Установка для сушки нитрата натрия воздухом

Установка для сушки нитрата натрия воздухом

1. Физико-химические свойства нитрата натрия

Натрия нитрат (натриевая селитра, чилийская селитра) NaNO3, бесцветные кристаллы; до 276°С устойчива a-модификация гексагональной сингонии (а = 0,50696 нм, b= 1,6829 нм, пространственная группа Р3с), при 276-306,6°С -¬¬ разупорядоченная Р-модификация. Основные физические свойства приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Физические свойства нитрата натрия

Стандартная энтальпия растворения для безконечно разбавленного водного раствора         20,59кДж/моль

Выше 380°С начинает разлагаться до NaNO2 и О2, конечные продукты разложения - Na2О, NO, NO2, О2, в небольшом количестве - N2.

При нагревании до 380°С разлагается с выделением кислорода и нитрита натрия. Может вступать в реакции обмена с солями щелочных металлов, стоящих в ряду активности металлов до натрия. Проявляет сильные окислительные свойства в твердом агрегатном состоянии и в расплавах. В растворах проявляет более восстановительные, нежели окислительные свойства. В процессе разложения выделяет кислород. вследствие чего может взаимодействовать с неметаллами. Реакция с серой проходит с большим выделением света и тепла, таким что стеклянный сосуд, в котором проводится опыт, может лопнуть или расплавиться. Его окислительные свойства близки к свойствам нитрата калия

В природе натрия нитрат встречается в виде минерала чилийской селитры (нитронатрит).

Получают натрия нитрат поглощением нитрозных газов (смесь NO и NO2) раствором Na2СО3 или NaOH либо обменным взаимодействием Ca(NO3) 2 с Na2SO4, а также из природных залежей методами противоточной кристаллизации и выщелачивания.

Применение нитрата натрия

Применяют как удобрение, в производстве солей Na и нитритов, как компонент закалочных ванн в металлообрабатывающей промышленности, теплоаккумулирующих составов, окислитель в ВВ, в ракетных топливах, пиротехнических составах, в производстве стекла, как компонент жидких солевых хладагентов (селитряной смеси), консервант пищевых продуктов.

Нитрат натрия широко используется в медицине, как сосудорасширяющее средство, бронхолитическое, он снимает спазмы кишечника, используется как слабительное и как антидот при отравлении цианидами.

В пищевой промышленности нитрат натрия широко используется для окраски и как консервант, и обозначен как пищевая добавка Е251.

В виде пищевой добавки, Е251 действует как антибактериальное средство, препятствующее росту Clostridium botulinum - возбудителя ботулизма, тяжелой пищевой интоксикации вызываемой ботулинистическим токсином и приводящего к поражению нервной системы.

В то же время нитрат натрия считается ядовитым токсичным веществом, особенно для млекопитающих. При дозировке 180 миллиграмм на килограмм веса погибает более 50% крыс.

При исследованиях Е251 было установлено, что при нагреве свыше 120°C он образует канцерогены и тяжелые металлы. Следовательно, при употреблении продуктов питания с содержанием нитрата натрия, подвергшимся тепловой обработке, возникает потенциальная вероятность возникновения раковых изменений в организме.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) называет допустимой суточной дозой 3,7 мг нитратов на 1 кг массы тела. Имеются в виду именно азотная часть соли: 250 мг нитратов, безопасных для условного едока массой в 70 кг, эквивалентны, например, 350 мг нитрата натрия. В разных странах представления о допустимой дозе нитратов отличается: в Германии это 50-100 мг в сутки, в США - 400‑500 мг, в большинстве стран СНГ - 300-320 мг.

Главной причиной связанных с нитратами физиологических проблем являются метаболиты нитратов - нитриты. Нитриты, взаимодействуя с гемоглобином, образуют метгемоглобин, который не способен переносить кислород, что приводит к кислородному голоданию.

Метгемоглобин содержится в крови человека и в обычном состоянии - около 2% метгемоглобина. Симптомы острого отравления возникают при повышении содержания метгемоглобина до 30%, при 50% метгемоглобина может наступить смерть.

Нитраты превращаются в нитриты благодаря деятельности микроорганизмов, преимущественно обитающих в толстом кишечнике.

Кроме участия в образовании метгемоглобина, нитриты опасны тем, что в желудочно-кишечном тракте человека могут соединяться с аминами и амидами любых белковых продуктов и образовывать канцерогенные нитрозамины и нитрозамиды.

Симптомы отравления: боль в животе, посинение губ или ногтей, посинение кожи, судороги, диарея, головокружение, головная боль, затрудненное дыхание[1].

Воздух - это смесь различных газов (% по объему): азот - 78,03; кислород - 20,95; озон и другие инертные газы: аргон, гелий, неон, криптон, ксенон, радон - 0,94; углекислый газ - 0,03; водяной пар - 0,05. Содержание углекислого газа в атмосферном воздухе принимается равным (% по объему): в сельской местности - 0,03, в городах - 0,04-0,07. Содержание водяных паров в воздухе зависит от его температуры. Озон присутствует в лесном, горном и морском воздухе. Наружный воздух загрязняется отходящими от промышленных предприятий вредными для здоровья человека газами и пылью. Плотность воздуха, а также его динамическая и кинематическая вязкости, зависит от температуры (таблицы 1.2 и 1.3 соответственно) [2].

