卧式多室流化床干燥器

中原工学院化工原理课程设计卧式多室流化床干燥器2013/01/15姓名： 支玉惠 学院： 纺织学院 班级： 轻化101 学号： 201000524101指导老师：郑瑾 课程设计设计任务书（一）设计题目设计一台卧式多室流化床干燥器，用于干燥颗粒状肥料。将其湿含量从0.04+0.0011=0.041干燥至0.0003+0.0001=0.0004（以上均为干基），生产能力（以干燥产品计）3000+100=3100kg/h。（二）操作条件1干燥介质：湿空气。其初始湿度和温度根据成都地区的气候条件来选定。离开预热器的温度t1为80。2物料进口温度：1=30。3热源：饱和蒸汽，压力400kPa。4操作压力：常压。5设备工作日 每年330天，每天24小时连续运行。6厂址：新郑市龙湖地区。（三）、设计内容（1）干燥流程的确定和说明。（2）干燥器主体工艺尺寸计算及结构设计。（3）辅助设备的选型及核算（气固分离器、空气加热器、供风装置、供料器）。（三）基础数据1被干燥物料颗粒密度s=1730kg/m3； 堆积密度b=800kg/m3； 绝干物料比热Cs=1.47kJ/(kg)； 颗粒平均直径dm=0.14； 临界湿含量Xc=0.013（kg/kg绝干料）； 平衡湿含量X*=0。2物料静床层高度0为0.15m。3干燥装置热损失为有效传热量的15%。目录（一）、设计方案简介：2（二）、干燥过程的流程说明4(三)、干燥过程的计算43.1主体设备的工艺设计计算43.1.1 物料衡算43.1.2 空气和物料出口温度的确定53.1.3 干燥器的热量衡算53.1.4预热器的热负荷和加热蒸汽消耗量63.2 干燥器的设计73.2.1 流化速度的确定73.2.2 流化床层底面积的计算83.2.3 干燥器的宽度和长度93.2.4 干燥器高度93.2.5 干燥器结构设计10（四）辅助设备的选择及计算11一、风机11二、供料装置13三、除尘设备14四、换热器选型14五、 空气过滤器16六、管路计算及管道选择17（五）、优化分析185.1.1.干燥器年总费用G185.1.2干燥设备投资折旧费用GD185.1.3 空气年预热费用195.1.4风机年运转费用195.2 .1干燥器优化设计工艺分析195.2.2 风机风量205.2.3 干燥器体积的计算20（六）、设计一览表22（七）、评述24(八)、参考文献25（一）、设计方案简介： 在化学工业中，为了满足生产工艺中对物料含水率的要求或便于储存、运输，常常需要用到干燥过程。本次化工原理课程设计的任务是设计一种卧式多室流化床干燥器，将颗粒状物料的含水量从0.041降至0.0004，生产能力为3100h。来自气流干燥器的颗粒状物料用星形加料器加入干燥器的第一室，再经过其余的四个室，在 42 下离开干燥器。湿度为 0.00988 的空气经翅片换热器（热载体为400kPa饱和水蒸气）加热至80后进入干燥器， 经过与悬浮物料接触进行传质传热后，湿度增加到0.02，温度降至43。最后将尾气通过旋风分离器和袋滤器，以提高产品的收率。流程中采用前送后抽式供气系统，维持干燥器在略微负压下工作。通过查阅资料和选用公式设计，干燥器较好的设计结果为：床层底面积3m2，长度与宽度分别取4m和1.5m，高度3.5m，隔板间距0.8m，物料出口堰高1.54m。分布板开孔率4.3%，总筛孔数120509个，孔心距6.8mm。挡板与多孔板之间留有一定间隙（一般为几十毫米），使物料能顺利通过。湿物料自料斗加入后，一次有第一室流到最后一室，在卸出。由于挡板的作用，可以使物料在干燥器内的停留时间趋于均匀，避免短路。并可以根据干燥的要求，调整各室的热、冷风量以实现最适宜的风量与风速。也可在最后一、二室内只同冷风，以冷却干物料。干燥室截面在上部扩大，以减少粉尘的带出。此外，还确定了合适的送风机、排风机、旋风分离器、袋滤器、换热器和空气过滤器等附属设备及型号。（二）、干燥过程的流程说明湿物料由星型供料器加入、通过空气过滤器，后利用送风机的旋转产生的负压的推动使物料进入管路。然后，净化后温度为25的空气进入换热器，与压力为400kPa的饱和水蒸气进行热量交换，空气被加热，饱和水蒸气冷却被液化。