Расчет барабанная сушилка

1.1.2. М а т е р и а л  ь н ы й  б а л а  н с 

 к о н в е к т и  в н о й  с у ш к  и

 

Материальный баланс имеет  целью определение количества (расхода) испаренной влаги и расхода сушильного агента. Его составляют для потоков высушиваемого материала и газа.

При составлении баланса по высушиваемому материалу в качестве исходных параметров используют влажность и влагосодержание материала. Обозначив через G₁ и G₂ расходы исходного и высушенного материала, x₁⁰ и x₂⁰ — их влажности, а через W — расход удаляемой из материала влаги, получим материальный баланс в форме системы из двух уравнений /1/:

 

G₁( l - x₁⁰) =G₂(1 – x₂⁰),   G₁ = G₂  - W.        (3)

 

 Из системы (3) можно  определить расход удаляемой  влаги:

 

W = G₁(x₁⁰ – x₂⁰)/( l – x₂⁰ ).                  (4)

 

Используя связь между влажностью материала (массовые доли) и влагосодержанием

 

x⁰ = x/( l – x ),                               (5)

 

получим уравнение для  определения расхода удаляемой  влаги:

 

W= G₁[(x₁ – x₂)/( l + x₁)].                     (6)

 

где х₁ и х₂—влагосодержание газа соответственно на входе и на выходе из сушильной камеры на 1 кг абсолютно сухих газов, кг.

Эта влага в процессе сушки в виде паров поступает  в сушильный агент, влагосодержание  которого повышается. Таким образом, для газовой фазы можно записать следующее уравнение:

 

Lx₁ – W = Lx₂,                             (7)

где L - расход абсолютно сухого газа, кг/с.

Из уравнения (7) найдем расход абсолютно сухого газа, необходимого для сушки:

 

L=W/( x₂ – x₁).                            (8)

 

В расчетах и анализе процесса сушки используют понятие об удельном расходе абсолютно сухого газа l (в килограммах абсолютно сухого газа на 1кг испаряемой воды):

 

l = L/W = l /( x₂ - x₁).                         (9)

 

1.1.3. Т е п л о  в о й  б а л а н  с  с у ш к и

 

По основному варианту конвективной сушки сушильный агент, нагретый в калорифере, однократно проходит сушильную камеру, двигаясь прямо- или противоточно по отношению  к материалу (рис.1).

 

Составление теплового  баланса конвективной сушилки

 

 

 

1 — калорифер; 2 — сушильная  камера;

Рис.1

 

Обозначим параметры сушильного агента до калорифера индексом 0 (x₀,I₀), после калорифера - индексом 1 (х₁,I₁) и после сушильной камеры индексом 2 (х₂, I₂). Влажный материал в количестве G₁ (в кг/с) при прохождении сушилки меняет свою энтальпию от I_м1 до I_м2. Считая энтальпию влажного материала аддитивно складывающейся из энтальпии высушенного материала и содержащейся в материале влаги, получим поток теплоты, входящий с материалом в сушилку:

 

G₁Н_м1 = G₂с_м2θ₁ + Wс_в θ₁ ,                   (10)

 

где с_м - теплоемкость высушенного материала, Дж/(кг*К);

θ₁ -температура материала, поступающего в сушилку, К;

с_в - теплоемкость воды, Дж/(кг*К).

Поток теплоты  с покидающим сушилку материалом

 

G₂I_м2 = G₂с_м2θ₂                              (11)

 

где θ₂ - температура высушенного материала, уходящего из сушильной камеры, °С.

Теплота, необходимая  для сушки, подводится из калорифера (Q_k). Учитывая все поступающие (с сушильным агентом LI₀ , с влажным материалом G₁I_м1 ) и уходящие (с сушильным агентом LI₂, с высушенным материалом G₂I_м2 , потери теплоты в окружающее пространство Q_п) тепловые потоки, можно получить уравнение теплового баланса

 

LI₀ + G₂c_м θ₁+ Wс_в θ₁+Q_k = LI₂+ G₂с_мθ₂+Q_п.               (12)

 

1.2. О б з о р   т е х н о л о г и ч е с к и х

о ф о р м л е  н и й  п р о ц е с  с а

 

1.2.1. О с н о в  н а я  с х е м а   п р о ц е с с а   с у ш к и

 

Для обеспечения  заданных режимов сушки используют различные варианты процесса сушки. В сушилке основного варианта, т. е. работающей по основной схеме (рис.1), создаются жесткие условия сушки. Это объясняется тем, что все тепло, необходимое для испарения влаги из материала, подводится  однократно (в наружном калорифере) и воздух нагревается сразу до относительно высокой температуры t₁, являющейся обычно предельно допустимой для высушиваемого  материала. При превышении этой температуры возможно разложение материала или ухудшение его качества. При нагреве в калорифере влагосодержание воздуха остается неизменным и резко падает его относительная влажность. Поэтому сушка по основной схеме происходит при значительном перепаде температур t₁–t₀, в атмосфере воздуха с малым влагосодержанием  и низким значением влажности.

