气流和单层流化床联合干燥装置设计教材

PAGE化工原理课程设计任务书(干燥装置设计)（一）设计题目：气流和单层流化床联合干燥装置设计（二）设计任务及操作条件1．用于散颗粒状药品干燥2．生产能力：处理量13735Kg/h物料含水率（湿基）22%，气流干燥器中干燥至10%，再在单层流化床干燥器中干燥至0.5%（湿基）。3．进料温度20℃，离开流化床干燥器的温度1204．颗粒直径：平均直径dm=0.3mm最大粒径dmax=0.5mm最小粒径dmin=0.1mm5．干燥介质：烟道气（性质与空气同）。初始湿度：H0＝0.01kg水/kg绝干气入口温度：t1=800℃废气温度：t2=125℃6．操作压力：常压（101.3kPa）7．年生产日330天，连续操作24小时/天。8．厂址：柳州地区（三）设计内容1.干燥流程的确定及说明.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、供风装置、供料器）。4.A3图纸2张：带控制点的工艺流程图主体设备图（四）设计基础数据1．被干燥物料：颗粒密度：ρs=2000kg/m3干物料比热容：Cs=0.712kJ/kg.℃假设物料中除去的全部为非结合水。2．分布板孔径：d0=5mm3．流化床干燥器卸料口直接接近分布板4．干燥介质的物性常数可按125℃5．干燥装置热损失为有效传热量的15%目录1设计方案简介 11.1 气流干燥器 11.2 单层圆筒流化床干燥器 11.3 气流和单层流化床联合干燥 22 气流干燥器的设计计算 32.1 物料衡算 32.1.1 水分蒸发量 32.1.2 气流干燥器的产品量 42.1.3 绝干物料量 42.1.4 物料的干基湿含量 42.1.5 空气的用量 42.2 热量衡算 42.2.1 物料在气流干燥室的出口温度和空气的出口湿含量 42.2.2 热损失 52.2.3 物料升温所需要的热量 62.2.4 总热量消耗 62.3 气流干燥管直径的计算 62.3.1 最大颗粒的沉降速度 62.3.2 干燥管内的平均操作气速 62.3.3 干燥管的直径 62.4 气流干燥管的长度 72.4.1 物料干燥所需的总热量 72.4.2 平均传热温差 72.4.3 表面给热系数 82.4.4 气流干燥管的长度 82.5 气流干燥管压降的计算 82.5.1 气、固相与管壁的摩擦损失 82.5.2 克服位能提高所需的压降 92.5.3 局部阻力损失 92.5.4 总压降 93 单层圆筒流化床的设计计算 93.1 物料衡算 93.1.1 流化床干燥器中水分蒸发量 93.1.2 流化床干燥器的产品产量 103.1.3 绝干物料量 103.1.4 物料的最终干基湿含量 103.2 热量衡算 103.2.1 水分蒸发所需热量 103.2.2 干物料升温所需热量 103.2.3 干燥器中所需热量 103.2.4 热损失 103.2.5 干燥过程所需总热量 103.2.6 干空气用量 113.2.7 最终废气湿含量 113.3 最小颗粒的逸出速度 113.4 扩大段直径的确定 113.5 床层直径的确定 113.6 分离段直径的确定 123.7 流化床干燥器总高度的确定 123.7.1 流化床床层高度 123.7.2 分离段高度 133.7.3 扩大段高度 133.7.4 总高 133.8 颗粒在流化床中的平均停留时间 133.9 流化床的分布板 133.9.1 选用侧流式分布板 133.9.2 分布板的孔数 133.9.3 开孔率 134 主要附属设备的选型与计算 144.1空气预热器 144.1.1 饱和蒸汽温度 144.1.2 空气的平均温度 144.1.3 初步选型 144.1.4 空气从t0升到t1所需热量 144.1.5 实际风速和空气的质量流速 144.1.6 排管的传热系数 144.1.7 传热温差 144.1.8 所需传热面积 154.1.9 所需的单元排管数 154.1.10性能校核 154.2 风机 154.3 旋风分离器 164.4 供料器 165 主要设计结果列表 166 设计述评 177 参考资料 178主要符号说明 18气流和单层流化床联合干燥说明书PAGE19设计方案简介气流干燥器气流干燥器主要用于小颗粒物料的干燥。