卧式多室流化床干燥器的设计

课程设计

设计题目卧式多室流化床干燥器的设计

学生姓名杨姝静

学号

专业班级化工工艺08-2班

指导教师吕建平姚涛

2011年4月18日

化工原理课程设计成绩评定表

化工原理课程设计任务书

专业班级姓名

设计题目：卧式多室流化床干燥器的设计

设计时间：—指导老师：吕建平姚涛

设计任务：年处理万吨某颗粒状物料。

操作条件：从气流干燥器来的细颗粒状物料，初始含水量为3%，要求在卧式多室流化床干燥器中干燥至 %（以上均为湿基）。已知参数如下：

被干燥物料

颗粒密度 1200 kg/m3

堆积密度 400 kg/m3

干物料比热容 kg·K

平衡湿含量近似取为 0

临界湿含量（干基）

颗粒平均粒径 mm

进口温度 30℃

在干燥系统要求收率%（回收5μm以上颗粒）

干燥介质——湿空气

进预热器温度t0 45℃

初始湿度 kg水/kg干空气

进干燥器温度t1 105℃

加热介质——饱和水蒸气，压力自选。

年工作日——300天，连续生产。

试设计干燥器主体，,选择并核算气固分离设备、空气加热器、

供风装置、供料器。

图纸：带控制点工艺流程图一张（3#图纸）；

主体设备工艺条件图一张（1#图纸）。

目录

前言

干燥过程广泛用于生产和生活中。最初利用自然界的太阳能及风力，对物料及农副产品进行缓慢的干燥加工。而后，随着农业发展，这种天然的、劳动强度极大而又不能受人们意志控制的干燥方法，逐步让位给各种人工去湿方法和人工干燥过程。

去湿方法和干燥过程：在工农业生产中，经常会遇到从各种物料中除去湿。分的过程，各种物料可以是固体，液体或气体，而湿分则常常是水或水蒸气，但在某些情况下，也可以是有机液体或有机蒸汽等其他湿分。

从物料中除去湿分的操作称为去湿。去湿方法按作用原理来分，可分为：机械法，热物理法，物理化学法。

干燥过程的特点：固体物料的干燥包括两个基本过程，首先是对固体加热以使湿分气化的传热过程，然后是气化后的湿分蒸汽由于其蒸汽分压较大而扩散进入气相的传质过程，而湿分从固体物料内部借扩散等的作用而源源被输送到达固体表面，则是一个物料内部的传质过程。因此，干燥过程的特点是传热和传质过程同时并存，两者相互影响而又相互制约，有时热传可以加速传质过程的进行，有时传热又能减缓传质的速率。

干燥操作的目的：在物料或制成品的工艺加工过程中，干燥操作的目的可分为下列五种：

1.对原材料行干燥。为防止某些高分子材料成型加工时产生气泡及物料降解，事先必须经过干燥。为改进工艺生产过程，提高产品收率而使用干燥操作。为防止在生产过程中存在引起腐蚀的湿分而应用干燥，例如煤气的干燥或苯在氯化之前的干燥等。各种生产工艺的要求：如:提高粉末加工效率，在粉末前必须

2.为提高或强化大型设备的生产能力而应用干燥操作，如炼焦煤采用预热干燥，可使焦炉的生产能力提高50%，且还能提高焦碳的质量。

3.干燥原材料或产品：以减轻中路，降低运输费用，或使物料变干，以便于运输。如食盐干燥以保持其自然流动的特征。

4.提高燃料的热值，以使劣质燃料能有效地应用于高温工业用炉，或增加产品的有效成分以使其便于处理及销售。如肥皂粉，染料以及各种化学肥料等。

5.使产品便于保藏，而不至于中途变质腐烂而应用干燥操作。如各种抗生素药品，各种生化制品，各种食品，蔬菜等水分的存在，有利于微生物的繁殖，因而使产品分解或变质。干燥对这类物品的储存是十分必要的。

