Магистерский диплом (ВКР) на тему Моделирование процесса сушки калийных солей в кипящем слое

Содержание:

Введение 5

1 Обзор научно-технической и патентной литературы 9

1.1 Особенности процесса термической обработки калийных солей 9

1.2 Сушильные агрегаты для процесса термической обработки калийных солей 18

1.3 Основные условия проведения процесса термической обработки калийных солей 30

1.4 Патентный обзор 33

2 Математическое моделирование для оптимизации процессов сушки калийных солей 40

2.1 Сушильная установка с аппаратом кипящего слоя 40

2.2 Расчет сушилки 51

2.2.1 Методика расчета сушильных аппаратов 51

2.2.2 Расчет сушилки кипящего слоя 54

2.2.3 Алгоритм расчета 58

2.2.4 Технологический расчет сушилки кипящего слоя на ЭВМ 59

2.3 Расчет прочностных характеристик сушилки 63

2.3.1 Выбор конструкционных материалов 63

2.3.2 Расчет на прочность цилиндрической обечайки 64

2.3.3 Расчет на прочность конической обечайки 65

2.3.4 Расчёт толщины стенки эллиптической крышки 67

2.3.5 Расчет укрепления отверстий 68

3 Разработка процесса сушки калийных солей в кипящем слое 70

3.1 Импульсное регулирование псевдоожиженного слоя в тепломассообменных аппаратах 70

3.2 Описание конструкции пульсатора 83

3.3 Влияние рабочих параметров 87

3.4 Производительность системы сушки 92

3.5 Корреляционный анализ 97

3.5.1 Методика расчета 98

3.5.2 Результаты анализа экспериментальных данных 101

4 Техника безопасности и охрана окружающей среды 106

4.1 Общая характеристика производства 106

4.1.1. Характеристики применяемых и образующихся веществ в процессе производства по токсичности и взрывопожароопасности 106

4.1.2 Характеристика производственного помещения по взрывной и пожарной опасности 109

4.2 Обеспечение безопасной эксплуатации технологического оборудования 113

4.3 Обеспечение экологической безопасности производства 115

5. Экономическая часть 124

5.1 Расчёт общих затрат на производство 124

5.1.1. Затраты на оборудование 125

5.1.2 Затраты на производственные площади 125

5.1.3 Основная заработная плата работникам 126

5.1.4 Социальные отчисления работникам 126

5.1.5 Амортизационные отчисления на оборудование и производственные площади 127

5.1.6 Отчисления на ремонт оборудования 127

5.1.7 Затраты на материальные ресурсы 129

5.1.8 Затраты на электроэнергию 130

5.2 Расчёт общего экономического эффекта от внедрения предлагаемой технологии 132

5.3 Расчёт срока окупаемости модернизированного производства 134

5.4 Технико-экономические показатели 136

Заключение 138

Результативность разработок и исследований 140

Список использованных источников 141

Приложение 146

Введение:

Существенная особенность химико-технологических процессов (ХТП) состоит в том, что совокупность составляющих их явлений носит детерминированно-стохастическую природу, проявляющуюся в наложении стохастических особенностей гидродинамической обстановки в аппарате на процессы массо-, теплопереноса и химического превращения. Это объясняется случайным взаимодействием составляющих компонентов фаз (соударением частиц, их дроблением, случайным блужданием по объему аппарата) или случайным характером геометрии граничных условий в аппарате (случайное расположение элементов беспорядочно уложенной насадки, зерен катализатора, производственная ориентация межфазной границы движущихся сред и т.п.) [2].

Традиционные методы расчета ХТП, основанные на учете при вычислениях упрощенных механизмов их протекания. Абсолютно не удовлетворяют современным требованиям [3].

Ключ к решению этих проблем дает метод математического моделирования, базирующийся на стратегии системного анализа, сущность которой заключается в представлении процесса как сложной взаимодействующей иерархической системы с последующим качественным анализом ее структуры, разработкой математического описания и оценкой неизвестных параметров.

Метод математического моделирования — это исследование процессов на математических моделях, с целью предсказания результатов их протекания в реальных условиях. Модель — это объект, отличающийся от оригинала всеми признаками кроме тех, которые нужно изучить.

При разработке математического описания объекта в настоящее время применяется два основных подхода: системный и эмпирический [1].

Сушка является процессом удаления влаги из материала (твердого или пастообразного) путем испарения содержащейся в нем жидкости с помощью подведенного к материалу тепла. Целью сушки является улучшение качества материала (снижение его объемной массы, повышение прочности) и, в связи с этим, увеличение возможностей его использования. В химической промышленности, где технологические процессы протекают в основном в жидкой фазе, конечные продукты имеют вид либо паст, либо гранул, крошки, пыли. Это обусловливает выбор соответствующих методов сушки [1].

Сушка характеризуется различной интенсивностью перемещения влаги внутри материала (влагопроводность) и последующего ее испарения с поверхности (влагообмен). Главная трудность сушильного процесса заключается в перемещении влаги из средней зоны сортимента. Эффективность сушки во многом определяется возможностью оперативного управления этим процессом и поддержания режимных параметров на заданном уровне.

