（环境工程专业论文）己二酸埋管流化床干燥工艺研究与开发.pdf

中文摘要 我国己二酸( a d a ) 市场需求增长较快，供不应求，需进口。己二酸生产工艺 中，干燥单元操作对其品质和能耗有重要影响。己二酸原有干燥工艺以气流干燥 为主，存在能耗高、产品粒度小等缺点，故开发新型节能高效干燥工艺显得必要。 埋管流化床干燥技术具有连续方便、气固接触均匀、干燥强度大和间接热传 导热效率高优点。其结构是将管式或平板式热交换器内置于流化床中，以达到强 化固体颗粒与热媒体的传热，提高干燥热效率和干燥强度。 本论文以实现己二酸埋管流化床干燥的工业化为研究目标，通过对己二酸物 理性质、干燥特性，埋管流化床干燥机理的分析基础上，研究了己二酸应用埋管 流化床干燥的传热传质特性、设备结构和系统操作参数。在此基础上，确定了埋 管式流化床干燥器的工艺计算和设计方法，完成了埋管式流化床的结构设计及其 系统的优化配置，研制开发出了节能高效的埋管式流化床干燥装置。并设计了己 二酸埋管流化床干燥实验台，实现工业化设计。实验和工业化结果表明：该系统 能耗低、热效率高，干燥强度大，产品质量好，系统运行平稳可靠。 关键词：己二酸；埋管流化床；干燥；传热系数；流化速度 a b s tr a c t a p d i p i ca c i d ( a d a ) ，i st h em o s ti m p o r t a n tf a tb i n a r ya c i dw h i c hi sw i d e l y a p p l i e d 。b e c a u s et h em a r k e to fa p d i p i ca c i di si n c r e a s i n gq u i c k l y , t h eo u t p u to f a p d i p i ca c i dd o e sn o ts a t i s f yw i t ht h en e e d so fm a r k e t p l a c e s oc h i n an e e d st oi m p o r t a p d i p i ca c i df r o ma b r o a d i ti su r g e n tt od e v e l o pt h ep r o d u c t i o no fa d a f o ro u r c o u n t r y i nt h es y s t e mo fp r o d u c t i o nf o ra d a ，t h eo p e r a t i o no fd r y i n gc e l lh a sa i m p o r t a n te f f e c to nt h eq u a l i t ya n de n e r g yc o n s u m p t i o n t h er i g i n a ld r y i n gs y s t e mo f a d i l i ca c i dm a i n l yu s e dt od r yb ya i rc u r r e n t ，w h i c hw i l lw a s t em u c he n e r g ya n dt h e s i z eo fp r o d u c t i o ni ss m a l l s ow en e e dt o s t u d yan e w , e n e r g yc o n s e r v a t i o na n d h i g h - e f f e c td y i n gs y s t e m t h et e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a l i z a t i o no ff l u i d i z i n gb e dw i t hi m m e r s e dt u b ei s s e q u e n t i a la n dc o n v e n i e n c e ，t h ec o n t a c ti su n i f o r mb e t w e e ng a sa n ds o l i d t h ed r y i n g i n t e n s i t yi sh i g ha n dt h ee f f e c to fi n d i r e c th e a te x c h a n g ei sh i g h t u b eo rt a b u l a t eh e a t t r a n s f e ri si n s i d ef l u i d i z i n gb e da p p l y i n gf l u i d i z i n gt e c h n o l o g y , w h i c hw i l ls t r e n g t h e n t h eg r a i no fs o l i da n dh e a tt r a n s f e ro fh e a tm e d i a t h i st e c h n o l o g yh a sh i g ht h e r m a l e f f i c i e n c