直管氣流干燥器設計25-化工原理HefeiUniversity《化工原理》課程設計——直管氣流干燥器設計題目：直管氣流干燥器干燥聚氯乙烯樹脂系別：化學材料與工程系目錄TOC\o"1-3"\h\u300210前言 3106671任務書 592251．1設計題目：直管氣流干燥器干燥聚氯乙稀樹脂 578521．2原始數據 582541．2．1濕物料 5314911．2．2干燥介質 6287871．2．3水汽的性質 6210812流程示意圖 6111903流程與方案的選擇說明與論證 744513.1干燥介質加熱器的選擇 7323223.2干燥器的選擇 8175043.3干燥介質輸送設備的選擇及配置 9226613.4加料器的選擇 96533.5細粉回收設備的選擇 9172154干燥器主要部件和尺寸的計算 9118314.1基本計算 9270954.1.1濕物料 9302864.1.2濕空氣 10133344.1.3干燥管直徑D的計算 11116894.2干燥管長度和干燥時間的計算 12212154.2.1加速段干燥管長度和所需干燥時間的計算 12279984.2.2勻速區的計算 18326845附屬設備的選型 19253025.1加料器的選擇 19278505.2加熱器的選擇 19285515.3旋風分離器的選擇 2052985.4鼓風機的選擇 20121555.5抽風機的選擇 20186746主要符號和單位 21258657參考文獻 2295958設計評價 23316038.1氣流干燥器的評價 23295258.2設計內容的評價 2379988.3課程設計的認識和體會 240前言干燥通常是指利用熱能使物料中的濕分汽化，并將產生的蒸汽排出的過程，其本質為除去固相濕分，固相為被干燥的物料,氣相為干燥介質。干燥是最古老的單元操作之一，廣泛地運用于各行各業中，幾乎涉及國民經濟的每個部門。同時干燥過程亦十分復雜，因為它同時涉及到熱量、質量和動量傳遞過程，用數學描述常存有困難和無效性。在干燥技術的許多方面還存在“知其然而不知其所以然”，的狀況。對這一過程研究尚不成熟，正如A.S.Mujumdar在他的著作前言中所說的那樣:干燥是科學、技術和藝術的一種混合物，至少在可以預見的將來，干燥大概仍然如此。干燥技術的運用具有悠久的歷史，聞名于世的造紙術就顯示出了干燥技術的應用。在現代的工業生產中，尤其是在化工生產過程中，干燥是最常見和耗能最大的單元操作之一。但是在過去相當長時間里，人們對于這項技術一直沒有給予足夠的重視，干燥技術發展相當緩慢。經過近30年的發展,一些新的干燥技術已展露頭腳,其中有些已付諸工業應用,有些還處于不同的研究和開發階段，但己顯示出巨大的應用潛力。預計在今后相當長的時間內，該過程仍為化學、食品、醫藥、農業工程專業的研究熱點之一，更新的干燥技術還會不斷涌現，并不斷付諸應用直管氣流干燥器適用于干燥非結合水分及結團不嚴重，不怕磨損的散粒物料，在干燥結合水分時的熱效率僅在20%左右。由實驗得知，加料口以上1m左右的干燥管內，從氣體傳給物料的傳熱量約占整個干燥管的1/2-3/4，其原因是由于干燥器底部氣固間傳熱溫差較大，物料入口處氣固兩相的相對速度較大，傳熱傳質系數也大。當濕物料進入干燥管底部瞬間，其上升速度Um為零，氣流速度為Ug，氣流和顆粒的相對速度Ur=Ug-Um最大，當物料被氣流吹動不斷加速，氣固兩相的相對速度就不斷降低，直到氣體與顆粒間的相對速度Ut等于顆粒在氣流中的沉降速度Uo時，即Ut=Uo=(Ug-Um)，顆粒將不再被加速而維持恒速上升。由此可知，顆粒在干燥器中的運動情況可分為加速運動段和恒速運動段，通常加速運動段在加料口以上1-3m內完成。傳熱系數在干燥管底部最大，隨著干燥管高度的增加，傳熱系數迅速減小，為了提高氣流干燥器的干燥效率和降低其高度，發揮干燥管底部加速段的作用，人們采取了多種措施，研制了各種新型氣流干燥設備。本次課程設計采用直管氣流干燥器干燥濕物料聚氯乙烯樹脂。通過濕物料和干燥介質的性質以確定干燥器直管長度和管徑，以及干燥時間。同時選定一些其它附屬設備。本課程是化工原理課程教學的一個實踐環節，是使其得到化工設計的初步訓練，掌握化工設計的基本程序和方法。為畢業設計和以后的工作了堅實的奠定基礎。1.任務書1．1設計題目：直管氣流干燥器干燥設計1．2原始數據1．2．1濕物料原料量（）：=5000kg/h物料形態：散粒狀、圓球形；顆粒直徑：dp=200umdmax=500um絕干物料密度：絕干物料比熱：；初始濕度H1=0.025kg/kg絕干料物料含水量（以干基計）：=25％干物料（產品）含水量：=0.5％干燥介質：空氣稀釋重油燃燒氣（其性質與空氣相同）臨界濕含量：平衡濕含量： X*=0操作溫度：操作壓力（Kpa）：101.325加熱蒸汽壓力：4atm（表壓）1．