V007126 Курсовая работа Конструкторская разработка сушилки туннельного типа с инфракрасными излучателями листового известково-калиевого химического поглотителя

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………

1  ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ………………………………

1.1 Химические поглотители диоксида углерода на основе гидрата оксида кальция………………………………………………………………………………

1.1.1 Листовой известково-калиевый химический поглотитель. Свойства и аппаратурное оформление ………………………………………………………...

1.2 Процесс и способы сушки …………………………………………………….

1.2.1 Способ сушки инфракрасным излучением ………………………………..

1.3 Постановка задач исследования ……………………………………………...

2  КОНСТРУКТОРСКАЯ РАЗРАБОТКА СУШИЛКИ ТУННЕЛЬНОГО ТИПА С ИНФРАКРАСНЫМИ  ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ ЛИСТОВОГО ИЗВЕСТКОВО-КАЛИЕВОГО ХИМИЧЕСКОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ ..……………………………

2.1 Исходные вещества и материалы ….………………………………………….

2.2 Основные стадии получения хемосорбента…………………………………..

2.3 Состав и свойства смеси для формования листового материала ………….

2.4 Процесс сушки листового известково-калиевого химического поглотителя. Лабораторная установка ………………………………………………………….

2.5 Расчет энергозатрат при различных способах сушки ……………………...

2.6 Расчет инфракрасных излучателей в сушильной установке ……………….

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СУШКИ ЛИСТОВОГО ИЗВЕСТКОВО-КАЛИЕВОГО ХИМИЧЕСКОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ ………….

4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Маркетинговые исследования

4.2 Определение мощности участка

4.3 Расчет капиталовложений в проект

4.4

Заключение ………………………………………………………………………….

Список использованных источников ……………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших направлений развития современной технологии хемосорбентов является разработка новых методов, способов, приемов, позволяющих минимизировать расход материалов и энергоресурсов, уменьшить вредные выбросы производства, получить хемосорбенты с необходимыми сорбционными характеристиками.

Хемосорбенты на основе щелочных и щелочноземельных металлов являются основными продуктами для поглощения диоксида углерода в замкнутых системах жизнеобеспечения и в средствах индивидуальной защиты органов дыхания человека. Они широко используются в респираторах горноспасателей и пожарных отрядов, в водолазной технике, в устройствах, обеспечивающих проведение работ по освоению прибрежного шельфа и аварийно-спасательных операций, созданию и обслуживанию подводных объектов, в системах регулирования газовой среды в водолазных барокомплексах при проведении глубоководных погружений.

Из класса щелочноземельных металлов для очистки газовоздушной среды от диоксида углерода в России широко применяется гранулированный химический поглотитель известковый ХП-И. За рубежом аналогами ХП-И являются следующие марки: Carbolime, Sodalime, Sodasorb, Spherasor и др., выпускаемые так же в виде гранул или таблеток.

К существенным недостаткам известных хемосорбентов можно отнести: сорбционная емкость по диоксиду углерода ниже теоретически возможной величины, низкая прочность и, как следствие, пыление и разрушение хемосорбента в процессе эксплуатации, большое количество отходов, требующих утилизации.

В целях улучшения сорбционных и эксплуатационных характеристик хемосорбента на основе гидрата оксида кальция, а также снижения технологических потерь предложен принципиально новый подход в получении известкового хемосорбента диоксида углерода - в виде гибкого композиционного материала, которому можно придать любые формы (рулоны, листы, ленты, шайбы, диски).

Разработка и исследование технологических параметров процесса получения хемосорбента, а также изучение хемосорбционных свойств, направленных для более полного использования потенциальных возможностей хемосорбента, является актуальным в научном и практическом плане.

Цель работы. Изучение технологического процесса производства хемосорбента на основе гидрата оксида кальция с улучшенными хемосорбционными свойствами, кинетики поглощения диоксида углерода хемосорбентом, и конструкторская разработка сушилки туннельного типа с инфракрасными излучателями.

1 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ

С целью формулировки и постановки задач исследований в данной главе представлен анализ и обзор патентной и научно-технической информации способов получения известковых хемосорбентов. Изучены различные кинетические и математические модели, которые применяются для описания процессов сушки химических поглотителей.

1.1 Химические поглотители диоксида углерода на основе гидрата оксида кальция

1.1.1 Листовой известково-калиевый химический поглотитель. Свойства и аппаратурное оформление

Химические поглотители на основе гидратов оксидов щелочных и щелочноземельных металлов способны вступать в реакцию с диоксидом углерода с образованием новых химических соединений, данный процесс называется хемосорбцией, а сами поглотители - хемосорбентами [1 – 4].

