（机械工程专业论文）盘式连续干燥器的设计开发.pdf

东北大学工程硕士学位论文摘要 盘式连续干燥器的设计开发 摘要 盘式连续干燥器是一种高效的传导型连续干燥设备，仅有几十年的 发展历史，属于比较新型的干燥设备。2 0 0 2 年，中铝股份有限公司山东 分公司购进一台该型设备。从其使用效果看，对物料的干燥效果很好且 能耗少、成本低，并比较适合于山东分公司产品的物料特性，很有推广 应用价值。 本文主要涉及到盘式连续干燥器的设计开发过程，在此方面做了大 量的工作，进行了一些有益的尝试。从盘式连续干燥器设计开发的任务 来源及目的入手，对该项目的可行性进行了分析，探讨了干燥的基本原 理及干燥技术的概况、进展和发展趋势，着重论述了盘式连续干燥器的 相关理论和应用，包括盘式连续干燥器的国内外发展概况：盘式连续干 燥器的总体结构、特点和适用范围：盘式连续干燥器的主要工作原理； 盘式连续干燥器中物料干燥过程简析：盘式连续干燥器的主要工作流程 介绍。最后，提出盘式连续干燥器的主要设计技术参数、性能和要求， 进行了4 3 m 2 盘式连续干燥器的具体设计，包括工艺验算、传动方案的 拟定、设计相关计算、主要零部件结构的确定，最终完成全部工作图的 设计。 盘式连续干燥器的设计开发项目已被列入中铝公司2 0 0 3 年科技研 发项目，现处于小试阶段。整个项目还包括样机试制、安装、调试并最 终投入实际使用以检验其性能和效果，因此必须对设计开发、产品制造、 检验、安装调试、使用全过程严格控制，以保证设计和制造质量。 关键词干燥技术盘式连续干燥器原理结构设计 一i i 东北大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g n a n d d e v e l o p o f t r a y c o n t i n u e s d r y e r a b s t r a c t t r a yc o n t i n u e sd r y e ri s an e w e rk i n do fh i g he f f i c i e n tc o n d u c t i v em o d e ld r y e r w i t has e v e r a ld e c a d eh i s t o r y i n2 0 0 2 ，s h a n d o n gs u b s i d i a r yo fc h i n aa l u m i n u ml t d i n t r o d u c e ds u c has e t b e c a u s eo fi t sl o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o w e rc o s tb u t h i g he f f i c i e n t ，i t su s ev a l u e s h o u l db es p r e a d t h i sa r t i c l ei sm a i n l yr e f e r r i n gt ot h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so ft r a y c o n t i n u e sd r y e ra n dp l e n t yo fh e l p f u le x p e r i e n c ea tt h i sa s p e c t t h i sa r t i c l ea l s o a n a l y z et h ef e a s i b i l i t yo fn a y c o n t i n u e sd r y e r , p r o b ei n t ot h ed r y i n gb a s i cp r i n c i p l e a n dd r y i n gt e c h n o l o g i c a lg e n e r a ls i t u a t i o n ，p r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d a tt h e s a m et i m e e x p o u n dt h er e l a t i v e t h e o r i e sa n da p p l i c a t i o no ft r a yc o n t i n u e sd r y e r ， i n c l u d i n g t h e d e v e l o p m e n t s i t u a t i o ni nd o m e s t i ca n da b r o a d ，t o t a l c o m p o s i t i o n ， f e a t u r e sa n da p p l i c a b l er a n g eo f t r a yc o n t i n u e sd r y e r ；t h ek e yt e c h n o l o g i c a lp r i n c i p l e o f t r a yc o n t i n u e sd r y e r ；a n a l y s i