出口处的空气温度，即进干燥器温度为80。工艺流程图如下：(三)、干燥过程的计算3.1主体设备的工艺设计计算3.1.1 物料衡算 W=G(X1-X2)=L(H2-H1)2=X21+X2=0.00041+0.0004=0.0003998Gc=G2(1-2)=3100（1-0.0003998）=3098.76绝干料/h W=G(X1X2)=3098.76(0.041-0.0004)=125.8kg/h H1=H0=0.622PsPPs=0.6220.53.1684101.325-0.53.1684=0.00988kg/kg绝干气3.1.2 空气和物料出口温度的确定空气的出口温度应比出口处湿球温度高出13，即 T2=43物料离开干燥器的温度 的计算，即 1由水蒸气查表得rtw2=2423将有关数据代入上式，即43-243-30=24230.0004-1.47（43-30）（0.00040.013）24230.013/（1.47(43-30)24230.013-1.47(43-30) 解得：2=423.1.3 干燥器的热量衡算干燥器中不补充热量，因而可用下式进行衡算，即式中 : Q3=W(2490+1.88t2) =125.8(2490+1.8843) =323436.5KJ/h Q2=Gcm2(21) =G(cs+4.187X2)( 21) = 3098.76(1.47+4.1870.0004) （42-30） =54941.4KJ/h Q1=L(1.01+1.88H0)(t2-t0) =L(1.10+1.880.0099) （43-25） =18.51L Qp=L(1.01+1.88H0)(t1-t0) =L(1.01+1.880.0099) (80-25) =56.57L取干燥器的热损失为有效耗热量的， QL=0.15(Q2+Q3)=56756.7KJ/h将上面各值代入式中，便可解得空气耗用量，即 56.57L=18.51L+54941.4+323436.5+56756.7解得：L=11433.7kg绝干气/h 由式 求的空气离开干燥器的湿度H2，即 H2=0.021水/绝干气3.1.4预热器的热负荷和加热蒸汽消耗量 QP=L(1.01+1.88H0)(t1-t0) =11433.7（1.01+1.880.0099）（80-25） =646821.8KJ/h由水蒸汽表查得，400水蒸气的温度，冷凝热，取预热器的热损失为有效传热量的，则蒸汽消耗量为：Wh=Qpr0.85=646821.8/(2138.50.85) =355.84干燥器的热效率为h= Q1Qp100=0.333.2 干燥器的设计3.2.1 流化速度的确定 1.临界流化速度的计算在80下空气的有关参数为密度=1/m3，黏度=2.1110-5Pa.s，导热系数=3.04710-2W/m. 。Ar=d3(s-)g2(0.00014(1730-1) 19.81)/(0.0211)2=104.54取球形颗粒床层在临界流化点MF=0.4。由MF和数值查图6-101得。Lymf=510-6临界流化速度计算：Umf=3Lymfsg2=30.0000050.021117309.8112=0.0121m/s2.颗粒带出速度由1 及值查图得Lyt=0.55带出速度计算：Ut=3Lytsg2=30.550.021117309.8112=0.582m/s 3.操作流化速度取操作流化速度为，即 u=0.70.582=0.4073m/s3.2.2 流化床层底面积的计算1.干燥第一阶段所需底面积计算，得式中有关参数计算如下：取静止床层厚度Z0=0.15m，干空气的质量流速取为，即L=u=1.00.4073=0.4073=6（1-0）m=6(1-0.4)/0.00014=25714.3m2/m3Re=dmU=0.000140.40731/0.0211=2.702 流化床的对流传热系数=4103dmRe15 =0.004(0.03047/0.00014) 2.7021.5= 3.867 W/m3流化床层的体积传热系数a=a= 99443.04W/m3由于dm=0.140.9，所得值应予以校正，由值从图中查得。