Охладитель кипящего слоя

http://www..ru/

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет УПИ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Курсовой проект по дисциплине ПАХТ

Тема: Охладитель кипящего слоя

Екатеринбург 2009

1. Исходные данные для расчета охладителя

2. Расчет охладителя кипящего слоя с воздушно-водяным охлаждением

2.1 Расчет критической скорости щв

2.2 Выбор размеров охладителя

2.3 Расход воздуха в свободном сечении камеры охладителя

2.4 Порозность слоя

2.5 Расчет массы материала, находящегося на решетке

2.6 Среднее расходное время пребывания частиц твердого материала в аппарате со взвешенным слоем

2.7 Расчет порозности взвешенного слоя и высоты взвешенного слоя

2.8 Толщина решетки и живое сечение

2.9 Гидравлическое сопротивление слоя и решетки

2.10 Конструктивное оформление системы водяного охлаждения

2.11 Тепловой баланс охладителя

2.12 Оценка поверхности теплообмена водяного охлаждения

2.13 Основные показатели для расчета и конструирования охладителя кипящего слоя для песка производительностью до 80 т/час

3. Расчеты по уносу пыли отработанным воздухом установки охлаждения песка в кипящем слое

3.1 Теоретическое обоснование уноса песка из охладителя кипящего слоя

3.2 Расчет фактического уноса частиц с отработанным воздухом

3.3 Оценка величины уноса пыли с отработанным воздухом

4. Расчет площади газораспределительной решетки

5. Оборудование к установке

5.1 Охладитель кипящего слоя с воздушно-водяным охлаждением

6. Требования к материалам

6.1 Охладитель Библиографический список

1. Исходные данные для расчета охладителя

Исходные данные для расчета.

Производительность охладителя по продукту, т/ч 80

Температура продукта на входе, °С 110

Температура продукта на выходе, °С 40

Температура охлаждающей воды, °С max30

Температура охлаждающего воздуха, °С -5 — (+40)

Расчет производить для колпачковой решетки.

Предусмотреть возможность промывки решетки и подрешетной камеры.

Гранулометрический состав песка

0,1−0,63 мм.

Средняя теплоемкость песка в расчетном диапазоне температур 900 Дж/кг°С (214 кал/кг°С).

Плотность песка — 1500 кг/м3.

Насыпная плотность — 1200 кг/м3.

Расчет охладителя ведется по летним условиям

2. Расчет охладителя кипящего слоя с воздушно-водяным охлаждением

2.1 Расчет критической скорости щв

охладитель кипящий слой решетка

Расчет критической скорости кипения щв (скорости начала взвешивания) проводим для размеров частиц: dmax=0,63 мм, dmin=0,1 мм.

Для расчета первой критической скорости взвешивания щв применяют формулу:

(1)

где — критерий Рейнольдса;

— критерий Архимеда;

dч — диаметр частиц, м;

сс — плотность газовой среды, кг/м3;

сч — плотность песка, кг/м3;

мс — динамическая вязкость воздуха, Па•с;

g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения.

Уравнение (1) позволяет определить скорость взвешивания щв с точностью ± 20% при порозности ео = 0,4. Оно применимо для монои полидисперсных слоев с частицами сферической и неправильной формы в широком диапазоне чисел Re.

Расчет для dmax=0,63 мм.

Плотность воздуха принята при предполагаемой температуре отработанного воздуха 55°С

— динамическая вязкость газа.

Скорость начала взвешивания определяем из кр. Рейнольдса:

Аналогично проводим расчеты для частиц dmin=0,1 мм.

Данные расчета сведены в табл.1.

Таблица 1

При широком диапазоне размеров частиц для большей гарантии полного взвешивания расчет ведут на наиболее крупные частицы dmax.

При расчетах процессов в кипящем слое удобнее пользоваться не действительной скоростью газового потока в свободном сечении между частицами, а условной скоростью, относимой ко всему сечению аппарата.

Различают: щв — скорость начала псевдоожижения или первая критическая скорость; щу — скорость уноса, при которой начинается унос частиц из слоя или вторая критическая скорость.