sp r o c e s so f d r y i n g m a t e r i a l si nt r a yc o n t i n u e sd r y e r a n dt h ei n t r o d u c t i o no fk e yt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s a tl a s t ，t h i sa r t i c l eo f f e r st h em a i n t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r ，f u n c t i o na n dr e q u i r e m e n t so f t h es e t ，m a k ea4 3 m 2s p e c i f i c d e s i g n ，s u c h a st e c h n o l o g yc h e c k i n gc o m p u t a t i o n ，t r a n s m i s s i o np l a nd r a f ta n dt h e s p e c i f i c a t i o n so f t h ek e ys p a r ep a r t sa r ea l li n c l u d e d a l lt h e s ef o r mt h ew h o l ed e s i g n d r a w i n g t h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n t i t e mo f t r a yc o n t i n u e sd r y e rn o w h a sl i s t e da st h e s c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n aa l u m i n u ml t di n 2 0 0 3 a tp r e s e n ti t i so n p r o b a t i o ns t a g e t h ew h o l ep r o g r a m a l s oi n c l u d es a m p l em a c h i n et r i a l ，m a n u f a c t u r e ， i n s t a l l a t i o na n dt h e np u ti n t ou s et oe x p e r i e n c ei t sf u n c t i o na n de f f e c t s ow em u s t s t r i c t l y c o n t r o lt h ew h o l ep r o c e s s ，t h e s e a r e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t ，p r o d u c t m a n u f a c t u r e ，p r o d u c tc h e c k i n g a n di n s t a l l a t i o n ，t og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fd e s i g na n d m a n u f a c t u r e k e y w o r dd r y i n gt e c h n o l o g y , t r a yc o n t i n u e sd r y e r , b a s i cp r i n c i p l e ，s t r u c t u r e ，d e s i g n i i i 声明 本入声明鼷呈交的工程硕学位论文怒在导龋的指姆下完戏的。 论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过嬲硬究戏果，也不包括本人为获褥其蚀学位两使用过 的材料，与我一问工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确麴说明并表示谢意。 本人签名：3 ：似序、 2 0 0 3 。0 8 东北大学工程硕士学位论文第一章引言 1 1 任务来源及目的 第一章引言 中国铝业股份有限公司山东分公司最早使用盘式连续干燥器设备的是分公 司下属二级单位研究院，该研究院于2 0 0 2 年从国内购进了一台干燥面积为 4 3 m 2 的盘式连续干燥器，应用于拟薄水、氢氧化铝等产品的干燥工段。经过一段 时间的现场实际使用，其对物料的干燥效果确实很好。盘式连续干燥器是一种高 效的传导型连续干燥设备，其独特的结构和工作原理决定了它具有热效率高、能 耗低、占地面积小、配置简单、操作控制方便、操作环境好等特点。根据山东分 公司研究院的测算，盘式连续干燥器的蒸汽单耗为每蒸发掉1 k g 水约需消耗1 3 k g 的过热蒸汽，同原先使用的桨式干燥器相比，不仅大大降低了能耗，而且也比较 适合于山东分公司所需干燥物料的特性。 在未购进使用盘式连续干燥器以前，山东分公司研究院干燥产品物料所使用 的干燥设备是桨式搅拌干燥器。