yf o rd r y i n ga n dt h ed r y i n gi n t e n s i t y t h i sp a p e rs t u d i e di n d u s t r i a l i z a t i o no ff l u i d i z i n gb e dw i t hi m m e r s e dt u b eo f a p d i p i ca c i d t h ep r o p e r t yo fh e a tt r a n s f e r , m a s st r a n s f e r , t h es t r u c t u r e so fi n s t r u m e n t s o ff l u i d i z i n gb e dw i t hi m m e r s e dt u b eo f a p d i p i ca c i dw e r es t u d i e d a tt h es a m et i m e ， w es t u d i e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fs y s t e mo p e r a t i o na n dt h ed y i n g e f f e c t b yc a l c u l a t i n gt h es y s t e ma n dt h em e t h o do fd e s i g n i n go ft h i sf l u i d i z i n gb e d ， w ef i n i s h e dt h et h ed e s i g n i n go fs t r u c t u r ea n do p t i m i z e ds c h e m eo ft h es y s t e m w e d e v e l o p e dt h ei n s t a l l a t i o no ff l u i d i z i n gb e dw i t hi m m e r s e dt u b ew h i c hw i l lh a v eh i g h e f f e c ta n ds a v ee n e r g y k e yw o r d s ：a p d i p i ca c i d ；d r y i n g ；f l u i d i z i n gb e dw i t hi m m e r s e dt u b e ；h e a tt r a n s f e r ； f l u i d i z i n gv e l o c i t y 2 独创性声眵j ：本人声明所呈交的学位论文是本人在寻师旨导下进行的研究工作和取碍的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处夕 ? 论文由不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂聋盍生或其他教育杌构的学位或证 二：享面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究乒斤做的任何贡献均已在论文中 仁了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储签名：筠t l 签字r 期：2 p “年乒月厂绍 学位论文版权使片! 授权书 本学位论文作者完全了解丕= 盗盘鲎二布关保留、镀用学位论文的t 冠定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全孝嚣或鄢务内容编入有关数据库避行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同巷学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说弓；) 学位论文作者签名：篙卅十 签字日期：。瞵仁月日 二师签 签字 = 华月c g f 第一章绪论 第一章绪论 己二酸又名肥酸，外观为白色结晶粉末，常以白色针状或结晶粉末存在，易 升华，微溶于水，溶于乙醚、乙醇、丙酮等，天然存在于酸败的甜菜中 1 - 5 】。 己二酸是重要的脂肪族二元酸，主要用与制造尼龙6 6 纤维和尼龙6 6 树脂， 聚氨脂泡沫塑料，又是己二腈、己二胺的基础原料。同时，还可以用于生产润 滑剂、增塑剂己二酸二辛酯等，还能作为食品添加剂。此外，它也是一种低口 服毒性的弱刺激性物质，是美国食品和药物管理局批准的食品添加剂之一。己 二酸高级酯可作聚氯乙烯及其共聚物、天然合成香蕉的增塑剂，广泛用于食品 包装、薄膜和绝缘用的聚氯乙烯1 6 j 。 1 1 己二酸干燥概述 1 1 1 己二酸性质 己二酸( a d a ) 又称己烷二羧酸，俗称肥酸，分子式为c 6 h 1 0 0 4 ，分子量1 4 6 1 4 ， 是脂肪族二元酸中最有应用价值的二元酸。成品己二酸是一种松散状物料，粒 度分布较宽，有较弱腐蚀性、易燃、易爆，易产生静电，温度过高易软化结块 甚至变质的一种结晶体，熔点1 5 1 9 。c ，沸点3 3 7 5 ，闪点1 9 6 * c 。