第八讲旋转闪蒸干燥系统设计特点.docx
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第八讲旋转闪蒸干燥系统设计特点
第八讲旋转闪蒸干燥系统设计特点
一、旋转闪蒸干燥器（SpinFlashDryer）概述:
（一）、旋转闪蒸干燥器是上世纪80年代由丹麦安海达诺（Anhydro）公司推出的一种新型干燥设备,我国己于1991年5月在引进消化基础上首次开发成功这种先进干燥设备。
（二）、以往,在对高粘度的膏状物料,沉积物或滤饼进行干燥并加工成粉体时,一般气流干燥或流化床干燥已无法干燥此类物料,常用改型气流干燥,转筒干燥,厢式干燥或带式干燥。
这些干燥过程有时需经过多次处理,并需配备粉碎,筛分等设备,投资与占地面积较大,操作费用也高;如采用喷雾干燥装置来干燥膏状物料,还须事先将物料稀释成浆状,将增大干燥过程中水分的蒸发量,从而增加热能消耗。
（三）、旋转闪蒸干燥器是流化床干燥和气流干燥的组合,且在一个干燥装置内实现。
下表列出一些物料的旋转闪蒸干燥的数据,仅供参考。
入口热风温度（℃）
出口排风温度（℃）
原料温度
（℃）
原料含水率（%）
产品含水率（%）
产品平均粒径（μm）
堆积密度
（kg/m3）
各种氢氧化物泥浆
250
85
15
30
4.5
40
800
白云石
310
145
15
66
0.4
15
450
黄色氧化铁
325
100
13
65
0.6
5
300
氧化铝
250
90
18
71
12.5
70
400
硅酸铝
450
100
15
80
5.5
20
200
带粘结剂的碳酸钙
280
90
13
42
0.3
50
450
食品黄
225
95
20
72
9
10
300
酒石黄
210
95
10
50
5
10
700
冻黄
170
100
20
35
5
180
527
硬脂酸钙
100
52
20
57
0.32
16
----
淀粉
120
63
20
42
12
30
610
轻质碳酸钙
120
70
0
33
0
5
800
二氧化钛
700
125
15
35
0.5
3
600
以上参数仅供决定类似物料干燥时参考。
（四）、旋转闪蒸干燥器的优点:
1.能处理非粘性和粘性的,甚至粘稠的膏状物料。
湿物料可一次成为粒度均匀,湿分合格的产品,而无需进一步粉碎。
2.设备紧凑,节省厂房空间。
3.连续操作,物料在干燥器内停留时间长短可调（15～500s）,因此有利于热敏物料的干燥。
4.干燥强度高。
根据小型实验证实,用旋转闪蒸干燥器干燥淀粉时的容积给热系数为16374kcal/m3·h·℃,（进口热风温度140℃,排风温度65℃）。
直管气流干燥淀粉时的容积给热系数为6000kcal/m3·h·℃（进口热风240℃,排风温度55℃）;流化床干燥容积给热系数为478～1672kcal/m3·h·℃;喷雾干燥容积给热系数为24～96kal/m3·h·℃。
可见旋转闪蒸干燥的体积传热系数大于以上这些干燥器。
二、旋转闪蒸干燥器的设备结构（结构示意图见金陵样本第一册第17～19页）:
旋转闪蒸干燥器由热风分配器,干燥筒体,分级器和螺旋进料器组成。
（一）、热风分配器:
热风分配器是一个蜗壳切向均匀进风器。
根据干燥筒体底部结构不同,有两种均风方法。
如果干燥筒是平底的,则热风分配器是蜗壳进口和一个导气轮组成（见图1）。
导气轮对气体切向速度在干燥筒内沿径向分布的影响很大。
如果没有导气轮,则气体切向速度在筒壁附近速度很大,而在干燥筒轴中心附近切向速度很小,不能发挥干燥筒整个圆截面的作用。
设置了导向轮后,气体切向速度沿径向分布较为均匀,对提高产品的质量和产量都有帮助。
这种热风分配器从蜗壳进入干燥筒的缝隙比较大,热风的流速比较低,阻力较小,但干燥筒的上,下端轴向速度是相同的,一旦有较大颗粒物料沉底,很可能吹不起来,容易造成‘死床’。
如果干燥筒底部有一个倒锥体,则蜗壳内就不设置导气轮（见图2）,蜗壳进入干燥筒的环向逢隙很小,有很高的进风速度,依靠动压转化为静压的过程达到均风的目的。
这种热风分配器的阻力比较大,干燥筒下端的横截面小,轴向风速也很大,可以将较大的颗粒物料吹起,不容易造成‘死床’。
（二）、干燥筒体:
干燥筒体内大致可分为四个区:
底部为搅拌闪蒸干燥区,向上沿干燥筒壁附近为旋转流化干燥区,干燥筒体的中心部位为气流干燥区,靠近分级器为分级区。
1.搅拌闪蒸干燥区:
搅拌闪蒸干燥区位于干燥筒的底部。
滤并或其他湿物料经螺旋进料器进入干燥筒,立即与切向热风相遇,又湿又重的团块状物料被迫沿着干燥筒壁面向上进行螺旋运动,但由于沉降速度大而很快降落在处于干燥筒的搅拌闪蒸区。
湿物料在下降时,表面先被干燥,到达搅拌干燥区时,搅拌器的机械冲击力和热风的旋涡流动使表面先干燥的物料团块分开,成为较小的团块,小团块表面再干燥,再分裂,如此反复,物料的水分象‘闪电’一样迅速蒸发,可使60%～80%的水分蒸发,物料含水率很快减少。
搅拌器的转速是可调的,一般在200～500r/min,干燥筒直径大,转速低;反之,直径小,转速高。
2.旋转流化干燥区:
旋转流化干燥区位于干燥筒的中部紧靠筒壁处。
在搅拌闪蒸干燥区被干燥和粉碎的较小颗粒悬浮在旋转气流中,被旋转气流带动呈螺旋上升,进入旋转流化干燥区。
在旋转力场作用下,颗粒与气流之间产生较大的相对速度,传热传质系数仍然较大。
与此同时,在离心力的作用下,以及中心气流的快速低压,使大小不同颗粒沿干燥筒半径不同位置呈螺旋线上浮流化,小颗粒靠中心,而大颗粒靠近筒体壁,与壁面产生摩擦,使有的颗粒进一步变小,向中心靠拢,或不能变小的颗粒,再次落入搅拌闪蒸干燥区。
旋转流化干燥区是一个干燥活性区域,也是一个固体颗粒浓相区,但该区域的厚度很薄,在筒体壁附近旋转,旋转气流层中的气流速度很高,而干燥筒中心处的气流速度很低。
3.气流干燥区:
气流干燥区位于干燥筒的上部中间,是一个固体颗粒稀相区。
在旋转流化干燥区中被干燥的小颗粒脱离该区,而进入了气流干燥区。
在这个干燥区,与气流干燥类似,当气流速度大于物料颗粒的悬浮速度时,将物料带向分级区。
4.分级区:
分级区位于干燥筒的顶部。
最简单的分级器就是一个淘析环。
在气流干燥区内,物料颗粒处在靠近干燥筒的中心区,如该处的半径小于淘析环的半径,则该物料就被带出干燥筒,完成了干燥过程;如该处的半径大于淘析环的半径,则物料颗粒被淘析环挡住,向下再重新进入旋转流化干燥区,进一步干燥。
（三）、分级器:
最简单的分级器就是上面所说的淘析环。
这是一种固定式的分级装置,不同内径的淘析环只能容许小于某一直径以下的颗粒通过。
当直径要求变化时,要更换淘析环。
另一种是在淘析环的位置上安装转速可调的旋转分级装置,只要改变转速,就能容许不同粒径的颗粒通过,转速越高,通过的粒径越小。
（四）、螺旋进料器:
当物料是松散的,可采用传统的单螺旋进料器;当物料是稍带粘性,可采用带粉碎的螺旋进料器;当物料是粘性较大或粘性很大,可采用双螺旋进料器。
螺旋进料器的转速是可调的,一般转速的进料器设计请查阅有关资料。
与气流干燥器一样,对于旋转闪蒸干燥器来说,进料器的密封同样是一个很重要的问题,可在螺旋进料器的进料口上加一个搅拌分散罐,就能保证密封连续定量给料。
搅拌分散罐中搅拌器转速为100r/min,螺旋进料器的转速为0～50r/min。
三、颗粒在旋转闪蒸干燥筒内的动力学方程:
（一）、颗粒在旋转闪蒸干燥筒内运动简述:
从热风分配器来的热风是成切线方向通过环形缝隙进入干燥筒的。
干燥筒内的物料在热风的吹送作用和搅拌器的推动下,做螺旋式的旋转上升运动。
研究较小颗粒在离心力场作用下的流体中运动,重力作用是可以忽略的。
（二）、颗粒在旋转闪蒸干燥筒内的受力分析:
1.已知和假设条件:
物料颗粒呈球形,由于粒径较小.颗粒运动时所受阻力处于斯托克斯阻力区,即阻力系数为ξ=24/Re（Re为颗粒雷诺数,Re=up×dp×ρg/μg）。
物料颗粒密度为ρp,直径为dp,颗粒距旋转中心的距离为r,旋转角速度为ω。
惯性坐标系为离心坐标系,远离圆心,向外方向为正方向。
2.物料颗粒的受力分析:
（1）.离心惯性力:
方向向外,为正方向,除了要考虑颗粒质量,还要考虑与离心惯性力相反方向上的空气浮力。
一般离心力计算式为:
FL=m×ut2/r=m×ω2×r
上式中:
FL----离心力,m----颗粒质量,ut----颗粒沿圆周的切向速度,
ut=ω×r,r----圆周运动的曲率半径
在所假设条件下,离心惯性力可表达为:
FL=π×dp3（ρp-ρg）×r×ω2/6
（2）.空气阻力:
方向向内,为负方向,一般阻力计算式:
FZ=ξ×Ap×（ρg×up2/2）
上式中:
Ap是阻力作用面积,对于球形:
Ap=πdp2/4
在所假设条件下,空气阻力可表达为:
FZ=－【24×μg/（up×dp×ρg）】×（πdp2/4）×（ρg×up2/2）
dr
=－3π×μg×dp×up=－3π×μg×dP×（-----）
dt
（三）、颗粒在旋转闪蒸干燥筒内的动力学方程:
1.一般颗粒的动力学方程:
d2r
∑F=m×a=m×（-------）
dt2
2.在所假设条件下,颗粒动力学方程:
drd2r
π×dp3（ρp-ρg）×r×ω2/6－3π×μg×dP×（---）=（π×ρp×dP3/6）×（----）
dtdt2
两边同除以π×dp3×ρp/6,可得到:
（1－ρg/ρp）×r×ω2－【18×μg/（dp2×ρp）】×（dr/dt）=d2r/dt2
令:
a=18×μg/（dp2×ρp）b=（1－ρg/ρp）×ω2
再由于物料颗粒作旋转向上运动,可假设在径向加速度为0,即d2r/dt2=0,
则方程式可转换为:
dr
a×-----－br=0
dt
用积分方法解此方程方程:
（1/r）dr=（b/a）dt解此方程,可得:
ln（r2/r1）=（b/a）×t即:
ln（r2/r1）=【dp2×（ρp－ρg）×ω2/18μg】×t
或t=18μg×ln（r2/r1）/【dp2×（ρp－ρg）×ω2】
上式中:
r1----颗粒初始旋转半径,（m）;
r2----分级器半径,（m）;
t----颗粒沿径向从r1到r2所需时间,（s）。
3.动力方程求解结果的应用:
如果干燥筒的半径为R（m）,干燥筒从底部到分级器的高度为H（m）,热风平均体积流量为V（m3/s）,则热风通过此段距离的停留时间t1为:
t1=H/u0,而u0=V/πR2∴t1=π×R2×H/V
因为在干燥筒上部分级器附近,颗粒的运动半径小于分级器半径r2时,颗粒才能被气体带出,因此联立以上两式,并令t=t1,解得:
18μgr2V
dp=【---------------------×ln------×---------】1/2
H×ω2×（ρp－ρg）r1π×R2
从上式可以看出:
采用旋转闪蒸干燥时,产品颗粒的粒度（dp）的大小与物料及热风性能参数μg,ρg和ρp有关,还与干燥筒的结构尺寸H,R和分级器的内半经r2有关,与操作条件ω,气量V和物料在设备内堆积量有关。
因此在一定程度上可用上式来估算物料的粒度dp。
例如:
热风平均温度为tg=200℃,密度为ρg=0.746kg/m3,粘度为μg=2.6×10-5Pa·s,H酸密度为ρg=1500Kg/m3,干燥筒半径为R=0.4m,干燥筒高度为H=2m,分级器半径为r2=0.25m,当风量控制在6500m3/h,搅拌器转速为240～250r/min,加料速率控制锥形体内流态化的物料旋转内半径为r1=0.2m时,计算所得的粒径为dp=13μm,颗粒停留时间t=0.66s。
四、旋转闪蒸干燥器各部分的压力损失计算:
旋转闪蒸干燥器和其他气流干燥器的压力损失一样,包括摩擦阻力损失,位头损失,颗粒加入和加速所引起的压力损失,以及局部损失。
经实验和理论分析得到热风分配器和干燥筒压力损失的计算式,其他压力损失可参照有关计算式计算。
（一）、热风分配器的压力损失计算:
1.蜗壳进风压力损失计算:
ΔP1=ξ1×ρg×ug12/2
上式中:
ξ1-----阻力系数,并有:
ξ1=6.89×104×Re-0.78;Re为表观雷
诺数,并有:
Re=D×ρg×ug/μg=4Vg×ρg/（π×D×μg）,D
是干燥筒直径,也是蜗壳的基圆,（m）;Vg是热风平均体积流量,（m3/s）;
ug1----涡壳进口热风速度,m/s。
2.热风分配器环缝压力损失计算:
ΔP2=ξ2×ρg×ug22/2
上式中:
ξ2----阻力系数,可取ξ2=7.5～8.5;
ug2----热风通过环缝的速度,一般为25～35m/s
（二）干燥筒内压力损失计算:
ΔP3=0.72×（H/D）0.474×（ρg×ug31.7/2）
上式中:
ug3----在干燥筒内旋转热风的速度,一般ug3≤ug2
五、旋转闪蒸干燥器的设计:
在设计旋转闪蒸干燥器之前,已根据用户给出的参数进行了物料衡算,热量衡算和热风质量流量计算,热风的质量流量为Gg（kg/h）。
（一）、干燥筒轴向热风速度的确定:
一般设定干燥筒的热风轴向速度设定为ug0=2～5m/s,或比产品最大颗粒的悬浮速度大3m/s。
密度大或粘度大的物料,ug0取大值。
（二）、干燥筒直径的计算:
已知热风的质量流量Gg（kg/h）,干燥筒内热风的平均温度tg,查空气热物性表,可得到干燥筒内热风的平均密度ρg（kg/m3）,并可计算热风平均体积流量:
Vg=Gg/ρg（m3/h）。
干燥筒直径计算式:
D=【4Vg/（3600×π×ug0）】0.5
（三）、干燥筒高度的计算:
由于目前旋转闪蒸干燥器干燥筒内的传热系数还没有精确计算方法,所以干燥筒的高度由经验给出计算原则。
1.干燥筒的高度是干燥筒直径的2.5～4倍,即H=（2.5～4）D。
产品含水率低,需要干燥时间长一些,高度取大一些。
2.在现有的工业生产中,一般干燥筒的高度为H=2.5～8.5m
（四）干燥筒底部环隙高度计算:
已确定环隙进风速度为ug2（m/s）,已知热风进风温度为tg1,并查到相应的空气密度ρg1（kg/m3）,可计算得到通过环隙的热风体积流量为:
Vg1=Gg/ρg1（m3/h）。
环隙高度h=Vg1/（3600×π×D×ug2）,（m）
（五）、收料配套设备:
干燥筒后面配套的旋风分离器,布袋除尘器和湿式除尘器与气流干燥器相同。
六、旋转闪蒸干燥器设计实例:
（一）、设计条件:
项目名称:
洛阳氢氧化铝滤并干燥
1.原料参数:
原料含水率：
ω1=50%；产品含水率：
ω2=0.5%；产量：
W产=333kg/h,
95%的产品粒径在2μm以下（dp=2×10-6m）,氢氧化铝的相对密度为2.42,即ρp=2420kg/m3,原料温度：
θ1=14℃，产品温度：
θ2=90℃，产品绝干比热：
CS=0.40kcal/kg•℃。
2.环境参数:
洛阳的年平均温度:
t0=14℃，年平均相对湿度:
φ0=63%,查空气焓湿图可知空气含湿量为:
d0=0.007kg水/kg干空气
3.热源为导热油炉作为第一级加热，热风预热温度为200℃，热风炉为第二级加热，热风最终温度为:
t1=400℃,假设排风温度为:
t2=100℃
（二）、物料衡算：
1、脱水量：