现将两者使用性能和效果等有关数据对比如下， 见表1 1 。 表1 1桨式和盘式连续干燥器性能对比 t a b l e l 1t h e p m p e r t i e s c o w s to f p m d l e d r y e ra n dt r a yc o n t i n u e sd r y e r 序号对比指标桨式干燥器盘式连续干燥器 1汽耗。仇5o 1 5 2电耗k w h4 84 4 3 成本。元t 3 2 09 6 4 产能，k g m 4 0 01 0 0 0 从表1 1 中可以看出，盘式连续干燥器比原先使用的桨式干燥器成本降低了 1 2 4 元t ，且产能提高了1 5 倍，而且能耗也大大降低，效果很明显。从这一点来 说，盘式连续干燥器具有很大的推广应用价值。目前的市场发展情况也证实了这 一结论。 综上所述，盘式连续干燥器在中铝股份山东分公司内很有推广使用价值，能 够满足中铝股份山东分公司对氢氧化铝、特种氧化铝等物料的干燥要求。因此， 东北大学工程硕士学位论文第一章引言 中铝股份山东分公司研究院、化学品氧化铝公司等单位都有再购进的意向，以扩 大生产规模。 盘式连续干燥器虽然具有很多优点，但设备外购的价格高，4 3 m 2 盘式连续干 燥器重量约为1 0 余吨，价格为5 0 多万元台，而且备品备件的采购、运输、储备 也不方便。另外盘式连续干燥器的先天不足产能不可能太高，所有这一切都 影响着生产规模的进一步扩大。 因此，本着互惠互利、共同发展的原则，尽快消化吸收盘式连续干燥器这种 设备的各种技术资料和信息，开发出性能先进、价格低廉的产品，对中铝股份山 东分公司及中铝股份山东恒成机械制造厂都意义重大。在这一点上，山东分公司 内相关单位已经达成了协议和共识。另外，目前国内生产盘式连续干燥器的厂家 也不多，销售该种产品的利润空间很大，如果能研制开发成功并顺利推向市场的 话，可以使山东分公司获取更多的利润回报。 基于以上事实和情况，中铝股份山东恒成机械制造厂决定研制开发盘式连续 干燥器这种产品，先从4 3 m 2 盘式连续干燥器设计开发入手，试制成功后，再逐 步完善，并迸一步标准化和系列化。 现今，盘式连续干燥器的设计开发项目已被列入中铝公司2 0 0 3 年度科技研 发项目。 1 2 项目研究基础及具备的条件 盘式连续干燥器的设计开发对山东恒成机械制造厂而言是一个从未涉及的崭 新的领域。项目研究的基础条件就是依据山东分公司研究院引进的4 3 m 2 盘式连 续干燥器设备的主要参数、技术性能及少许的技术资料，作为该项目设计输入 的主要参考数据，通过广泛搜集信息、现场观测、请教用户、评审等方式，不 断深入学习该专业领域的知识和经验。万事开头难，首先就要打下一个较好的 基础，做好前期的调研工作，为下一步项目的研制开发创造条件。 此外，山东恒成机械制造厂科研环境好、人员素质高，加工制造能力也很 强，这都是项目研发成功的保证。 4 3 m 2 盘式连续干燥器的设计开发项目对山东恒成机械制造厂而言为新产品 设计开发项目，必须按照质量认证的要求进行，实施的过程遵循调研、设计、加 工制造、使用验证、总结完善的顺序，对设计开发、产品制造、检验、安装调试、 使用等全过程进行严格控制，保证设计、制造等每个环节的质量，从而保证项 目的顺利完成。 一2 一 东北大学工程硕士学位论文第一章引言 1 3 研究方案及目标 通过消化吸收国内外先进干燥技术，深入理解盘式连续干燥器使用的工作原 理和工艺要求，根据山东分公司研究院购进设备的性能参数进行盘式连续干燥器 单机研制，完成该设备单机设计的全部图纸，试制样机并进行试验，确保研制的 产品达到设计要求，各项性能指标均能满足使用要求，并具有较好的经济指标， 即既保证山东恒成机械制造厂一定的盈利空间，又让利于用户，达到互惠互利。 在此基础上，进一步研究开发，形成系列化，不断满足用户的需求，获取良好的 经济效益和社会效益。 项目现处于小试阶段，项目研发的预期目标是完成4 3 m 2 盘式连续干燥器单 机全部施工图纸并根据设计完成的图纸，试制样机，进行工业试验，投入实际使 用并要求能满足生产的需要。山东分公司研究院是直接用户和试验基地，通过实 际使用，来检验设备的性能指标，为下一步优化产品、产品系列化、标准化打下 一个良好的基础。 我作为这个项目的主要设计者，把盘式连续干燥器的设计开发作为我工程硕 士学位论文的题目，在整个项目的开发研制进行过程中，同时完成工程硕士学位 论文的写作任务。 1 3 1 主要研究内容 通过了解当今干燥技术、干燥工艺、干燥设备的现状和进展，加深对所设计 开发产品盘式连续干燥器的理解。与此同时，采用现场考察、咨询、评审等 方式，深入了解盘式连续干燥器的性能特点、工作情况，收集相关资料，对现使 用设备在使用过程中的缺陷做到心中有数并提出改正方案。在此基础上，制订详 细的设计开发方案，保证项目的顺利完成。主要研究内容如下： 1 广泛调研，搜集信息和资料，包括有关设备、设备使用、物料对象、干燥 工艺、现场情况等一切有用的信息和资料。 2 充分了解盘式连续干燥器的结构、工作原理、性能特点、用途及其使用的 范围。 3 在满足工艺要求、生产需要的前提下，进行盘式连续干燥器零部件及整机 设计并进行必要的设计计算。 