氣流和單層流化床聯(lián)合干燥裝置設計教材

PAGE化工原理課程設計任務書(干燥裝置設計)（一）設計題目：氣流和單層流化床聯(lián)合干燥裝置設計（二）設計任務及操作條件1．用于散顆粒狀藥品干燥2．生產(chǎn)能力：處理量13735Kg/h物料含水率（濕基）22%，氣流干燥器中干燥至10%，再在單層流化床干燥器中干燥至0.5%（濕基）。3．進料溫度20℃，離開流化床干燥器的溫度1204．顆粒直徑：平均直徑dm=0.3mm最大粒徑dmax=0.5mm最小粒徑dmin=0.1mm5．干燥介質：煙道氣（性質與空氣同）。初始濕度：H0＝0.01kg水/kg絕干氣入口溫度：t1=800℃廢氣溫度：t2=125℃6．操作壓力：常壓（101.3kPa）7．年生產(chǎn)日330天，連續(xù)操作24小時/天。8．廠址：柳州地區(qū)（三）設計內(nèi)容1.干燥流程的確定及說明.2.干燥器主體工藝尺寸計算及結構設計。3.輔助設備的選型及核算（氣固分離器、供風裝置、供料器）。4.A3圖紙2張：帶控制點的工藝流程圖主體設備圖（四）設計基礎數(shù)據(jù)1．被干燥物料：顆粒密度：ρs=2000kg/m3干物料比熱容：Cs=0.712kJ/kg.℃假設物料中除去的全部為非結合水。2．分布板孔徑：d0=5mm3．流化床干燥器卸料口直接接近分布板4．干燥介質的物性常數(shù)可按125℃5．干燥裝置熱損失為有效傳熱量的15%目錄1設計方案簡介 11.1 氣流干燥器 11.2 單層圓筒流化床干燥器 11.3 氣流和單層流化床聯(lián)合干燥 22 氣流干燥器的設計計算 32.1 物料衡算 32.1.1 水分蒸發(fā)量 32.1.2 氣流干燥器的產(chǎn)品量 42.1.3 絕干物料量 42.1.4 物料的干基濕含量 42.1.5 空氣的用量 42.2 熱量衡算 42.2.1 物料在氣流干燥室的出口溫度和空氣的出口濕含量 42.2.2 熱損失 52.2.3 物料升溫所需要的熱量 62.2.4 總熱量消耗 62.3 氣流干燥管直徑的計算 62.3.1 最大顆粒的沉降速度 62.3.2 干燥管內(nèi)的平均操作氣速 62.3.3 干燥管的直徑 62.4 氣流干燥管的長度 72.4.1 物料干燥所需的總熱量 72.4.2 平均傳熱溫差 72.4.3 表面給熱系數(shù) 82.4.4 氣流干燥管的長度 82.5 氣流干燥管壓降的計算 82.5.1 氣、固相與管壁的摩擦損失 82.5.2 克服位能提高所需的壓降 92.5.3 局部阻力損失 92.5.4 總壓降 93 單層圓筒流化床的設計計算 93.1 物料衡算 93.1.1 流化床干燥器中水分蒸發(fā)量 93.1.2 流化床干燥器的產(chǎn)品產(chǎn)量 103.1.3 絕干物料量 103.1.4 物料的最終干基濕含量 103.2 熱量衡算 103.2.1 水分蒸發(fā)所需熱量 103.2.2 干物料升溫所需熱量 103.2.3 干燥器中所需熱量 103.2.4 熱損失 103.2.5 干燥過程所需總熱量 103.2.6 干空氣用量 113.2.7 最終廢氣濕含量 113.3 最小顆粒的逸出速度 113.4 擴大段直徑的確定 113.5 床層直徑的確定 113.6 分離段直徑的確定 123.7 流化床干燥器總高度的確定 123.7.1 流化床床層高度 123.7.2 分離段高度 133.7.3 擴大段高度 133.7.4 總高 133.8 顆粒在流化床中的平均停留時間 133.9 流化床的分布板 133.9.1 選用側流式分布板 133.9.2 分布板的孔數(shù) 133.9.3 開孔率 134 主要附屬設備的選型與計算 144.1空氣預熱器 144.1.1 飽和蒸汽溫度 144.1.2 空氣的平均溫度 144.1.3 初步選型 144.1.4 空氣從t0升到t1所需熱量 144.1.5 實際風速和空氣的質量流速 144.1.6 排管的傳熱系數(shù) 144.1.7 傳熱溫差 144.1.8 所需傳熱面積 154.1.9 所需的單元排管數(shù) 154.1.10性能校核 154.2 風機 154.3 旋風分離器 164.4 供料器 165 主要設計結果列表 166 設計述評 177 參考資料 178主要符號說明 18氣流和單層流化床聯(lián)合干燥說明書PAGE19設計方案簡介氣流干燥器氣流干燥器主要用于小顆粒物料的干燥。