气流干燥设计2008

1、聚氯乙烯干燥设计指导书张浩勤2008.8概述去湿干燥 工业上常常用机械去湿方法除去大量湿分之后，用热能去湿（称为干燥）除去少量湿分。干燥一般包括两个基本过程，一是对固体加热达到湿分汽化的过程；另一个是汽化后湿分扩散进入气相的传质过程，同时湿分从固体内部扩散源源不断达到固体表面，这是湿分在物体内部的传质过程。所以，干燥过程的特点是传热和传质同时伴生且相互影响、相互制约的过程。化学工业用的较多的是对流干燥，尤其是分散悬浮干燥应用得最广泛，最突出的是气流干燥和流化床干燥，这里着重讨论气流干燥。第一节 干燥设计基础知识 干燥涉及气、固两相之间的动量、热量、质量传递，计算较为复杂。本节讨论几个基本问题。

2、1.1 干燥设计基本关系干燥器设计的基础知识为：（1） 物料衡算、热量衡算（见化工原理教材）（2） 相平衡关系（见设计任务书）；（3） 传热速率方程和传质速率方程：由于对流传热系数与传质系数随干燥器的型 式、物料性质和操作条件而异，因此需查找适用于气流干燥器的关联式1，2。热、质传递之间存在相互关系，目前多以传热的方法进行干燥器设计计算。详细内容将在第三节讨论。1.2 干燥操作条件的确定1. 干燥介质的选择 干燥介质的选择，决定于干燥过程的工艺及可利用的热源。基本的热源有饱和水蒸气，液态或气态的燃料和电能。故在对流干燥中，干燥介质可采用空气、惰性气体、烟道气和过热蒸汽。当干燥温度不太高，且氧气

3、的存在不影响被干燥物料的性能时，可采用热空气作为干燥介质。对某些易氧化的物料，或以物料中蒸出易爆气体时，宜采用惰性气体作为干燥介质。烟道气适用于不怕污染，且不与烟气中SO2和CO2等气体发生作用的物料。2. 流动方式的选择气体和物料在干燥器中的流动方式，一般可分为并流、逆流、错流。 并流：其特点为可采用较高气温干燥，而物料温度在恒速段接近于空气的湿球温度而不致过热；物料出口温度较低，带走热量较少。在干燥强度和经济性方面优于逆流。但并流干燥的推动力沿程逐渐下降，干燥后阶段的推动力很小，使干燥速率降低，因而难以获得含水量很低的产品。并流操作适用于：（1） 物料含水量高，允许快速干燥而不产生龟裂或焦

4、化的物料；（2） 干燥后期不耐高温的物料；（3） 只有恒速段，干燥要求不很高的物料。逆流：整个干燥过程的推动力比较均匀，适用于：（1） 要求获得含水量很低的物料；（2） 干燥后期可耐高温，而前期不允许快速干燥的物料；错流：错流的热、质传递情况介于并流和逆流之间，适用于：（1） 在高、低含水量时，都可进行快速干燥且耐高温的物料；（2） 干燥器构造不适宜采用并流或逆流的场合（如流化床）。3. 干燥介质温度（1） 干燥介质为空气时，进口条件应按夏季条件计算；（2） 进干燥器的温度愈高，则干燥器热效率愈高，所以应保持在物料允许的最高温度范围内。此值受到干燥器型式和热源温度的影响，例如，静止物料，介质进

5、口温度稍低，悬浮物料进口温度可高些；若选用饱和水蒸气加热，介质温度不超过150。（3） 干燥介质出口的温度和湿度只能指定一个，另一个由物料、热量衡算确定。干燥介质出口温度愈低，热效率愈高；但干燥过程的平均推动力下降，干燥器尺寸增大。最适宜的出口温度应通过经济衡算来决定。实际选择时，首先要考虑物性的限制，如物料的熔点或软化点温度的限制，其次还应考虑相对湿度不能太大，在后继设备（如旋风分离器等）和管路中不能有水析出而破坏正常操作。对气流干燥器，一般要求较物料出口温度高1030，较入口气体的绝热饱和温度高2050。4. 物料的出口温度恒速干燥阶段，物料温度等于空气的湿球温度；降速干燥阶段，物料温度有

