（冶金工程专业论文）氢氧化铝过热蒸汽气流干燥的设计研究.pdf

声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师酶指导下完成的。 论文中所取得的研究成果除稚以标注稻致谢酶地方外，不含 其 也人已经发表或撰写的婿究成果，也不包含本人鸯获褥其 他学位穗使用过的材料。与本入工作的同志对本研究所徽豹 任何贡献均在论文中 乍了明确的说明并表示谢意。 本人签名：壶亩 目赣：坪蹦。o 彝 东北大学t 程坝l 学位论支 氢氧化铝过热蒸汽气流干燥的设计研究 摘要 过热蒸汽干燥是近二十余年发展起来的一项新技术，它是指利用 过热蒸汽直接与被干物料接触而除去水份的一种干燥方式。与传统的 热风干燥相比，过热蒸汽干燥以水蒸汽作为干燥介质，干燥排出的废 气全部是蒸汽，利用冷凝的方法可以回收蒸汽的潜热再加以利用，因 而热效率高。或者直接用于加热水。并且水蒸汽的热容量要比空气大 一倍干燥介质的消耗量明显减小故单位热耗低。据介绍，过热蒸汽的 单位热耗仅为1 0 0 0 1 5 0 0 k j k g 水，为普通热风干燥热耗的1 3 ，是一 种很有发展前途的干燥新技术。本文研究了氢氧化铝过热蒸汽气流干 燥器，表明过热蒸汽气流干燥器适合氢氧化铝的干燥。具有产能大， 节能等优点。 山铝现每年需干燥氢氧化铝约二十万吨，全部采用热空气加热， 废气全部排空，废热回收潜力巨大。因此，有必要设计一种新型的干 燥设备，对废热加以回收。 关键词：氢氧化铝过热蒸汽气流干燥 东北人学t 程硕士学位论文 t h e s t u d y o u s u p e r h e a t e d s t e a mf l u i dd r y i n go f h y d r o x i d a l u m i u m a b s t r a c t s u p e r h e a t e ds t e a md r y i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e di nt h en e a r l y2 0 y e a r s ，a n di t i san e w t e c h n o l o g yo nd r y i n g s u p e r h e a t e ds t e a md y i n g t e c h n o l o g ym e a n st or e m o v et h ew a t e ro nt h e s u r f a c eo fm a t e r i a lt h a t n e e d e dt ob ed r i e d c o m p a r i n gw h i tt h ec o n m e nd r y i n gt e c h n o l o g i e s ， s u p e r h e a t e ds t e a md r y i n gt e c h n o l o g yu s es u p e r h e a t e ds t e a ma sd r y i n g m e d i a ，e m i s s e ng a si ss t e a m ，a n dt h eh e a to ft h eg a sc a nb er e c o v e r e d t h u st h eh e a tc o s to fs u p e r h e a t e ds t e a md r y i n gi sl o w e rt h a nc o n m e n d r y i n gt e c h n o l o g i e s i tr e p o r t e dt h a tt h eh e a t c o s to f s u p e r h e a t e dd r y i n gi s o n l y10 0 0 - 15 0 0 k j k g - w a t e r m a n ys t u d i e ss h o w t h a ts u p e r h e a t e dd r y i n g i san e w l yd r y i n gt e c h n o l o g y t h i ss t u d ys h o w st h a ts u p e r h e a t e dd r y i n g t e c h n o l o g y i ss u i to f h y d r o x i d a l u m i u m t h e r ea r en e a r l y2 0 0 k t h y d r o x i d a l u m i u mn e e d e dt ob ed r i e de v e r y y e a ri ns h a n d o n g a l u m i u mc o a n da l lt h eh y d r o x i da l u m i u ma r ed r i e d b yf l u i dg a st e c h n o l o g y t h e r ea r em a n yh e a tn e e d e dt ob er e c o v e r e d t h u si ti sn e e d e dan e w d r y i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：s u p e r h e a t e ds t e a md y i n g ，h y d r o x i da l u m i u m ，f l u i dg a s d r y i n g 6 东北大学下程硕_ i 学位论文 i 。