C=0.1a=0.199443.04=9944.304 W/m39944.3040.15=(1.01+1.880.0099)0.40731.01+1.880.009880.4073A1(80-30)3098.763600(0.041-0.0004)2423解得A1=4.044m2物料升温阶段所需底面积 计算，得式中Cm2=cs+4.187X2= 1.47kJlnt1-1t1-2= ln80-3080-42=0.2769944.3040.15=(1.01+1.880.00988)0.4073(1.01+1.880.00040.4073A23098.7636001.47)0.276-1解得；A2=0.834床层总的底面积为： A=A1+A2=4.883.2.3 干燥器的宽度和长度今取宽度b=1.63m ，长度l= 3m，则流化床的实际底面积为4.89。沿长度方向在床层内设置个横向分隔板，板间距0.5m。物料在床层中的停留时间为：=Z0AbG2=0.154.888003100=0.189 h 3.2.4 干燥器高度1.浓度相高度计算，得而由下式计算，前已算出，于是由=(18Re+0.36Re2Ar)0.21=(182.7020.362.702104.54)0.21=0.861Z1=Z01-01-0.151-0.41-0.861 =0.432m分离段高度De=41.630.621.630.60.877m由u=0.4073m/s及De=0.877,从图中查得：Z2De=2.5Z2=0.8772.5=2.193m为了减少气流对固体颗粒的带出量，取分布板以上的总高度为3.5m。3.2.5 干燥器结构设计1.布气装置采用单层多孔布气板，且取分布板压强降为床层压强降的，则 Pd=0.15Pb=0.15Z0（1-0）（s-）g =0.150.15(1-0.4) (1730-1) 9.81 =228.98Pa再取阻力系数，则筛孔气速为： u0 =2Pd= 22228.9821 =15.132 ms干燥介质的体积流量为： =11433.7/3600(0.772+1.2440.00988) 80+273273101300101300 =3.22m3/s选取筛孔直径,则筛孔总数为： n0=Vs4u0d02=3.223.14/415.1320.00152=120509.67分布板的实际开孔率为：=A0A= 0.044 即在分布板上筛孔按等边三角形布置，孔心距为：t=(d0223)12 = （3.140.001520.044223 ）12 =0.00684mm 2分隔板沿长度方向设置4个横向分隔板，隔板与分布板之间的距离为3050mm（可调节），提供室内物料通路。分隔板宽 1.5m ，高 3m ，由 5mm 厚钢板制造。3.物料出口堰高 Ret=dut=0.0001410.5670.0000211=3.86 EV-1u-umf=25Ret0.44=253.760.44将及代入上式，解得Ev=6.452 用式 2.14（Z0-hEv)(1Ev13）（Gcbb）= 2.14（0.15-h6.452)16.45213(3098.76/36001.63800）求溢流堰高度，即将有关数据代入上式，经试差解得： h= 1.54 m（四）辅助设备的选择及计算一、风机 按气体的出口压力或者进、出口压强比将其分为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。1送风机风机按其结构形式有轴流式和离心式两类。轴流式的特点是排风量大而风压很小，一般仅用于通风换气，而不用于气体输送。故选择离心式通风机。其风机进口体积流量V1为 = 9788.52 m3/h压头HT为 上式中可忽略，所以上式可简化为 因为整个干燥过程的压降主要有气固分离器、换热器、干燥器和旋风分离器的压降，其总和大约为 13000Pa。为前半段提供动力的风机取根据所需风量=9788.52m3/h和经验，从风机样本中查得9-26NO.6.3的离心通风机满足要求，电动机型号为Y225M-2。