Дипломная работа: Установка для переработки отходов слюдопластового производства

В данном технологическом процессе достаточно установить для очистки газа два циклона или один циклон и рукавный фильтр. Второй вариант более предпочтителен, так как позволяет практически полностью очистить газ от частиц слюды.

Рукавные фильтры, предназначенные для отделения пыли от уходящих из сушилки газов, обычно ставят после циклонов, однако при сравнительно небольшой запыленности (если основное количество сухого материала выгружается из сушилки) они могут быть единственными пылеочистными устройствами в установке, так как при правильном выборе ткани степень очистки превышает 99 %. Внутри кожуха 3 фильтра (рисунок 2.7.4) вертикально расположены сшитые из ткани рукава (мешки) 4 длиной до 3,6 м и диаметром около 200 мм. Снизу рукава открыты и закреплены на трубной доске, замыкающей нижнюю камеру 2. Сверху рукава закрыты и подвешены на крючках к раме 6 со штангой, выходящей из кожуха. Запыленный газ поступает в аппарат по газоходу 7 в нижнюю камеру, движется вверх по рукавам и через поры ткани выходит в пространство между рукавами и кожухом, а затем удаляется по верхнему газоходу 5. Осевшая внутри рукавов пыль периодически удаляется из них при встряхивании с помощью кулачкового механизма, соединенного с верхней штангой. Одновременно со встряхиванием рукава продуваются воздухом, который специальным небольшим вентилятором подается в направлении, противоположном направлению движения обеспыленного газа. Во время продувки кожух фильтра автоматически отключается от газохода 5. Ссыпавшаяся в коническую часть кожуха пыль удаляется через выгрузочное отверстие 8 шнеком. Обычно фильтр состоит из нескольких камер, одна из которых отключена на очистку, тогда как в остальных идет фильтрование. Переключение происходит автоматически.

Рисунок 2.7.4. Рукавный фильтр: 1 - днище; 2 - нижняя камера; 3 - кожух; 4 - рукав: 5, 7 - газоходы; 6 - рама; 8 - выгрузочное отверстие

При сушке необходимо дозировать, а часто и диспергировать материал, подаваемый в сушилку. В некоторых случаях питатель должен служить одновременно затвором между сушильной камерой и окружающим пространством.

На рисунке 2.7.5 показан лопастной питатель-затвор, применяемый для загрузки и выгрузки материала из сушилок, выгрузки пыли из циклона и т. д.

Рис 2.7.5. Лопастный затвор: 1 - сальник; 2 - ротор; 3 - корпус: 4 - вал

Газораспределительные решетки являются одним из основных элементов сушилок, работающих с кипящим (псевдоожиженным) слоем материала. Они выполняют функцию поддерживающей конструкции для кипящего слоя и способствуют равномерному распределению теплоносителя по сечению сушилки. Решетка должна удовлетворять следующим требованиям: I) обеспечивать равномерное газораспределение; 2) провал материала в подрешеточное пространство должен быть минимальным; 3) быть простой в изготовлении и надежной в работе (легкая очистка, ремонт); 4) гидравлическое сопротивление не должно превышать 1,5 - 2,0 кПа. Решетки распределительного типа, изображенные на рисунке 2.7.6, могут быть плоскими, вогнутыми, выпуклыми; направление струй из колпачков и барботеров - различными.

Рисунок 2.7.6. Газораспределительные решетки: а - перфорированная; б - колпачковая; в - барботажная подача газа

В сушильных установках используют обычно вентиляторы типа ВВД. Центробежные вентиляторы высокого давления серии ВВД (номера 8; 9 и 11) предназначены для перемещения воздуха и газов (при температуре до 100 °С), не содержащих липких и длинноволокнистых веществ. Содержание пыли в среде не должно превышать 150 мг/м3. Вал вентилятора ВВД-11 приводится во вращение от электродвигателя при помощи эластичной муфты, а вал вентиляторов ВВД-8 и ВВД-9 - при помощи ременной передачи и эластичной муфты. Эти вентиляторы создают давление до 10 кПа (1000 мм вод. ст.) и имеют производительность до 20000 м3/ч (в зависимости от номера).

В сушильной установке надо следить за тем, чтобы заданное количество газов (по регламенту) проходило через сушилку, поэтому не должно быть неплотностей в системе и гидравлическое сопротивление всех аппаратов не должно превышать норму.

Сушилки кипящего слоя принадлежат к наименее металлоемким, наиболее простым, а, следовательно, дешевым аппаратам и отличаются от остальных сушилок высокой эффективностью процесса. Несомненно, на рентабельности сушилок кипящего слои сказывается значительная стоимость изготовления решетки, а также необходимость периодической ее чистки. Поскольку расход тепла в газовых сушилках колеблется в небольших пределах и тем меньше, чем меньше удельный расход газов (так как при этом уменьшаются потери тепла с отработанными газами), то в однокамерных сушилках кипящего слон при удельном расходе сушильного агента 5 - 20 кг/кг влаги расход тепла меньше, чем в барабанных сушилках. Только расход энергии на дутье иногда превышает эту же статью расхода в сушилках других типов.

