安徽理工大学弹药化工原理课程设计 2.docx

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安徽理工大学弹药化工原理课程设计2

《化工原理》课程设计

说明书

粉状乳化炸药干燥过程设计

Dryingprocessdesignofpowderyemulsionexplosive

学院（部）：

化学工程学院

专业班级：

弹药11-5班

学生姓名：

学号：

指导教师：

陈明功教授

2014年1月13日

安徽理工大学课程设计（论文）任务书

学院：

化学工程学院系别：

制药工程系

学号（双号）

2011303638

学生姓名

刘兵兵

专业班级

弹药11-5

设计题目

粉状乳化炸药干燥过程设计

设计

技术

参数

1、湿物料处理量=1600kg/h，（根据学号另外告知）；

2、新鲜空气相对湿度=74%；新鲜空气湿度=0.0078；

新鲜空气温度=15℃；

3、物料进口温度=130℃，物料出口温度=25℃，干燥后物料含水量=0.5%（湿基），干燥前物料含水量=5%（湿基）；

4、冷空气进口温度=15℃，热空气进口温度=130℃，

干燥器出口空气温度=25℃。

设计要求

1、合理选择干燥工艺、设计参数和计算公式，计算准确；

2、设计说明书编辑规范，文字准确简练，图表清晰规范。

工作量

设计说明书纸质版一份（按照给定模版编辑后打印），工艺流程简图一份；

设计说明书和工艺流程简图电子版一份（按照给定模版编辑）

工作计划

2013-2014第一学期第20周

参考资料

1、谭天恩等编《化工原理》（上、下册）：

2、天津大学化工原理教研室编《化工原理课程设计》

3、《化工设计设备手册》

4、《干燥设备》

指导教师

签字

系主任

签字

年月日

安徽理工大学课程设计成绩评定表

指导教师评语：

成绩：

指导教师：

年月日

目录

一、方案的论证说明及工艺流程图2

1、设计方案的论证说明2

2、工艺流程图3

3、工艺流程简图4

二、设计计算及说明6

1、有关状态参数：

6

（1）物料的状态参数:

6

（2）空气的状态参数6

2、物料衡算7

（1）水分蒸发量7

（2）空气消耗量7

（3）干燥器处理量8

3、热量衡算8

三、附属设备的计算与选型9

第一节预热器的设计10

（1）有关参数的确定:

10

（2）预热器的设计与选择11

a、基本数据11

b、流动空间及流速的确定：

11

c、热负荷11

d、计算11

e、校核压降12

第二节喷管的设计15

第三节风机选型16

1、冷风鼓风机的选型16

2、换热器前鼓风机的选型17

3、旋风分离器后鼓风机的选型18

第四节气固分离器1的设计及选型19

1、分离器1的设计及选型19

（2）、确定旋风分离器的几何尺寸20

2、旋风分离器2的设计及选型20

（2）、确定旋风分离器的几何尺寸：

20

四、课程设计个人总结与感想23

附:

参考资料24

一、方案的论证说明及工艺流程图

1、设计方案的论证说明

设计一个干燥装置，用以干燥平均粒子直径在0.3mm左右的乳化炸药粉末，要求将其从5%湿基含水率降至0.5%的湿基含水率，并且采用冷干风冷却，热风加热。

根据以上的设计要求及物料的性质，我们采用喷雾干燥冷风造型进行干燥。

喷雾干燥的原理是将料液在热气流中喷成细雾以增大气液两项的接触面积，喷雾干燥具有以下优点：

（1）．干燥过程进行极快，而颗粒表面的温度仍接近于介质的湿球温度，故热敏感性的物料不易变质，能得到速溶的粉末或空心颗粒。

（2）．可由浆状液料直接获得合乎要求的粉末产品，从而省去蒸发结晶分离粉碎等工序

（3）．容易连续化，自动化。

能避免干燥过程中粉尘飞扬，改善劳动条件。

喷雾干燥是将乳化胶基质通过雾化，脱水和冷却制成粉末状乳化炸药产品。

乳化机产出的乳胶基质通过螺杆泵输送至气流式雾化器——喷枪，同时得用热压缩空气的高速气流的剪切作用，通过喷枪将乳化基质雾化分散成微细的基质液滴，与经热风分配器进入的气流在干燥塔内相遇，液滴被脱水，冷却固化成粉末状颗粒，降至干燥塔底，通过星型阀进入风管，由鼓风机提供的气流将药粉输送至主旋风分离器进行气固分离，同时药粉在管道内降温，经星型阀排出即为粉状乳么炸药产品。

由于乳化炸药的物料和物性均符合用气流干燥器干燥的特性特点，是用于喷雾干燥式气流干燥，所以我们选用喷雾冷风造型进行干燥。

2、工艺流程图

图1-1、乳化炸药干燥工艺流程图

3、工艺流程简图

二、设计计算及说明

1、有关状态参数：

（1）物料的状态参数:

湿物料量

=1450

颗粒的平均直径

=0.003

颗粒的最大直径

=0.008

物料的堆积密度

=1200

物料的晶体密度

=1600

绝干颗粒比热Cs=2.10

湿物料含水量W1=5%（湿基）

干燥后物料含水量W2=0.5%（湿基）

物料进口温度

=130

物料出口温度

=25

（2）空气的状态参数

热空气的进口温度t1=130

混合空气出干燥器的温度t3=25

冷空气的进口温度t0=15

新鲜空气相对湿度φ=74%

新鲜空气的温度t2=15

新鲜空气的湿度H0=0.0078

2、物料衡算

在讨论喷雾干燥时，一般要做以下假设：

a.颗粒均匀且成球形，在干燥进程中不变形。

b.颗粒在重力场中运动。

c.颗粒群的运动以及传热等行为可用单个颗粒的特征来描述。

（1）水分蒸发量

对干燥器作水分的物料衡算，并假设干燥器内无物料损失。

则：

又由：

=5%=0.05

=0.005

有：

=0.05/（1-0.05）=0.0526kg/kg干物料

=0.005/（1-0.005）=0.005kg/kg干物料

=1450

（1-0.05）=1377.5

故水分蒸发量为：

=1377.5

（0.0526-0.005）=65.57

（2）空气消耗量

假设绝干热、冷风的流量分别为

和

，且L1=20L2，出干燥器风量为

则：

=

+

=21L2

对整个干燥器的水分进行物料衡算，有：

L2H0+GcX1+L1H0′=L3H2+GcX2（H0′=0）

带入数据得：

0.0078L2+1377.5

0.0526=21L2H2+1377.5

0.005

即：

0.0078L2+65.57=21L2H2（a）

（3）、干燥器处理量

干燥产品G2是指离开干燥器的物料的流量,即干燥器的生产能力,由进出口的绝干物料不变有:

G1（1-W1）=G2（1-W2）

G2=G1（1-W1）/（1-W2）=1450

（1-0.05）/（1-0.005）=1384.4

3、热量衡算

图2-1衡算示意图

假设干燥器中不补充热量,即QD=0,对干燥器进行热量衡算得:

L1I1+L2I2+

（Cs+CLX1）

=L3I3+Gc（Cs+CLX2）

+QL

其中热量损失QL取预热器提供热量Qp的20%,即:

L1I1+L2I2+Gc（Cs+CLX1）T1=L3I3+Gc（Cs+CLX2）T2+0.2Q（b）

Cs:

绝干物料的比热容CL:

水的比热容

冷风的焓:

I1=（1.01+1.88H0ˊ）t0+r0H0ˊ

=1.01×15=15.15kJ/kg

热风的焓：

I2=（1.01+1.88H1）t1+r0H1=（1.01+1.88H0）t1+r0H0

=（1.01+1.88×0.0078）×130+×0.0078=152.64kJ/kg

干燥器出口处混合空气的焓：

I3=（1.01+1.88H3）t3+r0H3

=（1.01+1.88H3）×25+2492×H3=2539H2+25.25

代入热量衡算式（b）,得：

152.64L2+15.15×20L2+1377.5×（2.1+4.187×0.0526）×130=（2539H3+25.25）×21L2+1377.5×（2.1+4.187×0.005）×25+0.2Qp

化简得:

74.606L2+53319L2H2+0.2Qp=342456.6（c）

三、附属设备的计算与选型

第一节预热器的设计

（1）有关参数的确定:

