（环境工程专业论文）新型重质纯碱流化煅烧工艺研究与装置开发.pdf

中文摘要 重质纯碱煅烧是关键的重质纯碱生产工序。传统的重质纯碱煅烧 工艺装置投资高，占地面积大，工作流程长，运行和维护费用高等。 针对这些问题，本论文分析了影响流化煅烧机传热的主要因素，在此 基础上将重质纯碱的煅烧理论与带内置换热器的流化床传热理论相 结合，通过实验室实验和工业试验，研究开发出适合重质纯碱煅烧的 新型煅烧工艺与装置。 实验室实验以多层埋管流化床为煅烧主机，含水4 的一水碳酸 钠为物料，实验表明：新型流化床煅烧机的煅烧热效率在7 5 8 2 内；煅烧机的煅烧热效率在一定温度范围内随操作气速增加而降低，： 随加料速度、加料湿含量增加而增加；新型重质纯碱流化床煅烧机的 换热系数随着操作气速、加料湿含量的变化而变化。 在理论分析和实验室实验基础上，在工程项目施工现场完成了新 装置的调试与优化，该新型煅烧工艺装置主要有以下特点： ( 1 ) 采用了流态化煅烧原理进行重质纯碱煅烧与冷却，流态化 煅烧工艺煅烧与冷却在同一台流化床内进行，工作流程短，能耗低， 占地少，检修成本低。 ( 2 ) 装置采用了多层埋管结构，整体流化段高度高( 达到普通埋 管流化床流化段高度的4 倍 - - 5 倍) ，较小的空间内可布置较多的换 热面积，减小了设备流化面积和流化风量，因此主机、辅机整体体积 小，投资低。 ( 3 ) 采用了预混器进料装置，成品返料经预混器加入流化床， 降低物料水份含量，减少粘管和生成碱球现象，保证流化床的长周期 运转。 该新型煅烧工艺与装置已用于2 0 万吨年重质纯碱煅烧生产中， 收到了良好的社会效益和经济效益。 关键词：重质纯碱；埋管流化床；流态化煅烧；热效率；换热系数 a b s t r a c t t h ec a l c i n a t i o no ft h es o d aa s hd e n s ei sv e r yi m p o r t a n ti nt h es o d aa s hp r o d u c i n g i n d u s t r y n o wd o m e s t i ca n do v e r s e a st r a d i t i o n a lc a l c i n i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t s h a v em a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sb i gi n v e s t m e n t ，l a r g ea r e ao c c u p a t i o n ，l o n g w o r k i n gp r o c e s sa n dh i g he x p e n s eo f r u na n dm a i n t e n a n c e ，e t c a c c o r d i n gt ot h ed i s a d v a n t a g e so ft h ec a l c i n i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t so f t h es o d aa s hd e n s e ，i nt h eb a s eo nt h ea n a l y z i n go ft h ei m p o r t a n tf a c t st h a ti n f l u e n c e t h eh e a tt r a n s f e ro ft h ef l u i d i z e db e dc a l c i n i n gm a c h i n e ，t h i sa r t i c l ec o m b i n e st h es o d a a s hd e n s ec a l c i n i n gt h e o r yw i t ht h eh e a tt r a n s f e rt h e o r yo ft h ef l u i d i z e db e dw i t h i n - b u i l th e a te x c h a n g e r b ym e a n so fl a be x p e r i m e n ta n di n d u s t r i a le x p e r i m e n t ，w e h a v ed e v e l o p e dan e ws o d aa s hd e n s ec a l c i n i n g t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t w eu s e dm u l t i l a y e rf l u i d i z e db e dw i t hi n - b e dh e a te x c h a n g e ra sm a i nc a l c i n i n g m a c h i n ea n ds o d i u mc a r b o n a t em o n o h y d r a t ew i t h4 m o