（化工过程机械专业论文）粘胶短纤维干燥动力学研究及干燥机匀风板模拟.pdf

摘要 摘要 对含水的粘胶短纤维进行干燥和热定型，是纺织行业的一个重要生产过程， 该过程不仅决定了干燥后成品纤维的物理机械等性能指标，对纤维的最终品质 也有着决定性的影响，同时这个过程也是一个极其耗能的过程。本文针对粘胶 短纤维干燥常用的链板式干燥机中粘胶短纤维的干燥特性，以及链板式干燥机 内热风流场和压力场进行了研究，其成果对提高粘胶短纤维干燥效率，降低干 燥过程的能耗具有一定指导意义。其主要研究成果如下： ( 1 ) 设计了粘胶短纤维的干燥实验装置，在此装置上，分别测定了热风温 度1 0 0 1 4 0 0 c ，纤维层厚度9 0 1 7 0 m m ，热风风速1 2 1 6 m s ，纤维层含水率9 0 1 7 0 四个工艺参数对干燥过程的影响规律。 ( 2 ) 在实验研究的基础上，建立了粘胶短纤维的干燥动力学模型 m r = a e x p ( - b o + c ，并得到了待定系数的表达式，并且对其进行了实验验证。结果 表明模型的计算值和实验值吻合较好，能较为准确的反应粘胶短纤维的干燥特 性。其中爿，b ，c 的表达式分别为： a ：4 3 2 0 4 4 3 2 4 1 t 一7 6 2 5 7 v + o 0 11 t 2 + 2 2 0 3 9 v 2 b ：- 0 7 3 9 + 0 1 2 t + 0 2 3 v 一5 2 8 5 幸1 0 - 5 t 2 c ：7 6 3 2 6 2 4 8 2 t + 115 9 7 6 v + 0 0 1 t 2 4 0 5 5 2 v 2 ( 3 ) 基于a n s y sw o r k b e n c h 对链板式干燥机进行了模拟计算，对不同开 孔率的匀风板内部流场和整体压力分布进行了模拟，得到了匀风板一、二、三 区的开孔率分别为1 8 5 、2 5 7 、2 2 5 时，可以使纤维层上部的风速更加均 匀，能达到更好的纤维干燥效果。 关键词：粘胶短纤维；干燥：数值模拟：链板式纤维干燥机 a b s t r a c t a b s t r a c t d r ) ，吨a n dh e a ts e t t i n go fh y & o u sr a y o ns t a p l ei s o n eo ft h e i m p o r t a n t p r o d u c t i o np r o c e s si nt e x t i l ei n d u s t r y t h i sp r o c e s sn o to n l yc o n f i r m st h ep h n r s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff i n i s h e dp r o d u c tf i b e ra f t e rd r y i n g ，b u ta l s oe f f e c t st h ef i n a l q u a l i t yo ff i b e rd e f i n i t i v e l y m e a n w h i l e ，t h i sp r o c e s si sa l s oae n e r g y i n t e n s i v e p r o c e s s i nt h i sp a p e r , t h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr a y o ns t a p l ed r y i n gi nt h et h r o u g h c h a i np l a t ed r y e ra n dt h ef l o wf i e l da n dp r e s s u r ef i e l do fc h a i np l a t e d r y e ra r e r e s e a r c h e d n er e s u l t sh a v eac e r t a i n g u i d i n gs i g n i f i c a n c eo ni m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c yo fv i s c o s es t a p l ef i b e ra n dr e d u c i n gt h e e r g yc o n s u m p t i o no ft h ed r y i n g p r o c e s s n l em a i nr e s e a r c h e sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s e t t i n gu pas i m u l a t i o ne q u i l ：i m e r i ti nt h el a b o r a t o r yo nt h eb a s i so fr a y o ns t a p l ed r y i n gi n t h et h r o u g hc h a i np l a t ed r y e r t h