6、所升高。影响物料的出口温度的因素较多，主要取决于物料的临界含水量及降速干燥阶段的传质系数。临界含水量愈低，传质系数愈大，出口温度愈低。简化计算公式见天大化原教材（6-55）（或华东教材（13-32）。其近似条件为：（1）物体内部温度均一，即悬浮颗粒或薄层物料；（2）降速阶段的速率与物料的自由含水量成正比。第二节 干燥设备选型2.1 气流干燥器1. 气流干燥器的基本知识：请参阅化原教材或有关参考书5，6，学习时注意以下几个问题：（1） 气流干燥器的流程，由哪些设备构成？（2） 气流干燥器的特点是什么？（优点、缺点）（3） 气流干燥器适用于什么物料？（4） 加料口上部一段（加速段）干燥速度特别快的

7、原因是什么？2气流干燥装置分类： 以干燥管形式分类有：（1） 直管式气流干燥器：气流干燥器基本型式；（2） 变径式气流干燥器：在加料口上部一段（颗粒加速段）采用较小管径，颗粒速度进入恒速段以后则采用扩大管径，以降低干燥管高度；（3） 倒锥式气流干燥器：从上到下气流干燥管直径逐渐增加，气速由下到上逐渐减少，增加了颗粒在管内的停留时间，降低了干燥管的高度；（4） 脉冲式气流干燥器：特征是气流干燥管的管径是交替缩小和扩大，气流在上升过程中加速与减速交替进行，发挥加速段有较高的传热、传质作用，以强化传热过程。（5） 旋风式气流干燥器：旋风式气流干燥器是气流夹带物料从切线方向进入，沿着内壁形成螺旋线运动

8、，物料在气流中的均匀分布与旋转运动，使颗粒周围气体边界层处于高度湍流状态，以强化传热、传质过程。适用于不怕粉碎的热敏性物料。 作为训练，本设计以最简单的直管干燥器为主。2.2 聚氯乙烯的性质和生产方法1，2，3，4同学们应独立查找与干燥有关的物理化学性质，主要有形状、软化点、分解温度、密度、比热、导热系数、主要用途等。了解生产基本原理和干燥流程。思考题：聚氯乙烯物料为什么可适用气流干燥器？ 聚氯乙烯干燥的流程？2.3 干燥介质的性质聚氯乙烯干燥以空气为干燥介质，干空气的性质可查化工原理教材附录。对黏度和导热系数，以干空气数值代替湿空气的数值；比热和比容按化原教材给定的公式计算。湿空气的密度 =

9、 kg湿气/m3湿气 特别注意：的定性温度应为膜温；其它物性的定性温度为气体的平均温度。相平衡数据：物料与湿分的相平衡知识见化原教材，相平衡数据参见任务书。第三节 气流干燥原理和设计方法简介 气流干燥器设备简单，连续高效，应用广泛。其特点为悬浮颗粒与气相之间的热质传递。3.1颗粒在重力场中的运动规律5，6由化工原理知识知，颗粒的沉降速度为颗粒与气体的相对速度，其绝对速度还与气体的运动速度有关。绝对速度um = 气流速度ug - 沉降速度ut以上各值均为向量。对于单一颗粒，沉降速度可进行计算（化原沉降一章）。在垂直管中，气流速度向上，沉降速度向下，（1） 当ug > ut时，um >

10、 0，颗粒向上运动；（气力输送）；（2） 当ug < ut时，um < 0，颗粒向下运动；（沉降）；（3） 当ug = ut时，um = 0，颗粒静止不动；（流态化）。对于实际工业生产的群体颗粒，计算更为复杂，可参见化工原理教材固体流态化的内容。 显然，对气流干燥器，必须有气体速度大于颗粒的沉降速度，形成气力输送操作。下面对颗粒在直管中运动规律做进一步的分析。 当湿颗粒在某一位置被加入干燥管时，其绝对速度um可按零计算。此时气流与颗粒之间的相对速度ur = ug - um最大，流体与颗粒之间的作用力也最大，颗粒被上升气流加速，um增大；而后随着颗粒被上升气流不断加速，ug愈来愈小，

11、直至热气流与颗粒间的相对速度等于颗粒在气流中的沉降速度，颗粒的绝对运动速度um = ug - ut，即颗粒进入等速运动阶段，且维持此速度直至干燥管出口。如图所示，颗粒在干燥管中的运动被分为加速区和恒速区两段。加速区与恒速区颗粒与气流之间的相对速度ur不同，其热质传递规律也不同。 在等速运动区域，气固相间相对运动速度ur不变，其对流给热系数（或对流传质系数kH）也不同；但该值较小（为什么）。对空气-水系统，可按下式计算： 对于加速区，由于ur = ug - um在不断减小，使和kH都在不断减小，直至减小至恒速区的情况。显然，在物料进口处，即加速区起点，ur 最大，和kH均最大，其计算式为： 40

12、0 < Reo < 1300 30 < Reo < 400 其中 d：颗粒直径，m； ur：相对速度；g：气体密度，kg/m3；ug：气体粘度，Pa.s。 在已知加速区起点和终点对流给热系数的条件下，中间其他点的对流给热系数可以采用内插法进行计算。（详见第7页内容）由化原知识知，在干燥过程中，湿物料含湿量可分为恒速干燥段和降速干燥段，物料从进口温度升（降）温至空气的湿球温度，并不湿分传递，称为预热段。空气沿干燥管的温度分布如图所示，综观整个干燥过程，（1） 空气的性质（温度，湿度）沿干燥管在不断变化；（2） 物料温度变化分为三个阶段；（3） 颗粒的速度是先加速后恒速。

13、故导致在干燥管中传热、传质系数及推动力都有所变化，理论上应取微元，通过积分进行计算，并考虑各段的特点。实际计算中，常常进行必要的简化，视简化方法各异，有不同的计算方法。常用的有三种算法。思考题：加料口上部一段（粒子加速段）干燥速度特别快的原因是什么？提示：从传热系数、传热面积、传热推动力三方面来考虑。3.1 简单计算法8 <专科学生用> 要点：把整个干燥管按照颗粒在恒速区的传热系数进行计算，空气物性取其进出口平均温度下的数据。 算法：略（详细读懂，然后再做） 讨论：计算简单，结果偏于保守。3.2 分段计算法5，6，71 按照粒子在干燥管中运动规律，及传热、传质的变化规律，桐荣良三提

14、出了速点试差和分段图解积分法。夏诚意在桐荣良三法的基础上将粒子加速度方程用无穷级数展开并取前2项进行积分得到计算结果。为了确定加速区的传热系数，计算法需先假定加速区结束时的干燥介质条件，假设不当会引起较大误差而导致需多次试差。2 张浩勤利用上述概念，引入了部分控制参数，使气流干燥器设计计算程序化，可避免了反复试差。和其它文献相比，其要点为：（1） 以加速区传热量占整个干燥管传热量的6080%，近似确定加速区结束时的干燥介质条件，并依此计算沉降速度ut。（2） 利用加速区开始与结束时的传热系数关联，导出了加速区普遍化的传热系数计算式，以便于上机计算。（3） 分段计算实际试差时在计算机中以ur =

15、 1.11.5 ut控制加速段结束。 反复计算表明，上述近似法在工程上引起误差很小，是可行的。 从图1知，分段的情况如下，手算时至少应分为四段。2 气流干燥器的主要计算步骤和所适用的有关公式，是同学们在查资料时的重要任务之一。提示：（1）总体上按河南化工一文的计算步骤计算； （2）对（4）、（5）两步的详细计算方法参见文献5，6。第四节 气流干燥器的设计计算4.1 聚氯乙烯物性统一按下面数值计算：软化点温度 7080 热分解温度 120150 密度 1380 kg/m3 比热 1.842 kJ/kg. 导热系数 0.14×4.187/3.6 W/m2. 4.2 设计步骤和主要公式1

16、物料、热量衡算求解风量L、出口湿度H2和物料出口温度tm2。若忽略热损失，则其中：tw2：出口气体状态下的湿球温度，；tw2：在tw2下水的汽化潜热，kJ/kg。Cl:水的比热，4.18 kJ/kg·；Cs:绝干物料比热，kJ/kg· 该过程为试差tm2的过程。然后，可计算出 预热器的加热量 蒸汽的用量GG 其中：r：为蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg。 干燥管的热效率： 进口风量 (用于选择风机)2 干燥管径计算其中：Vg：进口温度下的气体流量，m3/s； ug：选择的气速初值，m/s。 管径计算后按国家标准圆整，可选值为300，350，400，450，500，600，700，

17、800等等。圆整后计算实际气速3.干燥管长计算方法一：简单估算法8 要点：把整个干燥管按照颗粒在恒速区的传热系数进行计算，空气物性取进出口平均温度下的物性。计算结果偏于保守。 （1） 颗粒的沉降速度计算 在平均温度 （）下，查干空气的粘度g，Pa.s和密度g，kg/m3。 在膜温下，查干空气的导热系数g，W/m. 。 *湿空气的密度 ，kg湿气/m3湿气 工业干燥系统沉降多处于阿仑区，沉降速度可用下式计算，m/s校核 ，1 < Ret < 103（2） 干燥管长计算将空气速度校核至平均温度下的气速， 传热系数 ，W/m. （恒速段） 平均温差 干燥器中颗粒的总表面积 其中：对球形颗

18、粒，每秒钟内提供的表面积 为颗粒在干燥器中的停留时间。 忽略干燥器热损失，干燥器的总传热量为汽化水分所需热量和物料升温所需热量之和。Cw为水蒸气比热由热量衡算 ，得 干燥管长 4·干燥管长计算方法二，分段计算法5，6，7 基本公式：（1） 颗粒加速区气流与颗粒之间的给热系数关联式的确定 确定加速段开始时物性参数：T1，H1，g，g，并计算相应气速ug；（点值），选择公式计算Nu0。 一般加速区传热量占全干燥管传热量的6080 %，按60 %计算； 设，则 其中：T：为加速区结束时的温度，； 设干燥器中所进行过程接近等焓干燥过程，由 可计算出加速区结束时的湿度H。确定物性后可计算沉降速

19、度以及、以及Nut。由文献7知，则加速区传热系数计算公式为 其中 分段计算应注意各段的ug、um在变化，g、g也有较小的变化。（2） 加速区某段长度的计算5，6，7 根据圆球形粒子在气流干燥器一维变动的基本方程，可求得颗粒在某段的停留时间，及干燥管长度将传热速率方程 积分后可得， （n0.5）其中 （数量级 几十，无因此） （数量级很大105 , 必须和Q单位一致） 实际计算时，已知Rer,i-1，由热量衡算确定Qi，试差Rer,i，然后计算Li。（3）颗粒恒速区干燥管长的计算方法和简化算法公式相同。 热量衡算确定Qi后，可直接计算出倍数长度Li。 实际计算步骤：（1） 预热段：物料升温至空气

20、的湿球温度，不蒸发水分。 热量衡算 可计算出t1为预热段结束时的温度，。 物性数据和平均气速取段平均值后，计算Re0，试差计算Rer,1，ur1，um1和L1。（2） 加速区、表面蒸发带某段长度计算：设定湿物料水分含量的变化区间（设Xi），做物料衡算求Hi，cHL（HiHi-1）=Gc（Xi-1Xi） cH=1.01+1.88Hm （Hm=0.5（Hi+Hi-1）热量衡算Qi= 求出ti，Qi。注：湿球温度可用热量衡算时求出值近似计算。计算段平均温度、湿度，求物性数据。然后计算ugi ，Rer，i-1。（um取上段结束值）试差计算Rer,i和umi 、uri Li。若uri （1.11.5）u

21、t，可认为加速区结束，以后改用恒速区计算公式。注：手算时（uri ut）1可认为加速区结束，以后改用恒速区计算公式。（3） 粒子恒速运动，表面蒸发带某段长度计算：计算方法见简单计算法。（注意现为段值）。 当物料含水量降至Xc时，表面蒸发带计算结束。（4） 粒子恒速运动，降速干燥段计算（作为一段计算即可） 降速干燥阶段，蒸发水分量小，但物料升温。 （5） 将各段长度加和后得总干燥管长度。计算注意事项：（1）应采用国际单位制计算。注意单位制不同，某些公式形式不同，如；ut；（2）试差Rer,i时，必须注意Am和Qi的单位一致。4.3 气体通过干燥管压降的计算气流通过干燥管的压降计算，主要由以下几部