Как уже было отмечено, экономичность сушилки тем выше, чем меньше удельный расход газов. Поэтому особенно выгодны однокамерные сушилки, и, по возможности, именно эти аппараты и следует применять. Более сложные и дорогие многокамерные аппараты возможно рекомендовать лишь в тех случаях, когда это оправдано, т. е. при необходимости снижения температуры теплоносителя по зонам, для получения равномерно высушенного продукта и т. д.

Поскольку во всех газовых сушилках применяются более или менее однотипные пылеулавливающие аппараты и установки для получения теплоносителя, то увеличение расхода энергии в сушилках кипящего слоя происходит только из-за гидравлического сопротивления слоя. [7]

2.8 Транспортирование материала

При выборе типа, конструкции и исполнения транспортирующих аппаратов необходимо учитывать следующие факторы:

1) состояние транспортируемого материала, его физические и химические

свойства (крупность кусков, хрупкость, коррозионные свойства, возможное измельчение при перемещении, склонность материала к слипанию и слеживанию, плотность, угол естественного откоса, размеры);

2) производительность машины;

3) длину и траекторию перемещения, размеры и форму помещений;

4) технологический прогресс, перспективы развития предприятия;

5) технику безопасности;

6) хранение материалов и способы загрузки и разгрузки транспортных устройств;

7) климатические условия (для установок, работающих на открытых площадках);

8) экономические показатели.

Из отстойника отходы слюдопластового производства перемещаются в приемный короб барабанной мельницы при помощи винтового конвейера.

К преимуществам винтовых конвейеров относятся компактность, герметичность, простота конструкции и эксплуатации, удобство промежуточной разгрузки, а также возможность транспортирования мокрых и тестообразных материалов (при специальной форме винта). Конструкция винтового конвейера позволяет совмещать операцию транспортирования материалов с некоторыми технологическими процессами (охлаждение, увлажнение, сушка, смешивание). Эти достоинства определяют применение данного аппарата в установке по переработке отходов слюдопластового производства. Конвейер находится в наклонном положении, поэтому слюда будет частично не только измельчаться при перемещении, но и обезвоживаться. Конструкция винтового транспортера представлена на рисунке 2.8.1.

Винтовой конвейер состоит из неподвижного желоба 4 полукруглой формы, внутри которого расположен рабочий орган - винт 5, вращающийся в подшипниках 3. Винт вращается при помощи привода 8, состоящего из электродвигателя и редуктора. Транспортируемый материал загружается через загрузочное отверстие 2. Материал под действием винта поступательно движется по желобу. При этом вращение материала вместе с винтом исключено, так как этому препятствует сила тяжести частиц материала. Разгрузка винтового конвейера может производиться в любом месте по его длине через патрубок 6 с задвижкой 7. Желоб сверху обычно закрывается крышкой 1. Винтовые конвейеры хорошо зарекомендовали себя при транспортировании пылящих (кальцинированная порошкообразная сода, апатитовый концентрат, фосфоритная мука, колчеданный огарок), остро пахнущих и горячих выделяющих газы и пары материалов. Их используют также для транспортирования вязких и тестообразных (мокрая глина и т.д.) материалов.

Рисунок 2.8.1. Горизонтальный винтовой конвейер: 1 - крышка; 2 - загрузочное отверстие; 3 - подшипник; 4 - неподвижный желоб; 5 - винт; 6 - патрубок; 7 - задвижка; 8 привод

Винтовые конвейеры незаменимы в небольших помещениях, когда необходимо транспортировать малое количество материала на короткие расстояния. Поэтому винтовой транспортер также используется и для перемещения отжатой в центрифуге слюды в бункер сушилки кипящего слоя.

Применяются винтовые конвейеры с винтом следующих размеров: диаметр 100600 мм, длина до 3040 м, а в отдельных случаях до 5060 м. Производительность винтовых конвейеров составляет в среднем 2040 м3/ч, но при больших размерах винта может доходить до 100 м3/ч и более. Винтовые конвейеры выполняют горизонтальными или пологонаклонными (устанавливают под углом до 20° к горизонту) и вертикальными (для перемещения порошкообразных удобрений, поташа, крахмала, соли и др.). В конструкции вертикального конвейера предусматривается подача материала от горизонтальных винтовых конвейеров, которые создают подпор материала.

Для транспортирования высушенного порошка слюды из сушилки кипящего слоя в фасовочно-упаковочный аппарат лучше использовать ленточный транспортер, чем винтовой. Порошок будет быстрее остывать на открытой ленте, чем в закрытом желобе. Лента должна быть в таком случае жаропрочной.

Ленточный конвейер является широко распространенным типом транспортирующих устройств непрерывного действия с тяговым органом. Основной рабочий орган ленточного конвейера - гибкая замкнутая лента, на которой транспортируется груз. В ленточных конвейерах в качестве тягового элемента применяются резинотканевые (ГОСТ 20-85, ГОСТ 23831-79), резинотросовые (ТУ 38-105841-75) и стальные (ТУ-14-1-525-73) ленты. Область применения ленточных конвейеров достаточно широка: механизация, загрузка и разгрузка складов сырья, подача сырья из склада в цех, перемещение грузов от одного аппарата к другому, транспортирование готового продукта из цеха в склад и т.д.

