Расчет процесса распылительной сушки с построением I-d диаграммы

мально необходимую мощность поджигающего импульса и тем самым сокращают число возможных источников неконтролируемого воспламенения. Минимальная энергия, необходимая для зажигания смеси, тем сильнее, чем больше концентрация примеси ингибитора. Ингибиторы коррозионно безопасны, не токсичны и недороги. Они успешно прошли тестовые испытания.

Для заметного торможения процесса требуются такие малые количества этих веществ, при которых другие свойства реакционных смесей фактически не изменяются, и не заслоняют эффект ингибирования как в режимах воспламенения и распространения пламени, так и в режиме детонации.

Библиографические ссылки

1. Саранцев В.Н., Козляков В.В. Проблемы и решения обеспечения безо-пасностипри работе на компримированном природном газе и водороде. // Ориентированные фундаментальные исследования - новые модели сотрудничества в инновационных процессах: Сб. науч. тр. и инженерных разработок науч. конф. [Под ред. чл.-корр. РАН, академика РИА Б.В. Гусева]. М.: Эксподизайн-Холдинг, 2008. С. 451-453.

2. Саранцев В.Н., Азатян В.В., Козляков В.В. Проблемы безопасности при работе на компримированном природном газе. // Секция 5. Энергетика, транспорт и энергосбережение: Материалы юбилейной XX межд. интернет-ориентированной конф. молод, ученых и студ-в по соврем, проблемам машиноведения. М.: ИМАШ РАН, 2008. С. 81.

УДК 66.047

Б. С. Сажин, О. С. Кочетов, М. Б. Сажина", JT. Б. Дмитриева, М. А. Апарушкина, А. В. Костылева, Е. О. Боброва, Е. С. Бородина, А. С. Буток, М. А. Кипнис, В. Б. Сажин

Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия "Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ С ПОСТРОЕНИЕМ I-d ДИАГРАММЫ

In work the design procedure of parameters of process of drying of materials of dispersion with construction of process of drying on I-d is submitted to the diagram. The technique of construction of process of drying on I-d to the diagram is considered on an example of a mode of the dryer working by a principle of a parallel current of movement of a solution and the heat-carrier, and as the heat-carrier air which is heated up in a gas heater is used, and in quality disper-gator the vortical centrifugal atomizer is applied. As the first step of clearing of air from a dust of a product cyclones are used, and final clearing is made in a wet scrubber where there is a prelimi-

nary condensation of a solution up to required humidity.

В работе представлена методика расчета параметров процесса сушки диспергированных материалов с построением процесса сушки на I-d диаграмме. Методика построения процесса сушки на l-d диаграмме рассмотрена на примере режима сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора н теплоносителя, причем в качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве дисперга-тора применяется вихревая центробежная форсунка. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны, а окончательная очистка производится в мокром скруббере, где происходит предварительное сгущение раствора до требуемой влажности.

Наиболее важным этапом расчета параметров процесса сушки диспергированных материалов является построение процесса сушки на I-d диаграмме. Рассмотрим этот этап расчета на примере режима сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя, схема которой представлена на рис. I. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, перед которым температура смеси топочного газа и воздуха составляет t?=750 °С [1]. В качестве распиливающего устройства используется устройство, приведенное на рис.2. Вывод готового продукта из сушильной установки производится с помощью скребков 7 в приемный короб 8 для готового продукта, а затем в бункер 9 для сбора готового продукта. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны б, размещенные в стояках 5, а окончательная очистка его производится в мокром скруббере 12, который орошается раствором, подаваемым насосом из емкости 11. В скруббере происходит предварительное сгущение раствора до требуемой влажности.

Отработанный и очищенный теплоноситель выбрасывается в атмосферу, а сгущенный раствор поступает в емкость 11, и после перемешивания его с исходным раствором поступает в диспергатор 3, в качестве которого применяется вихревое центробежное устройство, представленное на рис.2.