Таблица 1.2 - Плотность воздуха при нормальном атмосферном давлении 101,325 кПа (1 атм) и различной температуре

Таблица 1.3 - Динамическая и кинематическая вязкость воздуха при нормальном атмосферном давлении и различной температуре воздуха

Таблица 1.4 - Основные физические своства воздуха при различной температуре

2. Общая часть

сушилка технологический оборудование нитрат

2.1 Научные основы процесса сушки

Удаление влаги из твердых или пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, уменшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а также уменшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.

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

Этот процесс широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется болем дешевими механическими способами (например, фильтрованием), а окончательно - сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

В химических производствах, как правило, применяется искуственная сушка материалов в специальных сушильных установках, так как естественная сушка на открытом воздухе - процесс слишком длительный.

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 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 влагообмена.

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

конвективная сушка - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы;

контактная сушка - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

радиационная сушка - путем передачи тепла инфракрасными лучами;

диэлектрическая сушка - путем нагревания в поле токов высокой частоты;

сублимационная сушка - сушка в замороженням состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной, но своебразие 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 случав воздухом). При конвективной сушке влажному газу принадлежит основная роль в процессе. Поэтому изучение свойства влажного газа необходимо при расмотрении процессов сушки и их расчетах

Равновесие при сушке

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке связь влаги с материалом нарушается.

П.А. Ребиндером предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая. Физико-химическая связь, в свою очередь, подразделяется на адсорбционную и осмотическую, к которой также относят и структурную влагу. Механическая связь может быть подразделена на связь в макрокапиллярах и микрокапиллярах.

При сушке удаляется физико-химически и механически связанная влага. Химически связанная влага обычно не удаляется, т.к. это могло бы привести к разрушению материала. Задачей сушки в большинстве случаев является удаление влаги с сохранением всех ценных физико-химических свойств и качеств материала.

Окружающая влажный материал среда содержит либо водяной пар, либо смесь водяного пара с газами. Обозначим парциальное давление водяного пара, если он в смеси с газами или без них является окружающей средой.

Влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное равновесное давление водяного пара над влажным высушиваемым материалом. Равновесное давление водяного пара над материалом зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги с материалом. Если pм>pn, то происходит процесс сушки, иначе имеет место увлажнение материала.

С ростом температуры и скорости движения газа относительно влажного материала pм возрастает. Абсолютное значение этой величины зависит от характера связи влаги с материалом. Чем сильнее эта связь, тем меньше pм.

Влажность материала, отвечающая условию pм = pп, соответствует достижению равновесия.

Различают несколько форм связи влаги с материалом. Рассмотрим их в порядке убывающей энергии связи.

Химически связанная влага. Содержится в материале в виде химических соединений типа гидрооксидов или кристаллогидратов. Связь может быть нарушена при проведении химической реакции или прокаливании. При сушке эта влага не удаляется.

Адсорбционно связанная влага. Влажность материала обусловлена адсорбцией воды наружной поверхностью материала поверхностью его пор.

Осмотически связанная влага (влага набухания) содержится внутри структурного скелета материала и удерживается осмотическими силами.

В этих двух случаях связь воды с материалом имеет физико-химическую природу.

Капиллярно связанная влага находится в макро- и микрокапиллярах. Имеет механическую связь с материалом, поэтому наиболее легко удалима.

Давление пара над поверхностью материала тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом.

Влажному материалу присущи все формы связи с водой. Трудно при этом разграничить периоды сушки, соответствующие различным видам связи молекул воды с молекулами вещества. Поэтому экспериментальным путем строят изотермы сорбции, т.е. зависимости влажности материала от относительной влажности воздуха при постоянной температуре: ω=f(φ)=f (pм/ps). Изотермы сорбции позволяют определять равновесную влажность при сушке (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Зависимость равновесной влажности материала от относительной влажности воздуха

На рис. 2.1. изображена петля гистерезиса при сушке и увлажнении материала. Нижняя кривая получена при испарении (десорбции) влаги из материала, т.е. при его сушке, и называется изотермой десорбции, верхняя кривая является линией адсорбции влаги высушенным материалом и называется изотермой сорбции.

Расхождение кривых (гистерезис) указывает на то, что для достижения одной и той же равновесной влажности материала влажность воздуха при увлажнении должна быть больше, чем при его сушке.

Высушенный материал, содержащий до сушки сильно связанную влагу, может иметь после сушки равновесное парциальное давление водяного пара меньшее, чем в атмосферном воздухе. Такой материал способен поглощать влагу из атмосферного воздуха и называется гигроскопическим.

Влажность материала может быть рассчитана по отношению к его общему количеству или по отношению к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества.

Влажность, отнесенная к общему количеству вещества, %, [3]:

=Gвл/(Gсух-Gвл)×100  (2.1)

где Gвл - количество содержащейся в материале влаги, кг;сух - количество сухого материала, кг.

Влажность, отнесенная к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества, [3]:

=Gвл/Gсух (2.2)

Количество абсолютно сухого вещества не меняется в процессе сушки и для упрощения расчетов обычно используют wc.

Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала, и влажность, рассчитанная на общее количество вещества, связаны между собой зависимостями, %, [3]:

wc=w/(1-w)×100(2.3)

w=wc (1-wc)×100 (2.4)

где wc - влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала, %;- влажность, рассчитанная на общее количество материала, %.

