干燥器的设计

1、一设计任务书（一）设计题目设计一台卧式多室流化床干燥器，用于干燥PVC湿物料。将其湿含量从0.1干燥至0.005（以上均为干基），生产能力（以干燥产品计）3000kg/h。（二）操作条件1干燥介质：湿空气。其初始湿度和温度根据成都地区的气候条件来选定。进干燥器温度t1为100oC。2物料进口温度：1=20oC。3热源：饱和蒸汽，压力400kPa。4操作压力：常压。5设备工作日每年330天，每天24小时连续运行。6厂址：四川大学江安校区。（三）基础数据1被干燥物料 颗粒密度s=1400kg/m3；堆积密度b=700kg/m3；绝干物料比热Cs=1.256kJ/kgoC；颗粒平均直径dm=150m

2、；临界湿含量Xc=0.05；平衡湿含量X*=0。2物料静床层高度zo为0.15m。3干燥装置热损失为有效传热量的15%。（四）设计内容1干燥流程的确定与说明。2干燥器主体工艺尺寸的计算及结构设计。 3辅助设备的选型及计算（气固分离器、空气加热器、供风装置、加料器）。 4绘制干燥器结构图。二干燥原理（一）概述干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发湿分（大多数情况下是水），而获得一定湿含量固体产品的过程。湿分以松散的化学结合或以液态溶液存在于固体中，或积集在固体的毛细微结构中。当湿物料作热力干燥时，以下两种过程相继发生：过程1能量（大多数是热量）从周围环境传递至物料表面使湿分蒸发。过程2内部湿分传

3、递到物料表面，随之由于上述过程而蒸发。干燥速率由上述两个过程中较慢的一个速率控制，从周围环境将热能传递到湿物料的方式有对流、传导或辐射。在某些情况下可能是这些传热方式联合作用，工业干燥器在型式和设计上的差别与采用的主要传热方法有关。在大多数情况下，热量先传到湿物料的表面热按后传入物料内部，但是，介电、射频或微波干燥时供应的能量在物料内部产生热量后传至外表面。整个干燥过程中两个过程相继发生，并先后控制干燥速率。（二）原理1外部条件控制的干燥过程（过程1）在干燥过程中基本的外部变量为温度、湿度、空气的流速和方向、物料的物理形态、搅动状况，以及在干燥操作时干燥器的持料方法。外部干燥条件在干燥的初始阶

4、段，因为物料表面的水分以蒸汽形式通过物料表面的气膜向周围扩散，这种传质过程伴随传热进行，故强化传热便可加速干燥。但在某些情况下，应对干燥速率加以控制，采用相对湿度较高的空气，既保持较高的干燥速率又防止出现质量缺陷。2内部条件控制的干燥过程（过程2）在物料表面没有充足的自由水分时，热量传至湿物料后，物料就开始升温并在其内部形成温度梯度，使热量从外部传入内部，而湿分从物料内部向表面迁移，这种过程的机理因物料结构特征而异。主要为扩散、毛细管流和由于干燥过程的收缩而产生的内部压力。在临界湿含量出现至物料干燥到很低的最终湿含量时，内部湿分迁移成为控制因素，了解湿分的这种内部迁移是很重要的。一些外部可变量

5、，如空气用量，通常回提高表面蒸发速率，此时则降低了重要性。对内部条件控制的干燥过程，其强化手段是有限的，在允许的情况下，减小物料的尺寸，以降低湿分的扩散阻力很有效的。3物料的干燥特性物料中的湿分可能是非结合水或结合水。有两种排除非结合水的方法：蒸发和汽化。当物料表面水分的蒸汽压等于大气压时，发生蒸发。这种现象是在湿分的温度升高到沸点时发生的，物料中出现的即为此种现象。如果被干燥的物料是热敏性的，那么出现蒸发的温度，即沸点，可由降低压力来降低（真空干燥）。如果压力降至三相点以下，则无液相存在，物料中的湿分被冻结。在汽化时，干燥是由对流进行的，即热空气掠过物料。降热量传给物料而空气被物料冷却，湿分

6、由物料传入空气，并被带走。在这种情况下，物料表面上的湿分蒸汽压低于大气压，且低于物料中的湿分对应温度的饱和蒸汽压。但大于空气中的蒸汽分压。三干燥流程的确定与说明（一）干燥器的选择方法干燥器选择的最好方法是利用过去的经验，选择干燥器的最初方式是以原理的性质为基础的，在处理液态物料时所选择的设备通常限于喷雾干燥器、转鼓干燥器、搅拌间歇真空干燥器。最粘性不很大的液状物料、旋转闪蒸干燥器及惰性载体干燥也很使用。对于膏状物和污泥的连续干燥，旋转闪蒸干燥器常是首选干燥设备。由于无聊为细颗粒分散状态，尘埃问题是一种主要的考虑。 然而据此要求在间歇和连续操作间作选择是困难的。通常采用间歇干燥器为常压或真空托盘

7、干燥器、间歇常压或真空搅拌干燥器及常压或真空转筒干燥器。在溶剂回收、起火、有致毒危险或当需要限制温度时真空操作更可取。用于连续干燥的干燥器为（a）喷雾 此时雾化是关键，为应考虑的问题；（b）流化床 但物料在深床层中分散均匀较困难；（c）连续带式循环干燥器 适合于要求无尘的产品；（d）气流干燥 有时要求原料和干产品混合以促使物料分散在进入干燥器的气体中；（e）连续迥转圆筒 直接（加热）或间接（加热），在此设备中使湿物料与干无聊充分混合有利于操作。同时，在干燥器的选择过程中还应该考虑能源价格、安全操作和环境因素等多方面对干燥器选择的影响。（二）几种常见干燥器1气体干燥器 干燥速度快，气固并流操作，

8、干燥时间短；另外结构简单，设备投资少，占地面积小，操作方便，性能稳定，维修量小。 但其主要缺点是： 由于物料停留时间很短，气流干燥器只适合干燥非结合水，不适合于结合水分的干燥； 由于颗粒之间以及颗粒与器壁之间的碰撞与摩擦。因此，气流干燥器不适合于干燥晶形不允许破坏的物料； 气固两相分离的任务很重，固体产品的放空损失较大，粉料排空对环境造成一定污染； 气固两相接触时间短，两相间的传热不充分，气体放空时的温度较高，热效率较低；此外气体通过干燥系统的流动阻力较大，风机的动力消耗较高，因而气流干燥器的能量消耗较高。2转筒干燥器 机械化程度高，生产能力较大，干燥介质通过转筒的阻力较小，对物料的适应性较强

9、，操作稳定，运行费用低。但是，转筒干燥器装置比较笨重，金属耗材多，传动机构复杂，维修量较大，设备投资高，占地面积大。 3喷雾干燥器 干燥速度快，干燥时间短，特别适合于热敏性物料的干燥。但是它的体积传热系数很低，水分汽化强度小，因而干燥器体积庞大，热效率低，动力消耗较大。4厢式干燥器 可以用于各种物料的干燥，但其热效率较低，产品质量不均匀，主要使用于小规模多品种、干燥条件变动大的场合5流化床干燥器 它最大的两个优点有两个：一是由于物料颗粒的剧烈运动和相互混合，床内各处温度均匀一致，从而避免了物料的局部过热；二是流化床的停留时间任意可调，特别适合于干燥结合水分，因此，工业上常将流化床干燥器与气流干

10、燥器串联使用。单层流化床的主要缺点是由于颗粒的完全混合，在连续操作时颗粒无聊的停留时间分布不均匀，部分物料因在流化床中停留时间过短而位能得到充分干燥，另一部分在流化床中停留时间过长而过分干燥。这种干燥器不实用于易结晶或结块的物料（三）干燥中主要设备和机器的确定根据我们此次设计的主要任务：将湿物料PVC的含湿量从0.1降至0.005。从这里可以看出PVC的初始湿含量较低，其中存在的水应该都是结合水，而流化床干燥器的最大优点就是干燥结合水，故我们选择流化床干燥器。此干燥器在干燥结合水的同时还为物料的优质干燥提供可能，但是，物料在干燥器中的停留时间不均匀，是单层流化床的主要缺点。为解决停留时间分布不