这种干燥器的特点是颗粒悬浮于干燥介质（热空气或烟道气）中。干燥管内热气体向上的流速大于颗粒的沉降速度，故物料随热气体一起被输送；在并流中，物料与干燥介质之间进行传热和传质。气流干燥器具有以下特点：干燥强度大。由于气流的速度高，湿物料又处于分散和悬浮于热气流中，气、固相接触面积大，强化了传热、传质过程，使物料在干燥管内仅需要极短的时间即可到达干燥的要求。故可用于干燥热敏性物料。干燥处理量大，热效率高。结构简单，装卸方便，占地面积小。在干燥的同时，对物料有破碎作用，因而对粉尘的回收要求较高，否则物料损失大，还会污染环境。干燥产品磨损较大。物料一般难以保持干燥前的结晶形式和光泽。1.鼓风机；2.预热器；3.夹套；4.加料器；5.气流干燥管；6.旋风分离器；7.抽气机单层圆筒流化床干燥器流化干燥是固体流态化技术在干燥上的应用。对于单层圆筒流化床干燥器，被干燥的散颗粒物料从左侧加入，与通过多孔分布板向上的热气流相接触。只要气流速度保持在颗粒的起始柳化速度和带出速度之间，颗粒就能在热气流中上下翻滚，相互混合、碰撞，与热气流进行传热与传质而达到干燥的目的。经干燥后的颗粒由床右侧卸出，气流经旋风分离器回收其中夹带的粉尘后，自顶部排出。流化床干燥器有两个显著的特点：由于颗粒分散并做不规则运动，造成了气、固相的良好接触，加速了传热、传质的速度，因此床内的温度均匀，便于准确控制，能够避免局部过热；颗粒在流化床内的平均停留时间便于调节，特别适合于驱除需时较长的结合水分。③处理量大，设备结构简单、造价低、维修方便。④不适于干燥湿含量太高的物料。单层圆筒流化床干燥器示意图气流和单层流化床联合干燥本设计的任务是气流和单层流化床联合干燥装置的设计。气流和流化床干燥器都是热效率很高的干燥设备，根据两者的优缺点将两种干燥器联合使用可以进一步地提高干燥效率。因为流化床干燥器不适合于干燥湿含量较高的物料，故使物料在气流干燥器中降低湿含量后再经过流化床。基本干燥流程是：先将湿物料经过第一阶段——气流干燥阶段，使物料的湿度降低到接近气流干燥器的干燥极限，再将此含水率较低的物料经过单层圆筒流化床干燥器，水分将进一步的降低，达到要求的干燥条件。这样的联合装置，克服了用单个干燥装置时的缺点，提高了干燥的效率。下面是气流和单层流化床联合干燥装置的示意图：1.鼓风机；2.空气加热器；3.气流干燥管；4.供料器；5.旋风分离器；6.单层圆筒流化床干燥器根据设计任务书条件进行的工艺设计气流干燥器的设计计算物料衡算水分蒸发量W式中，ω1——物料最初的含水率ω2——气流干燥器出口物料的含水率G1——物料处理量，kg/h气流干燥器的产品量G2绝干物料量Gc物料的干基湿含量式中，X1——物料最初的湿含量X2——气流干燥器出口物料的含水率空气的用量L式中：H1、H2—空气进出气流干燥管得湿含量，kg/kg干空气又有空气进入预热器的相对湿度为φ0=75%，温度为t0=20℃则：H1=H0=故①热量衡算物料在气流干燥室的出口温度tm2,空气的出口湿含量H2L(I1-I2)=G2(I1′-I2′)②式中：I1、I2——进出气流干燥室的空气的焓，kJ/kgI1′、I2′——进出气流干燥室的物料的焓,kJ/kg其中：③③设绝干物料的比容为Cs,空气的比容为CwCs=0.712kJ/（kg·℃），查得在t2=125℃下，Cw=1.026kJ/(kg·K)=0.0038kJ/（kg·℃则：I1′=（Cs+CwX1）tm2=(0.712