При конвективной сушке процесс сводится к удалению влаги из материала за счет разности парциальных давлений паров над материалом pм и в окружающей среде pc сушка происходит при условии pм>pc. При равенстве (pм=pc) наступает состояние равновесия и процесс сушки прекращается. При этом в материале устанавливается влажность wp, называемая равновесной. При pм<pc материал увлажняется. Этот процесс называется сорбцией. Обычно сушку ведут до равновесной влажности материала.

Количество испарившейся жидкости со свободной поверхности можно определить по формуле А.В. Лыкова, [3]:

W/Fτ =AμD/(RT_f)×ΔP/l        (2.5)

где W, μ - количество и молекулярный вес испарившейся жидкости соответственно;- коэффициент диффузии водяного пара;- средняя арифметическая температура между температурой на поверхности испаряющейся жидкости и температурой окружающего воздуха;- размер поверхности испарения в направлении воздушного потока;=pм-pc - движущая сила процесса испарения влаги

А - величина, зависящая от гидродинамических условий (критерия Рейнольдса).

Между количеством испарившейся жидкости и количеством затраченного на ее испарение тепла существует связь в виде зависимостей, Дж, [3]:

=Wr, (2.6)

Q=αF (T-Θ)         (2.7)

где Т - температура воздуха,℃;

Θ - температура испаряющейся жидкости на поверхности,℃;- удельная теплота парообразования воды, Дж/кг.

При сушке испарение влаги с поверхности связано с диффузией влаги изнутри материала к этой поверхности. Эти два процесса должны находиться в строгом соответствии, в противном случае возможно пересыхание, коробление поверхности материала и ухудшение его качества.

Процесс сушки характеризуется двумя периодами: постоянной скорости и падающей скорости (рис. 2.2).

В первом периоде удаляется поверхностная влага материала. При этом все тепло расходуется только на испарение влаги. Температура материала в этот момент постоянна и равна температуре мокрого термометра. После достижения критической влажности wкр, которая соответствует началу удаления связанной влаги (гигроскопической), начинается второй период сушки (точка С), когда удаляется влага, перемещающаяся к поверхности за счет диффузии от внутренних слоев. Критическая влажность больше гигроскопической, т.к. при сушке материала влажность внутренних слоев больше, чем на его поверхности.

Рисунок 2.2 - Зависимость изменения влажности материала от времени

Значение критической влажности тем меньше отличается от значения гигроскопической влажности, чем меньше разница во влажности на поверхности и внутри материала. Поэтому критическая влажность зависит от толщины материала и режима сушки.

В период постоянной скорости сушки температура на поверхности материала равна температуре мокрого термометра. В период падающей скорости сушки температура материала постепенно возрастает и в конце сушки приближается к температуре сушильного агента. Этот период продолжается до достижения wp.

Теоретически равновесная влажность может быть достигнута лишь при бесконечно большой продолжительности сушки. Влажность, близкая к равновесной, достигается по истечении некоторого промежутка времени. На основании экспериментов установлено, что скорость продвижения влаги внутри материала определяется формой связи влаги с материалом.

Продолжительность сушки зависит от рода высушиваемого материала, его геометрических размеров, назначения, типа сушилки, способа подвода тепла, режима сушки и ряда других причин. Вследствие этого аналитическое определение продолжительности сушки в ряде случаев представляет определенные трудности. Чаще всего продолжительность сушки определяют экспериментальным путем.

Материальный и тепловой баланс процесса сушки

Материальный и тепловой балансы рассмотрим на примере конвективной сушилки.

При расчете процесса в сушилке должна быть задана начальная и конечная влажности материала:

 влажность по влажному материалу  количество влаги, отнесенное к весу влажного материала, %, [3]:

×100 (2.8)

где W - количество влаги, удаляемой из материала при сушке, кг/ч;сух - количество сухого материала, кг/ч.

 влажность по сухому материалу - количество влаги, отнесенное к весу сухого материала, %, [3]:

×100     (2.9)

Связь между влажностями по влажному и сухому материалу выражается следующими соотношениями, %, [3]:

×100(2.10)

×100    (2.11)

Количество абсолютно сухого вещества, кг/ч, [3]

 (2.12)

где Gн - количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/ч;к - количество высушеного материала, кг/ч;

ωн, ωк - соответственно начальная и конечная влажность материала (считая на общую массу материала).

Количество высушенного вещества, кг/ч, [3]

 (2.13)

Количество вещества, поступающего на сушку, кг/ч, [3]:

 (2.14)

Количество влаги, удаляемой в сушилке, кг/ч, [3]:

 или    (2.15)

При расчетах сушилок приходится относить производительность сушилок по влаге или по высушенному веществу к единице поверхности нагрева или единице объема сушилки. Эта величина, зависящая от типа сушилки, влажности материала и др., называется напряжением сушилки, кг/м3, [3]:

 (2.16)

где - время сушки, с;- оъем сушилки, м3.

Для сушилок контактного типа, кг/м2, [3]

 (2.17)

где F - поверхность нагрева в сушилке, м2.

Баланс влаги в конвективной сушильной установке

Исходя из уравнения материального баланса, можно определить расход воздуха в сушилке, из уравнения баланса влаги, [3]

;       (2.18)

 (2.19)

где L - количество абсолютно сухого воздуха, кг/ч;, d2 - диаметр сушильной камеры на входе и на выходе, м.

