1、合 肥 學(xué) 院HEFEI UNIVERSITY化工原理課程設(shè)計(jì)題 目:硫酸鉀流化床干燥器設(shè)計(jì) 系 別: 化學(xué)與材料工程系 專 業(yè): 化學(xué)工程與工藝 學(xué) 號: 姓 名: 蔣尚偉 指導(dǎo)教師: 張慧 第一節(jié) 概述將大量固體顆粒懸浮于運(yùn)動著的流體之中，從而使顆粒具有類似于流體的某些表觀特性，這種流固接觸狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。流化床干燥器就是將流態(tài)化技術(shù)應(yīng)用于固體顆粒干燥的一種工業(yè)設(shè)備，目前在化工、輕工、醫(yī)學(xué)、食品以及建材工業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用。一、 流態(tài)化現(xiàn)象空氣流速和床內(nèi)壓降的關(guān)系為：VelocityPressure dropFixedFluidizedADBCEUmf空氣流速和床層高度的關(guān)系為：Ve

2、locityHeight 0f bedFixedFluidizedADBCEUmf流化床的操作范圍：umf ut二、 流化床干燥器的特征優(yōu)點(diǎn)：（1）床層溫度均勻，體積傳熱系數(shù)大（23007000W /m3）。生產(chǎn)能力大，可在小裝置中處理大量的物料。（2）由于氣固相間激烈的混合和分散以及兩者間快速的給熱，使物料床層溫度均一且易于調(diào)節(jié)，為得到干燥均一的產(chǎn)品提供了良好的外部條件。（3）物料干燥速度大，在干燥器中停留時(shí)間短，所以適用于某些熱敏性物料的干燥。（4）物料在床內(nèi)的停留時(shí)間可根據(jù)工藝要求任意調(diào)節(jié)，故對難干燥或要求干燥產(chǎn)品含濕量低的過程非常適用。（5）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，可動部件少，便于制造、

3、操作和維修。（6）在同一設(shè)備內(nèi)，既可進(jìn)行連續(xù)操作，又可進(jìn)行間歇操作。缺點(diǎn)：（1）床層內(nèi)物料返混嚴(yán)重，對單級式連續(xù)干燥器，物料在設(shè)備內(nèi)停留時(shí)間不均勻，有可能使部分未干燥的物料隨著產(chǎn)品一起排出床層外。（2）一般不適用于易粘結(jié)或結(jié)塊、含濕量過高物料的干燥，因?yàn)槿菀装l(fā)生物料粘結(jié)到設(shè)備壁面上或堵床現(xiàn)象。（3）對被干燥物料的粒度有一定限制，一般要求不小于30mm、不大于6mm。（4）對產(chǎn)品外觀要求嚴(yán)格的物料不宜采用。干燥貴重和有毒的物料時(shí)，對回收裝量要求苛刻。（5）不適用于易粘結(jié)獲結(jié)塊的物料。三、流化床干燥器的形式1、單層圓筒形流化床干燥器連續(xù)操作的單層流化床干燥器可用于初步干燥大量的物料，特別適用于表面

4、水分的干燥。然而，為了獲得均勻的干燥產(chǎn)品，則需延長物料在床層內(nèi)的停留時(shí)間，與此相應(yīng)的是提高床層高度從而造成較大的壓強(qiáng)降。在內(nèi)部遷移控制干燥階段，從流化床排出的氣體溫度較高，干燥產(chǎn)品帶出的顯熱也較大，故干燥器的熱效率很低。2、多層圓筒形流化床干燥器 熱空氣與物料逆向流動，因而物料在器內(nèi)停留時(shí)間及干燥產(chǎn)品的含濕量比較均勻，最終產(chǎn)品的質(zhì)量易于控制。由于物料與熱空氣多次接觸，廢氣中水蒸氣的飽和度較高，熱利用率得到提高。此種干燥器適用于內(nèi)部水分遷移控制的物料或產(chǎn)品要求含濕量很低的場合。 多層圓筒型流化床干燥器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作不易控制，難以保證各層板上均形成穩(wěn)定的流比狀態(tài)以及使物料定量地依次送入下一定。另