К достоинствам ленточных конвейеров следует отнести высокую производительность (до 1000 м3/ч и более), широкий диапазон скоростей и

размеров (ширины ленты), непрерывность и равномерность перемещения грузов, пригодность для транспортирования на большие расстояния, простоту устройства и эксплуатации, небольшие энергозатраты и пригодность для перемещения как мелкозернистого сыпучего материала, так и крупнокускового, а также штучных и тарных грузов. В качестве недостатков ленточных конвейеров можно отметить непригодность обычной текстильной ленты для транспортирования горячих спекающихся материалов, возможность химического и механического разрушения, пыление при перемещении порошкообразных материалов и сравнительно малые допускаемые углы наклона конвейера к горизонту. [4]

2.9 Технические решения

При производстве слюдопласта, в частности слюдопластовой бумаги, на Слюдяной фабрике в г. Колпино образуется более 500 м3 отходов в год. Они представляют собой нерасщепленные пластинки и чешуйки слюды со средним размером 20 мм. Отходы находятся в отстойнике в водной среде и имеют 3-4 класс опасности. Складирование, вывоз и утилизация отходов не только наносят вред окружающей среде, но и являются экономически нецелесообразными. В настоящей работе принято решение о переработке этих отходов. Получаемый порошок слюды флогопит ГОСТ 19571-74, 19572-74, 19573-74 имеет влажность не более 3 % и размер частиц до 315 мкм. Данные качественные показатели вырабатываемой продукции определяют технологию производства, а с учетом заданной производительности, равной 1 тонне порошка в сутки, и основные конструктивные параметры оборудования. Таким образом, отходы подлежат помолу до необходимой тонины и сушке с предварительным центрифугированием. Итак, в данном дипломном проекте на тему «Установка для переработки отходов слюдопластового производства» приняты следующие технические решения:

·          Отходы транспортируются из отстойника в мельницу при помощи наклонного шнекового транспортера, частично измельчаясь и обезвоживаясь;

·          В качестве измельчителя используется шаровая барабанная мельница мокрого помола с волнистой футеровкой и улитковым питателем, периодически захватывающим слюду из приемного короба и направляющим материал в барабан;

·          Мельница работает в замкнутом цикле с гидравлическим классификатором. Гидроциклон отправляет деловую фракцию на дальнейшую переработку, а недомол - обратно в барабанную мельницу;

·          Для перекачки пульпы используются песковые или дисковые насосы, позволяющие перемещать материал с относительно высокой плотностью и содержанием твердого;

·          Слюдяная пульпа подлежит отжиму в осадительной горизонтальной шнековой центрифуге до влажности 30%;

·          Осадок шнековым транспортером направляется в сушилку кипящего слоя, которая может работать в непрерывном, периодическом и полунепрерывном режиме, сушка производится топочными газами с температурой 330 °С до влажности 1 %;

·          Для снижения уноса частиц слюды корпус сушилки выполняется расширяющимся;

·          Уносимые из сушильной камеры частицы улавливаются газоочистной системой, состоящей из циклона и рукавного фильтра;

·          Высушенная слюда транспортируется ленточным конвейером к фасовочно-упаковочному аппарату, где порошок фасуют в полипропиленовые мешки массой по 30 кг и запаивают;

Установка разработана для переработки отходов слюдопластовой бумаги, но может быть также использована для переработки и других отходов слюдяного производства. Наиболее крупные отходы могут поступать в барабанную мельницу через барабанный питатель, конструкция которого скомбинирована с улитковым питателем. Также возможно проведение измельчения в две стадии с использованием, например, роторной дробилки;

При переработке слюдопластовых отходов, содержащих в себе примеси, в сушилке кипящего слоя возможно проведение обжига. Наличие в этих отходах лака, смолы, бумаги и других примесей не дает возможности вторичного использования такой слюды без предварительной очистки. Одним из наиболее рациональных способов извлечения слюды из отходов является способ выжигания. Под воздействием высокой температуры сгорают органические примеси и образующиеся при этом углеродистые соединения уносятся потоком воздуха. Регенерированная слюда после обжига подвергается очистке на сортировочных машинах и может найти применение в производстве коллекторного миканита.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

3.1 Расчет барабанной мельницы

Технологический расчет шаровой мельницы для мокрого помола слюды заключается в определении диаметра и длины барабана и параметров его загрузки. Для определения диаметра барабана воспользуемся формулой расчета производительности мельницы. Производительность шаровых мельниц зависит от многих факторов, учесть которые теоретически обоснованной формулой сложно, поэтому практически ее рассчитывают по эмпирическим приближенным формулам, учитывающим лишь некоторые основные факторы.

В химической и горно-металлургической промышленностях принята эмпирическая формула

Q = k∙V∙D0,6,(3.1.1)

где k - опытный коэффициент, учитывающий влияние размеров шаров, шаровую загрузку, плотность пульпы при мокром помоле, природу измельчаемого материала, крупность питания и готового продукта, циркуляционную нагрузку, схему измельчения и др.;

V - объем барабана, м3;

D - внутренний диаметр барабана, м.