ee f f e c t so ff o u r f a c t o r so nt h ed r y i n gp r o c e s sw e r es t u d i e do nt h e s ec o n d i t i o n s ：t h ea l rt e m p e r a t u r e10 0 - 14 0 0 c ，t h em a t e r i a lt h i c k n e s s9 0 17 0 r a m ，t h ei n l e ta i r v e l o c i t y l 2 - 1 6 m s ，t h ew a t e rr a t i oo fm a t e r i a l9 0 1 7 0 o nt h e b a s i s o ft h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，u s i n gm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sm e t h o d ，m o - d e lc o m p a r i s o n ，ak i n e t i cm o d e lo fr a y o ns t a p l ed r y i n gw a sb u i l da sf - o l l o w s ：m r = a e x p ( 一b t ) + c ，a n dt h er e s p e c t i v ee x p r e s s i o no fa 、b 、c w e r ep r e s e n t e d 1 1 1 em o d e lw a st e s t e db yt h ee x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e le s t i m a t i n gv a l u ew e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a ；t h em o d e lc a nb eu s e dt od e s c r i b et h ed r y i n gc h a r a c t e r - r i s t i co fr a y o ns t a p l e 乃ee x p r e s s i o no fa ，b ，ca r el i s t e da sf o l l o w s ： a = 4 3 2 0 4 4 3 2 4 1 t 一7 6 2 5 7 v + 0 0 1 1 t 2 + 2 2 0 3 9 矿2 b = - 0 7 3 9 + 0 1 2 r + o 2 3 v 一5 2 8 5 1 0 一丁2 c = 7 6 3 2 6 2 4 8 2 丁+ 1 1 5 9 7 6 v + o 0 l r 2 4 0 5 5 2 y 2 ( 2 ) t l l ef l o wf i e l do fl a r g es i z ec h a i np l a t et e x t i l ef i b e rd r y e ri sr e s e a r c h e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s e do na n s y sw o r k b e n c h w i t ha i rd i s t r - i b u t i o np l a t eo fd i f f e r e n ta p e r t u r er a t i o ，t h ei n t e r n a lf l o wf i e l da n dt h e o v e r a l lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni ss i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e = e r t u r er a t i oo fa i rd i s t i l b u t i o np l a t e1 ，2 ，3a r e18 5 、2 5 7 、2 2 5 s e p a r a t e l y , w h i c hc o u l di m p r o v et h en o n - u n i f o r m i t yo fa i rd i s t r i b u t i o nc o i i a b s t r a c t n d i t i o na b o v ef i b e rl a y e ra n di n c r e a s et h em e a nv e l o c i t yo fu p p e ra r e a o ff i b e rl a y e ra n da c h i e v eb e t t e rf i b e rd r y i n ge f f e c t k e y w o r d s ：r a y o ns t a p l e ：d r y i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c h a i np l a t ef i b e rd r y e r i n i 绪论 1 绪论 化学合成纤维在人类的生产生活中起着重要的作用，是人类生产生活中的 基本必需品。