合工大化工原理课程设计卧式多室流化床.doc

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
学 号
专业班级
指导教师

2013年06月22日

目 录
摘要.............................................................. ..1
一． 设计任务书...............................................................................2
1.1设计题目................................................................................................2
1.2操作条件.................................................................2
1.3设计基础数据........................................................................................2
1.4设计图纸................................................................................................2
二．干燥简介......................................................3
2.1干燥技术................................................................................................3
2.2干燥设备................................................................................................3
2.3我国干燥设备特点.............................................3
2.4干燥设备的发展趋势............................................................................4
三．卧式流化床干燥实验...............................................................4
3.1设计目的.......................................................................................4
3.2干燥流程简介........................................................................................4
3.3优化后的流程图及说明 ......................................................................6
四．工艺计算...................................................................................7
4.1物料和热量衡算....................................................................................7
4.2流化速度的确定....................................................................................9
4.3流化床层底面积计算...........................................................................10
4.4干燥器的宽度和长度...........11
4.5干燥器高度...........................................................................................12
4.6干燥器结构...........................................................................................12
4.7管径的计算及管道的选择............14
五． 附属设备的选型......................................................................15
5.1送风机和排风机...................................................................................15
5.2气固分离设备...................................................16
5.3供热设备...............................................................................................17
5.4供料设备...............................................................................................17
5.5空气净化装置以及各种阀门.................................18
六． 卧式多室流化床干燥装置的设计计算结果汇总..................19
七． 认识与体会..............................................................................20
八． 参考文献..................................................................................20

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0.04降至0.004，生产能力为1.3万吨。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40.3℃下离开干燥器。湿度为0.01的空气经翅片换热器（热载体为400kPa饱和水蒸气）加热至80℃后进入干燥器，经过与悬浮物料接触进行传质传热后，温度降至67℃。最后将尾气通过旋风分离器，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4.25m2，长度与宽度分别取2.5m和1.7m，高度3.5m，隔板间距0.5m，物料出口堰高0.79m。分布板开孔率13.38%，总筛孔数180951个，孔心距5.2mm。此外，还确定了合适的送风机、排风机、旋风分离器、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

卧式多室流化床干燥装置的设计

一．设计任务书
设计题目： 年产23000吨卧式多室流化床干燥装置的设计
学号： 姓名： 专业：制药工程
指导教师： 金老师

1.设计题目
试设计一台卧式多室流化床干燥器，用于干燥颗粒状化肥，将其含水量从0.04干燥至0.004，生产能力（以干基产品计）为3000 kg /h。
2.操作条件
（1）干燥介质 热空气
初始湿度H0 0.01 kg水/ kg干气
预热器入口温度t0 25℃
离开预热器温度t1 80℃
（2）物料入口温度 30℃
（3）加热介质 饱和蒸汽、压强392.4kPa
（4）操作压强 常压
（5）设备工作日 每年330天，每天24小时连续运行
3.设计基础数据
（1）物料参数
颗粒平均粒径d=0.14
干物料比热容=1.47kJ/(kg. ℃)
固相密度 =1730
堆积密度 =800
临界湿含量=0.013（干基）
（2）物料静床层高度=0.15
（3）干燥装置热损失为有效传热量的15％。