Производимые в настоящее время хемосорбенты подразделяются на:

- регенерируемые, т.е. работающие в циклах сорбция-регенерация, к ним относятся поглотители на основе оксида циркония, на основе цирконата лития, на основе окиси серебра, на основе аминов и др.

- нерегенерируемые поглотители или хемосорбенты. В основном это хемосорбенты на основе оксидов и гидратов оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, разработанные в середине прошлого века. Хемосорбенты широко используются в респираторах горноспасательных, пожарных отрядов и водолазной технике, в устройствах, обеспечивающих проведение работ по освоению прибрежного шельфа и аварийно-спасательных операций, созданию и обслуживанию подводных объектов, в системах регулирования газовой среды в водолазных барокомплексах при проведении глубоководных погружений, в анестезиологии замкнутого цикла, а также индивидуальных и коллективных средствах защиты.

Одним из показателей поглотительной способности хемосорбентов по диоксиду углерода является динамическая активность (сорбционная емкость, л/кг или л/л) данного вида гидрата оксида щелочного или щелочноземельного металла. В таблице 1.1 приведена стехиометрическая емкость основных хемосорбентов на основе гидратов оксидов щелочных и щелочноземельных металлов.

Таблица 1.1 – Рассчитанная стехиометрическая емкость основных хемосорбентов на основе гидратов оксидов щелочных и щелочноземельных металлов

Гидраты оксидов щелочных и щелочноземельных металлов Стехиометрическая емкость, дм3/кг

LiOH 467

NaOH 280

KOH 200

Ba(OH)2 521

Mg(OH)2 395

Ca(OH)2 304

Одними из первых поглотителей кислых газов, нашедших широкое применение при разработке средств защиты органов дыхания человека, были поглотители на основе гидрата оксида кальция. Технология получения, свойства и области применения хемосорбентов на основе гидрата оксида кальция достаточно хорошо изучены и описаны [5 - 1].

Хемосорбенты выпускаются в виде зерен, гранул, таблеток, блоков, пластин и др. На рисунке 1.1 представлен хемосорбент в виде гранул и в виде ленты, скрученной в рулон.

а)                                                              б)

Рисунок 1.1 - Хемосорбент: а) в виде гранул, б) в виде ленты, скрученной в рулон

Группой американских исследователей Лэмбом, Вильсоном и Чанеем [11, 12] получен хемосорбент - н–тронная известь, нашедший широкое применение в военных и технических целях. В качестве исходных материалов для получения натронной извести, пригодной для военных целей, использовали гидрат оксида кальция, гидрат оксида натрия, перманганат натрия, цемент и кизельгур.

Американский способ приготовления натронной извести для военных целей заключался в следующем: сухие ингредиенты за исключением перманганата смешивали с раствором гидрата оксида натрия и небольшим количеством воды для получения пластичной массы и тщательно перемешивали.

После смешения массу выкладывали на лотки с сетчатым дном и оставляли на 2 — 3 дня в помещении с нормальной температурой и тщательно контролируемой влажностью воздуха. Далее следовала сушка продукта при умеренной температуре, в результате которой содержание влаги в массе снижалось, примерно до 8 %. По окончании высушивания продукт дробился и подвергался рассеву. Фракцию зерен затем опрыскивали раствором перманганата натрия с таким расчетом, чтобы в полученном готовом продукте содержалось примерно 13 % влаги.

Вильсоном [11, 12] разработан состав натронной извести для технических целей, содержащий 4 % гидрата оксида натрия, от 16 до 18 % воды, остальное приходилось на долю гидрата оксида кальция. Данный химический поглотитель нашел широкое применение в изолирующих дыхательных аппаратах для сорбции диоксида углерода.

Промышленностью России на сегодняшний день выпускается химический поглотитель известковый (ХП-И) из гидрата оксида кальция и гидрата оксида натрия, и содержит не менее 96 % гидрата оксида кальция, Са(ОН)2 и 4 % гидрата оксида натрия, NаОН [5, 6]. Хемосорбент имеет влажность 13...19 %, представляет собой гранулы белого или светло-серого цвета. За рубежом аналогом ХП-И являются следующие марки - S–dalime, Baralyme, Carbolime, Sodasorb, Spherasor, Sofnolime, Drаеgersorb, Intersorb и др., также в виде гранул.