同时，在纺织行业中，化学纤维也是极其重要的成产原材料。而 我国作为国际市场中的一个纺织大国，化学合成纤维生产在我国的纺织行业中 占据着重要的地位并具有巨大的意义；同时在促进国民经济稳定发展方面，也 起着举足轻重的作用。据日本化纤协会2 0 1 0 年1 月3 0 日公布的新闻稿显示， 2 0 1 0 年，世界主要纤维生产量估计为7 2 5 8 万吨，为上一年的1 1 3 倍，其中， 化学纤维生产量达到了4 6 2 2 万吨，较上年增长了1 2 。2 0 1 0 年中国由于内需增 加，化学纤维生产总量也较上年大幅度地增长了1 5 ，达到了3 0 0 0 万吨。从而 使中国的化学纤维生产量从2 0 0 9 年占世界生产比例的6 3 增加到了2 0 1 0 年的 6 4 ，其中，涤纶纤维比上年增加了1 6 ，达到了2 2 9 4 万吨，涤纶短纤维较上 年增加了1 1 ，达到了1 3 4 8 万吨，粘胶纤维从2 0 0 9 年的1 5 1 万吨增长到了1 7 1 万吨，增长了1 7 1 ，占到世界粘胶纤维生产总量的5 0 以上【】j 。2 0 1 1 年。中国 陆续投产了总产8 0 余万吨的粘胶纤维生产基地。 表1 1 我国纺织纤维能耗与国外比较 t a b 1 1t h ec o m p a r i s o no f e n e r g yc o n s u m p t i o no ft e x t i l ef i b e rb e t w e e nc h i n aa n df o r e i g n e o u n t r i 姻 资料来源：中国纺织上程学会资料 1 绪论 但是，目前中国纺织机械行业还处于量大而质不高的阶段。中国作为世界上 一个传统的纺织大国，具有齐全的纺织方面的机械产品。但是，我们不得不承 认，中国的纺织机械设备同国外相比仍有较大差距，仅处于发达国家九十年代 的水平。由于中国的纺织行业基本上使用的仍旧是从国外进1 ：3 的淘汰技术，而 导致其平均能耗远远高于世界先进水平。单位产品的水消耗、废水排放量、能 源消耗是发达国家的三倍以上 2 1 。而中国纺织行业所用的新型大容量生产技术和 设备也需要从国外进1 ：3 ，目前国内无法生产，而国内现有设备的稳定性和质量 仍然有待提高。 从上表中可以看出，中国粘胶短纤维的耗能几乎是国外先进水平的1 5 倍。 所以，目前国内的纺织行业已开始进行技术转型，以调整工业产品结构，加强 其制造能力，并在近几年内取得了较大的进展。但是，技术的改进和设备的改 造仍是目前我国纺织行业一重大的项目，仍有较大的提升空间【3 】。 纺织机械作为纺织行业的发展基础，是国民经济发展的助推器。要使中国由 纺织大国发展成为纺织强国，巩固并进一步增强中国纺织行业在全球战略地位 和竞争优势，那就必须增强自主创新能力，全面提升纺织机械水平；必须采用 现在先进技术提升传统纺织纤维生产工艺、纺织纤维机械装备及生产控制水平， 提高产品附加值【4 j 。 粘胶短纤维是纺织行业中一种重要的化工原料，在实际的工业生产过程中， 热风通过含水率一定的粘胶短纤维层，对含水的初生化纤起到干燥和热定型的 双重作用。干燥过程在整个生产过程中起到了重大的作用，决定了干燥后成品 纤维的物理机械等性能指标，对纤维的最终品质有着决定性的影响，同时这个 过程也是一个极其耗能的过程。我们通过研究其在不同影响因子下的干燥特性， 通过干燥实验得到的详细数据，分析出粘胶短纤维的最佳干燥系数，降低其干 燥能量的消耗，对纺织行业的节能减排具有重大意义网。 1 1 粘胶短纤维的性能和应用 1 1 1 粘胶短纤维概述及其性能 生物界中存在着大量的天然纤维素原料，如木材、植物藁杆和棉花等。从 这些天然原料中，我们可以提取出口一纤维素，或者通过湿法纺织将棉短绒制 2 l 绪论 造成人造纤维。我们将上述纤维称为粘胶纤维，工业中也通常简称粘纤。它是 一种历史悠久、技术成熟、产量较大、品种繁多、用途广泛的化学纤维【6 】。通常 根据不同的结构和用途，我们将粘胶纤维分为以下几种： 粘胶纤维 普通纤维 高湿模量 类纤维 强力纤维 长丝 短纤维 波里诺西克纤维 高湿模量纤维 普通强力纤维 超强力型纤维 特种纤维一复合纤维、交联纤维、阻燃纤维 图1 1 粘胶纤维分类表 f i g 1 1t h ec a t e g o r yo f v l s o o s ef i b e r 粘胶纤维作为人类历史上较早的人造纤维之一，在纤维素硝酸酯纤维发明 后即在实验室内被制备成功。克罗斯贝文和比尔德在1 8 9 1 年最早成功合成了纤 维素黄酸酯钠溶液，并且发现这种溶液的粘度很大，粘胶的名称由此而来1 7 】。粘 胶在遇到酸性溶液之后，纤维素又重新解析出来。据此原理，在1 8 9 3 年，粘胶 纤维成功的生产而出。米勒尔在1 9 0 5 年发明了一项通过稀硫酸盐组成的凝固浴 的专利，实现了工业化规模生产的可能性降j 。 1 0 0 多年来，粘胶纤维生产不断发展和完善。