i s t u r ea sr a wm a t e r i a l si nt h e l a be x p e r i m e n t w ef o u n dt h a tt h eh e a te f f i c i e n c yi sb e t w e e n7 5 c e r t a i nt e m p e r a t u r et h eh e a te f f i c i e n c yi sd e c r e a s e da l o n gw i t h a n d8 2 ，a n di f i t ，t h ei n c r e a s eo f o p e r a t i v ea i rs p e e d ，i n c r e a s e da l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ff e e d i n gs p e e da n dm a t e r i a 4 m o i s t u r ec o n t e n t t h eh e a te x c h a n g ec o e f f i c i e n to ft h en e wf l u i d i z e db e dc a l c i n i n g m a c h i n ew i l lc h a n g ea l o n gw i t ho p e r a t i o np a r a m e t e rs u c ha s ：o p e r a t i v ea i rs p e e d ， m a t e r i a lm o i s t u r ec o n t e n t ，a m o u n to fr e t u r ns o d aa s h ，e t c o nt h eb a s eo fs u c c e s s f u lt h e o r ya n a l y s i sa n dl a be x p e r i m e n t ，w ec o m p l e t e d d e b u ga n do p t i m i z eo ft h en e wm a c h i n ei nt h ej o b s i t e t h en e wt e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n th a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ： 1 、u s i n gt h ef l u i d i z i n gc a l c i n i n gt h e o r y , t h ec a l c i n i n ga n dc o o l i n go ft h ed e n s e ：，二_ s o d aa s ha r ec o m p l e t e di no n ef l u i d i z e db e dw i t hs h o r tw o i ：l g i n gp r o c e s s ，l o we n e r g y c o n s u m p t i o n ，s m a l la r e ao c c u p a t i o na n dl o wi n v e s t m e n t 2 、m a i nm a c h i n ea d o p t sm u l t i l a y e ri n - b u i l th e a te x c h a n g e rs t r u c t u r e t h eh e i g h t o ff l u i d i z i n gs e c t i o ni s4t o5t i m e so ft h eo r d i n a r yf l u i d i z e db e dw i t hi n b u i l th e a t e x c h a n g e r w ec a ng e tl a r g eh e a te x c h a n g ea r e a ，s ot h eo c c u p i e da r e aa n df l o wa i r s p e e di sr e d u c e d ，t h ei n v e s t m e n to fw h o l es e te q u i p m e n ti sl o w 3 、w eu s e dp r e - m i x i n gf e e d i n gd e v i c e ，t h er e t u r np r o d u c te n t e r si n t ot h ef l u i d i z e d b e dt h r o u g ht h ep r e m i x i n gd e v i c e t h em a t e r i a lm o i s t u r ec o n t e n ti sr e d u c e d ，t h e p h e n o m e n o no fs t i c k i n gt op i p ea n df o r m i n gs o d ag r a n u l ei sf e w , s ot h el o n gp e r i o d o p e r a t i o no fe q u i p m e n ti sg u a r a n t e e d t h en e wt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n th a sb e e nu s e di n2 0 0 ，0 0 0t ys o d aa s hd e n s e c a l c i n i n ga n da c h i e v e dg o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d - s o d aa s hd e n s e ，f l u i d i z e db e dw i t hi n b u i l th e a te x c h a n g e r , f l u i d i z e d c a l c i n a t i o n ，h e a te f f i c i e n c y , h e a te x c h a n g ec o e f f i c i e n t 独创性声睨 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表 览撰写过的研究成果，也不包含为获得玉奎盔二堂一或其他教育机构的学竹或证 二专而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 ：学位论文作者签名：彭厢华 签字r 胡： 如。暑年争月f 日 学位论文版权使用授权书 ：本学位论文作者完全了解盘盗盘茎二举。关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 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。同葱学校 ie 蓍冢有关部门或机构送交论文的复印件和磁多? 。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授萄：说e ) 皇位论文作者签名：壶! ：丽华 签字f 二i 期：2 0 口g 年 月f 日 专：i j 彳i 签名： 签字r 期： 只f 铋 第一章纯碱工业生产情况 第一章纯碱工业生产情况 1 1 国内外纯碱工业现状 1 1 1 国外纯碱工业现状 纯碱用途广泛，是世界上用量最大的化工产品之一。2 0 0 3 年底，世界纯碱产 能约4 8 0 0 万t a ，并以每年2 3 的速度增长，其中国外纯碱产能约3 6 0 0 万t a ，集中在美国和欧洲。美1 匡1 1 6 4 0 万t a ( 6 家生产厂家) 二欧洲1 5 2 0 万t a ( 2 0 家工厂) ，共占世界产能的6 5 。2 0 0 3 年国外主要纯碱生产国的生产能力见表 1 1 【1 1 。 表1 1 主要纯碱生产国的生产能力( 2 0 0 3 年) 国家生产能力( k t a )所占比例 美国 1 3 4 5 03 0 1 中国 俄罗斯 印度 乌克兰 罗马尼亚 德国 西班牙 英国 意大利 波兰 保加利亚 澳大利亚 其他 总计 1 0 4 2 5 4 0 5 5 2 3 7 1 1 4 7 0 13 0 0 1 1 2 0 1 0 5 0 1 0 5 0 1 0 3 0 8 5 0 8 0 0 5 0 0 4 6 9 9 4 4 1 7 0 由表1 1 可见，中国是世界主要纯碱生产国家。 3 7 4 o 6 4 4 4 9 8 l i 、旧 珊如舶泓m m m m 第一章纯碱工业生产情况 世界纯碱工业，历经两个世纪的发展，到2 0 世纪末，纯碱生产能力达4 4 1 m c 。 纯碱的广泛用途已使其成为世界上用量最大的化工产品之一，并以每年2 3 的速度增长。截至2 0 0 3 年底，世界纯碱产能约为4 8 0 0 万t a ，其中国外纯碱产能 约3 6 0 0 万t a ，主要产能集中在美国和欧洲。美国1 6 4 0 万t a ( 6 家生产厂家) 、 欧洲1 5 2 0 万t a ( 2 0 家工厂) ，共占世界产能的6 5 。2 0 世纪末国外主要纯碱生产 国的生产能力见表1 1 【1 1 。 1 1 2 国内纯碱工业现状 n 2 0 0 0 年，中国大陆地区纯碱年产量达至u 8 7 0 0 k t ，居世界第二位1 2 j 。中国国 内现有纯碱生产企业5 0 家( 不含正在开工建设的2 家) ，2 0 0 3 年底装置能力 1 2 0 0 万t a ，生产能力为世界总生产能力的2 5 左右，仅次于美国，居世界第2 位1 3 】。2 0 0 3 年中国国内纯碱产量约为世界产量的3 0 ，首次超过美国成为世界第 一f 4 】。其实国内纯碱消费量在2 0 0 0 年就已经超过美国，为世界第一大纯碱消费 国。当前随着国内经济的迅猛发展，纯碱行业已进入了一个新的发展时期，山东潍 坊纯碱厂1 8 0 万t a 、唐山碱厂1 4 0 万t a 扩产改造项目已经完成并投入生产，山 东玻璃集团在山东昌邑投资的1 0 0 万t a ( 二期再扩建1 0 0 万t a ) 的碱厂正在建 设，浙江玻璃股份公司投资的青海德令哈9 0 万t a ( 二期再扩建9 0 万t a ) 的碱厂 也在加紧建设，张家港华尔润集团在江苏清江的3 0 万t a 碱厂，四川和邦集团在 四川乐山的2 0 万t a 碱厂，中州铝业投资在河南获) j i l o 万t a 碱厂在2 0 0 4 年陆 续投产陋1 。近年来国内纯碱生产量的增长速度保持在8 9 ，至u 2 0 0 6 年底，国 内纯碱生产能力增；扫n 3 0 0 万t a ，达至u 1 6 0 0 万t a 。近年国内纯碱产能、进出口情 况见表1 2 i o j 。 表1 2 近年我国纯碱产能、进出口情况( 万t ) 第一章纯碱工业生产情况 1 2 纯碱产品性质 ( 一) 纯碱产品物理性质【7 1 纯碱学名碳酸钠，又名苏打、碱灰( s o d aa s h ) ，为白色粉状或粒状物，化 学式n a ：c 0 3 ，相对分子量m r = 1 0 5 9 8 9 ；密度( 2 5 ) 2 5 3 3 9 c m 3 ，熔点8 5 4 ； 比热容2 0 。c 时为1 0 4 2 j ( k gk ) ；熔融潜热3 4 3 2 5 k j k g ；元素生成热1 0 6 7 0 k j k g ； 溶解热2 5 时，i m o ln a 2 c 0 3 溶于2 0 0 m i 水时为2 4 5 7i j 1 1 1 0 i ；分解热1 0 0 0 时分解压力为1 5 0 5 m m h g ；1 1 0 0 。c 时分解压力为5 5 1 o m m h g ；1 2 0 0 。c 时分解 压力为1 4 0 5 m h g 。 纯碱产品主要有两种，即重质纯碱和轻质纯碱。此外还有超轻质纯碱和超重 质纯碱。其规格的区别主要在于物理性质的不同，如松密度、粒子大小和形状及 安息角度等。一般轻质纯碱密度为5 0 0 , - - - 6 0 0k g m 3 ，重质纯碱密度为1 0 0 0 0 1 2 0 0 k g m 3 ，超轻质纯碱密度为3 7 0 k g m 3 ，超重质纯碱密度为1 5 5 0 - - - 2 5 5 3 k g m 3 。 干燥的纯碱，具有半流动性，在馈入碱仓或车厢时，常自流成一角度，这与 产品粒度有关，其堆存角度( 安息角) 为：轻质纯碱5 0 。；重质纯碱4 5 。；超 重质纯碱3 5 。 ( 二) 纯碱产品化学性质 纯碱易溶于水，在水中的溶解度有特殊的变化。在比较低的温度下即3 5 4 有达到最大溶解度的特殊性质，此时1 0 0 份水可溶解4 9 。7 份n a ：c 0 3 ，得到的 溶液含3 3 2 ( 质量) n a ：c 0 3 。碳酸钠有以下三种水合物。 一水碳酸钠( n a ：c 0 3 h 2 0 ) 含有8 5 4 8 n a ：c 0 3 和1 4 5 2 结晶水，当高于 3 5 4 c 时，它从饱和溶液中析出结晶；当加热时，失去水分，溶解度稍有降低， 当与饱和溶液接触时，在1 0 9 转变为碳酸钠。一水碳酸钠又称碳氧，相对分子 量m r = 1 2 4 ；相对密度2 2 5 9 c m 3 ，在空气中较无水碳酸钠稳定。长期暴露于空气 中易吸收二氧化碳，逐渐变成倍半碳酸钠( n a ：c 0 3 n a h c 0 3 2 h ：o ) 。加热到约1 0 0 时失去水，变为无水碳酸钠。 七水碳酸钠( n a ：c o 。7 h ：0 ) ，它的稳定范围狭小，仅在3 2 3 5 4 存在， 所以没有工业价值。 十水碳酸钠( n a ：c o 。1 0 h ：0 ) 为透明结晶，含有3 7 0 6 n a ：c o 。 和6 2 9 4 结晶水，它可以从低于3 2 高于一2 1 的饱和溶液中结晶出来，在干 燥的空气中十水碳酸钠易风化成一水碳酸钠。 这三种水合物的生成热，在2 5 时一水碱为1 1 5 4 0 k j k g ，七水碱为 1 3 8 0 0 k j k g ，十水碱为1 4 2 7 0 k j k g ；这三种水合物的水化热，一水碱为 第一章纯碱工业生产情况 1 2 5 5 8 k j k g ，七水碱为6 5 4 6 9 k j k g ，十水碱为1 1 7 5 4 2 k j k g 。 在2 5 。c 时l m o ln a ：c 0 3 及其水合物溶于2 0 0 m l 水中的溶解热列于表1 3 。 表1 3n a ：c 0 3 及其水合物的溶解热 g b 2 1o 9 2 指标名称 总碱量( 以n a ：c 0 3 计) 氯化物( 以n a c l 计) 铁( f e ) 含量 硫酸盐( 以s 0 4 计) 含量 水不溶物含量 指标 i 类类类 优等 优等一等合格品 优等一等合格 品品品品。品品 1 、： 9 9 29 9 29 8 89 8 0 9 9 19 8 89 8 0 o 5 0o 7 00 9 01 2 00 7 00 9 01 2 0 0 0 0 40 0 0 40 0 0 6 0 0l0 0 0 0 40 0 0 60 010 0 0 30 0 3 0 0 40 0 40 1 00 1 5 0 0 40 1 0o 1 5 烧失量慌0 8 0 81 01 30 81 01 3 堆积密度( g m 1 ) 0 8 5 0 9 0o 9 0 o 9 0 i0 9 0 , 0 9 0 0 9 0 粒度：1 18 m m 筛2 0一一 一一 余物 4 第一章纯碱工业生产情况 ( 三) 工业碳酸钠标准 g b 2 1 0 9 2 标准适用于氨碱法、联合制碱法和天然碱加工法等所制得的不同 用途的工业碳酸钠。 外观：白色粉末结晶。 1 3 煅烧重质纯碱目的和任务 重质纯碱不但是重要的基本化工原料，还大量地用于玻璃工业、冶金工业、 石油化工、食品和颜料工业呻1 。这些工业部门用重质纯碱有利于工艺操作，可以 减少损耗；同时能延长窑炉使用寿命，减轻碱粉对耐火材料的侵蚀作用等。重质 纯碱在包装运输方面也比轻质纯碱要经济的多。重质纯碱煅烧的目的和任务是 把含表面水的一水碳酸钠加热脱水并把高温的重质纯碱冷却制取适合包装的无 水碳酸钠。 1 4 国内外重质纯碱煅烧工艺与装置 1 4 1 国内外重质纯碱煅烧工艺 国p 勺# i - 常规重质纯碱煅烧工艺有两种，一种是蒸汽回转煅烧炉煅烧，外设沸 腾冷却进行重质纯碱的煅烧冷却处理；另一种是利用沸腾煅烧进行重质纯碱的煅 烧冷却处理。 图1 1 蒸汽回转煅烧炉煅烧工艺流程图 残凝 第一章纯碱工业生产情况 ( 1 ) 蒸汽回转煅烧炉煅烧工艺流程见图1 1 。物料由运输机送入炉内进行煅 烧。重碱在炉内受炉内蒸汽加热管传递的热量影响而分解成为纯碱，成品由尾炉 取出，产生的炉气由炉头取出，经旋风除尘器进行碱尘的回收，经过湿式除尘器 进一步除尘后，由引风机排出。 图1 2 常规沸腾流化床煅烧工艺流程图 蓥 ( 2 ) 常规沸腾流化床煅烧工艺流程见图1 2 。重碱由运输设备送入流化床内， 物料在炉内与设备在炉内的蒸汽加热管进行热的交换，因而，重碱受热而分解成 为纯碱。煅烧合格的成品经运输设备运到成品包装系统进行包装入库。流化用炉 气用鼓风机抽送到流化床的底部，送入流化床内设置的布风板进入床层，物料由 此而流态化。煅烧产生的炉气与流态化气体一同进入旋风除尘器，再由湿式除尘 器进一步除尘后，由引风机排出】。 1 4 2 国内外重质纯碱煅烧装置使用情况 目前的重质纯碱煅烧装置存在一定的问题。 ( 1 ) 蒸汽回转煅烧炉 蒸汽回转煅烧炉煅烧外设沸腾冷却，该工艺的缺点十分明显：一是回转煅烧 炉投资高，占地面积大，运行和维护费用高；二是煅烧和冷却分开，使得流程较 长、设备多，炉头和炉尾必须设计两个大的框架，分离出的细粉难以再回到水合 工序，土建投资增大。 6 第一章纯碱工业生产情况 ( 2 ) 常规沸腾床煅烧冷却装置 常规沸腾床煅烧冷却装置，是从国外引进的装置，我国的吉兰泰碱厂、潍坊 纯碱厂、青岛碱厂、连云港碱厂相继从德国引进了该技术和主要设备，由于该技 术有许多优势，近几年来又被一部份碱厂在国产化后采用，但进口技术的问题仍 然很多，各厂家都存在生产能力低、装置运行周期短、能耗高、环境差等难以改 变的先天不足。 潍坊纯碱厂于19 9 3 年就引进了德国的沸腾煅烧冷却技术和主要设备用于重 质纯碱的生产。十几年来，由于技术本身和设计方面的问题，系统的运行周期一 直较短，装置的流程长、设备多、干燥和冷却空气量大，能耗高，另外死床现象 频繁、碱液回收困难、尾气夹带碱液影响排风机使用寿命和污染环境等缺点。 1 5 国内干燥产业与干燥技术现状及发展趋势 1 5 1 国内干燥技术现状 品第一届全国干燥会议于1 9 7 5 年6 月2 3 日至3 0 日在南京召开，至今已经 三十年了。 3 0 多年来，我国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、研究单位大约右有5 0 多家，领域涉及化工、石化、医 药、木材、食品、粮食等行业，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先进水平。 3 0 多年来，我国干燥技术学术交流活跃。中国化工学会化学工程委员会干 燥技术专业组主办全国干燥技术会论已举办1 1 届，共发表论文7 7 7 篇，每两年 举办一次。 3 0 多年来，中国对许多干燥技术已得到了工业化应用，主要要喷雾干燥、 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、 一双锥回转真空干燥、桨叶式干燥、冷冻干燥、微波及远红外干燥、粮食干燥等。 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，操作的好坏直接影响产的质量，从而 影响市场竞争力和经济效益。我国有许多产品就纯度而言已经达到甚至超过国外 产品，只是因为干燥技术不如国外，堆积密度、粒度、色泽等物性指标上不去， 在国际市场竞争中处于劣势，有的售价仅为国外同类产品的三分之一。目前我国 第一章纯碱工业生产情况 某些大型石化干燥装备还依赖进口。 1 5 2 干燥技术在各行业的应用 ( 一) 化工 化工行业需要处理的物料种类繁多，大量的无机盐、有机物特性各异，达数 千种。它们性状差异极大，质量要求各不相同。 化工生产中，常用的干燥设备有十几种，有近百个规格。常用的干燥机类型 有：厢式、洞道式、带式、气流、喷雾、流化床及振动流化床、内加热流化床、 流化床喷雾造粒、回转、滚筒、真空耙式、真空双锥回转、桨叶式、闪蒸、微波 及远红外干燥机等，以及上述这些方法的两种的有机组合。