Коэффициент k определяем по формуле:

k = (2,3∙10-38∙10-3)∙(dн/dк), (3.1.2)

где dн - средний диаметр частиц материала до измельчения, равный 20 мм;

dк - средний диаметр частиц материала после измельчения, равный 0,3 мм.

k = 5∙10-3∙(20/0,3) = 0,33.(3.1.3)

Тогда, принимая отношение диаметра барабана к его длине, равным 1/1 (т.е. L = D), получим:

Q = k∙V∙D0,6 = 0,33∙0,785∙D3∙D0,6 =(3.1.4)

= 0,33∙0,785∙D3,6 = 0,26∙D3,6,

где V = π∙R2∙L = π∙(D/2)2∙D = π∙(D2/4)∙D = (3.1.5)

= 0,785∙D2∙D = 0,785∙D3.

Откуда

D = (Q/0,26)1/3,6 ,(3.1.6)

где Q - производительность, равная 0,286 т/ч.

D = (0,286/0,26)1/3,6 = 1,02 м.(3.1.7)

Тогда длина барабана равна L = D = 1,02 м.(3.1.8)

В результате выполненных расчетов принимаем к установке однокамерную барабанную мельницу для мокрого измельчения типа 4-ШМ-2. Ее технические характеристики приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Технические характеристики барабанной мельницы мокрого помола 4-ШМ-2

Определим параметры шаровой загрузки мельницы.

Размер шаров, загружаемых в барабан, зависит от размеров частиц измельчаемого материала и готового продукта, и может быть определен по следующему эмпирическому соотношению (формула В.А. Олевского):

dш = 4,8(lgdк)dн0,5,(3.1.9)

где dн - размер частиц материала до измельчения, равный 20 мм;

dк - размер частиц материала после измельчения, 315 мкм.

dш = 4,8(lg315)∙200,5 = 53,6 мм.(3.1.10)

Шаровая загрузка барабанных мельниц составляет приблизительно 30 % от объема барабана, т.е. коэффициент заполнения барабана мелющими телами равен φ = 0,3. Коэффициент заполнения рассчитываем по формуле:

φ = Mш /(ρн∙V),(3.1.11)

где Mш - масса шаров;

ρн - насыпная плотность шаров, равная 3800 кг/м3;

V - объем барабана мельницы.

По этой формуле определим массу шаровой загрузки:

Mш = φ∙ ρн∙V,(3.1.12)

Mш = 0,3∙3800∙0,785∙1,22 = 1546 кг.(3.1.13)

Масса одного стального шара диаметром dш = 53,6 мм:

mш = ∙π∙rш3∙ρ,(3.1.14)

где rш - радиус шара;

ρ = 7800 кг/м3 – плотность стали.

mш = ∙3,14∙(26,8∙10-3)3∙7800 = 0,63 кг.(3.1.15)

Число шаров в загрузке:

z = Mш/mш, (3.1.16)

z = 1546/0,63 = 2454.(3.1.17)

Определим массу загрузки, состоящую из массы Mш мелющих тел и массы измельчаемого материала, которую принимаем равной 14 % массы мелющих тел. Следовательно,

mз = 1,14∙Mш,(3.1.18)

mз = 1,14⋅1546 = 1,762 т. (3.1.19)

Масса измельчаемого материала, находящегося в мельнице:

mи = 0,14∙Mш,(3.1.20)

mи = 0,14∙1546 = 216 кг.(3.1.21)

В результате выполненных расчетов барабанная мельница мокрого измельчения 4-ШМ-2 имеет следующие параметры загрузки:

диаметр шаров dш = 53,6 мм;

масса шаровой загрузки Mш = 1546 кг;

число шаров в загрузке z = 2454;

масса влажной слюды, находящейся в мельнице mн = 216 кг. [3]

3.2 Расчет классификатора

Необходимо подобрать гидроциклон для поверочной классификации измельченной слюды. В начале технологического расчета точно устанавливаем требования, которые предъявляются к гидроциклону в данной операции и исходные условия их работы. В гидроциклон поступает на классификацию пульпа, состоящая из измельченной слюды и воды. Влажность слюды равна 50%, производительность установки - 2 тонны пульпы в сутки. С учетом того, что установка работает 7 часов в сутки питание гидроциклона:

твердого - 0,143 т/ч;

жидкого - 0,143 т/ч;

добавляемая вода - 0 т/ч;

номинальная крупность слива - 315 мкм.

Объем пульпы для классификации в гидроциклоне составляет:

Vп = Vж + Vтв = W2 + (Q2/δт),(3.2.1)

где δТ - плотность твердого в пульпе, плотность флогопита, равная 2,7 т/м3.

Vп = 0,143 + (0,143/2,7) = 0,196 м3/ч. (3.2.2)

На одну секцию измельчения в шаровой барабанной мельнице объем пульпы в питании составит:

Vсекц = Vп/N, (3.2.3)

где N - количество секций измельчения, равное 1 (так как измельчение проводится в один этап).

Vсекц = 0,196/1 = 0,196 м3/ч. (3.2.4)

Гидроциклон подбираем по граничной крупности слива, которая составляет:

dг = dн/1,75,(3.2.5)

где dн - номинальная крупность слива, равная 315 мкм.

dг = 315/1,75 = 180 мкм.(3.2.6)

По таблице 3.2.1 такая граничная крупность обеспечивается гидроциклоном с D = 500 мм, технические характеристики которого приведены в таблице 3.2.2.