i 裁言 第一章绪论 于爨是最舂老静单元操雩# 之一，然露它也是竣复杂、天织了瓣最浅熬技末， 在干燥技术的许多方丽纯在着“知其然而不知其所以然”的状况，因此大多数干 爆器魏设诗仍然依赖予小援模数试验及实际操终经验。有些予燥工蕊已趋艘熟， 也就是潞进一步的研究和发展已不能在投资上获得满意的回报。近2 0 年来，许 多新型干燥器投入市场，另终，一魑新的构想正处于实验研究阶段。随着全球经 济、技术的竞争日趋激烈，人们对肖效利淄能源、实现对环境逄好的操作及提高 产品质缴的意识在逐步增强。干燥技术的发展，必须通过革新的方式，进步地 逑行歼籀性研究，噬逑接时代酶搦战珏j 。 预测世界澈围内干燥技术的未来发展趋势相当困潍，而且是一种大胆的行 为。实舔主，瀵遵对手澡技术革薪_ 摹鞋柱会袭震需簧探讨，氇霉潋霹予澡技术静未 束趋势进行预测。一般干燥技术的发展仍将沿着实现：有效利用能源、提高产品 璇量及产量、减少强壤影嫡、安全操露、器予控秘、一凝多爆等方囱发震。县俸 讲，干燥技术的未来趋势将潜重于l l 2 j ： 一在壹接式干燥器中搜曩避热蒸汽作为予爆分鹱； 大量使用间接加热( 传导) 方式； 采用组合式传热方式( 对流、传导与介电或热辐射的组合) ； 在特殊情况下，使用容积式加热( 微波或高频场) ； 组合使用不同类型的干燥器或常规于燥技术； 采爝鬻断健煞方式： 运用新型或更为有效的供热方式( 如脉冲燃烧，感应加热等) ； 运蠲耨型气匿接触技术( 鳃二缀凑动臻、旋转凌囊臻等) ； 设计爱活、多用途的干燥器； 使t 耳l 摸糊逻辑、耪经网、专家系统等实现过稷魏控铡； 在线测量湿含量及产品质量等。 1 2 几种千燥器评述 1 ，2 1 流化床干燥器( f b o ) 流化床干燥器因其对可流化的颗粒的予燥具有许多优良特性面农近3 0 年十 分流行。流仡臻干燥器有许多形式，馥前它们被溺子干燥大量不同静枥料，不便 是颗粒物料，而且有浆料、连续网状和片状物料。不能自身达到流化的大块物料 爵淤在渗性夺鬏粒流纯庆中进幸亍干燥。在淘欹式滚位臻干燥黎中可遥遗调节热量 输入来保持床滕物料温度恒定，此控制方法不但节能，而且还可提高热敏产品的 矮藿。建立在搜凝逻瓣控裁蒸磊塞敷噩乏类子澡器基经遴入索场。 东北天学下程硕士学位论文 l 。播嚣骶；2 - 薅仓 ，- 纛辩舞 辩精# 4 - 慕襄净；5 一纛籁势囊膏 一j g e l e m 差t n ： ，一 i 斟机；e 一藏化麻；9 一谯热t ，1 0 - 戢m 舭 n 一空气斌矗嚣 1 2 。2 喷动床干蠛器( s b d ) 嘲l 流化磁千臻流褴 这种干燥器实质上是滚化床的改型，逡宜予予燥大鬏粒物料，它们豹特点是 买宵内部循环遴动和在顶层自由表筒的喷劝( 或称喷泉) 。颗粒的运动较在流化 床中的混乱( 或随机) 运动熨有规律。它们不仅w 以干燥大颗粒物料，而且可以 干燥浆状衽糊袄耪搴串。稠嗣肉帮逶气管、二维设诗或一种税械喷动俸用，可涪除 或降低传统的轴对称喷动床二f 燥器的一些弱点。对于主鼷由内部热质传递控制的 颗粒采鬻海歇喷凄或瓣续动懿煞空气送褥鬻歇蠡羹热匏方法可敬显著繁省链鬟【i 3 。 。2 3 冲击流干燥器( 1 国 冲赢流于溱器是对流热穗传递潮表瑟盼最好结构。为达鬟袋优徒 烫计，选择 正确的喷嘴尺寸和操作条件怒很重要的。冲击流干燥可以用于纸、胶片、纺织品、 涂瑟、薄板等广泛静王韭领域蠢薅每森；孛击骥赣缀绛之阗联结缎外热添。在 某些情况下，织物由射流支持，织物的表面受到热气流撞击达到无接触干燥。通 过j 重辕遴荣上糕层豹弦渡纯，渖壶滋干燥纛霹 ；乏怒予予澡鞭蔽竣碎片携秘。必了 进一步掇高干燥速度，寻找可提高传统冲击流热传递速度的方法是很重要的。一 手孛方法是在管状喷嘴上赡一个套环，使射出豹气流产生振荡和旋转，辩辑为豹垂 掇荡喷嘴，它能箍著提商传热速度。但迄今为止在干燥方面的应用还采见报导【l 引。 东北人学r 程硕t 学位论文 选+ 叠镶面 黯d 切向避料对摊流干燥机 9 遵q 捌3 牛翻：埘撞滩乖趱随 进料 稠5 弗瞪戢攒午操机 东北大学1 程硕士学位论文 1 2 4 对撞流干燥器( i s d ) 稿鬟盎盘 幽8 流化寐千攥瓣 由两股高速气流，其中釜少有股气流为两相流( 气流与湿颗卡盘液滴的混 合流) 迎面碰攮产生豹对撞区可获得很高的传热、传质速率。在这个区域内还可 以消除颗粒酶缩团、谶行液滴的雾傀和颗粒分散。由予惯性俸用大，大颗糙物料 在限定的反向流中具商较长的停留时间。因此，对撞流就形成了一个气流干燥颗 粒、襁凝裙彝浆液靛薅怒气流。经冗段对攘区螽，秘籽可这至g 掰需斡最终水分含 量。