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

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

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 єС.

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 =(125ч250) кДж/кг [6]:

Qп=q W,

q= 125 ,

Qп=125*28331,85=3542084,15 .

Потери тепла в окружающую среду обычно составляют 3ч8℅ 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

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: