直管式气流干燥器的设计分析.pdf
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1、直管气流干燥器设计 化工原理- 1 - Hefei University 化工原理课程设计 直管气流干燥器设计 题 目:直管气流干燥器干燥聚氯乙烯树脂 系 别:化学材料与工程系 班 级:10 化工( 1)班 姓 名:陈国庆 学 号:1003021037 队 员: 韩朝飞、陈国庆、韩朝飞 教 师:高大明 日 期:2013 -01-17 直管气流干燥器设计 化工原理- 2 - 目录 0前言 错误!未定义书签。 1任务书 - 4 - 11 设计题目:直管气流干燥器干燥聚氯乙稀树脂 - 5 - 12 原始数据 - 5 - 121 湿物料 - 5 - 122 干燥介质 - 5 - 123 水汽的性质 -
2、 6 - 2流程示意图 - 6 - 3 流程与方案的选择说明与论证 - 7 - 3. 1 干燥介质加热器的选择. - 7 - 3. 2 干燥器的选择 . - 7 - 3. 3 干燥介质输送设备的选择及配置. - 8 - 3. 4 加料器的选择 . - 8 - 3. 5 细粉回收设备的选择. - 8 - 4干燥器主要部件和尺寸的计算 - 9 - 4. 1 基本计算 . - 9 - 4. 1. 1湿物料. - 9 - 4. 1. 2 湿空气. - 9 - 4. 1. 3 干燥管直径 D的计算 - 10 - 4. 2 干燥管长度和干燥时间的计算 - 11 - 4. 2. 1 加速段干燥管长度和所需干
3、燥时间的计算 - 11 - 4. 2. 2匀速区的计算 - 18 - 5 附属设备的选型 . - 19 - 5. 1 加料器的选择 - 19 - 5. 2 加热器的选择 - 19 - 5. 3 旋风分离器的选择 - 20 - 5. 4 鼓风机的选择 - 20 - 5. 5 抽风机的选择 - 20 - 6 主要符号和单位 - 21 - 7 参考文献 - 22 - 8 设计评价 - 23 - 8. 1 气流干燥器的评价 - 23 - 8. 2 设计内容的评价 - 23 - 8. 3 课程设计的认识和体会 - 24 - 直管气流干燥器设计 化工原理- 3 - 1、概论 干燥通常是指利用热能使物料中的
4、湿分汽化,并将产生的蒸汽排出的过程, 其本质为除去固相湿分,固相为被干燥的物料, 气相为干燥介质。干燥是最古老 的单元操作之一, 广泛地运用于各行各业中, 几乎涉及国民经济的每个部门。同 时干燥过程亦十分复杂, 因为它同时涉及到热量、 质量和动量传递过程, 用数学 描述常存有困难和无效性。 在干燥技术的许多方面还存在 “知其然而不知其所以 然” ,的状况。对这一过程研究尚不成熟, 正如 A.S.Mujumdar 在他的著作前言中 所说的那样 : 干燥是科学、技术和艺术的一种混合物,至少在可以预见的将来, 干燥大概仍然如此。干燥技术的运用具有悠久的历史,闻名于世的造纸术就显 示出了干燥技术的应用
5、。 在现代的工业生产中, 尤其是在化工生产过程中, 干燥 是最常见和耗能最大的单元操作之一。但是在过去相当长时间里, 人们对于这项 技术一直没有给予足够的重视,干燥技术发展相当缓慢。经过近 30 年的发展 , 一些新的干燥技术已展露头脚, 其中有些已付诸工业应用, 有些还处于不同的研 究和开发阶段, 但己显示出巨大的应用潜力。预计在今后相当长的时间内,该过 程仍为化学、食品、医药、农业工程专业的研究热点之一,更新的干燥技术还会 不断涌现,并不断付诸应用 直管气流干燥器适用于干燥非结合水分及结团不严重,不怕磨损的散 粒物料,在干燥结合水分时的热效率仅在20% 左右。由实验得知,加料口以 上1m
6、左右 的 干 燥 管 内 , 从气 体 传 给 物 料 的 传 热量 约 占 整 个 干 燥 管的 1/2-3/4,其原因是由于干燥器底部气固间传热温差较大,物料入口处气固 两相的相对速度较大,传热传质系数也大。当湿物料进入干燥管底部瞬间, 其上升速度Um为零,气流速度为 g U ,气流和颗粒的相对速度Ur=Ug-Um最 大,当物料被气流吹动不断加速,气固两相的相对速度就不断降低,直到 气 体 与 颗 粒 间 的 相 对 速 度 Ut等于 颗粒 在气 流中 的沉 降速 度 Uo时 ,即 Ut=Uo=(Ug-Um),颗粒将不再被加速而维持恒速上升。由此可知,颗粒在干 燥器中的运动情况可分为加速运
