- •О. С. Ломова расчет массообменных установок нефтехимической промышленности
- •Часть 2
- •Рецензенты: е. О. Захарова, к.Т.Н., доцент ОмГпу, зав. Кафедрой «Технологии и методики преподавания технологии»;
- •Оглавление
- •Глава 1. Адсорбционная установка
- •Глава 2. Расчет сушильной установки
- •Введение
- •Глава 1. Адсорбционная установка
- •1.1. Процесс адсорбции
- •1.2. Расчет адсорбционной установки с псевдоожиженным слоем адсорбента
- •Задание на проектирование
- •Основные условные обозначения
- •1.2.1. Определение скорости газового потока
- •1.2.2. Определение расхода адсорбента
- •1.2.3. Определение объемного коэффициента массопередачи
- •1.2.4. Определение общего числа единиц переноса
- •1.3. Расчет адсорбционной установки периодического действия с неподвижным слоем адсорбента
- •Задание на проектирование
- •1.3.1. Построение изотермы адсорбции
- •1.3.2. Определение продолжительности стадии адсорбции
- •1.4. Расчет адсорбционной установки с движущимся слоем адсорбента Задание на проектирование
- •1.4.1. Расчет диаметра аппарата
- •1.4.2. Расчет скорости движения адсорбента
- •1.4.3. Расчет длины слоя адсорбента
- •1.5. Расчет ионообменной установки
- •Задание на проектирование
- •1.4.1. Расчет односекционной катионообменной колонны
- •Уравнение изотермы сорбции
- •Скорость потока жидкости
- •Определение лимитирующего диффузионного сопротивления
- •Среднее время пребывания частиц ионита в аппарате
- •Высота псевдоожиженного слоя ионита
- •1.6 Характеристики адсорберов
- •1.6.1. Адсорберы с неподвижным слоем поглотителя
- •1.6.2. Адсорберы с движущимся слоем поглотителя
- •1.6.3. Адсорберы с псевдоожиженным слоем поглотителя
- •Глава 2. Расчет сушильной установки
- •2.1. Процесс сушки
- •Основные условные обозначения
- •Индексы
- •2.2. Расчет барабанной сушилки Задание на проектирование
- •2.2.1. Параметры топочных газов, подаваемых в сушилку
- •2.2.2. Параметры отработанных газов. Расход сушильного агента
- •2.2.3. Определение основных размеров сушильного барабана
- •К выбору рабочей скорости газов в сушильном барабане w
- •Опытные данные по сушке некоторых материалов в барабанных сушилках
- •Основные характеристики барабанных сушилок заводов «Уралхиммаш» и «Прогресс»
- •2.3. Расчет сушилки с псевдоожиженным слоем Задание на проектирование
- •2.3.1. Расход воздуха, скорость газов и диаметр сушилки
- •2.3.2. Высота псевдоожиженного слоя
- •2.3.3. Гидравлическое сопротивление сушилки
- •Список используемой литературы
- •Приложения
- •Физические свойства воды (на линии насыщения)
- •Физические свойства сухого воздуха при атмосферном давлении
2.3.2. Высота псевдоожиженного слоя
Высоту псевдоожиженного слоя высушиваемого материала можно определить на основании экспериментальных данных по кинетике как массо-, так и теплообмена. Ниже приведен расчет высоты псевдоожиженного слоя, необходимой для удаления свободной влаги (что имеет место в нашем случае), двумя указанными методами.
Решая совместно уравнения материального баланса и массоотдачи, получим:
(2.35)
где W – производительность сушилки по испарившейся влаге, кг/с; S – поперечное сечение сушилки, м2; х и х* – рабочее и равновесное влагосодержание воздуха, кг влаги/кг сухого воздуха; F – поверхность высушиваемого материала, м2; ρсв – плотность сухого воздуха при средней температуре в сушилке, кг/м3.
При условии шарообразности частиц заменим поверхность высушиваемого материала dF на dF = [6(1 – ε)/d]Sdh, где h – высота псевдоожиженного слоя, м. Разделяя переменные и интегрируя полученное выражение, при условии постоянства температур частиц по высоте слоя находим:
(2.36)
Равновесное содержание влаги в сушильном агенте х* определяем по I-х диаграмме как абсциссу точки пересечения рабочей линии сушки с линией постоянной относительной влажности φ = 100 %. Величина х* = 0,0438 кг/кг. При этом левая часть уравнения (2.36) равна:
(х* – х2)/(х* – х0) = (0,0438 – 0,035) / (0,0438 – 0,0092) = 0,254.