W水=333×（0.50-0.005）/（1-0.50）=330kg水/h
2、原料供应量：
W原=333+330=663kg/h。
（三）、热量衡算和热风质量流量计算：
1.蒸发水分所需的热量:
Q1=W水×（595＋0.45×t2-1×θ1）
∴Q1=330×（595＋0.45×100-1×14）=20.7×104kcal/h
2.产品升温所需的热量:
Q2=W产×【Cs×（1-ω2）＋1×ω2】×（θ2-θ1）
∴Q2=333×【0.4×（1-0.005）＋1×0.005】×（90-14）
=1.02×104kcal/h
3.干燥设备外围护热损失:
Q3=0.13×（Q1＋Q2）
∴Q3=0.13×（20.7＋1.02）×104=2.8×104kcal/h
验算热损失的合理性:
q3=2.8×104/330=84.8kcal/kg脱水量
q3＜100kcal/kg脱水量,可认为合理。
4.计算三个不同状态下的热焓:
环境空气热焓:
i0=（0.24＋0.45×0.007）×14＋595×0.007=7.57kcal/kg干空气
热风热焓:
i1=（0.24＋0.45×0.007）×400＋595×0.007=101.43kcal/kg干空气
排风温度和进风含湿量下的热焓:
i2′=（0.24＋0.45×0.007）×100＋595×0.007=28.481kcal/kg干空气
5.干燥所需的热风质量流量（不考虑漏风损失）:
L=（Q1＋Q2＋Q3）/（i1-i2′）
∴L=（20.7＋1.02＋2.8）×104/（101.43-28.48）
∴L=24.52×104/72.95=3361kg干空气/h
6.干燥所需的热量:
Q=L×（i1-i0）
∴L=3361×（101.43-7.57）=31.5×104kcal/h
7.验算所设排风温度的合理性:
排风含湿量:
d2=d1＋W水/L=0.007＋330/3361=0.105kg水/kg干空气,查空气
焓湿图可知相应的湿球温度为t湿=56℃,则t2-t湿=44℃＞20℃,所以原假设
的排风温度合理。
（四）、悬浮速度计算：
1、干燥塔内热风平均温度为:
tp=（400＋100）/2=250℃
热风平均密度：
ρg=0.674kg/m3,热风平均动力粘度：
μg=27.4×10-6Pa•s
产品的密度为：
ρp=2420kg/m3,产品粒径为:
dp=2×10-6m
2、经计算产品颗粒处于斯托克斯区，悬浮速度为：
Ut=1.92×10-4m/s。
（五）、干燥筒的计算：
1.干燥筒直径计算:
由于颗粒的悬浮速度太小,干燥筒的轴向空塔速度可取为:
ug0=1.5m/s，体积流量为：
Vg0=3361/0.674=4987m3/h=1.39m3/s,则干燥筒直径为:
D=【Vg0/（0.7854×ug0）】0.5=【1.39/（0.7854×1.5）】0.5=1.09m,经圆整,可取:
D=1.1m
2.干燥筒高度计算:
由于产品的含水率为0.5%,属于很低的含水率,因此干燥筒的高度要较高一些,取:
H=4.5D=4.5×1.1=4.95m
3.环缝高度计算:
由于氢氧化铝滤并有较大的粘性,通过环缝的速度应取高一些,可取:
ug2=30m/s,在tg1=400℃时的热风密度为:
ρg1=0.524kg/m3,则通过环缝的热风体积流量为:
Vg1=3361/0.524=6414m3/h=1.78m3/s,则环缝高度为:
h=Vg1/（π×D×ug2）=1.78/（3.1416×1.1×30）=0.017m
（六）、受料配套设备:
1.旋风分离器:
由于氢氧化铝产品没有吸湿性,可采用分离效率较高的扩散式旋风分离器。
2.布袋除尘器:
由于产品粒径很小（达到纳米级）,需要采用离线清灰的脉冲袋式除尘器。