В основе любой системы управления лежит математическое описание процесса. В работе будет рассмотрен процесс сушки калийных солей, как объект возможного моделирования и математического описания сложных физических явлений тепломассопереноса.

Кинетика процесса сушки в сушилках в кипящем слое отличается режимом сушки других методов. На процесс сушки влияет много факторов, что делает практически невозможным получить аналитическое решение из исходных уравнений тепломассообмена, поскольку продолжительность сушки зависит от рабочих параметров. Поэтому моделирование процесса сушки с целью создания и совершенствования высокоэффективной сушилки имеет большое теоретическое и практическое значение.

Проектирование и моделирование технологического процесса сушки калийных солей должно основываться на комплексном исследовании нестационарных процессов тепло- и массообмена, гидродинамики процессов, происходящих в слоях материала и кинетики сушки.

Таким образом, моделирование режимов процесса с целью оптимизации его параметров требует системного анализа гидродинамических, диффузионных и тепловых процессов, осложненных наложением различных явлений. Полная теоретическая картина процесса непрерывной сушки должна основываться на математической модели, которая связывала бы набор типичных структур или идеализированных моделей, каждая из которых отражает определенный тип переноса или трансформации. Оптимальным способом совершенствования и разработки новой технологии сушки является объединение многомодельной системы процессов сушки с экспериментальными исследованиями процесса удаления влаги в калийных солях [6].

Целью исследования является разработка математической модели системы для оптимизации процесса сушки калийных солей и теплопередачи в слое влажных твердых веществ.

Для достижения поставленной цели были оставлены следующие задачи:

1. Анализ современных литературных источников по теме работы;

3.Формулировка математической моделей процесса сушки калийных солей в кипящем слое;

4. Проверка адекватности математической модели процесса сушки и оценка достоверности теоретических результатов;

5. Моделирование математической модели и количественный расчет;

6. Анализ результатов моделирования.

Объектом исследования являются калийные соли в кипящем слое.

Предметом исследования является математическое моделирование процесса сушки калийных солей.

Научная новизна работы заключается в том, что вместо излучателей в сушилку добавлен пульсатор для изменения скорости воздуха, а также разработана математическая модель для процесса сушки калийных солей, отличающая тем, что позволяет с высокой эффективностью организации переработки в кипящем слое оптимизировать входные и выходные технологические операции с требованиями к качеству сырья и условиям окружающей среды и связывать их друг с другом, предназначенная для расчета оптимальных параметров работы автоматизированной сушильной установки сушки калийных солей.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке математической модели, позволяющей моделировать процессы тепло и массопереноса протекающих в условиях интенсивных фазовых превращениях при сушке калийных солей в кипящем слое. Последнее, будет способствовать разработке теоретических основ, которые станут базой для государственных и отраслевых стандартов при проведении НИОКР (научно-исследовательские и опытно конструкторских работ) при разработке сушильных агрегатов калийных солей. Также проведенные расчеты дают возможность применения сформулированной математической модели для выбора эффективных режимов сушки калийных солей в кипящем слое.

Методы, используемые в работе. Исследование было основано на комплексе общих и специфических научных методов. Общенаучные методы включали анализ и синтез, проверку теории практикой, интерпретацию полученных результатов. Конкретные научные методы включали абстрактно-логический метод, метод моделирования, эмпирический метод, метод статистической вероятности. Методом дифференциального термического анализа были определены интервалы температурных зон испарения влаги с различными формами и энергией связывания влаги с материалами. синтеза и анализа классических и новых аналитических и эмпирических методов в области тепло- и массообмена и исследований обезвоживания калийных солей. Полученные соотношения, приближенные уравнения и результаты моделирования соответствовали экспериментальным данным. Для проведения экспериментов и проверки физических и математических моделей процессов сушки и обработки паром использовались современные компьютерные математические программы и приборы.

Заключение:

В результате выполненной магистерской диссертации были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ современных литературных источников по теме работы, в котором рассмотрены характеристики объектов сушки, рассмотрены общие принципы сушки материалов, описаны различные варианты конструктивных схем сушилок и методы интенсификации процесса сушки.

3. Выбран способ интенсификации процесса сушки за счет создания во внутреннем объеме ультразвуковых колебаний. Рассмотрены вопросы применения ультразвука в сушильных установках кипящего слоя описанные в патентных источниках.

5. Описываются работа тепломассообменного оборудования с кипящим слоем. Рассматривается процесс кристаллизации гранулята полиэтилентерефталата в псевдоожиженном слое при производстве полиэфирных технических нитей. Предлагается осуществлять импульсное регулирование расхода псевдоожижающего агента для повышения тепломассообмена и исключения склеивания гранул. Предложено в технологической схеме установки сушки хлористого калия применить сушилку кипящего слоя, конструкция которого предлагается в данной работе.

6. Выполнены расчеты сушилки кипящего слоя, на основании которых определены ее оптимальные конструктивные параметры: диаметр 2.8 м, высота 6,5 м.