5、外，氣體通過整個設(shè)備的壓強(qiáng)降較大，需用較高風(fēng)壓的風(fēng)機(jī)。3、臥式多室流化床干燥器與多層流化床干燥器相比，臥式多室流化床干燥器高度較低，結(jié)構(gòu)筒單操作方便，易于控制，流體阻力較小，對各種物料的適應(yīng)性強(qiáng)，不僅適用于各種難于干燥的粒狀物料和熱敏性物料，而且已逐步推廣到粉狀、片狀等物料的干燥，干燥產(chǎn)品含濕量均勻。因而應(yīng)用非常廣泛。四、干燥器選形時(shí)應(yīng)考慮的因素（1）物料性能及干燥持性 其中包括物料形態(tài)(片狀、纖維狀、粒狀、液態(tài)、膏狀等)、物理性質(zhì)(密度、粒度分布、粘附性）、干燥特性（熱敏性、變形、開裂等)、物料與水分的結(jié)合方式等因素。（2）對干燥產(chǎn)品質(zhì)量的要求及生產(chǎn)能力 其中包括對干燥產(chǎn)品特殊的要求(如保持

6、產(chǎn)品特有的香味及衛(wèi)生要求)；生產(chǎn)能力不同，干燥設(shè)備也不盡相同。（3）濕物料含濕量的波動情況及干燥前的脫水 應(yīng)盡量避免供給干燥器濕物料的含濕量有較大的波動，因?yàn)闈窈康牟▌硬粌H使操作難以控制面影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且還會影響熱效率，對含濕量高的物料，應(yīng)盡可能在干燥前用機(jī)械方法進(jìn)行脫水，以減小干燥器除濕的熱負(fù)荷。機(jī)械脫水的操作費(fèi)用要比干燥去水低廉的多，經(jīng)濟(jì)上力求成少投資及操作費(fèi)用。 （4）操作方便勞動條件好。（5）適應(yīng)建廠地區(qū)的外部條件(如氣象、熱源、場地)，做到因地制宜。 五、干燥原理干燥通常是指將熱量加于濕物料并排除揮發(fā)濕分（大多數(shù)情況下是水），而獲得一定濕含量固體產(chǎn)品的過程。濕分以松散的化學(xué)結(jié)合或

7、以液態(tài)溶液存在于固體中，或積集在固體的毛細(xì)微結(jié)構(gòu)中。當(dāng)濕物料作熱力干燥時(shí)，以下兩種過程相繼發(fā)生：過程1能量（大多數(shù)是熱量）從周圍環(huán)境傳遞至物料表面使?jié)穹终舭l(fā)。過程2內(nèi)部濕分傳遞到物料表面，隨之由于上述過程而蒸發(fā)。干燥速率由上述兩個過程中較慢的一個速率控制，從周圍環(huán)境將熱能傳遞到濕物料的方式有對流、傳導(dǎo)或輻射。在某些情況下可能是這些傳熱方式聯(lián)合作用，工業(yè)干燥器在型式和設(shè)計(jì)上的差別與采用的主要傳熱方法有關(guān)。在大多數(shù)情況下，熱量先傳到濕物料的表面熱按后傳入物料內(nèi)部，但是，介電、射頻或微波干燥時(shí)供應(yīng)的能量在物料內(nèi)部產(chǎn)生熱量后傳至外表面。整個干燥過程中兩個過程相繼發(fā)生，并先后控制干燥速率。六、物料的干燥

