直管气流干燥器的设计

四川大学轻纺与食品学院 陶瑞霄 学号： 目录 一、绪 论 二、任务书 三、流程 1.流程图 2.流程概述 四、设计方案及参数的确定 1.设计方案的确定 2.参数确定 五、干燥器主要尺寸的计算 1.基本物料衡算 2.干燥管主要参数的计算 3.加速段管长的计算 4.恒速段管长的计算 六、主要附属设备的选型和计算 1.加料器的选型和计算 2.旋风分离器的选型和计算 3.空气加热器的选型和计算 七、设计评价 1.对气流干燥器的评价 2.对附属设备的评价 八、心得体会 九、设计结果一览表 十、主要符号表 十一、参考文献 绪论 化工原理课程设计的目的和要求 课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。 通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养： 1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力； 2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力； 3. 迅速准确的进行工程计算的能力； 4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力 聚氯乙烯 全名为polyvinyl chloride，主要成份为聚氯乙烯，另外加入其他成分来增强其耐热性，韧性，延展性等。工业聚氯乙烯树脂主要是非晶态结构，但也包含一些结晶区域（约），所以聚氯乙烯没有明显的溶点，约在80左右开始软化，热扭变温度（ 1.82MPa负荷下）为70-71，在加压下150开始流动，并开始缓慢放出氯化氢，致使聚氯乙烯变色（由黄变红、棕、甚至于黑色）。工业聚氯乙烯重均相对分子质量在4.8-4.8万范围内，相应的数均相对分子质量为2-1.95万。而绝大多数工业树脂的重均相对分子质量在10-20万，数均相对分子质量在4.55-6.4万.硬质聚氯乙烯（未加增塑剂）具有良好的机械强度、耐候性和耐燃性，可以单独用做结构材料，应用于化工上制造管道、板材及注塑制品。硬质聚氯乙烯可以用增强材料。它是当今世界上深受喜爱、颇为流行并且也被广泛应用的一种合成材料。由于化学稳定性高，所以可用于制作防腐管道、管件、输油管、离心泵和鼓风机等。聚氯乙烯的硬板广泛应用于化学工业上制作各种贮槽的衬里，建筑物的瓦楞板，门窗结构，墙壁装饰物等建筑用材。由于电气绝缘性能优良，可在电气、电子工业中，用于制造插头、插座、开关和电缆。在日常生活中，聚氯乙烯用于制造凉鞋、雨衣、玩具和人造革等， 它的全球使用量在各种合成材料中高居第二。 PVC可分为软PVC和硬PVC。其中硬PVC大约占市场的2/3，软PVC占1/3。软PVC一般用于地板、天花板以及皮革的表层，但由于软PVC中含有柔软剂(这也是软PVC与硬PVC的区别)，容易变脆,不易保存，所以其使用范围受到了局限。硬PVC不含柔软剂，因此柔韧性好，易成型，不易脆，无毒无污染，保存时间长，因此具有很大的 开发应用价值。 PVC的本质是一种真空吸塑膜，用于各类面板的表层包装，所以又被称为装饰膜、附胶膜，应用于建材、包装、医药等诸多行业。其中建材行业占的比重最大，为60%，其次是包装行业，还有其他若干小范围应用的行业。氯化乙烯基最初是在1835年在JustusvonLiebig实验室合成出来的。而聚氯乙烯是由Baumann在1872年合成的。但是直到20世纪20年代才在美国生产出了第一个聚氯乙烯的商业产品，在接下来的20年内欧洲才开始大规模生产。 聚氯乙烯具有原料丰富（石油、石灰石、焦炭、食盐和天然气）、制造工艺成熟、价格低廉、用途广泛等突出特点，现已成为世界上仅次于聚乙烯树脂的第二大通用树脂，占世界合成树脂总消费量的29%。聚氯乙烯容易加工，可通过模压、层合、注塑、挤塑、压延、吹塑中空等方式进行加工。聚氯乙烯主要用于生产人造革、薄膜、电线护套等塑料软制品，也可生产板材、门窗、管道和阀门等塑料硬制品。 食品干燥技术 食品工业的很多原料均含有大量水分，为使食品具有良好的保藏性和节约运输费用，则 要求水分含量尽可能降低。所以从物料中除去水分是食品加工过程中经常进行的过程，称为 干燥或去湿。 