Таблица 3.2.1 Данные для выбора гидроциклонов

Таблица 3.2.2 Технические характеристики ГЦ 500К

Давление P0 пульпы на входе в гидроциклон при работе в замкнутом цикле должно быть не менее 0,08 МПа.

Объемная производительность гидроциклона для P0 = 0,1 МПа составит:

V = 3∙Kα∙KD∙dп∙dс∙P00,5,(3.2.7)

где KD - поправка на диаметр гидроциклона, равная 1,1;

dп - эквивалентный диаметр питающего отверстия, равный 130 мм;

dс - диаметр сливного отверстия, 150 мм;

P0 - рабочее давление пульпы на входе в гидроциклон, равное 0,1 МПа;

Kα - поправка на угол конусности для α = 20°, равная 1.

V = 3∙1∙1∙13∙15∙0,10,5 = 185 м3/ч.(3.2.8)

Необходимое количество гидроциклонов на одну секцию составит:

N = Vсекц/V = 0,17/185  1.(3.2.9)

Следовательно, принимаем к установке 1 гидроциклон, обеспечивающий граничную крупность слива, равную 180 мкм.

Принимаем предварительно к установке песковую насадку с диаметром отверстия, равным 48 мм. Граничная крупность слива для песковой насадки Δ = 48 мм составляет:

dг = 1,5∙((D∙dC∙TП)/(Δ∙KD∙P00.5∙(δТ - 1)))0,5,(3.2.10)

где δт - плотность твердого в пульпе, плотность слюды флогопит, равная 2,7 т/м3;

Tп - содержание твердого в питании гидроциклона, равное 50 %.

dг = 1,5 ((50∙15∙50)/(4,8∙1,1∙0,10.5∙(2,7 - 1)))0,5 = 172,4 мкм, (3.2.11)

что меньше 180 мкм.

Нагрузка по пескам Qп выбранного гидроциклона составляет 208,7 т/ч. Удельная нагрузка тогда составит:

q = (Qп∙4) / (N∙π∙Δ2),(3.2.12)

q = (208,7∙4) / (1∙3,14∙4,82) = 0,00115 т/(м2∙ч).(3.2.13)

Удельная песковая нагрузка по твердому должна находиться в пределах 0.5 2.5 т/ч на 0,0001 м2 площади песковой насадки.

Площадь насадки:

Sп = π∙R2 = 3,14∙2,4∙2,4 = 0,001808 м2.(3.2.14)

Тогда допустимая песковая нагрузка:

qд = (0,52,2) Sп,(3.2.15)

qд = 0,0009040,00398 т/(м2∙ч).(3.2.16)

Так как qд min < q < qд mах, окончательно принимаем песковую насадку с Δ = 48 мм. [14]

3.3 Подбор насосов

Подача пульпы в гидроциклон осуществляется песковым насосами. Выбор насоса производится по заданной объемной производительности (м3/ч), содержанию твердого в пульпе и необходимому манометрическому напору.

Производительность насоса по воде определяется по формуле:

Vн2о = Vп∙(1 + Тп),(3.3.1)

где Vн2о - объемная производительность насоса по воде, м3/ч;

Vп - объемная производительность насоса по пульпе, равная 0,196 м3/ч (3.2.2);

ТП - содержание твердого в пульпе, равное 50%.

Vн2о = 0,196∙(1 + 0,5) = 0,3 м3/ч.(3.3.2)

К установке принимаем песковой насос с наименьшей возможной производительность, но обеспечивающий достаточный напор для гидроциклона ГЦ 500К. В таблице 3.3.1 приведены технические характеристики насоса П-12.5/12.5. Такой же насос установлен для перекачки пульпы в центрифугу. [14]

Таблица 3.3.1 Технические характеристики П-12.5/12.5

3.4 Расчет центрифуги

Исходя из заданной производительности по твердому осадку Dт = 143 кг/ч, предварительно принимаем к установке универсальная центрифуга ОГШ-35.

Ее технические характеристики приведены в таблице 3.4.1.

Таблица 3.4.1 Технические характеристики ОГШ-35

Необходимая крупность разделения δк = 0,005 мм.

Для нахождения скорости осаждения частицы размером δк = 0,005 мм рассчитываем критерий Архимеда:

Ar = [δк3(ρт - ρж) ρжg]/μ2,(3.4.1)

где ρт - плотность слюды, равная 2700 кг/м3;

ρж - плотность воды, равная 1000 кг/м3;

μ - вязкость воды, равная 0,9∙10-3 Па∙с.

Ar = [0,0053∙10-9∙(2700 - 1000)∙1000∙9,81]/(0,9∙10-3) = 2,32∙10-6.(3.4.2)

Режим осаждения ламинарный Ar < 3,6, поэтому скорость осаждения рассчитана по формуле Стокса:

ω0 = δк 2 (ρт - ρж)∙g/(18∙μ),(3.4.3)

ω0 = 0,005 2 ∙10-6∙(2700 - 1000)∙9,81/(18∙0,9∙10-3) = 0,257∙10-4 м/с. (3.4.4)

Средний диаметр потока жидкости в барабане:

Dср = (Dв + Dб)/2,(3.4.5)

где Dв - внутренний диаметр барабана центрифуги, равный 350 мм;

Dб - диаметр слива жидкости, равный 260 мм.

