设计直管气流干燥器-以干燥聚氯乙烯树脂湿物料--化工原理课程设计3.docx

化
工
原
理
课
程
设
计
设计者：
老师：易美桂
学号：
设计时间：2016年12月22日至2017年1月14日

目录

题目
数据
流程图
流程与方案的选择说明
干燥物料主要部件和尺寸的计算
主要数据、公式来源
主要附属设备和选型的计算
设计评价
设计结果概览
干燥器的国内外状况
参考文献

题目：设计直管气流干燥器,以干燥聚氯乙烯树脂湿物料
已知数据：
（1） 湿物料：
颗粒直径：；
绝干物料密度：；
绝干物料比热：；
含湿量(以湿基计)：20％
操作温度(℃)：℃ ℃
操作压力(KPa)：101.325 加热蒸汽压力：4atm(表压)
原料量(kg/h)：1520
（2） 干燥介质：湿空气
％, ℃, ℃
（3） 干物料(产品)含水量：5％
临界湿含量 平衡湿含量

工业流程图
流程与方案的选择说明
聚氯乙烯
全名为polyvinyl chloride ，主要成份为聚氯乙烯， 另外加入其他成分来增强其耐热性，韧性，延展性等。工业聚氯乙烯树脂主要是非晶态结构，但也包含一些结晶区域（约５％），所以聚氯乙烯没有明显的溶点，约在80℃左右开始软化，热扭变温度（ 1.82MPa 负荷下）为70-71℃，在加压下150℃开始流动，并开始缓慢放出氯化氢，致使聚氯乙烯变色。
选择气流干燥器
气流干燥器主要干燥粉粒状、泥状、块状。其结构简单，生产能力大，造价低，易于制造和维修，只要一根直径为0.2~0.7m、长10~20m的干燥管就可以了。一般热效率也比较高，粒子在显著分散于气流中粒子的表面几乎都可以作为有效干燥面积，气固传热表面积大，干燥非结合水时，热效率可达60%左右。其主要缺点：由于气速高以及物料在输送过程中与壁面的碰撞及物料见的相互摩擦，整个系统的流体阻力大，动力消耗大，对粉尘回收装置的要求高，且不宜干燥有毒物质。
气流干燥比较适合于干燥粒径100 um 且以上的粒状、泥状、块状的固体，对聚氯乙烯，因具有热熔性，当温度超过70℃时，容易软化，而其含湿量可以达到较高而不潮解，故干燥聚氯乙烯选用气流干燥器是合理的。
干燥物料主要部件和尺寸的计算
一.气体离开干燥器的温度t2的确定
干燥器出口气体的温度与干燥管长和燃料费用有关。如果t2取得低，对热能的利用是有利的，可以节省燃料费，但干燥管的长度却要增加，因此t2的需要通过经济核算才能确定。如果出口温度太低，可能在干燥器以后的管道及设备内壁上析出水滴，使物料回潮。通常t2应比进口气体的绝热饱和温度高20-50oC左右。
进口温度t0=20oC
ps=215exp⁡（18.5916-3991.11t+233.84）
H0=0.622ψpsP-ψps
CH=1.005+1.884H
带入数据t0=20oC解得
ps=2.3485kPa
H0=0.01175kg水汽/kg绝干气体
CH=1.0271kJ/（kg.K）
tas=t-rascH（Has-H）
ras=2491.27-2.30285tas
Has=0.622pasP-pas
pas=215exp⁡（18.5916-3991.11tas+233.84）
其中t=140oC H=0.01175kg水汽/kg绝干气体
用视差法计算解的tas=41.3325oC
故在此处取t2=70 oC
二.计算产品温度θ2
如果产品的湿含量高于或等于临界湿含量，则产品温度θ2取湿球温度tw2（即θ2=tw2）。
tw=t-rwcH（Hw-H）
rw=2491.27-2.30285tw
Hw=0.622pwP-pw
pw=215exp⁡（18.5916-3991.11tw+233.84）
t=70oC H取0.4
视差法计算得tw2=41oC
三.计算干燥介质消耗量
GC(X1-X2)=L（H2-H1）
LiH1+GCcs+cwX1θ1=LiH2+Gc(cs+cwX2)θ2
X1=w11-w1=0.21-0.2=0.25
X2=w21-w2=0.051-0.05=0.0526
H1=H0=0.01175kg水汽/kg绝干气体
iH1=1.005+1.884H1t1+2491.27H1=1.005+1.884*0.01175*140+2491.27*0.01175=173.07kJ/kg绝干气体
GC=1520*1-0.2=1216kg/h
cs=1.256kJ/(kg.oC)
cw=4.187kJ/(kg.oC)
iH2=1.005+1.884H2t2+2491.27H2
视差法计算L=8890.1kg/h
H2=0.03875kg水汽/kg绝干气体
核算带入
H2=0.03875kg水汽/kg绝干气体
核算计算产品温度θ2=40.67oC
四.计算干燥管直径D
D=LvHπ4ug
湿比容vH=（0.002853+0.004557H）（t+273.15） 单位：m3/kg
H取平均值（0.01175+0.03875）/2=0.0252kg水汽/kg绝干气体
进口气速通常选取（20-40）m/s在此处选取进口气速ug=30m/s。
t取进出口均值105oC。
L=8890.13600=2.4965kg/s
计算的值D=0.3449m
取整可得管径D=350mm
五.确定加速区Nu与Rer间的关系
设Rer＜400 则（加速区始点）
（加速区终点）

