直管式气流干燥器的设计分析(DOC 24页)

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1、直管气流干燥器设计Hefei University化工原理课程设计直管气流干燥器设计题 目：直管气流干燥器干燥聚氯乙烯树脂系 别：化学材料与工程系班 级：10化工（1）班姓 名：陈国庆学 号：1003021037队 员：韩朝飞、陈国庆、韩朝飞教 师：高大明日 期：2013 -01-17目 录 0 前 言31 任务书511 设计题目：直管气流干燥器干燥聚氯乙稀树脂512 原始数据5121 湿物料5122 干燥介质6123 水汽的性质62 流程示意图63 流程与方案的选择说明与论证73. 1 干燥介质加热器的选择73. 2 干燥器的选择83. 3 干燥介质输送设备的选择及配置93. 4 加料器的选

2、择93. 5 细粉回收设备的选择94 干燥器主要部件和尺寸的计算94. 1 基本计算94. 1. 1 湿物料94. 1. 2 湿空气104. 1. 3 干燥管直径D的计算114. 2 干燥管长度和干燥时间的计算124. 2. 1 加速段干燥管长度和所需干燥时间的计算124. 2. 2 匀速区的计算185 附属设备的选型195. 1 加料器的选择195. 2 加热器的选择195. 3 旋风分离器的选择205. 4 鼓风机的选择205. 5 抽风机的选择206 主要符号和单位217 参考文献228 设计评价238. 1 气流干燥器的评价238. 2 设计内容的评价238. 3 课程设计的认识和体会

3、241、概论干燥通常是指利用热能使物料中的湿分汽化，并将产生的蒸汽排出的过程，其本质为除去固相湿分，固相为被干燥的物料,气相为干燥介质。干燥是最古老的单元操作之一，广泛地运用于各行各业中，几乎涉及国民经济的每个部门。同时干燥过程亦十分复杂，因为它同时涉及到热量、质量和动量传递过程，用数学描述常存有困难和无效性。在干燥技术的许多方面还存在“知其然而不知其所以然”，的状况。对这一过程研究尚不成熟，正如A.S.Mujumdar在他的著作前言中所说的那样:干燥是科学、技术和艺术的一种混合物，至少在可以预见的将来，干燥大概仍然如此。 干燥技术的运用具有悠久的历史，闻名于世的造纸术就显示出了干燥技术的应用

4、。在现代的工业生产中，尤其是在化工生产过程中，干燥是最常见和耗能最大的单元操作之一。但是在过去相当长时间里，人们对于这项技术一直没有给予足够的重视，干燥技术发展相当缓慢。 经过近30年的发展,一些新的干燥技术已展露头脚,其中有些已付诸工业应用,有些还处于不同的研究和开发阶段，但己显示出巨大的应用潜力。预计在今后相当长的时间内，该过程仍为化学、食品、医药、农业工程专业的研究热点之一，更新的干燥技术还会不断涌现，并不断付诸应用直管气流干燥器适用于干燥非结合水分及结团不严重，不怕磨损的散粒物料，在干燥结合水分时的热效率仅在20%左右。由实验得知，加料口以上1m左右的干燥管内，从气体传给物料的传热量约

5、占整个干燥管的1/2-3/4，其原因是由于干燥器底部气固间传热温差较大，物料入口处气固两相的相对速度较大，传热传质系数也大。当湿物料进入干燥管底部瞬间，其上升速度Um为零，气流速度为，气流和颗粒的相对速度Ur=Ug-Um最大，当物料被气流吹动不断加速，气固两相的相对速度就不断降低，直到气体与颗粒间的相对速度Ut等于颗粒在气流中的沉降速度Uo时，即Ut=Uo=(Ug-Um)，颗粒将不再被加速而维持恒速上升。由此可知，颗粒在干燥器中的运动情况可分为加速运动段和恒速运动段，通常加速运动段在加料口以上1-3m内完成。传热系数在干燥管底部最大，随着干燥管高度的增加，传热系数迅速减小，为了提高气流干燥器的