高温表面堆 积粉尘的引燃温度为熔点温度，粉尘云的引燃温度为5 8 0 c ，己二酸粉尘与空气 混和物的爆炸上限为7 9 ，下限为3 9 4 。相对密度1 3 6 6 ；溶于乙醉、乙醚、 丙酮等有机溶剂，微溶于水，在2 5 。c 时的溶解度2 3 1 0 0g 水。己二酸具有脂 肪族二元酸的通性，包括成盐反应、酯化反应、酰胺化反应等，并能与二元胺 缩聚成高分子聚合物。己二酸的主要用途是作为三大类产品的原料，即合成尼 龙6 6 盐、聚氨脂和增塑剂，此外还可用于生产高级润滑油和食品添加剂，己二 酸聚脂最重要的用途是生产聚氨基甲酸酯弹性体【6 】。己二酸高级酯可作聚氯乙烯 及其共聚物、天然合成橡胶的增塑剂，广泛用于食品包装、薄膜和绝缘用的聚 氯乙烯。作为合成润滑剂，其中的2 乙基乙酯，2 乙基丁酯，2 乙基辛酯是极好 的低温润滑剂，己二酸的二辛酯和二癸脂则用作高温润滑剂。 1 i 2 全球己二酸市场分析 己二酸是美国杜邦公司于1 9 3 7 年开始工业化生产的，2 0 0 0 年全球的生产能 力已经达到2 3 8 6 万吨，总产量以及达到2 2 0 万吨。由于己二酸下游产品的迅速 第一章绪论 开发，造成了己二酸的需求量一直不能得到满足。近年来由于己二酸在聚氨跖 方面的应用得到快速发展，使己二酸的增长率仍保持比较高的递增速度 7 1 。 全球己二酸能力2 8m t a ，欧洲能力约1 1 0m t a 。欧洲占世界消费量约3 5 ，欧洲生产量由2 0 0 1 年8 5 0k t a 增加剂2 0 0 2 年9 0 0k t a 。表l 为世界主要 的己二酸生产能力。 预计今后几年全球己二酸需求年增长率为4 o 5 ，非尼龙应用领域增 长率最高，可达7 ，尤其是聚氨酯，预计其年增长率达9 一l o ，工程树脂年增 长率为6 ，纤维增长率为2 之5 。亚洲仍保持最快的增长速度，尤其是中国， 预计消费增长3 倍，由1 9 9 9 年4 0k t a 增加到2 0 0 2 年1 2 0k t a ，近年聚氨酯生产 重点已由韩国和中国台湾省转向中国大陆。己二酸投资目标主要在亚洲，罗地亚 公司在韩国奥山的6 5 0 k t a 装置扩建于2 0 0 3 年完成。杜邦公司计划到2 0 0 3 ；年 使其北美的装置增加生产能力15 0k t a 【引，具体数据见表l ：l 。 表1 1 全球己二酸生产能力( 2 0 0 7 年) 第一章绪论 我国的己二酸主要用于制造尼龙6 6 盐，主要生产技术靠引进，生产规模不 能满足国内市场的需求。 目前我国己二酸生产企业主要有两家：中国石油辽阳石化分公司、河南平 顶山神马集团有限公司。其中，辽阳石化分公司是目前我国己二酸最大的生产 厂家，其生产装置是为尼龙6 6 盐装置配套建设的，产能已由7 万吨年扩大到 2 0 0 5 年的1 4 万吨年；河南平顶山神马集团己二酸装置也是为其尼龙- 6 6 盐装 置配套建设的，几乎没有商品量，目前该公司己二酸生产能力已达到l o 万吨 年。辽化尼龙6 6 盐生产装置是2 0 世纪7 0 年代从国外引进的，由于装置老化， 公司拟停止生产尼龙6 6 盐，此部分的己二酸进入国内市场，使2 0 0 5 年我国己 二酸自给率大大提升。 我国己二酸生产于1 9 6 2 年，1 9 9 4 年达7 ，4 万吨。之后，我国己二酸生产步 入快速增长阶段。截至2 0 0 6 年2 月，我国己二酸生产能力已达2 5 万吨天。2 0 0 5 年，我国己二酸产量为1 7 万吨，表观消费量为3 1 5 万吨，自给率由2 0 0 4 年的 4 0 提高5 4 。由于我国己二酸市场需求增长较快，亚洲地区己二酸供需将趋 紧，因此发展我国己二酸的生产非常迫切。由于市场缺口较大，因此己二酸发 展前景十分乐观1 9 j 。 我国己二酸最大的消费领域是聚氨酯行业，约占总消费量的6 3 2 ，尼龙 6 6 盐约占3 3 8 ，其他领域约占3 。我国尼龙塑料工业发展较缓慢，而聚氨 酯工业发展迅速，尤其是近年来，国内鞋底料和p u 浆料市场迅速发展，同时聚 氨酯原料装置建设迅速，并且未来还将保持较快的增长速度，我国聚氨酯对己 第一章绪论 二酸的需求将保持年均1 5 左右速度增长。由于我国己二酸市场需求增长强劲， 国内生产能力远不能满足市场需求，每年均需大量进口。2 0 0 0 - - - 2 0 0 5 年，我国 己二酸进口量分别为4 5 3 2 5 吨、7 0 11 0 吨、9 4 5 8 5 吨、1 3 3 3 8 9 吨、1 7 3 7 1 0 吨、 1 4 2 1 6 0 吨。其中2 0 0 0 - - 2 0 0 4 年我国己二酸进口增长率高达4 6 。2 0 0 5 年，我 国聚氨酯工业消耗己二酸1 9 9 万吨。 几年国内聚氨酯工业对己二酸的需求将以每年1 0 , - - 1 5 的速度增长，2 0 1 0 年聚氨酯工业将消耗己二酸3 2 万 4 0 万吨。国内潜在的需求还表现在尼龙塑料 进口上，由于国内尼龙装置有限，而且尼龙装置规模都比较大，不可能完全依 靠进口产品来满足装置生产需求，因此主要尼龙生产装置均自行配套建设了己 二酸装置，国内多以进口尼龙纤维和树脂形式来满足市场快速增长的需求。