物料从预热器中获得的热量：

QM=0

热风从预热器中获得的热量:

Qp=L2（I2-I0）

其中:

I0为空气进入预热器前所具有的焓

I1为空气被预热器加热后所具有的焓

而I0=（1.01+1.88×H0）×t0+HO×r0

=（1.01+1.88×0.0078）×15+2492×0.0078

=34.81kJ/h

由前面计算得I1=152.64kJ/h

故Qp=L0×（152.64-34.81）

所以预热器提供的总热量为

Q′=QM+QN=Qp=L0×117.83（d）

由（a）（c）（d）联立求得：

H2=0.0025L1=29382

L2=1491.6

L3=31323.6

Q′=Qp=175755.23kJ/h=48.82kw

假设预热器的热效率为95%，则预热器的提供功率为：

Q=48.82/95%=51.39kw

选择150℃，绝压476.24kpa的饱和水蒸气,此水蒸气的相变潜热为2118.5kJ/kg,所以蒸汽用量为

=175755.23/（0.95×2118.5）=87.33

（2）预热器的设计与选择

a、基本数据

物料进口温度

=15℃出口温度

=130℃

空气进口温度t0=15℃出口温度t1=130℃

b、流动空间及流速的确定：

水蒸气走壳程，物料和空气走管程。

选用φ25×φ2.5的钢管，管内流速取ui=20m/s

c、热负荷

Q=51.39kw

=87.33

d、计算

逆流时的平均温度差△tmˊ=（△t1-△t2）/㏑（△t1/△t2）

=（135-20）/㏑（135/20）=60.22℃

R=（T1-T2）/（t2-t1）=0

P=（t2-t1）/（T1-t1）=0.85

由于R太小,在《化工原理》（上册.谭天恩.化学工业出版社,2002）[1]的图5-19上查不出来温差校正系数

故只能通过式5-37计算,由5-37计算得:

=1。

则：

△tm=φ×△tmˊ=60.22℃

取K=250m2.℃），则可得：

=Q/（K△tm）=51.39×

/（250×60.22）=3.413m2

由《化工原理设计手册》[4]查得，可以选用固定管板换热器，但由于温度大于60度且压力不高使用时需加补偿圈，由表查的可选用G4Ⅱ-1.00-10型固定管板式换热器。

