автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Методология совершенствования и расчета барабанных сушильных агрегатов

ЮЖНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.О. АУЕЗОВА

71 11-5/291

УДК 66.047.57

Президиум ВАК Минобрнауки России (решение от «/(э » Qfj 20г.

(ыдать диплом ДОКТОРА nvdjj UufiL&OUjt наук

Начальник отдела

На правах рукописи

АЛТУХОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕТОДОЛОГИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И РАСЧЕТА БАРАБАННЫХ СУШИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ

05.17.08 Процессы и аппараты химической технологии

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: член-корр. HAH PK, д.т.н., профессор, Почетный химик СССР БАЛАБЕКОВ ОРАЗАЛЫ САТИМБЕКОВИЧ

Республика Казахстан Шымкент 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 7

1. МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СУШИЛЬНЫХ БАРАБАННЫХ АППАРАТОВ.............................................. 14

1.1. Современные требования, предъявляемые к сушильным установкам........................................................................ 14

1.2. Влияние режимных и конструктивных параметров на время пребывания материала в сушильных барабанных агрегатах.................................................................................... 16

1.2.1. Угол наклона барабана.................................................. 16

1.2.2. Скорость вращения барабана....................................... 17

1.2.3. Скорость потока теплоносителя................................ 21

1.3. Параметры, определяющие производительность барабанного агрегата............................................................... 24

1.4. Влияние конструкции насадки на интенсивность процесса сушки........................................................................ 27

1.5. Функционально - стоимостной метод прогнозирования путей совершенствования барабанных аппаратов........ 39

1.6. Выводы и постановка задач исследований.................... 43

2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА......................................................................... 45

2.1. Расчет оптимального количества периферийных лопаток...................................................................................... 46

2.2. Механизм явления разбрызгивания материала............ 49

2.3. Зависимость коэффициента равномерности распределения материала от конструкции подвижных элементов и их взаимного расположения......................................... 58

2.3.1. Влияние количества лопаток...................................... 61

2.3.2. Влияние длины лопаток............................................. 63

2.3.3. Влияние расстояния между элементами в горизонтальной плоскости ........................................................... 64

2.3.4. Влияние расстояния между элементами в вертикальной плоскости.................................................................. 66

2.4. Оптимизация конструкции насадки по коэффициенту равномерности распределения.......................................... 68

2.5. Выводы по главе 2............................................................ 70

3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА В БАРАБАННЫХ АППАРАТАХ.............. 72

3.1. Коэффициент формы насадки и коэффициент эффективности распределительного устройства............................ 72

3.2. Влияние конструктивных и технологических параметров сушилки на коэффициент заполнения барабана

материалом............................................................................... 79

3.3. Распределение твердой фазы в продольном сечении барабана.................................................................................... 91

3.4. Выводы по главе 3............................................................ 97

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В БАРАБАННЫХ СУШИЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ............................................................................ 99

4.1. Исследование влияния конструктивных и режимных параметров барабанного агрегата на процесс теплообмена между газовой и твердой фазами...................................... 99

4.2. Влагообмен между агентом сушки и высушиваемым материалом............................................................................... 110

4.3. Оценка влияния эффективности распределительного устройства на тепло- и массоперенос................................... 119

4.4. Расчет коэффициентов тепло- и массоотдачи с учетом равномерности распределения материалов................... 123

4.5. Выводы по главе 4............................................................ 130

5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОМАССООБМЕНА В БАРАБАННЫХ СУШИЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ................................................. 131

5.1. Математическая модель процесса сушки..................... 131

5.2. Исследование процессов тепло- и массообмена на основе решения математической модели.............................. 138

5.2.1. Зависимость выходных параметров газовой и твердой фаз от начальной температуры сушильного агента..... 139

5.2.2. Влияние скорости вращения барабана на выходные параметры теплоносителя и материала................................. 143

5.2.3. Влияние угла наклона.................................................... 147

5.2.4. Зависимость параметров газа и материала, выходящих из барабана, от скорости потока теплоносителя.......... 149

5.3. Методика расчета барабанного сушильного агрегата

на основе решения математической модели......................... 152

5.3.1. Методика проектировочного расчета аппарата

при заданной производительности...................................... 153

5.3.2. Методика поверочного расчета при известных геометрических размерах аппарата..................................... 155

5.4. Выводы по главе 5............................................................ 156

6. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА И ВНЕДРЕНИЕ БАРАБАННЫХ СУШИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ................... 157

6.1. Рекомендации по выбору скорости теплоносителя..... 157

6.2. Оценка эффективности и оптимизация процесса сушки в барабанном агрегате............................................... 160

6.3. Эксергетический анализ барабанного сушильного

агрегата............................................................................................................................................................................165

6.4. Методология расчета барабанного сушильного аппарата........................................................................................................................................................................................172

6.4.1. Существующие представления по расчету барабанных сушильных аппаратов..........................................................................................................172

6.4.2. Универсальная методология расчета сушильных барабанов....................................................................................................................................................................185