有人通过计算流体力学模型和模拟考焱了一种以过热蒸汽作为载体介质的新 型二维瑟撞滚干燥器，霞设降速干燥动力举呈幂滋数趣襻，在数蓬土醑究了过熬 魔、操作压力和射流嚣诺数的影响，建立了新的准数关联是式以表征此种分散式 于爆器豹性能。虽然这个模糍豹绩浆看起袋謦珏蠹道理，毽据霰验迁。这令摸墼l = 戛 测了关于颗粒中湿含麓和停留时间的数值分布函数。颗粒毕潺准数被认为较小， 在欧拉一拉格朗目摸拟中颗牧数耳最多为2 0 0 0 ，因为颗粒数强多，黉要的极时 太多。 1 2 5 声干撩 6 0 年前，融有关于高强度声场强化热质传递的报道。前苏联、日本、荚国 等国家已经设计、并在实验赛规模域，j 、规模范围斑试验了声增强转簿、隧道及流 化床干燥，但瓤于声利用低，还不适合于工业规模的应用。般在第一干燥速 度阶段，对表谳水分的排出声干燥的效果交好。幽于声发射器的效率低( 2 5 ) ， 磷j | = 只对菜些难于、贵重和小吨位的物科，声予缣才值褥考虑。另外，将声干燥 与其他干燥方法( 对流、介电等) 缀合使用也是w 行的。如红外与声辐射组合使 1 0 东北_ = 学工程顾十学位论文 用，在干燥石棉、瓷片等材料时已显示出优点。若保持相同的最终表面温度，在 声场( 7 h z ，1 5 0 d b ) 作用下，干燥速率为单独使用红外干燥的3 倍。 1 2 6 过热蒸汽干燥器 虽然以过热蒸汽代替空气或燃气作为干燥介质的想法已有1 0 0 多年的历史， 而且它的一些应用也有5 0 年的历史( 如在德国进行煤的干燥) ，但过热蒸汽干燥 器在市场上的大规模应用却只有2 0 年左右。市场上主要应用于间接加热料浆的 气流( 或称闪急) 干燥器( 瑞士) ；用于干燥甜菜浆的高压流化床干燥器( 丹麦 尼鲁公司) ；用于煤的干燥( 南非、澳大利亚、德国) ；木材的低压蒸汽干燥( 月 麦、德国、法国) ；用于干燥泥煤的高压气流干燥器( 芬兰) ；用于织物干燥的蒸 汽干燥器( 印度) 。 其他几种应用在小规模实验上已获成功，例如纸的干燥、丝茧的干燥、乳清 和食品的喷雾干燥等。低压蒸汽干燥看起来有无限的潜力。值得注意的是，大体 上任何一种直接式( 或对流) 干燥器均可转化为使用过热蒸汽作为赶做介质。 蒸汽干燥的优点众所周知，例如无氧化和燃烧的可能性，操作安全，快速干 燥，高效( 如果尾气可以再被利用的话) ，产品具有更好的质量等。不利的一面 是，投资高且整个过程适合于尾气可再利用的大规模生产。同时，不是所有物料 都能承受高温。因为能量消耗可以降低到蒸发每千克水耗能3 0 0 5 0 0 k j 。从能量 和环境的角度看过热蒸汽干燥是很有发展前景的，过热蒸汽干燥常被认为是二十 一世纪受人欢迎的干燥技术【l “。 当然，还有其他许多新的干燥技术，它们在目前处于不同的发展阶段，同样 值得重视。 卡文一格林费尔德过程。对于泥浆类废弃物的脱水处理有重要意义。 脉冲燃烧干燥。它是一种强化分散颗粒物料热质传递速率的方法。 添加非水溶剂或聚合物的冷冻喷雾干燥。 液滴撞击热表面干燥。 接触一吸附干燥。 干湿颗粒混合的浸没式干燥。 间断式干燥。 运用渗透压进行非热力脱水，象果类切片与高浓度糖浆进行接触脱 水。 感应加热移动表面( 如转筒的壳壁) ，实现间接加热，以提高效率。 运用膜技术回收干燥器低温尾气中水蒸汽的潜热( 无需使用庞大的换 热器) 。 等离子体喷雾干燥器，使用等离子体喷嘴获得的高温可瞬间使糊状物 干燥。 超临界干燥。胶体材料经超临界干燥，液态水分被气体置换，产生的 气溶胶具有惊人的物理特性。 置换干燥。采用置换液，将物件上的残留水去掉，且不留痕迹。 东北人学t ：粳硕 学位论文 1 3 过热蒸汽干燥技术 1 。3 1 过热蒸汽干燥技术简介 过热蒸汽于燥技术是近二十年发展起柬的干燥新技术，它是利用过热蒸汽直 接与被干杨辩接融而除去水分的一种干燥方式。与传统的热风干燥捐眈，遗热蒸 汽干燥以水蒸汽作为干燥介质，干燥机排出的废气全部为水蒸汽，利用冷凝的方 法可醚强浚蒸汽豹潜热再翔蔽帮嗣，因蔼热效率较毫。并显由于求蒸汽豹熬容量 露比空气大1 倍，干燥介质的消耗量明显减少，敝单位能耗低，过热蒸汽干燥的 单位热裁仅为1 0 0 0 一t 5 0 0 k j k g 隶，为簧逶热风予爆热耧豹l ，3 ，是一秘缀发震砉誊 景的干燥新技术i l “。 普遁热风于燥对物料表巍会形成硬壳，阻碍水分蒸发，瑶过热蒸汽于爆所弱 的干燥介质是蒸汽，不会形成硬壳，不会氧化褐变，收缩较小，故干燥的品质较 好过热蒸汽的传热系数大，予澡效率高，有时可达9 0 。 1 。3 。2 避热蒸汽干燥的发展n ” 早农1 9 0 8 年德国辩学豢裁提如了过热蒸汽于燥魏设想，黉讨论了这秘于燥 的优缺点。1 9 2 0 年，瑞典工程师k a l t e n 报道了根据h a u s b r a n d 的设想做的过热 蒸汽干燥试验，并研制了以过热蒸汽为于燥介质的批式煤炭干燥器。当对由于缺 乏必要的设备，以及设备费糟的增加，露加上能源价格较低和对环臻控制不严， 限制了这项技术的发展。5 0 年代开始人们才逐渐注意到过热蒸汽干燥的优点。 特掰是7 0 年代翡鼹源危辊，送一按术获褥了送一步嚣发耩焉的动力。