Удельный расход сухого воздуха, кг/кг, [3]

,  (2.20)

Так как, то удельный расход сухого воздуха

  (2.21)

Тепловой баланс конвективной сушильной установки

 (2.22)

Теплоемкость высушиваемого материала, Дж/(кг×град), [3]

 (2.23)

Уравнение теплового баланса на 1 кг испаренной влаги, Дж/кг, [3]

 (2.24)

где qк - удельный расход тепла в основном калорифере, Дж/кг;д - удельный расход тепла в дополнительном калорифере, Дж/кг;м - удельный расход тепла на нагрев высушенного материала, Дж/кг;тр - удельный расход тепла на нагрев транспортных устройств, Дж/кг;п - удельные потери тепла сушилкой в окружающую среду, Дж/кг.

Удельный расход тепла в калорифере, Дж/кг, [3]

 (2.25)

    (2.26)

    (2.27)

Уравнение баланса сушильной камеры

 (2.28)

Это выражение характеризует отклонение действительного процесса сушки от теоретического и представляет собой внутренний баланс тепла в сушилке.

Для теоретической сушилки, тогда

, т.е.          (2.29)

Скорость процесса сушки

Процесс сушки характеризуется тремя периодами: подогрева, постоянной и подающей скорости сушки, за которыми следует период равновесного состояния.

Первый период сушки характеризуется ускоренным прогревом массы сырья от начальной температуры до температуры насыщенного теплоносителя при данном его влагосодержании. Температура влажного материала соответствует показаниям мокрого термометра, температура среды - показаниям сухого термометра психрометра. Влагосодержание материала изменяется еще незначительно. Относительно высокая пористость материала изделий, значительное количество сильно развитых макроскопических пор и наличие влаги, механически связанной частицами глинистых материалов и слабоудерживаемой в толстых гидратных оболочках глинистых частиц, обусловливают возможность. интенсивной сушки в первый период, особенно после отдачи первых 3-5% общего количества имевшейся в изделиях влаги. К концу периода устанавливается равновесие между количеством теплоты, идущим на нагрев массы полуфабриката, и количеством, расходуемым на испарение влаги.

Второй период сушки характеризуется наличием на кривой скорости сушки горизонтального участка, указывающего на то, что скорость сушки численно равна скорости испарения влаги с поверхности полуфабриката. Влагосодержание материала изменяется почти по прямой. Температура поверхности остается постоянной, так как основная масса теплоты расходуется на испарение влаги. Поверхность изделия остается смоченной влагой, поступающей из внутренних слоев. Постоянная скорость сушки сохраняется до тех пор, пока количество испаряющейся с поверхности изделия воды меньше или равно количеству воды, поступающему по капиллярам из внутренних слоев под действием диффузионно-осмотических и капиллярных сил.

Интенсивность сушки во втором периоде зависит уже не от скорости испарения влаги с поверхности изделия, а от скорости перемещения ее из внутренних слоев материала наружу. При этом влага перемещается в основном в виде пара и изделие теряет большую часть влаги, скорость сушки резко падает, что фиксируется изломом на кривой сушки в точке К, указывающим на окончание второго периода сушки. Влажность, соответствующая окончанию второго периода, называется критической для данного материала и при данных параметрах теплоносителя. К концу второго периода влагосодержание поверхности материала выравнивается с его равновесным влагосодержанием, фронт испарения влаги перемещается внутрь материала и начинается третий период сушки.

Третий период характеризуется падающей скоростью сушки и повышением температуры материала. Интенсивность влагоотдачи в этом периоде пропорциональна средней влажности материала в интервале от критической до конечной влажности. Разность между влажностью материала до сушки и влажностью, соответствующей равновесной, определяется количеством влаги, удаляемой в процессе сушки. В третьем периоде сушки допускается значительное повышение температуры и скорости теплоносителя.

Сушку изделий прекращают при достижении конечной влажности Wкон, которая меньше критической Wкр, но больше или равна равновесной влажности Wp: Wкр> Wкон≥Wp.

2.2 Принципиальная схема сушильной установки

Основной частью сушильной установки является вращающийся барабан 3 (pис.2.3). На барабане имеются два бандажа 12, каждый из которых катится по двум роликам 14, укреплённым на металлической раме, и зубчатый венец 13, служащий для приведения барабана во вращение от электродвигателя 15 через редуктор. Влажный материал (нитрат натрия) из бункера 1 поступает в сушилку, пройдя предварительно ячейковый питатель 2, необходимый для обеспечения герметичности установки. Внутри барабана имеется подъёмно-лопастная насадка, прикреплённая к стенке барабана. Назначение насадки - дать за один оборот барабана возможно большее число пересыпаний материала. При вращении барабана материал проходит вдоль сушилки, причём продвижение частиц происходит во время их падения, как за счёт наклона барабана, так и вследствие откоса частиц потоком сушильного агента. Параллельно материалу в сушилку подаётся вентилятором 5 сушильный агент(воздух), предварительно подогретый в калорифере 4. Транспортирование сушильного агента через сушильную установку осуществляется с помощью вентилятора 11, при этом установка находится под небольшим разрежением, что исключает утечку сушильного агента через неплотности установки. Высушиваемый материал с противоположного конца сушильного барабана поступает в промежуточный бункер 8, а из него на транспортирующее устройство 9. Отработанный сушильный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне 10. Отсасывание газов из циклона производится вытяжным вентилятором 11. Температуру поступающих газов в сушилку газов измеряют термометром 16. Температуру газов, уходящих из сушилки, измеряют термометром 17, их влагосодержание - психрометром 18, а количество - при помощи расходомера 19. Частицы не улавливаемые циклоном задерживаются водой в мокром пылеуловителе 20 и насыщенный раствор поступает из отстойника 21 в сушильный барабан.