8、特性物料中的濕分可能是非結(jié)合水或結(jié)合水。有兩種排除非結(jié)合水的方法：蒸發(fā)和汽化。當(dāng)物料表面水分的蒸汽壓等于大氣壓時(shí)，發(fā)生蒸發(fā)。這種現(xiàn)象是在濕分的溫度升高到沸點(diǎn)時(shí)發(fā)生的，物料中出現(xiàn)的即為此種現(xiàn)象。如果被干燥的物料是熱敏性的，那么出現(xiàn)蒸發(fā)的溫度，即沸點(diǎn)，可由降低壓力來降低（真空干燥）。如果壓力降至三相點(diǎn)以下，則無液相存在，物料中的濕分被凍結(jié)。在汽化時(shí)，干燥是由對流進(jìn)行的，即熱空氣掠過物料。降熱量傳給物料而空氣被物料冷卻，濕分由物料傳入空氣，并被帶走。在這種情況下，物料表面上的濕分蒸汽壓低于大氣壓，且低于物料中的濕分對應(yīng)溫度的飽和蒸汽壓。但大于空氣中的蒸汽分壓。 第二節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)一臺臥式多室流

9、化床干燥器，用于干燥PVC濕物料。將其濕含量從0.15干燥至0.005（以上均為干基），生產(chǎn)能力（以干燥產(chǎn)品計(jì)）2500kg/h。被干燥物料：顆粒密度=1400kg/m；堆積密度=700kg/m3；絕干物料比熱=1.256kJ/kg；顆粒平均直徑dm=；臨界濕含量=0.05；平衡濕含量0。 物料靜床層高度為0.15m。干燥裝置熱損失為有效傳熱量的15%。干燥條件確定1.干燥介質(zhì)濕空氣，根據(jù)成都的年平均氣象條件，將空氣進(jìn)預(yù)熱器溫度定為16,相對濕度定為84%。2.干燥介質(zhì)進(jìn)入干燥器溫度=120。3.物料進(jìn)入干燥器溫度：=204.干燥介質(zhì)離開干燥器的相對濕度和和：對氣流干燥器，一般要求較物料出口溫

10、度高1030，或者較出口氣體的絕熱飽和溫度（濕球溫度）高2050。5.熱源：飽和蒸汽，壓力400kPa。6.物料出口溫度 ：物料出口溫度于許多因素有關(guān)，但主要取決于物料的最終濕含量、臨界濕含量，和內(nèi)部遷移控制段的傳質(zhì)系數(shù)。如果，則，若，物料的臨界濕含量低于0.05 則可用下式計(jì)算。7.操作壓力：常壓。8.設(shè)備工作日：每年330天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 第三節(jié) 設(shè)計(jì)計(jì)算（一） 干燥流程的確定及說明根據(jù)任務(wù)，采用臥式多室流化床干燥裝置系統(tǒng)。來自氣流干燥器的顆粒狀物料用星形加料器加到干燥室的第一室，依次經(jīng)過各室后，于67.5離開干燥器。濕空氣由送風(fēng)機(jī)送到翅片型空氣加熱器，升溫到120后進(jìn)入干燥器，

11、經(jīng)過與懸浮物料接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)后溫度溫度降到了73。廢氣經(jīng)旋風(fēng)分離器凈化后由抽風(fēng)機(jī)排除至大氣?？諝饧訜崞饕?00kPa的飽和水蒸氣作熱載體。（二） 物料和熱量衡算1. 物料衡算 由給定的任務(wù)條件已知，生產(chǎn)能力為2500kg/h(以干燥產(chǎn)品計(jì))，即為, 又.濕基絕干物質(zhì)質(zhì)量流率為干燥器單位時(shí)間汽化水分量為水在16下的飽和蒸汽壓為 空氣濕度為絕干氣體質(zhì)量流率為,=0.00956, (a)2. 空氣和物料出口溫度的確定空氣出口溫度比出口處濕球溫度要高出2050，在這里取35。2280225024602370234023102430240024900203040506010708090100溫度/11

12、01200.010.030.020.080.060.050.040.100.120.140.16H濕空氣的濕度-溫度圖濕度/kg.(kg干空氣)-1汽化潛熱/kJ/kg)1.350.950.850.751.051.251.15汽化潛熱對濕度濕比熱容對溫度飽和比體積對溫度濕比體積對溫度 H=0.140.120.080.100.040.060.020.00絕熱飽和線1.001.051.101.151.201.251.301. 35濕比熱容/kJ.(kgH2O.)-1濕比體積/m3.(kg干空氣)-1由，查上頁濕度圖得：=38.0近似取，則 設(shè)物料離開干燥器的溫度，因,而故可用公式 又因=2491.