11、均匀的问题，可以采用多层流化床或者卧式多室流化床。前者存在的主要困难是如何定量地控制物料使其顺利的进入下一层，且不使气体沿溢流管短路跑掉；另外，其结构复杂，气体的流动阻力较大。而后者的气体压降比前者低，操作稳定性好，结构简单，造价较低，可动部件少，维修费用低。故我们应该选择卧式多室流化床。流化床在空气流速为零时，物料因受重力和浮力作用而静止于分布板上。随着空气流速的提高，每个颗粒受到的空气推动力将不断增加，而当空气速度达到某一值时，重力、浮力和推动力将达到平衡，此时颗粒将离开分布板，悬浮于空气中。如果空气速度过大，则会呈聚式流动。（如图1所示）干燥中除使用干燥器以外，我们还需要两台鼓风机将空气

12、输入干燥器，并把干燥后的气体输出整个流程，而该空气中含有大量的杂质，我们需要过滤器将空气净化。再者，大气的温度较此次设计要求的温度低，故在空气进入干燥器之前需让它流过换热器，使它的温度升高到100oC。另外，出干燥器的空气会带走少部分PVC，故应该在排空之前使用旋风分离器进行气固分离。（四）干燥流程的说明如图2所示。首先，利用鼓风机的旋转，在其内部产生负压，空气在压差的推动下进入管路。进入管路后的空气经过滤器除去其中含有的颗粒物质，以免进入干燥器后对物料产生污染。然后，净化后的常温、压力为9.7*104Pa的空气进入换热器，与压力为400kPa的饱和水蒸气进行热量交换，空气被加热，而饱和水蒸气

13、冷却而被液化。出口处的空气温度可达到100oC、9.7*104Pa。换热器中出来的空气温度已达到生产所要求的温度，此时，热空气从干燥器下部进入塔内，经使空气流动均匀的分布板后与湿物料进行热量和质量传递，使物料得以干燥。出干燥器的空气中含有少量物料，为减少浪费和对大气的污染，我们让空气进入旋风分离器，完成气固分离。最后，我们再利用鼓风机将含有大量湿分的空气排往大气。四 干燥器的物料衡算和热量衡算为完成指定的干燥设计任务，我们需要确定干燥器的主体尺寸，同时，还要选择适当的辅助设备，而干燥过程的物料衡算和热量衡算就是上述设计的基础。已知的干燥参数有： 从资料上查得： （一）物料衡算对连续操作的干燥装

14、置，其物料衡算式为W=Gc(X1-X2)=L(H2-H1)则每蒸发1kg水分所消耗的绝干空气量可表示为：所以 （式1）（二）空气和物料出口温度的确定空气的出口温度应比出口湿球温度高出2050oC(这里取28oC）即 由=100及H1=0.010147，可查图（化工原理下册图12.5）得tas=35.5。对空气水系统，这里近似取=35.5，于是 物料离开干燥器的温度可由下式计算，即代入相关数据得解之得 （三）热量衡算对如图3所示干燥装置作热量衡算，则得因为在本设计中的干燥器没有补充热量，。于是 （式2）且式中 取干燥器的热损失为有效热损失的，即 将上述各值代入式2，即 解之得 再由式1，代入可得

15、 （四）预热器的热负荷和加热蒸汽消耗量 因为加热水蒸气的压力为400kPa，则由水蒸气表可查得饱和温度，冷凝潜热，取预热器的热损失为有效传热量的15%，则水蒸气的消耗量为干燥器的热效率为 五干燥器主体工艺尺寸的计算及结构设计（一）流化速度的确定1临界流化速度umf的计算在100下空气的有关参数为，粘度，导热系数。物料的颗粒密度，堆积密度，颗粒平均直径。则 对均匀球形颗粒的流化床，开始流化的孔隙率，取该值为临界流化点，即。由图（化工原理课程设计中图610）可得。于是临界流化速度为 2颗粒带出速度ut颗粒被带出池，空床的空隙率。根据，由图（化工原理课程设计中图610）可得带入计算相同的式子计算，可

