EEN-E3003, Industrial drying and evaporation processes Calculation exercise 3, Spring 2017 Laskuharjoitus 3, Kevät 2017

Transkriptio

1 EEN-E3003, Industrial drying and evaporation processes Calculation exercise 3, Spring 2017 Laskuharjoitus 3, Kevät 2017 *Problem 1 is the star problem *Tehtävä 1 on tähtitehtävä, Problem 1*. Biomass is dried before gasification in a dryer shown in Figure 1. The dry solids rate of biomass through the dryer is 5.7 tds/h and the biomass is dried from the initial moisture content of 1.1 kg/kgds to the final moisture content of 15 kg/kgds. The temperature of the drying air before the dryer is 100 o C. Before heating the air temperature and humidity are 20 o C and 01kg/kgda, respectively. The total pressure is 100kPa. The air temperature after the dryer is 30 o C and it is fully saturated. Ansewer the following questions: A) What is the mass flow rate of drying air (kgda/s) and the specific heat consumption of the dryer (kj/kgh2o)? B) What are heat losses from the dryer to the surrounding in kilowatts? You can neglect power consumption of the fans and heating of material. C) What is the mass flow rate of drying air (kgda/s) and the specific heat consumption of the dryer (kj/kgh2o) when the dryer is equipped with a heat recovery unit (HRU) of the exhaust air? The minimum temperature difference in the HRU is 4 o C D) What is the mass flow rate of drying air (kgda/s) and the specific heat consumption of the dryer (kj/kgh2o) when the dryer consist of two drying stages (see Figure 2)? The air temperature after the first stage is the same as in part A). After the second stage the air temperature is 38 o C and air is fully saturated. E) How could the heat consumption of the dryer further be decreased in part D)? Mention few options. F) In the future, the dry solid flow rate of the biomass through the single stage dryer will be increased from 5.7 tds/h to 6.7 tds/h. What is the new temperature of the drying air after the capacity increase if the mass follow rate of drying air remains unchanged (i.e. is the same as in part A))? You can assume that the air is still fully saturated after the dryer and heat losses are the same as in part A). In this case, you can also neglect the power consumption of the fans and heating of material. Is it possible to increase the air temperature to the desired one when saturated steam at the pressure of 1.7bar (abs.) is 3.8 kg/s available for heating of drying air? Vaporization heat of the steam at the pressure of 1.7bar is 2215kJ/kg.

2 Figure 1.Dryer configuration in part A) Figure 2.Dryer configuration in part D) Problem 2. Peat is dried in a pressurized fluidized-bed steam dryer (see Fig. 1) from an initial moisture content of 1.0kg/kgds to a final moisture content of 3kg/kgds. 200tds of peat is dried per day. The pressure inside the dryer is 2.5bar (abs.) and the inlet temperature of the steam into the drying chamber is 180 o C. The steam coming out from the drying chamber is superheated by 4 o C. A) What is the temperature of the peat bed if we assume it to be the same as during the period of constant drying rate? B) What is the pressure of saturated heating steam if the minimum temperature difference in the heat exchanger is 10 o C? C) What is the need (kg/s) of the heating steam and the superheated circulating steam before the dryer? The electric power of the fan is 40kW, the temperature of the incoming peat is 10 o C, and the specific heat of the dry peat is 1.2kJ/kg o C. You can neglect heat losses. D) What is the specific heat consumption (kj/kgh2o) of the dryer when the vaporized water from peat is used for the heating of district heat water?

3 Cyclone Peat, out Peat, in Drying chamber Peat from the cyclone Steam vaporized from material to the process Saturated heating steam Condensate Cold water from district heating Superheated steam Condensate Hot water for district heating Figure 1: Fluidized-bed steam dryer Solution A) During the period the constant drying rate, the surface temperature of the peat is the same as the temperature of saturated steam at a pressure of 2.5bar > t 127 o C (from the steam table) B) The heating steam is saturated steam with a temperature of 190 o C ( 180 o C + 10 o C) > pv (190 o C) 12.5bar (from the steam table) C) The mass flow rate of the heating steam HS can be calculated by writing the energy balance for the drying system as shown in the Fig. 2. We need the following parameters for the energy balance equation: The temperature of the steam coming out of the drying chamber is tout 127 o C + 4 o C 131 o C The enthalpy of the steam after the drying chamber is hs,out(2.5bar,131 o C) 2725kJ/kg The enthalpy of the saturated heating steam at 12.5bar is hhs 2786kJ/kg