13、27-2.30285*38=2403.76kJ/kg故代入數(shù)據(jù)得到67.53. 干燥器的熱量衡算如圖所示，干燥器中不補(bǔ)充能量，故0干燥器中的熱量衡算可表達(dá)為： (b)物理意義是氣體冷卻放出的熱量Q用于三個方面：以氣化濕分，以加熱物料，以補(bǔ)償設(shè)備的熱損失。其中，=360.69（2491.27+1.884=kJ/h=167kW,=2487.5(1.256+4.187)=.8kJ/h=41.91kW =(1.005+1.884*0.00956)(73-16)L=58.31kJ/h=0.0162LkW= =(1.005+1.884*0.00956)(120-16)=106.39LkJ/h=0.0285

14、LkW因?yàn)楦稍锲鞯臒釗p失為有消耗熱量的15%，即=0.15(167.0+41.91)=31.34kW將上面各式代入(b)式，即為0.0285L=167+41.91+0.0162L+31.34 240.25解得L=19532.52kg絕干氣/h將L=19532.52代入(a)式即為19532.52,解得=0.02803kg水/kg絕干氣4. 干燥器的熱效率許多資料和教科書上都是以直接用于干燥目的的來計(jì)算熱效率所以 ，其中故干燥器的熱效率為 第四節(jié) 干燥器工藝尺寸設(shè)計(jì)流化速度的確定1.臨界流化速度的計(jì)算對于均勻的球星顆粒的流化床，開始流化的孔隙率在120下空氣的有關(guān)參數(shù)為： 密度=0.898，粘度

15、，導(dǎo)熱系數(shù)所以 =87.53由和值，查李森科關(guān)系圖得=臨界流化速度為=2. 沉降速度的計(jì)算顆粒被帶出時(shí)，床層的孔隙率。根據(jù)及的數(shù)值，查李森科關(guān)系圖可得=帶出速度為帶出速度即為顆粒的沉降速度。3. 操作流化速度取操作流化速度為0.7即2 流化床層底面積的計(jì)算(1) 干燥第一階段所需底面積表面汽化階段所需底面積可以按公式式中，靜止時(shí)床層高度為。干空氣的質(zhì)量流速取為，即3.51*24000=84240由于所得需要校正，由從圖可查的。所以84240=9266.4公式即可演變?yōu)椋航獾?7.646(2)物料升溫階段所需底面積物料升溫階段的所需底面積可以按公式公式中：即為：解得=1.494(3)床層總面積流

16、化床層總的底面積=7.646+1.494=9.14干燥器長度和寬度今取寬度b=2.4m,長度a=4m,則流化床的實(shí)際底面積為9.6m。沿長度方向在床層內(nèi)設(shè)置5個橫向分隔板，板間距約為0.67m.停留時(shí)間物料在床層中的停留時(shí)間為：干燥器高度流化床的總高度分為濃相段高度和分離段高度。流化床在界面以下的區(qū)域稱為濃相區(qū)，界面以上的區(qū)域稱為稀相區(qū)。(1)濃相段高度而由式0.8822由此(2)分離段高度對非圓柱形設(shè)備，應(yīng)用當(dāng)量直徑代替設(shè)備直徑D由以及=1.048m 從資料查得從而m（3）干燥器高度為了減少氣流對固體顆粒的帶出量，取分布板以上的總高度為2.5m。第五節(jié) 干燥器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 布?xì)庋b置布?xì)庋b置包