传统的干燥器主要有箱式干燥器、隧道干燥器、转筒干燥器、带式干燥器、盘式干燥器、桨叶式干燥器、流化床干燥器、喷动床干燥器、喷雾干燥器、气流干燥器、真空冷冻干燥器、太阳能干燥器、微波和高频干燥器、红外热能干燥器等。干燥设备制作是密集型产业，我国的国产干燥设备价格相对低廉，因此具有较强的竞争力。主要包括：（1）物料静止型或物料输送型干燥器；（2）物料搅拌型干燥器；（3）物料热风输送型干燥器；（4）物料移动状态；（5）辐射能干燥器。

为了改善产品质量，生产上常采用卧式多室流化干燥器，干燥室的横截面做成长方形，用垂直挡板分隔成多室（一般为4~8室），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。

流化床干燥器还可以做成多层式。以卧式多室流化床干燥器相比，其优点是热效率较高。但由于压降大，而且物料由上一层流到下一层的装置较复杂，生产上不如卧式用得广泛。

流化床干燥器的特性：

1) 物料干燥速度大,在干燥器中停留时间短,所以使用于某些热敏性物料的干燥.

2）由于流化床内温度均匀，并能自由调节，故可得到均匀的干燥产品。

3）因热传递迅速，所以处理能力大。

4) 在同一设备中,既可进行连续操作,又可进行间歇操作.

5）由于滞留时间可在几分钟～几小时范围内任意选定，故可生产含水分极低

的干燥制品。

6）因流化床有相似于液体的状态和作用，所以处理容易。此外，物料输送简单。

7）装置无运动部件，结构简单，运转稳定。但被处理物料的形状和粒径有一定限制。

8）不适用于易黏结或结块的物料。

9)床层内纵向返混严重,对单级式连续干燥器,物料在设备内停留时间不均匀,有可能使部分未干燥的物料随着产品一起排出床层外.

10) 对被干燥物料的粒度有一定的限制,一般要求不小于30m

、不大于6mm。

11）对产品外观要求严格的物料不易采用。干燥贵重和有毒的物料时，对回收装置要求苛刻。

干燥器选型时应考虑以下因素：

1）被干燥物料的性质，如热敏性、粘附性、颗粒的大小形状、磨损性以及腐蚀性、毒性、可燃性等物理化学性质。

2）对干燥产品的要求：干燥产品的含水量、形状、粒度分布、粉碎程度等。

如干燥食品时，产品的几何形状、粉碎程度均对产品的质量及价格有直接的影响。

3）物料的干燥速率曲线与临界含水量：确定干燥时间时，应先由实验做出干燥速率曲线，确定临界含水量

X。物料与介质接触状态、物料尺寸与几

c

何形状对干燥速率曲线的影响很大。

4）回收问题：固体粉粒的回收及溶剂的回收。

5）干燥热源：可利用的热源的选择及能量的综合利用。

6）干燥器的占地面积、排放物及噪声是否满足环保要求。

摘要: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3%降至%，生产能力为万t/a。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℃下离开干燥器。湿度为%的空气经翅片换热器（热载体为400kPa饱和水蒸气）加热至105℃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，温度降至℃。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，长度与宽度分别取和，高度，隔板间距，物料出口堰高。分布板开孔率7%，总筛孔数116257个，孔心距。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。

关键词：干燥；卧式多室流化床；颗粒状物料；热载体

Abstract: In Chemical industry, the process of drying is usually required in order to meet the demand of the rate of water

content of material as well as the storage and transportation.

The task in the course of Design for the Course of Principles

of Chemical Engineering was to fulfill designing a drying

equipment of multi-compartment fluidized dryer, which could

handle 13,000-ton granular materials a year with water

content 3% to an extent of water content of %. Solids coming

from gas-dryer were injected to the first compartment with

a star-like feeder, which then past other three compartments

one by one and left at ℃. Air, which heated to 105℃ by a

fin type heat exchanger (heat carrier, 400kPa moist steam),

exchanged heat and mass with granular materials in fluidized

bed and discharged from dust collector as clean gas, with

humidity increased from to and temperature decreased from

105℃ to ℃. Blowing fan and exhaust fan were used together

in the process flow to keep dryer working under little

subatmospheric pressure. After resourcing and calculating,

the optimum parameters of multi-compartment fluidized dryer

determined in our design work were as follows: fluidized bed

area 3m2with in length and in width, compartment height ,

distance between division plate ,weir height for dry product

discharge , opening ratio 7% in distributor plate with total

number of holes 116257 and hole distance mm. Furthermore,

model number of other accessory equipments such as blowing

fan, exhaust fan, cyclone, bag filter, heat exchange and air

filter were also chosen to meet drying requirements. Keywords：drying; multi-compartment fluidized bed; solid material;

