（化学工程专业论文）6万吨年pvc树脂气流—旋风干燥装置的设计和应用.pdf

四川大学工程硕上专业学位论文 y7 7 9 2 2 7 6 万吨年p v c 树脂气流一旋风干燥装置的设计和应用 化学工程专业 研究生何明万指导老师叶世超，张培林 摘要 干燥是p v c 树脂生产中的重要过程之一，作为聚氯乙烯树脂生产链式结构的 最后一环，直接影响到p v c 树脂成品的性能、形态、质量、过程的能耗，以及下 游加工企业产品的外观形态等品质。干燥装置的技术先进性对保证p v c 树脂的质 量具有决定性的作用。选择工艺简单，设备先进，操作方便，能耗低、运行经济 的工艺方法，是p v c 树脂干燥的关键。气流一旋风干燥工艺具有工艺先进、设备 结构简单，物料停留时间短、控制温度较低，操作便捷，产品质量好且稳定的优 点，同时又可降低能耗和生产成本。研究该工艺的设计对企业掌握该技术的核心 和具体的生产管理具有指导意义。 本文介绍了干燥工艺的基础理论，着重对气流干燥原理作了重点论述，讨论 了气流一旋风干燥工艺装置设计所适用的计算公式，并结合本公司6 万吨年p v c 树脂气流一旋风干燥装置进行了工艺设计、工艺尺寸的设计，进行了气流干燥管 长、管径、旋风干燥器的直径和高度的计算，以及系统阻力的计算，对系统的辅 助设备如空气加热器、螺旋输送器、离心机、旋风分离器、风机和振动筛等进行 了选型设计，确定了装置的工艺参数并进行了优化。同时对设计方法进行了讨论， 并和气流一沸腾床进行了比较。 该工艺在p v c 树脂生产中的先进性，在四川金路树脂有限公司6 万吨年生产 装置的生产实际工业应用中得到了体现。在相同生产能力下，该装置投资比气流 沸腾床工艺节约4 0 以上，运行维护费降低3 0 ，蒸汽消耗从1 4 6 吨蒸汽吨 p v c 降到1 17 吨蒸汽吨p v c 。装置投入使用后，运行正常。 四川大学工程硕士专业学位论文 关键词：干燥，p v c 树脂，气流一旋风干燥器 2 四川大学工程硕士专业学位论文 d e s i g na n da p p l i c a t i o no ff l a s h - c y c l o n ed r y i n ge q u i p m e n t f o ra6 0k t ap v cr e s i ns y s t e m m o j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：h ew a n g m i n gs u p e r v i s i o n ：y es h i c h a oz h a n gp e i l i n a b s t r a c t d r y i n gh a sb e e np r o v e dt ob ev e r yi m p o r t a n t f o rt h ep r o c e s so f p v cr e s i n p r o d u c t i o n s i n c e i ti st h el a s t s t e p t o p r o d u c e c h a i n s t r u c t u r e ，d r y i n gd i r e c t l y i n f l u e n c e st h e p e r f o r m a n c e ， c o n f i g u r a t i o na n dq u a l i t yo f t h ef i n a lp r o d u c t ，a sw e l l a st h e c o n s u m p t i o no fe n e r g y s o m e t i m e s ，i tc a ne v e na f f e c tp r o d u c ti n t h ef o l l o w i n gp r o c e s s g e n e r a l l ys p e a k i n g ，a l la d v a n c e dd r y i n g d e v i c ee n s u r e sa h i g hq u a l i t y o f p r o d u c t c h o o s i n g s o m e a d v a n c e d e q u i p m e n t sa n dp r o p e rt e c h n o l o g y w i t hc o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，l o we n e r g y c