ХП-И получают методом гранулирования пасты, состоящей из Са(ОН)2 и NaOH с последующей сушкой, рассевом и увлажнением полученных гранул. Традиционная технология изготовления ХП-И включает следующие стадии:

- гашение извести;

- смешение исходных компонентов и грануляция;

- сушка гранул;

- дробление и рассев;

- увлажнение гранул.

Со времени основания производства технологическая схема претерпела незначительные изменения, направленные на улучшение качества продукции. Технологический процесс в течение многих лет остается неизменным и отличается высокой трудоемкостью, наличием большого количества отходов, требующих дополнительных технологических операций по утилизации. Существующий технологический процесс устарел, маломеханизирован, трудоемок, связан с применением ручного труда, оборудование крайне несовершенно.

Существенными недостатками известных хемосорбентов являются: сорбционная емкость по диоксиду углерода ниже теоретически возможной величины, низкая прочность и, как следствие, пыление и разрушение хемосорбента в процессе эксплуатации, большое количество отходов, требующих утилизации.

С середины прошлого века ведутся работы по улучшению состава хемосорбента и усовершенствованию технологии.

Для улучшения технических показателей хемосорбента вводят различные компоненты: сорбционные (гидрат оксида (оксид) магния, соли и/или оксиды тяжелых металлов, синтетические цеолиты, силикагель)

[7 - 11], влагоудерживающие (гексагидраты хлорида кальция или магния, октагидрат гидроксида бария или стронция, хлористый кальций, гидрат хлорида кальция или гидрат хлорида магния, органические вещества), прочностные (соли карбоксиметилцеллюлозы, гексаметафосфат натрия, калия, ортофосфат натрия, калия, перманганат щелочного металла, хромовая, ванадиевая кислоты, цеолиты, алюмосиликаты, клетчатка) [14].

В работе [13] в технологии получения ХП-И вводят модифицирующие добавки способствующие переводу механизма поглощения СО2 на гидрокарбонатный маршрут. Модифицирующие добавки обеспечивают повышение защитных и прочностных характеристик хемосорбента.

Помимо традиционной технологии [5 – 10] ведутся работы по созданию принципиально новых подходов в производстве получения хемосорбента. Так, в патенте [15] описан метод прессования сухих порошков исходных компонентов. Дальнейшего развития этот способ не получил, возможно потому, что сухие смеси с Са(ОН)2 очень плохо формуются, поэтому требуется большое давление прессования, высока адгезия порошка гашеной извести к металлу, вследствие чего происходит налипание химического вещества на стенки пресс-формы. Это вызывает серьезные проблемы в технологическом процессе изготовления целевого продукта.

При введении органического связующего в состав хемосорбента возможно получение последнего в форме шариков или в форме ленты [16].

Согласно литературным источникам [17], фирмой Micropore, Inc. (США) разработана и освоена промышленностью ExtendAir технология (рисунок 1.1 (б)) - комбинация микропор и геометрии в адсорбирующем газ листовом материале. Адсорбирующий материал, содержащий микропоры, может производиться различной толщины и ширины, имеет такой же химический состав, что и гранулы.

Листы адсорбирующего материала сворачивают в рулон для образования ExtendAir картриджа. Сформованные рибсы в материале создают каналы, через которые проходит поток дыхательного газа. Одной из особенностей этих картриджей является то, что сопротивление дыханию хемосорбента можно точно контролировать путем изменения высоты рибс и расстояния между ними. Такие контролируемые каналы дыхательного газа, в результате, обеспечивают постоянную реакционную зону внутри хемосорбента.

В патроне с гранулами газовый поток ищет путь наименьшего сопротивления через слой. Поток может быть случайным, и направление его изменяется в каждом отдельном случае. Для оптимальной загрузки требуется утряска гранул патрона для образования рабочего слоя.

ExtendAir технология представляет существенный интерес как технологичный способ изготовления хемосорбентов. Однако технических характеристик ExtendAir картриджей не приводятся. Следует ожидать, если значения сорбционной емкости хемосорбента в (литр СО2/кг химического поглотителя) разработчикам удалось повысить, то в объемных значениях (литр СО2/литр химического поглотителя) этот показатель не превышает значений объемных показателей гранулированного хемосорбента, поскольку принудительное создание (формирование) каналов в листе сорбирующего материала ведет к наличию свободного объема, не участвующего в процессе хемосорбции. К тому же наличие в составе полимерного связующего исключает пыление хемосорбента, вероятнее всего, затрудняет доступ диоксида углерода к активному компоненту.