其主要参数如下表所示：

表2-1G273-1.6-5.7型固定管板式换热器换热器主要性能参数

外壳直径

273mm

公称压力

1.6MPa

换热面积

5.7m2

管长

2000mm

管子规格

φ25mm×2.5mm

管程数

2

管子数

56

管程流通面积

0.005

管子排列方式

正三角形

管间距

32mm

K需=Q/（S实△tm）=51.39×

/（5.7×60.22）=150.26W/（m2.℃）

e、校核压降

1、管程压降

∑Δpi=（Δp1+Δp2）FtNsNp

Ft=1.4Ns=1Np=4

管程流速u=1491.6／（1.0029×3600×0.005）=82.6m/s

Re=

=

=80455.95

对于钢管，取管壁粗糙度ε=0.1mmε/d=0.1/20=0.005

查莫狄图，得λ=0.037

Δp1=λ•L/di•（ρu2/2）=（0.037×2×1.0029×82.632）/0.02×2

=12667.91Pa

Δp2=3（ρu2）/2=3×（1.0029×82.632）/2=10271.3Pa

∑Δpi=（Δp1+Δp2）FtNsNp=（12667.91+1027.3）×1.4×1×2

=64229,79Pa∈（10.13kPa～101.3kPa）

2、壳程压降

∑Δpo=（Δp，1+Δp，2）FsNs

Fs=1.15Ns=1

Δp，1=Fƒonc（NB+1）Ρu2/2

管子为正三角形排列F=0.5

nc=D/t-1=0.273/0.032-1=8

取折流挡板间距h=0.2m，则NB=（L/h）-1=（2/0.2）-1=9

Ao=h（D-ncdo）=0.2×（0.273-8×0.025）=0.00146m2

壳程流速uo=

=0.653m/s

Reo=douoρ/μ=0.025×0.653×2.543/（0.0145×10-3）=2863.07

ƒo=5.0Reo-0.228=5.0×2863.07-0.228=0.814

Δp，1=0.5×0.814×8×（9+1）×2.543×0.6532/2

=17.65Pa

Δp，2=NB（3.5-

）ρu2/2

=7×（3.5-2×0.2/0.273）×2.543×0.6532/2

=7.72Pa

∑Δpo=（Δp，1+Δp，2）FsNs=（14.12+7.72）×1.15×1

=25.116Pa＜10.3kPa

可知，管程和壳程压降都能满足工艺要求。

f、核算传热系数

1、管程对流传热系数αi=0.023

Re0.8Prn

=0.023×0.6833/0.02×80455.950.8×1.170.4

=7031.2W/（m2·℃）

2、壳程对流传热系数（凯恩法）

αo=0.36

（

）0.55（

）1/3

由于换热管采用正三角形排列，故

de=

=

=0.02m

=

=178.27

=

=1.17

壳程水蒸气被冷却，取ψW=0.95

αo=0.36×

×178.270.551.171/3×0.95

=213.02W/（m2·℃）

3、污垢热阻参照表4-4，管内外污垢热阻分别取为

Rsi=5.0×10-4m2·℃/WRso=1.72×10-4m2·℃/W

4、总传热系数忽略壁面热阻，则总传热系数为

K计=

=

=180.37m2·℃/W

因K计/K需=180.37/150.26=1.20（在1.1～1.25之间），故所选换热器是合适的。

设计计算结果：

选用固定挡板式换热器，型号：

G273Ⅱ-1.6-5.7。

经过核算压降和传热系数可知选用此型号换热器是合适的。

第二节喷管的设计

采用气流式喷嘴，流体速度一般不超过2m/s。

绝干物料晶体密度为1600kg/m3,堆积密度为ρb=1200kg/m3.体积流量qv=G1/ρ=1450÷1200=1.5m3/h=0.000336m3/s

取乳化基质流速u=0.1m/s，实际流截面为环形面积S物料=qv/u=0.000336/0.1=0.00336m2

内圈直径d1中圈直径为d2外圈直径为d3

第三节风机选型

1、冷风鼓风机的选型

V1=L1（0.772+1.244Ho,）×（273+to）/273

=29832×（0.772+1.244×1.244×0.0078）×（273+15）/273

=6.834m3/s

取管的长度为30m，up=20m/s，

鼓风风管径d=

=0.66

15℃时干空气ρ0=1.22kg/m3，黏度μ=17.9×10-6Pa·s

Re=duρ/μ=0.66×20×1.22/（17.9×10-6）=899664.8>1000属于湍流区

镀锌铁管ε取ε/d=0.2/660=0.0003

查《化工原理》上册图1-39（λ-Re-ε/d关系图）得λ=0.0147

所以风机的静风压损失为：

Hf=λ（l1/d1）·（ρ0u2/2）

=0.0147×30×1.22×400÷（0.66）=163.4Pa

1#鼓风机的动风压为：

Hb=0.5U02ρ0=0.5×202×1.22=244Pa

则我们可以求出全风压为Ht=HJ+Hb=163.4＋244Pa=407.04Pa=41.53mmH20

通过查《化工原理》上册书我们可选4-27-6D型离心式通风机（6720㎥.h-1）

2、换热器前鼓风机的选型

V2=L2（0.772＋1.224H0）（273.15＋t1）=1491.6×（0.772＋1.224

×0.0078）×（273.15＋130）÷273=0.4781m3/s

取管子的长度为15m，U2=30m·s-1

通风管的面积S=V/（2·U2）=/（2·30）=0.00798m2

确定喷嘴的尺寸：

d1=

=

=1.01m

面积为：

S2=S＋S物料=＋0.00798+0.042=0.04998m2得：

d2=

=

=0.252m

最外环隙的面积S=0.056m2

则S3=S+S=0.04998＋0.00798=0.05796m2得：

d3=

=

=0.272m

喷管最外环隙的当量直径为：

de=4S／（πd2＋πd3）=0.019m

则最外环隙中空气的风压损失为:

