Курсовая работа: Расчет и принцип работы распылительной сушилки

Содержание

Введение

1 Расчет процесса горения

2 Материальный баланс сушки

3 Тепловой баланс сушки

4 Расчет габаритов распылительной сушилки

5 Расчет циклонов

6 Расчет скрубберов Вентури

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Сушка в основном применяется, если необходимо испарить растворитель и получить из высушиваемого материала порошкообразный или гранулированный сухой продукт. Сушка представляет собой весьма энергоемкий, сложный, взаимообусловленный комплекс химических, тепловых и диффузионных процессов. В настоящее время из известных сушилок, разработанных для микробиологии, нашли применение распылительные сушилки с дисковым и форсуночным распылением, вальцовые сушилки (в гидролизной промышленности) и сублимационные сушилки (в производстве бактериальных препаратов, ферментов). Методы сушки и конструкции сушилок в значительной степени определяются режимами сушки для конкретного материала, обеспечивающими высокое качество сухого продукта при наименьших капиталовложениях и энергозатратах. Это особенно характерно для продуктов микробного синтеза, оптимальные режимы и методы сушки которых могут быть определены после изучения не только физико-химических и теплофизических характеристик, но и биологических свойств. Специфика сушки связана со сравнительно низкой термоустойчивостью и требованиями максимально возможной сохраняемости целевых продуктов биосинтеза в конечных препаратах.

В микробиологической промышленности в основном используются распылительные сушилки с дисковым распылением. В качестве топлива в зависимости от технологических требований используется природный газ или мазут.

1. Расчет процесса горения

Целью этого этапа расчета является расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, энтальпии продуктов сгорания.

Низшая теплотворная способность топлива - количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы топлива, но в предположении, что влага остается в продуктах горения в парообразном состоянии. В трубчатых печах дымовые газы выводятся через дымовую трубу при таких температурах, при которых водяные пары, находящиеся в продуктах сгорания, не могут сконденсироваться, следовательно, тепло конденсации водяного пара не используется. Поэтому для практических расчетов процесса горения пользуются низшей теплотворной способностью топлива.

Низшая теплотворная способность топлива по формуле Д.И.Менделеева [4]:

,

,

где C, H, S, O, W - соответственно содержание углерода, водорода, серы, кислорода, влаги, % по массе.

Элементарный состава газового топлива:

I) содержание углерода

;

2) содержание водорода

;

где nCi, nHi– соответственно число атомов углерода, водорода, серы, кислорода, азота в молекулах газовых компонентов топлива;

xi - концентрация газовых компонентов в топливе, % по массе;

Mi- молекулярная масса компонентов топлива;

k - число компонентов в топливе;

C, H, S, O, N - соответственно содержание углерода, водорода, % по массе.

Молекулярная масса газовой смеси:

=0,95*16+0,03*30+0,02*44=16,98 г/моль,

где ωi –объемная доля газовых компонентов в топливе;

Mi – молекулярная масса компонентов топлива.

Массовая концентрация газовых компонентов топлива:

;

,

.

Учитывая, что теплота сгорания - свойство аддитивное, то теплота сгорания газообразного топлива

,

где Qi - теплота сгорания отдельных компонентов топлива;

xi- массовая доля компонентов в смеси.

Для газового топлива низшая теплота сгорания:

,

где СН4, С2Н6, С3Н8 - содержание соответствующих компонентов в топливе, % по объему.

Результаты пересчета состава топлива сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты пересчета состава топлива

Компонент	Плотность, кг/м3	Молекулярная масса, Мi	Объемная доля, ωi	Miωi	Массовые проценты
СН4	0,72	16	0,95	15,20	89,52
С2Н6	1,36	30	0,03	0,90	5,30
С3Н8	2,02	44	0,02	0,88	5,18
∑	1,00	16,98	100

Плотность топливного газа:

,

где xi - массовые доли компонентов в смеси;

rсм ,ri - плотность смеси и ее компонентов.

,

Проверка:

С+Н+О+N+S=100 %

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания одного килограмма топлива:

,

Фактический (действительный) расход воздуха:

,

где a - коэффициент избытка воздуха, (для объемного горения газообразного топлива a=1,05-1,2).