7. Произведен подбор конструкционных материалов и выполнены прочностные расчеты конструктивных элементов сушилки, выполнен сборочный чертеж основного аппарата – сушилки кипящего слоя, а также чертежи деталей сушилки.

8.Сформулирована математическая модель процесса сушки калийных солей в кипящем слое;

9. Проведены проверка адекватности математической модели процесса сушки и оценка достоверности теоретических результатов;

На основе материального расчета определены материальные потоки в сушильном барабане и выбрана барабанная сушилка БН 1,0-4НУ-02 со следующими характеристиками:

— внутренний диаметр барабана: 1,0 м;

— длина барабана: 4 м;

— объем сушильного пространства 4,7 м3;

— частота вращения барабана: 8 об/мин;

— общая масса 5300 кг;

— потребляемая мощность двигателя 4,8 кВт.

На основе теплового расчета для нагрева воздуха до температуры 780°С используем топку с объемом топочного пространства 1,5 м3 с дутьевой многоструйной горелкой диаметром 80 мм без предварительного смешения, работающую на природном газе.

Для очистки сушильного агента после процесса сушки от взвешенных частиц используется циклон марки ЦН-24-650.

Для транспортировки сушильного агента через установку подобран центробежный вентилятор В-Ц14-46-5К-02 производительностью 3,67 м3/с и полным давлением 2360 Па.

Фрагмент текста работы:

1 Обзор научно-технической и патентной литературы

1.1 Особенности процесса термической обработки калийных солей

Процесс сушки калийных солей обычно классифицируется в зависимости от метода передачи тепла высушиваемым влажным твердым частицам. Этими методами являются конвекция (прямая сушка), кондукция (непрямая сушка), излучение (инфракрасная сушка) или их комбинация.

При конвекции (прямой сушке) теплопередача осуществляется за счет прямого контакта солей с горячими газами. Тепло входящего газа обеспечивает скрытое тепло, необходимое для испарения жидкости из солей. Испаренная жидкость переносится горячими газами. В равновесных условиях сушки с постоянной скоростью массоперенос пропорционален (1) площади смачиваемой поверхности, (2) разнице между содержанием воды в осушающем воздухе и влажностью насыщения при температуре влажной колбы на границе раздела соль-воздух и (3) другим факторам, такие, как скорость и турбулентность осушаемого воздуха, выраженные в виде коэффициента массопереноса. Сушилки прямого действия являются наиболее распространенным типом, используемым для термической сушки солей. Этот метод используют сушилки с испарением, сушилки с прямым вращением и сушилки с кипящем слоем.

При кондуктивной (непрямой сушке) теплопередача осуществляется за счет контакта твердых частиц влажного солей с горячими поверхностями. Металлическая перегородка отделяет соль от теплоносителя (обычно пара или масла). Испаренная жидкость удаляется независимо от теплоносителя. Непрямые сушилки включают горизонтальные лопастные, полые или дисковые сушилки и вертикальные непрямые сушилки.

При радиационной (инфракрасной или лучистой тепловой сушке) теплопередача осуществляется за счет лучистой энергии, подаваемой электрическими резистивными элементами, огнеупорными лампами накаливания, работающими на газе, или инфракрасными лампами. Примером сушилки с лучистым теплом является многоподовая печь, обычно используемая для сжигания солей.

Термической сушке предшествует обезвоживание солей, обычно механическим способом. Это важный этап предварительной обработки, поскольку он уменьшает объем воды, который необходимо удалить в сушилке. Вода в обезвоженном осадке испаряется в сушилке, не разрушая органические вещества в твердых частицах солей. Это означает, что температура твердых частиц должна поддерживаться в диапазоне от 60 до 93 °C. Часть высушенного солей часто смешивается с сырым обезвоженным солью, подаваемым в сушилку. Это повышает эффективность процесса сушки за счет уменьшения агломерации и, таким образом, увеличения площади поверхности твердых частиц для осушающей среды. Высушенный соль и выхлопные газы разделяются в самой сушилке или в циклоне, или в обоих. Поток газа отводится через систему контроля загрязнения для удаления запахов и твердых частиц.

Флэш-сушилка — это быстрое удаление влаги путем распыления или впрыскивания солей в поток горячего газа. В системе мгновенной сушки (см. рис. 1.1) влажная соль смешивается с предварительно высушенной солью в смеси для улучшения пневматической транспортировки [2]. Смешанный соль и горячие газы из печи при температуре 704 °C смешиваются перед сепаратором, и начинается испарение водяного пара. Используются скорости газа порядка 20-30 м/с. Сепараторная мельница механически перемешивает шламово-газовую смесь, и к моменту выхода солей из сепараторной мельницы сушка практически завершена, среднее время пребывания составляет несколько секунд. Высушенная соль подается в циклон пневматически. Содержание влаги в осадке на этой стадии составляет всего 8-10%. Затем соль отделяется от отработанных осушающих газов в циклоне. Температура высушенной соли составляет около 71 °C, а температура выхлопных газов составляет от 104 до 149 °C.