该风机性能如下 风量 8588-11883 m3/h全风压 9698-8615 pa 轴功率 45kw2排风机 同理可得到物料出干燥塔的温度下的体积流量V2= 10560.93 m3/h根据所需风量=10560.93m3/h和经验，从风机样本中查得9-26NO.6.3的离心通风机满足要求，电动机型号为Y225M-2。该风机性能如下 风量 8588-11883 m3/h全风压 9698-8615 pa 轴功率 45kw二、供料装置根据物料性质（散粒状）和生产能力（3100kg/h）选用星形供料装置（加料和排料）。供料器是保证按照要求定量、连续（或间歇）、均匀地向干燥器供料与排料。供料器有各种不同的形式和容量，必须根据物料的物理性质和化学性质（如含湿量、堆积密度、粒度、黏附性、吸湿性、磨损性和腐蚀性等）以及要求的加料速度选择适宜的供料器。常用的固体物料供料器有圆盘供料器、旋转叶轮供料器、螺旋供料器、喷射式供料器等。将这些供料器相比较：对于圆盘供料器，虽然结构简单、设备费用低，但是物料进干燥器的量误差较大，只能用于定量要求不严格而且流动性好的粒状物料；对于旋转叶轮供料器，操作方便，安装简便，对高达300oC的高温物料也能使用，体积小，使用范围广，但在结构上不能保持完全气密性，对含湿量高以及有黏附性的物料不宜采用；对于螺旋供料器，密封性能好，安全方便，进料定量行高，还可使它使用于输送腐蚀性物料。但动力消耗大，难以输送颗粒大、易粉碎的物料；对于喷射式供料器空气消耗量大，效率不高，输送能力和输送距离受到限制，磨损严重。我们本次设计的任务是干燥细颗粒物料，它在进入干燥器之前的温度下为固态颗粒状，颗粒平均直径dm=0.14mm，硬度和刚性应较高。因为圆盘供料器只能用于定量要求不严格的物料，所以通常情况下不选用。又因为螺旋供料器容易沉积物料，不宜用于一年330天，每天24小时的连续工作。另外喷射式供料器效率不高，且磨损严重，输送能力和输送距离受到限制，也不宜采用。综上，应选用星型供料装置。 物料供料量 V=G/=3098.76/800=3.87m3/h计算星型加料器每转加料量为 3.8710006024=2.69参考旋转闪蒸干燥与气流干燥技术手册554页，选择型星型加料器 ，该加料器主要参数如下：每转体积 电机 转速 工作温度 三、除尘设备由于对于粒径小于的细粉在旋风分离器内的除尘效果较差，为了回收有价值的尘粒和保护卫生，工业上常采用除尘效率更高的设备进行二次除尘。二次除尘设备中常用的有袋滤器和湿式除尘器，其中袋滤器应用最多，具有以下特点：对于微米或亚微米数量级尘粒的除尘效率一般可达99%，甚至可达99.9%以上；处理气体量范围大，根据需要， 可设计制造出处理每小时几立方米到几百万立方米气流量的袋式除尘器。适应性强，可以捕集多种干性粉尘； 不受粉尘比电阻的限制， 特别对于高比电阻粉尘，除尘效率比电除尘器高得多； 进口含尘气体在相当大的范围内变化，对除尘效率和阻力影响不大。结构简单， 使用灵活，运行稳定可靠，不存在水污染和污泥处理等问题。因此本次设计采用袋滤器。参考常用化工单元设备设计6212-213页知，对于脉冲袋滤器 式中 ：所需过滤面积，； 含尘气体处理量，； 过滤风速，。对于脉冲振打 取风速u=200m/h已知含尘气体处理量 Q=V2=10560.93m3/h故F=10560.93/200=52.8查表后选用MC-72型脉冲袋滤器 四、换热器选型用来加热干燥介质（空气）的换热器称为空气加热器。一般可采用烟道气或饱和水蒸气作为加热介质，且已饱和水蒸气应用更广泛。在干燥系统中，常用的蒸汽加热器有两种主要形式，一种是型；另一种是型。这两种结构形式的热媒都在管子内流动，通过管子的外表面加热空气，由于空气侧的换热系数要比管内侧热媒的换热系数低很多，所以管外侧都加工成翅片，用以提高管外空气的湍流程度以及增加单位管长的换热面积，提高传热性能。两种加热器操作压力范围一般为，被加热的空气温度在以下，迎面气速为，最高不超过。对于此次设计任务来说，操作压力为400kpa，被加热空气最高温度为80，符合加热器操作范围要求。从蒸汽性能表中查得，当蒸汽压力时，饱和蒸汽温度。空气平均温度T=t0+t1=(25+80)/2=52.5,此时空气密度=1.087。