Объемный действительный расход воздуха:

,

где rв - плотность воздуха, rв= 1,293 кг/м3.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании одного килограмма топлива:

,

где Wф - расход форсуночного пара, для газообразного топлива Wф =0.

Количество газов, образующихся при сгорании одного килограмма топлива:

,

,

,

.

Проверка

,

2,774+2,194+0,196+13,795=18,959кг/кг ≈18,962 кг/кг.

Объемное количество продуктов сгорания на один килограмм топлива (при нормальных условиях):

,

,

,

.

Суммарный объем продуктов сгорания:

.

Плотность продуктов сгорания при температуре 273К и давлении 0,1*106Па:

.

Энтальпия продуктов сгорания на один килограмм топлива при различных температурах от 50 оС до температуры теплоносителя:

qt=(T-273)*( m* С+ m* С+ m* С+ m* С), ,

где T – температура продуктов сгорания, К;

С,С,С,С- средние массовые теплоемкости продуктов сгорания, кДж/кг*К.

Расчет энтальпии продуктов сгорания при различных температурах сведен в таблицу 2.

Таблица 2 – Энтальпии продуктов сгорания при различных температурах

Температура, о С	С	С	С	С	q,
50	0,839	0,919	1,868	1,031	1041,43
100	0,862	0,925	1,877	1,033	2094,09
150	0,885	0,931	1,886	1,034	3155,91
200	0,908	0,936	1,895	1,036	4230,30
250	0,928	0,943	1,907	1,038	5315,57
300	0,946	0,950	1,921	1,041	6415,70
350	0,964	0,957	1,934	1,045	7532,20

q50=(323-273)*(2,774*0,839+2,194*1,868+0,196*0,919+13,795*1,031)=1041,43

q100=(373-273)*(2,774*0,862+2,194*1,877+0,196*0,925+13,795*1,033)=2094,09

q150=(423-273)*(2,774*0,885+2,194*1,886+0,196*0,931+13,795*1,034)=3155,91

q200=(473-273)*(2,774*0,908+2,194*1,895+0,196*0,936+13,795*1,036)=4230,30

q250=(523-273)*(2,774*0,928+2,194*1,907+0,196*0,943+13,795*1,038)=5315,57

q300=(573-273)*(2,774*0,946+2,194*1,921+0,196*0,950+13,795*1,041)=6415,70

q350=(623-273)*(2,774*0,964+2,194*1,934+0,196*0,957+13,795*1,045)=7532,20

После определения энтальпии продуктов сгорания при различных температурах строим график зависимости температура – энтальпия (Рисунок 1).

Рисунок 1 – График зависимости энтальпии продуктов сгорания от температуры

2. Материальный баланс сушки

Содержание сухих веществ в высушиваемом растворе не изменяется, если нет уноса или других потерь

, кг/ч,

гдеG1, G2, GC – количество раствора до и после сушки и абсолютно сухого вещества, кг/ч;

φ1, φ2 – влажность раствора до и после сушки, %.

Производительность сушилок по испаряемой влаге:

.

Количество получаемых сухих дрожжей после сушки:

.

Технические характеристики распылительной сушилки

Количество распылительных сушилок, необходимое для испарения влаги:

шт,

принимаю n=3штуки,

где WC – производительность одной сушилки по испаряемой влаге, кг/ч.

3. Тепловой баланс сушки

При сушке в распылительных установках тепло передается от нагретого газа или воздуха и расходуется на нагрев высушенного материала, испарение влаги, потери в окружающую среду.

Подвод тепла:

тепло, вносимое дрожжевой суспензией:

,

где Gc - массовый расход дрожжевой суспензии, кг/ч;

ic - энтальпия дрожжевой суспензии при температуре поступления ее в сушильную камеру; кДж/кг;

Сс – теплоемкость дрожжевой суспензии;

θ – температура поступления дрожжевой суспензии в сушилку, обычно составляет 40…60 ºС.

θ=50оС,

Сс=3,52 кДж/(кг*град), Gc=38000 .