Hf3=λ（l/de）（U22ρ/2）=0.0147×（15÷0.019）×（1.22×302）÷2=6371.3Pa

内管空气的风压损失为Hf1=λ×l／d×（U22ρ/2）=0.0147×（15/0.101）（1.22×302）/2=1198.6

动力风压为Hb=0.5×u02ρ=0.5×302×1.22=549Pa

故全风压HT=Hf1＋Hb＋Hf3=1198.6＋549+6371.3=8118.9Pa=828.5mmH20

3、旋风分离器后鼓风机的选型

V3=L3（0.772+1.244Ho）×（273+t1）/273=31323.6×（0.772+1.244×0.00397）×（273＋25）/273=26565m3/h=7.379

m3/s

取排风口管长60m,流速为20m/s,则其管径为:

d=（4v3／Πu）1／2=（4×7.379／20／3.14）1／2=0.686m=686mm

风压损失为Hf4=λ（l/d）（U22ρ/2）=0.0165×（60／0.686）×（1.22×202）／2=352.1Pa

动风压Hd=0.5U2ρ=0.5×202=244Pa

经计算得两个旋风分离器的压力降为1017.44Pa,465.55Pa

所以鼓风机3的全风压为HT=352.1+244+1017.44+465.55=2079.09pa=212.2mmH20

查书得可选4—72—11—10C型离心式通风机，流量为41300m3/h

第四节气固分离器1的设计及选型

1、分离器1的设计及选型

（1）、确定旋风分离器的进口速度u1，根据经验可取u1=18m/s

（2）、确定旋风分离器的几何尺寸

按CLT/A-型旋风分离器的尺寸设计

A=0.56DB=0.2D，

进口面积为F1=V3/U1=7.379/18=0.410m3

所以D=1.31m

AB=0.112D2=0.192m2

D1=0.6D=0.867m

D2=0.3D=0.3406m

H2=2D=2.62m

H1=4.5D=5.895m

查化工原理上册得

ξ=5.3,t=25℃　　ρ空气=1.185kg/m3

△P=ξρ

/2=1017.44pa

2、旋风分离器2的设计及选型

CLT/A-1.5型旋风分离器

（1）、确定旋风分离器的进口速度u2，根据经验可取u2=12

（2）、确定旋风分离器的几何尺寸：

按CLT/A-1.5型旋风分离器的尺寸设计A=0.56DB=0.2D

AB=0.112D2=0.192m2

D1=0.6D=0.966

D2=0.3D=0.4186

H2=2D=3.22

H1=4.5D=7.245

查《化工原理》得ξ=5.3,t=15

=1.22

△P=ξρ

/2=5.3×1.22×122/2=465.55pa

第五节设计结果一览表

项目

符号

单位

计算结果

处理湿物料量

G1

1720

物料温度

入口

℃

130

出口

℃

25

热空气为温度

入口t1

℃

130

出口t2

℃

25

冷空气为温度

入口t0

℃

15

出口t2

℃

25

空气湿度

入口H0

0.0078

出口H2

0.0025

热空气用量

L1

29832

冷空气用量

L2

1491.6

蒸发水分量

W

65.57

冷风的焓

I1

15.15

热风的焓

I2

g

152.64

风带出的热量

Q

185004

干燥器中的热损失

Q1

35151.0

四、课程设计个人总结与感想

本次课程设计，可以说是时间紧任务重。

因为课程设计刚巧是在我们学期考试最为集中的时候布置的。

既要复习迎考又要兼顾课程设计，时间对于我们可以说是寸寸光阴寸寸金，我们小组的人齐心协力，紧密协作，合理分工，终于是在规定时间完成了课程设计。

由于时间的匆忙课程设计做的很不完善，但是过程是收获很大的，通过做课程设计我们梳理了上下学期的化工原理，在查阅资料的同时丰富了我们的课外知识，为以后的毕业设计和工作打下了坚实的基础。

附:

参考资料

[1]谭天恩.《化工原理》.上册.上海:

化学工业出版社,2002

[2]谭天恩.《化工原理》.下册.上海:

化学工业出版社,2002

[3]蒋维钧等.《化工原理》.北京:

清华大学出版社,1992

[4]朱有庭等.《化工原理设计手册》.北京:

化学工业出版社,2004

[5]化学工程师编辑委员会.《化学工程师手册》.北京:

机械工业出版社,2000

[6]刘相东等.《常用工业干燥设备及应用》.北京:

化学工业出版社,2004