這種干燥器的特點是顆粒懸浮于干燥介質（熱空氣或煙道氣）中。干燥管內(nèi)熱氣體向上的流速大于顆粒的沉降速度，故物料隨熱氣體一起被輸送；在并流中，物料與干燥介質之間進行傳熱和傳質。氣流干燥器具有以下特點：干燥強度大。由于氣流的速度高，濕物料又處于分散和懸浮于熱氣流中，氣、固相接觸面積大，強化了傳熱、傳質過程，使物料在干燥管內(nèi)僅需要極短的時間即可到達干燥的要求。故可用于干燥熱敏性物料。干燥處理量大，熱效率高。結構簡單，裝卸方便，占地面積小。在干燥的同時，對物料有破碎作用，因而對粉塵的回收要求較高，否則物料損失大，還會污染環(huán)境。干燥產(chǎn)品磨損較大。物料一般難以保持干燥前的結晶形式和光澤。1.鼓風機；2.預熱器；3.夾套；4.加料器；5.氣流干燥管；6.旋風分離器；7.抽氣機單層圓筒流化床干燥器流化干燥是固體流態(tài)化技術在干燥上的應用。對于單層圓筒流化床干燥器，被干燥的散顆粒物料從左側加入，與通過多孔分布板向上的熱氣流相接觸。只要氣流速度保持在顆粒的起始柳化速度和帶出速度之間，顆粒就能在熱氣流中上下翻滾，相互混合、碰撞，與熱氣流進行傳熱與傳質而達到干燥的目的。經(jīng)干燥后的顆粒由床右側卸出，氣流經(jīng)旋風分離器回收其中夾帶的粉塵后，自頂部排出。流化床干燥器有兩個顯著的特點：由于顆粒分散并做不規(guī)則運動，造成了氣、固相的良好接觸，加速了傳熱、傳質的速度，因此床內(nèi)的溫度均勻，便于準確控制，能夠避免局部過熱；顆粒在流化床內(nèi)的平均停留時間便于調(diào)節(jié)，特別適合于驅除需時較長的結合水分。③處理量大，設備結構簡單、造價低、維修方便。④不適于干燥濕含量太高的物料。單層圓筒流化床干燥器示意圖氣流和單層流化床聯(lián)合干燥本設計的任務是氣流和單層流化床聯(lián)合干燥裝置的設計。氣流和流化床干燥器都是熱效率很高的干燥設備，根據(jù)兩者的優(yōu)缺點將兩種干燥器聯(lián)合使用可以進一步地提高干燥效率。因為流化床干燥器不適合于干燥濕含量較高的物料，故使物料在氣流干燥器中降低濕含量后再經(jīng)過流化床?；靖稍锪鞒淌牵合葘裎锪辖?jīng)過第一階段——氣流干燥階段，使物料的濕度降低到接近氣流干燥器的干燥極限，再將此含水率較低的物料經(jīng)過單層圓筒流化床干燥器，水分將進一步的降低，達到要求的干燥條件。這樣的聯(lián)合裝置，克服了用單個干燥裝置時的缺點，提高了干燥的效率。下面是氣流和單層流化床聯(lián)合干燥裝置的示意圖：1.鼓風機；2.空氣加熱器；3.氣流干燥管；4.供料器；5.旋風分離器；6.單層圓筒流化床干燥器根據(jù)設計任務書條件進行的工藝設計氣流干燥器的設計計算物料衡算水分蒸發(fā)量W式中，ω1——物料最初的含水率ω2——氣流干燥器出口物料的含水率G1——物料處理量，kg/h氣流干燥器的產(chǎn)品量G2絕干物料量Gc物料的干基濕含量式中，X1——物料最初的濕含量X2——氣流干燥器出口物料的含水率空氣的用量L式中：H1、H2—空氣進出氣流干燥管得濕含量，kg/kg干空氣又有空氣進入預熱器的相對濕度為φ0=75%，溫度為t0=20℃則：H1=H0=故①熱量衡算物料在氣流干燥室的出口溫度tm2,空氣的出口濕含量H2L(I1-I2)=G2(I1′-I2′)②式中：I1、I2——進出氣流干燥室的空氣的焓，kJ/kgI1′、I2′——進出氣流干燥室的物料的焓,kJ/kg其中：③③設絕干物料的比容為Cs,空氣的比容為CwCs=0.712kJ/（kg·℃），查得在t2=125℃下，Cw=1.026kJ/(kg·K)=0.0038kJ/（kg·℃則：I1′=（Cs+CwX1）tm2=(0.