在上世纪的三十年代末期，出 现了强力粘胶纤维；五十年代初期，高性能( 高湿模量类) 粘胶实现了工业化； 六十年代初期，粘胶纤维的发展达到了高峰，其产量曾占化学纤维总产量的8 0 以上【9 】。从六十年代开始，因合成纤维的发展，其发展速度趋于平缓。到九十年 代以后，随着人们对衣着服用性能的改变，这种具有与棉相似的质的纤维重新 受到人们的青睐。又进入一个新的发展时期。 1 绪论 纤维素是粘胶纤维的基本构成单位。普通的粘胶纤维的界面呈锯齿形皮芯， 纵向平直有沟横。同富纤相对比可以发现，富纤不存在皮芯结构，且截面呈圆 形【1 0 1 。吸湿性是粘胶纤维的一大特点，在空气中放置一段时间后，其回潮率在 1 3 上下，而涤纶和维纶分别只有0 4 和2 。而且在吸湿后纤维直径明显的增 加，最大幅度可以达到5 0 以上，导致由其制造的纺织物在遇水后手感发硬， 收缩率大。相对于棉纤维而言，粘胶纤维的断裂强度较小，为1 6 2 7 c n d t e x ； 而断裂的伸长率越大于棉纤维，为1 6 - - 2 2 。湿强下降多，约为干强的5 0 ， 湿态伸长增加约5 0 。其模量比棉低，在小负荷下容易变形，而弹性回复性能 差，因此织物容易伸长，尺寸稳定性差。而且耐磨性也较差【l l 】。由于粘胶纤维 是从棉纤维中提出而出，所以化学组成也同棉纤维较为接近，耐碱性物质而不 耐酸性物质，但是两者的耐受性均较棉纤维弱；同样，染色性、热力学性质、 密度等参数同棉纤维也较为相似。由于粘胶纤维的基本构成单位纤维素的大分 子存在羟基，较为容易发生各种化学反应，所以在实际的工业生产中，通过对 普通的粘胶纤维进行接枝等化学反应进行改性，以提高其各方面的性能参数， 导致目前粘胶纤维的规模和种类都较多【i 。 1 1 2 粘胶短纤维的应用 符合卫生要求的性质，特别是在某些特定性能上优于其它化学纤维和天然 纤维，使其在工业，农业，国防科研以及我们日常生活中得到了广泛的应用。 在日常生活中我们使用的很多织物中都有粘胶纤维的身影，主要是由于其 优良的生物特性：吸湿性佳、易加工、抗静电等。普通粘胶短纤维所制作的各 种纺织物、质地细密柔软、手感光滑、透气性好、穿着舒适、染色或印花后， 色泽鲜艳、色牢度好，宜于做内衣、外衣及各种装饰织物。此外，普通粘胶短 纤维还广泛用于其他纺织行业【9 1 。普通粘胶长丝织物的质地轻薄，光滑，柔软， 能染成鲜艳的色彩。除了适用于衣料外，还广泛用做被面和装饰织物。但是， 普通的粘胶纤维具有牢固性较差，缩水率搞，弹性以及耐磨性较差，易于变形 的缺点，针对以上情况，研究人员发明了高适模量粘胶纤维，有效的客服了以 上了软肋。改良后的粘胶纤维具有更广泛的用途。粘胶纤维同聚丙烯腈或者聚 乙烯醇进行复合，能够达到皮毛一样的手感和物理特性，在西服、毛毯、地毯 制作过程中发挥着重大的作用；具有比重小，复合力大和膨体特征的空心粘胶 纤维特别适用于编制帽子、手提包等装饰用具【l2 1 。负离子粘胶纤维是采用能产 4 l 绪论 生负离子的材料同粘胶纤维进行复合处理，使其在使用过程中不断产生负离子， 到达保健的效果，在室内空气净化，装饰品，饮用水净化等行业有着极其广泛 的应用价值和经济价值【1 3 】。粘胶纤维中还有一种特殊的种类，称之为高吸附性 粘胶纤维，功能同活性碳类似，主要是达到吸附作用。 在工业和医学方面，粘胶纤维一样发挥着巨大的作用。比如在轮胎行业，由 粘胶纤维所制造而成的粘胶帘子线，由于其高强度，高耐热性以及低价格，得 到了广泛的使用【1 4 】。e t 于粘胶纤维良好的化学性质，可以同大部分化学物质进 行反应，所以在环保行业也得到了广泛适用，例如同丙烯酸接枝的粘胶纤维就 用于从工业废液中回收贵重金属。而且粘胶纤维在经过疏水性或疏油乳液浸透 处理之后，具有良好的疏水性或者疏油性，广泛应用于工作服和防护织物，及 帐篷，船帆等。将阻燃剂添加到粘胶纤维中，我们可以得到具有阻燃效果的纤 维，可以在消防行业和高温行业中发挥重要的作用。目前我们使用的止血纤维， 纱布，绷带及医用单，被服等及现在新兴的一次性医用胶布等大部分都使用改 性过后的粘胶纤维所制成，在医疗部门发挥中极其重大的作用【l 5 1 。 粘胶纤维在国防和其它特种行业中主要是采用其制造具有特殊性能的新型 纤维，例如碳素纤维，陶瓷纤维等【9 j 。碳素纤维是粘胶纤维的一种衍生品，是将 粘胶纤维在三干度高温下碳化而得到，具有良好的强度和模量，经过环氧树脂 处理之后，可用于代替火箭大部分的高温装置中的金属元件。而粘胶纤维同硅 酸钢结合而成的陶瓷纤维能在极端温度条件下运行，在火箭喷气口，航天飞机 的耐热瓦等部件中得到了有效的使用。 1 2 链板式干燥机及干燥特性 纤维干燥机在种类繁多的纺织机械中属于一个重要的大类。纤维干燥机除了 要满足一般纺织机械的要求，如：重量轻、体积小、寿命长、价格低、结构简 单合理、操作和维护方便等外，还应具有高安全性、高能效比、高产量等其它 性能呢，而链板式纤维干燥机正具有上述特点。从结构及工作原理上来说，链 板式纤维干燥机属于带式干燥机的范畴l l6 1 。其作为化学纤维后加工工序中的过 程设备，纤维干燥机在各种采用湿法纺丝生产的纤维( 粘胶纤维、腈纶、涤纶、 维纶、氯纶等) 过程中起到了非常重要的作用，有着不可取代的地位。 在粘胶纤维湿法纺织的生产过程中，粘胶纤维丝束在经过水洗、酸洗、上油 】绪论 等过程处理后，其含水率相当之高，为使其能够达到后续步奏所需条件，如： 回潮率为1 3 等。