Фактически применяемая или рабочая, условная скорость газа щр больше щв и меньше щу. Отношение называется числом псевдоожижения.

Учитывая низкую интенсивность псевдоожижения, которая используется в процессах охлаждения, принимаем Кщ = 6−7.

Принимаем скорость воздуха в полном сечении аппарата щр=0,96−1,12

2.2 Выбор размеров охладителя

В книге (Лыков М. В. Сушка в химической промышленности, М.:Химия, 1970) приведены характеристики сушилки Всесоюзного научно-исследовательского института галургии, разработанной для сушки хлористого калия. Ниже приводится ее техническая характеристика.

Производительность, т/ч 120

Площадь решетки, м2 8

Живое сечение, % 5

Диаметр отверстий, мм 6

Толщина решетки, мм 30

Влажность, %

начальная 4−5

конечная 0,1−0,2

Температура газов, °С начальная 650−700

в слое 100−200

Скорость кипения, м/с 1,5

Сопротивление слоя, мм.вод.ст. 550−600

Сушилка цилиндрической формы с расширяющейся конусной камерой для уменьшения пылеуноса.

Там же приведена техническая характеристика сушилки Норильского горнометаллургического комбината, предназначенная для сушки гранулированного никелевого концентрата. Камера прямоугольного сечения с размещением узлов подачи и вывода сухого продукта в противоположных концах.

Техническая характеристика сушилки.

Производительность, т/ч Площадь решетки, м2

Температура газов, °С

Влажность, %

начальная конечная Унос пыли, % менее 1,0

Проектируемый охладитель песка работает в менее жестких температурных условиях.

Проведен анализ работы охладителя KCl конструкции «Escher Wyss» на мелкозернистом продукте. Охладитель эксплуатируется на ОАО «Уралкалий».

Рабочая камера прямоугольного сечения с размещением узлов подачи и вывода продукта в противоположных концах. Ниже приведена его техническая характеристика.

Производительность, т/ч номинальная максимальная Площадь решетки, м2

Толщина решетки, мм

Температура продукта, °С начальная конечная Скорость кипения, м/с Унос пыли, %

По сравнению с цилиндрическими аппаратами, камеры с прямоугольным сечением и с направленным потоком материала имеют некоторые особенности:

· Сечение камеры прямоугольное, L>>B.

· Загрузка сосредоточена на одном конце, выгрузка — на другом.

· Благодаря большому соотношению L/B линейная скорость материала в слое значительно выше, чем в однокамерных цилиндрических аппаратах.

· Температура материала по длине аппарата изменяется довольно плавно. Для таких установок характерно то, что температура отходящих газов меньше температуры обрабатываемого материала.

· Более равномерное время пребывания в установках с направленным движением, тем более, что охладитель оборудован внутренними перегородками, теплообменными трубами, которые служат своеобразными дросселями для материала.

На основе анализа технических характеристик подобных аппаратов, особенностей их работы выбираем охладитель прямоугольной формы с размерами площади решетки LхB = 7,0×1,5 м.

Сечение решетки sр = 7,0· 1,5 = 10,5 м².

2.3 Расход воздуха в свободном сечении камеры охладителя

Ранее был определен диапазон рабочих скоростей в свободном сечении камеры охладителя: щр=0,96−1,12

Секундный расход воздуха:

Часовой расход воздуха при температуре воздуха tв = 30°С:

Принимаем средний расход воздуха:

2.4 Порозность слоя

В том случае, когда плотностью среды между частицами можно пренебречь по сравнению с плотностью самих частиц, порозность определяется по формуле:

http://www..ru/

Практически, порозность неподвижного насыпанного (неупорядоченного) слоя шарообразных частиц одинакового диаметра.

В расчетах принимается среднее значение

http://www..ru/

.

2.5 Расчет массы материала, находящегося на решетке

Принимаем высоту неподвижного слоя .

Сечение решетки .

Объем материала с учетом порозности:

.

.

При порозности масса твердого материала на решетке:

? 6,9

? 7,6

Вес материала на решетке в диапазоне 6,9−7,6 т

2.6 Среднее расходное время пребывания частиц твердого материала в аппарате со взвешенным слоем

с где — вес материала на решетке, кг;

— расход твердого материала, кг/с.