Dср = (350 + 260)/2 = 305 мм = 0,305 м.(3.4.6)

Фактор разделения, соответствующий среднему диаметру, определяется по зависимости:

Frср = (ω2∙ Dср)/(2g) = (2π2n2 Dср)/g, (3.4.7)

где n - частота вращения ротора центрифуги, равная 66 1/с.

Frср = (2∙3,142∙662∙0,305)/9,81 = 2710.(3.4.8)

Производительность центрифуги по подаваемой суспензии рассчитываем по уравнению:

Vc = π∙Dср∙ℓ∙ω0∙Frср∙ɳэ,(3.4.9)

где ℓ - длина пути осаждения, равная 0,375 м; ɳэ - коэффициент эффективности разделения, равный 0,2 для центрифуг непрерывного действия.

Vc = 3,14∙0,305∙0,375∙0,257∙10-4∙2710∙0,2 =(3.4.10)

= 0,005 м3/с = 18 м3/ч.

Плотность суспензии была определена по формуле:

ρс = (ρт∙ρж)/(ρт - (ρт - ρж)∙xm),(3.4.11)

где xm - массовая концентрация твердой фазы, равная 50%.

ρс = (2700∙1000)/(2700 - (2700 - 1000)∙0,5) = 1495 кг/м3. (3.4.12)

Производительность центрифуги по твердому осадку при Vc = 18 м3/ч была определена по формуле:

Gт = Vc∙ρс∙xm,(3.4.13)

Gт = 18∙1495∙0,5 = 13131 кг/ч.(3.4.14)

Полученное значение производительности по осадку

Gт = 13131 кг/ч > Gтmax = 500 кг/ч.(3.4.15)

В этом случае рабочую производительность по осадку принимаем:

Gтр = 0,5∙Gтmax = 0,5∙500 = 250 кг/ч. (3.4.16)

Тогда максимальная производительность по суспензии:

Vc = Gтр/(ρс∙xm),(3.4.17)

Vc = 250/(1495∙0,5) = 0,343 м3/ч.(3.4.18)

Требуемое количество центрифуг:

z = Vтр/Vc, (3.4.19)

где Vтр - требуемая производительность по суспензии, равная 0,196 м3/ч (3.2.2).

z = 0,196/0,343 = 0,6. (3.4.20)

Таким образом, для установки принимаем одну центрифугу ОГШ-35. [13]

3.5 Расчет сушилки с кипящим слоем

3.5.1 Материальный и тепловой баланс процесса горения

В сушильной установке с кипящим слоем подогрев сушильного агента осуществляется за счет сжигания газообразного топлива с высоким избытком воздуха в топке. При этом требуемая температура сушильного агента обеспечивается за счет дополнительного смешения продуктов сгорания и воздуха перед сушильной камерой.

Целью расчета является определение состава сушильного агента (смеси продуктов сгорания и воздуха), влагосодержания и энтальпии. Исходными данными являются элементарный состав топлива и температура газов перед сушилкой. Основой для расчета являются уравнения материального и теплового баланса процесса горения, учитывающие изменения теплоемкости газов в зависимости от температуры.

Требуемые для расчета параметры воздуха - энтальпия h0 и влагосодержание x0 определяем по h-x диаграмме влажного воздуха: h0 = 38 кДж/кг; x0 = 9∙10-3кг/кг.

Сжигание газообразного топлива

В качестве теплоносителя используем топочный газ, образующийся при горении газообразного топлива. В таблице 3.5.1.1.1 представлен состав используемого природного газа.

Таблица 3.5.1.1.1 Состав топлива

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3 газа:

V0 = 0,0476 [yH2/2 + yCO/2 + yH2S + (3.5.1.1.1)

+ ∑(m+n/4)yCmHn - yO2],

где yi - объемное содержание данного компонента, %.

Так как используемый газ не содержит в себе H2, O2 и H2S, то в соответствии с уравнением (1) имеем:

V0 = 0,0476 [(1+4/4)98,7 + (2+6/4)0,35 + (3.5.1.1.2)

+ (3+8/4)0,12 + (4+10/4)0,06] = 9,5 м3/м3.

Находим объем дымовых газов. Теоретический объем азота:

V0N2 = 0,79V0 + 0,01yN2,(3.5.1.1.3)

V0N2 = 0,79∙9,5 + 0,01∙0,67 = 7,5 м3/м3. (3.5.1.1.4)

Объем трехатомных газов:

VRO2 = 0,01∙(yCO2 + yCO + yH2S +∑myCmHn), (3.5.1.1.5)

VRO2 = 0,01[(1∙98,7 + 2∙0,35 + 3∙0,12 +(3.5.1.1.6)

+ 4∙0,06 + 0,1)] = 1,0 м3/м3.

Теоретический объем водяных паров:

V0H2O = 0,01(yH2S+∑(n/2)yCmHn) + 1,61V0∙x0, (3.5.1.1.7)

где V0 - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3 газа, равное 9,5 м3/м3,

x0 - влагосодержание воздуха, равное 9∙10-3 кг/кг.

V0H2O = 0,01(2∙98,7 + 3∙0,35 + 4∙0,12 + 5∙0,06) +(3.5.1.1.8)

+ 1,61∙9,5∙9∙10-3 = 2,13 м3/м3.