两个袋式除尘器,一个除尘工作,另一个清灰,沉降,排料,交替进行。
七、使用旋转闪蒸干燥器的生产实例:
下表列出已在生产中应用的旋转闪蒸干燥器的实例,供设计时参考。
物料进出口含水率（%）
进出口空气温度（℃
干燥筒直径（mm）
干燥管材质
产品粒径
（μm）
产量
（kg/h）
加热方式
引风风量
（m3/h）
活性艳红
S-3B
40～4.5
150～100
500
不锈钢
颗粒状
62
蒸汽
2000
H酸
41.5～5
270～125
800
不锈钢
＜16
651
热风炉
7000
酸性媒介黑
65～4.5
150～100
1400
不锈钢
＜75
410
蒸汽
16200
杀虫单
15～1
130～85
500
不锈钢
＜200
140～160
蒸汽
2000
糠醛渣
55～6
190～95
600
碳钢
150
306
锅炉废气
6280
锂锰电池电极粉
60～6
110～70
200
不锈钢
200
60
电热器
1500
冻黄
35～5
156～76
800
不锈钢
200
70
蒸汽
6500
DSD酸
55～1
150～110
800
不锈钢
200
55
蒸汽
4500
DSD酸
55～1
230～90
1250
不锈钢
200
200
蒸汽
9000
含有分散剂的超细碳酸钙
30～0.3
240～80
1600
不锈钢
2
600
热风炉
8000
白碳黑
82～6
240～100
800
不锈钢
45
70
热风炉
6000
八、旋转闪蒸干燥器存在的问题和改型:
（一）、旋转闪蒸干燥器存在的问题:
1.由于热风和物料是贴着干燥筒内壁旋转向上运动,旋转气层中有着非常高的体积传热系数。
但是干燥活性区较薄,在干燥筒中间容积传热系数就小得多。
对于直径不大的干燥筒（D≤600mm）来说,整体的容积传热系数还是比较大,非干燥活性区也较小;但对于直径较大干燥筒来说,非活性干燥区占的比重就较大,影响了整体干燥效果。
在设计时不能以小型旋转闪蒸干燥器的传热效果来设计,要把干燥筒的高度适当加高。
2.对于较大直径的干燥筒,就搅拌轴伸入倒锥体的结构形式来说,搅拌叶片离轴承支撑点距离太远,又是悬臂梁结构,搅拌轴容易变形,造成搅拌叶片碰撞筒体的现象。
3.对于高温的旋转闪蒸干燥器,搅拌轴的轴承座的冷却是一个问题。
（二）、改型1-----气流式旋转闪蒸干燥器（见图3）:
1.气流式旋转闪蒸干燥器是气流干燥器和旋转闪蒸干燥器两者复合而成的干燥器。
该干燥器既克服了多年尚未解决的气流干燥器干燥管过长的问题,同时也解决了旋转闪蒸干燥器直径较大时,干燥筒中心区域的强化问题。
2.主要改进点:
取消原型旋转闪蒸干燥器的搅拌装置,在该位置上通入一股热风气流。
将热风分成两路进入干燥器:
一路热风气流和原型一样,从干燥器底侧面蜗壳切向进入,另一路热风气流从干燥筒底部中心气管进入,形成一个中心强化的气流干燥区,消除了原型的“中心干燥死区”。
3.主要优点:
在同样条件下,提高了产量。
4.应用范围和局限性:
凡应用于气流干燥器的所有物料均可用气流式旋转闪蒸干燥器,该干燥器使干燥过程得到了强化,特别对粒径不同的粉体,可以获得最适宜的干燥工况,即粒径小的停留时间短,粒径大的停留时间长。
因没有搅拌粉碎装置,该设备不适用于粘稠膏状物料。
该气流旋转闪蒸干燥技术适用于较大直径的旋转闪蒸干燥设备的改造,但不适用于小直径旋转闪蒸干燥设备的改造。
（三）、改型2----冲击式旋转闪蒸干燥器（见图4）:
1.冲击式旋转闪蒸干燥器是冲击干燥器和旋转闪蒸干燥器两者复合而成。
它具有湿物料在高速低压下热风中的水分闪蒸过程;也有湿物料在旋转气流中的气流干燥过程;尤其是冲击区物料的湍动
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