o n s u m i n gi so fg r e a ti m p o r t a n c et op v c r e s i nd r y i n g f l a s h c y c l o n ed r y i n gt e c h n o l o g y , o w i n gt oi t sm a n y a d v a n t a g e s s u c ha s s i m p l ee q u i l i m e n ts y s t e m ，s h o r tm a t e r i e l r e s i d e n c et i m e ，l o wo p e r a t i o nt e m p e r a t u r e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ， a sw e l la sh i g hp r o d u c tq u a l i t y ，w a sp r o v e dt ob eau s e f u lm e t h o d f o re n t e r p r i s et ob r i n gi n t oe f f e c t s o m eb a s i ct h e o r i e so fd r y i n gp r o c e s s ，e s p e c i a l l yf l a s hd r y i n g a n di t sc o r r e s p o n d i n gf o r m u l a ew e r ei n v o l v e d i nt h i sp a r t ，t h e l e n g t ho ff l a s hd r y e ra n di t sr a d i u s ，t h ed i a m e t e ra n dh e i g h to f c y c l o n ed r y e r ，a l o n gw i t ht h es y s t e m i cr e s i s t a n c ew e r ec o u n t e d 3 四川大学工程硕士专业学位论文 r e s p e c t i v e l y , b ym e a n so fc o m b i n i n gw i t ht h ee q u i p m e n ti nj i n l u s i c h u a nl t d i na d d i t i o n ，t h et y p eo fa c c e s s o r i a ld e v i c e sa n dt h e i r o p e r a t i o np a r a m e t e r sw e r ed e c i d e dp r o p e r ly ，i n c l u d i n ga i rh e a t e r , s c r e wt r a n s p o r t e r c e n t r i f u g a lm a c h i n e ，o s c i l l a t i n gs c r e e n f i n a l l y , d i s c u s s i o nc o n c e r n i n gt h ep r o p o s e dt e c h n o l o g ya n di t sc o n t r a s t w i t ho t h e rm e t h o d sw a sd i r e c t e ds ot h a ti t ss u p e r i o r i t yc o u l db e r e c o g n i z e de a s i l y s u c c e s s f u la p p l i c a t i o nt o6 0k t ap v cr e s i ns y s t e mi nj i n l u s i c h u a nl t d ，h a si n d i c a t e dt h a tt h e p r o p o s e dt e c h n o l o g y i s e x c e l l e n t 。