(~5,2)

(~5,7)

Среднестатистическое время пребывания материала в кипящем слое 5,2−5,7 мин.

Средняя линейная скорость движения материала вдоль охладителя .

2.7 Расчет порозности взвешенного слоя и высоты взвешенного слоя

Для dmax=0,63 мм —. По графику LУ=f (Ar) для соответствует значение .

LУ — критерий Лященко,

Отсюда:

При принятом числе псевдоожижения Кщ=7 рабочая скорость воздуха равна, что соответствует среднему значению принятого диапазона рабочих скоростей в свободном сечении охладителя .

Найдем порозность взвешенного слоя при Кщ=7.

По графику LУ=f (Ar) при LУ=5,145 и находим е? 0,65−0,7.

Высота взвешенного слоя определяется из соотношения:

где — высота неподвижного слоя, м;

— порозность неподвижного слоя, м.

Максимальное значение высоты взвешенного слоя:

Минимальное значение высоты взвешенного слоя:

Ранее была принята высота неподвижного слоя (см. п. 2.5).

2.8 Толщина решетки и живое сечение

По аналогии с рассмотренными ранее прототипами аппаратов примерно равной производительности с рассчитываемым, принимаем толщину решетки равной 5 мм.

От конструкции решетки в большой степени зависит состояние кипящего слоя. Решетка выполняет двойную функцию: равномерно распределяет газовый поток по сечению камеры и поддерживает слой при остановках охладителя.

В настоящее время применяют два типа решеток: провальные и беспровальные.

Живое сечение решеток составляет обычно 3−10%

Предлагается к установке следующая конструкция колпачка.

Рекомендуемые скорости в отверстиях решетки 9−15 м/с. Принимаем 15 м/с. При равенстве скоростей газового потока на входе в колпачок и на выходе из щелевого зазора, размер щелевого зазора составит ~ 10 мм.

Конструкция колпачка предотвращает просыпание продукта в подрешеточное пространство и позволяет регулировать скорость истечения воздуха из колпачка. Скорость истечения определяет зону действия каждого колпачка в кипящем слое.

Принимаем живое сечение ~ 8,5%, что составит для плиты с сечением решетки :

10,5 — 100

х — 8,5

— суммарное сечение отверстий колпачков.

Число колпачков на плите:

При расходе воздуха 40 000 м3/ч скорость входа в отверстие колпачка составит:

Нами принята скорость на входе в отверстие колпачка .

Принимаем число колпачков .

Фактическое живое сечение решетки:

0,785· 0,0422·636=0,88

10,5 — 100

0,88 — х

%

Живое сечение решетки незначительно отличается от принятого ранее.

2.9 Гидравлическое сопротивление слоя и решетки

Гидравлическое сопротивление слоя определяется по уравнению:

где =1500 — плотность продукта, кг/м3;

=0,2 — порозность неподвижного слоя (см. п. 2.4);

=0,55−0,6 — высота неподвижного слоя, м (см. п. 2.5);

(~647

(~706

Гидравлическое сопротивление (потеря напора в потоке легкой фазы) лишь немного превышает вес тяжелой фазы, отнесенный к площади сечения решетки. Это незначительное превышение составляет обычно 1−2% от и связано с потерей напора на преодоление сил трения частичек.

Ранее масса твердого материала на решетке определена в количестве 6900−7600 кг в зависимости от высоты слоя =550−600 мм (см. п. 2.5).

Тогда

(657

(724

(

Расчеты показывают, что гидравлическое сопротивление слоя может изменяться в пределах ~ 645−730 мм.вод.ст. Гидравлическое сопротивление в газораспределительной решетке можно определить по уравнению [3, c.102]:

где — доля живого сечения решетки, =0,088 (8,8%);

— скорость потока в отверстиях решетки, =15 м/с (см. п. 2.8);

— коэффициент сопротивления решетки, зависящий от отношения ,

где — толщина решетки, м.