Из анализа научно-технической и патентной информации следует, что практически до начала 90-х гг. прошлого столетия не разрабатывались новые составы известковых химических поглотителей. Основными марками хемосорбентов, признанными в мировой практике, являются ХП-И, Sodalime, Baralyme, Carbolime, Sodasorb, Spherasor, Sofnolime и др. в форме гранул или таблеток. Такая форма вызывает неудовлетворенность потребителей вследствие пылеобразования при сборке изделий, неравномерности распределения газовоздушного потока, низкой сорбционной емкостью по СО2 по сравнению с теоретически возможной величиной.

Основными техническими характеристики работоспособности химического поглотителя являются: высокая сорбционная емкость (близкая к теоретически возможной), скорость поглощения СО2 в широком диапазоне температур и давлений, удельная поверхность, прочность, низкое сопротивление газовому потоку, повышенная влагоудерживающая способность и др.

Хемосорбционные процессы с участием твердых тел зависят не только от химической природы этих тел, но и от развитости их поверхности и структуры пор [18]. Усредненная удельная поверхность характеризует размеры внутренних полостей (каналов, пор) хемосорбента и выражают отношением общей поверхности хемосорбента к его объёму или массе.

Для хемосорбентов на основе гидрата оксида кальция, в составе которых присутствует до 20 вес.% воды, важна развитая внешняя поверхность, т.к. все внутренние поры и каналы практически заняты водой, а точнее раствором щелочи. Поэтому представляется перспективным получение химического поглотителя в виде листового материала с высокой удельной поверхностью, которому можно придать любые формы (листы, ленты, рулоны, и др.).

На рисунке 1.2 приведена зависимость удельной поверхности от толщины листа хемосорбента.

Рисунок 1.2 – Зависимость удельной поверхности листового хемосорбента от его толщины

Как видно из рисунка 1.2, с уменьшением толщины листового хемосорбента его удельная поверхность возрастает, что приведет к увеличению сорбционной емкости, в отличие поглотителя в виде гранул. Средняя удельная поверхность гранулы ХП-И составляет ~ 1400 м2/м3, при уменьшении размера гранулы приведет к возрастанию сопротивления дыхания в изолирующих средствах защиты человека.

Основными тенденциями совершенствования хемосорбентов СО2 на основе гидрата оксида кальция являются повышение эффективности его работы для улучшения защитных, эксплуатационных и эргономических характеристик средств регенерации воздуха.

1.2 Процесс и способы сушки

Процесс сушки широко распространен в различных отраслях промышленности, и в некоторых случаях является самым энергозатратным в технологической схеме [19]. Снижение затрат на сушку материалов может дать существенное снижение себестоимости производимой продукции, тем самым увеличив ее конкурентоспособность. Одним из решений проблем снижения затрат на высушивание материала может быть подбор оптимального метода сушки. Но зачастую, более эффективным является применение предварительного обезвоживания материала перед подачей его в сушильные аппараты.

Отжим жидкости обычно предшествует сушке материала, т.к. на отжим тратится значительно меньше энергии и времени [20].

В процессе отжима из материала удаляется только капиллярная жидкость, наименее прочно связанная с ним.

Предварительное удаление влаги из материалов, полупродуктов или готовых изделий возможно различными методами, самые распространенные из которых осуществляются в таких аппаратах, как центрифуги, отжимные машины, отсосные машины.

В химической промышленности стадия сушки химических веществ и материалов является, как правило, основным этапом технологического процесса, определяющим качество целевого продукта. Когда речь идет о сушке, как одной из стадий процесса получения химического продукта, тогда возможно осуществить выбор необходимого оборудования из большого многообразия выпускаемых современной промышленностью сушилок как зарубежных, так и отечественных производителей. Основными критериями отбора в этом случае являются: высокая производительность сушильного аппарата, низкая энергоемкость и высокое качество получаемого материала.

Для каждого конкретного химического вещества выбор того или иного сушильного оборудования основан на его физико-химических свойствах: допустимая температура нагрева, пожаро-взрывоопасность, токсичность и др. Поэтому ещё не для всех классов химических веществ разработано и выпускается промышленное сушильное оборудование. В этих случаях перед исследователями стоит задача создания нестандартной установки или аппарата для получения веществ с индивидуальными физико-химическими свойствами. Это актуально для известковых хемосорбентов, которые взаимодействую с компонентами воздуха, в частности с диоксидом углерода, и теряют свои хемосорбционные свойства.