采用的技术有普通干燥、冷冻干燥和喷雾干燥。 一、普通干燥 干燥过程中，物料表面的水分要不断汽化，从而使内部的水分继续扩散到表面来，达到 干燥的目的。根据物料加热的方式不同，分为三种干燥方法：对流干燥(热风干燥)、辐射 干燥及接触干燥(传导式)。 1.对流干燥直接以高温的空气为热源，借对流方式将热量传递给物料，热空气既是载热 体又是载湿体。一般热风干燥多在常压下进行。 2.辐射干燥是食品工业上的一种重要的干燥方法。即利用红外线、远红外线、微波等能 源，将热量传递给物料的干燥方法。可在常压或真空下进行。 3.接触干燥是间接靠间壁的导热将热量传递给与壁面接触的物料。热源可以是水蒸气、 热空气或热水等。接触干燥可在常压下进行也可在真空下进行。常压下操作时，物体与气体 之间虽然有热交换，但气体的主要作用是将蒸气带走。 二、冷冻干燥 冷冻干燥又称真空冷冻干燥、冷冻升华干燥、分子干燥等，是将物料预冷至-30-40， 使物料中的大部分水分变为固态冰，然后提供低温热源，在真空状态下，使冰直接升华为水 蒸气而使物料脱水的过程。冷冻干燥是一种特殊的干燥方法。它包括两个重要的步骤：冻结物品及升华分离结晶体。 在真空条件下，通过升华作用，把物料中冻结的水分不重新融化而从物料中分离除去。 方法和过程 1.物料中水分的预冻结食品的冻结主要是水溶液的冻结。当食品内部溶质浓度低于低共 熔浓度时，冷冻的结果是冰晶的析出，随后溶液的浓度越来越高，理论上达到低共熔浓度为 止；若溶质浓度高于低共熔浓度时，冷却结果表现为溶质不断析出，余下的溶液浓度越来越 低，理论上也达到低共熔浓度为止。 2.冻结物料进行升华干燥冻结物料的升华干燥是在真空干燥箱内进行的。在升华过程 中，物料中冻结水分汽化需要吸收热量，因此，需要给物料加热，以提高冷冻干燥速率。但 所提供的热量应保证冻结物料的温度接近而又低于物料的共熔点，以便使物料中冰晶既不溶 解又能以最高速率进行升华。在升华过程中，温度几乎不变，干燥速率保持恒定。 3.物料加热升温当冻结水分全部蒸发后，开始蒸发剩余没有冻结的水分，此时干燥速率 下降，加热速度可加快，以使水分不断排除掉。在此阶段物料温度会升高，但一般不超过40。 三、喷雾干燥 喷雾干燥是以单一工序将溶液、乳浊液、悬浮液或糊状物料加工成粉状、颗粒状干制品 的一种干燥方法。它将液体通过雾化器的作用，喷洒成极细的雾状液滴，并依靠干燥介质(热 空气、烟道气或惰性气体)与雾滴的均匀混合，并进行能量交换，使水分(或溶剂)汽化的过 程。 特点 1.干燥温度较低虽然采用较高温度的干燥介质，但液滴有大量水分存在时，它的干燥温 度一般不超过热空气的湿球温度。对奶粉干燥，约为5060。因此，非常适宜于热敏性物料的干燥，能保持产品的营养、色泽和香味。 2.干燥速度快、时间短由于料液被雾化成几十微米大小的液滴，所以液体的比表面积很大。 3.制品有良好的溶解性和分散性。 4.产品纯度高由于干燥是在密闭的容器中进行的，杂质不会混入产品中。 5.可连续化生产干燥后的产品经连续排料，在后处理上结合冷却器和气力输送，组成连 续生产作业，实现自动化大规模生产。 6.生产过程简单操作控制方便即使含水量达90的料液，不经浓缩同样也能一次获得均 匀的干燥产品。大部分产品干燥后不需粉碎和筛选，简化了生产工艺流程。而且，对于产品 粒度和含水量等质量指标，可通过改变操作条件进行调整，且控制管理都很方便。 我国常用的雾化形式有三种：气流喷嘴式雾化、压力式喷嘴雾化、旋转式雾化。 当前，食品干燥技术的一个重要趋势是最大限度的保持食品的营养和色香味，食品生产中经常使用的是无损于食品风味、不易引起变色和变质的喷雾干燥，冷冻真空干燥和真空皮带式干燥等高品质干燥技术。另一方面由于冻结和真空操作的运转费用很高，考虑到产品品质和成本费用，最终的品质低下为妥协点，不得不转用滚筒干燥或其他干燥方法。 