По графику определяем =0,62

(~35

Максимальное гидравлическое сопротивление охладителя:

(~770

2.10 Конструктивное оформление системы водяного охлаждения

Из возможности размещения теплообменных блоков в охладителе устанавливается четыре охлаждающих блока. В блоках используется трубка охлаждения Ш22×2,5 мм. Длина трубки ~1500 мм каждая. Трубки располагаются по вертикали в 24 ряда, по горизонтали 10 рядов, соединенных между собой калачами. Таким образом, получаем 24 сварных изогнутых трубы.

Фактическая поверхность теплообмена водяного охлаждения: 25×4=100.

Номинальный расход воды на один блок:

(0,01)

Максимальный расход:

(0,014)

Вода в блок поступает через 2 патрубка Dу 80.

Скорость движения воды в патрубках максимальная:

Скорость приемлемая, близка к рекомендуемым.

Скорость движения воды в трубках максимальная:

В режиме номинального расхода воды:

где 0,017 — внутренний диаметр трубки, м;

24 — число трубок в блоке, через которые поступает секундный расход воды на один охлаждающий блок.

2.11 Тепловой баланс охладителя

Расчет производится по летним условиям.

2.11.1. Теплообмен между кипящим слоем и погруженной в него поверхностью.

Различают три основных вида теплообмена в кипящем слое:

· Теплообмен между зернами (частицами) и газовым потоком.

· Теплоперенос из одного участка кипящего слоя в другой. В рассматриваемом случае этот вид теплообмена исключается, т.к. среда в охладителе движется от входа к выходу в режиме, приближающемся к идеальному вытеснению.

· Теплообмен между кипящим слоем и твердыми поверхностями (теплообменными трубками).

Следует отметить, что теплоотвод от продукта за счет теплообмена между частицами и газовым потоком составляет незначительную долю общего баланса теплоотвода, порядка ~30−35%. Остальная часть тепла продукта отводится через теплообменные трубы, расположенные в кипящем слое, за счет охлаждения водой.

2.11.2. Для расчета теплового баланса приняты следующие данные:

Расход охлаждаемого продукта, т/ч 80

Расход воздуха, м3/ч 40 000

Температура продукта, °С начальная 100−110(принимаем 110)

конечная 40

Температура воздуха начальная, °С 30

Температура воды начальная, °С 25

Конечная температура воздуха и воды определяется из теплового баланса.

Расходом воды на охлаждение задаемся из определения скорости в трубах. рекомендуется выбирать скорости не более 1,5−2,0 м/с. Тогда при щтр = 1,5 м/с получим номинальный расход воды на блок:

где dвн — внутренний диаметр трубки, м;

n — количество трубок.

Номинальный объем воды на аппарат: 4*30 = 120 м3/ч.

Максимальный расход воды при скорости 2 м/с на блок:

Gводы=2*0,785*0,0172*24*3600=49,94?50м3/ч Максимальный расход воды на аппарат:4*30=200 м3/ч.

Проведем расчет без пылеуноса.

2.11.3. Приход тепла.

С материалом:

где 0,9 — теплоемкость песка,

С воздухом:

С водой:

Всего — 6091,7

Расход тепла.

С материалом:

С воздухом:

С водой:

Без учета потерь в окружающую среду приравниваем :

Принимаем температуру воды на выходе из теплообменников =30°С, тогда:

°С Принимаем температуру воздуха 83 °C.

2.11.4. Анализ теплового баланса.

Тепло, уносимое водой:

Теплосъем с продукта:

Расхождение баланса:

Доля теплоотвода за счет воздуха:

или 50,05%

Доля теплоотвода за счет охлаждения водой:

или ~ 49,95%

Разность температур, на которую нагреется вода, составит:

Температура воды на выходе из аппарата:

Разность температур, на которую нагреется воздух, составит:

Температура воздуха на выходе из аппарата:

2.12 Оценка поверхности теплообмена водяного охлаждения

Коэффициент теплоотдачи б1 от кипящего слоя к погруженной в него поверхности (трубки охлаждения).

Литература

по оценке величины б1 весьма обширны, в частности можно указать на источники [2, 4, 5], в которых б1 оценивается величиной в среднем б1=350 Вт/м2°С.