主要完成传动方案确定，工艺验算，主要性能指标计算，主要传动零部件的 设计计算，确定主要零部件的结构，在此基础上，进行工作图设计并最终完成全 部施工图纸。 气 东北大学工程硕士学位论文 第一章 引言 设备的主要零部件包括传动装置、底座、简体、上盖、大小干燥盘总成、布 料盘、出料层、传动轴总成、蒸汽管路等，关键零部件为传动轴、大小干燥盘、 耙臂、耙叶，设计时需特别注意。 4 席4 造样机 设备与物料接触部分部件材质均为不锈钢薄壁件，制造上有一定的难度。另 外，设备的装配也有相当难度，需精心考虑，认真完善制造、装配工艺，确保设 备的整体质量。 5 设备投入使用，进行工业试验。 样机制好后进行安装调试，投入实际使用，进行工业试验，检验其性能指标， 总结经验，改正不足。 1 3 。2 主要技术难点 第一次进行该领域、该类型设备的设计开发，难度自然不小。主要技术难点 表现在： 1 尚未完全透彻地掌握该设备的技术，对干燥工艺、生产工艺和流程的了解 也有欠缺。 2 产品设计资料、原始数据少，设计难度大，特别是某些关键的零部件，如 干燥盘和耙叶刮料部分。 3 设备与物料接触部分的零部件，材质均为不锈钢薄壁焊接件，制造上有一 定的难度。部分零部件的制造工艺性和安装工艺性不是很好。 1 3 3 设备主要技术特点 设备的主要技术特点如下( 后文还有详细论述) 1 热效率高、能耗低。 2 调控容易、适用性强。 3 操作简单、容易。 4 被干燥物料品质好，不易破损。 5 操作环境好，粉尘排放符合要求。 6 无振动、低噪声、运转平稳。 7 安装方便、占地面积小。 一4 一 东北大学工程硕士学位论文第一章引言 1 4 效益风险分析 由于盘式连续干燥器在山东分公司研究院使用的良好效果及其本身所具有的 性能特点以及较低的使用成本决定了其良好的市场前景，这也是盘式连续干燥器 有着强大生命力的原因所在。整个项目的研发经费预算为6 0 万元，包括设计开发、 样机制造、安装和调试，计划于2 0 0 3 年完成。 盘式连续干燥器研发试制成功后，可以在山东分公司研究院、化学品氧化铝 公司等单位进行由点及面地推广，应用于氢氧化铝、特种氧化铝等物料的干燥过 程。现今山东分公司内的需求量大约就有4 5 台，有良好的市场需求。 设备外购价格大约在5 0 万元，台，如果山东恒成机械制造厂自己研发制造的 话，制造的成本每台约3 5 万元，销售价格约为4 5 万元，能实现利润近1 0 万元( 如 果面向市场销售售价可能会更高些) ，在山东分公司内达到互惠互利、共同发展的 局面。不但如此，还可以努力将该系列产品推向市场，则其经济效益是非常可观 的。另外，盘式连续干燥器属于环保型设备，也具有很好的社会效益。 主要的风险在于对盘式连续干燥器的相关技术还没有完全透彻地掌握，对工 艺的了解也有欠缺，给设计工作带来了相当的难度，而设计的水平和质量不仅直 接决定着产品的水平和质量，而且也直接影响着产品的制造成本和企业的赢利。 因此在设计中要始终坚持技术先进适用和经济合理有利相统一的原则，努力做出 良好、可靠的设计。另外，该设备与物料接触部分部件材质均为不锈钢焊接件， 要求较高，在制造上有一定的难度，部分零部件的制造、安装工艺性还不是很好。 所有这一切都使该项目面临较大的市场风险。 一5 一 东北犬学工程硕士学位论文第二章干燥的基本原理及技术发展概况 第二章干燥的基本原理及技术发展概况 干燥技术的应用，在我国具有十分悠久的历史，可以远溯到6 0 0 0 年前原始陶 器制造及沿海晒盐等的干燥过程中。闻名于世的造纸技术，就显示了干燥技术的 应用。天工开物一书中，描述了人工加热干燥过程，总结了我国劳动人民的干 燥实践，反映了我国古代劳动人民的高度智慧。在建国前，我国干燥技术的应用， 一般仍停留在手工作坊的阶段。建国以后，干燥技术的应用发展很快，干燥技术 的研究工作也得到普遍开展。现在，随着工业现代化的开展，机械化、大型化和 自动化水平的提高，干燥技术也必将更加迅速的发展。 2 1 我国干燥技术的发展概况及存在主要问题 干燥是将物料去除水分或其他挥发成分的操作，涉及面很广，其目的在于使 物料便于包装、运输、储藏、加工和使用。随着生产的发展，对干燥技术、干燥 设备的需求有了更高的要求。由于原有工业基础较薄弱，产量小，大多数用电烘 箱、蒸汽烘干箱等干燥物料。为适应工农业生产的需要，开展了对喷雾、气流、 流化等干燥装置的开发以及对农产品、食品、药品、生物制品等不同物料的于燥 过程及装鼍的研究开发工作。 基于对于燥理论、技术、装置的关心，在干燥领域迄今已举行了不少有关学 术会议。早在1 9 6 5 年6 月，上海市化学化工学会就组织了华东六省一市干燥 过滤技术会议。1 9 7 5 年5 月，原化学工业部在南京组织召开了全国第一届干燥技 术会议。1 9 8 6 年1 0 月，中国化工学会组织了全国第二届干燥技术会议。迄今己 满5 届。1 9 9 4 年l o 月辽宁省干燥技术学会于沈阳组织了“9 4 全国干燥技术研 讨会”。1 9 9 6 年4 月，国家自然科学基金委员会材料与工程科学部于北京召开了 “9 6 干燥技术研讨会”l5 1 。还有“全国冷冻干燥会”、“全国农副产品干燥学术 会”1 2 1 1 、“木材干燥技术交流会”以及中国农机学会收获加工机械专业委员会和 全国农产品干燥情报网也组织过几次干燥技术学术讨论会等等。