6、干燥效率和降低其高度，发挥干燥管底部加速段的作用，人们采取了多种措施，研制了各种新型气流干燥设备。本次课程设计采用直管气流干燥器干燥空气稀释重油燃烧气（其性质与空气相同）。通过湿物料和干燥介质的性质以确定干燥器直管长度和管径，以及干燥时间。同时选定一些其它附属设备。本课程是化工原理课程教学的一个实践环节，是使其得到化工设计的初步训练，掌握化工设计的基本程序和方法。为毕业设计和以后的工作了坚实的奠定基础。 1. 任务书11 设计题目：直管气流干燥器干燥设计12 原始数据121 湿物料原料量（）：=5000kg/h物料形态：散粒状、圆球形；颗粒直径：dp =200um dmax =500um绝干物

7、料密度：绝干物料比热：；初始湿度H1=0.025kg/kg绝干料物料含水量（以干基计）：=25干物料（产品）含水量：=0.5干燥介质：空气稀释重油燃烧气（其性质与空气相同）临界湿含量： 平衡湿含量：X*=0操作温度： 操作压力（Kpa）：101.325加热蒸汽压力：4atm（表压） 122 干燥介质干燥介质：湿空气相对湿度进入预热器温度 离开预热器温度400123 水汽的性质干燥介质的比热容: cv=1.884 kJ/(kg)干燥介质的比热容: cw=4.187 kJ/(kg)0时干燥介质的汽化热: ro=2491.27 kJ/kg2. 流程示意图流程图中各部件说明：1 鼓风机；2预热器；3气

8、流干燥管；4加料斗；5螺旋加料器；6旋风分离器；7卸料阀；8引风机。 3. 流程与方案的选择说明与论证3.1 干燥介质加热器的选择干燥介质为物料升温和湿分提供热量，并带走蒸发的湿分。干燥介质通常有空气、过热蒸汽、惰性气体等。以空气做为干燥介质是目前应用最普遍的方法。湿空气是干空气和水蒸气的混合物，这里的干空气主要是由N2、H2、O2、H2O、CO2、CO等和微量的稀有气体组成，各组成气体之间不发生化学反应，通常情况下，这些气体都远离液态，可以看作理想气体；另一方面，在一般情况下，自然界的湿空气中水蒸气的含量很少，水蒸气的分压力很低(0.003MPa0.004MPa)，而其相应的饱和温度低于当时

9、的空气温度，所以湿空气中的水蒸气一般都处于过热状态，也很接近理想空气的性质。所以我们选择是空气作为干燥介质。3.2 干燥器的选择气流干燥器适用于干燥非结合水分及结团不严重，不怕磨损的散粒物料，在干燥结合水分时的热效率在20%左右。由实验得知，加料口以上1m左右的干燥管内，从气体传给物料的传热量约占整个干燥管的1/2-3/4，其原因是由于干燥器底部气固间传热温差较大，物料入口处气固两相的相对速度较大，传热传质系数也大。当湿物料进入干燥管底部瞬间，其上升速度Um为零，气流速度为Ug，气流和颗粒的相对速度Ur=Ug-Um最大，当物料被气流吹动不断加速，气固两相的相对速度就不断降低，直到气体与颗粒间的

10、相对速度Ut等于颗粒在气流中的沉降速度Uo时，即Ut=Uo=(Ug-Um)，颗粒将不再被加速而维持恒速上升。由此可知，颗粒在干燥器中的运动情况可分为加速运动段和恒速运动段，通常加速运动段在加料口以上1-3m内完成。传热系数在干燥管底部最大，随着干燥管高度的增加，传热系数迅速减小。恒速干燥期间的物料温度几乎与热空气的湿球温度相同，所以使用高温热空气也可以干燥热敏性物料。这种干燥方法干燥速率高，设备投资少。湿料由加料器加入直立管，空气经鼓风机鼓入翅片加热器，加热到一定温度后吹入直立管，在管内的速度决定于湿颗粒的大小和密度，一般大于颗粒的沉降速度（约为1020米/秒）。已干燥的颗粒被强烈气流带出，送

11、到两个并联的旋风分离器分离出来，经螺旋输送器送出，尾气则经袋式过滤器放空。由于停留时间短，对某些产品往往须采用二级或多级串联流程。3.3 干燥介质输送设备的选择及配置 为了克服整个干燥系统的流体阻力以输送干燥介质，必须选择适当形式的风机，并确定其配置方式。风机的选择主要取决于系统的流体阻力、干燥介质的流量、干燥介质的温度等。前送后引式，两台风机风机分别安装在干燥介质加热器前面和系统的后面，一台送风，一台引风。调节系统前后的压力，可使干燥室处于略微负压下操作，整个系统与外压差较小，即使有不严密的地方，也不至于产生大量漏气现象。3.4 加料器的选择气体干燥装置采用的加料器必须保证向连续均匀地加料。