При вынужденном движении воды в трубках и каналах б2=6289 Вт/м2°С.

Проведен уточненный расчет б2 в трубках с внутренним диаметром трубки dвн=17 мм (труба Ш22×2,5) и скорости воды в трубках щтр=1,5 м/с. Получено значение б2=6289 Вт/м2°С.

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле:

Полученное значение коэффициента теплопередачи одного порядка со значением, полученным из условий эксплуатации охладителя «Escher Wyss», работающего на мелкозернистом продукте — .

Данные значения коэффициента теплопередачи хорошо корреспондируются с величинами, приведенными в литературе.

Для последующих расчетов возможна оценка коэффициента теплопередачи от кипящего слоя к воде ~ 300.

Средняя разность температур:

?tб=80

?tм=15

Определение средней разности температур по противоточной схеме оправдано, т.к. режим движения материала приближается к идеальному вытеснению (L>>B), а охлаждающая жидкость подается параллельно по длине аппарата через несколько охлаждающих блоков.

Требуемая поверхность теплообмена для проведения процесса охлаждения при производительности охладителя 80 т/час.

Количество тепла, отводимого водой — 699,3 кВт=699 300 Вт (Дж/с) .

принимаем .

При расчете теплообменников (определении поверхности теплообмена) полученную в результате теоретического расчета поверхность рекомендуется увеличивать примерно на 15%.,

2.13 Основные показатели для расчета и конструирования охладителя кипящего слоя для KCl производительностью до 80 т/час

Производительность охладителя по продукту, т/ч Начальная температура продукта, °С Конечная температура продукта, °С Количество охлаждающей воды, м3/ч номинальный расход максимальный расход Температура охлаждающей воды, °С начальная: летом

конечная Температура охлаждающего воздуха, °С летом: начальная

конечная Количество воздуха начальное, м3/ч 40 000 при t=30°С Количество отработанного воздуха, м3/ч 43 000 при t=83°С Скорость воды в патрубках блока охлаждения, м/с 1,39

Скорость движения воды в трубках, м/с 1,8 — 1,93

Количество блоков охлаждения — 4

Каждый блок охлаждения содержит 240 трубки Ш 22×2,5, расположенных по 24 трубки в горизонтальном ряду, количество горизонтальных рядов — 10.

В каждом блоке охлаждения по два подающих патрубка Dу 80 и два отводящих Dу80.

Ориентировочная длина трубок ~ 1500 мм. Нечетные и четные ряды трубок соединены попарно калачами.

Скорость кипения щр в пересчете на свободное сечение охладителя:

по исходному воздуху 1,2 — 1,3 м/с по отработанному воздуху 1,4 — 1,5 м/с.

Скорость в патрубках подачи воздуха ~ 10−12 м/с.

Скорость отработанного воздуха в патрубке отвода щот=18−25 м/с.

Общее количество колпачков на плите 636 штук. Диаметр входного отверстия Ш42 мм.

Скорость входа воздуха в отверстия плиты (колпачка), м/с 15

Суммарное сечение отверстий, м2 100.

Живое сечение плиты ~ 8,8%.

Толщина плиты, мм 5

Поверхность теплообмена одного блока охлаждения, м2 30

Суммарная поверхность теплообмена:

Вес материала на решетке, кг 6900−7600

Высота неподвижного слоя, м 0,55−0,6

Высота взвешенного слоя, м 1,3−1,6

Гидравлическое сопротивление аппарата, Па (мм.вод.ст.) 7730 (770)

3. Расчеты по уносу пыли отработанным воздухом установки охлаждения песка в кипящем слое

3.1 Теоретическое обоснование уноса песка из охладителя кипящего слоя

В техническом задании приведен гранулометрический состав продукта, подлежащего охлаждению с 110 °C до 40 °C.

Гранулометрический состав песка.

0,1−0,63 мм Проведем расчет критической скорости кипения щв (скорость начала взвешивания) для трех размеров частиц: dmax=0,63 мм, dmin?0,1 мм.