这些会议都集中 交流研讨了有关干燥问题。另外，化学工程、化工机械、工程热力学、红外线加 热技术等专业会议，也都有不少于燥方面的论文发表。我国学者除了在国内会议 刊物上发表论文以外，在国际干燥会议上也有不少论文。 在我国从事干燥理论研究、开发新型干燥设备和相关装置的大专院校、科研 院所也有很多，不少单位都有比较稳定的队伍和明确的发展方向，是发展干燥理 一6 东北欠学工程硕士学位论文第二章 干燥的基本原理及技术发展概况 论与技术的力量所在。 我困先后丌发研究的内容包括：气流1 二燥、沸腾t t 燥、喷雾丁燥及雾化t 燥 装置、分离装置、振动流化床、惰性粒子流化床、强化干燥、旋转闪蒸t 燥，制 药用的无菌喷干及回转真空f 燥、混流下燥、粉碎r 燥联合机、胶塞灭菌_ t 傈联合机、热泵干燥、冷冻干燥、多层流化床、多层振动流化床、多室流化床、 离心流化床、螺旋扳干燥、流化床喷雾造粒干燥、木材真空t 燥、搅拌t 燥、红 外- f ：燥、远红外。f 燥、静电了：燥、微波于燥、对撞丁流燥、多段换向穿流t ：燥、 立式及卧式盘式干燥机、桨叶或螺旋叶干燥机等等。 径应用基础方面，我国也结合或联系物料的于燥过程，开展了上= 述务类干燥 方式中不同物料的关键参数的研究，如流化速度、雾化速度、下燥强度与各项操 作指标的关系、能量的节约等。也对若干种于燥进行了数学模拟、离散理论、优 化方法、专家系统、计算机调控、物料在于燥过程中有关指标的变化，以及固体 干燥过程中多孔介质的传热传质研究等。 研究干燥的物料有；化工、医药产品、中草药材、粮食作物、种子、牧草、 石化、林业产品、渔产品、食用菌、人参、木材、羊毛、皮革、禽肉、菌丝体、 菱镁球矿、白炭黑、粘土制品、特陶、速溶茶、植物蛋白、酒糟等等。 辅助设备的研究丌发，有各种热风炉、高温热管、旋风分离器等等。两种不 同干燥方法的联用如气流沸腾、喷雾流化等也都有报道。 于燥技术随着有关产业的发展有着比较大的进展，因为于燥涉及不同种类产 品的品质、性状、干燥前后的不同物态。而干燥的能耗在工业发达国家要超过能 耗总量的】o ，因此，干燥过程的节能是涉及面广的眩远课题。同时，大量的干 燥需求也必然促使干燥装置制造业的发展。其中机电一体化、加工制造标准化、 调控水平等也都是体现干燥装置水平的内涵。由此认为我国目前干燥技术的发展 方兴未艾。随着干燥有关产品的发展，对其品质的提高、能量单耗的降低、操作 的可靠程度，都会对干燥技术及其装置提出更高的要求。对于干燥装置制造业来 说，满足上述要求，乃至逐步形成具有当代世界水平或领先水平的产品及企业， 也是必要的。若干干燥工作开展不多的产品，如造纸、食品、矿冶等方面的加强 以及干燥基础理论的研究，已有机种及新机种的开发，机电一体化程度的提高、 制造标准的接轨等，都将是今后的工作内容。 当然，在看到成绩的同时，也应正视不足。我国干燥技术装备的水平与国外 的先进水平还有很大的差距，主要表现在： 1 同类设备创新不够，高科技含量低，自动化程度低。 各个企业生产同一种设备，几乎完全相同，近十年来变化不大，往往是仅看 7 东北大学工程硕士学位论文第二章干燥的基本原理及技术发展概况 一家即，_ j ，其他厂家基本一样，结构惊人相似，甚至设备结构明显不理想，也不 加以改进。由此可见，企业创新能力差，或整体水平不高。 目前我国的于燥设备大多高科技含量低，自动操作和自动控制水平低，除温 度、压力有自动显示外，其他大多靠人工经验操作，而当今高科技控制手段几乎 很少应用，因此产品质量难以保证。实际上，在干燥设备中，自动化程度可大大 提高，如温度、压力、湿度、进风量、排风量、产品颗粒度等可全部实现自动控 制凋= 市，整个控制系统由微机按设计参数确定。因此，提高设备的高科技含量是 干燥设备的发展趋势。 2 科研设计和开发能力较低，科研生产一体化程度不高 从事r 燥技术方面的专业技术人员较缺乏，科研设计力量薄弱，新产品的开 发能力低，产品更新换代缓慢。 另外，科研生产一体化程度也不高，科研成果不能尽快投入实际应用。 因此应建立科研生产一体化机构，提高干燥技术科研的整体水平，增强科技 实力和后劲。大力建设科研队伍，增强科研能力，提高设备的科技含量，开发自 动化控制的f 二燥装备，研究具有幽际竞争力的设备，把我国的干燥技术装备逐步 推向国际市场。 3 干燥设备标准化、成套化水平低 这一问题在干燥行业中普遍存在，严重影响了干燥技术行业的发展。干燥设 备性能好坏与配套装置的标准化、成套化水平有着密切关系，对此应引起高度重 视。 4 干燥设备能耗高 这也是一个老问题。降低能耗，提高设备热效率，应是长期不懈研究的目标。 目前，一般干燥设备的热能利用率都较低，大约为3 0 4 0 ，如果把设备热能利 用率提高到5 0 以上，经济效益和社会效益是不言而喻的。这就要求对干燥技术 和装备进行全面、深入、系统的研究，不仅仅关注设备，更要关注工艺，不断地 进行改进和创新。 5 干燥设备行业缺少名牌，缺乏竞争力 在整个干燥设备行业中，无名牌产品，因而缺乏市场竞争力。今年来，企业 竞争一直停留在价格竞争上，而在设备的节能、创新、高科技含量、创优质和售 后服务等方面，竞争却显得无力。 因此，创干燥技术行业的名牌，以高新技术带动整个行业发展，提升竞争力 是非常重要的。 