Qс=38000*3,52*50=6688000.

2) тепло, подводимое теплоносителем (сушильным агентом):

Qc.a.= Gc.a Jн ,

где Gc.a – количество теплоносителя (сушильного агента), кг/ч;

Jн- энтальпия сушильного агента при начальной температуре tн теплоносителя, кДж/кг. Определяется по графику зависимости температура-энтальпия продуктов сгорания.

при t=349оС Jн=7530

Расход тепла:

1) тепло, уносимое сухими дрожжами:

Qд.= Gz Jд=G2Cд θ z,

где G2 – количество дрожжей после сушки, кг/ч;

Jд – энтальпия сухих дрожжей при температуре выхода дрожжей из сушилки, кДж/кг;

Cд – теплоемкость сухих дрожжей ;

θ 2 – температура высушенных дрожжей;

θ 2=89оС, Cд=2,93 кДж/(кг град)[2], G2=9668,15 .

Qд=9668,15*2,93*89=2521163,48

2) тепло, уносимое теплоносителем (сушильным агентом):

Qc.a.= Gc.a Jк ,

где Gc.a – количество теплоносителя (сушильного агента), кг/ч

Jк – энтальпия сушильного агента при температуре выхода сушильного агента из сушилки, кДж/кг.

при t=87оС Jк =1780,

3) тепло, уносимое испаряемой влагой:

Qw=W Jw ,

где W – количество испаряемой влаги, кг/ч;

Jw – энтальпия водяного пара при температуре выхода водяного пара из сушилки, кДж/кг.

Jw =2700 при t=87оС , W=28331,85,

Qw=2700*28331,85=76509017,71.

4) потери тепла в окружающую среду.

Для определения габаритов сушилки приближенно можно принимать удельные потери тепла в окружающую среду в зависимости от начальной влажности материала q =(125÷250) кДж/кг [6]:

Qп=q W,

q= 125 ,

Qп=125*28331,85=3542084,15 .

Потери тепла в окружающую среду обычно составляют 3÷8℅ от общего количества тепла.

Количество теплоносителя (сушильного агента) определяется после преобразования теплового баланса процесса сушки по следующей формуле:

Проверяется тепловой баланс процесса сушки. Согласно закону сохранения энергии:

Qприх.=Qрасх. ,

где Qприх.,Qрасх. – соответственно статьи прихода и расхода тепла.

Qприх.=6688000+13197*7530=106061410 ,

Qрасх=2521163,48+76509017,71+3542084,15-13197*1780=106062925

Ошибка расчета должна быть не более 1 ℅.

0,0014%<1%.

Часовой расход топлива:

B= ,

где Qc.a – тепло, подводимое теплоносителем (сушильным агентом), кДж/ч;

Q- низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

η - коэффициент полезного действия печи (η=0,8-0,95), η=0,9.

Объемный расход топливного газа равен:

В’=,

где ρг - плотность топливного газа, кг/м3.

Удельный расход тепла в сушилке определяется

,

где Qс.а - тепло, подводимое теплоносителем (сушильным агентом), кДж/ч;

W - количество испаряемой влаги кг/ч.

Тепловой к.п.д. сушилки:

,

где r - удельная теплота парообразования воды, определяемая по температуре материала при сушке, кДж/кг, при 89оС

r=2295,7,

q - удельный расход тепла в сушилке, кДж/кг.

Теплопроизводительность:

Выбор типоразмера печи определяется по каталогу [7] в зависимости от ее назначения, теплопроизводительности, вида топлива.

Типоразмер печи

Тип печи	БКГ2
теплопроизводительность	17,8 МВт/м2

Выбираю 2 печи типа БКГ2, предназначенных для беспламенного сжигания газообразного топлива.

4. Расчет габаритов распылительной сушилки

Целью расчета является определение диаметра сушильной камеры и ее рабочего объема.

Из всего разнообразия приводимых в литературе формул для определения диаметра распыливающих капель можно использовать наиболее простую (6):

,

где R - наружный радиус диска, м;

ω - угловая скорость диска, м/с;

ρ - плотность суспензии, кг/м3;

σ - поверхностное натяжение суспензии, H/м, σ=73,8*10-3 Н/м.