22、分构成：（1） 气固相与管壁的摩擦损失：，Pa ，kg/m3，其中：Gc：绝干物料量，kg/s；物料均匀分散在直管中以um速度运动时的堆密度。 请注意与物料真密度区分，。（2） 克服位能提高所需压降 ，Pa（3） 由颗粒加速引起的压降： ，Pa其中L为空气用量，kg/s； 恒速段此项值为零。（4） 其它局部阻力引起的压降：此项包括管径的扩大、缩小及弯头等的局部阻力所造成压降，可用单一流体的计算法处理，用gm进行计算即可。对直管而言，为了统一，进口按45°弯头计算，出口按90°回弯头计算。进口阻力 出口阻力 实际计算时，可分段计算，然后加和。式中各项数值取各段的平均值（本科生

23、）。 作为估算，可将全管看作一段近似计算。（专科生）注：辅助设备选型时的压降还应考虑整个系统的阻力损失，计算方法后面叙述。第五节 辅助设备选型 干燥系统的主要辅助设备有：风机，空气预热器，除尘设备（旋风分离器，袋滤器），进料设备（螺旋加料机，星形加料机）等。5.1 预热器选型：各种干燥装置有蒸汽加热器、烟道气、电加热器等。本设计中用饱和水蒸气作为热源，绝对压强为8 atm，温度为170 。预热器的加热量 常用的蒸汽加热器有叶片式和螺旋形翅片式（与一般换热器不同）。材料有钢制和紫铜两类。优先选用钢制设备。1 SR2型散热器：采用机械绕片，散热翅片牢固，传热性能良好。空气通过阻力较小。重量轻，安装

24、方便，外观美观，经久耐用。表1. SR2型散热器传热系数和空气通过阻力型号传热系数（W/m2. ）空气通过阻力（Pa）SRZ5.6.10D 9.81×0.18rZ0.15rX0.09rSRZ7D 9.81×0.21rZ0.30rX0.14r其中r为空气的质量流速，kg/m2.s。 该类换热器为多片组合结构，所需总换热面积可由调整片数得到。对于单片有关尺寸如下表：表2. SR2散热器 (全国最新机电设备目录大全)型号通风净截面积（m2）散热面积（m2）参考价格（元）备注SRZ 5×5D0.15410.13250该价格为88年公布价格，经济核算时，现价 = f

25、5;参考价f=20Z0.1558.78230X0.1586.23220SRZ 6×6D0.23115.33300Z0.23413.29275X0.2399.43280SRZ 7×7D0.32020.31390Z0.32417.60375X0.32912.48350SRZ 10×7D0.45028.59520Z0.45624.77480X0.46417.55450 计算步骤：（1） 计算预热器传热速率Qi，计算 tm；查蒸汽汽化潜热，计算蒸汽用量；（2） 选定某一型号，确定静通风面积F和单片传热面积A；（3） 计算r，kg/m2.s；（4） 选定K和阻力p计算公式，

26、计算K和单片阻力；（5） 由，计算总面积；（6） 总面积/单片散热面积所需片数，取整片适当留有余地；（7） 总阻力 = 单片阻力×片数。注：散热器由其它许多型号，在此不一一介绍，实用时可参考有关手册。参考资料：干燥设备设计 全国最新机电设备目录大全5.2 除尘设备设计1 除尘系统选择主要考虑以下因素：（1）含尘气体性质，如气量、温度、湿度、含尘浓度、粉尘性质和粒径；（2）环境对净化程度的要求；（3）除尘设备的性能。常用分离设备有：（1）降尘市；（2）旋风分离器；（3）袋式除尘器、湿式出尘器和电除尘器。选型原则：（1）满足工艺要求，有较高的分离效率； （2）阻力尽量能小； （3）操作方

27、便，节约投资等。必要时可使用多级除尘。干燥中使用较多的是旋风除尘器，满足不了工艺要求时，在（3）类设备中选择一设备作为后继除尘装置。本设计要求选择一旋风除尘器。2 旋风除尘器结构简单，造价低廉，操作方便，捕集性能好，一般可除去5m以上的颗粒。故应用广泛。常用的旋风除尘器有CLT型，CLP型（旁路式），CLK型（扩散式）等。国家已制定了系列标准。此处建议选用CLT/A型。3 CLT/A型旋风除尘器<除尘设备设计p865>使用于收集气体中含密度和颗粒较大的干燥粉尘。旋风筒体直径150800 mm共14种，以50mm为一级，有单筒、双筒、三筒、四筒、六筒5种组合。每种组合含有两种通风方式