8 一 东北走学工程硕士学位论文第二章干燥的基本原理及技术发展概况 2 2 干燥的基本原理 2 2 1 概述 干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分( 大多数情况下是水) 而 获得一定湿含量剧体产品的过程。湿分以松散的化学结合形式或以液态溶液存在 于固体中，或积集在固体的毛细微结构中。这种液体的蒸汽压低于纯液体的蒸汽 压，称之为结合水分。而游离在表面的湿分则称为非结合水分。 当湿物料作热力下燥时，以下两种过程相继发生： 过程1 ：能量( 大多数是热量) 从周围环境传递至物料表面使表面湿分蒸发。 过程2 ：内部湿分传递到物料表面，随之由于上述过程而蒸发。 二燥速率由上述两个过程中较慢的一个速率控制从周围环境将热能传递到 湿物料的方式有对流、传导或辐射。在某些情况下可能是这些传热方式联合作用， 工业干燥器在型式和设计上的差别与采用的主要传热方式有关。在大多数情况下， 热量先传到湿物料的表面然后传入物料内部，但是介电、射频或微波干燥时供应 的能量在物料内部产生热量然后传至外表面。 过程l ：液体以蒸汽形式从物料表面排除，此过程的速率取决于温度、空气 温度、湿度和空气流速、暴露的表面积和压力等外部条件。此过程称外部条件控 制过程，也称恒速干燥过程。 过程2 ：物料内部湿分的迁移是物料性质、温度和湿含量的函数。此过程称 内部条件控制过程，也称降速干燥过程。 整个干燥循环中两个过程相继发生，并先后控制干燥速率。 2 2 2 干燥的基本原理 2 2 2 1 外部条件控制的干燥过程 在于燥过程中，基本的外部变量为温度、湿度、空气的流速和方向、物料的 物理形态、搅动状况以及在干燥操作时干燥器的持料方法。外部干燥条件在于燥 的初始阶段，即在排除非结合表面湿分时特别重要，因为物料表面的水分以蒸汽 形式通过物料表面的气膜向周围扩散，这种传质过程伴随传热进行，故强化传热 便可加速干燥。但在某些情况下，应对干燥速率加以控制，防止过干燥和过度收 缩，避免在物料内部造成很高的应力，产生龟裂或弯曲。在这种情况下，应采用 0 东北大学工程硕士学位论文第二章干燥的基本原理及技术发展概况 相对湿度较高的空气，既保持较高的干燥速率又防止出现质量缺陷。 2 2 2 2 内部条件控制的干燥过程 在物料表面没有充足的自由水分时，热量传至湿物料后，物料就开始升温并 在其内部形成温度梯度，使热量从外部传入内部，而湿分从物料内部向表面迁移， 这种过程的机理因物料结构特征而异。主要为扩散、毛细管流和由于干燥过程的 收缩而产生的内部压力。芷临界湿含量出现至物料干燥到很低的最终湿含量时， 内部湿分迁移成为控制因素，了解湿分的这种内部迁移是很重要的。一些外部可 变量，如空气用量，通常会提高表面蒸发速率，此时则降低了重要性。又如物料 允许在较高的温度下停留较长的时间就有利此过程的进行。这可使物料内部温度 较高从而造成蒸汽压梯度使湿分扩散到表面并会同时使液体湿分迁移。 对内部条件控制的干燥过程，其过程的强化手段是有限的，在允许的情况下， 减小物料的尺寸，以降低湿分( 或汽体) 的扩散阻力是很有效的。施加振动、脉 冲、超声波有利于内部水分的扩散。而由微波提供的能量则可有效地使内部水分 汽化，此时如辅以对流或抽真空则有利于水蒸气的排除。 2 2 2 3 物料的干燥特性 如上所述，物料中的湿分可能是非结合水或结合水。有两种排除非结合水的 方法：蒸发和汽化。当物料表面水分的蒸汽压等于大气压时，发生蒸发，这种现 象是在湿分的温度升高到沸点时发生的。 如果被干燥的物料是热敏性的，那么出现蒸发的温度，即沸点，可由降低压 力来降低( 真空干燥) 。如果压力降至三相点以下，则无液相存在，物料中的湿分 被冻结，加热引起冰直接升华为水蒸气，如冷冻干燥。 在汽化时，干燥是由对流进行的，即热空气掠过物料。将热量传给物料而空 气被物料冷却，湿分由物料传入空气并被带走。在这种情况下，物料表面上的湿 分蒸汽压低于大气压，且低于物料中的湿分对应温度的饱和蒸汽压，但大于空气 中的蒸汽分压。 选择适宜的干燥器及设计干燥器尺寸，必须了解物料对所采用干燥方法的干 燥特性，物料的平衡湿分及物料对温度的敏感性，以及由特定热源可获得的温度 极限等。 物料的干燥特性与采用的干燥方法也有关，这种特性通常用湿含量和时间函 数，即干燥曲线或干燥速率曲线表示。 】0 一 东北大学工程硕士学位论文第二章干燥的基本原理及技术发展概况 在实践中，最初的原料可能具有很高的湿含量，而产品可能也要求较高的残 留湿含量，那么整个干燥过程可能均处于等速阶段。然而在大多数情况下，两种 阶段均存在。并对难干物料而言，大部分干燥是在降速阶段进行的。如物料的初 始湿含量相当低且要求最终湿含量极低，则降速阶段就很重要，干燥时间就很长。 空气速度、温度、湿度、物料厚度及床层深度对传热速率全都很重要。当扩散速 率是控制因素时，即在降速阶段，干燥速率则随物料厚度的平方变化，特别当需 要很长的干燥时间以获得低的湿含量时，用搅拌、振动等方法，使湿粉料颗粒化、 降低切片厚度或在穿流干燥器中采用薄层将有利于降速干燥过程。 了解采用定干燥方法时物料的干燥性能在干燥器设计中是很重要的。通常 需经试验才能获得这种干燥性能。 2 2 3 加热方法对干燥过程的影响 2 2 3 1 对流加热对干燥过程的影响 对流加热是干燥颗粒、幅状或膏状物料最通用的方式。