ω=135 м/с,

ω=2πRn

R=ω/ (2πn)=(135 м/с) / (2*π134.167c-1)=0,160 м

dд=2R=0,32м

При расчете среднего диаметра капель можно принять С=2, для максимального размера капель С=4,6.

Размеры капель зависят от окружной скорости диска, производительности по суспензии, физических свойств суспензии. Основные характеристики центробежных распылителей приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Основные характеристики центробежных распылителей

Радиус факела распыления вычисляется по формуле:

,

где ρ, ρ2 - плотность суспензии и сушильного агента;

Re - критерий Рейнольдса:

Re=

где ω- угловая скорость распыливающего диска, м/с;

d - диаметр капли, м;

ν- кинематическая вязкость газа, м2/с;

,

Динамическая вязкость продуктов сгорания при

=0,017мПа*с

=0,03 мПа*с

=0,025 мПа*с

=0,026 мПа*с

,

,

Re=.

Gu – критерий Гухмана:

,

где t1 – температура агента перед сушкой, 0С;

t2 - температура сушильного агента после сушки, °С;

tм - температура мокрого термометра, tм=40-60оС, tм=50оС; Ко- критерий Коссевича:

где r1 -скрытая теплота парообразования при температуре мокрого термометра, кДж/кг;

С2 - удельная теплоемкость сушильного агента, кДж/кг град;

-влажность суспензии при входе в сушилку и конечного сухого продукта, %.

Удельная теплоемкость:

газов N2, О2, СО2 =29,77,

Н2О=36,30

С2=,

.

Диаметр сушильной камеры определяется:

D=2,4*Rф=2,4*3,6594=8,78 м.

Рабочий объем сушилки определяется по формуле:

V=

где W- производительность сушилки по испаряемой влаге, кг/ч;

n - количество сушилок, шт.;

А - производительность 1 м3 рабочего объема камеры по испаряемой влаге, кг/м3*ч. Величина А выбирается по графику A=f(ΔT), где заштрихованная область соответствует начальным режимам работы сушилки.

ΔT=,

где t1 – температура агента перед сушкой, оС;

t2 - температура сушильного агента после сушки, °С;

tм - температура мокрого термометра, °С.

Рабочая высота сушильной камеры равна

.

Вычисленные величины диаметра и высоты сушильной камеры сравниваются с габаритами выбранного типа сушилки.

Рассчитанные параметры сушилки не превышают параметры выбранного типа сушилки, значит, выбранный тип сушилки подходит для данного расчета.

5. Расчет циклонов

Расчет циклонов сводятся к определению их количества, гидравлического сопротивления и эффективности улавливания выли.

Объемный расход сушильного агента:

V=.

Основной характеристики циклона является диаметр его корпуса. Диаметр цилиндрической части циклона определяется:

где V – объемный расход газа (сушильного агента), м3/ч;

Wr – скорость газа в цилиндрической части циклона, м/с;

П – количество циклонов.

где ΔР – сопротивление циклона, Па;

ξ – коэффициент гидравлического сопротивления циклона;

ξ=245;

ρr – плотность газа, кг/м3;

500-750 ; 625;

D=1,3м < Dмакс=1,8м

Вычислив диаметр циклона, определяем основные размеры циклонов:

6 Расчет скрубберов Вентури

Скрубберы Вентури используются в качестве второй ступени пылеулавливания на установках с большим расходом запыленного газа.

Расход воды, подаваемой в трубу Вентури, находится из уравнения теплового баланса:

,

гдеqmr – массовый секундный расход газа, кг/с;

qmг=13197 кг/ч=3,666 кг/с;

Сг – удельная теплоемкость газа, кДж/кг*град;

Сж – удельная теплоемкость жидкости, кДж/кг*град; Cж=4,19 кДж/кг*град.

t1, t2 – начальная температура газа, поступающего в скруббер Вентури, на выходе из него, оС; t1=87oC, t2=45oC.