必须对纤维进行干燥处理。在整个干燥过程中纤维水分的蒸 发是必须的，同时也要使粘胶纤维分子结构和物理性质发生一定的改变。粘胶 纤维在干燥处理之后，其物理性质，如：润胀度、延伸度、弹性、强度模量等， 将在以后的处理中不在发生任何变化。所以干燥工序在整个粘胶纤维的生产过 程中，同其它的生产工序一样，具有重大的意义【1 7 】【1 8 】【1 9 】。 在湿法粘胶纤维的工业生产工序中，加工生产线都具有两次烘干工程，一 般称之为前干燥和后干燥【2 0 。在两次的干燥过程中，都配有相应的干燥机进行 烘干操作。前干燥用于纺丝水洗拉伸后的致密化工艺。后干燥是丝束经卷曲、 定形、上油后的最终干燥，在整个过程中又称为二次干燥【2 。两道烘干工序中， 多采用链板式纤维干燥机作为干燥、热定型设备。 链板式纤维干燥剂如图所示，通常情况下都由如下三个部分所组成：烘房、 传送系统、热风循环系统田j ： ( 1 ) 烘房： 烘房是对纤维进行干燥和热定型的空间，采用角钢或槽钢作烘房机架，并 敷设玻璃纤维或石棉作填料的隔热外墙，以保证较小的散热损失。通常烘房由 很多结构相似的箱体单元组成，有的作为干燥区，有的作为热定型区，有的作 为冷却区，各个单元都有独立的风机和加热器，以独立分配和稳定各箱体单元 内的干燥空气气流和温度，从而实现不同工况下负荷可调的目的。每一个箱体 单元均分为主室和侧室，在主室内安装有链板、链条、匀风板等装置；侧室内 装有风机、加热器等，主室与侧室以中间隔板分开，通过风机的吸风和送风， 实现一个箱体单元的内部气流循环。同时，若干主室外墙上会开排风口，通过 排风风机将内部部分湿热空气排出干燥机，以补充新鲜干燥空气，保证干燥的 效果，这是干燥机整体的外部气流循环，为了保证对流传热传质的效果，外部 气流循环在干燥机内部的流动方向和纤维物料运动方向相反。 ( 2 ) 传送系统： 入口处纤维物料经给料装置均匀铺设在链板上，由链板带动进入烘房烘干， 热定型。链板一般用约厚度2 m m 的不锈钢板制成，表面冲有按正三角排布的孔 径为2 - 3 m m 的d , - t l ，每块链板分别固定在循环转动的两根滚子链条上，考虑到 由于吹风可能会产生的物料泄露问题，在链板和滚子链条联结处采用蝴蝶板和 气流密封的方法，保证纤维物料不会从链板上泄露到链条上，进一步对链板传 6 1 绪论 送产生影响。链板在出口处将干燥、热定型好后的纤维传送出干燥机后，从干 燥机箱体外面下部回到干燥机箱体入口处，完成一个输送过程。 ( 3 ) 热风循环系统： 热风循环系统主要有三大部件所组成：加热器、风机、匀风板。在侧室中 的空气经过加热器加热之后，通过上部的离心风机抽取，输送到主室中的匀风 板进行布风处理，热空气流过含水率较高的粘胶纤维层，完成干燥效果之后， 经过滤网过滤杂质后再次进入热加器，完成内部气流循环。加热器常采用1 5 0 左右的饱和水蒸汽作为热源。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 近几十年来，干燥技术得到了较快速度的发展，各种新型的干燥方式层出 不穷，包括脉冲干燥、喷雾流化床组合干燥、间断干燥等。而干燥技术在各个 行业中也有着极大的应用范围，遍及造纸业、纺织业、医药业、水果行业等， 是一种不可缺少的工业工序。基于经济性和可靠性，目前国内外普遍使用的还 是热风干燥或在其上面进行改良的技术。而干燥工序同时也是这个工业生产中 高耗能的工序。因此，研究物料的干燥过程，提高其干燥效率对缓解我国能源 紧张，提高国际竞争力有着重大的意义。 干燥可谓是一种古老而又通用的技术，但是基于如此，目前人类对于干燥 机理的了解也非常的有限，在很多方面上来说，处于一种“知其然不知其所以 然”的状态。而干燥的历史可谓是随着人类文明的诞生而开始，古人晾晒衣物 的过程算是人类最早的纤维干燥。 我国作为国际社会上的一个纺织大国，近年来，对纤维生产过程中的干燥 节能和干燥效果越来越重视，国内学者对于纤维干燥过程中所体现的特征和过 程进行了详细的研究。通过分析其成分和实际工业生产需要的干燥效果、干燥 时间以及单位纤维干燥所需能耗等综合因素，采用了不同的干燥方法对纤维的 干燥质量进行了详细的研究，以其在最小的代价下获得最优的结果。 王丽金等人采用自制的干燥实验设备对菠萝叶纤维进行了干燥实验，研究 了在不同热风速度和温度条件下菠萝叶纤维的干燥规律，采用s p s s 软件进行回 i 绪论 归分析，得出了适用于菠萝叶纤维的干燥模型，并得出了以下结论：菠萝叶 纤维的干燥过程主要为降速干燥过程，风速对干燥速率的影响较大。干燥速 率曲线为指数曲线，其模型为m r = e x p ( 一a ”) 。采用正交法进行了实验，得出 纤维层厚度对为影响干燥速率的最要因素【2 3 1 。伍飚，邱艳虹对二醋酸纤维进行 了研究，分别进行了空气温度5 5 7 5 0 c ，单位物料量2 4 k g m 2 ，物料初始含水率 3 7 , - , 1 2 6 等情况下二醋酸纤维干燥实验，得出二醋酸纤维在干燥过程中无明显 的预热阶段，并且确定了p a g e 方程能够很好描述二醋酸纤维的干燥过程，为二 醋酸纤维理想的干燥模型，并进行了验证实验进行方程修正，使其方程能够在 工业生产中准确预测纤维层含水率的变化【2 4 】。