- бункер, 2 - ячейковый питатель, 3 - вращающийся барабан, 4 - калорифер, 5,11 - вентиляторы, 8 - промежуточный бункер, 9 - транспортирующее устройство, 10 - циклон, 12 - бандажи, 13 - зубчатый венец, 14 - ролики, 15 - электродвигатель, 16,17 - термометры, 18 - психрометр, 19 - расходомер, 20 - мокрый пылеуловитель, 21 - отстойник.

Рисунок 2.3 - Принципиальная схема сушильной установки

2.3 Устройство и принцип работы барабанной сушилки

Барабанная сушилка имеет цилиндрический барабан 1, опирающийся с помощью бандажей 2 на ролики 3. Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 4 и редуктор. Материал подается в барабан питателем 6, предварительно подсушивается, перемешиваясь лопатями 7 приемно-винтовой насадки, а затем поступает на внутреннюю насадку, расположенную вдоль почти всей длины барабана. Газы и материал особеннно часто двинуться прямотоком, что помогает избежать перегрева материала. Чтобы избежать усиленного уноса пыли с газами последние просасываются через барабан вентилятором 8 со средней скоростью, не превышающей 2 - 3 м/с. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются от пыли в циклоне 9. На концах барабана часто устанавливают уплотнительные устройства

- барабан; 2 - бандажи; 3 - опорные ролики; 4 - передача; 5 - опорно-упорные ролики; 6 - питатель; 7 - лопасти; 8 - вентилятор; 9 - циклон; 10 - разгрузочная камера; 11 - разгрузочное устройство.

Рисунок 2.5 - Схема барабанной сушилки

Барабанная сушилка выполняется в виде сварного цилиндра. К его наружной поверхности прикреплены бандажные опоры, а также кольца жёсткости и приводной зубчатый венец. Наклон оси барабана может составлять до 3-6 градусов к горизонту.

Данные сушилки относятся к атмосферным сушилкам непрерывного действия. В них сушат сыпучие продукты. В качестве сушильного агента используются топочные газы или нагретый воздух.

Внутри барабана располагаются насадки. Их конструкция определяется свойствами высушиваемого продукта. Со стороны загрузочной камеры расположена многозапорная винтовая насадка. В зависимости от диаметра барабана она может иметь от 6 до 16 спиральных лопастей. Для сушки продуктов обладающих большой адгезией к поверхности в барабане закрепляют цепи, которые дробят комки, а также очищаю стенки барабана. Вместо цепей могут использоваться ударные приспособления. Их крепят с внешней стороны барабана.

В зависимости от свойств продукта могут применяться различные схемы барабанных сушилок. Так, если продукт обладает хорошей сыпучестью и имеет средний размер частиц (до 8 мм), то при диаметре барабана от 1000 до 1600 мм используют секторную насадку. Для продуктов, имеющих высокую адгезию или размер частиц сыпучего продукта больше 8 мм, применяют подъёмно-лопастные устройства. Если продукт характеризуется налипанием, но в процессе сушки восстанавливает сыпучие свойства, то для сушилок с диаметром барабана от 1000 до 3500 мм устанавливают сначала подъёмно-лопастные перевалочные устройства, а далее ставят секторные насадки.

Для изготовления, как самых барабанов, так и загрузочных и разгрузочных камер в основном применяют углеродистые стали. В некоторых случаях барабаны, разгрузочные и загрузочные камеры частично или полностью изготавливают из жаростойких сталей специальных марок.

Наряду с атмосферными существуют вакуумные барабанные сушилки периодического действия. Они делятся на сушилки среднего и глубокого вакуума[3].

3. Технологический расчет

.1 Изображение процесса сушки на диаграмме Рамзина

Для построения схематического изображения процесса сушки на диаграмме Рамзина рассчитаем влагосодержание воздуха в точке М для смеси свежего воздуха с отработанным, учитывая кратность рециркуляции, [4]

xM=(x_A-nx_C)/(1-n)=(0,004+1×0,028)/2=0,016 кг/кг  (3.1)

В соответствии с принятыми параметрами свежего воздуха (ta=-6℃, φa=85%) определяем точку А (рис. 3.1), которая характеризует состояние свежего воздуха. Ей соответствуют Ia=4кДж/кг, ха=0,004 кг/кг. Состояние нагретого воздуха (точка В) определяется условиями нагрева его в калорифере (c учетом рециркуляции части отработанного воздуха) xB=xM=0,016 кг/кг та температурой нагревания tв=90℃. Таким образом состояние воздуха в калорифере (точка В) определяется tB=61℃. Для него IB=108кДж/кг, tмт=22℃. Состояние отработанного воздуха (точка С) в первом приближении определится условиями теоретической сушки Ic=IB=const и φс=88%. Для него хс=0,028 кг/кг, tC=32℃[4].

