Определение основных размеров сушильного барабана

Основные размеры барабана выбирают по нормативам и каталогам-справочникам [2, 3] в соответствии с объемом сушильного пространства. Объем сушильного пространства V складывается из объема V_п, необходимого для прогрева влажного материала до температуры, при которой начинается интенсивное испарение влаги (до температуры мокрого термометра сушильного агента), и объема V_с, требуемого для проведения процесса испарения влаги, т. е. V = V_с + V_п. Объем сушильного пространства барабана может быть вычислен по модифицированному уравнению массопередачи [4, 5]:

                                                                               (16)

где  – средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³; К_ν – объемный коэффициент массопередачи, 1/с.

При сушке кристаллических материалов происходит удаление поверхностной влаги, т. е. процесс протекает в первом периоде сушки, когда скорость процесса определяется только внешним диффузионным сопротивлением. При параллельном движении материала и сушильного агента температура влажного материала равна температуре мокрого термометра. В этом случае коэффициент массопередачи численно равен коэффициенту массоотдачи К_ν = β_ν.

Для барабанной сушилки коэффициент массоотдачи β_ν может быть вычислен по эмпирическому уравнению [5]:

                                                     (17)

где ρ_ср – средняя плотность сушильного агента, кг/м3; с — теплоемкость сушильного агента при средней температуре в барабане, равная 1 кДж/(кг*К) [1]; β – оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом, %; Р_о – давление, при котором осуществляется сушка, Па; p — среднее парциальное давление водяных паров в су­шильном барабане, Па.

Уравнение (17) справедливо для значений ωр_ср = 0,6 – 1,8 кг/(м₂*с), n = 1,5 –5,0 об/мин, β = 10 – 25%.

Рабочая скорость сушильного агента в барабане зависит от дисперсности и плотности высушиваемого материала. Для выбора рабочих скоростей (ω, м/с) при сушке монодисперсных материалов можно руководствоваться данными, приведенными в таблице 1.

Для полидисперсных материалов с частицами размером от 0,2 до 5 мм и насыпной плотностью ρ_м = 800 – 1200 кг/м³ обычно принимают скорость газов в интервале 2 – 5 м/с. В данном случае размер частиц высушиваемого материала от 1 до 4 мм, насыпная плотность 1100 кг/м3 [1]. Принимаем скорость газов в барабане ω = 2,2 м/с. Плотность сушильного агента при средней температуре в барабане t_ср = (250 + 80)/2 = 165 ⁰С практически соответствует плотности воздуха при этой температуре:

               кг/м³

При этом ωρ_ср = 2,2*0,807= 1,775 кг/(м²*с), что не нарушает справедливости уравнения (17).

Частота вращения барабана обычно не превышает 5 – 8 об/мин; принимаем n = 5 об/мин.

Оптимальное заполнение барабана высушиваемым материалом β для разных конструкций перевалочных устройств различно. Наиболее распространенные перевалочные устройства показаны на рисунке. 1. Для рассматриваемой конструкции сушильного барабана β = 14 %.

Рисунок 1. типы перевалочных устройств, применяемых в барабанных сушилках, и степень заполнения барабана β:

1 – подъемно-лопастного, β = 12%; 2 – то же, β = 14%; 3 – распределительные, β = 20,6%; 4 – распределительные с закрытыми ячейками, β = 27,5%.

 

Процесс сушки осуществляется при атмосферном давлении, т. е. при Р_о=10⁵ Па. Парциальное давление водяных паров в сушильном барабане определим как среднеарифметическую величину между парциальными давлениями на входе газа в сушилку и на выходе из нее.

Парциальное давление водяных паров в газе определим по уравнению:

                      кг/м³                                     (18)

 

Таблица 1. К выбору рабочей скорости газов в сушильном барабане ω

Тогда на входе в сушилку:

         Па

На выходе из сушилки:

        Па

Отсюда  Па

Таким образом, объемный коэффициент массоотдачи равен:

                  с^-1

Движущую силу массопередачи   определим по уравнению:

                                               (19)

где  – движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³;  – движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³;  – равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м³.