+0.0038*0.2821)*20=14.261kJ/kgI2′=（Cs+CwX2）tm2=(0.712+0.0038*0.1111)tm2=0.712tm2将以上I1、I2、I1′、I2′代入②式，得整理得：④因为tm2=tmax-(5～10)=120-10=110所以根据④式得H2=0.26kg/kg则根据①式得L=7325.2kg/kg热损失q1据柳州地区年平均温度t0=20℃，H0=0.01kg得I0=（1.01+1.88H0）t0+2492H0=(1.01+1.88*0.01)*20+2492*0.01=45.496kJ/kg在湿焓图上，空气最初的状态点为（H0,I0）=(0.01,45.496)空气在预热器进口的状态点为（H1,I1）=(0.01,847.96)空气在预热器出口的状态点为（H2,I2）=（0.26，835.27）则绝热干燥过程单位热量消耗q′为实际干燥过程的热损失为：q1=15%q′=481.5kJ/kg水物料升温所需要的热量qm总热量消耗QQ=q′W=(3209.9*1831.3)/3600=1632.9kW气流干燥管直径D的计算最大颗粒的沉降速度ufmax干燥管内空气的平均物性温度为在该温度下，空气的密度为ρ=0.483kg/m3,黏度为μ=3.496*10-5Pa·s对于最大颗粒：根据式得Remax=23.6故干燥管内的平均操作气速ua如果取ua为最大颗粒沉降速度的4倍，即,圆整后取平均操作气速ua=14m/s干燥管的直径D干燥管内空气的平均温度为462.5℃，平均湿度为则平均湿比容气流干燥管内的湿空气的平均体积流量Vg为：故气流干燥管的直径D为：圆整后取D=700气流干燥管的长度Y物料干燥所需的总热量Q就真个干燥器而言，输入的热量之和等于输出的热量之和，即：式中：Cs——干物料的比热容，kJ/(kg·℃)C1——水在tm1温度下的比热容，kJ/(kg·℃)qp——预热器内加入的热量，kJ/（kg水）qd——干燥器内补充的热量，kJ/（kg水）q1——损失于周围的热量，kJ/（kg水）整理得：⑤其中：qm=416.5kJ/（kg水）,q1=481.5kJ/（kg水）查得C1=4.187kJ/（kg℃）则⑤式得：故总热量Q=qW=3973*1831.3=7275754kJ/h=2021kW平均传热温差Δtm式中：t1——空气进口温度，℃t2——空气出口温度，℃tm1——物料进口温度，℃tm2——物料出口温度，℃表面给热系数α对于平均直径为dm=0.3mm根据求得Re=7.5故则查得在空气的平均温度462.5℃下，空气的导热系数为λ=0.056W/(m·℃则气流干燥管的长度Y由于故圆整后取气流干燥管的有效长度为Y=7m气流干燥管压降的计算气、固相与管壁的摩擦损失△P1式中：f——干燥管的摩擦系数ρas——干燥管内气、固相的混合密度，kg/m3,其中：D=0.7m，ua=14m/s,Y=7m在125℃下，空气的密度为ρa=0.887kg/m3；干燥管气流中的颗粒的密度为则雷诺数故摩擦系数故克服位能提高所需的压降ΔP2式中：Y——气流干燥管的有效长度，m局部阻力损失ΔP3据相关资料叙述，此压降一般在1000～1500Pa之间，取ΔP3=1300Pa总压降ΔP根据以上计算，气流干燥管的总压降为：ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3=44.1+30.1+1300=1374.2Pa单层圆筒流化床的设计计算物料衡算流化床干燥器中水分蒸发量W式中：G2——气流干燥器的产量、流化床干燥器的进料量，kg/hω2——流化床干燥器进口的物料湿含量ω3——流化床干燥器出口的物料湿含量流化床干燥器的产品产量G3绝干物料量Gc物料的最终干基湿含量X3热量衡算水分蒸发所需热量Q1式中：C1=4.187kJ/（kg水