Рассмотрим построение I-d диаграммы на примере со следующими техническими условиями на протекание процесса сушки:

- максимально допустимая температура нагрева в процессе сушки исходного раствора - 110 °С; часовая производительность по сухому продукту Gj=400 кг/час; начальная и конечная влажность раствора и продукта wi = 64,3 % и w2 =5 %; начальная температура воздуха перед сушилкой ti = 300 °С, температура воздуха за сушилкой ti= 300 °С;

Для сушки используется наружный воздух с параметрами: t0 =-10 °С ; do =1,47 г/кг; ср = 80%: 10= 1,53 ккал/кг. Начальная точка В процесса сушки будет иметь параметры tt=300 °С и d| = do = 1,47 г/кг (рис.3).

Теперь определим потери тепла в сушилке на 1 кг испаренной влаги. Расход тепла на нагрев продукта вычисли по формуле:

Чм = G2cm

где с», - теплоемкость продукта, которая равна:

с» = ccyx(V00- w2)/l 00 + w2/l 00 = 0,3(100-5)/100 + + 5/100 = 0,335 ккал/кгтрад;

ссух - теплоемкость абсолютно сухого продукта, равна 0,3 ккал/кг град; иг - температура продукта после сушки, равна 90 °С; г>1 - температура раствора, принимается равной температуре мокрого термометра при соответствующих параметрах воздуха в скруббере с учетом охлаждения на Г, т.е.48 °С.

Отработанный Теплоноситель

атмосферу

^ Готовый продукт

Рис, 1. Схема распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя: 1-сушильная камера, 2-система воздуховодов для подачи теплоносителя, З-распыливающее устройство, 4-корпус сушильной установки, 5-стояки для размещения системы улавливания высушенного продукта, 6-циклон, 7-скре5ковое устройство, 8-приемный короб для готового продукта, 9-привод скребкового устройства, 10-бункер для сбора готового продукта, 11-емкостьдля исходного раствора, 12-скруббер.

При соответствующей изоляции сушилки принимаем потери тепла в окружающую среду равными q5 = 60 ккал/кг, тогда суммарные потери тепла составят

Д= Vi- q», - qs = 48 - 11,7 - 60 = 23,7 ккал/кг.

Теперь для построения действительного процесса сушки на диаграмме I-d определим отрезок Ее (см. рис.3): Ее = e-f -Д /ю = 100-(-23,7)/500 = - 4,8 мм и из точки В через точку Е проведем прямую линию до пересечения с t2 =100 °С, и получим влагосодержание отработанного воздуха с!2=70 г/кг.

Подсчитаем расход сухого воздуха на 1 кг испаренной влаги

I = 1000/

При этом: часовой расход сухого воздуха составит: L = 7-W = 14,6-550 = 8050 кг/час.

Удельный объем влажного воздуха, отнесенный к 1 кг сухого воздуха, равен

v0 = 4,64-10'6 (622 + d)(273 +1),

причем на входе в сушилку и'о =1,65 м3/кг, а на выходе из сушилки г>"0=1,19 м8/кг.

Центробежный распылитель жидкости (см. рис.2) имеет полый корпус 1 с крышкой, имеющей центральное отверстие для подачи жидкости, в котором с помощью фланцев закреплены, по крайней мере, три радиальные цилиндрические сменные сопловые трубки 2. Во внутреннюю полость трубок 2 вставлены свободно спиральные стержни 3 с возможностью вращения вокруг своей оси за счет подшипниковых опор 4 и 5, расположенных по обоим концам спиральных стержней 3 и закрепленных во внутренней полости трубок 2. Распылитель приводится во вращение приводным валом 6. Распылитель работает следующим образом. Рабочая жидкость через центральное отверстие в крышке подается во внутреннюю полость корпуса 1, где располагается под действием центробежной силы кольцевым слоем по его боковой поверхности, распределяясь равномерно по всем каналам трубок 2. При вращении жидкостного кольца создается давление, благодаря которому жидкость преодолевает местное сопротивление входа и поступает во внутреннюю полость трубок 2, и вращает вставленные свободно спиральные стержни 3, образуя вращающийся вихревой поток жидкости внутри трубок 2, который покидая полость трубок турбулизируется за счет вращения корпуса 1 и, взаимодействия с окружающей средой, и разбивается на мелкодисперсные частицы жидкости. Сменные сопловые трубки 2 и спиральные стержни 3 могут быть выполнены из твердых материалов: карбида вольфрама, рубина, сапфира.