heat carrier

1干燥过程的设计方案及流程说明

干燥过程的设计方案（流程图）

图干燥过程设计流程图

主体设备的设计

本次设计任务是：年处理量为万吨某颗粒状物料的干燥。从气流干燥器来的细颗粒物料，初始含水量为3%，要求在卧式多室流化床干燥器中干燥至%。根据设计任务及操作条件，首先要物料及热量衡算，并确定出空气和物料出口温度。在干燥器的设计过程中，依次根据条件与已知量求出流化速度和流化床层底面积，以及干燥器的宽度、长度和高度，最后是干燥器结构设计，包括布气装置，分隔板，及物料出口堰高的计算。进而确定卧式多室流化床干燥器主体设备的结构及尺寸，卧式的选择，从高度方面大大节省了设备的成本，从经济上带来了一定的效益！

辅助设备的选择

流化干燥的附属设备主要包括风机、空气加热器、气固分离器及供料器，这些设备的合理选择对干燥具有重要的作用。

对于风机的选择首先根据所输送气体的性质（如清洁器，含尘器）与风压范围，确定风机的材质和类型，然后根据计算的风量和系统所需要的风压，参照风机样本选用合适的型号。因为其选择要同时满足全风压和所需风量两者的条件，但由于参照样本中没有合理的风机可供选择，故可选择风压稍大的机型以满足条件。

对于空气加热器的选择，螺旋式翅片管加热器即可，该种加热器在光滑管外加上了翅片，增大了空气侧的传热面积，从而提高了传热效果。至于供料器，选择的是星型供料器，该供料器是应用最广泛的供料器之一。其操作原理是：电动机通过减速器带动星型叶轮转动，物料进入叶片之间的空隙中，借助叶轮旋转由下方排到受料系统，其结构简单，操作方便，物料颗粒几乎不受破碎，对高达300o C高温物料也能使用，体积小，安装简便，，可用耐磨、耐腐蚀材料制造，适用范围很广，但其结构不能保持完全的气密性，对含湿

量高以及有粘附性物料不宜采用。

最后，是气固分离器的选择，选择的是旋风分离器，选型时，根据含尘器的处理量和允许压强降，定出合适的入口气速，由此确定入口管截面积，然后按结构比例关系确定其他尺寸。本次设计所选的旋风分离器的型号是：XLT/。

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45o C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105o C。

2 优化设计

干燥广泛应用于化工，医药，冶金，建材，食品等领域，是一种能耗高的单元操作系统。常规干燥设计是按经验确定干燥介质（通常为空气）的出口温度，即出口温度应比绝热饱和温度高20~50o C，然后进行干燥器其他工艺参数及结构尺寸的设计。干燥介质出口温度选择不当，会增加干燥过程设备投资费用与操作费用，因为干燥介质出口温度是干燥器设计的重要参数之一，出口温度高则干燥介质出口湿度降低，干燥介质耗用量增加。出口温度升高使平均传热推动力增大；出口湿度降低，使传质推动力增大，平均传热和传质推动力增大使干燥设备体积减少，而干燥器出口温度降低，使干燥介质耗用量减少，干燥器体积增大。因而有必要对干燥器进行优化设计。

本次优化设计以年总费用最小为目标，编写程序来其确定干燥介质的最佳出口温度。

.优化分析 干燥器年总费用J

以球形颗粒——和空气为例建立干燥器优化设计的数学模型。卧式多室流化床干燥器（干燥介质和被干燥物料呈错流）的流程示意图如下：

图卧式多室流化床干燥器流程示意图

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J 为：

d h p J G G G =++;

式中：

D G ——总费用，万元/年；

Gd ——干燥设备投资折旧费，万元/年；

H G ——空气预热费，万元/年；

P G ——风机运转费，万元/年。

干燥设备投资折旧费用D G

干燥设备投资折旧费用D G 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：

C D C G a M b V F Y =?????