Низшая теплота сгорания газового топлива определяется на 1м3 газа при нормальных условиях через теплоты сгорания составляющих его компонентов:

Qcн = 358,2∙yCH4 + 637,5∙yC2H5 + 912,5∙yC3H8 + (3.5.1.1.9)

+ 711,7∙yC4H10 + 126,4∙yCO,

Qcн = 358,2∙98,7 + 637,5∙0,35 + 912,5 ∙0,12 +(3.5.1.1.10)

+ 711,7∙0,06 + 126,4∙0,1 = 35742,31 кДж/м3.

Определение избытка воздуха и параметров смеси

Коэффициент избытка воздуха α определяется из уравнения теплового баланса, записанного для условий адиабатного сжигания:

Qφв + Qcн = hг,(3.5.1.2.1)

Qcн + α∙ V0∙cв∙t0 = hг0 + (α-1)∙h0в,(3.5.1.2.2)

где cв - теплоемкость воздуха, кДж/м3К,

h0в - энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре t = t1, °С.

Здесь энтальпия газов hг0 при α = 1 и температуре газов t = t1 определяется выражением:

hг0 = VRO2∙ сRO2∙ t1 + V0H2O∙ cH2O ∙ t1 +(3.5.1.2.3)

+ V0N2∙ cN2∙ t1, кДж/м3.

При расчете необходимо учитывать зависимость теплоемкости от температуры для газовых компонентов в следующем виде:

Теплоемкость сухих трехатомных газов

сRO2 = 1,6 + 0,00088∙ t1,(3.5.1.2.4)

где t1- температура теплоносителя на входе в сушилку, равная 330°С,

сRO2 = 1,6 + 0, 00088∙330 = 1,89 кДж/м3К.(3.5.1.2.5)

Теплоемкость азота

cN2 = 1,29 + 0,000202∙ t1,(3.5.1.2.6)

cN2 = 1,29 + 0,000202∙ 330 = 1,36 кДж/м3К. (3.5.1.2.7)

Теплоемкость водяных паров

cH2O = 1,49+0,00016∙ t1,(3.5.1.2.8)

cH2O = 1,49+0,00016∙ 330 = 1,54 кДж/м3К.(3.5.1.2.9)

Теплоемкость воздуха

cв = 1, 319 + 0, 000078∙ t1,(3.5.1.2.10)

cв = 1, 319 + 0, 000078∙ 330 = 1, 34 кДж/м3К.(3.5.1.2.11)

Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре t = t1, °С:

h0в = V0∙ cв ∙ t1,(3.5.1.2.12)

h0в = 9,5∙1,34∙330 = 4200 кДж/м3.(3.5.1.2.13)

Таким образом, уравнение (3.5.1.2.3) принимает вид:

hг0 = 1,0∙1,89∙330 + 2, 13∙1,54∙330 + (3.5.1.2.14)

+ 7,5∙1,36∙330 = 5072 кДж/м3.

Физическая теплота воздуха:

Qφв = α∙V0∙ cв∙t0,(3.5.1.2.15)

где V0 - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3 газа, равное 9,5 м3/м3 (3.5.1.1.2).

Qφв = α∙9,5∙1,34∙20 = 255∙α кДж/м3.(3.5.1.2.16)

Определяем избыток воздуха из уравнения (3.5.1.2.2):

α = (Qcн - hг0 + h0в )/(h0в - V0∙ cв∙t0),(3.5.1.2.17)

где Qcн - низшая теплота сгорания газового топлива определяется на 1м3 газа при нормальных условиях, равная 35742,31 кДж/м3 (3.5.1.1.10).

α = (35742,31 - 5072 +  4200)/(4200 - 255) = 8,84. (3.5.1.2.18)

Тогда действительный объем водяных паров при избытке воздуха будет равен:

VH2O = V0H2O + 1, 61(α - 1) V0∙x0,(3.5.1.2.19)

где x0 - влагосодержание определяемое по h-x диаграмме влажного воздуха, равное 9∙10-3 кг/кг.

VH2O = 2, 13 + 1, 61(8,84 - 1)*(3.5.1.2.20)

*9,5∙9∙10-3 = 3,2 м3/м3.

Объем сухих дымовых газов:

Vс.г. = VRO2 + V0N2 +(α - 1) V0,(3.5.1.2.21)

где VRO2 - объем трехатомных газов, м3/м3; V0N2 - теоретический объем азота, м3/м3.

Vс.г. = 1,0 + 7,5 + (8,84 - 1)∙ 9,5 = 82,98 м3/м3. (3.5.1.2.22)

Найдем плотность отдельных компонентов при данном давлении (Р = 101, 325 кПа) и температуре из уравнения состояния идеального газа:

ρi = (P∙μi)/[R∙( t1 + 273)],(3.5.1.2.23)

где μi - молярная масса компонентов газа.