目前，化工行业干燥 设备正在向大型化发展。 2 0 多年来，在化工领域有关干燥理论和技术的研究与开发主要集中在以下 几方面：提高效率、降低能耗；提高干燥速率，使设备紧凑；提高控制水平，优 化干燥机性能，改善产品产量；安全操作和控制环境污染；增强灵活性，开发可 用于多种产品的干燥系统；开发多目标加工系统，使干燥与化学反应、烧结、加 热或冷却、涂布、混合、分级等过程中的一种或几种结合在同一装置中进行。 ( 二) 石化 自上世纪8 0 年代以来，我国石油化工重大技术装备研制和国产化取得了很 大的成绩。石化装备的特点是技术先进，研制难度大、成套性强、关联度大的成 套设备，是知识密集、技术密集和资本密集型产品。在石化行业流化床干燥机( 普 通床、振动床、双质体振动床、内加热流化床) 闪蒸干燥机、桨叶干燥机、蒸汽 回转干燥机、转鼓结片干燥机应用广泛，很多产品已替代进口。石化干燥装备是 我国大型装备国产化重点支持领域。 ( 三) 医药 干燥设备在制药行业的应用，己经有了相当长的时间，从2 0 世纪六七十年 代就大量使用的箱式烘房或热风循环烘房，到2 0 世纪8 0 年代的真空干燥设备， 再到2 0 世纪9 0 年代沸腾床与喷雾干燥、包衣、造粒设备广泛应用，特别是2 0 世纪末期，真空冷冻干燥机、微波干燥机在国内也能自己生产，基木满足了制药 行业的要求。 冷冻干燥技术在医药行业应用广泛。今后研究的方向是在保证产品质量的前 提下，如何提高冻干效率，缩短干燥时间，节约能源。我国中药冻干工艺的研究 很有潜力。 微波干燥主要用于中药干燥，特别有利于含水物料的干燥，干燥速度快，能 第一章纯碱工业生产情况 源利用率高，干燥灭菌效果好、品质质量高，且可以进行连续化，自动化生产， 工作效率高，生产环境好，符合g m p 要求，值得推广应用。但微波技术不适于 热敏性物料的干燥，此外其是否会影响药物的稳定性、疗效等尚需深入研究和探 讨。 一( 四) 食品 果蔬干燥技术是一个非常活跃的研究方向。果蔬干燥技术有：常压热风干燥 技术( 如网带式干燥机) 、真空冷冻干燥技术、微波干燥技术、远红外干燥技术、 渗透干燥技术、过热蒸汽干燥技术。近年来新开发的干燥设备有喷射泵式真空冻 干设备、真空油炸果蔬脆片设备、氮气干燥器、太阳能成套干燥设备、微波真空 干燥机、振动流化床干燥机等。 ( 五) 粮食 国外现在使用的粮食干燥机按其结构及干燥原理来分主要有顺流式、横流 式、混流式、逆流式和内循环移动式干燥机。 我国粮食干燥技术与国外的差冲主要表现在以下几个方面。 1 ) 干燥机的自动控制水平低，缺乏光进的传感器和测试仪器，粮食水分在线 测试装置的精度和可靠性差，出机粮食水分不能准确控制。 2 ) 热源热效率低，干燥机生产和热风炉生产脱离，造成干燥机和热源匹配性 差。 3 ) 粮食干燥对环境的污染严重。 4 ) 通用化、标准化、系列化程度低。 ( 六) 木材 已实现工业化的常用人工木材干燥方法包括：常规干燥、高温干燥、除湿干 燥、太阳能干燥、真空干燥、高频干燥，微波干燥及烟气干燥等。目前理论研究 方向是：木材干燥的数学模型与数值模拟，木材干燥过程的传热传质，干燥新技 术与工艺，干燥过程的检测与控制，木材干燥室的优化设计，木材干燥对环境的 影响木材干燥技术的发展趋势：常规蒸汽干燥仍占主导地位，除湿、真空、微波 及高频干燥将呈增长趋势，组合干燥技术是今后发展的重点，如除湿和微波联合 干燥。 1 5 3 干燥技术发展趋势 ( 一) 干燥技术理论研究。 1 、在相关学科领域( 如新能源、材料、工程热物理、生物、计算机等) 新 成果、新技术的推动下，进行新技术、新能源、新工艺、新设备的开发研究。 9 第一章纯碱工业生产情况 2 、深入模型、模拟领域的研究( 如微观孔级模型的建立、多相流物模、c f d 模拟、激光检测技术) ，探究复杂过程干燥器( 如喷雾干燥、冲击流干燥等) 的 干燥机理研究。 3 、在基础学科研究成果的推动下，进行干燥机理、干燥传递过程机理的基 础研究，以改善干燥过程理论滞后于应用的现状。 4 、用于特殊干燥对象的组合、优化专门干燥工艺及设备理论研究。 5 、各种生物工程产品及食品质量指标干燥过程的降解机理、保护措施的研 究。 ( - - ) 干燥应用技术研究 干燥应用技术研究将沿着有效利用能源、提高产品质量和产量、减少环境影 响、安全操作、易于控制、一机多用、大型化等方向发展。具体地讲干燥技术的 未来发展将侧重于： 1 、在直接干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质； 2 、大量使用间接加热( 传导) 式干燥； 3 、使用组合式传热方式( 对流、传导与热辐射或介电等组合) ； 4 、在特殊情况下，使用容积式加热( 微波或高频场) ； 5 、不同类型干燥器或常规干燥技术的组合使用： 6 、运用新型或更有效的供热方法( 如脉冲燃烧、感应加热等) ； 7 、使用新型气固接触技术( 如二维喷动床、旋转喷动床等) ； 8 、设计灵活、多用途的干燥器； 9 、使用模糊逻辑、神经网络、专家系统等实现过程的控制； 1 0 、产品质量及湿含量的在线测量等； 1 1 、大型干燥装备向专业化、大型化、成套化方向发展町”。 