Предложено множество формул для расчета щв. Наиболее часто применяют универсальную зависимость А. М. Тодеса [1]:

(3.1)

где — критерий Рейнольдса;

— критерий Архимеда;

dч — диаметр частиц, м;

сг — плотность воздуха, кг/м3;

сч — плотность песка, кг/м3;

мг — динамическая вязкость воздуха, Па•с;

g=9,81 м/с2 — ускорение свободного падения.

Уравнение (3.1) позволяет определить скорость взвешивания щв с точностью ± 20%. Оно применимо для монои полидисперсных слоев с частицами сферической и неправильной формы в широком диапазоне чисел Re.

Проведем расчет для dmax=0,63 мм.

где 83 — температура отработанного воздуха, °С (см. п.2).

Скорость начала взвешивания определим из кр. Рейнольдса:

Аналогично проводим расчеты для частиц dmin?0,1 мм. Данные расчета сведены в табл.3.2.

Таблица 2

По представленному гранулометрическому составу песка мы ближе к первому случаю.

Пределы существования взвешенного слоя связаны со скоростью уноса твердых частиц щу. Отношение щу/щв служит мерой предела существования взвешенного слоя.

Для расчета этой величины в литературе рекомендована зависимость:

(3.2)

которая является наиболее общей.

При малых значениях Ar (мелкие частицы) — щу/щв>78, для больших значений Ar (крупные частицы) — щу/щв>8,6.

В случае полидисперсных частиц, скорость витания которых неодинакова, по приведенному выше уравнению можно оценить порядок величины щу/щв.

Проведем расчет для dmax=0,63 мм.

— скорость уноса для частиц dmax=0,63 мм.

Аналогично, по приведенному уравнению проводим расчеты для dmin?0,1 мм. Данные расчета сведены в табл.3.

Таблица 3

Из проведенных расчетов можно сделать следующие выводы:

· Соотношение скорости витания щвит и скорости уноса щу для частиц d?0,1 мм показывает, что порядок величин определен правильно.

· Наиболее подвержена уносу фракция dч?0,1 мм.

4. Расчет площади газораспределительной решетки

м2,

м Принимаем диаметр решетки D=3,8 м, тогда площадь составит:

м2,

Соответственно рабочая скорость снизится до м/с.

5. Оборудование к установке

5.1 Охладитель кипящего слоя с воздушно-водяным охлаждением

Производительность охладителя по продукту — 80 т/ч.

Температура продукта на входе — 110 °C.

Температура продукта на выходе — 40 °C.

Расход воздуха — 40 000 м3/ч Расход воды:

номинальный — 120 м3/ч максимальный — 200 м3/ч.

Скорость кипения — 1,2 — 1,4 м/с.

Решетка беспровальная, колпачковая.

Толщина решетки — 30 мм Площадь решетки — 1,5×7,0

Живое сечение — 8,8%.

Гидравлическое сопротивление — 7730 (770) Па (мм.вод.ст.).

Габаритные размеры — 2000×6020×7927 мм.

Вес аппарата (без продукта) — 5500 кг

6. Требования к материалам

6.1 Охладитель

трубы блоков охлаждения — Х17Н13М2Т;

материал решетки д=30 мм — Ст3сп;

материал корпуса охладителя — Ст3сп;

материал колпачков — нержавеющее литье.

6.2. Трубы подвода охлажденной воды без содержания хлора — углеродистая сталь

Трубы на растворы KCl, слабые и концентрированные (до 100 г/л) — полипропилен или ПНД.

Библиографический список

1.Аэров М. И., Тодес О. М., Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. -Л.:Химия, 1968.

2.Лыков М. В., Сушка в химической промышленности.-М.:Химия, 1970.

3.Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А., Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. -Л.:Химия, 1981.

4.Расчеты аппаратов кипящего слоя. Справочник/И.П.Мухленов, Б. С. Сажин, В. Ф. Фролов. -Л.:Химия, 1986.

5.Кочетков В. Н., Гранулирование минеральных удобрений. -М.:Химия, 1975.

6.Генералов М. Б., Классен П. В., Расчет оборудования для гранулирования минеральных удобрений. -М.:Машиностроение, 1984.

7.Романков П. Г., Рашковская Н. Б., Сушка в кипящем слое. -М.:Химия, 1964.