Порозность псевдоожиженного слоя ε при известном значении рабочей скорости может быть вычислена по формуле [4]:
ε = [(18Re + 0,36Re2) /Ar]0,21.
Критерий Рейнольдса
Критерий Ar = 7,17104 (см. выше).
Тогда:
ε = [(18 · 58,9 + 0,36 · 58,92) / (7,17 · 104)]0,21 = 0,486 м3/м3.
Коэффициент массоотдачи βу определяют на основании эмпирических зависимостей; при испарении поверхностной влаги он может быть рассчитан с помощью уравнения [7]:
(2.37)
где Nuy = βydэ / D – диффузионный критерий Нуссельта; Рrу = μ / ρD – диффузионный критерий Прандтля.
Коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при средней температуре в сушилке D (м2/с) равен:
D = D20[(T0 + tcp) / T0]3/2. (2.38)
Коэффициент диффузии водяных паров в воздухе при 20 °С
D20 = 21,9 · 10-6 м2/с [1].
Тогда:
Коэффициент массоотдачи из уравнения (2.37) равен:
. (2.39)
Подставляя вычисленные значения в уравнение (2.36), определим высоту псевдоожиженного слоя высушиваемого материала h:
откуда h = 410-3м.
Проверим правильность определения величины h по опытным данным для теплоотдачи в псевдоожиженных слоях. Приравняем уравнение теплового баланса и уравнение теплоотдачи:
(2.40)
где с – теплоемкость воздуха при средней температуре, равная 1000 Дж/(кг·К); α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); t – температура газа, °С; tM – температура материала, °С. Сделав приведенные выше преобразования, получим:
Сначала определим высоту псевдоожиженного слоя, необходимую для испарения поверхностной влаги материала. В уравнениии (5.41) высота псевдоожиженного слоя h является той же самой величиной, что и рассчитанная по уравнению (5.36). Принимая модель полного перемешивания материала в псевдоожиженном слое, можно считать температуру материала равной температуре мокрого термометра. Последнюю находим по параметрам сушильного агента с помощью I-х диаграммы. Она равна tM = 38 °С.
Коэффициент теплоотдачи α определяют на основании экспериментальных данных. Можно пользоваться следующими уравнениями [4]:
для Re < 200 Nu = 1,6 · 10-2(Re/ε) 1,3Pr0,33; (2.42)
для Re > 200 Nu = 0,4 · (Re/ε)°,67Pr0,33, (2.43)
где Nu = α dэ / λ – критерий Нуссельта; Рr = cμ / λ – критерий Прандтля; λ – коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре, Вт/(м·К) [1].
Коэффициент теплоотдачи для рассматриваемого случая (Re = 58,9 < 200) равен
.
Подставляя найденные значения в уравнение (5.41), определим высоту псевдоожиженного слоя, необходимую для испарения влаги:
откуда h = 3,5 · 10–3 м.
Сравнивая величины, рассчитанные на основании опытных данных по массоотдаче (h = 410–3 м) и по теплоотдаче (h = 3,510–3 м), можно заключить, что они удовлетворительно совпадают.
Рабочую высоту псевдоожиженного слоя Н определяют путем сравнения рассчитанных величин с высотой, необходимой для гидродинамически устойчивой работы слоя и предотвращения каналообразования в нем. Разница между этими высотами зависит от того, каким (внешним или внутренним) диффузионным сопротивлением определяется скорость сушильного процесса и насколько велико это сопротивление.
В случае удаления поверхностной влаги (первый период сушки) гидродинамически стабильная высота обычно значительно превышает рассчитанную по кинетическим закономерностям. При этом высоту псевдоожиженного слоя Н определяют исходя из следующих предпосылок: на основании опыта эксплуатации аппаратов с псевдоожиженным слоем установлено, что высота слоя Н должна быть приблизительно в 4 раза больше высоты зоны гидродинамической стабилизации слоя НCT то есть Н = 4 НCT. Высота НCT связана с диаметром отверстий распределительной решетки d0 соотношением НCT = 20 d0; следовательно, Н = 80 d0.
Диаметр отверстий распределительной решетки выбирают из ряда нормальных размеров, установленного ГОСТ 6636-69 (в мм): 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,2; 3,6; 4,0; 4,5; 5,0; 5,6.