1 6 本章小结 重质纯碱不但是重要的基本化工原料，还大量地用于玻璃工业、冶金工业、 石油化工、食品和颜料工业。这些工业部门用重质纯碱有利于工艺操作，可以减 少损耗；同时能延长窑炉使用寿命，减轻碱粉对耐火材料的侵蚀作用等。重质纯 碱在包装运输方面也比轻质纯碱要经济的多。重质纯碱煅烧的目的和任务是把 含表面水的水碳酸钠加热脱水并把高温的重质纯碱冷却制取适合包装的无水 碳酸钠。 常规重质纯碱煅烧工艺有两种，一种是蒸汽回转煅烧炉煅烧，外设沸腾冷却 第一章纯碱工业生产情况 进行重质纯碱的煅烧冷却处理；另一种是利用沸腾煅烧进行重质纯碱的煅烧冷却 处理。以上两种重质纯碱煅烧装置都存在一定的问题。 第二章研究目的和研究内容 2 1 研究目的 第二章研究目的和研究内容 由于现重质纯碱煅烧设备在实际生产中存在相当大的不足，例如占地面积大， 运行和维护费用高，流程较长、设备多，土建投资增大，生产能力低、装置运行周 期短、能耗高、环境差等问题。所以需要开发高效、节能且可大型化的煅烧设备 与工艺。本课题的研究目的是将重质纯碱的煅烧理论与带内置换热器的流化床传 热理论相结合，开发出工艺流程短、操作简单、系统热效率高、工程投资少的适 合重质纯碱煅烧的新型煅烧工艺与装置。 2 2 湿物料干燥过程的热质传递 湿物料干燥过程中同时发生了两个过程：即湿分的汽化传递( 质交换) ；热 量的传递( 热交换) 。湿物料的干燥可以归结为物料内部的质热传递( 内部) 和 相界面上边界层中的质热传递( 外部) 。所以干燥过程的强度就与物料内部和外 部的质热传递条件有关。当外部质热传递适应于内部质热传递时干燥强度最大d 1 、外部质热传递向被干燥物料提供热量可通过三种方式来实现，即对流、 辐射、传导。 ( 1 ) 对流热能以对流方式由热气体传给与其直接接触的湿物料。在稳定的 条件下，对流给热的方程式如下： q = o t ( t 一乙) 彳 公式( 2 1 ) 式中q 传热功率 w 】； 口对流给热系数 形m 2 】； f 介质( 流体) 的温度 ； 0 物料表面的温度【】； 彳给热面积f m 引 ( 2 ) 辐射热能以电磁波的形式由辐射器发射，入射至湿物料表面被其所吸 收而转变为热能，使湿物料中的水分被加热而汽化，从而达到湿物料干燥的目的。 ( 3 ) 传导在某些条件下，热能以传导的方式提供给被加热物料。 第二章研究目的和研究内容 当热量以某种或某些方式提供给湿物料后，则湿物料内部内部便发生了内部 的质、热交换过程。 2 、内部的质热传递干燥介质的气速、温度、湿度等称为干燥条件。在干燥 过程中，如果这些条件不发生变化，则称之为恒定干燥条件。 当热空气从湿物料表面稳定的流过时，由于空气与物料之间存在着传热推动 力，空气将以对流方式把热量传递给物料。物料接受这些热量，用来汽化其中的 水分。而由于水分的汽化，使在物料表面的薄层空气与气流主体之间形成推动力， 所以蒸汽就由物料表面传递到气流主体，并不断的被气流带走。而物料的湿含量 也不断下降。当物料的湿含量下降到平衡湿含量时，干燥过程结束。 在上述干燥过程中，测定物料的湿度、温度和时间等数据，则可做出如图 2 1 所示的干燥曲线。 图2 1 干燥曲线 干燥曲线上各点的斜率即代表该点的干燥速率，九吐。将各点的干燥速率 对湿含量或时间作图，即可得到如图2 2 所示的干燥速率曲线。 由图可见，除了较短的预热段以外，干燥过程很明显地分为两个阶段，即等 速干燥阶段和降速干燥阶段。其间的分解点c 叫临界点，对应的物料湿含量称为 临界湿含量。 第二章研究目的和研究内容 澄鲁酗f l c 鬈，i 【g 予壤时溺t 釉 图2 _ _ 2 干燥速率曲线 澄甓t ( 1 ) 等速干燥阶段在整个等速阶段内物料表面的温度就等于空气的湿球温 度t w 。物料中心的温度则略低于湿球温度，物料内部存在着恒定的温差。但是： 在辐射一对流或传导一对流等联合供热的干燥过程中，物料在等速段内的表面温度 要略高于湿球温度。 在恒定干燥条件下，等速阶段的推动力o t d 和( x 。一石) 是定值，给热系数和传 热系数也是定值，所以干燥速率是一个定值，与物料的湿含量无关。而且实验证 明，与物料的类别也没有多大关系，在等速阶段，各种物料的干燥速度大约等于 纯水的汽化速度。 当物料表面的水分受热汽化后，物料表面与中心必然出现湿含量差别，称为湿 含梯度。无论在等速段或降速段，物料的内部都有湿含梯度存在。湿含梯度是一 种推动力，能使物料内部的水分扩散至表面。 在等速段内，物料内部水分扩散至表面的速度，可以使物料表面保持着充分的 湿润，即表面湿含量大于最大吸湿湿含量，所与干燥速度取决于表面汽化速度。 换句话说，等速段是受表面汽化控制的阶段。因此，提高气速和气温，降低空气 湿度就都有利于提高等速段的干燥速度。 ( 2 ) 降低干燥阶段在等速段末期，如果物料表面的湿含量减小到略小于最 大吸湿湿含量帆时，物料表面的蒸汽分压就小于饱和蒸汽压，因而推动力 ( 以一p ) 或( x ，一x ) 就减小，干燥速率即开始下降。降速干燥阶段有几个明显的特 点，首先从干燥速率曲线可以看出，降速段干燥速率与物料的湿含量有关，湿含 量越低，干燥速率越小。