Плотность воздуха:

ρв = (P∙μв)/[R∙( t1 + 273)],(3.5.1.2.24)

ρв = (101325∙28,8)/[8314∙(330 + 273)] = 0, 582 кг/м3. (3.5.1.2.25)

Плотность азота:

ρ N2 = (P∙μ N2)/[R∙( t1 + 273)],(3.5.1.2.26)

ρ N2 = (101325∙28)/[8314∙(330 + 273)] = 0, 566 кг/м3. (3.5.1.2.27)

Плотность сухих трехатомных газов:

ρ RO2 = (P∙μ RO2)/[R∙( t1 + 273)],(3.5.1.2.28)

ρ RO2 = (101325∙44)/[8314∙(330 + 273)] = 0, 889 кг/м3. (3.5.1.2.29)

Плотность сухих дымовых газов:

ρ с.г. = (∑ρi∙Vi)/Vс.г.,(3.5.1.2.30)

ρ с.г. = [(0, 889∙1,0) + (0, 566∙7,5) + (3.5.1.2.31)

+ (0, 582∙(8, 84 - 1)∙ 9,5)]/82, 98 = 0, 584 кг/м3.

Плотность водяных паров:

ρ H2O = (P∙μ H2O)/[R∙( t1 + 273)], (3.5.1.2.32)

ρ H2O = (101325∙18)/[8314∙(330 + 273)] = 0, 364 кг/м3. (3.5.1.2.33)

Влагосодержание теплоносителя на входе в сушильную камеру при заданной температуре t1 определяем из выражения:

x1 = (VH2O/Vс.г.)∙( ρ H2O/ρ с.г.),(3.5.1.2.34)

где VH2O - действительный объем водяных паров при избытке воздуха, равный 3,2 м3/м3,

Vс.г. - объем сухих дымовых газов, равный 82,98 м3/м3 (3.5.1.2.22).

x1 = (3,2 / 82, 98)∙( 0, 364 / 0, 584) = 0, 024 кг/кг. (3.5.1.2.35)

По h-x диаграмме влажного воздуха (рисунок 3.5.1.2.1) при известных температуре t1, равной 330°, и влагосодержании x1, равному 0, 024, определяем энтальпию газов перед сушильной установкой: h1 = 400 кДж/кг.

Рисунок 3.5.1.2.1. Нахождение энтальпии по h-x диаграмме влажного воздуха

3.5.2 Тепловой и материальный баланс процесса сушки

При известной производительности по сухому продукту G2, равной 143 кг/ч, и конечной влажности по сухому продукту U2, равной 1 %, количество испаренной влаги определяют как:

W = G2∙[(U1-U2)/(100-U1)],(3.5.2.1)

где U1 - начальная влажность слюды, влажность после процесса центрифугирования, равная 30 %.

W = (143/3600)∙[(30 - 1)/(100-30)] =(3.5.2.2)

= 0,0164 кг/с.

Расход исходного материала:

G1 = G2 + W,(3.5.2.3)

G1 = (143/3600) + 0, 0164 = 0,056 кг/с. (3.5.2.4)

Конечное влагосодержание для теоретической установки находим по h-x диаграмме влажного воздуха (рисунок 3.5.2.1). Необходимо построить процесс сушки. Построение производится по расчетным параметрам наружного воздуха φ0 и t0, состояния сушильного агента перед камерой x1 и t1 и его температуры на выходе из сушильной установки t2.

Точка 0 на рисунке 3 соответствует состоянию воздуха, поступающего в топку. Условно процесс в топке и камере смешения изображается прямой 0-1. Точка 1 определяется по температуре t1 и рассчитанному влагосодержанию х1. От точки 1 проводим линию h = const до изотермы t2 и определяем конечное влагосодержание х'2 для идеальной (без теплопотерь) сушильной установки. х'2 = 0, 115 кг/кг .

Расход теплоносителя на испарение 1 кг влаги в теоретической сушилке:

ℓ1 = 1 / (х'2 - х1),(3.5.2.5)

ℓ1= 1 / (0, 115 - 0, 024) = 10, 99 кг/кг влаги.(3.5.2.6)

Расход теплоты на испарение 1 кг влаги в теоретической сушилке:

q1 = ℓ1 (h1 – h0),(3.5.2.7)

где h1 - энтальпия газов перед сушильной установкой, равная 400 кДж/кг, h0 - начальная энтальпия воздуха, равная 38 кДж/кг.

q1 = 10, 99 (400 - 38) = 3978 кДж/кг влаги.(3.5.2.8)

Рисунок 3.5.2.1. Нахождение х'2 и x2 по h-x диаграмме влажного воздуха

Количество теплоты, необходимое для испарения 1 кг влаги и подогрева продукта от начальной до конечной температуры qм с учетом теплопотерь в окружающую среду q5 определяется из уравнения теплового баланса:

q = ℓ1 (h1 – h0) + q5 + qм – t0∙CH2O, кДж/кг влаги, (3.5.2.9)

где ℓ1(h1 – h0) - расход теплоты для теоретической сушилки;

qм - расход теплоты на нагрев материала;

q5 - потери теплоты в окружающую среду;

t0∙CH2O - физическая теплота влаги, вводимая с материалом, подлежащим сушке.

Тогда отклонение процесса в реальной сушильной установке от идеальной может быть определено:

∆ = t0∙CH2O - q5 - qм , кДж/кг влаги. (3.5.2.10)

Потери теплоты в окружающую среду:

q5 = 0,1 q1, (3.5.2.11)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5