 

1.2.2. С у ш к а   с  п р о м е ж у  т о ч н ы м 

 п о д о г  р е в о м  в о з  д у х а  п о  з о н а м

 

Сушилка, работающая по этой схеме (рис.2), состоит из ряда зон, в каждой из которых установлен дополнительный калорифер (на рисунке для простоты показаны только две зоны).

 

Принципиальная схема  сушки с промежуточным подогревом воздуха по зонам

       

 

 

Рис.2

 

Такой многократный, или ступенчатый, подогрев воздуха  в сушильной камере позволяет  не только вести сушку а мягких условиях — при небольшом перепаде температур в камере, но и обеспечивает более гибкие условия сушки.

 Воздух, нагретый во  внешнем калорифере К, проходит  зону I, где извлекает из материала часть влаги и несколько охлаждается, после чего поступает в зону II, на входе в которую нагревается в калорифере K₁, сушит материал, после чего вновь подогревается в калорифере К₂, а затем поступает в следующую зону и т.д. Общий расход воздуха и тепла в данном случае тот же, что и в сушилке основной схемы, работающей при тех же начальных и конечных  параметрах воздуха. Однако температура нагрева воздуха в рассматриваемом варианте значительно ниже, чем в сушилке основной схемы.

 

1.2.3. С у ш к а   с  ч а с т и ч н  о й  р е ц и р к  у л я ц и е й о т  р а б о т а н н о  г о  в о з д у х  а

 

При сушке  по этой схеме (рис.3) часть отработанного  воздуха возвращается и смешивается перед наружным калорифером со свежим воздухом, поступающим в сушилку. В некоторых схемах смешение отработанного воздуха со свежим может происходить после наружного калорифера.

 

Сушилка с частичной  рециркуляцией отработанного воздуха

 

                                             Рис.3

 

При сушке  с частичной рециркуляцией материал сушится при более низких температурах воздуха, чем в сушилке основной схемы. Вместе с тем сушка происходит в среде более влажного воздуха, так как влагосодержание смеси больше влагосодержания свежего воздуха. Такой режим сушки желателен для материалов, которые при неравномерной сушке воздухом с низкой влажностью при высоких температура могут подвергнуться разрушению (например, керамические изделия).Воздух с высоким влагосодержанием  получается по этой схеме без затрат пара на его искусственное увлажнение. При добавлении части отработанного воздуха к свежему увеличивается объем циркулирующего воздуха, а следовательно, и скорость его движения через сушилку, что способствует более интенсивному тепло- и влагообмену.

Для сушилки  с рециркуляцией требуется больший  расход энергии на вентилятор и большие  капитальные затраты, чем для  сушилки основной схемы. В связи  с этим выбор кратности циркуляции воздуха следует производить на основе технико-экономического расчета.

 

1.3. О б з  о р  к о н с т р  у к ц и й  а п п  а р а т о в

 

Конструкции сушилок очень разнообразны и  отличаются по ряду признаков: по способу  подвода тепла (конвективные, контактные и др.), по виду используемого теплоносителя (воздушные, газовые, паровые), по величине давления в сушильной камере (атмосферные и вакуумные), по способу организации процесса (периодические и непрерывные), а также по взаимному направлению движения материала и сушильного агента в конвективных сушилках (прямоток, противоток, перекрестный ток). Всё это крайне затрудняет обобщающую классификацию сушилок. Рассмотрим некоторые группы сушилок, которые находят применение (или перспективны для применения) в химической технологии.

 

1.3.1. Т у н н е л ь н ы е  с у ш и л к и

 

 Эти сушилки  отличаются от камерных тем,  что в них соединенные друг  с другом вагонетки медленно  перемещаются на рельсах вдоль очень длинной камеры прямоугольного сечения (рис.4).

 

 

 

 

 

Туннельная сушилка

 

1 — камера; 2 — вагонетки; 3 — вентиляторы;

4— калориферы.

Рис. 4

 

На входе  и выходе коридор имеет герметичные  двери, которые одновременно периодически открываются для загрузки и выгрузки материала: вагонетка с высушенным материалом удаляется из камеры, а  с противоположного конца в нее поступает новая вагонетка с влажным материалом. Перемещение вагонеток производится с помощью троса и механической лебедки. Сушильный агент движется прямотоком или противотоком к высушиваемому материалу.

 Туннельные  сушилки обычно работают с частичной рециркуляцией сушильного агента, и они используются для сушки больших количеств штучных материалов, например керамических изделий.  