在1 9 7 8 年 第一次出现了工业用的过热蒸汽干燥器。8 0 年代以来许多发达国家致力于这项 毅技本瓣薄整癍焉。有入把避热蒸汽于澡稼受是一秸京寒来爨蠢匿大灌力、实臻 可行的干燥技术。并鼠指出大多数过热蒸汽干燥的文献出现在6 0 7 0 年代，大多 数藏业黩溺出臻在8 0 - 9 0 年鼗。疆兹至少蠢l o 令于燥器裁造，在整爨范围内提 供商业用的一系列过热蒸汽干燥技术和设备。目前这项干燥技术已被应用于农 q k 、化工、轻工葶环僳等行般【“。 。3 。3 过热蒸汽于爆的优点。m 1 节煞效果避著 利用过热蒸汽俸于燥弁质节能效采已被穰多学者擀证实。瑞典学者甭过热蒸 汽干燥纸张，每吨耗能0 4 0 。5 g j ，丽用普通的闪蒸干燥机干燥则为3 + 3 ，5 g j 每吨 纸浆的蕊费宙1 9 美萄潞低到1 0 美强。荚滔t h o m a s 霜盘式逶熬蒸汽干燥橇千漂 陶瓷粉、染料，每吨汽耗花费从2 0 蒺镑降到2 英镑，节能达9 0 。德国b m a a g 磷铡豹裹压过热蒸汽予澡嚣子澡稳柴渣，陵形物含量崮3 0 予澡至9 0 ，攀位 热耗与普通的热风干燥相比【妇5 0 0 0 0 k j k g 降低到仅2 9 0 0 k j k g 。n i r o 公司1 9 8 5 东北夫学t ：程硕上学位论文 军开茇的裔监蠲压力瀛纯麻干燥辊精于颥粒或浆狡耪辩干臻试验证确与普邋韵 滚筒于燥相比节能达9 0 一且无污染，产品质量也得到改善。爱尔兰和前苏联 应耀一秘稼为“p e c o 瓣过熬蒸汽予澡辍予澡淀炭：= ! ：，攀经麓耗与骜遴热菇手澡 相比由3 0 0 0 4 0 0 0 k j k g 降低到1 7 0 0 1 8 0 0 k j k g ，瑞典研制的一种过热蒸汽干燥机 予蠼泥炭蕈姣蒸发爨豹娆怒仅为磐逶热熬于燥靛1 6 - 1 7 。 英国学者s t u b b i n g 认为，在一般的水蒸汽中总热能大约8 4 为潜热，1 6 为摄热。传统的于燥枫利用大量的热风带走从被于物料蒸发的水，撼_ 出的废气中 包含的大量蒸汽潜燕搬难在有用的濑度下豳收。例如，现今一般的连续纸张干燥 器，废气中包含1 5 的水蒸汽，这种废气的饱和温度为5 3 0 c ，为了回收这部分 潜热，需冷却弱4 0 0 c ，大多数工厂不髓乖用这样溢度下的废热。而采用遥热汽 干燥，排出的废气仍然是水蒸汽，温度保持在1 0 0 0 c 以上，可经过冷凝、压缩和 多缓干澡霞l | 雯葵潜熬。 2 ，千纛产品品质好 采丽过热蒸汽干燥的另一个主要的原毽是产黼的质鲞褥鳓显著静改善。关于 用过热蒸汽干燥提高产品的鼎质和等级，网外有不少报道。1 9 2 0 年，k a r o r 通过 试验涯鞠翔过熬蒸汽干澡洋鑫菜帮牧摹产晶静颜氇保持鲜艳。1 9 6 3 年，y o s h i d a 和h y o d o 指出用过热蒸汽干燥醋酸纤维时，其强度与普通的干燥方法相比有很 大提衰。1 9 5 0 年，k o l l m a r m 爆过热蒸汽予澡规予燥本孛葶褥到受搬均麓靛滠含量， 在纺织品干燥中用过热蒸汽干燥可避免显著的染料迁移现象。试验证明，用过热 蒸汽予蠊一秘煤炭熊将其中歉类禽曩的1 3 一l 坦提取出寒，与热风予燥摆比，煤 在燃烧时能减少炉垢，从而键高煤的等级。s a l i n 比较用过热蒸汽干燥和热风于 燥过的水材发现，前者除了用较低的湿含缀外，其弯曲强度和拉伸强度都优于后 者大多数物辩在热风中干澡形成硬壳。雨t o m b i r o 和k s t u o m o vh y o d o 研究表黉 用过热蒸汽干燥表面无硬化现象，这对热质传递憋有利的。他们通过用过热蒸汽 干燥一种速食方便面发瑗蓠鬻形成一释多孔结稳在燕承串禳浚交软，精后者萸| j 昆 较。轻硬。 3 传热传质效率离 过热蒸汽有效的传热系数，p o t t e r 和k e o g h 用流化床干燥煤炭得出过热蒸汽 予澡时佟煞系数为2 0 0 5 0 0 w ( m 2 k ) ，丽煞风搅箨式予澡梳佟热系数仅兔2 0 一5 0 w ( m 2 k ) 。 过热蒸汽干漂，凌予整个繇壤饺有一耱气薅簸分存在，本分麸秘辩表器蠹蒸发 移动不熙通过质的扩散而是以压力麓产生的体积流作动力，c h u 等人研究证明对 予囊径炎l r r a n 豹永凌在1 5 0 0 c 熬过热蒸汽孛只鬈1 0 冬i m 2 憨疆力差辩可为蒸汽 的扩散提供充分的驱动力。因此，在实际过程中从颗粒的表面移去蒸汽的阻力可 以忽略。过热蒸汽于燥无气膜黄质隰力。 众所周知空气的院热容为l k j ( k g k ) ，丽过热蒸汽的比热容为1 9 6 k j ( k g k ) 。 蒸汽有较商的比热容，因此，传递定的热量需的质量流量较少。同时，这也能 帮助减少设备静体积和花费。质量流量斡减少对废气的净讫墩建菲常有莉的。 东北夫学下程硕 学位论文 4 安会性好 过热蒸汽干燥由于无空气存在，没有氧化和燃烧反应。因此，对于煤炭和其 他可燃物料无爆炸起火数危黢。对予一些不能莠l 热风于燥的食品原料，可以用过 热蒸汽干燥。遂。一点怒热风干燥无法相比的。 5 过热蒸汽午燥有利于保护环境 随着社会的发展，人们越来越认识到控制环境的重癸性。过热蒸汽干燥是在 密封条传下进行，对于一些携料的予燥不会对强壤造成污染。镪絮，月过热蒸汽 干燥煤和纸张可以减少c 0 2 釉硫化物的排掖量，使空气中粉尘的含髭大大降低。 再例如，对于热风于燥会发如恶臭的城市垃圾、污泥等，用过热蒸汽干燥臭味都 可以清除。 6 过热蒸汽舆有灭菌消毒作用 过热蒸汽工作时物料温殿超过1 0 0 。c ，在这样的温度下一些要求灭菌的食品 秘药品不仅能于燥，且能消灭细菌嗣其他簿毒微生物。 另外，宙予过燕蒸汽有摘提作粥，对菜些产黼还可戳从凝结器中涵收肖精的 化学物质。 1 3 4 过热蒸汽干燥的缺点 1 ，过热蒸汽手燥设备投姿大 获瓢壅上游，妊傍鬻于熬溅予爨熬予燥器，臻霹改为鬻过热蒸汽佟秀干燥介 质的干燥器。然而，由于用j 登热蒸汽干燥，不能肖气体泄漏喂料和卸料不能有空 气渗入。霉要笈杂戆喂辩系绫裁产熬羧集系统，骞粒述寅疲气强牧系统。爱戴， 设备费用高。弱外，还有些物料对机械设备的材质要求商。对有腐蚀和锈蚀的地 方需用比锈钢专毒料，也正是由于设搭豹复杂也导致了过热蒸汽手燥较赢的维修费 用。 2 过热蒸汽喂料翁产生结露现象 过热蒸汽干燥，灏度超过1 0 0 ，当喂入大气温度条件下的物料时，将其加 热到蒸发温度的过程中有时会窍凝络现象产生。t r o m m e l e n 襄c r o s b y 磅究表明， 一个初始温度为t o 的水漓暴露在1 5 0 ，1 0 5 p a 压力下的过热蒸汽中，重量增 加1 2 5 。这就意味蛰干燥时间要加长以使凝结的水分得以除去。对于初始水分 鞍低的街料，这部分凝结水分要占蒸发东分很大部分，这将羲著增加干燥时间。 例如，初始湿宙量为1 0 的3 0 的砂子放在1 5 0 的过热蒸汽中会增加4 0 的 东北人学t 程硕 ：学位论文 水分。此外，在干燥机的起动和停止时，这种凝结现象也常出现。因此，过热蒸 汽干燥对物料的喂入温度有较高的要求。 3 过热蒸汽干燥不适合热敏性物料 由于过热蒸汽干燥物料温度超过1 0 0 。c ，这对于一些热敏性物料是不适宜的。 4 过热蒸汽干燥不能获得较低的湿含量 过热蒸汽二j 二燥由于涉及到被干物料和过热蒸汽的平衡问题，在这些情况下有 些物料很难获得较低的湿含量。 1 4 山铝公司干燥设备技术状况 山铝公司每年有大约2 0 余万吨的产品需要干燥，需要干燥的产品有：4 a 沸 石、拟薄水铝石、氢氧化铝等。物料的含水率差别很大，含水率最低的氢氧化铝 只有8 - 1 0 ，含水率最高的拟薄水铝石含水率可大6 0 7 0 。物料的性质差别也 很大，氢氧化铝为散状物料，而拟薄水铝石为膏糊状物料。采用的干燥设备有： 耙式干燥器、盘式干燥器、箱式干燥器、强化沸腾干燥器、旋转闪蒸干燥器等， 这些干燥器的选择即有由于历史原因，也有为适合物料性质，也有为节能采用的 新型干燥器，如旋转闪蒸干燥器。无论那种干燥器，干燥产生的废气都净化后排 到大气，其中的热量也随废气排空，并对环境造成热污染，在局部地区形成热岛。 若能回收热能，既可回收热能，又可减少环境污染。但由于现在的干燥器采用的 是空气为热载体，废气为饱和了水的空气，而且温度很低，因此对热能的回收有 一定的困难。采用过人蒸汽代替空气作为热载体，即采用过热蒸汽干燥技术，因 为烘干产生“废气”全部为水蒸汽，就可对热能进行回收。本文就是设计一种用 过热蒸汽为热载体的气流干燥器。 东北人学t 程硕1 ：学 立论文 第二章过热蒸汽干燥的理论研究 2 1 过热蒸汽的特性 2 1 1 过热蒸汽的逆转点 利用过热蒸汽干燥时，存在着一个温度，在此温度以上时，用过热蒸汽蒸发 的水分量大于用空气蒸发的水分量，在次潺度下时，则正好相爱，次滠度叫嚣“逆 转点”。 2 。l 。2 过热蒸汽于爨时的蒸汽援露警鬻水分【l 】 与普通热风干燥不同，过热蒸汽干燥用蒸汽作为干燥介质，传质阻力小，无 表饔蚕结壳糯象，物料 鑫发达到对瘟压力下漭煮温度，分骚襄兹籽豹平衡东分较低。 b e e b y 和p o t t e r 认为，在过热蒸汽干燥时，由于只有一个汽态成分，干燥机内蒸 汽艇等于蕊的压力，魏聚要除去壤料中戆拳分，努矮使溺嚣豹蒸汽匿小于叁国隶 分的蒸汽压，温度应商于水分对应膳力下的沸点。在0 1 m p a 条件下，温度最低 要达至1 0 0 0 c 。关于过热蒸汽干燥时驰平褥水分，c k 等发现，用过热蒸汽烘于 砂予，平衡水分可达到0 。p o t t e r 认为，用过热蒸汽烘干矿物质( 如氢氧化锚的 结龋) 最终的平衡水分小于o + 1 。对于毛细管多孔物料，由于物料中水分分界 面的益度，秘料中韵缓蒸汽殛减小，因丽要求温度高于沸点溢度。尽管物科的结 构不同，但随着过热度的增加湿含量迅速减少的趋势是一致的。 嘲? 进热蒸汽干燥执 2 。2 过熬蒸汽于燥的传热簧质 岱 众爱溺翔，对予一觳靛熬熙于爨过程涉及骜予澡舟矮与湿物精静传熟佟覆， 一般可分为3 个主要阶段。第一阶段是加热升温期，这个时期湿物料吸收热屋， 驮坯壤遗浚上舞剥开戆蒸发本分款瀑度接蓑变是蠖速于潆除段，在遽逡于澡祭静 1 6 东北人学t 程硕_ i j 学位论立 r ，只要保持物料表面湿润，水分的蒸发速度就不会改变。