其次，降速段干燥速率与物料的厚度或直径很有关系， 厚度越厚，干燥速率越小。显然，降速段干燥速率与物料类别的关系则更大。第 三，当降速段开始以后，由于干燥速率逐渐减小，空气传给物料的热量，除作为 1 4 第二章研究目的和研究内容 汽化水分用之外，尚有一部分将使物料的温度升高直至最后接近于空气的温度。 在这期间，物料表面与中心的温度差也逐渐减小，直至最后消失。第四，在降速 短初期，物料内部水分仍然扩散至表面，并且在表面汽化。随着物料湿含量的不 断减少，内部水分扩散至表面的速度也逐渐减小，直到它小于表面汽化速度时， 物料的汽化区即开始从表面深入物料内部。这时，水分再物料内部先行汽化，然 后以蒸汽的形态扩散至表面。所以降速段的干燥速率完全取决于水分和蒸汽在物 料内部的扩散速度。因此也把降速段称为内部扩散控制段。第五，在降速阶段， 提高干燥速率的关键不再是改善干燥介质的条件，而是如何提高物料内部湿分扩 散速度的问题。提高物料的温度，减小物料的厚度都是很有效的办法。 物料越后，等速段干燥速度越大，内部扩散速度越小，则物料表面湿含量 与平均湿含量的差值就越大，因而m ，与m o 的差值也越大。相反，当等速段千 燥速度较小，内部扩散速度较大，而物料又薄又细时，尥与m 。的数值就很接 近。所以可以将尥作为下限，再对物料厚度、干燥速度、内部扩散速度作综合 考虑，然后估算m 的数值。 2 3 流化煅烧机工作原理 2 3 1 流态化原理 流态化现象是指固体颗粒在流体的作用下悬浮在流体中跳动或随流体流动 的现象。在自然界中，如河流的泥沙夹带、沙丘的自然迁移等，从广义来说都是 。种自然界的流态化现象。流态化技术在工业中的应用非常广泛，能够实现流态 化过程的设备称为流化床。 流态化现象可以由气体和固体颗粒、液体和固体颗粒以及气体与液体和固体 颗粒形成，即所谓的气一固流态化、液一固流态化和气一液一固流态化。其中以 气一固流态化在工业中应用最多2 1 。 ( 1 ) 流化现象实验证明：由于固体颗粒物料的特性、床层的几何尺寸及气 流速度等因素的影响，床层可存在三种状态，一如图2 3 。 固定床阶段当流体速度较低时，在床层中固体颗粒虽然与流体相接触， 但床层高度h 。不变，而压力降ap 则随u 的增加而增大。：若将相应的数据标绘 在对数坐标图上，则得一直线o f 。当流体流速1 u 增大到某一数值，压力降近似 等于单位面积床层上物料的实际重量时，颗粒开始松动，。床层高度h 略有膨胀， 床层空隙率( 为颗粒间空隙体积与床层总面积之比) 也略有增加。然而床层 整体并无明显的运动，如图2 - 4 ( a ) 所示。 第二章研究目的和研究内容 1 流化带出 u t 输送 i 少 固定床 流化床 1 卸叫 图2 3 流态化状态 h h o 卜 流态化阶段固定床阶段的流体流速逐渐增加，达到f 点以后，固体颗 粒就会产生相互间的位置移动，若再增加流体速度，床层的压力损失不变，而固 体颗粒在床层中就会产生不规则的运动，这时的床层就处于流态化，即为流化床， 床层的顶部有一基本的水平料面，如图2 - 4 ( b ) 。 f 点的流速称为临界流化速度，也称最小流化速度，用u 酊表示。此时的床 层空隙率称为临界空隙率，用m f 表示。当流速继续增加时，床层将继续膨胀， 床层中实际压力损失基本不变。流体的压降只是消耗在托起固体颗粒的重量上j 所以此时的a p a 与床层颗粒重量h a ( 1 一) 丫。到达平衡，即 a p a = h a ( 1 一e ) r s h a ( 1 - h g 或p = h ( 1 - ) ( 丫。吖g ) 公式( 2 - 2 ) 公式( 2 - 3 ) 式中，丫s ，丫g 分别代表流体与颗粒的重量，k g m 3 a 为床层横截面积。此 式表明，床层阻力等于单位面积床层物料的实际重量。此时沆化床呈现如图2 - 4 ( c ) 所示的状态。 气送阶段在流化床内，如果流速继续增加达到一定值，物料颗粒就不 ， 能继续停留在容器中，而是被气体带出，此时流化床呈现如图2 - 4 ( d ) 所示的状况。 工业上利用这个原理可将颗粒物料像流体一样用管道输送，所用流体通常为空 1 6 第二章研究目的和研究内容 气，故多称为“气力输送”。 实际上，以上固定床层、流化床层、气流输送这些不同的过程，实质均为流 体和颗粒相互作用的结果。 ( 2 ) 散式流态化与聚式流态化 散式流态化 在以上所述的流化现象是 “理想状态，实际上只有液固系 统( 液体和固体颗粒) 与理想状态 比较接近。大多数液一固系统流 化床中流体与颗粒都均匀分散平 稳流化，这种流化状态称为“散式 流态化”。在气固系统中，流速 超过临界流速v m f 和接近沉降速 度v 。时，也会出现散式流态化。 ( a ) c b ) ( c ) 誓置主霓曩走蠢卷耄 争冀曩麓t 图2 4 气体流化区 ( d ) 飞露远 o 抵 聚式流态化 气固系统流化床的特点是床层内各点空隙率不一，气体聚集为气泡，在颗 粒群中运动，此状态称为“聚式流态化”。 在聚式流态化床中，固体颗粒不是以单个的形式出现，而是以颗粒团形式出 现，识别不出颗粒的平均自由行程。这时流体常以气泡形式通过床层上升，气泡 在上升的过程中慢慢长大，相互合并或有少数破裂，最后到达床层界面就破裂； 床层压力损失波动，床层的外观像沸腾的液体。