4 The enthalpy of the condensate at 12.5bar is hc 807kJ/kg The mass flow of the dry solid of the peat is peat /( ) 2.31kg/s Evaporation rate is peat (uin uout) 2.31 (1.0 3) 1.62kg/s ev The power of the fan is P 40kW Now we can write the energy balance based on the Fig. 2 HS HS peat ( c pds + u inc pv ) t peat,in + P evh S,out + HS h C + m peat ( c pds u outc pv ) t peat, out m & h + & + > ( ) ( ) HS 2.51 kg/s Cyclone Electricity Peat, out Peat, in Drying chamber Peat from the cyclone Saturated heating steam Steam vaporized from material to the process Condensate Cold water from district heating Superheated steam Condensate Hot water for district heating Figure 2: The energy balance of the drying system

5 The mass flow rate of the circulating steam before the dryer is obtained from the energy balance of the heat exchanger. The enthalpy of the drying steam before the heat exchanger hds1(2.5bar,131 o C) 2725kJ/kg and after the heat exchanger hds2(2.5bar,180 o C) 2827kJ/kg The mass flow of the drying steam DS m & h HS ( h - h ) 2.51 ( ) DS2 HS - h DS1 C kg/s D) The latent heat of a drying steam with a pressure of 2.5bar is lv,ds 2181kJ/kg The specific heat consumption when the district heating is taken into account q ( h - h )- l 2.52 ( ) HS HS C e v,ds - e kJ/kgH2O Technically, one should replace the latent heat with an enthalpy difference h(2.5bar,131 o C) h (2.5bar,127 o C), where h is the enthalpy of the steam after the drying chamber and h is the enthalpy of the saturated condensate. However, the correction is really small because the steam coming out from the dryer is almost saturated. Problem 3. A schematic picture of a closed gas cycle dryer is illustrated in Fig 1. The drying gas is nitrogen and the evaporated humidity is removed via condensation. The evaporation rate of the dryer is 7kg/s. Based on Fig. 1, A) What is the specific heat consumption of the dryer? B) What is the mass flow of the cooling water?

6 Nitrogen + 100% 10 o C 17 o C Cooling water 100 o C, 2.5% 41 o C, 70% Condensate Drying chamber Evaporation 7kg/s Temperature, relative humidity Figure 1: Closed nitrogen cycle dryer Solution A) > o MH2O jpv(100 C) x(100 C) M p -jp (100 C) o > v kg/kg o MH2O jp v(41 C) x(41 C) M p -jp (41 C) o v kg/kg The mass flow of nitrogen & kg/s m N 2. After the condenser, the nitrogen flow is fully saturated. Because the humidity and the total pressure remain constant during the heating, the vapor pressure after the condenser is the same as before the drying chamber > For saturated vapor, the temperature corresponding to the pressure of 2533Pa is approx. 21 o C. The nitrogen is then heated from this temperature to the final temperature of 100 o C

7 > q ( c + xc ) e Δt ( ) (100 7 p pv - 21) 4134kJ/kgH2O B) The mass flow of the cooling water can be obtained from the energy balance of the condenser The enthalpy of the nitrogen before the condenser hin, ( ) 138.0kJ/kg The enthalpy of the nitrogen after the condenser hout, ( ) 63.75kJ/kg Therefore cw (h in, - h out, ) - c ( ) ( ) (17-10) pv Δt (x cw in - x out )c pv t condensate kg/s