7、动段和恒速运动段,通常加速运动段在加 料口以上1-3m 内完成。传热系数在干燥管底部最大,随着干燥管高度的增 加,传热系数迅速减小,为了提高气流干燥器的干燥效率和降低其高度, 发挥干燥管底部加速段的作用,人们采取了多种措施,研制了各种新型气 直管气流干燥器设计 化工原理- 4 - 流干燥设备。 本次课程设计采用直管气流干燥器干燥空气稀释重油燃烧气(其性质与 空气相同)。通过湿物料和干燥介质的性质以确定干燥器直管长度和管径, 以及干燥时间。同时选定一些其它附属设备。 本课程是化工原理课程教学的一个实践环节,是使其得到化工设计的 初步训练,掌握化工设计的基本程序和方法。为毕业设计和以后的工作了 坚
8、实的奠定基础。 1. 任务书 直管气流干燥器设计 化工原理- 5 - 11 设计题目:直管气流干燥器干燥设计 12 原始数据 121 湿物料 原料量(hkg /) : 1 G=5000kg/h 物料形态:散粒状、圆球形; 颗粒直径: dp =200um dmax =500um 绝干物料密度: 3 /2000mkg 绝干物料比热:CkgkJCs 0 /26.1; 初始湿度 H1=0.025kg/kg 绝干料 物料含水量(以干基计) : 1 x=25 干物料(产品)含水量: 2 x=0.5 干燥介质:空气稀释重油燃烧气(其性质与空气相同) 临界湿含量:02.0 c X 平衡湿含量:X*=0 操作温
9、度:C20 1 C65 2 操作压力( Kpa) :101.325 加热蒸汽压力: 4atm(表压) 122 干燥介质 干燥介质:湿空气 相对湿度%75 0 进入预热器温度Ct20 0 离开预热器温度 1 t400 直管气流干燥器设计 化工原理- 6 - 123 水汽的性质 干燥介质的比热容 : cv=1.884 kJ/(kg) 干燥介质的比热容 : cw=4.187 kJ/(kg) 1 0时干燥介质的汽化热 : ro=2491.27 kJ/kg 2. 流程示意图 流程图中各部件说明: 1鼓风机; 2预热器; 3气流干燥管; 4加料斗; 5螺旋加料器; 6旋风分离器; 7卸料阀; 8引风机。
10、1 7 6 5 4 3 2 8 干品 直管气流干燥器设计 化工原理- 7 - 3. 流程与方案的选择说明与论证 3.1 干燥介质加热器的选择 干燥介质为物料升温和湿分提供热量,并带走蒸发的湿分。 干燥介质通常有 空气、过热蒸汽、惰性气体等。以空气做为干燥介质是目前应用最普遍的方法。 湿空气是干空气和水蒸气的混合物,这里的干空气主要是由N2 、H2、O2 、H2O 、 CO2 、CO 等和微量的稀有气体组成,各组成气体之间不发生化学反应,通常情况 下,这些气体都远离液态,可以看作理想气体;另一方面,在一般情况下,自然 界的湿空气中水蒸气的含量很少,水蒸气的分压力很低(0.003MPa0.004M
11、Pa), 而其相应的饱和温度低于当时的空气温度,所以湿空气中的水蒸气一般都处于过 热状态,也很接近理想空气的性质。所以我们选择是空气作为干燥介质。 3.2 干燥器的选择 气流干燥器适用于干燥非结合水分及结团不严重,不怕磨损的散粒物 料,在干燥结合水分时的热效率在20%左右。由实验得知,加料口以上1m 左右的干燥管内,从气体传给物料的传热量约占整个干燥管的1/2-3/4 ,其 原因是由于干燥器底部气固间传热温差较大,物料入口处气固两相的相对 速度较大,传热传质系数也大。当湿物料进入干燥管底部瞬间,其上升速 度 Um为零,气流速度为Ug,气流和颗粒的相对速度Ur=Ug-Um最大,当物 料被气流吹动
12、不断加速,气固两相的相对速度就不断降低,直到气体与颗 粒 间 的 相 对 速 度Ut等 于 颗 粒 在 气 流 中 的 沉 降 速 度Uo时 , 即 Ut=Uo=(Ug-Um) ,颗粒将不再被加速而维持恒速上升。由此可知,颗粒在干 燥器中的运动情况可分为加速运动段和恒速运动段,通常加速运动段在加 料口以上1-3m 内完成。传热系数在干燥管底部最大,随着干燥管高度的增 加,传热系数迅速减小。恒速干燥期间的物料温度几乎与热空气的湿球温度相 同,所以使用高温热空气也可以干燥热敏性物料。这种干燥方法干燥速率高, 设 备投资少。 湿料由加料器加入直立管,空气经鼓风机鼓入翅片加热器,加热到一 直管气流干燥
13、器设计 化工原理- 8 - 定温度后吹入直立管,在管内的速度决定于湿颗粒的大小和密度,一般大 于颗粒的沉降速度(约为1020 米/ 秒) 。已干燥的颗粒被强烈气流带出, 送到两个并联的旋风分离器分离出来,经螺旋输送器送出,尾气则经袋式 过滤器放空。由于停留时间短,对某些产品往往须采用二级或多级串联流 程。 3.3 干燥介质输送设备的选择及配置 为了克服整个干燥系统的流体阻力以输送干燥介质,必须选择适当形式的风 机,并确定其配置方式。 风机的选择主要取决于系统的流体阻力、干燥介质的流 量、干燥介质的温度等。 前送后引式, 两台风机风机分别安装在干燥介质加热器 前面和系统的后面,一台送风,一台引风
14、。调节系统前后的压力,可使干燥室处 于略微负压下操作, 整个系统与外压差较小, 即使有不严密的地方, 也不至于产 生大量漏气现象。 3.4 加料器的选择 气体干燥装置采用的加料器必须保证向连续均匀地加料。加料器的型式应随 物料的性质及操作要求的不同而定,最常用的有螺旋加料器、 星形加料器等。 螺 旋加料器宜于输送粉状、颗粒及小块物料,密封性能好,操作安全方便,结构简 单执照费用低,此时我们所干燥的物料正好为颗粒状, 所以此时选择螺旋加料器。 3.5 细粉回收设备的选择 由于从干燥器出来的废气夹带细粉, 细粉的收集将影响产品的收率和劳动环 境等,所以,在干燥后都应设置气固分离设备。最常用的气固分
15、离设备是旋风分 离器,对于颗粒粒径大于5 微米有较高的分离效率。旋风分离器可以单台使用, 也可以多台串联或并联使用。 直管气流干燥器设计 化工原理- 9 - 4 干燥器主要部件和尺寸的计算 41 基本计算 411 湿物料 1 1 1 1x x w=33.0 25.01 25.0 2 2 2 1x x w= 05.01 05.0 =0.0526 GC=G1(10.33)=5000*0.67=3350 kg 绝干物料 /h 4. 1. 2湿空气 (1)湿空气的初始温度为Ct20 0 时 H1=H0 84.233 11.3991 5916.18exp 15 2 0 t ps= 84.23320 11
16、.3991 5916.18 15 2 e=2.149kPa 0 0 0 622.0 pP p H = 149.2325.101 149.2 622.0=0.0135 CH0=1.005+1.884H0= 1.005+1.114*0.0135=1.026 kJ/(kg) (2)湿空气在干燥器进口处t1=400时 VH1=(0.002835+0.004557H1)(t1+273)=(0.002835+0.0045578*0.025)(400+273) =1.985m 3/kg 绝干气体 H1 1 1 1 V H g = 985.1 0135.01 =0.5106kg/m 3 (3)湿空气干燥器出口
17、处 222 187. 426.1XcXcc wsm =1.26+4.187*0.005=1.281)(KKgKJ / (a) 试差法求干燥器出口处干燥产品的温度2 由于产品的湿含量高于临界湿含量, 则产品温度(即物料终温)2取湿球温 度 tw2即 2tw2,带入以下公式: )( 0 HH c r tt w H w www tr3. 227.2491 w w w pP p H622.0 直管气流干燥器设计 化工原理- 10 - )( 84.233 11.3991 5916.18exp 15 2 w w t p 用 EXCEL 表格视差计算 tw 假设 tw=41,pw=7.8077 rw=239
18、6.97计算值 tw=50.22 假设 tw=42,pw=8.2298 rw=2394.67计算值 tw=43.1716 假设 tw=42.1,pw=8.2731 rw=2394.44计算值 tw=42.446 假设 tw=42.14,pw=8.2905 rw=2394.348计算值 tw=42.155 假设 tw=42.14182,pw=8.29125 rw=2394.3438计算值 tw=42.1418 进一步细化后 当假设 tw=42.1418,pw=8.29125 rw=2394.34 计算值 tw=42.1418 所以得到 2tw2=42.1418 (b)试差法求干燥器出口湿空气温度
