气流干燥设计资料.docx

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气流干燥设计资料

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。

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10～30℃，较入口气体的绝热饱和温度高20～50℃。

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，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=kg湿气/m3湿气

特别注意：

λ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>0，颗粒向上运动；（气力输送）；

（2）当ug

（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，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α（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α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，α和kH均最大，其计算式为：

400

30

其中

d：

颗粒直径，m；ur：

相对速度；ρg：

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。

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[5，6，7]

1．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60～80%，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=1.1～1.5ut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70～80℃

热分解温度120～150℃

密度1380kg/m3比热1.842kJ/kg.℃

导热系数0.14×4.187/3.6W/m2.℃

4.2设计步骤和主要公式

1．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，℃；

γtw2：

在tw2下水的汽化潜热，kJ/kg。

Cl:

水的比热，4.18kJ/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