8 Tehtävä 1*. Haketta kuivataan ennen kaasutusta kuvan 1 kuivurissa. Haketta kuivataan 5,7 tka/h alkukosteudesta 1,1kg/kgka loppukosteuteen 0,15kg/kgka. Kuivausilman lämpötila ennen kuivuria on 100 o C. Ennen lämmitystä ilman lämpötila on 20 o C, kosteus 0,01kg/kgki ja kokonaispaine 100kPa. Ilman lämpötila kuivurin jälkeen on 30 o C ja se on täysin kylläistä. Määritä lähtötietojen perusteella seuraavat asiat. A) Kuivausilman massavirta ja kuivurin lämmönkulutus haihdutettua vesikiloa kohti. B) Kuivurin lämpöhäviöt kilowatteina. Puhaltimien sähkönkulutusta ja materiaalin lämpenemiseen kuluvaa energiaa ei tarvitse huomioida. C) Kuivausilman massavirta ja lämmönkulutus haihdutettua vesikiloa kohti, kun kuivuriin lisätään poistoilman lämmöntalteenotto, jonka asteisuus on 4 o C. D) kuivausilman massavirta ja lämmönkulutus haihdutettua vesikiloa kohti, kun kuivaus toteutetaan kaksivaiheisena (ks. kuva 2). Kuivausilman lämpötila ennen toista kuivausvaihetta on sama kuin A)-kohdassa. Kaksivaiheisen kuivauksen jälkeen ilman lämpötila on 38 o C ja ilma on täysin kylläistä. E) Millä keinoilla kuivurin lämmönkulutusta voitaisiin D)-kohdassa edelleen pienentää? F) Tehtaalla tutkitaan A)-kohdan kuivurin kapasiteetin nostamista 6,7 kuiva-ainetonniin tunnissa. Mikä kuivausilman lämpötilan tulee olla, jotta kapasiteetin nosto onnistuu ilman että kuivausilman massavirtaa lisätään? Oleta ilma kuivurin jälkeen täysin kylläiseksi ja kuivurin lämpöhäviöt samaksi kuin A)-kohdassa. Puhaltimien sähkönkulutusta ja materiaalin lämpenemiseen kuluvaa energiaa ei tarvitse huomioida. Onnistuuko lämpötilan nosto, kun ilman lämmitykseen on saatavilla 1,7barin kylläistä höyryä 3,8kg/s. 1,7barin höyryn höyrystymislämpö on 2215kJ/kg. Ilma Lämmitys Hake, out Kuivaus Hake, in Kuva 1. A-kohdan hakkeen kuivausjärjestelmä Ilma Lämmitys Kuivaus Hake, out Lämmitys 4 5 Kuivaus Hake, in Kuva 2. D-kohdan Hakkeen kuivausjärjestelmä

9 Tehtävä 2. Paineistetussa leijukerroshöyrykuivurissa (ks. kuva1) kuivataan turvetta alkukosteudesta 1.0kg/kgka loppukosteuteen 3kg/kgka. Turvetta kuivataan 200 tka vuorokaudessa. Paine kuivurissa on 2.5bar (abs.) ja höyryn sisääntulolämpötila on 180 o C. Kuivauskammiosta poistuva höyry on 4 o C tulistunutta. A) Mikä on turvepatjan lämpötila, jos oletetaan, että se on sama kuin vakiokuivumisvaiheessa? B) Mikä on kylläisen lämmityshöyryn paine, jos lämmönvaihtimen asteisuus on 10 o C? C) Mikä on lämmityshöyryn tarve (kg/s) ja tulistetun kiertohöyryn massavirta ennen kuivuria (kg/s)? Puhaltimen sähköteho on 40kW ja lämpöhäviöitä ei tarvitse huomioida. Turpeen sisääntulolämpötila on 10 o C ja kuiva-aineen ominaislämpökapasiteetti 1.2kJ/kg o C D) Mikä on kuivurin ominaislämmönkulutus (kj/kgh2o), kun turpeesta höyrystynyt vesi otetaan talteen kaukolämpöveden lämmityksessä? Sykloni Prosessiin höyrystynyt höyry Kuivauskammio Turve syklonilta Kaukolämmön paluuvesi Turve, in Turve, out Kylläinen lämmityshöyry Lauhde jakokäsittelyyn Tulistettu höyry Kaukolämpövesi kiertoon Lauhde Kuva 1. Leijukerroshöyrykuivuri Ratkaisu A) Vakiokuivumisvaiheessa turpeen pintalämpötila on sama kuin kylläisen höyryn lämpötila paineessa 2.5bar > t 127 o C (höyrynpainetaulukosta) B) Lämmityshöyry on kylläistä 190 o C:sta höyryä ( o C) > ph (190 o C) 12.5bar (höyrynpainetaulukosta) C) Lämmityshöyryn massavirta LH saadaan laskettua muodostamalla kuivaussysteemille energiatase kuvan 2 mukaisesti