19、t2 假设 t2=70带入以下公式: )()( 122121 HHGXXGGGW gc mWg QQQ)( 120wvW ctcrWQ)( 21 1 ttcGQ Hgg )( 122mcm cGQXXccc wsm 187.426.1 经计算得 Gg=4805.9855 kg绝干气 /h H2=0.03767 kg/kg绝干气 Qg=320511.1755 kJ/h 又由 2 2 2 622.0 pP p H 得 p2=5.784kpa 所以84.233 ln58.16 11.3991 2 p td=84.233 784.5ln58.16 11.3991 =35.375 所以假设满足,则t2=
20、70 41. 3 干燥管直径 D的计算 取进口气速: ug=25m/s 直管气流干燥器设计 化工原理- 11 - g Hg u VG D 4 = 4 25* 985.1*9855.4805 =0.486m 当 D=0.285m 时,带入上式中求得ug=42.95m/s 42 干燥管长度和干燥时间的计算 421 加速段干燥管长度和所需干燥时间的计算 (1) 加速区的相关计算 (a) J A的计算(整个加速段取平均值) 因为加速区气体放出热量为总热量的80,得 Qg=Qg 80=320511.1755*0.8=256408.94 kJ/h 由式)( 21 1 ttcGQ Hgg 计算出加速度区结束
21、时气体温度t2 =88 查表的 ug=2.132 10-5pa.s 根据)()( 122121 HHGXXGGGW gc mWg QQQ)( 120wvW ctcrWQ )( 21 1 ttcGQ Hgg )( 122mcm cGQXXccc wsm 187.426.1 且 Qg=302652.2 kJ/h 计算出加速区结束时 X2 =0.1087 H2=0.0377 tm=0.5*(88+140)=114 1 4 1 8.4288 20400 ln 1418.428820400 m t=158.15 )273()004557.0002835.0( 222 tHVH=(0.002835+0.0
22、04557*0.0377)(88+27 3)=1.0855 得 2 2 1 H g V H = 0855.1 0377.01 =0.956,9017.0 2 956.08474.0 2 1gg gm 712.07 )273(*10*214. 3 mg tu= 712.07 114273*10*214.3=sPa.1023.2 5 直管气流干燥器设计 化工原理- 12 - 同理有 5 0 103. 2 g u 根据 2 6. 1 6.04.0 J 875.13 mp gg d A = 326.21 1400000145.0 1023. 29017.0 875.13 6 .1 6. 0 54. 0
23、 (b) 终端速度 u t的计算(按加速区气体放出热量为总热量的80%计算) 查表知 t1= 400时ug1=2.37 10-5 pa.s t2= 88时ug2=2.132 10 -5 pa.s VH2 =(0.002835+0.004557H2 ) (t2 +273)=1.0855 g = 2H 2 V H1 =0.956 2 6. 1 6 .04. 0 Jt 875.13 mp gg d A=25.21 1400000145.0 10132. 2956.0 875.13 6 .1 6.0 54 .0 得 u t=( J A 81. 9 ) 1/1.4= 4. 1 1 25.21 81.9
24、=0.5757 (c) 确定加速区的的关联式,求出n 和 n A 由Re0=dpu t g / gt Nu0=0.76 Re0 0.65 Ret=dpu t g / gt Nut=2+0.54Ret 0.5 求得 Re0=0.000145 25 0.8474/0.000023=134.557 ; Ret =0.000145 0.5757 0.956/0.00002132=3.7432 ; Nu0=18.3909; Nut=3.052 n=ln(Nu0/Nut)/ln(Re0/Ret)=0.5033 An=Nu0/Re0 n=1.599 4. 0 1 n pcn dGkAA0.3089AnGcd
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