θ2, θ1 – температура воды на выходе из скруббера Вентури и на выходе из него. Температура выходящей воды не должна превышать 40-45оС,

θ 2=45oC θ1=20oC.

Концентрация пыли в воде:

,

где Хг – начальная концентрация пыли в газе, поступающем в скруббер Вентури,

;

qг – объемный расход газа, м3/с,

qг=Vс.а./3600=10659,9/3600=2,961м3/с.

,

Содержание пыли в оборотной воде,гарантирующее надежную работу форсунок, не должно превышать 0,5 кг/м3: 0,246<0,5.

Диаметр горловины трубы скруббера Вентури:

,

где Wг1 – скорость газа в горловине трубы, м/с; Wг1=100м/с.

Диаметр конфузора и диффузора:

,

гдеWг2 – скорость газа на входе в конфузор и на выходе из диффузора, Wг2=20м/с.

Длина конфузора трубы:

,

где2αк=28о.

Длина диффузора трубы:

,

где2αд=6о.

Длина горловины трубы:

,

Гидравлическое сопротивление трубы:

,

где

.

Удельная энергия, вводимая в трубу с газом и водой:

,

где ΔР – гидравлическое сопротивление трубы, Па;

ΔРф – гидравлическое сопротивление форсунок, 3*103Па;

qг – объемный расход газа, м3/с.

Средний диаметр конфузора и диффузора трубы:

,

Скорость газа в среднем сечении трубы:

,

Параметр А:

где dг – размер улавливаемых частиц, dг=10мкм;

σ – поверхностное натяжение воды, Н/м; σ=72,8*10^-3 Н/м

τ – среднее время пребывания газа в трубе, с,

,

где Vтр – рабочий объем трубы, рассчитанный по размерам конфузора и диффузора, м3.

Эффективность пылеулавливания:

.

На практике эффективность пылеулавливания составляет не более 96%.

Список использованной литературы

1. Бортников И.И., Босенко А.М. Машины и аппараты микробиологических производств. – Минск : Высшая школа, 1982.

2. Быков В.А., Винаров А.Ю., Шерстобитов В.В. Расчет процессов микробиологических производств. – Киев : Техника, 1985.

3. Вукалович М.П., Киримник В.А., Ремизов С.Н. Термодинамические свойства газов. – М.: Машгиз, 1953.

4. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчет процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. – Л.: Химия, 1972.

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия,1986.

6. Соколова В.И., Яблокова М.А. Аппаратура микробиологической промышленности. – Л.: Машиностроение, 1988.

7. Трубчатые печи. Каталог/ Под ред. В.Е.Бакшалова и др..–М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985.

8. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И. и др. Очистка промышленных газов от пыли. – М.:Химия, 1981.

Приложение

Программа расчета энтальпии сгорания топлива на языке программирования Turbo Pascal

program sushka;

uses crt;

const a=1.05;

Rv=1.238;

var q50,q100,q150,q200,q250,q300,q350,

q1,q2,q3,Q,s,x1,x2,x3,c,h,z,L0,L9,V9,G,

m1,m2,m3,m4,m,v1,v2,v3,v4,v,R1,R2:real;

begin

clrscr;

writeln('введите состав топливного газа в % по объему');

write('метан=');

readln(f1);

write('этан=');

readln(f2);

write('пропан=');

readln(f3);

Q:=360.33*q1+631.8*q2+913.8*q3;

s:=(q1*16.043+q2*30.07+q3*44.1);

x1:=q1*16.043*100/s;

x2:=q2*30.07*100/s;

x3:=q3*44.1*100/s;

c:=12*(x1/16.043+2*x2/30.07+3*x3/44.1);

h:=4*x1/16.043+6*x2/30.07+8*x3/44.1;

r1:=1/(x1/(100*0.72)+x2/(100*1.36)+x3/(100*2.02));

z:=c+h;

if abs(z-100)<=0.1 then

begin

L0:=0.0115*c+0.345*h;

L9:=L0*a;

V9:=L0/Rv;