2．2干燥介質干燥介質：濕空氣相對濕度進入預熱器溫度離開預熱器溫度＝400℃1．2．3水汽的性質干燥介質的比熱容:cv=1.884kJ/(kg·℃)干燥介質的比熱容:cw=4.187kJ/(kg·℃)0℃時干燥介質的汽化熱:ro=2491.27kJ/kg2.流程示意圖流程圖中各部件說明：鼓風機；2—預熱器；3—氣流干燥管；4—加料斗；5—螺旋加料器；6—旋風分離器；7—卸料閥；8—引風機。流程與方案的選擇說明與論證3.1干燥介質加熱器的選擇干燥介質為物料升溫和濕分提供熱量，并帶走蒸發的濕分。干燥介質通常有空氣、過熱蒸汽、惰性氣體等。以空氣做為干燥介質是目前應用最普遍的方法。濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物，這里的干空氣主要是由N2、H2、O2、H2O、CO2、CO等和微量的稀有氣體組成，各組成氣體之間不發生化學反應，通常情況下，這些氣體都遠離液態，可以看作理想氣體；另一方面，在一般情況下，自然界的濕空氣中水蒸氣的含量很少，水蒸氣的分壓力很低(0.003MPa～0.004MPa)，而其相應的飽和溫度低于當時的空氣溫度，所以濕空氣中的水蒸氣一般都處于過熱狀態，也很接近理想空氣的性質。所以我們選擇是空氣作為干燥介質。3.2干燥器的選擇氣流干燥器適用于干燥非結合水分及結團不嚴重，不怕磨損的散粒物料，在干燥結合水分時的熱效率在20%左右。由實驗得知，加料口以上1m左右的干燥管內，從氣體傳給物料的傳熱量約占整個干燥管的1/2-3/4，其原因是由于干燥器底部氣固間傳熱溫差較大，物料入口處氣固兩相的相對速度較大，傳熱傳質系數也大。當濕物料進入干燥管底部瞬間，其上升速度Um為零，氣流速度為Ug，氣流和顆粒的相對速度Ur=Ug-Um最大，當物料被氣流吹動不斷加速，氣固兩相的相對速度就不斷降低，直到氣體與顆粒間的相對速度Ut等于顆粒在氣流中的沉降速度Uo時，即Ut=Uo=(Ug-Um)，顆粒將不再被加速而維持恒速上升。由此可知，顆粒在干燥器中的運動情況可分為加速運動段和恒速運動段，通常加速運動段在加料口以上1-3m內完成。傳熱系數在干燥管底部最大，隨著干燥管高度的增加，傳熱系數迅速減小。恒速干燥期間的物料溫度幾乎與熱空氣的濕球溫度相同，所以使用高溫熱空氣也可以干燥熱敏性物料。這種干燥方法干燥速率高，設備投資少。濕料由加料器加入直立管，空氣經鼓風機鼓入翅片加熱器，加熱到一定溫度后吹入直立管，在管內的速度決定于濕顆粒的大小和密度，一般大于顆粒的沉降速度（約為10~20米/秒）。已干燥的顆粒被強烈氣流帶出，送到兩個并聯的旋風分離器分離出來，經螺旋輸送器送出，尾氣則經袋式過濾器放空。由于停留時間短，對某些產品往往須采用二級或多級串聯流程。3.3干燥介質輸送設備的選擇及配置為了克服整個干燥系統的流體阻力以輸送干燥介質，必須選擇適當形式的風機，并確定其配置方式。風機的選擇主要取決于系統的流體阻力、干燥介質的流量、干燥介質的溫度等。前送后引式，兩臺風機風機分別安裝在干燥介質加熱器前面和系統的后面，一臺送風，一臺引風。調節系統前后的壓力，可使干燥室處于略微負壓下操作，整個系統與外壓差較小，即使有不嚴密的地方，也不至于產生大量漏氣現象。3.4加料器的選擇氣體干燥裝置采用的加料器必須保證向連續均勻地加料。加料器的型式應隨物料的性質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。螺旋加料器宜于輸送粉狀、顆粒及小塊物料，密封性能好，操作安全方便，結構簡單執照費用低，此時我們所干燥的物料正好為顆粒狀，所以此時選擇螺旋加料器。3.5細粉回收設備的選擇由于從干燥器出來的廢氣夾帶細粉，細粉的收集將影響產品的收率和勞動環境等，所以，在干燥后都應設置氣固分離設備。最常用的氣固分離設備是旋風分離器，對于顆粒粒徑大于5微米有較高的分離效率。旋風分離器可以單臺使用，也可以多臺串聯或并聯使用。4干燥器主要部件和尺寸的計算4．1基本計算4．1．