Средняя движущая сила ΔР_ср, выраженная через единицы давления (Па), равна:

                                                                           (20)

Для прямоточного движения сушильного агента и высушиваемого материала имеем:  – движущая сила в начале процесса сушки, Па;  – движущая сила в конце процесса сушки, Па; — давление насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па.

Значения  и  определяют по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале (t_м1) и в конце (t_м2) процесса сушки. По диаграмме I-х найдем: t_м1= 52,5°С, t_м2= 51 °С; при этом = 13949,85 Па,  = 12956,76 Па [1]. Тогда

 Па

Выразим движущую силу в кг/м³ по уравнению (19)

             кг/м³.

Объем сушильного барабана, необходимый для проведения процесса испарения влаги, без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материала, находим по уравнению (16):

                       м³

Объем сушилки, необходимый для прогрева влажного материала, находят по модифицированному уравнению теплопередачи:

                                                                               (21)

где Q_п – расход тепла на прогрев материала до температуры t_м1 кВт; Кν – объемный коэффициент теплопередачи, кВт/(м³*К); Δt_ср – средняя разность температур, град.

Расход тепла Q_п равен:

                                                 (22)

   кВт.

Объемный коэффициент теплопередачи определяют по эмпирическому уравнению [5]:

                                                                     (23)

                  кВт/(м³*К).

Для вычисления Δt_ср необходимо найти температуру сушильного агента t_x, до которой он охладится, отдавая тепло на нагрев высушиваемого материала до t_м1. Эту температуру можно определить из уравнения теплового баланса:

                                                                   (24)

                 .

t_x = 225,3 ⁰C.

Средняя разность температур равна:

                                                            (25)

               ⁰C.

Подставляем полученные значения в уравнение (21):

                       м³.

Общий объем сушильного барабана V= 77,82+ 4,86 = 82,68 м³.

Далее по справочным данным [2, 3] находим основные характеристики барабанной сушилки – длину и диаметр.

В таблице 2 приведены основные характеристики барабанных сушилок, выпускаемых; заводами «Уралхиммаш» и «Прогресс» [6]. По таблице выбираем барабанную сушилку № 7208 со следующими характеристиками: объем V = 86,2 м³, диаметр d = 2,8 м, длина l = 14 м.

Определим действительную скорость газов в барабане:

                                                                             (26)

Объемный расход влажного сушильного агента на выходе из барабана (в м³/с) равен:

                                                     (27)

где х_ср – среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг сухого воздуха. Подставив, получим:

         м³/с.

Тогда  м³/с.

Определим среднее время пребывания материала в сушилке [5]:

                                                                           (28)

Количество находящегося в сушилке материала (в кг) равно:

                                                                                         (29)

                          кг

Отсюда  с.

Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана [5]:

                                                 (30)

   ^о

Если полученное значение α' мало (меньше 0,5о), число оборотов барабана уменьшают и расчет повторяют сначала.

Далее необходимо проверить допустимую скорость газов, исходя из условия, что частицы высушиваемого материала наименьшего диаметра не должны уноситься потоком сушильного агента из барабана. Скорость уноса, равную скорости свободного витания ω_{с в}, определяют по уравнению [4]:

                                                           (31)

где μ_ср и р_ср – вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре; d – наименьший диаметр частиц материала, м; Аг = d³р_чр_срg/μ_ср² – критерий Архимеда; р_ч — плотность частиц высушиваемого материала, равная для аммофоса 1750 кг/м³.

Средняя плотность сушильного агента равна:

                    

 кг/м³

Критерий Архимеда:

               

Тогда скорость уноса:

       м/с.

Рабочая скорость сушильного агента в сушилке (ω_д = 2,746 м/с) меньше, чем скорость уноса частиц наименьшего размера ω_с.в = 6,653 м/с, поэтому расчет основных размеров сушильного барабана заканчиваем. В противном случае (при ω_д > ω_с.в) уменьшают принятую в расчете скорость сушильного агента и повторяют расчет.