朱东林等人对合成纤维和棉纺物 的表面接触干燥进行了详细的研究。主要的影响因素定为加热器温度，得到了 纤维层表面温度同含水率变化曲线，以及不同实验样品的失重数据。研究结果 表面：表面干燥过程中，样品温度分为四个阶段：预热阶段、降温阶段、升温 阶段以及恒温阶段。并指出降温阶段是纤维干燥的主要阶段i 2 引。宾早尤研究了 气流式纤维干燥中的传热传质现象，根据能量守恒原理，对纤维干燥过程中的 能量交换和传输过程进行了纤细的热平衡计算，并且指出而来在特定条件下， 气流式纤维干燥系统可干燥的纤维含水率的范围【z 州。魏东三对l y o c e l l 纤维在各 组干燥温度( 2 5o c 、6 0 0 c 、8 0o c 、1 0 0o c 、1 2 0o c ) 下干燥后的力学特性进行了 测定，研究了在一定时间内不同干燥温度对其力学性能的影响，并联系结构影 响对纤维纤度、干态强度、断裂伸长率进行了讨论，得出了l y o c e l l 纤维的最佳 干燥处理时间为3 0 分钟，温度在6 0 0 c - 8 0o c 之间，对其生产和处理过程有重要 的经济效果【2 7 1 。谢拥群等人研究了在管道气流干燥过程中，中密度纤维板纤维 的模拟计算，通过分析纤维在干燥管道中的运动、传热，根据能量守恒和物质 守恒的原理建立了中密度纤维气流干燥模拟计算所学的数学模型，编程采用差 分法进行了计算，并且同实际结果进行了对比，对比结果显示其数学模型能够 很好的完成对纤维气流干燥中的描述【z 引。凌群民分析了纤维干燥过程中的三个 重要阶段和影响纤维干燥的主要因素，通过实验数据的对比，指出在干燥过程 中，只要其物理结构相似，其干燥速率是相同的。纠正了人们对亲水性材料干 燥速率慢的偏见忙引。 对于链板式纤维干燥机而言，国内对其干燥设备的研究，优化及相关的c f d 技术的研究还较少，基本处于起步阶段。 根据干燥设备存在干燥时存在的各种问题，相关企业科研人员提出将链板 1 绪论 式干燥机与圆网式干燥机组合使用，以实现不同类型干燥机的优化配置，并解 决脱落纤维问题的降低生产成本；同时针对新型胶粘干燥机可能存在的链板传 送带端面密封不严问题，提出利用“蝴蝶板密封+ 气流密封”的双密封形式。 伍飚利用c f d 技术，对醋酸纤维干燥机内部流场进行了冷态模拟，认为分 流板对干燥机内部气流均匀性有重要影响。赵金红利用c f d 技术，对用于粮食 干燥的多层带式干燥机进行了研究，并论证了c f d 技术的可行性，同时提出了 多层带式干燥机的干燥动力学模型 3 0 1 。尤长静对多层水平带式干燥机进行了研 究，采用了传热传质定理、以及实验所得到的物料的干燥动力学模型，建立了 干燥机的数学模型，并且利用c 语言编写了求解程序。根据模拟结果绘制出了 干燥动力学曲线，为干燥机的优化设计提供了理论依据【3 l 】。常佳等人基于链板 式纤维干燥机的结构及运行工况，对z h r 5 9 4 a 型链板式纤维烘燥机进行了冷态 干燥气流场的实验研究。分析了干燥机内部的气流情况，并且采用c f d 进行了 对干燥剂内部流场进行了模拟p 引。 1 3 2 国外研究现状 目前。国外对纤维干燥的研究也日益重视，而粘胶短纤维的研究主要是在一 般纤维干燥研究的基础上进行的研究，短粘胶纤维干燥过程的研究虽然较其它 的纤维研究较晚，但是在一系列的研究者的努力下也取得了较大的进步。 t a c l l a n g r i s h 针对纤维素纤维进行了研究，采用热风干燥系统，干球温度从 4 0 8 0 0 c ，湿球温度为4 0o c 的热风，空气流速为1 3 m s 下纤维素纤维的干燥特 性曲线，指出无论在纤维层含水或者含有木槿的情况下，单一的干燥特性曲线 都适用，干燥特性曲线的形式为f = 矽仉5 3 3 】。b e m a r d o 等人研究了甜菜纤维在热 空气或者过热蒸汽下的干燥过程，但是发现质量时间曲线并不能完全由干燥动 力学来解释，主要原因是由于蒸汽凝结在低温材料中明显的延长了干燥的时间 【3 4 1 。a l e x a n d e rs c h u s t e r 对粘胶纤维热风干燥过程进行研究，建立了粘胶纤维的 动态模型，其模型具有模块化和可扩展性的优点。最后通过实验验证模型的正 确性，并且给出了预测结果和实际结果的数据对比图【35 。j y z h u 研究了在1 0 5o c 和15 0o c ，空气相对湿度5 0 的干燥条件下，木质纤维的酶解糖化的效果，指 出样品的基板酶消化率同含水率之间的关系可以通过波尔兹曼函数进行拟合分 析【3 6 1 。e v a n g e l o st s o t s a s 等人研究了在干燥和热处理过程中物质的能量转换。阐 述了干燥过程对木质纤维的重要性。并且提供了详细的热量衡算的方法和理论 l 绪论 【37 1 。 链板式纤维干燥机作为应用于纺织行业的特种干燥设备，针对链板式纤维 干燥机的研究国外尚无相关报道，但是作为一种特殊的干燥设备，针对其他种 类干燥设备的研究对链板式干燥机具有借鉴意义：工业上常用的连续工作型干 燥设备大多为对流式干燥机，通过将气体的显热以对流的形式传递给干燥物料， 以实现对干燥物料的干燥脱水。通常，对流式干燥机可分为链板式( 带式) 干 燥机、旋转式和流化床干燥机等。