任务书 聚氯乙烯气流干燥器设计 设计任务 题目：设计直管气流干燥器，以干燥聚氯乙烯树脂湿物料 已知数据 （1） 湿物料 颗粒直径： 绝干物料密度： 绝干物料比热： 含湿量（以湿基计）： 操作温度： 操作压力：101.325kpa 加热蒸汽压力：4atm（表压） 原料量：kg/h 临界湿含量:1 （2） 干燥介质：湿空气 （3） 干物料（产品）含水量： 临界湿含量: 平衡湿含量： 设计内容 1、设计说明书 （1）目录 （2）任务书 （3）流程和方案的选择说明与论证 （4）干燥器主要尺寸的计算 （5）附属设备选型计算 （6）设计结果计算 （7）主要符号表 （8）参考文献 2、气流干燥器总图（略） 流 程 流程概述: 如图,物料由加料斗4经星型状加料器5进入气流干燥管的底部,空气由风机1吸入,通过预热器加热直一定温度后,送入气流干燥管,由于热气流的高速流动,使物料颗粒悬浮于气流之中,并与气流发生传热传质,实现干燥,已干燥的物料随气流带出经旋风分离器6,而回收产品,产品通过气封7而由出口卸出,废气经风机抽出而放空,完整的的对流干燥装置应该包括:风机,预热器,加料斗,干燥器,气固分离设备,及各种控制仪表等 选用干燥设备,合理分布流程,遵循以下规则: 1.,选择风机依据是,全系统的流程阻力,及工艺要求的风量. 2.风机的安装位置:通常应该在气固分离设备之后，可使整个干燥装置处于负压下 操作，避免粉尘泄露和高温损坏风机，且利于物料水分的汽化 3.当一台风机的风压不够，克服系统的阻力时，可采用多台，分别安装在干燥装置的前后 4.空气预热器常使用翅片式加热器，可强化传热速率，提高传热效果 5.气固分离设备常采用旋风分离器，其构造简单费用低，压降也不大，分离效果好 6.常用加料器用星型或螺旋式，它们都适用于块状物料，螺旋式还适用于膏状物料，但两者都不适于硬度大的物料. 设计方案及参数的确定 （一）设计方案的确定 根据方案的内容为：干燥方法及干燥器结构形式的选择；干燥装置流程及主要辅助设备的确定，干燥器操作条件的确定等。 设计方案的总原则是：满足工艺要求，经济合适，生产安全。有以下几点要求： (1)所确定的流量和选用的设备，必须保证产品达到预期的干燥目的，而且质量要确定。 (2)热能消耗干燥过程的主要消耗，设计是考虑如何省能。 (3)干燥器的选定尽量降低价格。 (4)选用合适的干燥介质，如热空气，烟道气等，一般使用热空气，除去物料与空气中的氧气接触会发生反应时，则用过热蒸汽或氮气等惰性气体，当不担心烟道气对干物料的污染时，可尽量采用烟道气。 1）设计依据 干燥器设计中，主要利用以下基本关系，(1)物料衡算；(2)热量；(3)传热速率方程式；(4)传质速率方程式，但由于对流传热系数及传质系数随不同的条件而变化，且无同样的和R关系式，因此干燥的设计要用经验方法进行计算。 2）干燥器的选型 被干燥物料的行状以及干燥后产品的要求决定了干燥器的类型，干燥器必须能保证产品的质量，速率快，操作控制方便，劳动条件好，而且要能适宜被干物料的形态和物性生产能力要高，而且能耗低。 工业中气流干燥器是常用的一种，对于能在其他中自由流动的颗粒物料，常采用气流干燥器进行干燥，因为结构简单，造价低，易于制造和维修，操作稳定且便于控制，一般热效率也比较高，干燥非结合水时，热效率可达60%左右，但干燥结合水时，热效率仅为20%左右，其主要缺点：由于气速高以及物料在输送过程中与壁面的碰撞及物料见的相互摩擦，整个系统的流体阻力大，动力消耗大，对粉尘回收装置的要求高，且不宜干燥有毒物质。 气流干燥比较适合于干燥粒径100且以上的合成纤维结晶，矿石，合成橡胶等，对聚氯乙烯，因具有热熔性，当温度太高（一般不超过7080），容易软化，而其含湿量可以达到较高而不潮解，故干燥聚氯乙烯选用气流干燥器是合理的。 3）工艺流程 在设计中工艺流程采用湿物料直接加入干燥管中，由于蒸汽流的冲击作用而将物料分散，从而使物料得以干燥，干燥后的物料大部分由一级旋风分离器收集，剩余部分由袋滤器捕集。由于气流干燥器的干燥时间较短，若湿物料水分未干燥完全的话，可串联流动干燥机，使湿物料干燥充分。 （二）参数确定 1）选择干燥介质 在物料的干燥过程中，采用何种介质是根据物料的性质和生产厂家的具体情况来确定的。通常使用的干燥介质是不饱和热空气，若气体的相对湿度越低，则表明湿气体距饱和状态越远，吸湿能力也越大。（相对湿度的定义为：在一定温度、压力下，湿气体所含湿分蒸汽压p与该温度、压力下湿分的饱和蒸汽压之比，即 ），由于干燥过程一般在常压或负压下进行，总压对基本无影响，又考虑到成都地区湿度较大，故取其值为80. 