 

1.3.2. С у ш и л  к и  с  п с е в  д о о ж и ж е н н  ы м  с л о е м

 

Сушилки с псевдоожиженным (кипящим) слоем получили широкое распространение благодаря следующим специфическим особенностям: во-первых, этим методом можно высушивать зернистые, сыпучие, пастообразные и жидкие материалы; во-вторых, процесс протекает очень интенсивно в силу значительного увеличения поверхности контакта между частицами материала и сушильным агентом. Объемный коэффициент теплообмена, отнесенный к слою материала, равен примерно 5-10 кВт/(м³*К), в то время как для барабанных сушилок он составляет на весь объем не более 0,5кBт/(м³*K).

В установках с псевдоожиженным слоем можно одновременно проводить несколько процессов: сушку и обжиг, сушку и классификацию частиц по размерам, сушку и гранулирование и т.д. Однако эти сушилки имеют и недостатки: повышенный расход электроэнергии (а в некоторых случаях и топлива), невысокая интенсивность процесса при сушке тонкодисперсных продуктов, значительное истирание частиц материала и, как следствие, образование большого количества пыли и др.

Сушилки с  псевдоожиженным слоем в настоящее  время успешно применяют в химической технологии для сушки минеральных и органических солей, материалов, подверженных комкованию, например сульфата аммония, поливинилхлорида, полиэтилена и некоторых других полимеров, а также пастообразных материалов (пигментов, анилиновых красителей), растворов, расплавов и суспензий. Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия (рис.5).

 

Сушилка с  одноступенчатым аппаратом кипящего слоя

1—калорифер; 2—распределительная решетка; 3—шнековый  питатель; 4—корпус сушилки; 5 — разгрузочное устройство; 6—циклон; 7—вентилятор.

Рис.5

 

Высушиваемый материал поступает из шнекового питателя 3 в слой материала, «кипящего» на газораспределительной  решетке 2 в камере сушилки 4. Сушильный  агент-воздух, подогреваемый в калорифере 1, проходит с заданной скоростью через отверстия распределительной решетки 2 и поддерживает на ней материал во взвешенном состоянии. Высушенный материал удаляют через разгрузочное устройство 5. Отработанные газы очищают от образующейся пыли в циклоне б.

В сушилках этого типа с цилиндрическим корпусом наблюдается значительная неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от его среднего значения. Поэтому применяют сушилки с расширяющимся кверху сечением, например конические

 

1.3.3. А э р о ф  о н т а н н ы е   а п п а р а т ы

 

Для высушивания  зернистых материалов узкого гранулометрического  состава, особенно при резком уменьшении скорости витания частиц в процессе сушки, часто применяют аэрофонтанные аппараты. Отличительной особенностью их является коническая форма камеры (рис.6).

 

Аэрофонтанная сушилка

1 – решётка; 2 — вход  нагретого воздуха; 3 — выход отработан-ного воздуха; 4 — вход влажного материала; 5 — выход высушен-ного материала; 6 — корпус.

Рис.6

 

 Скорость  газового потока в нижнем (малом)  сечении камеры значительно превышает  скорости начала псевдоожижения (и даже витания), поэтому поток  захватывает зернистый материал  и выбрасывает его фонтаном  в верхние (более широкие) сечения. Здесь благодаря резкому падению скорости газа более тяжелые частицы (с большей скоростью витания) оседают, образуя периферийный слой, который опускается вниз вдоль стенок; частицы с малой скоростью витания (высохшие) уносятся из аппарата и отделяются в циклоне. Таким образом, в аэрофонтанных сушилках возникает циркуляция твердой фазы, а высушенный материал выносится потоком воздуха (газа) и не требует механической выгрузки. Для образования надежного сепарационного пространства верхняя часть камеры выполняется цилиндрической.

 

 

 

1.4.О б з о р   с о в р е м е н н  ы х  к о н с т р  у к ц и й       с у ш и л о к  и   т е х н о л о г и  ч е с к и х  о ф  о р м л е н и й      п р о ц е с с а

 

Сушилка кипящего слоя, разработанная  И.Т.Кретовым, Ю.И.Шишацким, Г.А.Денисовым и А.А.Шевцовым может быть использована в различных отраслях народного хозяйства. Она содержит вертикальную камеру с газораспределительной решёткой в нижней части и установленный над ней ротор в виде полого вала с радиальными лопастями, делящими рабочий объём на секторы, загрузочный патрубок в верхней части камеры и разгрузочное устройство — в нижней части. Сушилка отличается тем, что, с целью повышения производительности, разгрузочное устройство выполнено в виде установленных внутри полого вала двух обечаек с возможностью поворота одна относительно другой и загрузочного патрубка и снабжённых на боковой поверхности разгрузочными окнами, причём полый вал подключён к приводу посредством приводного вала и в нижней части в каждом секторе снабжён разгрузочным окном. Дополнительно периферийная часть газораспределительной решётки сектора разгрузки материала выполнена в виде наклоненных к оси камеры жалюзи (см. приложение 1).