c t k i r a n o u d i s 通过确定目标函数，对比不同 干燥机的生产设计成本，得出：旋转式干燥机比流化床干燥机成本高且设计复 杂，但而流化床干燥机具有操作灵活的特点；链板式( 带式) 干燥机除了成本 低廉，且具有设计简单、操作灵活的特点，因此可以在干燥过程中广泛应用【3 8 】【3 9 1 。 由于实验研究受到空间、设备运行等因素限制，不可能通过实验研究的手 段完全掌握干燥机的内部流场特征，c f d 技术则可以弥补实验研究的不足【4 0 】【4 1 】。 在喷雾干燥中，气流的流动形式对干燥颗粒停留时间影响很大，直接影响了湿 分、尺寸分布和最终产物的孔隙率，同时颗粒墙体沉降效应，也受内部气流流 动形式的影响，而这些均对最终产物质量影响很大，并且有可能对反应器安全 运行带来危害【4 2 1 。t a gl a n g r i s h 等人通过使用c f d 技术，选用合适的两相流 模型，通过模拟不同条件下的射流速度、角度、湍动程度，分析了具有强热质 传递过程的喷雾干燥机运行情况，以研究保证喷雾干燥机高效稳定工作的条件。 同时，通过在c f d 软件中对工况做出调整，可以便捷地预测喷雾干燥机在不同 工况下的性能，探讨提高生产效率的方式【4 3 】。e m a t h i o u l a k i s 等人通过应用c f d 技术研究干燥机内部流场，合理的设计链板式( 带式) 干燥机，使之能在较大 的烘房内，实现均匀干燥 4 4 1 。由于c f d 技术具有全面、高效、准确的特点，在 对干燥设备进行全面实验研究较困难的情况下，将c f d 技术应用于干燥设备， 研究干燥设备内部流场对干燥的影响，是干燥设备设计、优化的热点之一。 1 4 课题研究的意义 粘胶纤维作为一种常见而又重要的原材料，在工业生产和实际生活中有着 广泛的使用。随着人们生活水平的日益提高，人们对纺织品的要求也在进一步 的提高。所以，粘胶纤维在未来的很长一段时间之内都会在国民经济和生活生 产中起到重要的作用，目前国内的粘胶纤维的生产量也日益增加，而干燥过程 l o l 绪论 又是其生产过程中不可缺少的一个步奏，同时也是一个耗能大户。为了实现节 能减排，同时也为企业创造更好的经济效益。对粘胶纤维的干燥过程进行系统 而详细的研究具有重大的意义。 本课题首先在实验室中自己搭建了一套粘胶短纤维干燥系统，以期获得准 确的数据。在已有理论上对纤维层的干燥过程进行了详细的分析和讨论。研究 了不同影响因素对粘胶短纤维干燥特性曲线的影响，并且对实验数据进行了回 归分析，得到了粘胶短纤维的干燥动力学模型。通过对本课题的研究，可以全 面了解各因素对干燥过程的影响，全面了解粘胶短纤维的热风干燥特性，进而 发掘出粘胶短纤维的热风干燥规律，为干燥的过程控制、预测提供一定的理论 支持，能够在实际的工业生产中更加有效的控制干燥过程，达到提高干燥效率， 减少能源消耗，提高经济效益。同时在文中还通过实验所得出的结论对链板式 干燥机的结构做出了改进，并且进行了c f d 模拟，使其布风更加均匀，为下一 步的深入研究提供了参考依据。 1 5 课题研究的内容及目的 通过以上的分析，本论文主要研究的内容和目的安排如下： ( 1 ) 利用自行设计制造的纤维干燥实验设备进行粘胶短纤维的干燥实验， 研究了粘胶短纤维在不同热风温度、纤维层厚度、热风风速以及纤维层厚度下 的干燥特性曲线和干燥机理。并对每个影响因子下的干燥特性曲线进行了详细 的分析。 ( 2 ) 描述了干燥的动力学模型，并且将纤维干燥实验中所得到的数据进行 回归处理。通过s p s s 软件进行数据分析，得到粘胶短纤维干燥动力学的最佳模 型。确定了模型中各个系数并对其进行优化。最后验证模型的正确性。 ( 3 ) 建立链板式干燥机的模拟模型，并同结构优化后的模型进行对比分析。 得到最好的匀风板开孔率。 2 粘胶短纤维干燥实验研究 2 粘胶短纤维干燥实验研究 2 1 实验原理 2 2 1 粘胶短纤维热风干燥原理 粘胶短纤维的干燥过程就是将含水率较高的粘胶短纤维通过热风干燥手 段，将热风热量传递给含水率较高的粘胶短纤维，使其纤维层内的水分得以蒸 发并通过热风带走，使其含水率达到合格的范围，以便于其能够进行进一步的 加工和处理。水分在粘胶短纤维中可能以两种不同的形式存在：化学结合或者 液体。在实际的工业生产过程中，粘胶短纤维需要通过干燥和热定型。使纤维 的微观结构发生一定的变化，经过这些处理后，物理性质满足要求才能进入下 一步的生产环节。 在干燥的过程中，物料内部水分的蒸发，主要是依靠水分的外扩散和内扩 散作用。其基本步骤主要分为两步，在第一步中，热空气将热量传递给物料层 的表面，使其表面水分蒸发并通过热气流带着，第二步物料内部的水分传递到 物料的表面，重复第一步的方式进而达到干燥的目的。在物料中，非结合水分 在待处理的粘胶短纤维中占绝大部分，只有很少的一部分为结合水。非结合水 的结合力较弱，为机械附于物料表面的水分，这种水分较容易蒸发，通过干燥 操作便可以很轻易的去除。结合水分由其于结合力，产生的蒸汽压低于同温度 非结合水所产生的饱和蒸汽压，即水分的活度小于1 ，导致物料内部的结合水分 较非结合水分更难除去。所以在干燥的过程中，首先被除去的是物料表层游离 水分，且蒸发速度较快。