28、，X型为水平出风，一般用于负压操作；Y型为上部出风，用于正压或负压操作均可。选型：依据处理风量，选定进口气速。查除尘设备设计p875页，表3-15。可确定相应的型号和压力损失。价格在查全国最新机电设备目录大全Pg1062，现价 = f×参考价。注：除尘效率不做要求，学有余力者可自行计算。5.3 风机选择干燥装置中一般应采用离心式风机。依据风量的大小和干燥系统阻力的大小，应参考化原上册有关内容选择风机，并计算辅助率。干燥系统的阻力应包括：预热器阻力、干燥管阻力、除尘器阻力和管路阻力。管路阻力应依据管路布置情况按流体流动有关方法进行计算。本设计中管路阻力统一取500Pa。离心风机的分类见

29、下表。表2. 离心风机的分类类别型号全压范围(mmH2O)风量范围(m3/h)输送介质最高温度()备注一般离心通风机4-7220324990227500804-79183409901772080高压离心通风机8-18350700600100000809-273501200148511000080低噪音离心通风机11-74157649522700空调配套使用排尘离心通风机6-464020060050000输送含尘量较大的空气7-4050323131020800 本设计中可选4-72（包括B4-72、T4-72）类风机。性能表见离心通风机说明书。大连压河县风机厂，参考价格查全国最新机电设备目录大全

30、Pg418页。 下面重点介绍对型风机的应用知识。（1） 用途： 大型建筑室内通风换气，输送空气、对人体无害、对钢材无腐蚀性气体。气体含尘不大于150 mg/m3，气温不超过80 。B4-72型可用于易燃挥发性气体的通风换气用，其性能基本与4-72一致。（2） 型式：从电动机一侧正视，叶轮顺时针旋转，称为右旋风机，以右表示；叶轮逆时针旋转，称为左旋风机，以“左”表示。离心风机的出口位置，根据使用要求，可分为向上、向下、水平向左、水平向右及各向倾斜等各种形式。定货时应根据现场情况注明风机出口位置。离心风机的传动方式：A - 电动机直联传动；B - 悬臂支撑，皮带传动，皮带轮在轴承之间；C - 悬臂

31、支撑，皮带传动，皮带轮在轴承外侧；D - 悬臂支撑，以联轴器传动。（3） 风机型号代号书写法：4 72 11 N06 C 右 90 全 比 进设 机 传 旋 出压 转 口叶 号 动 转 风系 数 吸顺 方 方 口数 入序 式 向 位 型号 置 式5.4 固体加料装置连续而均匀的加料，并将其分散于气流中，是气流干燥操作的关键。常用的有螺旋加料器、星形加料器、转盘加料器等。1 螺旋加料器 用途：适宜于供给各种粉状、粒状和小块物料，如聚氯乙烯、硫铵、淀粉等，但不宜输送易变质、粘性大、易结块河大块的物料。特点：结构简单，密封性能好，操作安全方便，造价低。实体螺旋用于输送干燥而粒度小的颗粒和粉状物料，其

32、螺距约为颗粒直径的0.8倍。带式螺旋用于输送小块壮或粘性中等物料，其螺距约等于颗粒直径。对于粘性大和可压缩物料宜采用叶片螺旋，输送过程中同时完成搅拌混合工作。设计计算：见干燥设备设计pg569。定货技术条件为：名称、型号、螺旋直径×长度、安装位置、出料口尺寸及位置。实际工作中，弄清使用目的、现场布置要求，计算后应注意征求螺旋加料机生产厂家的意见以利于安装和操作。2·星形加料器： 用途：用于与大气间有压差的设备中将粉状物料连续排出，同时达到锁气的作用。常用于带压干燥系统的排料、旋风除尘器出口的排料风送系统的供料和贮料包的排料。特点：（1）能连续地供料和排料。粒状物不易破碎。 （2）供料量可通过改变叶轮转速实现，供料量与转速成正比，基本上可实现定量； （3）