Рисунок 3.1 - Схематическое изображение процесса сушки с рециркуляцией части отработанного воздуха на диаграмме Рамзина

3.2 Материальный баланс процесса

Массовые затраты влажного материала, поступающего на сушку, [4]

G1=Gc100/(100-ω_1) =1800/3600×100/(100-2,5)= 0,513 кг/с, (3.2)

где Gc - производительность, кг/ч,

ω1 - начальное влагосодержание материала, %(масс.).

Массовый расход высушенного материала, [4]

где ω2 - конечное влагосодержание материала, %(масс.).

Количество влаги, которое удаляют из материала, [4]

=G1 - G2 = 0,513-0,501= 0,012 кг/с. (3.4)

Проверка массового количества удаляемой влаги, [4]

W=G₁× = 0,513×=0,0118кг/с (3.5)

Удельные затраты воздуха, [4]

l =  =  = 41,67 кг/кг, (3.6)

где xc - конечное влагосодержание воздуха,- начальное влагосодержание воздуха (найдены по диаграмме Рамзина).

Массовый расход воздуха, [4]

L=l×W= 41,67×0,0118= 0,492 кг/с.  (3.7)

3.3 Выбор типоразмера барабана

В соответствии с таблицей выбрано напряжение барабана по влаге: для нитрата натрия А=20 кг/(м3×ч) [5].

Необходимый объем барабана, [3]

б=W/A=(0,0118×3600)/20=2,124м3  (3.8)

Согласно межотраслевым нормам МН 2106-61 отношение длины барабана к его диаметру Lб/Dб=3,5…7,0. Принимаем Lб/Dб=5, откуда Lб=5Dб, [5].

Тогда объем барабана, [3]

V_б=×L_б=×5D_б, откуда      (3.9)

D_t===0,815м           (3.10)

L_б=5×D_б=5×0,815=4,075м, (3.11)

где Lб - длина барабана, м,б - диаметр барабана, м.

В соответствии с этим принимаем: диаметр барабана Dб=1 м, его длину Lб=4 м, [5].

3.4 Тепловой баланс процесса

Приход удельного тепла с воздухом, [4]

q1=l×IA=41,67×4=166,68 кДж/кг,    (3.12)

где IА - удельная энтальпия воздуха в начале сушки, кДж/кг.

Температура влажного материала принята за температуру воздуха в помещении tп=15℃.

Приход удельного тепла с влагой материала, [4]

=cв×tп=4,19×15=62,9кДж/кг  (3.13)

Приход удельного тепла с материалом, [3]

q3=G2×cм×tп/W=0,501×1,095×15/0,0118=697,37кДж/кг,         (3.14)к=l×(IB-IA)=41,67×(108-4)=4333,68 кДж/кг.       (3.15)

Общий удельный приход тепла, [3]

∑qпр=q1+q2+q3+qk=166,68+62,9+697,37+4333,68=5260,63 кДж/кг.      (3.16)

Расход удельной теплоты с отработанным воздухом, [3]

q4=l×Ic=41,67×108=4500,36 кДж/кг.        (3.17)

Температура нагретого материала определяется температурой воздуха по мокрому термометру после калорифера: tм=tBмт=22.

Расход удельной теплоты с материалом, который выходит из сушилки, [3]

q5=G_2/W×cм×tм=0,501/0,0118×1,095×22=1022,8 кДж/кг.  (3.18)

Средняя разница температур между горячим воздухом в барабане и воздухом в помещении, [4]

Δtср=((t_B-t_П) - (t_C-t_П))/(ln (t_B-t_П)/(t_C-t_п))=((61-15) - (32-15))/(ln ((61-15))/((32-15)))=29,13K.    (3.19)

Средняя температура воздуха в сушильном барабане, [4]

t_сер=(t_B+t_C)/2=(61+32)/2=46,5.       (3.20)

Физические свойства воздуха при средней температуре, [2]

ρ=1,115 кг/м3,

μ=1,922×10-5Па×с,

λ=0,0276 Вт/м×К,

Ср=1,005кДж/кг×К.

Скорость воздуха в барабане при коэффициенте заполнения барабана β=0,15 (для подъемно-лопастной насадки), [5]

w_П===0,661 м/с         (3.21)

Критерий Рейнольдса, [4]

=wп×Dб×ρ/μ=0,661×1×1,115/1,922×10-5=38346.         (3.22)

Критерий Прандтля, [4]

Pr=cp×μ/λ=1005×1,922×10-5/0,0276=0,7.  (3.23)

Критерий Нусельта, [4]

Nu=0,023×Re0,8×Pr0,4=0,023×383460,8×0,70,4=92,628.       (3.24)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от горячего воздуха в барабане к его стенке, [3]

α_1^’=λ×Nu/Dб=0,0276×92,628/1=2,56Вт/(м2×К).      (3.25)

Среднее парциальное давление водяного пара в воздухе при среднем влагосодержании, [3]

ср=(xc+xA)/2=(0,028-0,004)/2=0,012 кг/кг.         (3.26)

По диаграмме Рамзина для него pпар=11 мм.рт. ст=0,0143 атм×см. Для произведения,пар×Dб=0,0143×100=1,43 атм×см      

степень черноты воздуха ε=0,078 [6], а коэффициент излучения

с1=ε×с0=0,078×5,67=0,442 Вт/(м2×К4)    (3.27)

где с0=5,67 Вт/(м2×К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела[6].

Принятые (с дальнейшим уточнением), температуры внешней (tст1=25℃) и внутренней (tст2=40℃) поверхности стенки сушилки.