根据其中蒸汽加热器性能规格表12-1，初选型号为，单元组件的散热面积，通风净截面积，受风面积确定空气从43升至80所需热量Q=V1CP(t1-t0)=9788.521.0871.02（80-25）=595447.76KJ/h实际风速：u=v13600Af=9788.5236000.45=3.786m/s空气的质量流速：ur=u=3.7861.087=6.568m/s根据所查公式求排管的传热系数K：K=51.5(ur)0.510=51.5(6.568)0.51=134.49kJ/m2.h. 传热温差：tm= 80-25ln143.4-25143.4-80 = 88.056所需传热面积Ac：AC= QKtm =595447.76134.4988.065=50.28m2所需单元排管数n：n=AcAa=50.2828.59=1.76实际选取2组，总传热面积A=228.59=85.77m2性能校核迎面风速 Us=V1As=9788.520.723600=3.78m/s2.5m/s us=3.78m/s 3.8m/s 故合适传热面积安全系数，AAc=85.7750.28=1.7加热空气侧总阻力P=31.76ur=31.766.57=4.14pa五、 空气过滤器空气动力设备吸入含有灰尘的空气之后，由于所用加热介质空气中有可能会含有各种煤尘、颗粒，如随空气进入到干燥系统中将造成设备的磨损，缩短设备的使用寿命，吸入的灰尘会在风机叶片表面上结垢，造成设备中转子的动平衡精度下降，使其工作寿命大大减短，灰尘中的有害化学成分会使设备生锈、腐蚀，因而，空气动力设备必须要配高精度空气过滤器。已知空气流量为9788.52m3/h,查相关资料知，ZKL180型自洁式空气过滤器较为完善，过滤面积大、流速低、阻损小，可实现空气过滤元件的自动清洁，自动化程度高，过滤原价使用寿命长，因此选用此种型号作为我们干燥系统的空气过滤设备。其性能参数如下： ZKL180空气过滤器的主要性能参数最大空气过滤量m3/min吸入状态过滤精度um/效率%消耗功率W电源AC1801/99.96100220V反吹气量m3/min结构形式初阻损Pa反吹气压MPa0.1单层1500.4-0.6六、管路计算及管道选择空气流动适宜流速为15-20m/s取流速u=20m/s；计算空气入口管路管径：V1=9788.52m3/h故：d=4V1u=49788.52360020=0.416m=416mm选用450mm管路管径，材质为不锈钢，壁厚10mm。计算空气出口管路管径：V2=10560.93m3/hd=4V2u=410560.93360020=0.432m=432mm选用450mm管路管径，材质为不锈钢，壁厚9mm， 饱和蒸汽在管路中适宜流速为20-30m/s,取流速。计算饱和蒸汽管路管径：已知饱和蒸汽为，温度为，查表知，流量Wh=355.84kg/hd=4Wh3600u=4355.842.1618360030=0.0441m=44.1mm查表知选取无缝钢管为输送管道外径为54mm，壁厚4mm，材质为不锈钢。计算蒸汽冷凝水管路管径：饱和蒸汽经换热器冷凝后变为冷却水，温度为143.4，查表知其密度，冷凝水在管道中适宜流速为取d=4Wh3600u=4355.8492336000.15=30.16mm 查表知选取有缝钢管为输送管道，外径为，壁厚为，材质为碳钢。（五）、优化分析5.1.1.干燥器年总费用G在考虑了干燥器，空气预热器，风机，除尘器等设备的投资折旧费用和空气预 热费用，风机运转费用等操作费用的情况下，建立了干燥介质出口温度优化设计数学模型，它以年总费用为目标函数，总费用G为：G=Gd+Gh+Gp式中：G总费用，万元/年；GD干燥设备投资折旧费，万元/年；Gh空气预热费，万元/年；GP风机运转费，万元/年。5.1.2干燥设备投资折旧费用GD干燥设备投资折旧费用GD包括干燥器，预热器，风机和除尘器设备的投资折旧费。设年投资折旧费为：式中： 干燥器体积，；设备年折旧率，；美元和人民币的兑换系数。为综合指数，它随企业规模，加工能力，产品质量，信誉，服务水平等不同而不同，一般可取0.20.4，为通货膨胀系数，设2005年为1500.1， 若以后各年不知，可按5%递增速度计算，为经验系数，一般可取4555，为指数，一般可取11.5，为设备折旧率，一般取0.080.125,即干燥器使用年限一般为812年。