）则：干物料升温所需热量Q2干燥器中所需热量Q′热损失Q3干燥过程所需总热量Q干空气用量L空气经过干燥器，温度从t1=800℃变成t2=125则：最终废气湿含量H3由得最小颗粒的逸出速度ut对于最小颗粒dmin=0.1mm,由上文可知，在平均温度462.5℃下，空气的ρa=0.483kg/m3,μa=3.496*10-5Pa·所以根据式得Remin=0.4故扩大段直径D2′的确定则实际扩大段的直径为Ф2900mm床层直径D′的确定根据相关资料的实验结果，适宜的空床气速为1.2～1.4m/s，现取u=1.在125℃下，湿空气的比容和体积流量V分别为：流化床床层的横截面积A为：因此，床层的直径为：圆整后取实际床层直径为Ф1500mm分离段直径D1′的确定在125℃下，空气的密度ρa=0.887kg/m3,黏度μa=2.31*10-5Pa·对于平均直径dm=0.3mm的产品颗粒：根据式得Rem=22故分离段直径为流化床干燥器总高度Z的确定流化床床层高度Zf(1)颗粒的堆积密度可取ρb=65%ρs=1300kg/m3则固定床的空隙率为(2)对于平均直径dm=0.3mm的物料颗粒：上文计算得Ar=878.9则流化床的空隙率为：（3）取静止床的高度H0′=150mm,则流化床床层高度为：分离段高度Z1由分离段颗粒的沉降速度u1=1.91m/s,D1′=1.13m,查得：Z1/D1′=1.8，则Z1=2.0m扩大段高度Z2根据经验,取Z2=1m总高ZZ=Zf+Z1+Z2=0.113+2.0+1=3.113颗粒在流化床中的平均停留时间流化床的分布板选用侧流式分布板（侧流式锥帽分布板）分布板的孔数n0式中：所以开孔率η式中：A0——孔的总面积，m2A′——分离段截面积，m2则：主要附属设备的选型与计算空气预热器已知：初始风温度t0=20℃，干燥器进口风温度t1=800℃空气用量：气流干燥阶段L1=7325.2kg/h;流化床阶段L2=3021.7kg/h操作压力为一个大气压饱和蒸汽温度从蒸汽性能表中查出，在操作压力下，饱和蒸汽的温度为tH=100℃空气的平均温度则空气的密度ρa=0.517kg/m3初步选型根据蒸汽加热器性能规格表，初步选型为SRZ10*7D，单元组件的散热面积Aa=28.59m2,通风净截面积Af=0.45m2,受风面积As=AB=717.5*1001*10-6空气从t0升到t1所需热量气流干燥阶段：流化床干燥阶段：实际风速和空气的质量流速实际风速：u1=L1/3600Af=7325.2/3600*0.45=4.52m/su2=L2/3600Af=3021.7/3600*0.45=1.87m/s质量流速：ur1=u1ρ=4.52*0.517=2.34kg/(m2·s)ur2=u2ρ=1.87*0.517=0.97kg/(m2·s)排管的传热系数K1=51.5(ur1)0.51=51.1*2.340.510=79.45kJ/(m2·h·℃)K2=51.5(ur2)0.51=51.1*0.970.510=50.71kJ/(m2·h·℃)传热温差所需传热面积气流干燥阶段：流化床干燥阶段：所需的单元排管数气流干燥阶段：实际选4组，总传热面积A1=4*28.59=114.36m流化床干燥阶段：实际选2组，总传热面积为A2=2*28.59=57.18m性能校核迎面风速：气流干燥阶段：us1=L1/AS=7325.2/0.72*3600=2.83m/s流化床干燥阶段：us2=L2/AS=3021.7/0.72*3600=1.17m/s（1）气流干燥阶段：2.5m/s<us1=2.83m/s<3.8m/s,适合（2）流化床干燥阶段：us2=1.17<2.5m/s,不合适则应选用型号为SRZ5*5D较为合适，AS′=497*507*10-6=0.25mus2=L2/AS′=3021.7/0.25*3600=3.36m/s风机对于本干燥系统来说，选择离心式双台鼓—引风机，即采用前送后抽式风机系统。