=

湿空气密度计算式ρ=0.0034843P-0.3779φpsT [1]
P=101325pa T1=413.15K T2=343.15K p0=1878.6pa pt=5942.3pa
计算的ρg1=0.8485kg/m3 ρg2=1.006kg/m3
计算得n=0.4367 An=1.675
六. 加速区平均及的表达式

AJ=20.2814
的计算

（后面每段分别计算）
膜平均温度下的值
算术平均温度tm下的值

计算值Aλ=2.3308 Aq=4387.7

七.沉降速度

（0.59<<0.6,保留4位小数）
ut=0.5925m/s
八.分段几分法计算加速区管长L
（1）加速第一段（预热段）
热恒算

cm1=(cs+X1cw)
cs=1.256kJ/(kg.oC)
cw=4.187kJ/(kg.oC)
X1=w11-w1=0.21-0.2=0.25

计算得cm1=2.303kJ/(kg.oC)
∆q1=15.8137kw

t1=140oC CH1=1.005+1.884H1=1.027
ti=133.63oC
tm=140-133.63ln⁡(140-133.63)=3.44oC Hm=0.01175水汽/kg绝干气体
vH=（0.002853+0.004557H）（t+273.15）
vH1=1.201 m3/kg vH2=1.182 m3/kg vHm=1.191 m3/kg

0.849kg/m3

ugm=29.75m/s
=29.75-0.2508=29.5
umo=Aadp0.06=0.2508m/s Aa=6Gcρmdpπ4D2=100.308
2.传热计算
① =105.9oC
②. 的计算

Aq=21550.8
③的试差计算
设 则22.69m/s
Bu=
其中n取0.6计算
Bu=1.917

uri=22.0374m/s
④校核：
uriut>1.5,uri-iuri<2 分段合理
3、流体力学计算 求及
=2064.63
=1339.21
Jm==1693.4
m==102.39
=-682.81
=0.0044s
=0.0199m
4、附加计算
①本段末粒子速度umi=ugm-uri=7.7126m/s
②=0.253
（2）加速第二段
1、预分段
（C为安全系数 =0.8333）
设 =0.4444
=13.3793kw
2、热衡算

ti=127.09oC
=∆qir0+cvti-cwθ2=0.0050kg/s，
=Hi-1+WiL=0.0139kg水汽/kg绝干气体
=0.5(ti-1+ti)=131.86oC，
Hm=0.5(Hi+Hi-1)=0.0133 kg水汽/kg绝干气体
=(0.002853-0.004557Hmi)(tmi+273.15)=1.1713 kJ/kg绝干气体
0.8648kg/m3
=VHmiVHmi-1ugmi-1=29.1713m/s；
校核：
=21.4587（回到曲线上）
3. 传热计算
① =90.236oC
②. 的计算Aq=4362.5

③的试差计算
则16.0243m/s
Bu==1.3862
=1334.2
=15.4123m/s

④校核：
uriut>1.5,uri-iuri<2 分段合理

4、流体力学计算 求及
=846.32
Jm==1163.78
m==87.83
=-432.38
=0.0058s
=0.0615m
5、附加计算
①本段末粒子速度umi=ugm-uri=13.759m/s
②=0.3006
③=0.8572
由求
（3）加速第三段
1、预分段
设
=12.8412kw
2、热衡算
t=121.35oC
=∆qir0+cvti-cwθ2=0.0043kg/s，
=Hi-1+WiL=0.0176kg水汽/kg绝干气体
=0.5(ti-1+ti)=125.38oC，
Hm=0.5(Hi+Hi-1)=0.0153kg水汽/kg绝干气体
=(0.002853-0.004557Hmi)(tmi+273.15)=1.1612 kJ/kg绝干气体
0.8748kg/m3
=VHmiVHmi-1ugmi-1=28.9113m/s；
校核：
=15.1463m/s（回到曲线上）
3. 传热计算
① =86.0614oC
②. 的计算Aq=4319.63
③的试差计算
则11.7556m/s
Bu==9.8825
=846.32
=10.326m/s

④校核：
uriut>1.5,uri-iuri<2 分段合理
4、流体力学计算 求及
=486.32
Jm==689.32
m==76.2437
=-265.32
=0.0062s
=0.1102m
5、附加计算
①本段末粒子速度umi=ugm-uri=18.5835m/s
②=0.33
③=0.9148
由求
以下段均按上述方法计算

第一段
第二段
第三段
第四段
第五段
第六段
第七段
△q
15.1837
13.3793
12.8412
12.125
11.462
10.987
9.652
t_i
133.63
127.09
121.35
116.37
111.46
107.87
104.62
△t_i
105.78
90.236
84.965
76.853
70.364
67.546
65.378
w

0.005
0.0043
0.0043
0.0039
0.0039
0.0038
H
0.01175
0.0139
0.0176
0.0199
0.0237
0.0253
0.02678
Hm

0.0133
0.0153
0.01875
0.0218
0.0245
0.02604
ρgm
0.849
0.8648
0.8748
0.8867
0.08968
0.09034
0.09143
ugm
29.75
29.1713
28.9113
28.624
28.439
28.197
28.001
Aq
4387.7
4362.5
4319.63
4298.3
4305.1
4315.6
4300.8
ur
22.0374
15.4123
10.326
6.8371
3.5276
1.7583
0.7014
Bu
1.917
1.8663
1.7523
1.6245
1.5793
1.5012
1.4875
Ji
1334.2
846.32
486.32
297.32
157.46
99.87
58.35
m
102.39
87.83
76.2437
65.987
58.034
50.101
45.821
b
-682.81
-432.38
-265.32
-167.6
-103.8
-67.6
-35.7
△τ
0.0044
0.0058
0.0062
0.008
0.0087
0.0094
0.0147
△L
0.0199
0.0615
0.1102
0.1573
0.1976
0.2399
0.2815
um
7.7126
13.759
18.5835
21.7869
24.9114
26.4387
27.2996
r
0.253
0.3006
0.33
0.33788
0.48405
0.50156
0.60109
C
0.8333
0.8572
0.9148
0.92222
0.65985
0.9251
0.73303
总和L=∆L=1.0679m≈1m τ=∆τ=0.0572s
( k>1 k ≈ 1)
k=1.176
加速段结束
九.恒速段管长计算
加速段结束后：
Hi=0.02678 kg水汽/kg绝干气体
ti=104.62oC
vH=（0.002853+0.004557H）（t+273.15）
VHm=1.1226
=28.8365m/s
Hm=0.5(H2+Hi)=0.03277 kg水汽/kg绝干气体
tm=0.5(ti+t2)=87.31
∆q=LCHm(ti-t2)
CHm=1.005+1.884Hm=1.0667kJ/(kg.oC)
∆q=44.905kw
ρgm=1+Hmvm=0.92kg/m3
um=28.001-0.5962=27.4048m/s
=3.1725 ts=ti+t2+2θ24=63.97OC
λg=2.82*10-4ts+273.150.8=0.02968
α=λgNudp=627.73
∆tmL=ti-θ2-(t2-θ2)lnti-θ2t2-θ2=44.164oC
∆L=4∆qαaπD2∆tmL=6.8578m
∆τ=∆Lum=0.2504s
干燥总长度：L=∆L加速+∆L恒速=7.9m
干燥总时间：τ=∆τ加速+∆τ恒速=0.3076s
附属设备选型计算
（1）加料器的选型
气流干燥器装置所采用的加料器必须保证向干燥器连续均匀的加料。对于聚氯乙烯的干燥，综合其物性及加料量考虑，选用螺旋加料器。螺旋加料器宜于输送粒状、粉状、及小块状物料，密封性能好，操作安全方便，结构简单制造费用低，但输送过程中物料易破碎，零件磨损大，且不宜输送粘性哒、易结团的物料。
根据题意查表： kd选取 0.37， k1取值为 50
查表求螺旋加料器的倾斜修正系数 kβ ，选取输送倾斜角度为 15 ,
kβ=0.7
t 为螺距，对于粘度小的物体t=0.8D 或D，取t=D
由于G=1216kg/h， ρm=1400kg/ 3
根据式 G =47kdkβD2tn 可计算出D=0.07m
n≤188.98r / min
(2)风机的选型
L=8890.1m3/h 所以选取9—26型离心通风机 机号5.6
（3）加热器的选择
Vp为空气通过通风净截面的质量流速，单位为kg/m2.s，取值8kg/m2.s则所需通风截面积A=GVp=0.309m2。
由计算结果查《化工原理设计导论表7-6确定选择 SRL10x7/2型其性能参数如下：
型号
通风截面积m2
散热面积m2
热介质通过截面积m2
管束数
连接管直径
m2
SRL10x7/2
0.3
31.0
0.0062
31
50
重新计算Vp=LA=8.2315 kg/m2.s
表7-7中公式K=15.1Vp0.24=25.04W/m2.s
本散热器采用热介质为水蒸气，其工作压力为p=4atm，其冷凝温度为t=151oC则△tm=71oC
Q=Lcp(t2-t1)=312.2kW
FT=Q/(K△tm)=175.7m
加热器串联台数n=5.67取整为6台。
（4）旋风分离器的选择
旋风分离器是利用离心力分离沉粒的设备。其结构简单，造价低廉，没有活动部件，操作条件广泛，分离效率高。在本设计任务中，依据题意选取旋风分离器。
L=8890.1m3/h设入口风速为15m/s,由查表可选择CLP/B—9.4X型旋风分离器。
（5）布袋除尘器的选择
L=8890.1m3/h选择DQMC~60具体参数如下：
型号
含尘浓度
g/m3
风速
m3/min
风量
m3/h
阻力
Pa
效率
%
外形尺寸
mm
DQMC~60
3-5
3-4
8100-10800
981-1177
99
2360x1610x3646
由于旋风分离器和袋虑器阻力比较大，故在尾段还要一个抽滤器。
设计评价
一.对气流干燥器的评价
1.干燥器的热效率：
nh=t1-t2t1-t0=58.3%
2.干燥效率：
nd=QWQW+QM=94.31%
3.干燥总效率：
n=ndnh=54.98%
由以上计算知，干燥器具有以下特色：
（1）干燥时间极为短暂， τ=0.3076s在极短的时间内就可以干燥产品了。
（2） 粒子显著分散于气流中，全管的体积传热系数很大，可以最大的干燥速率将物料的湿分量降到最低。
（3）干燥效率高，散热面积小，设备结构简单，造价低，只需一根直径为0.35m，长为7.9m的干燥管就可以了，占地面积小，操作方便。

设计一览表
干
燥
管
管径mm
350
温
度
物料
Θ1=20oC
Θ2=40.67oC
管长m
7.9
干燥时间s
0.3076
气体
t1=140oC
t2=70oC
附
加
设
备
螺
旋
加
料
器
叶轮转速
(r/min)
188.98
直径
70mm
旋距
70mm
Kd
0.37
K1
50
Kβ
0.7
旋
风
分
离
器
需要风量
m3/h
8890.1
型号
CLP/B—9.4X
风速
15m/s
空
气
加
热
器
需要面积
m3
175.7
型号
SRL10x7/2
台数
6
实际面积
186m2
袋
虑
器
风量
m3/h
8890.1
型号
DQMC~60
外形尺寸
2360x1610x3646
国内外干燥器的近况
随着全球经济、技术竞争的日趋剧烈,人们对有效利用能源、提高产品质量和加强环境保护等的意识逐步增强。干燥设备随着干燥技
术的变革而革新。革新的内容包括:
　　(1)设计制造新的干燥设备或与干燥过程相配套的设备;
　　(2)提高干燥产品的质量,在干燥产品质量控制方面比现有设备要好;
　　(3)避免或减少对环境的污染;
　　(4)操作更安全、可靠;
(5)总体上降低能耗,降低设备制造成本
下面我将列举一些干燥器的近况和发展
1. 振动流化床干燥机[2]
　　振动流化床干燥机是由振动电机产生激振力使机器振动,物料在这给定方向的激振力的作用下跳跃前进,同时床底输入热风使物料处于流化状态,物料颗粒与热风充分接触,进行剧烈的传热传质过程,此时热效率最高[3]。该干燥机的上腔处于微负压状态,湿空气由引风机
引出,干料由排料口排出,从而可以达到较理想的干燥效果。该干燥机流化均匀,无死角,温度分布均匀,热效率高,振动力平稳,可调性强,适用于颗粒、粉、条、丝、梗状物料干燥。
2. 流化床干燥器
　　这是60年代发展起来并十分流行的一种干燥器。由于在干燥过程中,固体颗粒悬浮于干燥介质中,因而流体与固体接触面较大,热容量系数可达8000～25000kJ/(m3h℃);又因物料在干燥器内剧烈搅动,大大减少了气膜阻力,因而热效率较高,可达60%～80%,且密封性能好,传动机械又不接触物料,产品纯洁度高,目前广泛用于化工、医药、轻工、食品及建材工业中。
3.压力喷雾干燥机[4]
　　压力喷雾干燥机的工作过程为:料液通过隔膜泵以高压输入,喷出雾状液滴,然后同热空气并流下降,大部分粉粒由塔底排料口收集,废气及其微小粉末经旋风分离器分离,废气由抽风机排出,粉末由设在旋风分离器下端的授粉筒收集。该机还可装备二级除尘装置,使物料回收率在96%～98%以上。该干燥机干燥速度快,料液经雾化后比表面大大增加,在热风气流中,瞬间就可蒸发95%～98%的水分,完成干燥的时间仅需十几秒到数十秒钟,特别适用于热敏性物料的干燥。
　　但是,当加热温度低于150℃时,其容积传热系数低,需要较大的容积;热效率较低;气固物料分离要求高,一般需要两级除尘。
4.过热蒸汽干燥器[5]
　　用过热蒸汽代替热空气或燃气作为干燥介质的想法已有100多年的历史,但真正应用也只有50年的历史,至于过热蒸汽干燥器在工业上大规模应用却只有20年左右。蒸汽干燥的最大优点是无氧化和燃烧的可能性,操作安全,干燥速率大,效率高,产品质量好。因此,该干
燥器将是21世纪倍受欢迎的设备。如间接加热浆料的气流干燥器(瑞士)、用于煤干燥的流化床干燥器(德国等)、木材低压蒸汽干燥器(丹麦等)和织物干燥的蒸汽干燥器(印度)。
5.离心喷雾干燥机
空气先经过滤器过滤,然后经加热器加热。热空气在干燥室顶部蜗壳通道内经热风分配器产生均匀旋转的气流并进入干燥室内。物料通过高速旋转的雾化盘或高压喷嘴分散为微细的料雾,料雾与旋流的热空气接触,水分迅速蒸发,在极短的时间物料得到干燥。料液雾化后,比表面积大,瞬间蒸发快,十几秒钟即可干燥,并可调节颗粒大小。
结语
国内干燥设备生产企业应该加强与国外的技术交流,汲取国外先进干燥设备之长,加快提高我国干燥设备自动化控制程度、外观质量、成套性和功能组合性,缩小与国外产品的差距,提高我国产品在用户中的信任度,使我国干燥设备不仅在国内市场畅销,而且在国外市场也能占据一席之地。
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