由式得干燥系统的设备折旧费是干燥器体积的函数。5.1.3 空气年预热费用 若干燥介质温度低于1600C时，较适合采用蒸汽预热干燥介质。空气预热费用实际上是所消耗蒸汽的费用，它与干燥物料时的流量，预热空气的流量等有关，由物料衡算和热量衡算得到饱和水蒸气的用量，水蒸气用量越大，则空气年预热费用越多，因此空气预热费用为：Gh=LTh(1.01+1.88Ho) (t1-t0) 8.1210-6式中： 年工作时间，；5.1.4风机年运转费用 风机年运转费用为风机运转所消耗的电能的费用，它与风机的风量成正比，若干燥系统阻力较小，可采用一台送风机，其年运转费用为:GP=0.00004QhsTh若干燥系统的阻力较大或防止干燥器中干燥介质中干燥介质向外泄露，使干燥器内产生一定的负压，则必须在干燥系统出口增加一台排风机，其年运转费用可用下式计算：GP=0.00004(QhsQhp)Th式中，送风机，排风机的风量，;0.00004经验比例系数。5.2 .1干燥器优化设计工艺分析由以上分析得要求干燥系统的总费用，必须求得风机用量，；饱和水蒸气的用量；干燥器体积。而这三个变量是空气出口温度的函数，在空气出口温度t2确定的情况下，是可以通过工艺衡算得到。5.2.2 风机风量对卧式多室干燥系统在干燥器出口要采用除尘装置分离空气中的固体颗粒，故干燥系统的阻力较大，除在干燥系统进口安装送风机外还要在干燥系统出口处安装排风机，送风机安装于预热器之前，此时湿空气的状态为（，），而排风机安装于干燥器之后，其湿空气状态为（，），所以送风量和排风量分别为：5.2.3 干燥器体积的计算由于多室流化床的干燥速度快，物料在干燥器中停留的时间短，其整个过程可认为由恒速干燥和降速干燥两个阶段组成。按体积给热系数法计算其体积，为。要求得干燥器的体积，必须求的干燥过程的传热量，体积给热系数以及对数平均推动力。假设物料的传热和传质只发生在高度为H,空隙率为0.4的静止床层内，且其过程分为两个部分，一，恒速蒸发阶段，二，降速段。具体过程如下：第一阶段：在恒速蒸发阶段湿物料温度由升到，水分含量由（初始湿含量）降为（临界湿含量），干燥介质温度由降到，物料和热量衡算为：Q1=G(X1-Xo) rt1+（Cs+4.187X1）( Tw1-1) =LCs(t1-tt) （干燥介质在恒速阶段释放的热量）；第二阶段：湿物料温度由升到，含水量由X0降到X2（最终含水量），干燥介质温度由到，物料和热量衡算关系为：Q2=G(X0-X2) rtm+（Cs+4.187X2）(2-Tw1) （降速阶段水蒸发和湿物料升温需要的热量）。上式中空气流量，物料流量等由总的物料和热量衡算得到，其他临界条件由已知得到。由上两式子分别得到不同阶段的温度（，），将物料和介质的流向假认为逆流，计算得到逆流传热平均温差，：t1=t1-tw-(tt-1)ln(t1-tttt-1)t2=tt-2-(t2-tw)ln(tt-2t2-tw)带入，得到，考虑干燥器实际体积比传热体积大和热损失等因素，由经验取实际体积和传热体积的比值为6。即干燥器体积。 由附录的程序可以看出，通过比较可知在出口温度为43度时为最优状态。结果如下：设备折旧费Gd=44.84万元 ,空气预热费Gh=4.16万元 ,风机运转费Gp=0.645万元,总费用最少值G=49.65 万元 最佳出口温度t2=431（六）、设计一览表数据名称符号数值单位物料（PVC）初始湿含量0.041水绝干料终态湿含量0.0004水绝干料临界湿含量X00.013水绝干料平衡湿含量0水绝干料进口温度30颗粒密度1730堆积密度800绝干物料比热1.47颗粒平均直径0.14 mm静床层高度0.15干燥介质（空气）进干燥器温度80干燥器操作压力常压(400)KPa热损失15%热源（饱和水蒸气）压力400kpa生产能力3100（二）卧式多室流化床干燥器计算结果数据名称符号数值单位生产能力3100物料温度入口30出口 42空气温度入口80出口 43空气用量11433.7热效率30%流化速度0.407床层底面积第一阶