17、括分布板和預(yù)分布器兩部分。其作用除了支撐固體顆粒、防止漏料以及使氣體均勻分布外，還有分散氣流使其在分布板上產(chǎn)生較小氣泡的作用，以造成良好的起始流化條件與抑制聚式流化床的不穩(wěn)定性。如圖4所示。采用單層多孔布?xì)獍?。取分布板壓降為床層壓降?5%。則取阻力系數(shù)，則篩孔氣速為：干燥介質(zhì)的體積流量為：選取篩孔直徑，則總篩孔數(shù)目為：個分布板的實(shí)際開孔率為：在分布板上篩孔按等邊三角形布置，孔心距為：可取T=5.6mm.預(yù)分布器的作用是在分布板前預(yù)先把氣體分布均勻一些，避免氣流直沖分布板而造成局部速度過高，對于大型干燥器，尤其需要裝置預(yù)分布器。2. 分隔板為了改善氣固接觸情況和使物料在床層內(nèi)停留的時(shí)間分布均勻

18、，沿長度方向設(shè)置5個橫向分隔板（板間距約為0.67m）。隔板與分布板之間的距離為20-50mm,隔板做成上下移動式，以調(diào)節(jié)其與分布板之間的距離。分隔板寬2.4m，高4.5m，由5mm厚鋼板制造。3. 物料出口堰高h(yuǎn) 將和代入上式，即可以得到解得：=6.7092以公式計(jì)算h的數(shù)值代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：整理上式得到經(jīng)試差解得h=0.835m為了便于調(diào)節(jié)物料的停留時(shí)間，溢流堰的高度設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。第六節(jié) 干燥器設(shè)計(jì)結(jié)果列表項(xiàng)目符號單位計(jì)算數(shù)據(jù)絕干物質(zhì)質(zhì)量流率2487.5物料溫度入口20出口67.5氣體溫度入口120出口73氣體用量絕干氣體/19532.52熱效率%29.99%流化速度0.4122床層底

19、面積第一階段7.646加熱段1.494設(shè)備尺寸長a4寬b2.4高Z2.5布?xì)獍逍吞枂螌佣嗫装蹇讖?.5孔速14.36孔數(shù)個開孔率%分隔板寬2.4與布?xì)獍寰嚯x20-50物料出口堰高0.835第七節(jié) 附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型1. 風(fēng)機(jī)的選擇為了克服整個干燥系統(tǒng)的阻力以輸送干燥介質(zhì)。必須選擇合適類型的風(fēng)機(jī)并確定其安裝方式。 送風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)按其結(jié)構(gòu)形式有軸流式和離心式兩類。軸流式的特點(diǎn)是排風(fēng)量大而風(fēng)壓很小，一般僅用于通風(fēng)換氣，而不用于氣體輸送。故選擇離心式通風(fēng)機(jī)。其風(fēng)機(jī)進(jìn)口體積流量V1為 壓頭HT為 上式中可忽略，所以上式可簡化為 因?yàn)檎麄€干燥過程的壓降主要有氣固分離器、換熱器、干燥器和旋風(fēng)分離器的壓降，其總

20、和大約為 13000Pa。為前半段提供動力的風(fēng)機(jī)取風(fēng)機(jī)進(jìn)口密度為根據(jù)所需風(fēng)量 和風(fēng)壓，從風(fēng)機(jī)樣本中查得的離心通風(fēng)機(jī)滿足要求，電動機(jī)型號為。該風(fēng)機(jī)性能如下 風(fēng)量 全風(fēng)壓 軸功率 排風(fēng)機(jī) 同理可得到物料出干燥塔的溫度下的體積流量V2： 空氣在干燥的后半段還需要的壓頭約為6159Pa、。故我們選擇的離心通風(fēng)機(jī)，電動機(jī)的型號為。該風(fēng)機(jī)性能如下風(fēng)量 全風(fēng)壓 軸功率 2.氣固分離器為了獲得較高的回收率，同時(shí)避免環(huán)境污染，需將從干燥器中出來的空氣進(jìn)行氣固分離，在干燥系統(tǒng)中使用的分離器主要有旋風(fēng)分離器、袋濾器、濕式洗滌器等。旋風(fēng)分離器（如圖6所示）是利用慣性離心力的作用從氣流中分離出顆粒的設(shè)備。其上部為圓筒形