气流干燥阶段的风量为：流化床阶段的风量为：根据经验，取风机的气风压力为892Pa根据离心风机的选型条件，气流干燥阶段选择4-72No.5A的风机，转速1450r/min,电机功率2.2kW;流化床干燥阶段可选用4-72No.3.2A的风机，转速2900r/min,电机功率2kW.旋风分离器根据处理的风量确定各阶段的旋风分离器除尘装置规格为：气流干燥阶段：型号XLP/B.8.2,外型尺寸1167*1040*4110，重量374kg流化床干燥阶段：型号XLP/B.5.4，外型尺寸772*685*2764，重量170kg两台旋风分离器的阻力为：65-95kg/m2，效率为：92-96%供料器根据进料量及相关的参数，选择旋转叶轮供料器。Ф150（焊接）旋转叶轮供料器的性能：供料量：7m3/h规格：Ф叶轮转速：31r/min传动方式：链轮直联设备总重：66kg电机的性能：型号JIC561，功率1kW，输出转速31r/min主要设计结果列表表1气流干燥阶段的设计结果计算参数计算结果计算参数计算结果水分蒸发量W1831.3kg/h物料升温所需热量qm416.5kJ/kg水干燥器的产出量G211903.7kg/h总热消耗量Q1623kW绝干物料量Gc10713.3kg/h干燥管直径D700mm空气用量L7325.2kg/h干燥管高度Y7m空气的出口湿含量H30.26kg/kg操作气速ua14m/s物料的出口温度tm2110干燥管总压降ΔP1374.2Pa热损失q1481.5kJ/kg水表2单层圆筒流化床干燥阶段的设计结果计算参数计算结果计算参数计算结果水分蒸发量W1136.5kg床层直径D′1500mm干燥器的产出量G310767.2kg床层高度Zf508mm绝干物料量Gc10713.3kg分离段直径D1′1130mm空气用量L3021.7kg/h分离段高度Z12000mm水分蒸发的热量Q12573525kJ/kg水扩大段直径D2′2900mm物料升温的热量Q284749kJ/kg水扩大段高度Z21000mm热损失Q3398741.1kJ/kg水平均停留时间1.92min计算参数计算结果计算参数计算结果总热量消耗Q3057015.1kJ/kg水分布板孔数n01.5*105废气湿含量H30.64kg/kg分布板开孔率η29%逸出速度ut0.29m/s表3主要附属设备的选型设备干燥阶段选型蒸汽加热器气流SRZ10*7D流化床SRZ5*5D风机气流4-72No.5A流化床4-72No.3.2A旋风分离器气流XLP/B.8.2流化床XLP/B.5.4供料器气流JIC561设计述评通过这次课程设计，我们综合运用了化工原理、化工设计、化工设备、分离工程等课程的知识。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。这次课程设计就是一次实践的过程。虽然涉及到的只是单元反应过程，但这是组成整个化工设计的基础，所以掌握好单元设计也是二环内关键的。从一开始的一头雾水到后来的清晰明朗，我从中学到了很多。在刚开始设计计算时，遇到了很多的问题，但要进行下去就必须解决问题。我通过到图书馆、电子图书馆查取了大量的资料，使得遇到的各种问题逐步解决。通过本次课程设计，我总结出了设计的几个学习要点：1、对设计的对象要有全面的了解。从原理入手到各种操作步骤，还有各个环节的流程走向，在心中都要有一定的计量。不理解原理就无从去找设计的开始。在本次课程设计中，我首先去了解干燥和干燥设备的原理，然后再找相关的参考资料，寻找物料衡算、热量衡算、主要工艺尺寸等的计算方法，再根据设计任务书的具体条件选择合适的计算方法。2、计算要仔细。在选取合适的方法后，根据相关的公式进行准确地计算，尽量一次计算，避免重复。