Выберем диаметр отверстий распределительной решетки d0 = 2,5 мм. Тогда высота псевдоожиженного слоя Н = 80 · 2,5 · 10–3 = 0,2 м.
Число отверстий n в распределительной решетке определяют по уравнению:
n = 4SFc / (n d0) = d2Fc /d0, (2.44)
где S – сечение распределительной решетки, численно равное сечению сушилки, м2; Fc – доля живого сечения решетки, принимаемая в интервале от 0,02 до 0,1.
Приняв долю живого сечения Fc = 0,05, найдем число отверстий в распределительной решетке: n = 22 · 0,05 / 0,00252 = 32000.
Рекомендуется применять расположение отверстий в распределительной решетке по углам равносторонних треугольников. При этом поперечный шаг f и продольный шаг t" вычисляют по следующим соотношениям:
(2.45)
, (2.46)
Откуда
;
.
Высоту сепарационного пространства сушилки с псевдоожиженным слоем Нс принимают в 4–6 раз больше высоты псевдоожиженного слоя: Нc = 5Н= = 5 · 0,2 = 1 м.
При отсутствии опытных данных по кинетике тепло- или массообмена можно пользоваться объемным напряжением сушилок с псевдоожиженным слоем по влаге Av. В таблице 5.4 приведены сведения о напряжениях по влаге Av для некоторых материалов.
Проверим соответствие рассчитанного значения высоты псевдоожиженного слоя экспериментальным данным, полученным при сушке песка. Из таблицы 2.4 напряжение по влаге Аv = 435 кг/(м3ч) = 0,121 кг/(м3с). Объем псевдоожиженного слоя VK равен:
F = W/Av =0,0726 / 0,121 = 0,6 м3.
Высота псевдоожиженного слоя Н:
H = VK / (0,785d3) = 0,6 / (0,785 · 22) = 0,191 м.
Как видим, рассчитанная высота псевдоожиженного слоя и найденная на основании опытных данных хорошо согласуются.
Таблица 2.5
Опытные данные по сушке некоторых материалов в псевдоожиженном слое
Материал |
Размер частиц, мм |
wH, % |
wK, % |
t1,°C |
t 2,°C |
Аν, г/(м3ч) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Песок |
― |
10 |
0,5 |
900 |
120 |
435 |
Ильменит |
0–0,3 |
3,7 |
0,03 |
400–300 |
130–160 |
103–167 |
Уголь |
0–6 |
20 |
2 |
650 |
80 |
2900 |
|
0–10 |
14,5 |
4,8 |
410 |
70 |
2500 |
Окончание табл. 2.5
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
6–13 |
25–28 |
2–4 |
600 |
60 |
1500–1750 |
|
― |
22 |
8,5 |
436 |
63 |
1500 |
Хлорид калия |
― |
16 |
0,15 |
700 |
120 |
900 |
Перманганат калия |
0,5–1,2 |
7–8 |
0,2–0,3 |
180 |
70 |
60–70 |
Сульфат железа |
0,25–1 |
48,5 |
19,2 |
400 |
125 |
412 |
Сульфат аммония |
― |
2,5–3 |
0,1–0,7 |
150 |
60 |
300–500 |
|
0,25 |
4 |
0,2 |
200 |
70 |
48,4 |
|
0,8 |
2 |
0,2 |
150 |
100 |
61,4 |
|
0,25 |
0,8 |
0,2 |
100 |
80 |
3,5 |
Комбинированные удобрения РК |
0–4,6 |
4–11 |
2,6–6,6 |
80–200 |
65–98 |
28–128 |
Бензосульфамид |
― |
18,9 |
2,4 |
100 |
46–50 |
118 |
Карбонат бария |
― |
45 |
1 |
380 |
100 |
70 |
Аципиновая кислота |
― |
5,6 |
0,27 |
130 |
77 |
27,3 |
Себациновая кислота |
― |
9,8 |
0,09 |
100 |
42 |
43 |
2-Аминофенол |
― |
12 |
0,5 |
110 |
65 |
4,4 |
Полистирол эмульсионный |
― |
33 |
0,67 |
138 |
58 |
24,5 |
Поливинилбутираль |
― |
20 |
1 |
118 |
50 |
15,2 |
Хлорированный |
― |
66 |
0,5 |
120 |
60 |
6,4 |