Использование предлагаемого распылителя по сравнению с известными позволяет приблизительно в 1,5 раза снизить частоту вращения приводного механизма корпуса 1 и за счет этого упростить его конструкцию в

повысить надежность, не менее чем в 2 раза снизить удельные энергозатраты на распыление жидкости.

Повышение однородности распыления, достигаемое за счет получения на выходе из распылителя тонкой турбулюированной пленки равномерной толщины, позволяет при распылительной сушке термочувствительных продуктов повысить температуру теплоносителя в объеме аппарата без опасности перегрева мельчайших частиц, улучшить качество сухого продукта и снизить затраты на сооружение систем улавливания частиц уноса.

В первый период сушки температура поверхности равна температуре мокрого термометра, т. е. -о,, = 1М « 53 °С. Этот период продолжается до тех пор, пока влажность частиц не станет равной гигроскопической, т. е. для данного раствора теу0 = 40 % (влажность, отнесенная к абсолютно сухому ве-

Количество испаряемой влаги при снижении влажности частиц раствора от до щ- равно

V,- О'Кш, - №г)/

Влагосодержание воздуха в конце первого периода сушки

6,'г = й + 1000 -У/Л = 1,47 + 1000-427/8050 = 54,5 г/кг.

Влагосодержаншо 54,5 г/кг на линии действительного процесса (точ-

су).

Рис. 2. Схема распылнтельного устройства.

ка Ц) соответствует температура воздуха 1Г2~150 °С; тогда Д^ равно

Л1, =(1, ~?2)/( 2,3• 18(0, - 1а)/(Г2 - ш =

= (300- 150) /(2,3-]8((300-53)/(150-53))) = 160 °С

Принимая при \¥г° = 40 % температуру поверхности испарения равной = 1„ = 53 °С, а при равновесной влажности =2 %, г>„ = 12 =100 °С, температура продукта будет равна \>2 = 90 °С.

Средняя разность температур Д12 втором периоде сушки равна

&2 = ((Г2 - 1М ) - (Ь - 1)2 )) / ( 2,3 1ё ((1'2 - ) / (12 - 1)2 ))) =

=

Отношение между первым и вторым периодами сушки:

Х= 1 / (1+(( 1'2 +12)( - шгс) / ((I, + )(шгс -

- wpc) 2,3 18 ((шгс - ™рс) / - wpc)))) =

= 1 /( 1 +(( 150+ 100)( 150-40)/((300 +

+ 150) (40 - 2) 2,3 1Е ((40 - 2 )/ (5,3 - 2)))) = 0,62.

Средняя разность температур между воздухом и поверхностью испа-

рения:

Дир = Д1:,(1-Х) + Д1:2Х = 160-0,38 + 38 0,62 =84,3 °С. (7) Объемный коэффициент теплообмена

а„ = ((1,58 • Ю'Чо, / (уР Рк))  (1 / бзд)1'6  ( 1 /(ив + иг))0'8 =

= (( 1,58- 10"3- 3,2-10"2 •

•950/С 1100- 9,62)) • (1/(0,08- 10'3)!'6-( 1/(0,3 +

+ 0,15))0,8 = 31 ккал/м3- час-град,

где: X - средняя теплопроводность воздуха, равная 3,2-10'2 ккал/м-час-град; Рк - сечение камеры, равное 9,62 м2.

Количество тепла, передаваемого от воздуха к частицам раствора,

равно

О = V/ (595 + 0,4712 - г),) + см С>2 (и2 - щ) = 550(595 + 0,47-100 - 48) +

+ 0,335-400

Объем сушильной камеры

Ук=

Высота сушильной камеры

Нк = У«/Рк= 126/9,62-13 м.