6.5. Инженерная методика расчета барабанного агрегата 189

6.5.1. Расчет мощности привода........................................................................................189

6.5.2. Расчет и подбор вентилятора..............................................................................190

6.5.3. Расчет и подбор пылеуловителя..................................................................194

6.5.4. Расчет уплотнений сушильного барабана......................................207

6.5.5. Топки и воздухонагреватели................................................................................211

6.5.6. Питатели и дозаторы..........................................................................................................221

6.6 Внедрение барабанных сушильных агрегатов и методов их расчета......................................................................................................................................................229

6.7. Выводы по главе 6........................................................................................................................229

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................231

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................233

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................248

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

ац - центростремительное ускорение, с"1;

К - коэффициент формы насадки, доли ед.;

Кн -коэффициент нагрузки, доли ед.;

Кр - коэффициент равномерности распределения, доли ед.;

Кэ - коэффициент эффективности насадки, доли ед.;

с - теплоёмкость, кДж/(кг-К);

(3 - коэффициент массоотдачи, кг/(м -с кг/кг);

со - угловая скорость, с"1;

е - угловое ускорение, с"1;

х - время пребывания материала, с;

с^ - коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м -К);

D -диаметр барабана, м;

т- 2

Б - площадь, м ;

Рг - критерий Фруда;

в - производительность, кг/с; вес материала, кг;

g - ускорение свободного падения, м2/с;

ви - число Гухмана;

I - энтальпия газа, кДж/кг;

Ь - длина, расход газа, м, м /с;

т - масса, кг;

п - скорость вращения барабана, об/мин;

N11 - число Нуссельта;

Рг - число Прандтля;

<3Р - потери тепла в окружающую среду, Вт;

Б1 - радиус, м;

Яе - число Рейнольдса;

t - температура теплоносителя, °С;

и - влагосодержание материала, кг/кг;

и - влажность материала, %;

ир - равновесное влагосодержание материала в поперечном сечении, кг/кг;

V - объем, м3;

V - линейная скорость, м/с;

V/ - скорость движения теплоносителя, м/с;

х - влагосодержание газа, кг/кг;

Ъ - количество лопаток, шт;

индексы:

1

- на входе в аппарат;

2 - на выходе из аппарата;

б - барабана

л - лопатка;

м - материал.

аппараты:

РУПЭ - распределительное устройство в виде набора подвижных лопастных элементов.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время трудно найти такое производство, где бы сырье или материалы в процессе их технологической обработки не подвергались сушке. Во многих случаях сушка является одной из важнейших операций, определяющих не только качество готовой продукции, но и технико-экономические показатели производства в целом.

Разработке теоретических основ процесса тепломассообмена в сушильных аппаратах посвящены работы Лыкова М.В., Сажина Б.С., Стерлина Д.М, Федосова C.B., Классена П.В., Куцаковой В.Е., Генералова М.Б. В Казахстане данной проблематикой занимались Куатбеков М.К., Альпеисов Е.А.

Наиболее часто в промышленности для высушивания материалов применяются /1, 2, 3/ сушильные устройства непрерывного действия, где процесс тепломассообмена совмещен с движением или перемешиванием материала.

Эти аппараты подразделяются /1/ на следующие типы:

1. Конвективные, в которых тепло, необходимое для испарения влаги из материала, передается от агента сушки твердой фазе путем непрерывного соприкосновения, путем конвекции;

2. Контактные, когда тепло частицам передается от горячей поверхности;

3. Сушка в поле токов высокой или промышленной частоты.

Более распространенными являются сушильные аппараты, относящиеся к первому типу (шахтные, барабанные, аэрофонтанные, с кипящим слоем, коридорные).

Шахтные сушилки применяются /2...5/ только для зернистых и хорошо сыпучих материалов с диаметром частиц менее 70 мм. Их главным элементом является вертикальная шахта, в которой материал высушивается, перемещаясь под действием силы тяжести, а горячие газы проходят через слой материала. Однако все разновидности шахтных сушилок имеют /2, 3/ весьма существенные недостатки: малая интенсивность тепломассообмена, большие энергозатраты, а также они требуют больших производственных площадей. Кроме того, из-за сводообразования в зоне влажного материала его движение в шахте неравномерно и, как следствие, неравномерная обработка всего объема материала. Присутствие мелких частиц значительно снижает фильтрующую способность движущегося слоя, что влечет за собой повышение энергозатрат на подачу агента сушки. В связи с тем, что, как правило, пыль и мелкие частицы распределены по сечению шахты неравномерно, горячие газы распределяются также неравномерно. Поэтому образуются застойные зоны, вызывающие запаривание, а иногда и возгорание высушиваемого продукта.

Сушилки аэрофонтанные и с кипящим слоем имеют /2, 3/ некоторые преимущества по отношению к шахтным. Так, их достоинством является относительно высокая интенсивность сушки. Но неравномерность сушки, высокие затраты электроэнергии для создания значительных давлений, необхо-

димых для взвешивания слоя материала, а также ограничения по размерам частиц (с1ч<75 мм), сложность в управлении сужают область их применения.