u n d e rt h es a m et h r o u g h p u t ，t h ei n v e s t m e n to ft h i s e q u i p m e n ts a v e db ym o r et h a n4 0 w h e nc o m p a r e dw i t hb o i l i n g b e d ，t h e o p e r a t i o n c o s td e c r e a s e d b y3 0 t h r o u g h c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no f s t e a m y c o n d e n s a t i o n a l w a t e r , c o n s u m p t i o no fs t e a mr e d u c e df r o m1 4 6tt o 1 17 一tf o ro n et o n p v cr e s i n o n c ep u ti n t op r o d u c t i o n ，t h ee q u i p m e n tp r o v i d e da s a t i s f a c t o r yf u n c t i o n k e y w o r d s ：d r y i n g ，p v cr e s i n ，f l a s h c y c l o n ed r i e r 4 第一章文献综述 干燥是许多工业生产中的重要工艺过程之一，它直接影响到产品的性能、形 态、质量以及过程的能耗等。于燥技术的覆盖面较广，既涉及复杂的热、质传递 机理，又与物系的特性、处理规模等密切相关，最后体现在各个不同的设备结构 及工艺上。 1 1 我国干燥技术发展概况 我国的干燥技术，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；建国以来，一些现代的干燥技术，如喷雾干燥、气流干燥及流化床干燥等， 在国内有关的工业生产中得到应用；但迄今尚有在运行的干燥装鼍有待于技术更 新，自7 0 年代以来，国内干燥技术的研究开发、设备制造及生产应用有了很大进 展。随着科学技术迅猛发展以及学科和技术领域之间的交叉、渗透和生长，干燥 技术亦出现了日新月异的不断发展。 干燥是将物料去掉水分或其他挥发成分的操作，涉及面很广。随着生产的发 展，对干燥技术、干燥装备的需求有了更高的要求。为了适应生产的需求。需要 不断开展对喷雾、气流、流化等干燥装置的开发以及对农产品、食品、药品、生 物制品等的干燥过程及装置的研究开发工作。 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一过滤技术 会议。1 9 7 5 年在南京原化学工业部组织并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，迄今已五届。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在北京召开了“9 6 干燥技术研讨 会”。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，也都有不少干燥方面的论文发表。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，其中大专院校有：大连理工大学、浙江大学、天津大学、清华大 学、四川大学、北京化工大学、南京化工大学、同济大学、华东理工大学、重庆 大学、华东石油学院等三十余所；科研院所主要有：中科院工程热物理研究所、 些型盔堂三望塑主主些兰鱼鲨皇 上海化工研究院、中国农机研究院、沈阳化工研究院、北京化工研究院、重庆市 化工研究院、冶金部热能研究所、上海市能源研究所、沈阳粮油食品科学研究所、 原化工部干燥技术设备开发中心、山东省干燥技术中心等。同时从事干燥装置开 发研究的有关企业也很多。 开发研究的内容有气流干燥、沸腾干燥、喷雾干燥及雾化装置、分离装置、 振动流化床、惰性粒子流化床、强化干燥( 国内开发的带搅拌流化干燥) 、旋转闪 蒸干燥( s p i n f l a s h ) 、制药用的无菌喷干及回转真空干燥、混流干燥、粉碎干燥 联合机、胶塞灭菌一干燥联合机、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、螺旋板干燥、流化床喷雾造粒干燥、搅拌干燥、 红外干燥、远红外干燥、静电干燥、微波干燥、l c l 转轮除湿干燥、对撞流干燥、 多段换向穿流干燥、立式及卧式盘式干燥机、桨式或螺旋叶干燥机等等。 在应用基础方面，开展了各类干燥方式中不同物料的关键参数的研究。如流 化速度、雾化程度、干燥强度与各项操作指标的关系、能量的节约等；也对许多 种干燥进行数学模拟、离散理论、优化方法、专家系统、计算机调控、物料在干 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。 