Теперь оценим количество подсасываемого воздуха на тракте от сушилки до вентилятора величиной 10 %; тогда количество воздуха, проходящего через скруббер, равно

Ь«= 1,1Ь = 1,1-8050 = 8855 кг/час.

Параметры воздуха, подсасываемого из помещения цеха:

1'0 = 20 °С, ср'о = 80 %, <Д*о = 12 г/кг.

Из построения на диаграмме Ы процесса смешения отработанного воздуха сушилки и воздуха из помещения цеха находим параметры воздуха перед скруббером, которые будут: с!'ск = 64 г/кг, еС11 = 93 °С (точка М). Строим действительный процесс сгущения раствора в скруббере, который, согласно расчету аналогичного процесса сушки, выражается линией ММ'. При определении конечной точки процесса исходим из относительной влажности воздуха за скруббером фск" = 60 %. Параметры воздуха в точке М' будут: (¡"ск = 77 г/кг, 1"ок = 62 °С.

Количество испаряемой влаги в скруббере

\¥ск= ЪсПООО

Влажность раствора после скруббера

= (О, - Осух- Woк) / (С,'. - \УСК )100 -

= (1065 - 380 - 115 )/ (1065 - 115 ) -100 = 60 %,

что соответствует принятой ранее величине влажности раствора перед сушилкой. Понижением влажности раствора за счет улавливания пыли продукта из воздушного потока пренебрегаем.

Исходя из скорости воздуха в скруббере иж = 1 м/сек, определяем диаметр скруббера

Оск= V (Ьскуск /(0,785 • 3600- и« ) = V (8855-1,085 / (0,785-3600 1) = 1,84 м.

Скруббер работает с рециркуляцией раствора из расчета, чтобы плотность орошения составляла А = 3 т/'м2 час.

Количество распиливаемого раствора

Gp = A(7[-Dck2)'4 = 3(3,14-1,842)/4 = 7,92 т/час = 7920 кг/час. (13) Влажность раствора перед скруббером ^ =( G,w, + (Gp- G,) w,*)/ Gp = (1065-64,3 + (7920-1065)-60)/7920 = 60,7 %.

В скруббере устанавливаем механические вихревые центробежные форсунки. Распыление производится при давлении 3,0 ати. Принимая соот-

ветствующие размеры форсунки, при которых коэффициент расхода составляет ц =0,5, определим диаметр выходного сечения форсунки:

5ф = л! (Ор /(4-0,785-3600-ц \2gAp р'р)) =

= V (7920 / (4-0,785-3600-0,5^2-9,81-3-104-1100)) =

=0,74-10"2 м = 7,4 мм.

Средняя разность температур между воздухом и поверхностью испарения капель раствора равна

А1 ср = (1'ск -1" ск )/(2,3 1ё ((I'« - ГнУ( 1"ск - I'.«)) =

= (93 - 62)/(2,3 ^ (( 93 - 49)/(62 -49)) = 25,5 °С.,

где 1'м - температура мокрого термометра воздуха в скруббере, равная 49°.

Объемный коэффициент теплообмена

<х,.ск = 95  А °'8г = 95 - 3 0,82 = 2 3 5 ккал/м3-час- град.

Количество тепла, переданного от воздуха к распыленному раствору,

равно

<2ск = wcк (595 + 0,471"ск - ) = 115 (595 + 0,47 • 62 — 49) = 66000 ккал/час.

Объем скруббера

V« = (2 ск / (ауск At ср) = 66000/(235 -25,5)« 11 м3

Рабочая высота скруббера

Н« = V«/ Бок = 11,0/2,64 = 4,17 м.

Перед нагревателем температура смеси топочных газов и воздуха должна быть 1:',-=750 °С, Тогда количество водяного пара, поступающего с воздухом

= а Мо/1000 = 2,64-3,86-1,47 /1000 = 0,015 кг/кг.

Количество абсолютно сухих газов, получающихся от сжигания 1 кг топлива,

Ьст = 1 + а Ь0 - (9 НР+\У" + АУ100 = = 1+2,64-3,86 - (9-2,2 + 32,5 + 23,6)/100 = 10,44 кг/кг.