712+0.0038*0.2821)*20=14.261kJ/kgI2′=（Cs+CwX2）tm2=(0.712+0.0038*0.1111)tm2=0.712tm2將以上I1、I2、I1′、I2′代入②式，得整理得：④因為tm2=tmax-(5～10)=120-10=110所以根據(jù)④式得H2=0.26kg/kg則根據(jù)①式得L=7325.2kg/kg熱損失q1據(jù)柳州地區(qū)年平均溫度t0=20℃，H0=0.01kg得I0=（1.01+1.88H0）t0+2492H0=(1.01+1.88*0.01)*20+2492*0.01=45.496kJ/kg在濕焓圖上，空氣最初的狀態(tài)點為（H0,I0）=(0.01,45.496)空氣在預熱器進口的狀態(tài)點為（H1,I1）=(0.01,847.96)空氣在預熱器出口的狀態(tài)點為（H2,I2）=（0.26，835.27）則絕熱干燥過程單位熱量消耗q′為實際干燥過程的熱損失為：q1=15%q′=481.5kJ/kg水物料升溫所需要的熱量qm總熱量消耗QQ=q′W=(3209.9*1831.3)/3600=1632.9kW氣流干燥管直徑D的計算最大顆粒的沉降速度ufmax干燥管內(nèi)空氣的平均物性溫度為在該溫度下，空氣的密度為ρ=0.483kg/m3,黏度為μ=3.496*10-5Pa·s對于最大顆粒：根據(jù)式得Remax=23.6故干燥管內(nèi)的平均操作氣速ua如果取ua為最大顆粒沉降速度的4倍，即,圓整后取平均操作氣速ua=14m/s干燥管的直徑D干燥管內(nèi)空氣的平均溫度為462.5℃，平均濕度為則平均濕比容氣流干燥管內(nèi)的濕空氣的平均體積流量Vg為：故氣流干燥管的直徑D為：圓整后取D=700氣流干燥管的長度Y物料干燥所需的總熱量Q就真?zhèn)€干燥器而言，輸入的熱量之和等于輸出的熱量之和，即：式中：Cs——干物料的比熱容，kJ/(kg·℃)C1——水在tm1溫度下的比熱容，kJ/(kg·℃)qp——預熱器內(nèi)加入的熱量，kJ/（kg水）qd——干燥器內(nèi)補充的熱量，kJ/（kg水）q1——損失于周圍的熱量，kJ/（kg水）整理得：⑤其中：qm=416.5kJ/（kg水）,q1=481.5kJ/（kg水）查得C1=4.187kJ/（kg℃）則⑤式得：故總熱量Q=qW=3973*1831.3=7275754kJ/h=2021kW平均傳熱溫差Δtm式中：t1——空氣進口溫度，℃t2——空氣出口溫度，℃tm1——物料進口溫度，℃tm2——物料出口溫度，℃表面給熱系數(shù)α對于平均直徑為dm=0.3mm根據(jù)求得Re=7.5故則查得在空氣的平均溫度462.5℃下，空氣的導熱系數(shù)為λ=0.056W/(m·℃則氣流干燥管的長度Y由于故圓整后取氣流干燥管的有效長度為Y=7m氣流干燥管壓降的計算氣、固相與管壁的摩擦損失△P1式中：f——干燥管的摩擦系數(shù)ρas——干燥管內(nèi)氣、固相的混合密度，kg/m3,其中：D=0.7m，ua=14m/s,Y=7m在125℃下，空氣的密度為ρa=0.887kg/m3；干燥管氣流中的顆粒的密度為則雷諾數(shù)故摩擦系數(shù)故克服位能提高所需的壓降ΔP2式中：Y——氣流干燥管的有效長度，m局部阻力損失ΔP3據(jù)相關資料敘述，此壓降一般在1000～1500Pa之間，取ΔP3=1300Pa總壓降ΔP根據(jù)以上計算，氣流干燥管的總壓降為：ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3=44.1+30.1+1300=1374.2Pa單層圓筒流化床的設計計算物料衡算流化床干燥器中水分蒸發(fā)量W式中：G2——氣流干燥器的產(chǎn)量、流化床干燥器的進料量，kg/hω2——流化床干燥器進口的物料濕含量ω3——流化床干燥器出口的物料濕含量流化床干燥器的產(chǎn)品產(chǎn)量G3絕干物料量Gc物料的最終干基濕含量X3熱量衡算水分蒸發(fā)所需熱量Q1式中：C1=4.187kJ/（kg水）則：干物料升溫所需熱量Q2干燥器中所需熱量Q′熱損失Q3干燥過程所需總熱量Q干空氣用量L空氣經(jīng)過干燥器，溫度從t1=800℃變成t2=125則：最終廢氣濕含量H3由得最小顆粒的逸出速度ut對于最小顆粒dmin=0.1mm,由上文可知，在平均溫度462.5℃下，空氣的ρa=0.483kg/m3,μa=3.496*10-5Pa·所以根據(jù)式得Remin=0.4故擴大段直徑D2′的確定則實際擴大段的直徑為Ф2900mm床層直徑D′的確定根據(jù)相關資料的實驗結果，適宜的空床氣速為1.2～1.4m/s，現(xiàn)取u=1.在125℃下，濕空氣的比容和體積流量V分別為：流化床床層的橫截面積A為：因此，床層的直徑為：圓整后取實際床層直徑為Ф1500mm分離段直徑D1′的確定在125℃下，空氣的密度ρa=0.887kg/m3,黏度μa=2.31*10-5Pa·對于平均直徑dm=0.3mm的產(chǎn)品顆粒：根據(jù)式得Rem=22故分離段直徑為流化床干燥器總高度Z的確定流化床床層高度Zf(1)顆粒的堆積密度可取ρb=65%ρs=1300kg/m3則固定床的空隙率為(2)對于平均直徑dm=0.3mm的物料顆粒：上文計算得Ar=878.9則流化床的空隙率為：（3）取靜止床的高度H0′=150mm,則流化床床層高度為：分離段高度Z1由分離段顆粒的沉降速度u1=1.91m/s,D1′=1.13m,查得：Z1/D1′=1.8，則Z1=2.0m擴大段高度Z2根據(jù)經(jīng)驗,取Z2=1m總高ZZ=Zf+Z1+Z2=0.113+2.0+1=3.113顆粒在流化床中的平均停留時間流化床的分布板選用側流式分布板（側流式錐帽分布板）分布板的孔數(shù)n0式中：所以開孔率η式中：A0——孔的總面積，m2A′——分離段截面積，m2則：主要附屬設備的選型與計算空氣預熱器已知：初始風溫度t0=20℃，干燥器進口風溫度t1=800℃空氣用量：氣流干燥階段L1=7325.2kg/h;流化床階段L2=3021.7kg/h操作壓力為一個大氣壓飽和蒸汽溫度從蒸汽性能表中查出，在操作壓力下，飽和蒸汽的溫度為tH=100℃空氣的平均溫度則空氣的密度ρa=0.517kg/m3初步選型根據(jù)蒸汽加熱器性能規(guī)格表，初步選型為SRZ10*7D，單元組件的散熱面積Aa=28.59m2,通風凈截面積Af=0.45m2,受風面積As=AB=717.5*1001*10-6空氣從t0升到t1所需熱量氣流干燥階段：流化床干燥階段：實際風速和空氣的質量流速實際風速：u1=L1/3600Af=7325.2/3600*0.45=4.52m/su2=L2/3600Af=3021.7/3600*0.45=1.87m/s質量流速：ur1=u1ρ=4.52*0.517=2.34kg/(m2·s)ur2=u2ρ=1.87*0.517=0.97kg/(m2·s)排管的傳熱系數(shù)K1=51.5(ur1)0.51=51.1*2.340.510=79.45kJ/(m2·h·℃)K2=51.5(ur2)0.51=51.1*0.970.510=50.71kJ/(m2·h·℃)傳熱溫差所需傳熱面積氣流干燥階段：流化床干燥階段：所需的單元排管數(shù)氣流干燥階段：實際選4組，總傳熱面積A1=4*28.59=114.36m流化床干燥階段：實際選2組，總傳熱面積為A2=2*28.59=57.18m性能校核迎面風速：氣流干燥階段：us1=L1/AS=7325.2/0.72*3600=2.83m/s流化床干燥階段：us2=L2/AS=3021.7/0.72*3600=1.17m/s（1）氣流干燥階段：2.5m/s<us1=2.83m/s<3.8m/s,適合（2）流化床干燥階段：us2=1.17<2.5m/s,不合適則應選用型號為SRZ5*5D較為合適，AS′=497*507*10-6=0.25mus2=L2/AS′=3021.7/0.25*3600=3.36m/s風機對于本干燥系統(tǒng)來說，選擇離心式雙臺鼓—引風機，即采用前送后抽式風機系統(tǒng)。