2）气体进口温度的选定 提高气体进口温度可增大传热温差，有利于提高热效率和干燥强度，但温度过高的话，干燥管的干燥速率将下降很快，并且操作费用增大，在本次设计计算中取130（由任务书确定）。 3）气体出口温度的确定 干燥器的出口气体温度与干燥管的长度及燃料费用有关，若取得较低，则对热能利用是有利的，但管长需要增加，制造成本将增加，考虑各种因素的影响，确定气体出口温度为70. 4）气体进口速度的确定 气体进口速度越大，颗粒与气流之间的相对速度就越大，给热系数也将越大，但气速过高，其操作费用也会提高，对生产的经济性不利，一般气速定为2040m/s，本次计算先取30m/s，得到的管径值圆整后，在最终确定进口气速。 5）湿物料的进口温度的确定 湿物料的进口温度都是根据生产实际情况而定，根据本次设计任务，取20. 干燥器主要尺寸的计算 一、 基本物料衡算 1、 汽化水分量W （由 W= 空气温度取20，其饱和蒸汽压为 空气湿度为（取80） 2.干空气消耗量L及物料出口温度 试差公式： 联立方程，求出41.6569 干燥过程的热量衡算： 注 校核 设，则 校核 二、 干燥管参数的计算 1.确定给热系数 (1)加速段起点 则 则 (2)加速段终点 终点的确定：若整个干燥管内交换的总热量为Q，则加速段应占其80， 则 解得， 则 (3)拟合公式 已知有关系式，带入起点、终点结果，得 (1) (2) 由(1)、(2)得， 2.的计算 3.的计算 4.加速段的平均值计算 三、 加速段管长的计算 第一段：预热段 第二段 1. 预分段 设 2. 热量衡算 0.0050kg/s 3. 传热计算 4.的试差计算 设 将上值代入得 5.校核分段合理性 6.流体力学计算 7.附加计算 末粒子速度： 以下均按上述方法重复计算可得加速段中第36的数据，现列表如下： 第一段 第二段 第三段 第四段 第五段 第六段 q 13.4102 12.8421 11.3242 11.0775 9.7102 9.3355 t 134.4196 129.0927 124.3803 119.7706 115.7299 111.8451 tm 105.7976 90.1337 85.0614 80.4485 75.9530 72.0742 tm 137.2098 131.7562 126.7365 122.0755 117.7530 72.0742 W 0.0050 0.0044 0.0044 0.0038 0.0038 H 0.0118 0.0129 0.0158 0.0177 0.0193 0.0209 Hm 0.0129 0.0149 0.0168 0.0185 0.0201 VH 1.1850 1.1713 1.1604 1.1503 1.1407 1.1320 ugm 27.4891 27.1713 26.9184 26.6841 26.4614 26.2596 0.8538 0.8648 0.8746 0.8839 0.8929 0.9011 ts 84.0191 81.2923 78.7825 76.4520 74.2894 72.3080 g 0.0311 0.0309 0.0307 0.0305 0.0304 0.0305 A 2.3308 2.3087 2.2883 2.2692 2.2515 2.2353 Aq 4324.8093 4347.1637 4319.0268 4290.8898 4276.8213 4290.8898 ur 21550.81454 18455.0022 17303.7142 16258.7150 15299.8419 14566.2614 J 20.0374 13.9929 9.8822 6.7954 4.7552 3.3036 Bu 1.4296 1.3711 1.3179 1.2659 1.2151 1.1670 J 1334.2118 803.2062 489.7912 285.9432 169.6075 97.9384 m 100.2888 87.8494 76.2437 66.0386 57.0217 49.3725 b -682.8086 -432.3768 -267.2763 -165.3426 -102.9180 -56.2228 0.0044 0.0058 0.0065 0.0082 0.0092 0.0104 0.0178 0.0062 0.1026 0.1584 0.2009 0.2444 Um(m/s) 7.4517 13.4962 17.6069 20.6937 22.7339 24.1855 r 0.3630 0.4320 0.4160 0.4542 0.4290 0.4394 C 0.8333 0.8572 0.9157 0.8959 0.9281 0.9387 加速段总管长的计算： 加速段总干燥时间的计算： 四、 恒速断管长的计算 加速段结束后： 干燥器总长度： 干燥器总干燥时间： 附属设备选型计算 （1） 加料器的选型和计算 1.