16、得 3操作流化速度取操作流化速度为0.8，即 （二）流化床层底面积的计算1干燥第一阶段所需面积A1相关数据如下： 物料静床层高度 干空气的质量流速 静床层的比表面积 雷诺数 流化床的对流传热系数 流化床层的体积传热系数由于=0.15mm<0.9mm，所以值应该予以校正，从图（化工原理课程设计中图611）中可查得C=0.15。所以体积传热系数 面积A1的计算式为 （式3）将上述数据带入式3，即 解之得 2物料升温阶段所需面积A2相关数据如下 产品比热容 面积A2的计算式为 （式4）带入数据得解之得 所以，床层总的底面积为：（三）干燥器的长度和宽度我们取干燥器的长度，宽度，则流化床的实际底面

17、积为。沿长度方向在床层内设置七个横向分隔板，板间距0.4m。物料在床层中的停留时间为 （四）干燥器高度1浓相段高度Z1由可得2分离段高度Z2对于非圆柱形设备，用当量直径De代替D。由及，查图从图（化工原理课程设计中图612）可得：为了减少气流对固体颗粒的带出量，取分布板以上的中高度为3m。（五）干燥器结构设计1布气装置布气装置包括分布板和预分布器两部分。其作用除了支撑固体颗粒、防止漏料以及使气体均匀分布外，还有分散气流使其在分布板上产生较小气泡的作用，以造成良好的起始流化条件与抑制聚式流化床的不稳定性。如图4所示。此次设计采用单层多孔布气板，且取分布板压强降为床层压强降的20%，则 其中 分布

18、板压强降 床层压强降再取阻力系数，则筛孔气速为干燥介质的体积流量为 选取筛孔直径，则总筛孔数为 分布板的实际开孔率为在分布板上筛孔按等边三角形，孔中心距为 预分布器的作用是在分布板前预先把气体分布均匀一些，避免气流直冲分布板而造成局部速度过高，对于大型干燥器，尤其需要装置预分布器。2隔板（分隔板） 为了改善气固接触情况和使物料在床层内停留时间分布均匀，常常采用分隔板沿长度方向将整个干燥室分成48室。在此次设计中设置七个分隔板，隔板与分布板之间的距离为3050mm（可调节），使每个室内下部的物料可以向出料口移动。分隔板之间宽1.6m，高3m，由5mm厚钢板制造。3物料出口堰高h 解之得 由式 代

19、入相关数据得 整理得 通过试差法解得 六 辅助设备的选择及计算（一）风机 按气体的出口压力或者进、出口压强比将其分为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。1送风机风机按其结构形式有轴流式和离心式两类。轴流式的特点是排风量大而风压很小，一般仅用于通风换气，而不用于气体输送。故选择离心式通风机。其风机进口体积流量V1为 压头HT为 上式中可忽略，所以上式可简化为 因为整个干燥过程的压降主要有气固分离器、换热器、干燥器和旋风分离器的压降，其总和大约为 13000Pa。为前半段提供动力的风机取风机进口密度为根据所需风量和风压，从风机样本中查得的离心通风机满足要求，电动机型号为。该风机性能如下 风量 全风压

20、轴功率 2排风机 同理可得到物料出干燥塔的温度下的体积流量V2 空气在干燥的后半段还需要的压头约为6159Pa、。故我们选择的离心通风机，电动机的型号为。该风机性能如下风量 全风压 轴功率 （二）换热器选择列管式换热器，由于饱和水蒸气在管程中被冷凝，形成液态水，停留在换热器中，我们需要将折流挡板的缺口按水平方向排列。选择列管式换热器，如图6所示，则已知条件有： 空气 水蒸气 查取相关书籍可得空气（平均温度）和水蒸气的物理性质参数为 1 初选换热器规格按空气计算热负荷为 忽略换热器热损失，由热量衡算可得水蒸气的流量为 按逆流传热计算平均温差为 初选一台单壳程、偶数管程的换热器，则 查图（化工原理

21、图7.26）得，则参照表（化工原理表7.7），初步估计换热器的总传热系数，则传热面积为。由钢制列管式固定管板换热器结构手册可初步选择列管式换热器。其参数如下： 外壳直径 D/mm 800 公称压强 p/MPa 10 管子排列方法 正三角形 管长 /m 3 管子外径 /mm 管子总数 469 管程数 /Np 1 壳程数 1 管程流通截面积 /m2 0.1624 壳程流通截面积 /m2 0.416 换热面积 /m2 106.8 折流板间距 h/mm 300采用此传热面积，则要求总传热系数为 2 验算压降a. 管程压降为 管程流体流速为管程中空气流速偏大，可能造成不利影响。因此，选择两台同类型的换热

22、器并联。空气可视为理想气体，其黏度与压强无关，而密度随压强的升高而增大，即该换热器内的钢管的绝对粗糙度取为，则，查图（化工原理图2.13）可得。 则管程总流动阻力为 b壳程压力降为 壳程流体流速为 管子为三角形排列，故取，另外有，。所以 则壳程总流动阻力为3 核算总传热系数a 管程给热系数查表（化工原理附录6）可得因为，所以 b 壳程给热系数 假设外壁面温度为。 管束校正系数为所以，蒸汽在管间冷凝的给热系数为 c 污垢热阻查表（化工原理表7.8）可得。由管程给热系数和壳程给热系数不难看出，不锈钢的温度趋进空气（）侧，故取导热系数。 所以 。计算的总传热系数与估计值的偏差为 根据计算的传热系数可

23、以求得传热面积为 计算的传热面积与估算传热面积的偏差为 综上所述，所选择的列管式换热器的参数为 外壳直径 D/mm 100公称压强 p/MPa 10 管子排列方法 正三角形 管长 /m 5 管子外径 /mm 管子总数 749 管程数 /Np 1 壳程数 1 管程流通截面积 /m2 0.6079 壳程流通截面积 /m2 0.416 换热面积 /m2 106.8 折流板间距 h/mm 300（三）气固分离设备为了获得较高的回收率，同时避免环境污染，需将从干燥器中出来的空气进行气固分离，在干燥系统中使用的分离器主要有旋风分离器、袋滤器、湿式洗涤器等。旋风分离器（如图6所示）是利用惯性离心力的作用从气

24、流中分离出颗粒的设备。其上部为圆筒形，下部为圆锥形。它内部的静压力在器壁附近最高，仅稍低于气体进口处的压强，越往中心静压力越低，中心处的压力可降到气体出口压力以下。旋风分离器的分离效率通常用临界粒径的大小来判断，临界粒径越小，分离效率越高。在此次设计中采用旋风分离器分离以上的PVC粉尘以能达到工艺和环境要求。经考虑，故选用型旋风分离器。式中为进口空气温度下的密度，即为时的密度：，另外取。可得 根据旋风分离器手册，可选择标准切线进口。圆柱体直径D 4.36m 圆柱体高度L1 D圆锥体高度L2 1.8D 进口宽度b 0.2D进口高度a 0.4D 排气管直径d 0.3D排气管深度l 0.8D （四）

25、供料器供料器是保证按照要求定量、连续（或间歇）、均匀地向干燥器供料与排料。常用的供料器有圆盘供料器、旋转叶轮供料器、螺旋供料器、喷射式供料器等。将这些供料器相比较：对于圆盘供料器，虽然结构简单、设备费用低，但是物料进干燥器的量误差较大，只能用于定量要求不严格而且流动性好的粒状物料；对于旋转叶轮供料器，操作方便，安装简便，对高大300oC的高温物料也能使用，体积小，使用范围广，但在结构上不能保持完全气密性，对含湿量高以及有黏附性的物料不宜采用；对于螺旋供料器，密封性能好，安全方便，进料定量行高，还可使它使用于输送腐蚀性物料。但动力消耗大，难以输送颗粒大、易粉碎的物料；对于喷射式供料器空气消耗量大

26、，效率不高，输送能力和输送距离受到限制，磨损严重。我们本次设计的任务是干燥PVC，它在进入干燥器之前的温度下为固态颗粒状，颗粒平均直径，且硬度和刚性都较高。因为圆盘供料器只能用于定量要求不严格的物料，所以通常情况下不选用。又因为螺旋供料器容易沉积物料，不宜用于一年330天，每天24小时的连续工作。另外我们较高硬度和刚性的PVC对设备存在磨损，如果再加上空气流的喷射作用，磨损将会更大，故不能选用喷射式供料器。综上我们选用星形供料装置，如图7所示，且，因此可选择其规格和操作参数如下：规格： 生产能力： 叶轮转速： 传动方式： 链轮直联设备质量： 齿轮减速电机： 型号 功率 输出转速七总体数据（一）