当水分降到不足使表 而保持湿润时，进入降速干燥时期。w e n z e l 和w h i t e 以及日本的桐荣良三研究 证明，在过热蒸汽干燥过程中，并不改变干燥过程的一般特性 2 2 1 加热阶段 在热风和非凝气体干燥中，加热阶段使干燥介质的湿热发生变化，湿物料的 温度上升到湿球温度为止。在过热蒸汽干燥中，干燥发生在介质对应压力下的沸 点温度，因此，在加热段涉及到大量的热传递。b e e b y 和p o t t e r 的研究表明，如 果蒸汽的过热度不够，会产生蒸汽凝结在湿物料的表面，凝结的数量取决于被干 物料的热特性、湿含量及干燥蒸汽的过热度。 2 2 2 恒速干燥阶段 在热风干燥中恒速干燥阶段传热从热气流到湿物料表面是通过一个气膜，水 分的扩散是从湿物料的表面通过这个膜到热气流中。然而在这过程中驱动力是各 自的，前者主要是热气流与湿表面的温度差：而后者主要是湿表面与热气之间的 蒸汽分压差。 在过热蒸汽干燥过程中，b e e b y 和p o t t e r 的研究表明，热传递也是通过蒸汽 膜到干燥物料湿表面，其驱动力仍是过热蒸汽流与湿表面的温度差。与热风干燥 不同的是湿表面的温度不是湿球温度而是在对应压力下沸点温度。对于质传递， 由于只有一种气体成分存在，水分从湿表面移动不是通过扩散作用而是通过压力 差产生的体积流。c h u 等人研究指出表面温度增加仅百分之几就能提供足够的压 力差去促使水分从湿表面移走。因此实际上这种传质阻力可以忽略。s h i b a t a 研 究表明，在过热蒸汽干燥恒速段能大大降低临界点湿含量，这就意味着显著缩短 干燥时间。 在恒速干燥段表面温度保持在干燥机操作压力下的沸点温度。由于过热蒸 汽干燥温度高，水分扩散系数大。既然在恒速干燥段不受颗粒表面水分蒸发的影 响，干燥速度主要取决于介质和物料的温度差和传热系数。桐荣良三研究表明， 在过热蒸汽干燥中恒速阶段比在热风干燥要长，这说明在过热蒸汽干燥中，水分 更加活跃。此外，无论在空气，蒸汽或二者混合气体中，对液滴的传热系数均可 用同一个公式表示 n u _ 2 十o 6 r e l 2 p r l ，3 l e e 和r y l e y 对热风中和蒸汽中的水滴干燥进行了研究，认为传热系数关联 式形式虽然相同，但系数不同，对于热风干燥为0 6 ，蒸汽干燥为0 7 4 。 2 2 3 降速干燥阶段 干燥过程中一旦物料表面不再保持湿润，干燥速度即开始下降，进入降速 干燥阶段。在此阶段，被干物料内部水分和热量的传递变成干燥速度的主要限定 因素。干燥速度变成由干燥材料的性质而不是由蒸汽的性质决定。y o s h i d a 和 h y o d o 指出在降速干燥段用过热蒸汽干燥形成的多孔的表皮使气体的渗透性好， 同时，由于温度高，水分子更加活跃，使干燥速度比在热风中快。 从以上分析可见，利用热风干燥和过热蒸汽干燥的干燥过程的性质是相似 的，主要差别是过热蒸汽干燥加热段的冷凝和恒速段起始温度的不同。整个干燥 速度可以比热风干燥快，也可以比热风干燥慢，其决定因素是传热系数，凝结水 的数量，蒸汽的温度是低于还是高于逆转点温度。热传递的速率可用一般干燥时 东北人学t 程硕卜学位论文 所使用方法进行预测。而传质阻力可以忽略不计，蒸汽和物料内部水分移动阻力 戆城少霞予溪段瓣速凄瞧淀热藏于燥抉。 本文设计的是一种利用过热蒸汽干燥鲺氧化铝设备，氢氧化铝是1 种散装 物糕，适宣于蠲气流予燥方式，本文设计戆是产钱3 睫孙时豹避热蒸汽气流干 燥器。 东北人学t 程硕卜学位论文 第三章气流干燥弟二早、沉十臊 气流干燥也称“瞬间干燥”，是固体流态化中稀相输送在干燥方面的应用。 该方法是使加热介质( 空气、惰性气体、然气或其他气体) 和待干燥固体颗粒直 接接触，并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，因而两相接触面积大，强化了传热 传质过程，广泛应用于散状物料的干燥单元操作。本设计是用过热蒸汽为干燥介 质，代替空气h 1 。 1 叫最机；卜袋式除尘嚣l ，- 叫辛气管# 卜旋风棘坐器i5 - - 予饿警 p - 螺旋加辩嚣i7 一翻热器i 卜一鼓飙辊 3 1 气流干燥的特点 豳b q 濉千燥涟稳嘲 气固两相间传热传质的面积大，固体颗粒在气流中高度分散呈悬扶状态。这 样，使气固两相之间的传热传质表面积大大增加。由于采用高气速( 2 0 4 0 m s ) ， 使得气固两相间的相对气速也较高，不仅使气固两相具有较大的传热面积，而且 体积传热系数l l a 也相当高。普通直管气流干燥器的h a 为2 3 0 0 7 0 0 0 w ( m 3 k ) ， 为一般回转干燥器地0 3 0 倍，热效率高、干燥时间短、处理量大 气流干燥采用气固两相并流操作，这样可以使用高温的介质进行干燥，且物 料的湿度愈大，干燥介质的温度可以愈高。气流干燥器结构简单、紧凑、体积小， 生产能力大。 气流干燥器的体积可以用以下公式计算【4 】： v = q h ，a t 。 式中： v ：干燥器的体积，m 3 ； q ： 热流量，k j h ： h v ：单位干燥器体积传热系数，k w ( m 3 k ) t m ：进出口气固相的温差，。 