由于干燥涉及不同品类产品的品质、形状、干燥前后的不同物态，干燥技术 随着相关产业的发展有着较大的进展。而干燥的能耗在工业发达国家要超过能耗 总量的1 0 ，干燥过程的节能是涉及面很广的长远课题。同时大量的干燥需求也 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、调控水平等都 是体现干燥装置水平的内涵。随着干燥有关产品的发展，对其品质的提高、能耗 的降低、操作的可靠性，都对干燥技术及装置提出了更高的要求。 干燥作为最古老的单元操作之一，同时也是最复杂、人们了解最肤浅的技术， 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，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。近1 0 年来，有许多新型干燥器投 入市场( 虽然主要是在原有的结构基础上作了某些改进) ；另外，一些新的构想正 处于实验研究阶段。 流化床干燥器( f b d ) 因其对可流化的颗粒的干燥具有许多优良特性而在近 3 0 年中十分流行。流化床干燥器有许多种型式。目前被用于干燥大量不同物料， 不仅仅是颗粒，而且包括浆料、青糊状物料、连续网状和片状物料。喷动床干燥 器( s b d ) 则实际上是流化床的改型，适宜于干燥大颗粒物料( 如谷粒、豆类等) ， 其特点是具有内部循环运动和在顶层自由表面的喷动。最近日本东京的y a m a t o 婴型盔堂三望塑主主些堂鱼鲨塞 s a n k y o 制造公司为一个简单设计的转筒干燥器申请了专利一千燥空气从中心雷 穿过多条分支管而喷射到旋转圆筒壳壁的料层上，不仅热质传递速率几乎翻番提 高且具有尺寸小、简单、低成本等优点( y a m 砒o ，1 9 9 6 ) 。过热蒸汽干燥器在生 产中的大规模应用只有2 0 年左右，主要应用于间接加热浆料的气流干燥器( 瑞 士) 、流化床干燥器用于煤的干燥( 南非，澳大利亚，德国) 木材的低压蒸汽干燥 器( 丹麦，德国，法国) 、用于织物干燥的蒸汽干燥器( 印度) 等。从能量和环境 的角度看都具有吸引力，m u j m d a r ( 1 9 9 1 ) ，w o o d ，h u s s s a i n 和m u j u m d a r ( 1 9 9 4 ) 相当仔细地考察过蒸汽干燥的潜力，被认为是本世纪受人欢迎的干燥技术；其他 新的干燥技术还有对撞流干燥器( i s d ) 、纺织品的r e m a f l a m 干燥( 也称表面燃 烧干燥) 、声干燥、脉冲燃烧干燥、间断式于燥、等离子体喷雾干燥、超临界干燥、 置换干燥等。 1 2 千燥技术的发展趋势 干燥技术的发展将沿着有效利用能源、提高产品质量及产量、减少环境影响、 安全操作、易于控制、一机多用等方向发展。具体来讲，干燥技术的发展着重于： 在直接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质，以及干燥后低热蒸汽的回收利用； 大量使用间接加热( 传导) 方式，增加传热效果，采用新的传热材料的研究；组 合传热方式( 对流、传导与介电或热辐射的组合) 的研究和应用：组合使用不同 类型的干燥器或常规干燥技术，成为当前新的干燥装置开发的主要方向；运用新 型或更为有效的供热方法( 如脉冲燃烧，感应加热等) 同样是研究干燥新工艺工 作者的一个主要研究方向；新型气固接触技术的研究运用( 如二维喷动床、旋转 喷动床等) ，增大了热质载体与干燥物料的接触面积，强化了传热传质过程；装置 自动化控制的研究，使用自动化系统等实现过程的自动控制，再减少劳动力，降 低劳动力成本方面具有重要作用，而且避免了人为操作的随意性，产品质量也更 稳定；对湿含量及产品质量的在线检测方法的研究等。这些都表现出一个共同的 特点，就是不同学科之间的相互交叉和互补越来越密切。 1 3 气流旋风干燥工艺在p v c 树脂生产中的应用 在p v c 树脂的工业生产中，干燥作为链式生产的一个环节直发挥着重要 作用。干燥工艺在p v c 树脂生产中的发展，一方面随着科学技术的发展，新技术 的突破而得到改进，另一方面，随着p v c 树脂在塑料加工工业中的地位不断提高， 1 0 婴型盔堂三望塑主主些兰鱼鲨塞 应用领域的拓展，人们对p v c 树脂的质量要求越高。也促使人们加强对干燥工艺 进行研究，促进先进干燥装置的工业应用，以满足下游行业对p v c 树脂的质量和 企业本身对减少投资、生产成本控制要求。p v c 树脂的干燥工艺，最先普遍采用 的是直管气流干燥，这种工艺主要存在于我国p v c 行业发展的初期，当时规模非 常小，产量低，对质量要求不高，下游p v c 树脂加工行业发展缓慢。随着p v c 行 业自身和下游行业的发展，p v c 制品的用途、适用范围越来越广，市场日趋扩大， 由于聚合釜的大型化和聚合技术的提高，小规模的p v c 树脂干燥装置不能满足需 求，直管气流干燥工艺逐渐被沸腾床干燥和气流一沸腾床干燥工艺所取代，这种 工艺在国内直是p v c 生产中干燥的主要工艺装置。但由于该工艺能耗高，设备 复杂，操作不方便，维修费用高，而且p v c 树脂产品的质量不稳定，易于产生黑 黄点。由于加工行业对p v c 树脂的质量要求日益提高，气流一旋风干燥工艺在9 0 年代中期被开发出来后因其特有的热质传递过程和物料停留时间，可以保证p v c 树脂质量，以及该工艺可以节约投资，操作方便，维修费用少。易于自动化，逐 渐被p v c 生产行业所认可，而作为一种新工艺得到大力推广使用。我公司从北京 化i x 厂引进该项技术，运用化工知识对其进行全面消化吸收，有利于全面掌握 该工艺，对企业生产具有指导作用，并可针对我公司所处的地域环境而使该工艺 所表现出来的不足得到改进。 p v c 气流一旋风干燥系统的工艺流程如图卜l 所示，从鼓风机出来的高速气 流，经加热器将空气加热到1 4 0 左右，与离心后的p v c 湿物料并流进入气流干 燥塔中，在气流塔中。气固相充分接触，物料中的大部分游离水分在此蒸发出， 物料瞬间干燥，温度下降至7 0 8 0 ，p v c 树脂颗粒中湿含量下降至临界湿含量 3 5 左右，然后进入旋风干燥器内在旋风干燥器中，由予地处四川空气湿度 大，器内温度控制在5 5 6 2 v ，热空气携带p v c 树脂以大于l o n f f s 的速度切向速 度进入，利用离心力进行气固分离，保证不同大小p v c 颗粒停留时间不同以保证 干燥效果，使物料水分含量下降到0 3 以下，携带树脂粉粒的气体离开旋风干燥 器进入旋风分离器进行分离，成品p v c 经过振动筛筛分后进入料仓包装，干燥过 程产生的湿空气则由引风机排入大气。 圃舌：煺粕h椎襞巾医疆。憾圹od l - 一田 第二章干燥基础理论 2 1物料中湿分的种类 湿物料是干燥的对象，而热空气仅是干燥的条件，因此干燥过程的各种不同 特性首先决定于湿物料的性质。物料中所含湿分的性质，对干燥过程有非常重要 的影响，一般按如下几种方式分类。 2 1 1 按照物料与水分间的结合方式 从物料与水分结合的特征、结合的强度以及水分从物料中分离的条件考虑， 可将物料与水分的结合方式分为如下三种：( a ) 化学结合水物料的结晶水即属 于化学结合水，化学结合的水分离解时，物料的晶体结构必遭破坏，故结晶水的 脱水过程一般不视作干燥过程，而本文中所涉及到的p v c 树脂颗粒也无结晶水。 ( b ) 物理化学结合水这类水分包括吸附、渗透和结构水分。吸附水分与物料 的结合最强，因为这种水分有物料的分子立场所吸附根据x 射线的分析，水分 既可被物料的外表面吸附，也可吸附于物料的内部表面，吸附的水分分子与物料 间的坚固结合改变了水分很多的物理性质，如冰点降低、重度增大、蒸汽压下降， 介电常数则更是大幅度下降。曾有人测定，泥煤中的吸附水分的冰点为一7 0 ，重 度为1 3 2 4 ，介电常数为2 2 ，而普通水则为8 1 ，但未见p v c 中这种水的有关 报道。吸附水分在结合时有热量放出，而在干燥时则必须吸收热量；渗透水分与 物料的结合是由于物料组织壁的内外溶解物浓度有差异使水分扩散透过壁膜，是 由浓度差而产生的渗透压所造成，p v c 树脂颗粒中不存在渗透水；结构水分则存 在于物料组织内部，在胶体形成时将水结合在内，此类水分的离解一般由蒸发、 外压或组织的破坏，由于p v c 非胶体，本身也与水就不互溶，渗透水及结构水在 p v c 颗粒中就不存在，故在干燥中不必考虑。( c ) 机械结合水，包括毛细管水分、 润湿水分和空隙水分。毛细管水分存在于纤维或微小颗粒成团的湿物料中，其毛 细管半径小于0 1l im 者，称为微毛细管，其中的水分由于毛细管力的作用，故重力 不能使其运动，这种水近似于吸附水分，其中水的蒸汽压较同温度下普通水的蒸汽 压为低。毛细管半径在0 1 1 0um 的，称为巨毛细管，其中水分可因重力作用有 较小的运动，毛细管弯月面上的饱和蒸汽压近似等于平面上水的饱和蒸汽压。当水 存在于半径大于l ol lm 以上的粗孔中，一般则称为空隙水，易受重力作用而运动， 四川大学工程硕士专业学位论文 也不产生蒸汽压的降低。润湿水则仅是水和物料的机械混合，极易用加热蒸发或 机械方法除去。在同一类物料中，往往同时包含有上述的几种水分，如p v c 树脂 的滤饼中主要存在润湿水分和空隙水分，而p v c 单个颗粒中则存在毛细管水分和 润湿水分。在干燥过程中分别以不同方法予以除去。上述水分和物料的分类脚见 表2 1 。 2 1 2 按物料中所含水分去除的难易分 物料中存在的水分除去的难易程度是不相同的，根据所含水分的难易不同，物 料中的水分可分为：非结合水和结合水。非结合水包括存在于物料表面的润湿水及 空隙水，此种水分与物料纯属机械结合方式，与物料的结合强度极小，故易于除 去；而结合水分包括物料细胞或纤维及毛细管中所含的水分。这种水分主要的是 属于物化结合方式，故难以除去。结合水分产生不正常的低蒸汽压，将降低水汽 向空气扩散的传质推动力。在p v c 树脂滤饼和其颗粒中既存在结合水也存在非结 合水。 2 1 3 按水分能否用干燥方法除去分 在一定的干燥条件下，物料中的有些水分能够除去，而有些水分则在该条件 下维持某一定值。正由于有如此的差异，故物料中的水分又可分为平衡水分和自 由水分。在生活中，常会遇到一些物料在湿度较大的空气中的“返潮”现象，而 这些返潮的物料在于空气中又会回复到“干燥”状态。不管“返潮”或“干燥” 过程，进行到一定限度后，物料中的湿含量必定趋于一个定值，只要与其接触的 空气的状态不发生改变，则物料中的水分将永远维持此定值，而不因与空气接触 时间的长短再有变化，这就是在此空气条件下该物料的平衡水分，以w 表示，并 且，平衡水分因物料种类的不同而有很大差别，且随空气状态的不同发生变化。 如无孔而不吸湿的物料，如砂粒，其平衡水分接近于零；而多孔不吸湿的物料， 如无釉陶瓷片，其平衡水分也接近于0 ；吸水性物料，则往往具有较高的平衡水 分，且随空气状态而变动的幅度很大。在p v c 的干燥中，其在干燥条件下的平衡 水分的确定就很重要。物料中所含的自由水分，则可在该空气状态下自湿物料中 除去。 * 。襄冀 暴蒸 | 蓁耋羹墨 则 * 熙 卅 辫 想 警 盏萋* 罢摹篓 器霎羹蓁羹 制 是 襄螯* 惑 * *h 导如甾幅堡 萋篱 霎琏棼瑚葵晕嚣 蠕缝甾繁畸哥暴 *督 臼薯 州 鼷| 争( 蝌蜊一 “。这种状况可视为颗粒不动，而流体以( “r h 。) 的 相对速度向上流过一不动的颗粒，故流体对颗粒的作用力靠应向上。其力平衡关 系式应为： m 鲁= b 一也一以) ( 2 哪 这一过程的工业应用非常广泛，如：p t c 直管气流干燥f 提升管催化裂化；硫 铁尾矿的截流焙烧；颗粒状物料的载流输送等。 当同向向上，f t ，jf ，“g 这种状况，可看作流体不动，颗粒以( “m - ) 的相对速度向上通过静止的流体，则流体对颗粒的作用力晶的方向应为向下。其 力平衡关系式应为： 一m 鲁= r + 也一兄) ( 2 - 3 ) 四川大学工程硕士专业学位论文 这过程的工业应用有：脉冲式气流干燥中颗粒在扩大管中的减速运动；喷 雾干燥中的向上并流过程：喷动床中颗粒在轴向的运动等。 ( b ) 颗粒一维不等速运动所需的时间“1 ，在处理湿颗粒的气流干燥器或喷雾 干燥器中，必须使颗粒在干燥器中有足够长的停留时间，以保证达到产品所要求 的干燥程度，特别是在强化传热传质的加速运动段内的停留时间十分重要。故颗 粒在不等速运动段停留时间的计算，则很需要。颗粒在重力场中垂直一维不等速 运动所需的时间计算关系式可从颗粒在重力场中一维运动的统一基本方程： 4 p , , , d ；d r e , ：c r e ：型边咚二生2 ( 2 - 4 ) 3 弘g d t 3 p ： 进行积分处理而得： _ r d o 一丛3 , u g , 产r e 。c r e , 浯5 ) a ， 对该式的积分求解，在文献。3 中应用收敛的无穷级数展开可得解析解。式( 2 5 ) 可写成如下形式： 忙等陋碡d r e , c r e e 螋( c r y 3 以卜。 ；j r e 。 l 上式可在颗粒运动的全范围内获解，根据阻力系数c 与r e 。的关系， 区域，分别积分求解嘲： 层流区：0 r e ， 2 c = 2 4 r e , f ：继陲l 。堕生f 上一上 1 即s 【2 4 r e ，5 7 6 r e o r e ，j j 过渡区：2 r e ， 5 0 0 c = - i o r e , o - 5 ( 2 - 6 ) 可分为三个 ( 2 - 7 ) f = 筹b 砖诗 土轰k 一醇1 ) 协s ， 湍流区：5 0 0 u 。时，u r = u g - “。