G:=1+L9;

m1:=0.0367*c;

m2:=0.09*h;

m3:=0.23*L0*(a-1);

m4:=0.768*a*L0;

m:=m1+m2+m3+m4;

end

else

begin

writeln('ошибка');

halt;

end;

if abs(m-g)<=0.01 then

begin

v1:=m1*22.4/44.1;

v2:=m2*22.4/18.015;

v3:=m3*22.4/31.999;

v4:=m4*22.4/28.013;

v:=v1+v2+v3+v4;

r2:=m/v;

end

else

begin

writeln('ошибка');

halt;

end;

writeln('низшая теплотворная способность топлива Q=',q:10:3,'кДж/куб.м');

writeln('содержание углерода в топливе=',c:6:3,'в % по массе');

writeln('содержание водорода в топливе=', h:6:3,'в % по массе');

writeln('плотность топливного газа=',r1:6:3,'кг/куб.м');

writeln('теоретический расход воздуха=',L0:6:3,'кг/кг');

writeln('фактический расход воздуха=',L9:6:3,'кг/кг');

writeln('количество продуктов сгорания=',G:6:3,'кг/кг');

writeln('объемный расход воздуха=',V9:6:3,'куб.м/кг');

writeln('количество образующихся газов:');

writeln('СО2=',m1:6:3,'кг/кг');

writeln('Н2О=',m2:6:3,'кг/кг');

writeln('О2=',m3:6:3,'кг/кг');

writeln('N2',m4:6:3,'кг/кг');

writeln('объемное количество газов:');

writeln('СО2=',v1:6:3,'куб.м/кг');

writeln('H2O=',v2:6:3,'куб.м/кг');

writeln('О2=',v3:6:3,'куб.м/кг');

writeln('N2=',v4:6:3,'куб.м/кг');

writeln('плотность продуктов сгорания=',r2:6:3,'куб.м/кг');

readln;

q50:=50*(m1*0.839+m2*1.868+m3*0.919+m4*1.031);

q100:=100*(m1*0.862+m2*1.877+m3*0.925+m4*1.033);

q150:=150*(m1*0.885+m2*1.886+m3*0.931+m4*1.034);

q200:=200*(m1*0.908+m2*1.895+m3*0.936+m4*1.036);

q250:=250*(m1*0.928+m2*1.907+m3*0.943+m4*1.038);

q300:=300*(m1*0.946+m2*1.921+m3*0.950+m4*1.041);

q350:=350*(m1*0.964+m2*1.934+m3*0.957+m4*1.045);

writeln('энтальпия продуктов сгорания:');

writeln('q50=',q50:10:3,'кДж/кг');

writeln('q100=',q100:10:3,'кДж/кг');

writeln('q150=',q150:10:3,'кДж/кг');

writeln('q200=',q200:10:3,'кДж/кг');

writeln('q250=',q250:10:3,'кДж/кг');

writeln('q300=',q300:10:3,'кДж/кг');

writeln('q350=',q350:10:3,'кДж/кг');

end.

Результаты расчета

введите состав топливного газа в % по объему

метан=95

этан=3

пропан=2

низшая теплотворная способность топлива Q=37953.29 кДж/куб.м

содержание углерода в топливе=75.610 в % по массе

содержание водорода в топливе=24.490 в % по массе

плотность топливного газа=0.739 кг/куб.м

теоретический расход воздуха=17.105 кг/кг

фактический расход воздуха=17.961 кг/кг

количество продуктов сгорания=18.961 кг/кг

объемный расход воздуха=13.894 куб.м/кг

количество образующихся газов:

СО2=2.773 кг/кг

Н2О=2.195 кг/кг

О2=0.196 кг/кг

N2=13.796 кг/кг

объемное количество газов:

СО2=1.411 куб.м/кг

H2O=2.732 куб.м/кг

О2=0.138 куб.м/кг

N2=11.035 куб.м/кг

плотность продуктов сгорания=1.238 куб.м/кг

энтальпия продуктов сгорания:

q50=1041.439 кДж/кг

q100=2094.097 кДж/кг

q150=3155.913 кДж/кг

q200=4230.307 кДж/кг

q250=5316.560 кДж/кг

q300=6418.746 кДж/кг

q350=7532.253 кДж/кг