Коэффициент теплоотдачи излучением от воздуха к внутренней стенке сушилки, [3]

×=×=

=0,556 , (3.28)

где с2=5,5 Вт/(м2×К4) - коэффициент излучения стальной стенки сушилки.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением от горячего воздуха к внутренней поверхности барабана, [3]

α₁=2,56+0,556=3,116.         (3.29)

Коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией от внешней поверхности стенки к воздуху в помещении, [3]

α2=9,74+0,07 (tст1-tп)=9,74+0,07 (25-15)=10,4 Вт/(м^2×К).  (3.30)

Для уменьшения потерь теплоты от барабана в окружающую среду принята изоляция асбестовым полотном.

Коэффициент теплопередачи от воздуха в барабане через многослойную стенку к воздуху в помещении, [3]

К===1,46 ,, (3.31)

где 0,01 - толщина стенки барабана, м;

,5 - коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м×К), [6];

λиз=0,112 Вт/(м×К) - коэффициент теплопроводности асбеста, [6];

δиз=0,03 м - толщина слоя изоляции.

Проверим принятые ранее температуры поверхностей стенок барабана. Уточненная температура внутренней поверхности, [3]

ст2=tср-К/α_1 Δtср=46,5-1,46/3,116×29,13=32,85.   (3.32)

Уточненное значение температуры внешней стенки барабана, [3]

ст1=tп+К/α_1 Δtср=15+1,46/10,4×29,13=19,09.       (3.33)

Поскольку уточненные температуры отличаются от принятых, то необходимо дальнейшее уточнение. Для этого необходимо принять рассчитанные значения температур поверхности стенки и повторить расчет:

α×=×=0,539 ;

α₁=2,56+0,539=3,099;

α₂=9,74+0,07(t_ст1-t_п)=9,74+0,07(19,09-15)=10,03 ;

К===1,448 ;

t_ст2=t_ср-Δt_ср=46,5-×29,13=32,89 ;

t_ст1=t_п+Δt_ср=15+×29,13=.

Значит, принятые температуры практически равны расчетным.

Площадь поверхности барабана:

F=π×D_б×L_б+2=3,14×1×4+2=14,13 м²

Удельные потери теплоты стенками барабана:

q_п====50,5 кДж/кг

Общие затраты теплоты:

∑qзатр=q4+q5+qп=4500,36+1022,8+50,5=5573,66 кДж/кг.

Дисбаланс теплоты:

100=100=5,95%,

то есть превышает допустимый для технических расчетов (5%), поэтому необходимо уточнить расчет процесса сушки.

3.5 Уточнение параметров процесса сушки

Внутренний тепловой баланс процесса, [7]

Δ=(с×θ+q_д)-(q_тр+q_м+q_п)=62,9-(325,43+50,5)=-313,03 кДж/кг,         (3.34)

где: с×θ=q2=62,9 кДж/кг - удельная теплота влаги, которая вносится с материалом;д=0 - дополнительное нагревание воздуха в барабане;тр=0 - затраты тепла на нагревание транспортных средств;м=q5-q3=1022,8-697,37=325,43 кДж/кг.

Уточненный процесс сушки наносим на диаграмму Рамзина (Рис. 3.2).

Рисунок 3.2. - Схематическое изображение уточненного процесса сушки с рециркуляцией части отработанного воздуха на диаграмме Рамзина

Состояние свежего и нагретого воздуха, определенные ранее, не изменились. Состояние отработанного воздуха характеризуется полученными Δ и φс (точка С). Для нахождения этой точки выбирают любое влагосодержание (например, X0=0,03 кг/кг), лучше больше влагосодержания свежего воздуха и на основании уравнения внутреннего теплового баланса рассчитывают энтальпию воздуха в этой точке.

I0=IB+Δ (X0-XB)=108-313,03 (0,03-0,016)=103,62 кДж/кг.   (3.35)

Через точки В и О с координатами X0, I0 и XB, IB проводят прямую действительной сушки до пересечения ее с кривой φс=85%. Точка пересечения означает состояние отработанного воздуха, для которого:=103 кДж/кг, Xc=0,026 кг/кг, tC=31 , tCмт=29 , [4].

Далее уточняем материальный и тепловой баланс сушки:

l =  =  = 45,45 кг/кг;

L=l×W= 45,45×0,0118= 0,536 кг/с;

q₁=l×I_A=45,45×4=181,8 кДж/кг;

q_к=l×(I_B-I_A)=45,45×(108-4)=4726,8 кДж/кг;

∑q_пр=q₁+q₂+q₃+q_k=181,8+62,9+697,37+4726,8=5668,87 кДж/кг;

Δt_ср===28,4K;

q₄=l×I_c=45,45×103=4681,35 кДж/кг;

t_сер=(t_B+t_C)/2=(61+31)/2=46;

w_П===0,72м/с;

Re=w_п×D_б×ρ/μ=0,72×1×1,115/1,922×10^-5=41769;

Nu=0,023×Re^0,8×Pr^0,4=0,023×41769^0,8×0,7^0,4=99;19

=λ×Nu/D_б=0,0276×99,19/1=2,74 Вт/(м²×К);

x_ср=(x_c+x_A)/2=(0,026+0,004)/2=0,015 кг/кг;

p_пар=15 мм.рт.ст=0,0195 атм×см;

P_пар×D_б=0,0195×1=0,0195 атм×см;

ε=0,19;

с₁=ε×с₀=0,19×5,67=1,08 Вт/(м²×К⁴);

t_ст2=32,85 ;t_ст1=;

×=×=1,14 ;

α₁=2,74+1,14=3,88;

α₂=9,74+0,07(t_ст1-t_п)=9,74+0,07(19,09-15)=10,03 ;

К===1,599 .