Влагосодержааие смеси топочных газов я воздуха перед нагревателем при tr= 750 °С равно

d0M= 1000

Процесс нагрева воздуха на диаграмме 1-d изображается линией АВ. Количество тепла, необходимое на нагрев воздуха, равно

QK = L

где 10 и Ii - энтальпия воздуха до и после нагревателя в ккал/кг. Это количество тепла сообщается воздуху от смеси топочных газов и

воздуха.

Процесс охлаждения газов происходит при постоянном влагосодер-жании dCM = 51,6 г/кг от t'r = 750 °С до t"r = 280 °С и изображается на диаграмме I-d линией В ]В2. Выводы.

В работе представлена методика расчета параметров процесса сушки диспергированных материалов с построением процесса сушки на I-d диаграмме.

Методика построения процесса сушки на I-d диаграмме рассмотрена на примере режима сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя, причем в качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве диспер-гатора применяется вихревая центробежная форсунка.

В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны, а окончательная очистка производится в мокром скруббере, где происходит предварительное сгущение раствора до требуемой влажности.

Библиографические ссылки

1.Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия, 1984. 320 с.

2. Голубев Л.Г., Сажин Б.С., Валашек Е.Р. Сушка в химико-фармацевтической промышленности. М.: Медицина, 1978. 272 с.

3. Лыков М.В., Леончик Б.И. Распылительные сушилки. М.: Машиностроение, 1966.

4. Повышение эффективности технологических процессов в поле акустических колебаний. // Научн.тр.МИСиС [Под ред. Н.Н. Хавского]. М.: Металлургия, 1981.

5. Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука [в 3-х кн.] Кни-

га 3: Физические основы ультразвуковой технологии. М.: Наука, 1970. Гл. 9 и 10.

6.Гинзбург A.C. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985.

7. Разработка метода и рациональной схемы комплексной обработки воздуха для повторного использования тепла. / М.В.Чунаев [и др.]; // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005, Т. XIX. 10(58). С. 106-109.

8. Эффективность процесса сушки на опытно-промышленном образце аппарата с виброкипящим слоем. Б.С.Сажин [и др.]; И Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности: Материалы Всерос. НТК студ-в и аепир-в. Дни науки 2005 г. С-П, Гос.универ. технологии и дизайна. С-Пб.: Изд-во С-П, Гос.универ. технологии и дизайна, 2005. С. 176-179.

9. Исследование процесса сушки поливинилацетата бисерного на опытно-промышленном аппарате с виброкипящим слоем. / О.С.Кочетов [и др.]; // Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль - 2006); Тез. докл. межд. НТК [28 -29 ноября 2006 г., Москва, МГТУ им. А. Н. Косыгина]. М.: Изд-во МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2006. С. 231 -231.

10. Кесоян Г.А., Кочетов Л.М., Тюрин М.Н. Модернизация скруббера на предприятии «РЕАТЕКС». // Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль - 2006): Тез. докл. межд. НТК [28 -29 ноября 2006 г., Москва, МГТУ им. А. Н. Косыгина]. М.: Изд-во МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2006. С. 234 -235.

11. Швыдкий B.C., Ладыгичев М.Г., Швыдкий Д.В. Теоретические основы, очистки газов: Учебник для вузов. М.: Машиностроение-1, 2001. 502 с.

12. Белоусов В. В. Теоретические основы процессов газоочистки. М.: Металлургия, 1988. 256 с.

13. Грин X., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. М.: Химия, 1969. 428 с

14. Лукин В.Д., Курочкина М.И. Очистка вентиляционных выброссов в химической промышленности. Л.: Химия, 1980. 232 с.

15. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. [Пер. с англ.]. М.: Мир, 1987. 280 с.

16. Теверовский E.H., Дмитриев Е. С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. М.: Энергоатомиздат, 1988. 160 с.

17. Очистка промышленных газов от пыли. / В.Н.,Ужов [и др.];.М.: Химия, 1981.392с.