1濕物料===0.0526GC=G1(1﹣0.33)=5000*0.67=3350kg絕干物料/h4.1.2濕空氣（1）濕空氣的初始溫度為時H1=H0==2.149kPa==0.0135CH0=1.005+1.884H0=1.005+1.114*0.0135=1.026kJ/(kg·℃)（2）濕空氣在干燥器進口處t1=400℃時VH1=(0.002835+0.004557H1)(t1+273)=(0.002835+0.0045578*0.025)(400+273)=1.985m3/kg絕干氣體==0.5106kg/m3（3）濕空氣干燥器出口處=1.26+4.187*0.005=1.281試差法求干燥器出口處干燥產品的溫度θ2由于產品的濕含量高于臨界濕含量,則產品溫度（即物料終溫）θ2取濕球溫度tw2即θ2＝tw2，帶入以下公式：用EXCEL表格視差計算tw假設tw=41℃,pw=7.8077rw=2396.97計算值tw=50.22℃假設tw=42℃,pw=8.2298rw=2394.67計算值tw=43.1716℃假設tw=42.1℃,pw=8.2731rw=2394.44計算值tw=42.446℃假設tw=42.14℃,pw=8.2905rw=2394.348計算值tw=42.155℃假設tw=42.14182℃,pw=8.29125rw=2394.3438計算值tw=42.1418℃進一步細化后當假設tw=42.1418℃,pw=8.29125rw=2394.34計算值tw=42.1418℃所以得到θ2＝tw2=42.1418℃（b）試差法求干燥器出口濕空氣溫度t2假設t2=70℃帶入以下公式：經計算得Gg=4805.9855kg絕干氣/hH2=0.03767kg/kg絕干氣Qg=320511.1755kJ/h又由得p2=5.784kpa所以==35.375℃所以假設滿足，則t2=70℃4．1.3干燥管直徑D的計算取進口氣速：ug=25m/s==0.486m當D=0.285m時，帶入上式中求得ug=42.95m/s4．2干燥管長度和干燥時間的計算4．2．1加速段干燥管長度和所需干燥時間的計算(1)加速區的相關計算(a)的計算（整個加速段取平均值）因為加速區氣體放出熱量為總熱量的80％，得Qg′=Qg×80％=320511.1755*0.8=256408.94kJ/h由式計算出加速度區結束時氣體溫度t2′=88查′表的ug=2.132×10-5pa.s根據且Qg′=302652.2kJ/h計算出加速區結束時X2′=0.1087H2′=0.0377tm=0.5*(88+140)=114℃=158.15=(0.002835+0.004557*0.0377)(88+273)=1.0855得==0.956，==同理有根據=(b)終端速度ut的計算（按加速區氣體放出熱量為總熱量的80%計算）查表知t1=400℃時ug1=2.37×10-5pa.st2′=88℃時ug2=2.132×10-5pa.sVH2′=（0.002835+0.004557H2′）（t2′+273）=1.0855 ρg′==0.956=得ut=()1/1.4==0.5757(c)確定加速區的的關聯式，求出n和由Re0=dpu/Nu0=0.76×Re00.65Ret=dpu/Nut=2+0.54Ret0.5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=3.052n=[ln(Nu0/Nut)]/[ln(Re0/Ret)=0.5033An=Nu0/Re0n=1.5990.3089AnGcdpn-0.4=0.0365(d)umo=(分段開始時粒子速度)的計算Aa===140.148S-1Um0==0.0.46716m/s(2)加速區第一段——預熱段的有關計算=2.244＝400℃由式：有==400-=393.1619℃==365.31℃=（）/2=136.581℃=（）/4=83.8259℃=9366.1512=1.18630.8447kg/m3Hm=H1=0.0135=2.3625=本段平均氣速：==24.9833=24.9833-0.2114=24.7719假設=19.055m/s則=1.3746Ji-1==21.326=與假設不符合用EXCEL視差求解(下同):假設uri=17.8731;有Bu=1.3701;uri=17.8627與假設不符合假設uri=17.8623;有Bu=1.3701;uri=17.8626與假不設符合當uri=17.8626；有Bu=1.3701；uri=17.8626uri=17.8626時，滿足當時，，所以分段合理。計算和由Ji=-9.81=21.326Ji-1=﹣9.81=1897.7041Jm==m=（Ji-1-Ji）/（-）=101.4111b=Jm－m[(ur1+ur2)/2]=-612.2326得=0.00453=0.01783附加計算：=7.121，=0.3868，(3)加速區第二段的有關計算預分段設，則：=0.4444且由=0.4444/0.3868*0.833計算得8968.2131J/s根據得=126.6425℃則=0.0035Kg/s=0.0135+=0.01482=0.5*（133.1619+126.6425）=129.9022℃，在此溫度下ug=(-2×10-6tm+5×10-3×tm+1.7169)=2.3326×10-5pa.s=1.1694m3/kg絕干氣體=0.8678kg/m3==24.428m/s=24.428-7.121=17.3076m/s==87.7201λg=-2×10-8×ts2+8×10-5ts+0.0244=3.113×10-2w/(m·℃)=3959.377Aq=A1AλΔtm=12689.9假設=17.3076/1.3=13.3135m/s則=1.3246﹣9.81=1144.85=118736m/s與假設不符合假設uri=118653;有Bu=1.3168;uri=11.8474與假設不符合假設uri=118474;有Bu=1.3168;uri=11.8471與假設不符合假設uri=118471;有Bu=1.3168;uri=11.8471與假設符合uri=11.8471時，滿足當時，，所以分段合理。計算和由Ji=-9.81=669.3636Ji-1=﹣9.81=1144.85Jm=-9.81=910.9513m=（Ji-1-Ji）/（-）=87.0785b= Jm－m[(ur1+ur2)/2]=-358.422得=0.006136=0.061932附加計算：=12.5812m/s=0.4609=0.8035加速區第三段—第九段的有關計算結果見表格所示HiVHmCHiλg×10-2第一段9366.1511133.16190.01351.1961.0346930.84743.097第二段8968.213126.00320.016131.1840231.0383430.8668843.113第三段6197.10026121.00960.01769821.156371.0419330.8794023.0964第四段7497.0449116.2280.01960361.1437311.045110.8906383.0756第五段6612.895958112.1496800.02128961.1337571.0482830.9000583.0583第六段6587.856844108.0991510.02297421.1247981.0513090.9087253.0427第七段6262.190884104.2605150.02458031.116061.054880.9173143.0275第八段7365.68657399.75844580.02647571.1067771.0615730.9265893.0115第九段13718.354791.45930.03221.109241.06150.9412242.9868μg×10-5AλAq△tmgmri-1ri第一段2.36253872.714834.99104.843324.983324.711917.8626第二段2.33263959.37712689.987.720124.1685517.307611.8471第三段2.36054022.454810815.3880.5744523.751813.324410.3707第四段2.28214095.6710778.7679.755523.509210.12816.8923第五段2.26174172.81710239.275.326722.27546.65853.6890第六段2.24324255.74459685.10770.873222.06214.47573.0891第七段2.22524334.46389115.59566.357121.85722.84432.0312第八段2.20614412.35948652.89262.634921.48821.73031.2990第九段2.17664496.0447998.08657.385220.43900.87680.821m-bUmiriCi第一段101.4111612.23264.531.7837.1210.38680.8333第二段87.0785358.4226.1366.193212.58120.46090.8035第三段73.593249.7825.6519.229118.00390.338920.922532第四段62.8152150.0678.40716.567421.112370.4545250.902072第五段53.575886.06839.27120.569323.104770.4229240.947975第六段45.490248.518311.37727.132924.508570.4438380.94927第七段38.1930926.344312.38130.884725.389460.3992721.056667第八段31.6021313.598212.84332.904825.952750.3347671.402857第九段24.742455.8025814.48638.376726.115840.31021.533第九段結束時，=1.0789mi=gm-ri=26.1158m/s，=26.6892m/s=0.5734m/s，令則k=1.0013≈1且k≥1，則表示加速段結束。加速區總時間=0.0704加速區總管長=1.45634.2.2勻速區的計算=0.0338=1.1018=.09382=83.229ug=(-2×10-6tm+5×10-3×tm+1.7169)=2.1191×10-5pa.s=27.003由，得=23.326KJ/s=39.149℃=26.427=63.367℃在此溫度下得λg=-2×10-8×ts2+8×10-5ts+0.0244=2.9389×10-2w/(m·℃)由Ret=dpu/，Nut=2+0.54Ret0.5得Re=3.6960,Nu=3.0381=λgNut/dp=615.783a==3.0962=/[a()]=4.893=/Um=0.18515計算得到：干燥管的總時間=0.2256干燥管的總長度=6.3494m由于k==1.0013≈1由于繼續分段后Ji,Ji-1表明提前進入勻速區,所以設計時干燥管總管長：′=6.3494×1.2=7.619m5附屬設備的選型5.1加料器的選擇聚氯乙烯樹脂為粉末狀物料，用螺旋輸送器宜于輸送粉末、粒狀及小顆粒物料，密封性能好，操作安全方便、結構簡單、制造費用低，考慮適用性和經濟性選擇螺旋加料器。5．2加熱器的選擇根據加熱蒸汽的蒸汽壓P=4×101.325=405.3Kpa，查表知加熱器中蒸汽的溫度t=145℃加熱器型號的選擇所需的通風截面積S=G/Vp=[4805.9855×(1+0.0135)]/（3600×8）=0.1691m2選擇型號為查表得S′=0.15m2A′=23.6m2代入Vp=G/S=4805.9855/0.1691/3600=7.8934傳熱系數K=15.1Vp0.43=36.7114=32.3614℃加熱面積：A=Q/K=19.1266加熱器個數： N=A/A′=4.072=5空氣阻力：P1=3.03(Vp)1.62=86.1021Pa5.3旋風分離器的選擇=（0.002835+0.004557*0.03767）（70+273）=0.9724t2=70℃時=1.0671氣體處理量：V=Gg(1+H2)/=4673.3643m2/h選擇型號：CLP/A—6.5查表可知風速為u=18m/s,V′=4700m3/hP′=1913PaP2=（P′×V2）/V′2=1411.81Pa5.4鼓風機的選擇t=28℃時=0.8474V=Gg(1+H0)/=5747.9587m3/hP總=（P1+P2+1000）×（1+20%）=1797.4953pa所以選型號為選擇4—79型離心通風機：機號轉速（r/min）全風壓風量出風口方向型號功率（Kw）42900205057600°～225°Y132S1-25.55．5抽風機的選擇t2=70℃氣體處理量V=Gg(1+H2)/=4673.3643m3/h選擇9—19型高壓離心機：機號轉速（r/min）全風壓風量型號功率（Kw）7.12900117174610Y200L2-2376主要符號和單位英文字母：a——單位體積物料提供的傳熱（干燥）面積，m2/m3c——比熱容，KJ/（kg.℃）dp——顆粒直徑，D——干燥器直徑，mH——空氣的濕度，kg/kg絕干氣L——絕干空氣流量，kg/h或kg/sP——水汽分壓，kPaP——空氣總壓，kPaQ——傳熱速率，wr——汽化熱，KJ/kgt——溫度，℃Ug——氣體的速度，m/sV——濕空氣的比容，m3/kg絕干氣——物料的濕基含量——熱量，KJ/s或J/s或kwW——水分蒸發量，kg/s或kg/hX——物料的干基含水量，kg水/kg絕干氣希臘字母：——對流傳熱系數，W/（m2.℃）——固體物料溫度，℃——導熱系數，W/（m2.℃）——密度，kg/m3——干燥時間或物料在干燥器內停留時間，S——相對濕度百分數下標：0——進預熱器的、新鮮的或沉降的；1——進干燥器的或離預熱器的；2——離開干燥器的；c——臨界的；d——露點的；g——氣體的，或絕干氣的；m——濕物料的或平均的；7參考文獻化學工程手冊.上卷，時鈞等，化學工業出版社，TQ02-62/1=2/:1，1996化學工程手冊.下卷，時鈞等，

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