2 0 0 5 年我国仅聚酰胺6 6 切片和其他初级聚酰胺6 6 进口量就达到1 8 7 6 4 6 吨，若换算 成己二酸的数量，则相当惊人。因此，我国不仅聚氨酯工业对己二酸需求强劲， 而且尼龙6 6 盐对己二酸的潜在需求也十分巨大。预计2 0 1 0 年国内己二酸需求 总量约为5 2 5 万 6 0 5 万吨。 1 1 3 己二酸生产工艺简介 己二酸的合成工艺按原料可分为以下4 种方法0 0 - - 1 3 ：1 k a 油( 环己醇和环 己酮的混合物) 法；2 c 4 烯烃法；3 生物法：4 环己烯法。其中以k a 油法为主 ( 合成l 认油原料一般用环己烷8 8 ，也可以用苯5 或苯酚7 1 1 4 ) ，目前该 工艺约占全球己二酸生产工艺的9 3 ，在实际工业生产中占统治地位，也是继 苯酚法后普遍采用的生产方法，目前国外几乎所有己三酸生产厂商都采用以环 己醇和环丙酮混合物所组成的k a 油为原谅的硝酸氧化工艺路线。传统的己二 酸生产方法是以苯为原料，通过加氢制取环己烷，将琢己烷进行空气氧化生成 k a 油，然后再将k a 油用硝酸氧化得到己二酸。以环己烷为原料生产己二酸的 历史可追溯到上世纪4 0 年代，杜邦公司成功开发以m o 或c o 的醋酸盐，或以 环烷酸盐为催化剂液相空气氧化制得k a 的工艺，该工艺技术成熟、操作简单， 但效率比很低，环己烷单程转化率为5 - 6 时，k a 油的选择性仅7 5 7 7 1 1 5 j ； 日本关西大学开发的以n 羟基酞酰亚胺( n h p i ) 为催化剂使环己烷在醋酸溶剂 中氧化反应制得己二酸。为简化反应过程，该校又开笈了无溶剂存在下的环己 烷氧化工艺。沸石催化剂也是将环己烷直接氧化制环己醇和环己酮的环境友好 催化剂，环己烷转化率可达1 5 1 1 6 】，环己醇和环己酮选择性可大于9 0 ，但所 用的氧化剂为硝酸，会放出大量的氮氧化物，严重污染环境【1 7 1 ，为克服硝酸污 染严重的缺点，姜恒等人【1 8 2 0 采用新型氧化剂( 主要是过氧化氢和空气) 来替 代硝酸，这减少了对环境的污染，且转化率较高，可达8 0 1 2 1 】；以硼酸为催化 第一章绪论 剂方法是上世纪6 0 年代开发的办法，现有美国的s d 法和法国的i f p 法。该法 具有抗氧化的热稳定性，因而，可以防止进一步的氧化生成各种酸杂质。无催 化剂氧化法是上世纪7 0 年代法国罗纳普朗克公司开发的，它的氧化条件缓和， 反映的副产物少，选择性和吸收率都比较高，氧化反应器不存在结焦问题，但 反应需要在高温及高压条件下进行。环己烷路线即有纯笨催化加氢生成环己烷， 环己烷在经空气氧化生成环己酮或环己醇，再有硝酸氧化成己二酸。环己醇法 即有纯笨催化加氢生成环己烯，然后环己烯水解成环己醇在催化剂催化下由氧 化剂氧化直接合成己二酸，该工艺操作简便，产率较高，可达9 7 左右，但是 该工艺所用的氧化剂一般为双氧水，催化剂也一般为昂贵的过渡金属的复杂的 化合物，生产成本较高，这大大限制了其发展。丁二烯羟基化法1 2 2 j 是由丁二烯 在催化剂催化下经过两步羟基化可以生成己二酸，该工艺过程比较简单，副产 物也比较少，但是产率不是很高，一般不到7 0 。总体来讲，丁二烯法工艺过 程比较复杂，反应条件苛刻，副产品较多，且该工艺还处于研究阶段1 2 玉2 4 j 。在 己二酸的生产过程中还存在着关键的干燥工序，干燥效果的好坏对己二酸产品 的品质有着重要的影响，所以有必要对己二酸的干燥进行研究。 第一界中国干燥会议于1 9 7 5 年6 月2 3 日在南京召开，至今已经3 0 多年了。 3 0 多年来，我过干燥技术研究队伍不断壮大。目前我国从事干燥技术研究的大 专院校、科研院所、研究单位大约有5 0 多家，领域涉及化工、医药、染料、轻 工、林业、食品、粮食、造纸、硅酸盐、水产业、渔业等行业，全国共有设备 制造厂6 0 0 多家，已形成了一支强有力的干燥科研开发队伍，广泛开展干燥技 术的基础研究、工艺研究及工业化研究，使我国干燥技术研究正向世界水平迈 进，某些技术领域达到了国际领先水平【2 5 2 引。 3 0 多年来，中国对许多干燥技术实现了工业化。攀掣主要有喷雾干燥、流 态化干燥( 普通流化床，振动流化床，内加热流化床，流化床喷雾造粒干燥) 、 蒸汽回转干燥、气流干燥、回转圆筒干燥、旋转快速干燥、圆盘干燥、带式干 燥、双锥回转真空干燥、浆叶式干燥、冷冻干燥、微波及远红外干燥等等，常 规干燥设备基本可以满足生产的需要，并有部分机型达到国际当代水平并出口 到国外。 干燥单元的重要性不仅在于它对产品生产过程的效率和总能耗有较大的影 响，还在于它往往是生产过程的最后工序，造作的好坏直接影响产品质量，从 而影响市场竞争能力和经济效益。我过有许多产品，就纯度而言已经达到甚至 超过国外产品，然而就是由于干燥技术不如国外技术 号摊积密度、粒度、色泽 等物性指标上不去，在国际市场处于劣势，有的甚至售价仅为国外同种产品的 1 3 。目前我国某些大型石化干燥装备还依赖进口。根据粗略统计，我国生产的 第一章绪论 干燥设备种类仅为国外3 0 0 0 - - - 4 0 。因此进行干燥技术研究的任务迫切。 虽然国外已由公司采用小型埋管流化床生产已二酸，但设备产量小，进口 费用很高。