在物料中的水分损失到一定程度后，干燥速度开始减 缓。这时物料中的内外水分差不在保持平衡，内外水蒸汽分压差加大。根据水 分转移传递的原理，水分多的地方向水分少的地方传递。由于内外扩散的作用， 使物料内的非结合水大为减少，这个时候就结合水开始蒸发，干燥速率就变的 缓慢。在干燥的此过程中，随着内外扩散的进行，物料中的水分开始减少，干 燥速率由快变慢。当物料中的水分气化后产生的内在气压同干燥室里的空气气 压达到一个稳定的平衡状态时，物料的温度与干燥室内的空气温度也相等，这 个时候，水分的蒸发作用停止，物料达到干燥状态。 2 粘胶短纤维干燥实验研究 纤维短纤维的干燥过程也分为两步，第一步是由外部条件所控制，比如热 风的流速，温度，纤维层的含水率，以及纤维层的厚度。在这一步中，纤维层 的表面水分通过传热现象形成蒸汽形式进而排除，所以在这种情况下，比如提 高热风的温度可以提高干燥的速率，但是，过高的热风温度可能会对纤维的物 理结构和化学结构造成破坏，所以，在一些情况下应该控制热风的最高温度。 纤维干燥的第二步是在第一步完成之后，纤维层的表面的自由水分已经被充分 干燥的情况下，当热风传递热量给纤维层之后，纤维层开始升温，并且在其内 部形成温度梯度，热量从纤维层的表面向纤维层的内部传递，同时纤维层的内 部水分向纤维层的表面迁移。这种过程因不同的物料而定，主要有三个原因： 扩散、毛细管流、干燥过程中产生的内部压力。 2 2 2 干燥分析过程 干燥过程是一个极其复杂的多相系统的传递过程，这个过程包括了从湿物料 中除去水分或其他湿分的各种操作，涉及到液体的蒸发，相变过程，有部分的 干燥过程中还包含了化学反应，因此，有关干燥方面的理论比较复杂。在1 9 0 8 年，俄国科学家科索维奇就阐明了干燥过程中的不连续性。并指出这是由于毛 细多孔物料中水分移动的分子机理所造成的【4 5 】。包含了两个阶段( 恒速干燥段 和降速干燥段，b 点为分界点) ，图即为干燥速率曲线图： 图2 1 干燥特性曲线图 f i g 2 1t h ec h a r to f d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c 2 粘胶短纤维干燥实验研究 从图2 1 中我们可以看出，在第一个阶段中，物料表面含有充分的自由水分， 物料表面的湿球温度也为恒定值，在外部条件不改变的情况下，物料和气体之 间的传热传质速率不会发生任何改变，导致干燥速率为一个恒定值，在这个阶 段的后期，可能由于物料含有充分的自由水分，在物料表面的水分蒸发完毕后， 物料内部的水分可以通过扩散到达表面，干燥速率可能也不会发生改变，所以 在此阶段，物料的干燥速率为定值，这个阶段称之为恒速干燥段州。 而在下一个阶段为降速干燥阶段，物料的干燥速率开始降低。这是由于物 料表面和内部存在温度和湿度梯度，导致水分从物料内部传递到外部进行干燥， 在这个阶段中，物料的干燥速率受到传递过程的限制。热量从物料层的表面传 递到物料层的内部。如果物料表面的传热系数较小，就会导致热传导过程的减 慢，会直接影响到干燥速率。而且，扩散阻力较大的情况下，干燥速率将由水 分从物料内部传递到物料层表面的速率决定。当物料的湿含量降低到气相湿度 相应的平衡值后，干燥停止，此时就为物料的最后干燥状态，物料的含水率将 不在发生任何的变换。 2 2 实验部分 2 2 1 实验目自勺及材料 粘胶短纤维的干燥实验的目的是研究粘胶短纤维在一定的干燥条件下，其 含水率随着时间变换的规律，以得出粘胶短纤维的干燥特性曲线。分析出不同 影响因子对粘胶短纤维干燥过程的影响程度。 实验材料采用郑州纺织机械厂生产的粘胶短纤维。在实验进行前首先对初始 物料进行预处理，在实验室中通过蒸馏水配置各种含水率不同的纤维层。配比 过程中采用上海勤酬实业有限公司生产的b l 2 0 0 s 型电子天平测定物料质量，其 称量范围为0 2 0 0 9 ，最小精度为0 0 0 1g ，误差不超过0 0 0 2 9 。 2 2 2 实验设备 实验设备如图所示。考虑到实际生产过程中粘胶短纤维的干燥过程，为了 更好的还原工业生产的干燥过程，针对现有实验技术的不足，自行设计了一种 1 4 2 粘胶短纤维干燥实验研冗 结构简单，使用方便的纤维干燥实验测试装置，并且取得了专利。干燥装置主 要由压缩机，加热炉，干燥器( 干燥器用保温棉进行保温处理) 组成。空气由 压缩机输送，经流量调节阀( 调节风速) ，转子流量计，加热炉后流入干燥室，干 燥室上方依次装有温湿度传感器，压力传感器，空气流速传感器，干燥室下方 也安装有温度传感器，压力传感器，温度流速传感器以测量干燥室内的空气状 况。传感器通过数据线连接于计算机中进行数据处理，可以得到干燥中测定点 的温度，压力，湿度。干燥室下方排空，连通大气。测定分布和干燥室尺寸如 图所示： 卜 1 压缩机 2 流量调节阀3 转子流量计 4 加热炉 5三通阀 6 干燥室7 数据采集显示器8 纤维层 图2 2 干燥实验装置图 f i g 2 2t h ec h a r to fd r y i n ge x p e r i m e n te q u i p m e n t 2 2 3 实验所需测定参数及步骤 ( 1 ) 初始含水率的测定： 1 湿基含水率m 湿：即纤维中水分的含量在纤维中所占的重量百分数。 2