式中：

V ——干燥器体积，3m ；

C F ——设备年折旧率，1a -；

Y ——美元和人民币的兑换系数。

a 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~，M 为通货膨胀系数，设2005年为， 若以后各年不知，可按5%递增速度计算，b 为经验系数，一般可取45~55，c 为指数，一般可取1~，C F 为设备折旧率，一般取~,即干燥器使用年限一般为8~12年。由式得干燥系统的设备折旧费是干燥器体积的函数。

空气年预热费用h G

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h G 为：

h h h shui G W T G =??

式中：

h W ——饱和水蒸气的流量，/kg h ；

h T ——年工作时间，h ；

shui G ——饱和水蒸气的价格，一般可取160~200/吨。

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:

0.0004P hs h G Q T =??

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：

0.0004()P hs hp h G Q Q T =?+?

式中

hs Q ，hp Q ——送风机，排风机的风量，3/m h ;

——经验比例系数。

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hs Q ，hp Q ；饱和水蒸气的用量h W ；干燥器体积V 。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，hs Q ，hp Q ，h W ，V 是可以通过工艺衡算得到。

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（0t ，

0H ），而排风机安装于干燥器之后，其湿空气状态为（2t ，2H ），，所以送风

量和排风量分别为：

00L 0.7731.224273/273hs Q H t =?+??+（）（）

22L 0.7731.224273/273hp Q H t =?+??+（）（）

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Q A t λ=???。要求得干燥器的体积，必须求的干燥过程的传热量Q ，体积给热系数a α以及对数平均推动力m

t ?。

下面分别叙述：

干燥器的物料和热量衡算

()()

122111

1

1

222

1221

G c X =L H +Gc X 111c C L H G G W W X W W X W W G X X W L H H ?+???

=-=

-=

-=-=

-

图

如图,进入干燥器的新鲜的空气的绝干空气的消耗量为L ，空气进出干燥器时的湿度为12,H H ，湿物料进出干燥器时的干基含水量为12,X X 湿物料进出干燥器时的流量12,G G 。W 为单位时间内水分的蒸发量。则单位时间内绝干物料的流量为：

式中：

L —绝干空气的消耗量，kg 绝干空气/s ；

12,H H —空气进出干燥器时的湿度，/kg kg 绝干气； 12,X X —湿物料进出干燥器时的干基含水量，kg 水分/kg 干料；

12,G G —湿物料进出干燥器时的流量，kg kg 物料/s ；

W —单位时间内水分的蒸发量，/kg s ； 单位时间内绝干物料的流量，kg 绝干料/s 。

C G

图

对如图所示干燥装置作热量衡算，则得

''0122P D c L c LI Q Q G I LI Q G I +++=++

在本设计中的干燥器没有补充热量，故0d Q =，所以，干燥器中的热量衡算可表达为：

l l m w p Q Q Q Q Q Q '+++== （b ）

由上式得加入干燥系统的的热量p Q 用于以下四个方面：以w Q 汽化水分，以m Q 加热物料，以l Q 补偿设备的热损失，以Q l `加热空气。

其中:

)(120θw v W c t c r W Q -+=

又 22187.4X c c s m +=

))(187.4()(122122θθθθ-+=-=X c G c G Q s c m c m

)(020t t Lc Q H l -='=))(88.101.1(020t t H L -+ )(010t t Lc Q H P -==))(88.101.1(010t t H L -+

因为干燥器的热损失为有效耗热量的15%，即：

)%(15m w l Q Q Q +=

将上面各式代入(b)式，即为解得L ， 将L 代入21/H W L H =-;解得2H 。

预热器热负荷及加热蒸汽消耗量

由分析的预热器的热消耗量P Q 为：

()()

0101.01 1.88P Q L H t t =+-

用饱和水蒸气加热，自定饱和水蒸气的饱和蒸汽压，确定饱和蒸汽的温度为

S T ，冷凝热 r 。取热损失为有效传热量的15%，则有(10.15)p h Q W r =-??；即

蒸汽消耗量为/(0.85)h p W Q r =?：

体积传热系数的确定

流化床由于干燥介质和物料充分接触，传热效率高，其体积传热系数一

般在()32300~7000/kW m s ?之间，其值和雷诺数，干燥介质的物理化学性质及干燥器的结构有关。 推荐公式如下：

[1]