气流干燥器结构简单，在整个气流干燥系统中，除风机和加料器以外，别无 东北人学丁程硕士学位论文 其他转动设备。 i - 端蜣鬟；2 一撼台赫# ，一千辩分配眷 扣颤辑嚣 5 一壤风豫鸯重； 6 排崩机；干爆管；8 - - 冲击式糖摩矗 嘲9 带存粉碎帆帕气轿e 千爆端囊 3 2 气流干燥的适用范围 气流干燥系统要求以粉末或颗粒状物料为主，其颗粒粒径一般在o 5 0 7 m m 以下，至多不超过l m m 。气流干燥适用于物料湿分进行表面蒸发的恒速干燥过 程：待干物料中所含混分应以润湿水、空隙水或较粗毛细管水为主。因此，氢氧 化铝适合用气流干燥的方式进行干燥。山铝公司现在采用的旋转闪蒸干燥器也是 一种气流干燥器吼 东北人学t 程硕十学位论文 第四章过热蒸汽干燥氢氧化铝 气流干燥器设计 4 ， 设计基本数据： 氢氧化铝产量：娩，3 0 0 0 k g h ： 氢氧化铝进出干燥器的湿含量：w l ，w 2 2 5 、0 3 瀑氢氯化铝进口瀑发，l ；2 0 干氢飘亿铝筛分数据：平均粒径d 。；2 0 0 u m 干燥篱中气流速度v 。 过热蒸汽温度t i ，4 0 0 c ； 出干燥管温度t 2 ，1 1 0 ； 揉佟设备中燕损失qa ， 氢氧化铝比热容c 。，1 2 6 k j k 9 1 2 氢氧像铝密发p 。，2 0 0 0 k g m 3 氢氧化铝热导率 。， 4 2 基本假设 1 )颗粒在于燥过程中由于水分的除去而引起的粒径变化，密魔变化可忽 略去不诗； 2 )颗粒是圆形的； 3 )在于煤管中，颗粒稳匀分数悬浮予气滚中，纛程蔓糇缝瑗象； 4 )颗粒进入干燥管后，颗睾立浓度对其运动轨迹的影响可以忽略去不计。 设搀气温度为n o 。 4 。3 气流平燥器计算 4 3 1 秘料衡算及热量衡算 1 ) 物辩饕舞 绝于物料摄g o = 3 0 0 0 xl ( 1 + 0 2 5 ) = 2 4 0 0k g h 干燥去除的水分纾，_ g o ( x 2 - x t ) w = 2 4 0 0 ( 0 2 5 0 。0 3 ) = 5 9 3 。l 靶辨 加热气体的物料平衡5 9 3 = l ( 玛一0 0 2 5 ) 2 1 东北人学丁稷顿f 学位论文 2 ) 热量平衡 已设排气温度t 2 1 1 0 ，再设物料出口温殿t f n 2 = 1 i o 。c ，则进入干燥管 熬气俸热埝 矗= l + o l + 1 8 8 xo 0 2 5 ) x 4 0 0 + 2 4 9 0 x0 0 2 5 = 4 8 5k j k g 离开干燥管的气体热烩 1 2 一f 1 0 1 七1 8 8 y 2 ) x 9 5 _ 2 4 9 0 y 2 * 9 6 + 2 6 6 9 y 2 全干燥管进行热= 黢平衡 4 8 5 l + 2 4 0 0 2 6 + 4 1 8 6 x0 2 5 ) x 2 0 一 l f 9 6 0 + 2 6 6 9 y 2 ) 士2 4 0 0 m 2 6 x 4 1 8 6 x0 0 0 3 ) x8 0( 2 ) 将( 1 ) 和( 2 ) 两联立，并解得 予澡瘸热气钵嚣l = 5 2 5 0 m 3 h 3 ) 校核物料出口温度t m 2 进行校核 n 。，戈。，。- 2 6 x 3 4 x ( ；j i ；) 船 9 5 * t m 2 。( 9 5 _ 6 1 ) 芏虿弱蠢i 溺j 茏磊囊一 = 3 4 x 7 , 0 1 6 4 矿- 5 3 0 7 1 4 4 3 2 加速运动段干燥管直径及高度计算 1 ) 加速道动段干燥管岚径d 已知：取v g = 2 9 4 m s ，t l2 4 0 0 ( 2 玢一o 0 2 5 k g h 2 0 k gh 。1 9 8 藏5 3 5 0 x 1 9 8 3 6 0 0 = 互1 鑫2 x 2 9 。4 得d = 0 3 5 6 n l 2 ) 预热带干燥管高度的计算 ( 玲已翔粕，- 2 0 ，物籽湿球温度必6 1 ，故预热带掰需燕鬣为 j = 2 4 0 0 x i 2 6 + 0 2 5 x 4 1 8 6 ) x ( 6 1 2 0 ) = 2 2 7 0 0 0 k j h 妊玲搬热气体鲍热量簿雾 2 2 7 0 0 0 = 5 3 5 0 x1 0 5 5 x f 4 0 0 一t ) 查! ! 叁堂三堡堡! 三堂笪丝壅 得，= 3 6 0 0 故在此段内，平均温度= ( 4 0 0 + 3 6 0 ) 2 = 3 8 0 。c 平均温度，k = y ，= 0 0 2 5 ，鹰得气体各项的物理性质为：v y = 1 9 6 ( 比容) p g 一( 1 + o0 2 5 ) i9 6 = 0 5 2 2 ，p g 一3 j 7 5 xi o 一5 2 9 2 34 4 x1 0 - 2 g 的定性温度为( 3 8 0 + 6 1 ) 2 2 2 2 1 】 ) 加速运动段预热带颗粒与气流间的传热量及r e 的计算，用公式 进行计算 g = 4 ， _ ( r e t m _ r e , o 0 6 ) + t a 砑r ( _ 忑k 弭瓦当雨) a ，= i 4x 堡蔓竺安罴必k j m a ，5j x 而而一川n 式中 r e = 讳( v g v m ) p ug = 2 x1 0 _ 4 ( y g y 研) x 0 5 2 2 3 1 7 5x1 0 。