国内一般使用气流干燥机干燥己二酸，但此工艺产品含水量高，热 效率低，耗能大，因此使用埋管流化床干燥已二酸有明显的优越性，埋管流化 床具有较高的传热、传质系数，热效率高，干燥强度大：目前国内多采用气流 干燥机进行干燥处理( 如此前的辽化集团的干燥工艺) ；天力公司在九九年曾 采用振动流化床干燥工艺成功地为宁波富兰特尼龙树脂有限公司提供了一套工 业装置，运转性能良好；用普通流化床也有成功的先例。但综合分析，我们认 为采用埋管式流化床干燥机是最佳选择，这是因为振动流化床干燥机、气流干 燥机、普通流化床有下列缺点： ( 1 ) 振动流化床 热损失大：由于振动流化床干燥机内料层浅( 一般在2 0 - - , 5 0 m m ) ，热风经 过粒层时间短，换热程度不足，因此当物料需进行深度干燥时，就必须提高尾 气的排放温度。 床层面积大：由于操作气速低，在供热量和供风量不变的情况下，振动流 化床干燥机需要比普通流化床大得多的床层面积。 有易损件：由于其为振动设备，故设备寿命较短，易损件多，故障率高。 ( 2 ) 气流干燥机 热损失大：由于操作气速快( 一般为2 0 米秒左右) ，因而干燥时间短，物 科需深度干燥时必须提高其尾气温度。 物料颗粒破损率高、易产生静电：由于物料在干燥机内运行过程中剧裂碰 撞，磨擦，因而易破碎，使得产品粒度小，同时在干燥过程中易产生静电，有 安全隐患。 有粘壁现象。 ( 3 ) 普通流化床 尽管普通流化床较振动流化床干燥机和气流干燥机相比，具有热利用率高、 无易损件等优点，但普通流化床与埋管式流化床相比仍存在体积大，配套辅机 ( 如风机、加热、除尘等系统设备) 也需随之增大，动力消耗高等缺点。 埋管流化床可克服上述缺点。根据己二酸的特殊物性j 在吸收国内外先进 技术的基础上，我们研究开发出埋管流化床干燥新工艺，l 并成功工业化应用于 中国石油天然气股份有限公司辽阳石化分公司7 0 k t r 己二酸技改工程中。与上 述干燥设备相比，进入埋管式流化床的空气介质不是电要的热载体，干燥所需 热量主要由设置在床层中的换热器提供，而干燥所需的空气仅是用于维持物料 流态化和带走水份，所需的量很小。在埋管流化床中，经过加热后的热空气经 第一章绪论 布风板均压后进入床层，使物料颗粒处于悬浮状态，呈流化状态的物料颗粒和 热空气充分接触，进行强烈的传质和传热，从而使物料得以干燥。因此埋管式 流化床具有如下特点。 a 流化速度低，尾气的夹带量少，适合于粒度较小的物料。 b 床层面积小，设备的结构尺寸较小，减小了设备的占地面积。 c 配套辅机小，由于所需的空气量少，所以风机、加热器、除尘装置的尺寸 和功率相应变小，降低了设备的投资和能耗。 d 由于流动的物料不断冲刷换热器管壁，破坏了气固两相流与换热器的热阻， 大大提高传质传热系数。 e 热效率高：由于流化风量小，尾气携带的热量比普通流化床小，所以其热 效率比普通流化床高。另外，埋管流化床采用间接换热的形式，载热介质( 如 蒸汽、导热油、空气) 不含尘，利于余热回收，降低了干燥成本。 f 比较适应于粉粒状、无粘性物料的干燥或冷却。 目前，生产埋管流化床干燥机的主要厂家为德国的苏尔寿和日本奈良，通 常用于纯碱的煅烧冷却，食盐等物料的干燥等。天力：= 干燥设备有限公司曾于 1 9 9 9 年对埋管流化床干燥机的通用干燥特性进行了研究，并成功地应用在淀粉、 纯碱、食盐等产品的生产工艺中。本研究的主要目的是应用已有的研究成果， 考虑易燃、易爆、易产生静电、易软化结块的特点，开发出适用于己二酸干燥 的埋管流化床干燥机。 1 1 4 己二酸干燥特性研究 ( 1 ) 粒度分布： 1 0 0 0 l am1 0 0 6 0 01 tm 9 0 1 0 01 tm7 ( 2 ) 湿滤饼堆密度 约8 0 0 k g m 3 ( 3 ) 湿滤饼最大含湿量为 8 1 0 ( 4 ) 进料最低温度 1 5 ( 5 ) 干燥物料最大含湿量 o 。2 ( 6 ) 己二酸的干燥特性：己二酸是白色结晶粉末j 。物料中的水份大部分为 表面水，内部含有少量的的水份以毛细结合水的形式存在，与物料结合较紧， 内部水份其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，水份在干燥的过程中的迁 移速度慢。因此己二酸可以气流干燥、流化床干燥等多种形式。 第一章绪论 1 2 论文目的、内容及架构 1 2 1 论文目的 由上述介绍可见，己二酸埋管流化床干燥在我国有很大的发展前景和广阔 的市场空间，但是目前国内己二酸干燥多采用振动流化床、气流干燥机、普通 流化床。而这些干燥设备存在不少缺点，如振动流化床热损失大，床层面积大， 有易损件；气流干燥机热损失大，物料颗粒破损率高、易产生静电，有粘壁现 象；普通流化床占地面积大，配套辅机( 如风机、加热、除尘等系统设备) 大， 动力消耗高。埋管流化床克服了以上干燥设备的缺点。与这些干燥设备相比较， 埋管流化床具有占地面积少，配套辅机小，热效率高，换热系数大等优点。本 论文通过论述埋管流化床干燥机理，影响流化床传热的主要因素如：操作速度 ( 即流化速度) 、空气的进风温度、加料速度、加料的含水量、内换热器结构、 内换热器位置的确定，传热系数的计算，结合实验对埋管流化床干燥特性进行 研究。这无论从企业的发展、市场的需求还是在科学研究方面，本论文都有很 明显的经济效益与理论意义。 