21、，下部為圓錐形。它內(nèi)部的靜壓力在器壁附近最高，僅稍低于氣體進(jìn)口處的壓強(qiáng)，越往中心靜壓力越低，中心處的壓力可降到氣體出口壓力以下。旋風(fēng)分離器的分離效率通常用臨界粒徑的大小來判斷，臨界粒徑越小，分離效率越高。在此次設(shè)計(jì)中采用旋風(fēng)分離器分離以上的PVC粉塵以能達(dá)到工藝和環(huán)境要求。經(jīng)考慮，故選用型旋風(fēng)分離器。式中為出口空氣溫度下的密度，即為時(shí)的密度：，另外取。可得 根據(jù)旋風(fēng)分離器手冊，可選擇標(biāo)準(zhǔn)切線進(jìn)口。圓柱體直徑D 4.59m 圓柱體高度L1 D圓錐體高度L2 1.8D 進(jìn)口寬度b 0.2D進(jìn)口高度a 0.4D 排氣管直徑d 0.3D排氣管深度l 0.8D 3.空氣加熱器 選擇列管式換熱器，由于飽和

22、水蒸氣在管程中被冷凝，形成液態(tài)水，停留在換熱器中，我們需要將折流擋板的缺口按水平方向排列。選擇列管式換熱器，如圖5所示，則已知條件有： 空氣 水蒸氣 查取相關(guān)書籍可得空氣（平均溫度）和水蒸氣的物理性質(zhì)參數(shù)為 1 初選換熱器規(guī)格按空氣計(jì)算熱負(fù)荷為 忽略換熱器熱損失，由熱量衡算可得水蒸氣的流量為按逆流傳熱計(jì)算平均溫差為初選一臺單殼程、偶數(shù)管程的換熱器，則 查圖（化工原理圖7.26）得，則參照表（化工原理表7.7），初步估計(jì)換熱器的總傳熱系數(shù)，則傳熱面積為。由鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)手冊可初步選擇列管式換熱器。其參數(shù)如下： 外殼直徑 D/mm 800 公稱壓強(qiáng) p/MPa 10 管子排列方法 正

23、三角形 管長 /m 3 管子外徑 /mm 管子總數(shù) 469 管程數(shù) /Np 1 殼程數(shù) 1 管程流通截面積 /m2 0.1624 殼程流通截面積 /m2 0.416 換熱面積 /m2 106.8 折流板間距 h/mm 300采用此傳熱面積，則要求總傳熱系數(shù)為2 驗(yàn)算壓降a. 管程壓降為管程流體流速為管程中空氣流速偏大，可能造成不利影響。因此，選擇兩臺同類型的換熱器并聯(lián)?？諝饪梢暈槔硐霘怏w，其黏度與壓強(qiáng)無關(guān)，而密度隨壓強(qiáng)的升高而增大，即該換熱器內(nèi)的鋼管的絕對粗糙度取為，則，查圖（化工原理圖2.13）可得。 則管程總流動阻力為 b殼程壓力降為 殼程流體流速為 管子為三角形排列，故取，另外有，。所以 則殼程總流動阻力為3 核算總傳熱系數(shù)a 管程給熱系數(shù)查表（化工原理附錄6）可得因?yàn)?，所?b 殼程給熱系數(shù) 假設(shè)外壁面溫度為。 管束校正系數(shù)為所以，蒸汽在管間冷凝的給熱系數(shù)為 c 污垢熱阻查表（化工原理表7.8）可得。由管程給熱系數(shù)和殼程給熱系數(shù)不難看出，不銹鋼的溫度趨進(jìn)空氣（）側(cè)，故取導(dǎo)熱系數(shù)。 所以 。計(jì)算的總傳熱系數(shù)與估計(jì)值的偏差為 根據(jù)計(jì)算的傳熱系數(shù)可以求得傳熱面積為 計(jì)算的傳熱面積與估算傳熱面積的偏差為 綜上所述，所選擇的列管式換熱器的參數(shù)為 外殼直徑 D/mm 100公稱壓強(qiáng) p/MPa 10 管子排列方法 正三角形 管長 /m 5 管子外徑 /mm