4.设计图纸
现场工艺流程图一张

二．干燥简介

1.干燥技术
在人类的生产和生活中，经常遇见需要把一种物体的湿分除去的情况。这种物体可能是固态，还可能是气态或液态。而湿分在大多数情况下是水分，当然还可能是其他的成分，例如无机酸、有机溶剂等。这种除去物体湿分的过程就称为“除湿”。人们根据原理的不同，将除湿方法分为蒸发、机械脱水和干燥等。一般情况下干燥去湿又称为热物理法，干燥就是利用热能使湿物料中的湿分(水分或其他溶剂)汽化，水汽或蒸汽经气流带走或由真空泵将其抽出除去，而获得固体产品的操作过程。
干燥过程通常伴随着热量传递、质量传递、动量传递和相变等。一般情况下，物料干燥过程可以分为三个阶段。第一阶段为物料预热阶段，亦初始阶段，在此期间主要是对湿物料进行预热,同时也有少量湿分汽化, 物料的温度很快升到近似等于湿球温度； 第二阶段为恒速干燥阶段, 此阶段主要特征是热空气传给物料的热量全部用来汽化湿分, 物料表面温度一直保持不变, 湿分则按一定速率汽化。这个阶段主要是受外部影响，例如空气的参数和物料与空气的接触情况； 第三阶段为降速干燥阶段, 此时物料的干燥速率由内部扩散过程控制,热空气所提供的热量只有一小部分用来汽化湿分, 而大部分则用来加热物料, 使物料表面温度上升, 但是干燥速率则逐步降低, 直至达到平衡含湿量为止。这个阶段主要是受物料的性质与自身的结构的影响。
2.干燥设备
干燥设备的种类繁多, 根据操作压力、操作方式、传热原理、加热方式、构造等的不同可以将干燥设备归于不同的类别。按操作压力可以分为常压式和真空式两类； 按操作方式可分为间歇操作和连续操作两类； 按传热原理可分为传导加热式、对流加热式、辐射传热式和高频加热式等几类； 按加热方式可分为直接加热式和间接加热式两类； 按构造可以分为喷雾干燥器、流化床干燥器、气流干燥器、桨式干燥器、箱式干燥器及旋转闪蒸干燥器等。
3. 我国干燥设备的特点
我国干燥设备的生产基本上是小规模的,不能形成较大的批量, 技术含量低, 成熟机型不多, 在干燥工艺、生产能力、能源种类及测控技术等方面比较落后, 且主要是以传统的加热方式进行干燥, 即依靠热力通过传导、热对流和热辐射等途径对物料进行加热, 这种由表及里的干燥过程延长了干燥时间, 影响了物料的品质[4]。
4. 干燥设备的发展趋势
(1) 干燥设备向大型化、连续化、封闭化的方向发展。所谓大型化, 就是提高设备的水分蒸发量, 这样有利于产品质量的稳定, 降低能耗, 提高干燥热效率, 设备造价、厂房费用、设备运转费用都较经济；　
(2) 进一步开发膏糊状物料干燥设备, 对物料的性质及其输送、干燥规律进行探索, 从而更有效地解决这类物料的干燥；
(3) 针对物料的热敏性, 开发真空干燥等低温干燥设备, 保证低熔点物料在干燥过程中不变质；
(4) 研制开发新的多功能设备,集过滤、干燥、粉碎等单元操作于一机, 简化操作程序；
(5) 设备制造厂进行设备的系列化设计和计算机辅助设计,对系统进一步优化,使之发挥更大作用；
(6) 加强理论研究和物料试验,不断推出新设备,以推动干燥生产的发展。

三.卧式流化床干燥实验
1．设计目的
（1）培养学生运用化工原理课程及有关知识进行化工工艺设计的能力；
（2）在培养学生设计能力的同时，建立正确的设计思路和设计方法。
2．干燥流程简介
卧式多室流化床干燥器（图1-4） 卧式多室流化床干燥器适合干燥各种难以干燥的颗粒状粉状、片状等物料和热敏性物料。其所干燥的物料，大多是经造粒机制成的4～14目散粒状物料，初湿量一般在10%～30%，干燥后物料的终湿量一般在0.02%～0.3%。由于物料在床层内相互剧烈的碰撞摩擦，干燥后物料粒度变小（一般为12目约占20%～30%）。当被干燥的物料颗粒度在80～100目或更细地物料时，如聚氯乙烯，则干燥器上部须加以扩大，以减少细粉夹带；其分布板德孔径及开孔率也相应减小，以改善流化。
卧式多室流化床干燥器的一般流程如下：
干燥器为一长方形箱式流化床，底部为多孔筛板，筛板的开孔率一般为4%～13%，孔径1.5～2.0mm。筛板上方有竖向挡板，将流化床分隔成8个小室，每块挡板可上下移动，以调节其与筛板的间距。每一小室的下部，有一进气支管，支管上有调节气体流量的阀门。

图1-4卧式多室流化床干燥器
1—摇摆颗粒机；2—加料斗；3—流化床干燥室；4—干品出贮槽；5—空气过滤器；
6—翅片加热器；7—进气支管；8—多孔板；9—旋风分离器；10—袋式过滤器；
11—抽风机；12—视镜

湿物料由摇摆颗粒机连续加料于干燥器右边的第一室内，由第一室逐渐向左边的第八室移动。干燥后的物料由左边第八室卸料口卸出。而空气经过滤器到加热器加热后，分别从8个支气管进入8个室的下部，通过多孔板进入干燥室，流化干燥物料。其废气由干燥器顶部排出，经旋风除尘器、袋式除尘器，由抽风机排到大气。
卧式多室流化床干燥器对多种物料适应性较大。它较厢式干燥器占地面积小，生产能力大，热效率高，干燥后产品湿度叶较均匀。同气流式干燥器比较，可以调节物料在床层内的停留时间，易于操作控制，而且物料颗粒粉碎率小，因此应用较为广泛。但他的热效率比多层流化床干燥器为帝，特别是采用较高热风温度时更为明显。若在不同室调整进风量及风温，逐室降低风量、风温和热风串联通过各室，可提高热效率。另外，物料过湿会在前两室内易产生结块，需经常清扫。
3.优化后的流程图及说明（附：设计图纸一张及说明）

四．工艺计算
1.物料衡算和热量衡算
（1）物料衡算
由给定的任务条件已知，生产能力为3000kg/h(以干燥产品计)，即为G2=3000kg/h
绝干物质质量流率为

干燥器单位时间汽化水分量为

水在25℃下的饱和蒸汽压由表可查Ps=3.1684kPa
空气湿度为

绝干气体质量流率为
而
所以
（2） 空气和物料出口温度的确定

空气的出口温度t2应比出口处湿球温度高出20～50℃（这里取35℃）即
℃及℃，近似取℃，于是：
℃

解得℃
（3）干燥器的热量衡算
干燥器中不补充热量，故，因而可用下式进行计算，即

将上面各式代入热量衡算式，便可解得空气耗用量，即

解得
又由
（4）预热器的热负荷和加热蒸汽消耗量

℃，冷凝潜热r=2140kJ/kg
蒸气消耗量为

干燥器的热效率为

2.流化速度的确定
（1）临界流化速度的计算
在80℃下空气的有关参数：
导热系数

取球形颗粒床层在临界流化点，由的数值查图得，
临界流化速度为
（2）颗粒带出速度

带出速度为

（3）操作流化速度
取操作流化速度为，即

3.流化床层底面积的计算
（1）干燥第一阶段底面积由下式计算，即

式中有关参数计算如下：
取静止床层厚度为
干空气得质量流速取为，即

由于，由

解得
（2）物料升温阶段所需底面积由下式计算，即

式中

床层总的底面积为

4.干燥器的宽度和长度
今取宽度b=1.7m,长度l=2.5m,则流化床的实际底面积为4.25
沿长度方向在床层内设置四个横向分隔板,板间距0.5m
物料在床层内的停留时间为

5.干燥器高度
（1）向高度由下式计算，即

而由下式算出，即

（2）分离段高度

由，从图中查得，

干燥器总高度
为了减少气流对固体颗粒的带出量，取分布板以上的总高度为3.5m

6. 干燥器结构
布气装置包括分布板和预分布器两部分。其作用除了支撑固体颗粒、防止漏料以及使气体均匀分布外，还有分散气流使其在分布板上产生较小气泡的作用，以造成良好的起始流化条件与抑制聚式流化床的不稳定性。如图4所示：

（1）布气装置
采用单层多孔布气板，且取分布板压强降为床层压强降的15%，则

再取阻力系数则筛孔气速为：

干燥介质的体积流量为：

选取筛孔直径，则总筛孔数为：
个
分布板的实际开孔率为：

在分布板上筛孔按等边三角形布置，孔心距为：

（2）分隔板
沿长度方向射至四个横向分隔板，隔板与分布板之间的距离为（可调节），提供室内物料通路，分隔板宽1.7m，高2.5m,由5mm厚钢板制造。
（3）物料出口堰高h

用下式求溢流堰高度h，即

将有关数据代入上式，即

整理得，
经试差得， h=0.79m
为了便于调节物料的停留时间，溢流堰的高度设计成可调节结构。

7. 管径的计算及管道选择
空气流动适宜流速为15~20m/s取流速u=20m/s
计算空气入口管路管径：

故
选用700mm管路管径，材质为不锈钢，壁厚3mm
计算空气出口管路管径：

选用750mm管路管径，材质为不锈钢，壁厚3mm
饱和蒸汽在管路中适宜流速为20~30m/s取流速u=30m/s。 计算饱和蒸汽管路管径：

查表知选取无缝钢管为输送管道外径为80mm，壁厚3.5mm，材质为不锈钢。
同理可得查表知蒸汽冷凝水管道选取无缝钢管为输送管道外径为80mm，壁厚3.5mm，材质为不锈钢。
五．附属设备的选型
1.送风机和排风机
（1）送风机
压头HT为

上式中可忽略，，，所以上式可简化为

取风机全风压HT为4000
已知标准状况下空气密度
空气进口密度ρ=1.0kg/m3
标准状况下体积流量
标准状况下风压
根据计算结果所得9-27-101N08型风机满足要求

（2）排风机
由上式计算同理可得

取风机全风压为为3000，则
，所以9-27-101N08型风机满足要求

2.气固分离设备
为获得比较高的固相回收率，拟选用XLP/B-8.2型旋风分离器。其圆筒直径820，入口气速20。压强降为1150，单台生产能力8650。
旋风分离器各部分尺寸如下
圆柱体直径D 820mm
圆柱体高度L1 D
圆锥体高度L2 1.8D

进口宽度b 0.2D
进口高度a 0.4D
排气管直径d 0.3D
排气管深度l 0.8D

3.供热设备用来加热干燥介质的换热器称为空气加热器。本设计采用饱和水蒸汽作为加热介质。常见的加热器有两种形式，一种是SRZ；另一种是SRL。这两种结构形式的热媒都在管子内流动，通过管子的外表面加热空气，由于空气的换热系数要比管内侧热媒的换热系数低得多，所以管外侧都加热成翅片，用以提高管外的湍流程度以及增加单位管长的换热面积，提高性能。所以根据设计要求拟选用SRZ型螺旋翅片加热器。
4. 供料设备
供料器是保证按照要求定量、连续（或间歇）、均匀地向干燥器供料与排料。常用的供料器有圆盘供料器、旋转叶轮供料器、螺旋供料器、喷射式供料器等。 
将这些供料器相比较：对于圆盘供料器，虽然结构简单、设备费用低，但是物料进干燥器的量误差较大，只能用于定量要求不严格而且流动性好的粒状物料；对于旋转叶轮供料器，操作方便，安装简便，对高大300oC的高温物料也能使用，体积小，使用范围广，但在结构上不能保持完全气密性，对含湿量高以及有黏附性的物料不宜采用；对于螺旋供料器，密封性能好，安全方便，进料定量行高，还可使它使用于输送腐蚀性物料。但动力消耗大，难以输送颗粒大、易粉碎的物料；对于喷射式供料器空气消耗量大，效率不高，输送能力和输送距离受到限制，磨损严重。
我们本次设计的任务是干燥PVC，它在进入干燥器之前的温度下为固态颗粒状，颗粒平均直径md=140mm，且硬度和刚性都较高。
因为圆盘供料器只能用于定量要求不严格的物料，所以通常情况下不选用。又因为螺旋供料器容易沉积物料，不宜用于一年330天，每天24小时的连续工作。另外我们较高硬度和刚性的PVC对设备存在磨损，如果再加上空气流的喷射作用，磨损将会更大，故不能选用喷射式供料器。

根据物料性质（散粒状）和生产能力（3）选用星型供料装置（加料和排料）。其规格和操作参数如下：
规格：
生产能力：
叶轮转速：
链轮传动
齿轮减速电机：型号JTC561，功率，输出转速。
5空气净化装置以及各种阀门
除烟尘的空气净化器以及各种配套阀门

六. 卧式多室流化床干燥装置的设计计算结果汇总
项 目
符 号
单 位
计算数据
处理产品量

3000
物料温度
入 口

℃
30
出 口

℃
40.3
气体温度
入 口

℃
80
出 口

℃
67
气体用量

绝干气/h
30527
热效率

20.58%
流化速度

0.4414
床层底面积
第一阶段

3.547
加热段

0.627

设备尺寸
长

2.5
宽

1.7
高

3

布气板
型 号

单层多孔板
孔 径

2
孔 速

15.13
孔 数

个
180951
开孔率

13.38%
分隔板
宽

1.7
与布气板距离

2040
物料出口堰高

0.79

七．认识与体会
在此次设计的过程中，我学会怎么通过查相关资料来进行设计计算工艺设计。通过设计过程中的查找与计算，我对化工原理有关知识有了更进一步的加深。对原来不太清楚的概念公式有了比较熟练的掌握和应用，而且了解了许多有关工程设计的经验式。通过参与整个过程的设计，使得自己的逻辑思维能力得到了加强，动手能力得到了提高，在设计过程中，大家相互配合，相互帮助，在完成任务的同时也增加了大家的团队精神和协作意识，对将来的工作有很大的帮助。
由于第一次自己动手设计，很多地方都不懂，也不知道该查什么资料，怎么查资料，甚至有些无从下手，多亏老师的帮助与指导，才使得此次设计任务能顺利完成。今后应更好的将所学的知识能运用到实践中去。
八．参考文献
1．《化学原理》，化学工业出版社，王志魁，刘丽英，刘伟编。
2．《化工过程设计》，西北工业大学出版社，黄英编。
3．《工程制图》，高等教育出版社，高俊亭，毕万全，马全鹏编。
4．《化工原理实验》，化学工业出版社，吴洪特编。
5．《化工工艺设计手册》，国家医药管理局上海医药设计院编，1992。
6．《化工工艺设计概论》，原子能出版社，赵国芳编，1990。
7．《化工设计》，化学工业出版社，黄璐等编。
8．《化工单元过程及设备课程设计》，化学工业出版社，匡国柱，史君才编。
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