10 Määritetään tarvittavat tiedot energiataseen laskemista varten: Höyryn entalpia ennen kuivauskammiota hin(2.5bar, 180 o C) 2827kJ/kg Höyryn ulostulolämpötila kuivauskammion jälkeen tout o C Höyryn entalpia kuivauskammion jälkeen hh,out (2.5bar, 131 o C) 2725kJ/kg Kylläisen 12.5 barin lämmityshöyryn entalpia hhöyry 2786 kj/kg 12.5 barisen lauhteen entalpia hlauhde 807 kj/kg Turpeen kuiva-aineen massavirta turve /(3600*24) 2.31kg/s Haihtumisnopeus (uin uout) 2.31*(1.0-3) 1.62kg/s e turve Puhaltimen sähkönkulutus P on 40kW Sykloni Sähkö Turve, out Prosessista poistettava höyry Kuivauskammio Turve syklonilta Kaukolämmön paluuvesi Turve, in Kylläinen lämmityshöyry Lauhde jakokäsittelyyn Tulistettu höyry Kaukolämpövesi kiertoon Lauhde Kuva 2 Systeemin tasealue energiataseen muodostamisessa

11 Muodostetaan energiatase kuvan 2 tasealueelle > LH h höyry turve ( c pka + u incpv ) t in, turve + P eh H, out + LH h lauhde + m turve ( c pka + u outcpv ) t out, turve + & ( ) ( ) LH 2.51kg/s Kuivaushöyryn massavirta ennen kuivuria saadaan lämmönvaihtimen energiataseesta. Kuivaushöyryn entalpia hkh1ennen lämmönvaihdinta hkh1(2.5bar, 131 o C) 2725kJ/kg Kuivaushöyryn entalpia hkh2 lämmönvaihtimen jälkeen hkh2(2.5bar, 180 o C) 2827kJ/kg Kuivaushöyryn massavirta D) KH LH ( h höyry - h lauhde ) ( ) h KH 2 - h KH kg/s 2.5 barisen kuivaushöyryn lauhtumislämpö lv,kh 2181kJ/kg Ominaislämmönkulutus, kun kaukolämpöveden lämmitys huomioidaan q LH ( h höyry - h lauhde )- elv KH ( ) e, kJ/kgH2O Tarkkaan ottaen lauhtumislämmön lv,kh tilalla tulisi käyttää entalpiaeroa h(2,5bar,131 o C) h (2,5bar, 127 o C), missä h on höyryn entalpia kuivauskammion jälkeen ja h kylläisen lauhteen entalpia. Vaikutus lopputulokseen on kuitenkin pieni, koska kuivurista poistunut höyry on lähes kylläistä. Tehtävä 3. Kuvassa 1 on esitetty suljetulla kuivauskaasun kierrolla toimiva kuivuri. Kuivauskaasuna toimii typpi ja kuivauskaasuun höyrystynyt kosteus poistetaan lauhduttamalla. Haihtumisnopeus kuivurissa on 7kg/s. Määritä kuvan tietojen perusteella A) kuivurin ominaislämmönkulutus B) jäähdytysveden massavirta

12 Typpi + 100% 10 o C Jäähdytysvesi 17 o C 100 o C, 2.5% Lauhde 41 o C, 70% Kuivauskammio haihdutus 7kg/s lämpötila, suhteellinen kosteus Kuva 1. Suljetulla typpikierrolla varustettu kuivuri Ratkaisu ph (100 o C)101320Pa > x(100 o M C) M H2O jp h( 100 C ) 18 p - jp ( 100 C ) 28 o h kg/kg ph (41 o C) 7776 Pa o M x 41 C ) M H2O ( ' o h jp h( 41 C ) 18 o p - jp ( 41 C ) kg/kg Typen massavirta & kg/s m N 2. Lauhduttimen jälkeen typpivirta on täysin kylläistä. Koska kosteus ja kokonaispaine pysyvät vakiona lämmityksessä, on höyrynpaine lauhduttimen jälkeen sama kuin ennen kuivauskammiota > ph Pa. Kylläisen höyryn painetta 2533Pa vastaava lämpötila on n. 21 o C. Typpi lämmitetään tästä lämpötilasta 100 o C:een >

13 q N 2 [( c p + xc ph ) Dt] [ ( ) ( ) ] e 7 Jäähdytysveden massavirta saadaan lauhduttimen energiataseesta 4134 kj/kgh2o Typen entalpia ennen lauhdutinta hin, ( ) kj/kg Typen entalpia lauhduttimen jälkeen hout, ( ) 63.75kJ/kg jv ( h in, - h out, ) - c Dt ( x - x ( ) ( ) ( ) pv jv in out ) c pv t lauhde kg / s