由热空气或其他气体 流过物料表面或穿过物料层提供热量，而蒸发的湿分由干燥介质带走。空气( 最 常见) 、惰性气体、直接燃烧气体或过热蒸汽均可用作对流干燥系统的加热介质。 这种干燥器也称作直接( 加热) 干燥器，在初始等速干燥阶段( 在此阶段表 面湿分被排除) ，物料表面温度为对应加热介质的湿球温度。在降速干燥阶段，物 料的温度逐渐逼近介质的干球温度，在于燥热敏性物料时，必须考虑这些因素。 当采用过热蒸汽干燥时，物料的最高温度相应于操作压力时的饱和温度。对 于可能氧化和对氧敏感的物料在蒸汽环境中，产品质量可以得到保护和改善。 2 2 3 2 传导加热对干燥过程的影响 传导或间接干燥器更适用于薄层物料或很湿的物料。蒸发热由通过安置在干 燥器内的加热面( 静态的或移动的) 供给。蒸发出的湿分由真空操作或少量气流 带走，对热敏性物料推荐真空操作。在对流干燥中由于焓随干燥空气逸失是很大 的，故其热效率很低，而传导干燥器热效率就较高。干燥膏状物料的桨式干燥器， 内部装有蒸汽管的转筒干燥器、干燥薄层糊状物的转鼓干燥器均属间接干燥器。 对某些操作，可结合直接和间接两种加热的优点，采用联合操作方式。 2 2 3 3 辐射对于燥过程的影响 东北大学工程硕士学位论文第二章干燥的基本原理及技术发展概况 各种电磁辐射源具有的波长从太阳频谱到微波( o 2 m 至o 2 u m ) ，太阳能辐 射仅仅照射在物料的表层上，它仅吸收一部分入射能，吸收能量仅取决于入射能 的波长。虽然大多数湿物料是5 0 6 0 h z 电流的不良导体。但对辐射频率其阻抗却 显著地下降，这种辐射可用于容积性地加热物料，因此降低了对传热的内部阻力。 出于水分子选择性地吸收能量，使物料干燥时消耗较少的能量。但由于投资和操 作费用较高，故这种技术可用于干燥高值产品或湿度场的最终调整，因为此时仅 仅排除少量难以排除的水分。 2 2 4 操作温度和压力对于燥过程的影响 大多数干燥器在接近大气压时操作，微弱的正压可避免外界向内部泄漏，在 某些情况下，如果不允许向外界泄漏则采用微负压操作。 真空操作是昂贵的，仅仅当物料必须在低温、无氧或在中温或高温操作产生 异味的情况下才推荐采用。高温操作是更为有效的，因此对于给定的蒸发量可采 用较低的气流流量和较小的设备。在可获得低温度热或从太阳能收集器获得热能 时，可选择低温操作。但这些干燥器的尺寸较大。 在真空和温度低于水的三相点下操作的冷冻干燥是一种特殊情况。冷冻干燥 时冰直接升华为水蒸气。虽然升华需要的热量比蒸发低数倍，但真空操作却是昂 贵的，不过产品质量和储存状况则较佳。 2 3 干燥技术的进展 干燥是最古老的操作单元之一，然而它也是最复杂、人们了解最浅的技术， 在干燥技术的许多方面存在着“知其然而不知其所以然”的状况，因此大多数干 燥器的设计仍然依赖于小规模试验及实际操作经验。有些干燥工艺已趋成熟，进 一步的研究和发展己不能在投资上获得满意的回报。近1 0 年来，有许多新型干燥 器投入市场，另外，一些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，人们对有效利用能源、实现对环境良好的操作以及提高产品质量 的意识也在逐渐增强。干燥技术的发展，必须通过革新的方式，进一步地进行开 拓性研究，以迎接时代的挑战。 2 3 1 机械脱水 为了减少干燥器的热负荷，减少湿物料的水分含量是很重要的。通常都是利 一1 2 东北大学工程硕士学住论文第二章干燥的基本原理及技术发展概况 用真空或压力过滤机、渗析器、离，t i , $ j l 等进行机械脱水。对于胶体状物料，因为 其中岔有小颗粒( 5 p m ) ，所以对其进行脱水处理很困难。近年来，下列新过程 的发展很成功是“技术推动”和“市场牵引”的结果。 _ 电渗析脱水直流电场运用于胶体悬浮液的脱水。 _ 间断式电渗析脱水通过使电极短路以实现周期性断电。这个过程理 论上较连续式操作有效。 - 真空过滤与电渗析脱水的联合使用可连续或间断式操作。 一组合场能脱水电渗析脱水与超声场组合。 - 辅以振动的微滤优于错流过滤。 虽然上面的一些新想法已成功地付诸于商业化应用，但它们仍有进一步改进 和丌拓的潜力。其中一些过程可与间歇干燥操作相结合。总之，新型脱水技术可 与干燥结合，使之产生总体效益。 2 3 2 流化床干燥器 流化床f r 燥器因其对可流化的颗粒的下燥具有许多优良特性而在近3 0 年中 卜分流行。目前，它们被用于于燥大量不同物科，不仅仅是颗粒，而且有浆料、 膏糊状物料、连续网状和片状物料。不能自身达到流化的大块物料可以在惰性小 颗粒流化床中迸行干燥。 一次只让床层的某些部分流化，可以节约能耗。在间歇式流化床干燥器中可 通过调节热量输入来保持床层颗粒物料温度恒定。此控制方法不但节能，而且还 可提高热敏性产品的质量。 2 3 。3 喷动床干燥器 这种干燥器实质上是流化床的改型，适宜于干燥大颗粒物料( 如谷粒、豆类 等) ，它们的特点是具有内部循环运动和在顶层自由表面的喷动。颗粒的运动较在 流化床中的混乱( 或随机) 运动更有规律。 喷动床干燥器不仅可以干燥大颗粒物料，而且可以干燥浆状和糊状物料。利 用内部通气管、二维设计或一种机械喷动作用，有可能消除或降低传统的轴对称 床干燥器的一些弱点。这些很简单的装置目前尚未被完全开发利用。