К группе коридорных (туннельных) сушилок относятся такие конструкции, в которых сушимый материал имеет поступательное движение вдоль канала, проходя его один раз, оставаясь неподвижным на несущем его механизме. В этих сушилках материал располагается на вагонетках, лентах, рамках и т.д., накладывается на транспортное устройство свободно или держится специальными приспособлениями. Недостатком коридорных сушилок является неподвижность материала во время сушки и связанная с этим неравномерность сушки по слою и по высоте канала за счет расслоения теплоносителя. Для рациональной работы в них применяются большие скорости газа (2...7 м/с), что влечет за собой не всегда оправданные значительные энергозатраты на его нагрев.

Из конвективных сушильных аппаратов наиболее широко распространенными являются /2, 6, 7... 11/ барабанные сушильные агрегаты. Такую популярность они получили благодаря надежности в работе, простоте в управлении и эксплуатации, они не требуют большого количества обслуживающего персонала, универсальны, поскольку, позволяют подвергать термообработке широкий спектр материалов, отличающихся как физическими свойствами, так и размерами частиц (до 300 мм). В них можно достичь равномерной влажности готового продукта и высокой производительности при небольших рабочих объемах.

Основанием для разработки темы явилась необходимость обобщения имеющихся на сегодняшний день разрозненных результатов исследований и создание на его основе методологии совершенствования конструкции и универсальных методов расчета барабанных сушильных агрегатов, а также разработки высокоэффективного внутреннего распределительного устройства с целью интенсификации процесса тепломассообмена.

Исходными данными для работы послужили результаты анализа и обобщения существующих методов расчета и повышения эффективности сушильных агрегатов барабанного типа.

Актуальность проблемы. Среди всего многообразия конструкций сушильных установок, применяемых в химической и пищевой промышленно-стях, сельском хозяйстве наиболее широкое распространение (более 50%) получили барабанные агрегаты. Поскольку, процесс сушки является весьма энергоемким, то разработка высокоэффективных сушилок указанного типа и методов повышения их эффективности важное экономическое значение.

Анализ литературных и патентных данных показывает, что на сегодняшний день при проектировании барабанных сушилок используются данные и методы расчета тридцатилетней давности. К тому же, на протяжении этого периода комплексных исследований, направленных на интенсификацию процессов тепло- и массообмена в них, практически не проводились, а результаты немногочисленных проведенных работ можно использовать для

решения узких задач, т.к. они связаны либо с конкретными материалами, либо с определенными конструкциями сушилок. Поэтому, до сих пор отсутствует научно-обобщенная методика расчета, учитывающая особенности конструкций сушильных установок и внутренних распределительных устройств независимо от физических свойств и гранулометрического состава перерабатываемого твердого вещества.

Таким образом, разработка методологии совершенствования барабанных сушильных агрегатов и методов их расчета, а также определение путей интенсификации процессов тепло- и массообмена в аппаратах с вращающимися барабанами являются актуальной проблемой.

Работа выполнялась в соответствии с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР по проблеме "Теоретические основы химической технологии" на 1986-1990 г.г. (код 2.27.2.8.19), Республиканской научно-технической программой "Научно-технические проблемы машиностроения и создания высокоэффективных машин и аппаратов" на 1993-1997 г.г. (шифр П.0034), а также с тематическими планами Казахского химико-технологического института и Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауезова.

Цель работы: Разработка научно-обоснованной методологии совершенствования и расчета барабанных сушильных агрегатов, создание на ее основе высокоэффективного аппарата.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- создание методологии совершенствования сушильных барабанных агрегатов;

- изучение процесса распределения материала в поперечном и продольном сечениях барабана с Г-образной и распределительной насадками, а также с распределителным устройством, состоящим из набора вращающихся лопастных элементов;

- изучение механизма рассредоточения струи падающего материала лопастными элементами, совершающими вращательное движение под действием силы тяжести падающих частиц;

- установление взаимосвязи процессов тепло- и массообмена с технологическими и конструктивными параметрами сушильного аппарата;

- математическое описание процесса сушки в сушильных аппаратах с вращающимися барабанами;

- интенсификация процессов тепломассообмена между газовой и твердой фазами в барабане за счет использования в качестве распределительного устройства подвижных элементов;

- разработка универсальной методики расчета и рекомендаций по проектированию промышленных барабанных сушильных агрегатов.

Основная идея и внутреннее единство работы. Основной идеей диссертационной работы является создание научно-обоснованной методологии совершенствования сушильных агрегатов барабанного типа и ее практиче-

екая реализация, заключающаяся в разработке высокоэффективной конструкции и внедрение ее в производство.

Полученные в работе научные результаты по изучению распределения материала, тепломассообменных характеристик явились основой для обоснования режимных и конструктивных параметров, разработки универсальной методики расчета, рекомендаций по проектированию и эксплуатации барабанных сушильных агрегатов, что указывает на внутреннее единство диссертационной работ