Уточняем температуры стенок:

t_ст2=t_ср-Δt_ср=46-×28,4=34,3 ;

t_ст1=t_п+Δt_ср=15+×28,4=.

q_п====54,4 кДж/кг;

q₅=×c_м×t_м=×1,005×29=1237,4 кДж/кг;

∑q_затр=q₄+q₅+q_п=4500,36+1237,4+54,4=5792,16 кДж/кг;

Дисбаланс: (5668,87-5792,16)/5668,87100=-2,17%.

Разбежность минимальна, расчеты закончены. К выполнению принимаются эти уточненные параметры процесса сушки.

Затраты влажного воздуха на входе в калорифер, [7]

вл=L (1-xA)=0,536×(1-0,004)=0,534 кг/с;  (3.36)

затраты влажного воздуха на выходе из сушилки, [7]
вл=L (1-xC)=0,536×(1-0,028)=0,521 кг/с;  (3.37)

затраты греющего пара, [7]

GП=(L (I_B-I_A))/(r (1-x))=(0,492 (108-4))/(2361,5 (1-0,05))=0,023 кг/с.  (3.38)

Таблица 3.1 - Параметры потоков при сушке нитрата натрия с рециркуляцией части отработанного воздуха.

4. Гидравлический расчет

Для гидравлического расчета барабанной сушилки рассчитаем гидравлическое сопротивление трубопровода, обозначив Lт1 - длина трубопровода для подачи воздуха в сушилку, Lт2 - длина трубопровода для отвода воздуха из сушилки, а также используя рассчитанные ранее длину и диаметр барабана (Рис. 4.1).

Рисунок 4.1 - Схематическое трубопровода для гидравлического расчета

Рассчитаем диаметр трубопровода для подачи и отвода воздуха, [3]

=√(4L/πω)=√((4×0,506)/(3,14×20))=0,18 м,         (4.1)

где ω - скорость движения воздуха в трубопроводе, принятая в границах от 15 до 25 м/с.

Коэффициент гидравлического сопротивления рассчитаем по формуле Блазиуса, считая трубы гидравлически гладкими, [3]

λ==0,022      (4.2)

Принимаем длины трубопроводов вблизи сушилки: Lт1=2 м, Lт2=1,5 м.

Потери напора на трение по длине потока в трубопроводе для подачи воздуха, [3]

h_т1=λ×=0,022×=4,98 м (4.3)

Потери напора при внезапном расширении трубопровода.

Потери напора вследствие трения, [3]

h_тр1=λ××=2,3×××=0,26 м,        (4.4)

Рассчитаем потери напора в местных сопротивлениях, [3]

h_м.с1.=ξ_м.с.1× =0,67×=13,67 м,         (4.5)

где ξм.с1 - коэффициент местного сопротивления, для внезапного расширения принимаем ξм.с1=0,67.

Общие потери напора на внезапное расширение, [3]

пр=hтр1+hм.с1.=0,26+13,67=13,93 м.       (4.6)

Потери напора на трение по длине барабана сушилки, [3]

h_т2=λ×=0,022×=1,79 м    (4.7)

Потери напора на внезапное сужение трубопровода.

Потери напора вследствие трения, [3]

h_тр2=λ××=2,3×××=0,26 м         (4.8)

Рассчитаем потери напора в местных сопротивлениях, [3]

h_м.с2.=ξ_м.с2.× =0,41×=8,36 м  (4.9)

где ξм.с2 - коэффициент местного сопротивления, для внезапного сужения принимаем ξм.с2=0,41.

Общие потери напора на внезапное сужение, [3]

пс=hтр2+hм.с2.=0,26+8,36=8,62 м. (4.10)

Потери напора на трение по длине трубопровода для отвода воздуха, [3]

h_т3=λ×=0,022×=3,74 м       (4.11)

Общие потери напора в сушидьной камере и трубопроводах для подачи и отвода воздуха, [3]

=hт1+hпр+hт2+hпс+hт3=4,98+13,93+1,97+8,62+3,74=33,24 м.

Список литературы

1. Некрасов Б.В. Основы общей химии/ Б.В. Некрасов. - М.: Химия, 1973. - 430 с.

2.       Сычев В.В. Термодинамические свойства воздуха / Сычев В.В., Вассерман А.А., Козлов А.Д., Спиридонов Г.А., Цымарный В.А. - М.: Издательство стандартов, 1978. - 276 с.

.        Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. - М.: Химия, 1973. - 784 с.

.        Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1981. - 560 с.

.        Методические указания по выполнению курсового проекта по курсу «Основные процессы и аппараты химической технологии» для студентов IV-V курсов всех специальностей. Раздел «Сушка» / Сост.: П.Г. Сорока, В.В. Ивашкевич, В.И. Зражевский. - Днепропетровск: УГХТУ, 2000. - 49 с.

.        Справочник химика. - М.: Госхимиздат. - Т. 1, III. - 1952.

.        Чернобыльский И.И., Танайко Ю.М. Сушильные установки химической промышленности. - Киев: Техника, 1969. - 116 с.