值得注意的 是，对于主要由内部热质传递控制的颗粒采用间歇喷动或对喷动的热空气进行间 歇加热的方法可以显著节省能量，并提高产品质量。这一结果已在旋转喷管( 移 动) 式喷动床中得以实现1 6 1 。 一13 苎苎苎二! ! 三堡璺主芏竺笙圭 箜三主堡竺墨查堡垩墨垫查奎垦垫塾 _ _ - - _ _ - - 一一一一- _ 2 3 4 冲击流于燥器1 7 冲击流干燥器是对流热质传递到表面的最好结构，可用于纸、胶片、纺织品 涂层、薄板等广泛的工业领域有时可在冲击喷嘴组件之间联结红外热源。在 某些情况下( 如f 燥纺织品、双面铜版纸、纸扳等) 。织物由射流支持，织物的两 表面受到热气流撞击以达到无接触干燥。通过对输送带上料层的假液化，冲击流 也可以用于于燥颗粒或碎片物料。 2 3 ，5 转筒干燥器1 8 最近，同本东京的y a m a t os a n k y o 制造公司为一个简单设计的转筒干燥器申 渚了专利一干燥空气从中心管穿过多条分支管而喷射到旋转圆筒壳壁的料层 上，它不仅热质传递速率几乎翻倍提高且具有尺寸小、简单、低成本等优点。 2 3 6 过热蒸汽干燥器 虽然以过热蒸汽代替热空气或燃气怍为干燥介质的想法已经有1 0 0 多年的历 史，而目它的一些应用也有5 0 年的历史了( 例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。 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，产品具有更好的质量等，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干燥介质。不利的面是，投资高且整个过程适合于 排出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 ，过热蒸汽干燥从能 量和环境的角度看是很有吸引力的，正如文献 9 】、【1 0 】等许多文献所揭示的那样， 过热蒸汽干燥被认为是本世纪受人欢迎的干燥技术。 2 3 7 对撞流干燥器1 1 由两股高速气流，其中至少有一股气流为两相流( 气流与颗粒液滴的混合流) 迎面碰撞产生的对撞区可获得很高的传热、传质速率。在这个区域中还可以消除 颗粒的结团、进行液滴雾化和颗粒分散。由于惯性作用大，大颗粒物料在限定的 反向流中具有较长的停留时间。因此，对撞流就形成了个气流干燥颗粒、糊状 1 4 东北大学工程硕士学位论文第二章干燥的基本原理及技术发展概况 物和浆液的理想气流。经几段对撞区后，物料可达到所需的最终含水量。 一旦对撞流干燥器研制成功，在一些应用领域有替代传统的气流干燥器的潜 力1 1 ”。 2 3 8 声干燥 6 0 多年前，已有关于高强度声场强化传质、传热的报道，但由于声能利用率 低，还不适合于工业规模的应用。 一般在第一干燥速度阶段，对表面水分的排出，声干燥的效果较好。由于声 发射器的效率低( - - 2 5 ) ，因此只对某些难干、贵重和小吨位的物料，声干燥才 值得考虑。 另外，将声干燥与其他干燥方法组合使用也是可行的。如红外与声辐射组合 使用，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 1 3 l 。 2 4 干燥技术的发展趋势 现代干燥技术的发展趋势：有效利用能源、提高产品质量及产量、减少环境 影响、安全操作、易于控制、一机多用。 具体来讲，干燥技术的发展将着重于以下方面： 1 干燥设备研制向专业化方向发展 由于干燥设备应用极广，遍及国民经济各部门，而且需要量也很大，这就成 为干燥设备向专业化方向发展的基础。 2 干燥设备的大型化、系列化和自动化 从干燥技术经济的观点来看，大型化的装置，具有原材料消耗低、能量消耗 少、自动化水平高、生产成本低的特点。设备系列化，可对不同生产规模的工厂 及时提供成套设备和部件，具有投产快和维修容易的特点。 3 改造干燥设备，强化干燥过程 ( 1 ) 改善设备内部物料的流动状况( 或干燥介质的流体力学状况) ，强化和 改善干燥过程。 ( 2 ) 增添附属装置，改善干燥器的操作，扩大干燥设备的使用范围。 4 采用新的干燥方法及组合干燥方法 近年来，高频干燥、微波干燥、红外线干燥以及组合干燥发展较快。其它， 如利用弹性振动能，强化固体物料的干燥。 1 5 一 东北大学工程硕士学位论文第二章干燥的基本原理及技术发展概况 5 降低干燥过程中能量的消耗 干燥是消耗热量很大的单元装置。这是由于不论是干燥液体物料、奖状物料， 还是含湿的固体物料，都要将液态水分汽化，因此需要供给较大的汽化潜热。统 计资料表明l ”，“t ，干燥过程的能耗约占整个加工过程的1 2 左右，中国干燥操 作的能耗约占总能耗的1 0 。因此，必须设法提高干燥设备的能量利用率，节约 能源。 在干燥过程中，热效率变化很大，提高于燥过程中热效率的主要措施如下： ( 1 ) 对现有干燥设备，加强热管理，减少干燥过程的各项热量损失。如防止 干燥介质的泄漏，对带有热风循环的干燥设备，尽可能地保持最大的循环风量等。 ( 2 ) 改善设备的保温 一般干燥器损失热量为3 - 3 0 。在对干燥器散热量进行测量的基础上，采取 措施，改善设备的保温，减少热损失。 ( 3 ) 防止产品的过度干燥 干燥过程中，