27、给定数据 数据名称符号数值单位物料（PVC）初始湿含量0.1终态湿含量0.005临界湿含量0.05平衡湿含量0进口温度20颗粒密度1400堆积密度700绝干物料比热1.256颗粒平均直径150静床层高度0.15干燥介质（空气）进干燥器温度100干燥器操作压力常压(97)热损失15%热源（饱和水蒸气）压力400生产能力3000（二）卧式多室流化床干燥器计算结果数据名称符号数值单位生产能力3000物料温度入口20出口59.55空气温度入口100出口63.5空气用量27423热效率31.76%流化速度0.4415床层底面积第一阶段3.62升温段1.4设备尺寸长3.2宽1.6高3布气板型号单层多孔布气

28、板孔径2孔速16.1586孔数个开孔率9.87%分隔板宽1.8与布气板距离30-50物料出口堰高0.826八心得体会作为一名主修过程装备与控制工程专业的学生，了解和掌握各种化工设备的工作原理和流程是必要的。同时，我们还需要将所学的专业知识进行总结，然后综合地运用到化工设备流程设计中。只有这样我们才能提高对知识的掌握程度，开拓视野和知识面，增加在社会竞争中的经验，锻炼自己的综合能力。化工原理课程设计也就为我们提供了这么一次难得的机会，一次找准自己对所学知识认识程度的机会，一次给自己准确定位的机会。而我们在设计中也在不断地设法提高自身能力，增强对事物的认识程度，扩大和专业知识的接触面。当我拿到设计

29、任务书，看着上面的数据与要求，不知道如何下手，脑海里一片空白。我觉得自己的专业基础课还学得算不错，为什么对于这么一个设计却不知道怎么处理，也许是当代大学生都普遍存在对知识综合运用的能力不强的毛病。听完老师认真而详细的讲解后，大脑里总算有了对次此设计的总体印象和感觉。接下来的几天时间里，我到图书管借阅了不少关于化工原理课程设计和干燥的书籍，将这些书与我的设计任务进行综合考虑与分析，使我对设计任务有了比较形象而深刻的认识，同时，我也按照设计任务书的要求开始了我的设计。在整个设计过程中，我遇到了不少的困难，面对这些困难，曾经害怕过，但问题宗归是问题，我还需要不断地战胜它。给我印象最深的是在有关附属设

30、备换热器的选型中，由于化工原理课本上的类型很有限，使我所设计的流量根本无法选到合适的型号和规格。上网查找、问同学、去图书馆等等，想尽了一切办法。还好，工夫不负有心人，我最终在超星阅览器上找到有关换热器设计的手册。然后我又把这一电子版的书从头到尾认真地学习了一番，终于找到了解决该问题的方案。然而，在初步设计中，估算值与计算值相差太大，最后经过我反复多次地对数据的调整，总算完成了换热器的设计。我为我能把自己在课堂所学到的知识，再综合一些参考文献，然后真正运用出来颇感兴奋！但是，我也暴露出前期我所学知识的欠缺和经验的不足。我们必须在设计中认识到，平时做题时，数字错了改一改就可以交上去了，但在工厂里，

31、数字绝对不可以出错，因为质量是企业的第一生命，质量不行，企业的生产就会跟不上，而效率也会随之降低，企业就会在竞争的浪潮中失败，所谓“逆水行舟，不进则退”。同时数字一旦出错，也许会给企业带来严重的安全事故。另外，我觉得我们搞设计的不光要站在设计的基础上，学会继承已有经验，还要有创新。但是现在，全社会都在强调创新，而我们又不能只强调创新，而丢弃原有的理论。通常的创新分为两中，一种就是构成事物旧有元素的重新组合，一种是在旧有元素的基础上加一些新的元素。不管怎样，创新的东西总是含有旧有元素的影子的事实是不可否认的。正如哲学中所将的，新事物都是在肯定中否定，否定中有肯定中产生的。所以，我们在追求创新的同时，还需要将原有理论进行全面认真的学习，认识事物的本质和寻求其发展过程，这也为我们更好地创新提供物质基