12、加料器的型式应随物料的性质及操作要求的不同而定，最常用的有螺旋加料器、星形加料器等。螺旋加料器宜于输送粉状、颗粒及小块物料，密封性能好，操作安全方便，结构简单执照费用低，此时我们所干燥的物料正好为颗粒状，所以此时选择螺旋加料器。3.5 细粉回收设备的选择由于从干燥器出来的废气夹带细粉，细粉的收集将影响产品的收率和劳动环境等，所以，在干燥后都应设置气固分离设备。最常用的气固分离设备是旋风分离器，对于颗粒粒径大于5微米有较高的分离效率。旋风分离器可以单台使用，也可以多台串联或并联使用。4 干燥器主要部件和尺寸的计算41 基本计算411湿物料= =0.0526GC=G1(10.33)=5000*0.

13、67=3350 kg绝干物料/h4. 1. 2湿空气（1）湿空气的初始温度为时H1=H0= =2.149kPa=0.0135CH0=1.005+1.884H0= 1.005+1.114*0.0135=1.026 kJ/(kg)（2）湿空气在干燥器进口处t1=400时VH1=(0.002835+0.004557H1)(t1+273)=(0.002835+0.0045578*0.025)(400+273)=1.985m3/kg绝干气体=0.5106kg/m3（3）湿空气干燥器出口处=1.26+4.187*0.005=1.281(a) 试差法求干燥器出口处干燥产品的温度2由于产品的湿含量高于临界湿含

14、量,则产品温度（即物料终温）2取湿球温度tw2即2tw2，带入以下公式： 用EXCEL表格视差计算tw假设tw=41, pw=7.8077 rw=2396.97 计算值tw=50.22假设tw=42, pw=8.2298 rw=2394.67 计算值tw=43.1716假设tw=42.1, pw=8.2731 rw=2394.44 计算值tw=42.446假设tw=42.14, pw=8.2905 rw=2394.348 计算值tw=42.155假设tw=42.14182, pw=8.29125 rw=2394.3438 计算值tw=42.1418进一步细化后当假设tw=42.1418, pw

15、=8.29125 rw=2394.34 计算值tw=42.1418所以得到2tw2=42.1418（b）试差法求干燥器出口湿空气温度t2假设t2=70带入以下公式： 经计算得 Gg=4805.9855 kg绝干气/hH2=0.03767 kg/kg绝干气Qg=320511.1755 kJ/h又由得 p2=5.784kpa所以=35.375所以假设满足，则t2=7041. 3 干燥管直径D的计算取进口气速：ug=25m/s=0.486m当D=0.285m时，带入上式中求得ug=42.95m/s42 干燥管长度和干燥时间的计算421 加速段干燥管长度和所需干燥时间的计算(1) 加速区的相关计算(a

16、) 的计算（整个加速段取平均值）因为加速区气体放出热量为总热量的80，得Qg=Qg80=320511.1755*0.8=256408.94 kJ/h由式计算出加速度区结束时气体温度t2=88查表的ug=2.13210-5pa.s根据 且 Qg=302652.2 kJ/h 计算出加速区结束时X2=0.1087 H2=0.0377 tm=0.5*(88+140)=114 =158.15 =(0.002835+0.004557*0.0377)(88+273)=1.0855得 =0.956， =同理有根据 =(b) 终端速度u t的计算（按加速区气体放出热量为总热量的80%计算）查表知t1= 400时

17、 ug1=2.3710-5 pa.s t2= 88时 ug2=2.13210-5 pa.sVH2=（0.002835+0.004557H2）（t2+273）=1.0855g =0.956=得u t=()1/1.4=0.5757(c) 确定加速区的的关联式，求出n和由 Re0=dpu/ Nu0=0.76Re00.65 Ret=dpu/ Nut=2+0.54Ret0.5求得Re0=0.000145250.8474/0.000023=134.557； Ret =0.0001450.57570.956/0.00002132=3.7432； Nu0=18.3909； Nut=3.052n=ln(Nu0/

18、Nut)/ln(Re0/Ret)=0.5033An=Nu0/Re0n=1.5990.3089AnGcdpn-0.4=0.0365(d) umo=(分段开始时粒子速度)的计算Aa=140.148S-1 Um0=0.0.46716m/s(2)加速区第一段预热段的有关计算=2.244 400 由式：有 =400-=393.1619 =365.31 =（）/2=136.581=（）/4=83.8259 =9366.1512 =1.1863 0.8447kg/m3 Hm=H1=0.0135=2.3625 =本段平均气速：=24.9833 =24.9833-0.2114=24.7719假设=19.055m

19、/s则 =1.3746 Ji-1=21.326=与假设不符合用EXCEL视差求解(下同):假设uri=17.8731; 有Bu=1.3701; uri=17.8627 与假设不符合假设uri=17.8623 ; 有Bu=1.3701; uri=17.8626 与假不设符合当uri=17.8626； 有Bu=1.3701； uri=17.8626 uri=17.8626时，满足当时，所以分段合理。计算和由Ji=-9.81=21.326 Ji-1=9.81=1897.7041Jm=m=（Ji-1-Ji）/（-）=101.4111 b=Jmm(ur1+ ur2)/2=-612.2326得 =0.00

20、453 =0.01783附加计算：=7.121， =0.3868， (3)加速区第二段的有关计算预分段设，则：=0.4444 且由 =0.4444/0.3868*0.833 计算得8968.2131J/s根据 得=126.6425则 =0.0035 Kg/s=0.0135+ =0.01482=0.5*（133.1619+126.6425）=129.9022，在此温度下 ug=(-210-6tm+510-3tm+1.7169)=2.332610-5pa.s=1.1694 m3/kg绝干气体=0.8678kg/m3 =24.428 m/s =24.428-7.121=17.3076 m/s=87.

21、7201 g=-210-8ts2+810-5ts+0.0244=3.11310-2w/(m)=3959.377 Aq=A1Atm=12689.9 假设=17.3076/1.3=13.3135m/s则=1.3246 9.81=1144.85=118736 m/s 与假设不符合假设uri=118653; 有Bu=1.3168; uri=11.8474 与假设不符合假设uri=118474 ; 有Bu=1.3168; uri=11.8471 与假设不符合假设uri=118471; 有Bu=1.3168; uri=11.8471 与假设符合uri=11.8471时，满足当时，所以分段合理。计算和由 J

22、i=-9.81=669.3636 Ji-1=9.81=1144.85 Jm=-9.81=910.9513m=（Ji-1-Ji）/（-）=87.0785b=Jmm(ur1+ ur2)/2=-358.422得 =0.006136 =0.061932附加计算：=12.5812 m/s =0.4609=0.8035(3) 加速区第三段第九段的有关计算结果见表格所示 HiVHmCHig10-2第一段9366.1511133.16190.01351.1961.0346930.84743.097第二段8968.213126.00320.016131.1840231.0383430.8668843.113第三

23、段6197.10026121.00960.01769821.156371.0419330.8794023.0964第四段7497.0449116.2280.01960361.1437311.045110.8906383.0756第五段6612.895958112.1496800.02128961.1337571.0482830.9000583.0583第六段6587.856844108.0991510.02297421.1247981.0513090.9087253.0427第七段6262.190884104.2605150.02458031.116061.054880.9173143.027

24、5第八段7365.68657399.75844580.02647571.1067771.0615730.9265893.0115第九段13718.354791.45930.03221.109241.06150.9412242.9868g10-5AAqtmgmri-1ri第一段2.36253872.714834.99104.843324.983324.711917.8626第二段2.33263959.37712689.987.720124.1685517.307611.8471第三段2.36054022.454810815.3880.5744523.751813.324410.3707第四段2.

25、28214095.6710778.7679.755523.509210.12816.8923第五段2.26174172.81710239.275.326722.27546.65853.6890第六段2.24324255.74459685.10770.873222.06214.47573.0891第七段2.22524334.46389115.59566.357121.85722.84432.0312第八段2.20614412.35948652.89262.634921.48821.73031.2990第九段2.17664496.0447998.08657.385220.43900.87680.8

26、21m-bUmiriCi第一段101.4111612.23264.531.7837.1210.38680.8333第二段87.0785358.4226.1366.1932 12.58120.46090.8035第三段73.593249.7825.6519.229118.00390.338920.922532第四段62.8152150.0678.40716.567421.112370.4545250.902072第五段53.575886.06839.27120.569323.104770.4229240.947975第六段45.490248.518311.37727.132924.508570.

27、4438380.94927第七段38.1930926.344312.38130.884725.389460.3992721.056667第八段31.6021313.598212.84332.904825.952750.3347671.402857第九段24.742455.8025814.48638.376726.115840.31021.533第九段结束时，=1.0789mi=gm-ri=26.1158m/s，=26.6892m/s=0.5734m/s，令 则k=1.00131 且k1，则表示加速段结束。加速区总时间=0.0704 加速区总管长=1.45634.2.2 匀速区的计算=0.033

28、8=1.1018=.09382 =83.229 ug=(-210-6tm+510-3tm+1.7169)=2.119110-5pa.s =27.003由， 得=23.326KJ/s =39.149 =26.427=63.367 在此温度下得 g=-210-8ts2+810-5ts+0.0244=2.938910-2w/(m)由Ret=dpu/ ， Nut=2+0.54Ret0.5 得Re=3.6960, Nu=3.0381=gNut/dp=615.783 a=3.0962=/a()=4.893 =/Um=0.18515计算得到：干燥管的总时间=0.2256干燥管的总长度=6.3494m由于k=

29、1.0013 1 由于继续分段后Ji,Ji-1表明提前进入匀速区,所以设计时干燥管总管长：=6.34941.2=7.619m5 附属设备的选型5.1 加料器的选择聚氯乙烯树脂为粉末状物料，用螺旋输送器宜于输送粉末、粒状及小颗粒物料，密封性能好，操作安全方便、结构简单、制造费用低，考虑适用性和经济性选择螺旋加料器。52加热器的选择根据加热蒸汽的蒸汽压P=4101.325= 405.3 Kpa，查表知加热器中蒸汽的温度t=145（1） 加热器型号的选择所需的通风截面积S=G/Vp=4805.9855 (1+0.0135)/（36008）=0.1691m2选择型号为查表得 S=0.15 m2 A=2

30、3.6 m2 代入Vp=G/S=4805.9855/0.1691/3600=7.8934传热系数 K=15.1Vp0.43=36.7114=32.3614加热面积：A=Q/K=19.1266 加热器个数：N=A/ A=4.072=5空气阻力：P1=3.03(Vp)1.62=86.1021Pa5.3 旋风分离器的选择=（0.002835+0.004557*0.03767）（70+273）=0.9724t2=70时 =1.0671气体处理量：V= G g (1+H2)/=4673.3643 m2/h选择型号：CLP/A6.5 查表可知风速为u=18 m/s , V=4700 m3/h P=1913

31、 Pa P2=（PV2 ）/ V2=1411.81Pa5.4 鼓风机的选择t=28时 =0.8474 V= G g(1+H0)/=5747.9587m3/hP总=（P1+P2+1000）（1+20%）=1797.4953pa所以选型号为选择479型离心通风机：机号转速（r/min）全风压风量出风口方向型号功率（Kw）42900205057600225Y132S1-25.555抽风机的选择t2=70 气体处理量V=G g(1+H2)/=4673.3643m3/h 选择919型高压离心机：机号转速（r/min）全风压风量型号功率（Kw）7.12900117174610Y200L2-2376 主要符

32、号和单位英文字母：a单位体积物料提供的传热（干燥）面积，m2/m3c比热容，KJ/（kg. ）dp颗粒直径，D干燥器直径，mH空气的湿度，kg/kg绝干气L绝干空气流量，kg/h或kg/sP水汽分压，kPaP空气总压，kPaQ传热速率，wr汽化热，KJ/kgt温度，Ug气体的速度，m/sV湿空气的比容，m3/kg绝干气物料的湿基含量热量，KJ/s或J/s或kwW水分蒸发量，kg/s或kg/hX物料的干基含水量，kg水/kg绝干气希腊字母：对流传热系数，W/（m2. ）固体物料温度，导热系数，W/（m2. ）密度，kg/m3干燥时间或物料在干燥器内停留时间，S相对湿度百分数下标：0进预热器的、新

33、鲜的或沉降的；1进干燥器的或离预热器的；2离开干燥器的；c临界的；d露点的；g气体的，或绝干气的；m湿物料的或平均的；7 参考文献1. 化学工程手册 . 上卷 ，时钧等， 化学工业出版社，TQ02-62/1=2/:1， 19962. 化学工程手册 . 下卷，时钧等， 化学工业出版社，TQ02-62/1=2/:219963. 干燥设备，金国淼，化学工业出版社，TQ051.8/2，20024. 干燥设备设计， 金国淼，上海科学技术出版社，TQ05/4:3，19885. 现代干燥技术， 潘永康，化学工业出版社，TQ028/18，19986. 化工生产流程图解(上册)(增订二版)，化学工业出版社组织编

34、写，化学工业出版社，TQ06/1=2:1，19847. 化工生产流程图解(下册)(增订二版)，化学工业出版社组织编写，化学工业出版社，TQ06/1=2:2，19858. 叶世超. 气流干燥器管长设计的简便方法. 化工机械，1993：82-869. 马克承，陈明凤. 气流干燥器加速区的工作方程式有关微分方程式的分段积分法.成都科技大学学报，1990（4）：81-9010. 叶世超. 气流干燥器加速区后期分段设计方法. 成都科技大学学报，1992（3）：95-9911. 叶世超. 气流干燥器设计中的加速区分段公式. 成都科技大学学报，1992（2）：15-2012. 重庆工学院生物工程学院. 化工

35、原理课程设计13. 匡国柱，史启才. 化工单元过程及设备课程设计14. 叶世超，夏素兰，易美桂等. 化工原理（下册），科学出版社，20028 设计评价8.1 气流干燥器的评价气体干燥器的主体是气流干燥管，湿物料由管的底部加入，高速的热气体也由底部进入，物料受到气体的冲击，以粉末状分散于气流之中呈悬浮状态，被气流输送而向上运动，并在输送过程中进行干燥。由于气体相对于物料颗粒的高速流动，以及气固相间接触面积很大，体积传热系数相当大，比常用的转筒式干燥器大2030 倍。气流干燥适合于处理粒径小、干燥过程主要由表面气化控制的物料。对于粒径小于0.50.7mm的物料，不论初始含水量如何，一般都能将含水量

36、降为0.30.5。但由于物料在气流干燥器内的停留时间很短(一般只有几秒)，不易得到含水量更低的干燥产品。优点：生产强度高、热能利用好、干燥时间短、设备简单、操作方便。缺点流体阻力大、物料对器壁的磨损较大、细粉末收尘比较困难。8.2 设计内容的评价课程设计内容达到了基本设计要求。各种设备的选择严格参照计算结果和设备标准进行选择，符合任务书的生产需要。同时也存在这一些不足。就是在设备的经济实用性以及各种设备的的具体操作方面还尚待改进。主要就是要考虑到设备的结构与安装方式对设备阻力的影响，调节设备的进出口方向，尽量做到经济实惠。可以将抽风机选成鼓风机的结构形式，减少空气由干燥器进入抽风机的阻力损失。

37、8.3 课程设计的认识和体会 本次设计中，我们尽自己的最大努力完成了设计，收获很大，感受颇多，同时也为以后的工作打下了坚实的基础。 这次设计我做的是小型干燥器的风机选配及干燥管设计，通过收集相关资料分析，最终确定干燥机的类型为气流干燥机，围绕气流干燥设计了相应的干燥管以及对其风机进行了选配。在设计上，我没有很多创新，最要是通过查阅手册及收集相关资料进行分析，利用已有的原理及计算公式，基本完成了设计要求。 同时在设计过程中我也学到了很多东西，运用和查阅手册的能力有了进一步的提高，也锻炼了自己的耐心，遇到问题不不急不燥，努力去发现问题的关键，从而寻找解决的方法。设计中我也发现了自己平时学习中应该注意的问题，做事情得脚踏实地，一步一个脚印。在即将告别大学生活的时候，也让我意识到学习还得继续，活到老，学到老。 由于时间有限，理论知识掌握不够扎实，运用知识能力等方面的限制，设计中难免有错误、不妥之处，敬请各位老师批评指正！- 27 - 化工原理