5 2 3 2 8 ( y g y m ) n ：j 4 垡等觥器亳等巡一s 叭x 1 0 6 a 2j 。1 丽瓦了而聂而：广一2 b u 1xo ” 平均温差( 蛳) m _ ( 4 0 0 2 0 ) 一( 3 6 0 6 1 ) 1 n ( 揣) = 3 3 8 c 爿r = = 1 0 8 在预热带内之平均气速 v s 2 c g 3 6 。百1 n 。2 ，xv v2 ；：；j ：j i 蒜x 1 9 6 = 2 9 1m s 故只e = 3 2 8 ( 2 9 t v 曲= 3 2 8 ( 2 9 1 一o ) = 9 5 5 ，所以r e = 9 5 5 东北人学工程硕j 学位论文 代入卜式可得 咖) 们= 2 2 7 0 0 - 8 0 1x1 0 6 丧( 9 5 5 0 0 6 一r e , o 0 6 ) + 而1 0 8x ( 由 没r e = 7 6 9 ，则上面等式右边项为 g ，- 8 0 1x1 0 6 亡( 9 5 6 7 6 尹6 ) + 雨1 0 8x 扣一裹_ ) = 2 2 7 0 0 0k j h 故预热段终了之r e = 7 6 9 从r e = 3 2 8 ( 吁v 珊) 式中求相应的颗粒运动速度 ：v g 轰= 2 9 1 一丽7 6 9 7 m s 4 3 3 预热带干燥管的高度计算 预热带自r e = 9 5 5 ，v 。= 0 开始，至r e = 7 6 9 ，= 5 7 m s 结束。由于 如数值均处于过渡区内，故干燥管高度h 的计算应用过渡段下式计算 h i 訾学击击，盘c r c 0 5 + 箭( 由一菇1 ) 一上1 0 0 d 生p p g 忐- 两1 ) 】 型3 焉x31掣78x1 0 学办9 由9 5 ) 】 。3 l 57 6 ”35 。， j 器导矬二x ( 9 5 - 5 0 5 765)x2xx05 2 2 。 1 0 叶 a， j 2 4 东北人学工程硕士学位论文 1 0 8x2 9 111 + i i 矿一( 7 - g - 可9 。虿碍) 3 7 1 8x1 0 0x1 0 8 3 ，3 5 9 4x ( o 0 6 8 1 0 0 6 1 1 + 0 0 0 0 9 2 7 0 0 0 0 8 2 2 ) 0 0 2 3 8 m 4 3 4 表面蒸发带干燥管高度的计算 ( 1 ) 物料湿含量由0 2 5 至0 2 0 区间 x ( 去一虿两1 ) 作热量平衡，求物料干燥至湿含量为0 2 0 时气体的温度f 5 3 5 0x1 0 5 5x ( 3 6 0 0 2 2 4 0 0 x ( 0 2 5 0 2 0 ) x 2 5 2 3 + 1 8 8 0 6 1 ) 】 解之得f = 3 0 0 该段内气流与颗粒间的给热量及r e 的计算干燥所需热量 得 q = 5 3 5 0 x1 0 5 5 ( 3 6 0 3 0 0 ) = 3 3 8 6 5 5k j h 该段内的平均气速 x1 8 1 = 2 6 9 m s r e = 2x1 0 4x0 5 7 2x ( 2 6 9 一v 卅) 3 0 1 8 4 x1 0 。5 = 3 7 8 ( 2 6 9 一岫 v m = 5 7 r n s 故该段开始之r e = 3 7 8 ( 2 6 9 5 7 ) = 8 0 1 传热平均温度差 爿，：! 兰- 生j ! ；兰j 墨立i q 墨；攀：6 5 7 4 x1 0 6 kjh3“x1000x3 0 2 x 1 0 。 “ 东北人学丁程颂j 学位论文 爿r 4x9 8 1xf 2x1 0 。4 1 jx2 0 0 0 x0 5 7 2 1 寻百面未百丽r 一。1 3 1 将上述各数值代入给热量q 计算公式得 9 1 i = 3 3 8 6 5 5 = 6 5 7 4 x 1 0 6 丧( 8 0 眇5 设r e = 5 4 ，则上式右边各项得3 4 1 7 3 7 ， 故该段终了之r e = 5 4 与r e = 5 4 相应之颗粒运动速度为 r e ，) 0 0 6 + 雨1 3 1 ( - r e - - t m - - 。- - 4 丽扣) 】 基本和q i i 相等。 r p = 3 7 8 ( 2 6 9 一v m ) v 。= 三i 堡二掣= 1 2 6 m s 4 3 5 表面蒸发带物料湿含量自0 2 5 至0 2 0 区间干燥管高度的计算 r e 一8 0 1 2 ( = 5 7 r r d s ) ，r e 5 4 ( = 1 2 6m s ) = 2 6 9 ，g = 3 0 1 8x 1 0 ，喀= 2 x 1 0 4 ，p 。= 2 0 0 0 ，a r = 1 3 l 胁= 篝争学南一南，一盘c k “5 一k 0 5 ， + 案去丽1 ) 一上1 0 0 d 址p og 意- 丽1 ) 】 4 xr 2x1 0 - 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