式中：

a —静止时床层的比表面积，23/m m ；

0ε—静止床层的空隙率；

m d —颗粒平均直径，m 。

临界雷诺数为

u 为操作流化速度，具体计算方法参考教材[1]

。

ρ为空气的密度，

流化床的对流传数， 流化床层的体积传热系数或热容量系数，()3 ?/a a kW m s αα=?? 由于0.150.9m d =<，，，，，，，，，，，，，，，

对a α 校正（0.11c =）得:'

0.11a

a αα=?。

总对数平均推动力的计算

干燥过程中恒速段和降速段的对数平均推动力t ?Ⅰ和t ?Ⅱ有较大的差别，所以应分别计算恒速段和降速段的对数平均推动力。

而m t ?的计算与干燥过程中恒速段与降速段交界处的空气和湿物料的状态有关。故作如下假设：

假设物料的传热和传质只发生在高度为H,空隙率为的静止床层内，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1θ升到w t ，水分含量由1X （初始湿含量）降为C X （临界湿含量），干燥介质温度由1t 降到t t ，物料和热量衡算为：

Re m d u ρμ

=()()1.53

3410Re /m

kW m s d

λα-=???()061m

a d ε?-=

（干燥介质在恒速阶段释放的热量）；

第二阶段：湿物料温度由w t 升到2θ，含水量由C X 降到2X （最终含水量），干燥介质温度由t t 到2t ，物料和热量衡算关系为：

2222()(() 4.187)()C C C p C C C S w Q G X X r G X X G C t θ=?-?+?-?+??- （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（1t ，t t ，2t ），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1t ?，2t ?：

11111[()()]/log(()/())w t w t t t t t t t t θθ?=----- 22222[()()]/log(()/())t w t w t t t t t t t θθ?=-----

带入a Q V t α=???，得到1V ，2V ，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126()V V =?+。

由附录的程序可以算出从空气出口温度度到度时的设备折旧费、空气预热费、风机运转费及总费用，通过比较可知在出口温度为度时为最优状态。结果如下：

设备折旧费Gd= 万元 ,空气预热费Gh= 万元 ,风机运转费Gp= 万元 总费用最少值J= 万元 最佳出口温度t2= 相应的费用-温度图如下：

11111(())(() 4.187)()?

? =()C C C p C C C S w S t Q G X X r G X X G G t L C t t θ=?-?+?-?+??-??

-

图 费用-温度图

3 干燥过程的计算

主体设备的工艺设计计算

物料衡算

11-W )C G G ==

（17

1.3107200

??(10.03)-1751.39=

1X =

110.03

0.03093110.03

ωω==-- 2X =

220.0002

0.0002110.0002

ωω==-- ()C 12W G X X =-=1751.39(0.030930.0002)53.82?-= L =

21W

H -H =21253.820.02

W H H H -=

-

空气和物料出口温度的确定

空气的出口温度2t 应比出口处湿球温度高出o 2050C - (经优化可取

o 31C )，即

2W2t t 31=+

由o 1t 105C =及1H 0.02=查湿度图得o w1t 39.8C =,近似取o w2w1t t 39.8C ==,于是

2t 70.8C o =

物料离开干燥器的温度2θ 的计算，即

*222w 2

2()

*

()

*

2t 222*

21

*

2w 2

22X -X r X -X -c t -t X -X t t t ()()

t C w S w w r X X C t t s w C t C s w r X X c t t θ---=

----（）（）（） [1]

由水蒸气查表得2

2401.56w t r =

将有关数据代入上式，即

2401.56(0.0130)

1.20(70.839.8)

20.00020

2401.56(0.00020) 1.20(70.839.8)()

70.80.013070.839.82401.56(0.0130) 1.20(70.839.8)

θ--------=----

解得 o 268.5C θ=

干燥器的热量衡算

干燥器中不补充热量，D 0Q =，因而可用下式进行衡算，即

P 123L Q Q Q Q Q Q ==+++

式中 ： 32 W 24901.88t ?53.82(2490 1.8870.8)

? 141166.1/?

39.2Q kJ h kW =+?+?==（）

=