加料器的选型 气流干燥器装置所采用的加料器必须保证向干燥器连续均匀的加料。对于聚氯乙烯的干燥，综合其物性及加料量考虑，选用螺旋加料器。螺旋加料器宜于输送粒状、粉状、及小块状物料，密封性能好，操作安全方便，结构简单制造费用低，但输送过程中物料易破碎，零件磨损大，且不宜输送粘性哒、易结团的物料。 2.加料器的计算 根据题意查表：选取0.36，取值为50 查表求螺旋加料器的倾斜修正系数，选取输送倾斜角度为=0.7 t为螺距，对于粘度小的物体t=0.8D或D，取t=D 由于G=1210kg/h，=1400kg/ 根据式可计算出D=0.07m （2） 旋风分离器 旋风分离器是利用离心力分离沉粒的设备。其结构简单，造价低廉，没有活动部件，操作条件广泛，分离效率高。在本设计任务中，依据题意选取旋风分离器。 设进口风速为15m/s，查表选择CLP/A-9.4X型旋风分离器 其规格及性能如下： 型号 数量(台) CLP/B-9.4X 8797.6496 14.3331 834.1853 1 （3）空气加热器 为空气通过通风净截面的质量流速，单位为，先取 则所需通风截面积 由计算结果查化工原理设计导论表7-6确定选择型，其性能参数如下： 型号 散热面积 通风截面积 热介质通 过截面积 管束数 连接管 直径 mm 31.0 0.30 0.0062 31 50 重新计算得， 由表7-7中公式， 本散热器采用热介质为水蒸气，假定其工作压力为p=4atm，其冷凝温度为151.7则 串联台数 ，取整数，得6台 检查安全系数：(166.6-4*31)/166.6=11.6% 即安全系数为1.12，所选加热器合适。 由表7-7中公式得其阻力 综上所述所选的附属设备如下： 1. 螺旋加料器： JTC561 2. 旋风分离器：CLP/B-10.6 Y型 3. 空气加热器：型 4. 风机：9-26型离心通风机器 机号6.3 设计评价 一、对气流干燥器的评价 1. 干燥器的热效率： 2. 干燥效率 3. 干燥总效率 由以上计算知，干燥器具有以下特色： （1）干燥时间极为短暂，几乎在瞬间内（0.43s）便可以得到粉末状的干产品 （2）.粒子显著分散于气流中，全管的体积传热系数很大，可以最大的干燥速率将物料的湿分量降到最低 （3）物料与热风并流操作，且干燥时间短，故可以采用高温干燥介质，以提高气固的传热温差，同时物料在表面汽化段，操作安全 （4）干燥效率高，散热面积小，设备结构简单，造价低，只需一根直径为0.43m，长为的干燥管就可以了，工程上取三节长为3m的铝管就可以满足要求了 （5）气流干燥器，占地面积小，操作方便。 二、对附属设备的评价 在风机的选型过程中，采用两台风机同时进行工作，在加热器前面装一台送风机，在除尘系统后面装一台抽风机，即前送后抽式流程（负压操作），不但可以减少设备费用，还可以避免粉尘飞扬，有利于改善劳动环境。 心得体会 经过几周的奋战我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前，觉得课程设计只是对课本所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。 总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。 在此要感谢我们的指导老师易老师对我们悉心的指导，感谢老师给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。 通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对精