1 2 2 论文内容 本论文的研究对象是己二酸干燥设备，分析现有生产己二酸设备的优缺点， 研究开发了新型己二酸干燥设备：埋管流化床干燥机。主要研究内容包括： 1 埋管流化床干燥机理； 2 影响埋管流化床传热的主要因素； 3 传热系数的计算； 4 实验结果及分析； 5 实验主要操作和结构参数的确定； 6 己二酸埋管流化床干燥设备的工业化设计。 1 2 3 论文架构 第二章是对己二酸干燥设备的研发背景做了简要介缎提出了干燥己二酸 二 的新型设备一埋管流化床；概述了埋管流化床干燥机理，影响埋管流化床传热 的主要因素，传热系数的计算等一系列理论分析和计算方法以及实验结果及分 析，实验主要操作和结构参数的确定。 第一章绪论 第三章埋管流化床的干燥装置及技术干燥实验。并根据实验确定干燥参数。 第四章介绍己二酸干燥工艺的设计。 第五章简述己二酸干燥工艺中的设备。 第六章对本论文作了总结，为今后的工作指出了方向。 第二章埋管流化床干燥特性的研究 2 1 背景 第二章埋管流化床干燥特性研究 流化床干燥装置以其设备简单紧凑、操作连续方便、气固接触均匀等优点， 近年来在粉粒状物料的干燥中获得了越来越广泛的应用。但是人们发现，在应用 普通流化床干燥机进行物料干燥时，特别是对热敏性物料和低密度物料进行干燥 处理时，其热效率和干燥强度及物料的扬析率等干燥特性将受到进风温度、流化 速度等因素的制约。对于热敏性物料，特别是处于降速干燥阶段进行干燥时，由 于物料温度不能超过一定限度，限制了干燥介质温度的提高，使干燥过程中物料 和干燥介质的传热温差处于较低水平，从而，不能获得较高的热效率和干燥强度。 对于低密度物料，由于需要考虑物料的扬析，使流化床的流化速度不能选取太高， 物料与干燥介质间的传热系数处于较低水平，从而影响到干燥机的热效率和干燥 强度。另外，在处理一定量的物料时，流化速度的减小，将意味着流化床截面积 的加大，加大了加工的难度，增加了设备的占地面积及制造的费用。 间接热传导式干燥装置将干燥加热介质与被干燥物料用导热壁面隔离，由壁 面以热传导的方式向物料提供干燥所需热能。对于使用水蒸气、热水等容易实现 余热回收的介质作为干燥热源的间接热传导式干燥装置而言，热能的绝大部分是 用于物料的水分蒸发，无疑具有很高的热效率。但是，对于粉粒状物料，由于受 到与壁面接触的物料数量和物料颗粒之间的传热热阻较大的限制，间接热传导式 干燥装置的干燥强度相对较小。 埋管流化床干燥技术集流化床连续方便、气固接触均匀、干燥强度大和间接 热传导热效率高的优点于一体。它将管式或平板式热交换器内置于流化床中，应 用流态化技术，强化固体颗粒与热媒体的传热，具有较高的干燥热效率和干燥强 度。特别适用于要求干燥介质温度较低，用普通流化床干燥时需要大量干燥介质 来携带热能的场合。目前，工农业生产中需要干燥的粉粒状物料非常多。因此， 开发埋管流化床干燥机具有较高的应用价值和广泛的推广前景。 埋管流化床是国外8 0 年代开始研究应用的一种新产品【3 2 3 3 1 。目前主要用蒸 汽、热水及导热油作热源，用高温热烟气作为热源的埋管流化床仍处于开发阶段。 瑞士苏尔寿公司，法国高梅萨公司，日本奈良株式会社，丹麦的尼鲁公司已开发 出以蒸汽做热源的内加热式流化床干燥装置，用于低温干燥的工业生产如：p v c 、 第二章埋管流化床干燥特性的研究 a b s 、聚丙烯等。其中苏尔寿公司的蒸汽埋管流化床干燥装置已在石油化工、纯 碱、精制盐工业、环保行业上有一定的应用规模。 目前，国内对埋管流化床的研究及开发处于起步阶段。就应用方面而言，仅 有个别厂家仿制过苏尔寿公司用于精制盐干燥的同类小型号产品。国内石化行业 中已经成功地应用了埋管流化床作为聚丙烯生产的干燥设备。但对于埋管流化床 干燥的干燥机理，及其应用方面尚未做深入研究、探讨，还没有定型产品投放市 场。 2 2 埋管流化床干燥机理 图2 1 埋管流化床外形图 埋管流化床干燥机的结构如图2 1 所示，它是在普通流化床的基础上将换热 器内置于流化床的流化段形成的。工艺流程简述为：从离心机出来的湿己二酸进 入双轴混合器，与旋风分离器分离下来的己二酸混合；混合后的物料经过加料分 散器及入到流化床干燥冷却器。空气经过预热器预热j 过滤器净化，鼓风机加 压，蒸汽换热器加热后进入流化床干燥段底部风室，穿过布风板进入床层。在这 个过程中空气被有效控制使床内物料维持稳定的流态化，并与床层中的换热器迸 第二章埋管流化床干燥特性的研究 行换热、干燥。干燥合格的物料进入流化床冷却段，与连续进入床层的冷空气及 床层中的换热器进行热交换，冷空气是经鼓风机压缩、表冷器冷却和除雾器除湿 后经过风室及布风板进入到流化床。合格产品通过流化床的溢流口排出，通过旋 转卸料阀进入气力输送系统。从流化床顶部排出的含尘气体先经过旋风除尘器一 次净化，再由洗涤塔二次净化后由引风机排空。 内置换热器可分为两类：直接利用设备的壁面制作成夹套式热交换器和在床 内设置管式或平板式热交换器。夹套式热交换器在设备外壁焊上夹套，换热介质 从夹套通过，以带走( 或加入) 工艺过程放出( 或需要) 的热量。该种换热器结 构简单，不占据床层空间，不影响床层流化质量。但由于换热面受设备尺寸限制， 难以满足工艺要求，因此在大型装置中都在床内设置换熟面。床内设置的热交换 器，主要有垂直、水平管束换热器和平板式换热器等类型。