1、直管式气流干燥器的设计直管式气流干燥器的设计 直管式气流干燥器的设计 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3 1 任务书5 11 设计题目：直管气流干燥器干燥聚氯乙稀树脂5 12 原始数据5 121 湿物料5 122 干燥介质6 123 水汽的性质6 2 流程示意图6 3 流程与方案的选择说
2、明与论证7 3. 1 干燥介质加热器的选择7 3. 2 干燥器的选择8 3. 3 干燥介质输送设备的选择及配置9 3. 4 加料器的选择9 3. 5 细粉回收设备的选择9 4 干燥器主要部件和尺寸的计算9 4. 1 基本计算9 4. 1. 1 湿物料9 4. 1. 2 湿空气10 4. 1. 3 干燥管直径D的计算11 4. 2 干燥管长度和干燥时间的计算12 4. 2. 1 加速段干燥管长度和所需干燥时间的计算12 4. 2. 2 匀速区的计算18 5 附属设备的选型19 5. 1 加料器的选择19 5. 2 加热器的选择19 5. 3 旋风分离器的选择20 5. 4 鼓风机的选择20 5.
3、 5 抽风机的选择20 6 主要符号和单位21 7 参考文献22 8 设计评价23 8. 1 气流干燥器的评价23 8. 2 设计内容的评价23 8. 3 课程设计的认识和体会24 1、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.Mu
4、jumdar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。 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
5、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
6、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
7、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
8、温度400 123 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/kg 2. 流程示意图 流程图中各部件说明： 1 鼓风机；2预热器；3气流干燥管；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、
9、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
10、-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
11、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
12、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。 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
13、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 = =0.0526 GC=G1(10.33)=5000*0.67=3350 kg绝干物料/h 4. 1. 2湿空气 （1）湿空气的初始温度为时 H1=H0 = =2.149kPa =0.0135 CH0=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
14、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=239
15、4.67 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=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/h
16、H2=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=70 41. 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/s 42 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) 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
17、=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 ug1=2.3710-5 pa.s t2= 88时 ug2=2.13210-5 pa.s VH2=（0.002835+0.004557H2）（t2+273）=1.08
18、55 g =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=3.052 n=ln(Nu0/Nut)/ln(Re0/Ret)=0.5033 An=Nu0/Re0n=1.599 0.3089AnGcdpn-0.4=0.0365 (d) umo=
19、(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/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;
20、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=1897.7041 Jm= m=（Ji-1-Ji）/（-）=101.4111 b=Jmm(ur1+ ur2)/2=-612.2326 得 =0.00453 =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
21、 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 =87.7201 g=-210-8ts2+810-5ts+0.0244=3.11310-2
22、w/(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 Ji=-9.81=669.3636 Ji-1=9.81=1144.
23、85 Jm=-9.81=910.9513 m=（Ji-1-Ji）/（-）=87.0785 b=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 Hi VHm CHi g10-2 第一段 9366.1511 133.1619 0.0135 1.196 1.034693 0.8474 3.097 第二段 8968.213 126.0032 0.01613 1.184023 1.038343 0.866884 3.113 第三段 6197
24、.10026 121.0096 0.0176982 1.15637 1.041933 0.879402 3.0964 第四段 7497.0449 116.228 0.0196036 1.143731 1.04511 0.890638 3.0756 第五段 6612.895958 112.149680 0.0212896 1.133757 1.048283 0.900058 3.0583 第六段 6587.856844 108.099151 0.0229742 1.124798 1.051309 0.908725 3.0427 第七段 6262.190884 104.260515 0.02458
25、03 1.11606 1.05488 0.917314 3.0275 第八段 7365.686573 99.7584458 0.0264757 1.106777 1.061573 0.926589 3.0115 第九段 13718.3547 91.4593 0.0322 1.10924 1.0615 0.941224 2.9868 g10-5 A Aq tm gm ri-1 ri 第一段 2.3625 3872.7 14834.99 104.8433 24.9833 24.7119 17.8626 第二段 2.3326 3959.377 12689.9 87.7201 24.16855 17.
26、3076 11.8471 第三段 2.3605 4022.4548 10815.38 80.57445 23.7518 13.3244 10.3707 第四段 2.2821 4095.67 10778.76 79.7555 23.5092 10.1281 6.8923 第五段 2.2617 4172.817 10239.2 75.3267 22.2754 6.6585 3.6890 第六段 2.2432 4255.7445 9685.107 70.8732 22.0621 4.4757 3.0891 第七段 2.2252 4334.4638 9115.595 66.3571 21.8572 2
27、.8443 2.0312 第八段 2.2061 4412.3594 8652.892 62.6349 21.4882 1.7303 1.2990 第九段 2.1766 4496.044 7998.086 57.3852 20.4390 0.8768 0.821 m -b Umi ri Ci 第一段 101.4111 612.2326 4.53 1.783 7.121 0.3868 0.8333 第二段 87.0785 358.422 6.136 6.1932 12.5812 0.4609 0.8035 第三段 73.593 249.782 5.651 9.2291 18.0039 0.3389
28、2 0.922532 第四段 62.8152 150.067 8.407 16.5674 21.11237 0.454525 0.902072 第五段 53.5758 86.0683 9.271 20.5693 23.10477 0.422924 0.947975 第六段 45.4902 48.5183 11.377 27.1329 24.50857 0.443838 0.94927 第七段 38.19309 26.3443 12.381 30.8847 25.38946 0.399272 1.056667 第八段 31.60213 13.5982 12.843 32.9048 25.9527
29、5 0.334767 1.402857 第九段 24.74245 5.80258 14.486 38.3767 26.11584 0.3102 1.533 第九段结束时， =1.0789 mi=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=1.4563 4.2.2 匀速区的计算 =0.0338 =1.1018 =.09382 =83.229 ug=(-210-6tm+510-3tm+1.7169)=2.119110-5pa.s =27.003 由， 得=23.32
30、6KJ/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=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=7.619m 5 附属设备的选型 5.1
31、 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=23.6 m2 代入Vp=G/S=4805.9855/0.1691/3600=7.8934 传热系数 K=15.1Vp0.43=36.71
32、14 =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=86.1021Pa 5.3 旋风分离器的选择 =（0.002835+0.004557*0.03767）（70+273）=0.9724 t2=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 Pa P2=（PV2 ）/ V2=1411.81Pa 5.4 鼓风机的选择 t=28时 =0.8474 V= G g(1+H0)/=5747.95
