильного процесу використовують в установках без рециркуляції сушильного агента? Нарисуйте схему сушарки і хід процесу на І - х діаграмі.

12. Які варіанти сушильного процесу використовують в установках з рециркуляцією сушильного агента? Нарисуйте схему сушарки і хід процесу на І - х діаграмі.

13. Як розрахувати об'єм сушильної камери конвективної сушарки?

14. За якими ознаками класифікують промислові сушарки?

15. Нарисуйте конструкції контактних сушарок та розкажіть про принцип роботи.

16. Нарисуйте конструкції конвективних сушарок камерного й тунельного типів, розкажіть про їх будову і принцип роботи.

17. Нарисуйте конструкцію барабанної сушарки, розкажіть про її будову і принцип роботи. Які переваги та недоліки мають барабанні сушарки?

18. Нарисуйте схеми сушарок киплячого шару, розкажіть про їх будову і принцип роботи. Які переваги та недоліки мають сушарки киплячого шару?

19. У чому полягає фізична сутність і які існують методи інтенсифікації процесів конвективного сушіння?

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

А. Основна література

1. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Книга вторая. - М.: Химия, 1981. С. 381 - 812.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов: В 2-х частях. - М.: Химия, 1995.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - 9-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1973. - 754 с.

4. Кафаров В.В. Основы массопередачи. Системы газ - жидкость, пар - жидкость, жидкость - жидкость. Изд. 2-е - М.: Высшая школа, 1972. - 494 с.

5. Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии. -Л.: Химия, 1977. - 592 с.

6. Машины и аппараты химических производств/ И.И. Чернобыльский, А.Г. Бондарь и др.; Под ред. И.И. Чернобыльского. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1975. - 454 с.

7. Методы расчетов процессов и аппаратов химической технологии / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк, М.И. Курочкина. СПб.: Химия, 1993. - 496 с.

8. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. - М.: Химия, 1980.

- 408 с.

9. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник: В 2 кн. / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов и др.; Под ред. В.Г Айнштейна. - М.: Логос; Высшая школа, 2003. - 1758 с.

10. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1987. -

11. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учеб. пособ. Для ВУЗов / Под ред. П.Г. Романкова.

- 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

12. Перри Дж. Справочник инженера-химика /Пер. с англ.; Под ред. Н.М. Жаворонкова, П.Г. Романкова. Т.1. - Л.: Химия, 1964. - 504 с.

13. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - 5-е изд. - М.: Химия, 1968. - 848 с.

14. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987. - 540 с.

15. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник / Рабинович Г.Г., Рябых П.М. и др.; Под ред. Е.Н. Судакова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1979. - 568 с.

16. Рид Д., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие /Пер. с англ. под ред. Б.И.Соколова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982. - 592 с.

17. Романков П.Г., Фролов В.С. Массообменные процессы химической технологии (системы с дисперсной твердой фазой). - Л.: Химия, 1990. - 336 с.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 


Похожие статьи

А П Врагов - Гідромеханічні процеси та обладнання хімічних і нафтопереробних виробництв

А П Врагов - Сравнительный анализ энергетических затрат в процессах высаливающей и испарительной кристаллизации

А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв