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旋转式间接干燥机的设计开发

发布时间:2009/7/6 9:58:18

1引言
  干燥是一项古老而又重要的单元操作,通常指利用热能使物料中的湿份汽化,并将产生的蒸汽排除的过程。其本质为被除去的湿份从固相中转移到气相内,固相为被干燥的物料,气相为干燥介质。干燥是最为常见和耗能最大的工业操作,也是化工单元操作中最为多种多样的一类操作,用于不同性状物料的干燥方法多达百种。干燥又是一个最复杂、研究很不充分的操作,因为在固体介质中同时发生热量、质量和动量的传递现象,用数学描述存在着困难性和无效性。所以国外许多学者认为:“干燥是一门艺术”,有大量的“knowhow”(知其然),而没有足够的“knowwhy”(知其所以然)。迄今为止大多数干燥机的设计在很大程度上是依赖中试和经验相结合完成的。
  2 干燥机分类及国内外应用研究概况
  干燥方式的多样导致了干燥设备的多样性,许多人试图对干燥机进行分类,McCormick尝试从用户视角进行分类,Sloan将干燥机分成20个型式,Dittman提出了工业上普遍运用的分类标准,即按热量传递方式将干燥设备分成直接传热式干燥设备和间接传热式干燥设备。
  直接传热式干燥设备顾名思义,干燥介质直接与被干燥物料接触,把热量传递给物料,同时将物料蒸发的湿份带走。典型的有喷雾干燥器、流化床干燥器、转筒式干燥机、盘架式干燥机等。直接传热干燥设备虽然结构简单,但其中运用的干燥介质普遍热值较低,为了符合成品要求,介质流量很大,设备配套成本上升,且热效率低一直是困扰其运用的关键。
  间接传热设备中,物料和干燥介质通过一层金属壁隔开,热量由金属壁传至物料。因为非冷凝气体与金属壁的传热系数太小,所以此类干燥设备的加热介质一般是冷凝气体或液体。与直接干燥设备相比,间接干燥设备有如下优点:(1)产品质量易于保证。由于物料与干燥介质不直接接触,避免了干燥介质对物料的二次污染(2)干燥热源趋于多样化。物料与干燥介质分离使我们对热源的要求有所降低。譬如可以分别用蒸汽和烟道气作为干燥介质。这样,当能源紧缺时,此类干燥机的工作就较少受影响。(3)高的热效率。间接加热干燥机的热效率主要体现在尾气流量上,与直接加热干燥机相比,间接加热干燥机的尾气流量小,因而带走的热能就少。一般说来,达到相同的干燥质量,间接式干燥机所需热能是直接式干燥机的12~13,并且随着成品目标湿度的降低,间接式干燥机的优势会显著增加。(4)低污染尾气流量小使从干燥机携带出的粉尘也大为减少,可以把污染控制在很小的范围内。我国酒精行业开始利用间接干燥机处理残渣,不仅使工厂工业废水中BOD含量和COD含量达到国家排放标准,而且每生产一吨酒精可附产0.9吨高蛋白饲料。
  事物都有其两面性,接触式干燥的缺憾是:黏度大的物料在金属加热面上不易更新,使干燥机的传热系数大为降低,严重的会造成结巴,影响干燥过程的进行。
  为了提高间接式干燥机的传热效果,一般将间接式干燥机的传热部件设计成旋转结构,旋转式间接干燥机主要有旋转圆盘式、旋转列管式、滚筒式、旋转桨式等干燥机。其中旋转圆盘式、旋转列管式干燥机国外80年代中期起已广泛应用于化工、食品、饲料等行业我们经过数年的研究并与制造厂合作已成功研制出该机并逐步投入运行,如酒精行业酒精糟的干燥、无机盐行业中轻质碳酸钙的干燥等。
  3 旋转列管式干燥机和旋转圆盘式干燥机的开发研究
  3.1 结构
  这两种旋转式间接干燥机的结构主要由以下四部分组成:(1)主机转子系统,此为干燥机的核心部件,不同的干燥机有不同的转子结构。旋转列管式干燥机的转子由两端中空轴、封头及数百根管子形成的管束组成;旋转圆盘式干燥机的转子由中空轴和焊接组装在其上的数十只圆盘组成。其结构如图1、图2。运转时转子靠两端轴承支撑:一端为固定轴承,一端可以自由游动、消耗热膨胀。转子四周有固定在架子上的抄板。(2)传动系统,由主电机、减速系统组成(摆线针轮减速和齿轮减速二级)。(3)管路系统,由调节阀门、金属软管、旋转接头等组成。(4)排风和除尘系统,引风机排风,配湿法除尘回收热水和粉尘。
  3.2 工作原理
  参见图1、图2,在密闭的干燥室内,有一由管束组成的转子或由一组圆盘组成的转子缓缓旋转,通过转子的入口和出口中空轴导入和导出热介质。热介质通过金属壁将热量导给被干物料,物料吸热增焓蒸发湿份。转子周缘安有特殊的刮板,一方面不断将物料翻起使之与金属换热表面接触,另一方面刮板与转子有一定的倾角,将物料从入口端推向出口端。对不同的物料,改变干燥室长度、转子转速及刮板倾角,使物料从入口到出口刚好完成干燥过程。蒸发的湿份则由顶部引风机抽出。
  3.3 设计模型
  旋转式间接干燥机的尺寸大小是通过换热面的大小来度量的。通过物料衡算,可以确定干燥机的热消耗量Q(即单位时间内干燥机消耗的热量),而Q=KA△t,因此干燥机换热面积的大小取决于总传热系数K和温差$t。其中,△t可以调节蒸汽入口温度来实现而传热系数K则与物料特性,干燥机搅动水平等决定。另外该类干燥机的转子系统受热介质的压力作用是承压部件。因此旋转式间接干燥机的设计有两大技术关键:(1)干燥机实际传热系数的计算;(2)干燥机转子强度的设计。
  3.3.1 实际传热系数的计算
  从工作原理看,干燥机传热系数的计算可归结为管束或平板在搅动的颗粒床上的热传导。对搅动床的传热系数进行分析的资料在国外较少报道。文献给出了大型旋转圆盘干燥机传热系数的计算方法。利用Schlunder提出的“颗粒热传递模型”采用移动加热板的方法来计算传热系数。该理论认为在移动加热面与待干燥的颗粒床间的热传递现象主要受三个机制控制,即热阻主要由以下三部分组成:(1)加热壁与颗粒间的热传递;(2)填料床内的热传导;(3)基体中由于颗粒运动引起的热对流。将各部分的热阻叠加起来就可以计算出总的传热系数。对于管束式干燥机经大量试验和宏观统计分析,亦建立了实际传热系数的计算方法。
  3.3.2 干燥机转子强度的设计
  干燥机转子系统的强度设计的部件随不同的干燥机类型而有所不同。对于旋转列管式干燥机来说,根据对该特殊设备的分析并参照以往的设计经验,可以确定主要的危险部位及校核内容为:(1)位于轴承支承处的主轴应力;(2)转子的刚度分析及最大挠度计算;(3)管子与管板连接处的扭转应力;(4)封头的膜应力。由于该设备为非标准设备,在进行强度与刚度分析时首先要进行合理的、偏于安全的力学模型简化,然后针对力学模型进行强度和刚度分析计算。对于旋转圆盘式干燥机,转子强度的分析设计主要包括两部分:(1)工作圆盘(承压非标设备)的强度分析;(2)承受内压和弯曲扭转载荷的中空轴的强度分析。对于工作圆盘可采用有限元计算强度,对于中空轴则采用简化的力学模型来计算主轴的挠度和最大应力。
  4 发展趋势
  随着人们的节能及环保意识的不断加强,开发新型节能的组合式干燥机和高效环保型干燥机将是今后旋转式间接干燥机发展的主要方向之一。另外,随着计算机辅助设计技术(CAD)的不断发展,把CAD技术结合到旋转式间接干燥机的设计开发中也是干燥机设计技术发展的必然趋势。利用VisualC++的MFC库等面向对象的软件开发环境将整个设计过程做成软件,通过友好的用户界面提供参数化设计,用户只要输入设计参数,由软件自动完成设计校核,直至最终出图。

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