由于加工工艺、设计 布置方便程度等原因，埋管流化床的内置换热器一般布置成水平管束形式。这种 布置对流化质量影响较小，并能获得较大的换热面积。 内加热式流化床( 即埋管流化床) 干燥过程所需热量，主要由内置换热器提 供。根据两相流传热的流体膜理论，流化床中内置换热器与两相流的传热，是通 过传热面附近的流体边界层进行的，而边界层的传热是以热传导为基础进行传递 的。所以，边界层是换热器与两相流传热的主要热阻。呈流态化的固体颗粒在流 化床中对换热器的壁面进行碰撞，使流体边界层减薄。因此，埋管流化床的换热 系数较高。根据前人的实验结果和理论分析，两相流中的绝大部分热量是由壁面 向固体颗粒传递的，而内加热式流化床干燥需要的流体介质( 一般为空气) ， 仅 起携带水分、维持床层颗粒正常流态化的作用，比普通流化床干燥物料所需热空 气量大大减少，从而减少了干燥系统的尾气热损失，提高了系统热效率。同时， 由于内加热式流化床干燥机体积小，系统辅机如系统风机、空气加热器、除尘设 备、管道支架等型号相应变小，从而节省了占地面积，并降低了干燥系统的建设 投资。 埋管流化床的干燥过程主要是内加热器与两相流的传热过程、及两相流之间 的传热和传质过程。流化床中，气固两相流具有较高的水分梯度，并能够进行充 分接触，传质条件较好。因此，埋管流化床的干燥的关键在于内加热器与两相流 的传热。 2 。2 。1 影响埋管流化床传热主要因素 埋管流化床的操作和结构因素均能对传热产生影响姚其中主要影响因素为： 流化床的操作速度( 即流化速度) 、空气的进风温度、加料速度、加料的含水量、 内置换热器( 本文简称内加热器) 的安装位置、内加热器的结构等。 第二章埋管流化床干燥特性的研究 1 流化速度 内加热器与两相流的传热热阻，主要存在于流体在加热管周围形成的边界 层。就物料颗粒而言，影响边界层厚度的主要因素是：换热管周围物料的运动速 度。颗粒运动速度越大，边界层越薄，传热系数则越大。床层内颗粒的浓度，即 床层密度。床层密度越大，边界层越薄，传热系数则越大。这两个因素均受流化 速度的影响。流化速度越大，颗粒的运动速度越大，传热系数越高。但是，流化 速度越大，床层的膨胀系数越大，即床层密度越小，传热系数越小。由此可见， 对于传热而言，应存在一个最佳的流化速度，使内加热器与两相流之间的传热系 数最大。就热效率而言，随着流化速度的提高，尾气带走的热量也随之增大，热 效率应有所降低，最佳流化速度的确定是新型埋管流化床设计的关键，本论文的 实验结果也验证了这个最佳的流化速度的存在。 对于相同的床层面积，流化速度的提高即意味着流化空气量的增大，尾气带走 的热量也随之增大，因此，随着流化速度的提高，热效率应有所降低。 2 空气进风温度 如前所述，单纯就埋管流化床而言，空气仅用作携带水分和维持床层颗粒的 正常流态化，而无须对其加热。但是，对于普通流化床而言，由于气流流经布风 板的小孔时具有较高的流速，且在一个较小的距离内，气流与颗粒的温差较大。 因此，在离开布风板的一个较小的距离内，气流与物料颗粒具有较大的传热系数 和传热强度。为利用普通流化床的这一特性，可对埋管流化床的进风进行适当的 加热。而加热的温度应以使被干燥物料的变性温度为限。 3 加料速度 加料速度将影响流化床内物料的平均含水量和平均温度。而一般情况下，床 层内物料的含水量越大，物料的导热系数越大，因此与内加热管的换热条件越好。 物料温度越低，则物料与内加热管壁面的温差越大，换热强度越大。在其他条件 相同的情况下，加料速度越大，流化床内物料的平均含水量越高，而平均温度则 越低，越有利于传热。但是，加料速度还对物料的终水分、流化质量等产生影响。 因此，加料速度的提高应以不超过产品终水分和不使物料流化状态恶化为限。 4 加料含水量 一 加料的含水量主要对流化床内物料的平均含水量产生影响。在其他条件相同 的情况下，加料的含水量越高，流化床内物料的平均含水量越高，越有利于传热。 5 内加热器结构与安装位置 从换热面积、承压能力、制作工艺等因素考虑，内置换热器通常为水平管式。 影响换热的水平管式内加熟器结构主要是内加热管的直径和加热管的分布。一般 来说，直径越小，换热系数越大：管壁越薄，导热热阻越小；加热管布置越密， 第二章埋管流化床干燥特性的研究 换热面积越大，但管间距小于一定限度后将使换热系数减小。另外，在确定内加 热器的结构时还应综合考虑加工工艺、加热管的耐压能力、对流化状态的影响等 因素。 6 内加热器布置 为使被干燥物料尽可能多地获得内加热器的传热，内加热器应布置于流化段以 内。在进风加热的情况下，应避开气流温度梯度较大的范围。 2 2 2 传热系数计算 设计埋管流化床的关键在于内换热器加热面积的计算。而换热面积的计算依 赖于传热系数的确定。 多年来人们对流化床中换热管束与气固混合相间的传热进行了较多的研究， 取得了一批成果，并得出了一些经验公式。根据这些公式的实验条件，并与工程 应用中相应类型物料的使用条件进行比较，我们从中选定了相应的经验公式作为 传热系数的计算依据，并用己二酸等物料进行了实验验证。我们选用了b a e r g a 等人回归的经验公式( 2 1 ) 1 3 4 1 ，并根据流化速度的影响进行了修正( 2 2 ) ： 口= k ( a m 缸- 2 6 9 1 e i 仉0 0 8 8 4 0 0 0 0 g n 5 3 慨)( 2 j ) 1 2 3 9 7 l 。