( 蜥为颗粒与流体间的相对速度) ，则 “m = “g - u ，而df 的关系式己知为： 加等l 等研a r d r e , c r e c r e j 3 以i ，2 ，2yl 将“。与dt 的关系式代入式( 2 一儿) 并积分可得： 层流区：0 ( r e ，( 2c = 2 4 r e ， 日= 葛4 产2 陪- n i r e d 一老嘛。一鼬，i 坐( 击一击卜a u 万sm堕reoj24 r e2 4 dp5 7 6r e r e5 7 6 dp r e | 巩u ， ，。、” “jii o ，j ，。 j 过渡区：2 r e ， 5 0 0 h = 等腻5 专r e3 以ui ，” ( 2 - 1 2 ) 击) ) ( 2 - 1 3 ) 湍流区：5 0 0 r e ， 2 1 0 5c = - 0 4 4 肛4 p ，以g d e 2i 【 【 i sl ( i 1 一击 - 惫h 堕r e , j f 盟0 5 8 2 f l 上r e o ，一毒卜而a 。, u g 叭( 醇1 一击) ) ( 2 - 1 4 ) ( 注：“+ ”表示颗粒相对于液体的相对速度u ，( s g ，方向向上：“一”表示u ，螂， 方向向下) 当颗粒与流体同向，但 “。时，“r - “m 一，则“m - “g + “，所以相应的不等速 运动高度的计算关系式为： 陆器 上吖一l 噼 盟咖 h 吖慨瞬 矗衅 四川大学工程硕士专业学位论文 层流区：0 ( r e ， 2c ：2 4 r e ， 日= 等峥罟+ 击也拌 a , ，u 。, 。i i t 卦而a , f l t m r 叫o o ( 2 - 1 5 ) 过渡区：2 r e ， 5 0 0 c = 1 0 r e f l 5 h = 蚩4 2 膀皓一专 + 且5v p g 峥r e o5 i t 匦2 0 0 u 。r e o 一去心a _ 以t s 。( 两i 一击 ( 2 一1 6 ) 湍流区：5 0 0 r e ， 2 1 0 5 6 = - 0 4 4 日=等去陆一土+甍n别t【a,ug(i霹1一击-一a,uz，叭(西13,u l o4 4 r e r e o 0 4 4 dr e0 5 8 2r e0 , 3 8 8 d 一击r e )。【l ， j ，p 。 rj 【 i r e ；j，岛l r e ；川 其中，“+ ”表示u ，姗，方向向上；“一”表示蜥钾，方向向下。 ( 2 1 7 ) 2 3 2 颗粒在重力场中的二维运动 如颗粒以倾斜于水平方向的某一倾角喷出，则构成重力场中的二维运动。至于 二维倾斜方向的二相流。亦总可将倾斜的颗粒或液滴速度分解成水平方向的分速 度h 柚及垂直方向的分速度u m h ，在垂直方向的运动就可用前面一维垂直方向运动 的解析解法求解。而水平方向则可分为考虑重力影响和不考虑重力影响来求解，由 于二维运动在本设计中很少涉及，故不再对其作进一步的理论分析。 2 4 干燥过程中气固相问的给热和传质 干燥过程中的喷雾、沸腾或气流干燥应用都十分广泛。而待干燥的物料，不 论是液滴或湿的颗粒，都是在悬浮状态下与热干燥介质进行接触而发生传热和传 质过程。因此，对干燥过程中液滴或颗粒在稀相或浓相条件下或颗粒在聚式流态 化条件下的给热与传质和多相体系中的综合给热予以分析则非常重要。 在此，主要考虑颗粒在气流式干燥器中的给热和传质方面有关的理论。在气 2 1 四川大学工程硕士专业学位论文 流式干燥器中，当颗粒状物料进入以后，由于上升热气流的冲击，颗粒被分散悬 浮于气流中并被气流不断地加速而向上运动。在运动的同时，颗粒与热气流之间 相互进行热和质的交换，由于颗粒与颗粒间相互影响和干扰，颗粒群在上升气流 中的一些运动特征至今还未完全清楚。放目前在这方面的研究和有关数据也不多， 并且有的说法还相互矛盾。 2 4 1单颗粒与气流间的给热系数 有关单颗粒与气流间的给热系数已由f r o e s s l i n g 根据颗粒在静止流动中的热 传导( 或分子扩散传质) 及在流动流体中的对流给热( 或对流扩散) 可以加和的 特性及实验数据得出。 对流条件下，传热为。：_ o d p ：2 o + o 6 0 r e v 2 掣3 ( 2 1 8 ) 飞 传质州= 警= 2 0 + 0 6 0 舻s 妒 由于干燥介质常用热空气，可直接应用等速运动段空气一水体系下的给热关 联式 虬= 2 + 0 5 4 ( r e ) 1 2 ( 2 - 2 0 ) 2 4 2 物料颗粒群与气流之间的给热系数及有效传热面积 颗粒在投入干燥管后，受热气流的冲击，在一般情况下可考虑为分散成单粒的 散粒悬浮于气流中，因此给热系数与颗粒的传热面积可分别计算”1 。 