氣流干燥階段的風量為：流化床階段的風量為：根據(jù)經(jīng)驗，取風機的氣風壓力為892Pa根據(jù)離心風機的選型條件，氣流干燥階段選擇4-72No.5A的風機，轉速1450r/min,電機功率2.2kW;流化床干燥階段可選用4-72No.3.2A的風機，轉速2900r/min,電機功率2kW.旋風分離器根據(jù)處理的風量確定各階段的旋風分離器除塵裝置規(guī)格為：氣流干燥階段：型號XLP/B.8.2,外型尺寸1167*1040*4110，重量374kg流化床干燥階段：型號XLP/B.5.4，外型尺寸772*685*2764，重量170kg兩臺旋風分離器的阻力為：65-95kg/m2，效率為：92-96%供料器根據(jù)進料量及相關的參數(shù)，選擇旋轉葉輪供料器。Ф150（焊接）旋轉葉輪供料器的性能：供料量：7m3/h規(guī)格：Ф葉輪轉速：31r/min傳動方式：鏈輪直聯(lián)設備總重：66kg電機的性能：型號JIC561，功率1kW，輸出轉速31r/min主要設計結果列表表1氣流干燥階段的設計結果計算參數(shù)計算結果計算參數(shù)計算結果水分蒸發(fā)量W1831.3kg/h物料升溫所需熱量qm416.5kJ/kg水干燥器的產(chǎn)出量G211903.7kg/h總熱消耗量Q1623kW絕干物料量Gc10713.3kg/h干燥管直徑D700mm空氣用量L7325.2kg/h干燥管高度Y7m空氣的出口濕含量H30.26kg/kg操作氣速ua14m/s物料的出口溫度tm2110干燥管總壓降ΔP1374.2Pa熱損失q1481.5kJ/kg水表2單層圓筒流化床干燥階段的設計結果計算參數(shù)計算結果計算參數(shù)計算結果水分蒸發(fā)量W1136.5kg床層直徑D′1500mm干燥器的產(chǎn)出量G310767.2kg床層高度Zf508mm絕干物料量Gc10713.3kg分離段直徑D1′1130mm空氣用量L3021.7kg/h分離段高度Z12000mm水分蒸發(fā)的熱量Q12573525kJ/kg水擴大段直徑D2′2900mm物料升溫的熱量Q284749kJ/kg水擴大段高度Z21000mm熱損失Q3398741.1kJ/kg水平均停留時間1.92min計算參數(shù)計算結果計算參數(shù)計算結果總熱量消耗Q3057015.1kJ/kg水分布板孔數(shù)n01.5*105廢氣濕含量H30.64kg/kg分布板開孔率η29%逸出速度ut0.29m/s表3主要附屬設備的選型設備干燥階段選型蒸汽加熱器氣流SRZ10*7D流化床SRZ5*5D風機氣流4-72No.5A流化床4-72No.3.2A旋風分離器氣流XLP/B.8.2流化床XLP/B.5.4供料器氣流JIC561設計述評通過這次課程設計，我們綜合運用了化工原理、化工設計、化工設備、分離工程等課程的知識。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。這次課程設計就是一次實踐的過程。雖然涉及到的只是單元反應過程，但這是組成整個化工設計的基礎，所以掌握好單元設計也是二環(huán)內(nèi)關鍵的。從一開始的一頭霧水到后來的清晰明朗，我從中學到了很多。在剛開始設計計算時，遇到了很多的問題，但要進行下去就必須解決問題。我通過到圖書館、電子圖書館查取了大量的資料，使得遇到的各種問題逐步解決。通過本次課程設計，我總結出了設計的幾個學習要點：1、對設計的對象要有全面的了解。從原理入手到各種操作步驟，還有各個環(huán)節(jié)的流程走向，在心中都要有一定的計量。不理解原理就無從去找設計的開始。在本次課程設計中，我首先去了解干燥和干燥設備的原理，然后再找相關的參考資料，尋找物料衡算、熱量衡算、主要工藝尺寸等的計算方法，再根據(jù)設計任務書的具體條件選擇合適的計算方法。2、計算要仔細。在選取合適的方法后，根據(jù)相關的公式進行準確地計算，盡量一次計算，避免重復。