Определение основных размеров сушильного барабана

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

V_с = W/(К_v∆x'_ср) (16)

где ∆x'_ср — средняя движущая сила массопередачи, кг влаги/м³; 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_υ = β_υ.

Для барабанной сушилки коэффициент массоотдачи β_υ вычисляем по эмпирическому уравнению:

β=1,6∙10^-2 (17)

где ρ_ср — средняя плотность сушильного агента, кг/м³;

с — теплоемкость сушильного агента при средней температуре в барабане, равная 1 кДж/(кг-К);

Р — степень заполнения барабана высушиваемым материалом, %;

Р₀ — давление, при котором осуществляется сушка, Па;

р — среднее парциальное давление водяных паров в сушильном барабане, Па.

Уравнение 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 табл. 1.

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

 

Размер частиц, мм	Значение ω, м/с, при рм, кг/м3
0,3-2 Более 2	0,5-1 1-3	2-5 3-5	3-7,5 4-8	4-8 6-10	5-10 7-12

 

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 2 мм, насыпная плотность 1200 кг/м³. Принимаем скорость газов в барабане ω = м/с. Плотность сушильного агента при средней температуре в барабане t_ср = ( + )/2 = °С практически со­ответствует плотности воздуха при этой температуре:

ρ_ср= = =

При этом ωρ_ср = ∙ = кг/(м²∙с), что не нарушает справедливости уравнения.

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

Рисунок 2 - Типы перевалочных устройств, применяемых в барабанных сушилках, и степень заполнения барабана β: 1 - подъемно-лопастные, β = 12 %; 2 — подъемно-лопастные, β= 14 %; 3 — распределительные, β = 20,6 %; 4 — распределитель­ные с закрытыми ячейками, β = 27,5 %.

Степень заполнения барабана высушиваемым материалом β для разных конструкций перевалочных устройств различна. Наиболее распространенные перевалочные устройства показаны на рисунке 2. Для рассматриваемой конструкции сушильного барабана β = 12 %.

Процесс сушки осуществляется при атмосферном давлении, т. е. при Р₀ = 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;

р= (18)

Тогда на входе в сушилку:

р₁= =

на выходе из сушилки:

р₂= =

Откуда

р = (р₁ + р₂)/2 = ( + )/2 = Па

Таким образом, объемный коэффициент массоотдачи равен:

β_v=1,62∙10-2 = с^-1

Движущую силу массопередачи ∆x'_ср определим по уравнению;

∆x'_ср = = (19)

где ∆x'_б = х₁* — х'₁ — движущая сила в начале процесса сушки, кг/м³;

∆х'_м = х₂* — х'₂ — движущая сила в конце процесса сушки, кг/м³;

х₁* — х₂* — равновесное содержание влаги на входе в сушилку и на выходе из нее, кг/м³.

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

∆Р_ср= (20)

Для случая прямоточного движения сушильного агента и высушиваемого материала имеем:

∆Р_б = Р₁* — Р₁ — движущая сила в начале процесса сушки, Па;

∆Р_м = Р₂* — Р₂ — движущая сила в конце процесса сушки, Па

Р₁*, Р₂* — давление насыщенных паров над влажным материалом в начале и в конце процесса сушки, Па.

Значения Р₁* и Р₂* определяются по температуре мокрого термометра сушильного агента в начале t_м1 и в конце t_м2 процесса сушки. По диаграмме I - х найдем: t_м1= °С, t_м2 = °С; при этом Р₁* = Па, Р₂* = Па.

Тогда:

∆Р_ср= = Па

Выразим движущую силу в кг/м³ по уравнению;

∆x'_ср = =

Объем сушильного барабана, необходимый для проведения процесса испарения влаги, без учета объема аппарата, требуемого на прогрев влажного материала, находим по уравнению (6):

V_с = / ∙ = м³

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

V_п = Q_п/K_v∆t_cp (21)

где Q_п — расход тепла на прогрев материала до температуры t_м1 кВт; К_v - объемный коэффициент теплопередачи, кВт/(м³∙К); ∆t_ср — средняя разность температур, град.

Расход тепла Q_н равен:

Q_п = ∙ ( - ) + ∙4,19( - ) = кВт

Объемный коэффициент теплопередачи определяют по эмпирическому уравнению:

К_v= 16∙1,78^0,9 5^0,7∙12^0,54 =336 Вт/(м³∙К) = 0,336 кВт/(м³∙К)

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

Q_п=L_с.г(1+x₁)с_г(t₁-t_x) (22)

= (1 + ) 1,05 ( - t_х)

Откуда t_x = °С.

Средняя разность температур ∆t_cр равна:

∆t_cр = (23)

∆t_cр = = °С

Подставляем полученные значения в уравнение:

Vп = / ∙ = м³

Общий объем сушильного барабана равен:

V= + =

Далее по справочным данным находим основные характеристики барабанной сушилки — длину и диаметр. В таблице 2 приведены основные характеристики барабанных сушилок, выпускаемых заводами «Уралхиммаш» и «Прогресс».

Таблица 2 - Основные характеристики барабанных сушилок заводов «Уралхиммаш» и «Прогресс»

По таблице выбираем барабанную сушилку со следующими характеристиками: объем V= м³, диаметр d = м, длина l = м.

Определим действительную скорость газов на барабане w_д:

w_д = v_г/0, 785d²

Объемный расход влажного сушильного агента выходе из барабана v_г, м³/с равен:

v_г=L_с.гv₀ ( ) (24)

где x_ср — среднее содержание влаги в сушильном агенте, кг/кг влажного воздуха.

v_г= ∙ ( + )=

Тогда:

w_д = / = м³/с

Действительная скорость газов (w = м/с = w_д = м/с)

Далее определим среднее время пребывания ма­териала в сушилке:

τ= (25)

Количество находящегося в сушилке материала G_м (кг) равно:

G_м = Vβρ_м; (26)

G_м = ∙ ∙ = кг

Отсюда

τ= =

Зная время пребывания, рассчитаем угол наклона барабана:

α'=( ) (27)

α'=( ) = °

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 w_св, определяют по уравнению:

w_св= ( ) (28)

где (μ_ср и ρ_ср — вязкость и плотность сушильного агента при средней температуре; d, — наименьший диаметр частиц материала, м; А_r=d³ρ_чρ_срg/μ²cp — критерий Архимеда; ρ_ч — плотность частиц высушиваемого материала, равная для песка 1500 кг/м³.

Средняя плотность сушильного агента ρ_ср равна:

ρ_ср = [М_св (Рo - P) + МвР]

ρ_ср = [ (10⁵ — ) + ] = кг/м³

A_r= =

Скорость уноса w_св :

w_св= ( )= м/с

Рабочая скорость сушильного агента в сушилке w_д = 4,3 м/с меньше, чем скорость уноса частиц наименьшего размера w_св = 6.3 м/с, поэтому расчет основных размеров сушильного барабана заканчиваем.