根据桐荣所作实验以及与r a n z 和m a r s h a l l 曲线的研究，认为在颗粒的等速运 动段，由于u 。较大，则颗粒浓度稀薄，气流与颗粒群之间的给热可用r a n z 和 m a r s h a l l 的关联式进行计算。 而在加速运动段，由于颗粒的浓度不象等速段那样稀薄，因此不能使用单颗 粒的给热系数关联式，根据桐荣的实验综合，颗粒群在刚进入干燥器时，其地 与r e 的关系“1 可如下表示： 4 0 0 r e r 1 3 0 0 n 。一= 0 9 5 x 1 0 4 r e ( 2 - 2 1 ) 3 0 。： 1 8 3 6 9 l l ( 6 2 2 + 7 6 h 鬻1 4 激44 7 1 3 8 篇7 5 7 5 淼3 + 0 0 0 3 姗5 5 4 1 8 z ， = ，+) + 8 ( o + ) 、。一 式( 3 - 1 ) 与( 3 2 ) 联立解得： 干燥用热空气量l = 6 7 9 7 1 8 6 k g h 一6 7 9 7 2 k g h ，干燥器出口废气湿含量 h 2 = 0 0 5 2 9 k g 水k g 干空气。 3 2 3 物料出口温度k 的校核 根据t 2 = 6 0 ( 2 ，h 2 = 0 0 5 2 9 k g 水k g 干空气由湿空气的肼一，图查得t w 2 - 一4 2 。c 查 得对应的r 。2 = 2 4 9 8 3 9 k j & g ，在上述中已取t m 2 = 5 5 。c ，现用式( 2 2 7 ) 进行校核： r 2 4 9 83 9 x 0 0 2 、 ( 6 0 - - t i n 2 ) = ( 6 0 一4 2 ) 0 0 0 3 x 2 4 9 8 3 9 - 1 2 5 4 x 1 8 x ( 0 1 5 ) 箫t = 1 8 o 2 6 l = 4 7 1 lj 所以，t m 2 = 5 5 3 c ，由于与假设的f m 2 = 5 5 。c 基本相符，故不需再做热平衡。 3 3 加速运动段气固相间给热系数关联式的确定 根据四川金路树脂有限公司生产的p v c 树脂所得的筛分粒度分布数据，见表 2 - 1 ，用以求得干燥物料的平均代表粒径4 = 1 0 5 1 1m ，已确定的进气温度h = 1 5 0 c ， h l = 0 0 1 2 k g 水k g 干空气。 由式= ( 0 7 7 3 + 1 2 “日掣得到 v n = 1 2 2 1 1 1 1 3 湿空气k g 干空气 故有 一( 1 + o 0 1 2 ) 1 2 2 1 = 0 8 2 9 k g 湿气m 3 湿气 而p g = 2 4 1 1 0 5 p a s 及迸气气速= 2 5 r i d s ，则干燥进口处的 r e o - t d p u g p g = 坠学硼3 婴型盔堂三望亟主主些兰鱼鲨塞 设在加速运动段结束时的气体温度为t ，- 9 0 ，由f7 查得其时气流的物理常数 v r = 1 0 4 8 m 3 湿空气，k g 干空气，pg = o 9 6 6 k g 湿气，m 3 湿气。一般所用粒径的r e 数均在中间区，2 r e 5 0 0 ，故u ，的计算应用阿兰定律： “=( 3 3 ) 则r e ：2 8 ，可得加速运动段，气固相间给热系数关联式i s ) n 。= 1 1 4 r e “”及给热 量q 的 州 丽南历+ 等( 专一专) 仔4 ， 而 扣4 ，6 g o 扯, , 1 1 w 4 2 9 j ( 3 5 ) 3 4 气流干燥管直径 本装置设计取u g = 2 5 n d s ，u s = 1 2 2 1 m 3 湿空气，i 唱干空气，则气流干燥管直径 为 d = 圆整后取为l _ 1 米。 - f 塑3 6 0 0 羔x 31 婴4 1 5 丫2 4 mi j 3 5 气流干燥管高度 3 5 1 预热段 ( i ) 已知k 1 = 3 5 ，而p v c 树脂湿球温度为4 3 c 。故预热段所需热量为 吼= 7 5 7 5 8 x ( 1 2 5 6 + 0 3 7 x 4 1 8 6 ) x 0 3 3 5 ) = 1 6 9 9 9 0 0 4 k j h ( i i ) 加热气体的热量衡算 由热量计算式q 。= 6 7 9 7 2 x i 0 3 2 x 0 5 0 一f ) ，得t = 1 4 7 6 c ，故在此段内，平均温 度为l a v e = ( 1 5 0 + 1 4 7 6 ) 2 = 1 4 8 8 ，平均湿度为玩。= 日i = 0 0 1 2 ，查得气体各项物性 为：”旷1 2 2 1 ( 比容) ，p s = o 8 2 9 ，t ug = 2 1 7 x