g 型磐 ( 2 - 芝) u d 其中： 口对流换热系数 k c a l ( m 2 - h ) 口。一最大换热系数k c a l ( m 2 - h ) e 一质量流化速度 k g m 2 s d d - 物料粒径m 见物料的堆积密度 k g m 3 l ( 流化速度修正系数 另外，。根据相关资料，提出另外一种计算换热面积的公式【3 5 1 ( 为避免与上 边的公式冲突，换热面积采用f 表示) ，可作为对上公式的补充( 2 3 ) ： 第二章埋管流化床干燥特性的研究 f = j l hx atm(2-3) 式中： h ：为内换热热管与床层的总换热系数k c a l m 2 h ，因为采用蒸汽作为热 源，可忽略内换热管内侧的热阻，见公式( 2 4 ) ： 1 1万 一= + h口允 a ：为内换热管与床层的换热系数k c a l ( m 2 - h ) 。 6 ：内换热管的壁厚n l 。 入：内换热管的导热系数k c a l ( m 2 h ) ，可根据材料查表。 t m ：为流化床层与换热介质之间温差，取对数平均温差。 q 2 ：内置换热器提供的热量q 2 。 2 3 本章小结 ( 2 4 ) 本章从埋管流化床的背景说起，主要介绍了埋管流化床的干燥机理、影响 其传热系数的主要因素及相关传热系数的计算，为下边的实验研究工作打好基 础，做好铺垫。 ： 第三章埋管流化床干燥装置及技术干燥实验 第三章埋管流化床干燥装置及技术干燥实验 3 1 实验目的和实验内容 3 1 1 实验研究目的 己二酸埋管流化床干燥实验的目的如下几个方面： 1 通过实验，分析己二酸埋管流化床的操作参数对埋管流化床的换热系数的 影响； 2 通过实验，分析己二酸埋管流化床的操作参数对埋管流化床的热效率影响； 3 通过实验，验证所选用的传热系数计算公式。 3 1 2 实验内容 1 研究埋管流化床操作气速、进风温度、加料速度、加料湿含量对埋管流化 床换热系数、干燥热效率的影响。 2 用相应的代表物料验证选用的传热系数计算经验公式 3 1 3 技术指标 通过实验确定埋管流化床的下列几个主要技术指标：干燥热效率，干燥强度， 传热系数。 3 2 实验装置及系统 3 2 1 实验装置 实验系统干燥主机简介： 本实验系统干燥主机为埋管流化床，是在普通流化床的流化段内加置内加热 换热管束? 流化段断面为2 0 0 x 8 0 0 的矩形，溢流口距布风板7 0 0 毫米；考虑减少 物料的夹带和扬析，设置了扩大段，扩大段截面尺寸为流化段的二倍。 埋管流化床结构简图见图3 1 。 第三章埋管流化床干燥装置及技术干燥实验 67 图3 1 埋管流化床结构图 1 一支腿；2 - 风箱；3 - 流化段；4 - 换热器；5 一吸气壳体；6 一进料1 3 ；7 - 出风口； 8 出料口；9 进风口 实验系统干燥辅机： 本实验系统干燥辅机包括：系统鼓风机、引风机、电加热器、螺旋加料机、 旋风除尘器。系统鼓、引风机的电源采用交频器，可以方便地调整系统风量及操 作压力。 3 2 2 实验系统 实验装置系统见图3 2 所示( 带测点系统图) 图3 2 实验装置系统图 1 - 风机；2 电加热器：3 埋管流化床：4 定量加料绞龙；5 旋风除尘器；6 风机 第三章埋管流化床干燥装置及技术干燥实验 实验工艺流程介绍： 1 干燥流化用风由一台鼓风机提供，通过一台可变电功率的电加热器后进入流 化床，使埋管流化床层中的物料保持良好的流化状态，并带走床层中物料蒸 发出来的水分，经过一台旋风分离除尘器除尘后，尾气由一台引风机带走鼓 入大气中；鼓风机及引风机均采用变频器控制，可以通过调节电源输入频率 对风机的风量及风机的全压进行调节。 2 内加热管束所用的蒸汽由一台电热锅炉提供，蒸汽压力及蒸汽量可控制电热 锅炉的加热功率改变，保证进入内加热管束的蒸汽的压力，蒸汽进入内加热 管束换热后由疏水阀流出，并由水桶收集； 3 实验物料通过定量加料绞龙由加料口加入埋管流化床内，物料干燥后，绝大 部分由埋管流化床的溢流口排出，极少量由干燥尾气带走的物料被旋风分离 器捕集。 3 3 实验物料 实验物料为：己二酸 3 4 实验方法 埋管流化床的实验方法可分为操作参数对干燥特性影响和验证传热系数两 大类，实验方法简述如下： 1 、反映埋管流化床干燥装置的主要性能指标为干燥机的干燥热效率和干燥强 度。热效率为系统有效热量与输入热量的比值；干燥强度为干燥机脱水量与流化 段截面积的比值。如公式( 3 1 ) ： r l = ( w h + g 2 c p 2 ( 92 - e1 ) ) ( l c a ( h t o ) + g i c p lei + m r s ) ( 3 1 ) 式中： t 1 ：热效率 w ：脱水量k g h h ：物料中水分的气化潜热k c a l k g g 2 ：排出物料量k g h g l ：加入物料量k g h c p 2 ：排出物料的比热k c a l k g c p l ：加入物料的比热k c a l k g ol ：加入物料的温度 第三章埋管流化床干燥装置及技术干燥实验 92 ：排出物料的温度 l ：流化空气质量流量k g h c a