Подвод тепла и удаление влаги может осуществляться различными способами, например: нагрев ультрафиолетовым источником излучения [21]; контактный нагрев от горячей поверхности соприкасающейся с материалом

[22]; нагрев инфракрасным излучением [23]; нагрев излучением

СВЧ-поля [24]; конвективный нагрев [25]; нагрев электрическим током [26]; удаление влаги ультразвуковыми колебаниями, которые вводят в материал путем амплитудной модуляции электрических высокочастотных колебаний гармоническими колебаниями ультразвуковой частоты; удаление жидкой фракции механическими  колебаниями внутри материала осуществляемые за счет виброустановок или центрифуг.

Для процесса получения хемосорбента рассмотрены различные способы подвода тепла, удаления избыточной влаги. Но не все эти способы можно отнести к производительным в силу их физической природы и природы получаемого вещества.

1.2.1 Способ сушки инфракрасным излучением

Открытое в 1800 г. английским ученым В. Гершелем невидимое излучение получило название инфракрасного, так как оно было расположено за видимым красным участком спектра [27].

Излучение - передача теплоты в невидимой и видимой частях спектра. При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн. Для передачи тепловой энергии наиболее существенными являются тепловое излучение с длиной волны 0,4 - 400 мк. Между нагретыми телами, расположенными в пределах видимости друг друга, всегда происходит лучистый теплообмен. При этом суммарный тепловой поток направлен от более нагретого тела к менее нагретому телу. Этот поток определяется температурами тел, степенью их черноты и размерными факторами.

Из литературных источников известно, что при сушке в инфракрасном диапазоне интенсивность испарения влаги по сравнению с конвективной или контактной сушкой увеличивается в десятки раз. Это объясняется тем, что количество тепла, которое можно передать материалу при сушке в инфракрасном диапазоне, значительно выше, чем например, при конвективной сушке.

Концентрированный и легко управляемый поток инфракрасного излучения, взаимодействуя с материалом, преобразуется в тепло. Способность материала поглощать инфракрасные лучи зависит от его оптических свойств и длины волны излучения, легко изменяемой в необходимых пределах. Такая мобильность инфракрасного излучения открывает широкие возможности для его использования, в разнообразных технологических процессах.

Инфракрасное излучение - результат сложных внутриатомных процессов, связанных с поглощением веществом энергии и ее непрерывным преобразованием в излучение. Оно возникает в результате перехода электронов в атомах с более высокого на более низкий энергетический уровень [27].

Особенностью нагрева материалов инфракрасными лучами является их проникновение на глубину (4 ± 1) · 10-3 м внутрь материала, благодаря чему в глубине материала устанавливается более высокая температура, чем на поверхности [23]. Таким образом, нагрев и сушка хемосорбента в армирующем материале, толщиной до 1 · 10-3 м, может проходить очень эффективно.

Данный способ нагрева получил широкое применение для сушки тонких материалов, лакокрасочных покрытий, металлических и деревянных изделий, тканей, обоев, некоторых пищевых продуктов, литейных форм и подобных им изделий [23].

Применение инфракрасного излучения, как в «чистом виде», так и в сочетании с другими способами нагрева позволяет значительно уменьшить габариты аппаратуры, сократить производственный цикл, механизировать и автоматизировать производство, а также улучшить санитарно-гигиенические условия работы [23].

Применение инфракрасного излучения приводит к существенной интенсификации процесса испарения влаги из объема исходного материала. Все это, в совокупности, может обеспечить получение качественного хемосорбента, при достаточно высокой производительности по получаемому продукту. Поэтому представляет большой интерес исследование возможности сушки хемосорбента на основе гидрата оксида кальция нагревом в поле инфракрасного излучения с использованием керамических нагревательных элементов.

1.3 Постановка задач исследования

В данной работе проведен обзор по основным стадиям получения хемосорбента - листового известково-калиевого химического поглотителя. В частности рассмотрен процесс и способ сушки  инфракрасным излучением (обеспечивается достаточно быстрое удаление паров воды), и сравнительный анализ с другими способами сушки.

В связи с этим, целью настоящей работы является: изучение технологического процесса производства хемосорбента на основе гидрата оксида кальция с улучшенными хемосорбционными свойствами, и аппаратурно-технологическое оформление процесса получения хемосорбента в поле инфракрасного излучения.