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    干燥知識
    第四十篇:旋轉式間接干燥機的設計開發

     
     
       1引言
     
        干燥是一項古老而又重要的單元操作,通常指利用熱能使物料中的濕份汽化,并將產生的蒸汽排除的過程。其本質為被除去的濕份從固相中轉移到氣相內,固相為被干燥的物料,氣相為干燥介質。干燥是最為常見和耗能最大的工業操作,也是化工單元操作中最為多種多樣的一類操作,用于不同性狀物料的干燥方法多達百種。干燥又是一個最復雜、研究很不充分的操作,因為在固體介質中同時發生熱量、質量和動量的傳遞現象,用數學描述存在著困難性和無效性。所以國外許多學者認為:“干燥是一門藝術”,有大量的“knowhow”(知其然),而沒有足夠的“knowwhy”(知其所以然)。迄今為止大多數干燥機的設計在很大程度上是依賴中試和經驗相結合完成的。
     
        2 干燥機分類及國內外應用研究概況
     
        干燥方式的多樣導致了干燥設備的多樣性,許多人試圖對干燥機進行分類,McCormick嘗試從用戶視角進行分類,Sloan將干燥機分成20個型式,Dittman提出了工業上普遍運用的分類標準,即按熱量傳遞方式將干燥設備分成直接傳熱式干燥設備和間接傳熱式干燥設備。
     
        直接傳熱式干燥設備顧名思義,干燥介質直接與被干燥物料接觸,把熱量傳遞給物料,同時將物料蒸發的濕份帶走。典型的有噴霧干燥器、流化床干燥器、轉筒式干燥機、盤架式干燥機等。直接傳熱干燥設備雖然結構簡單,但其中運用的干燥介質普遍熱值較低,為了符合成品要求,介質流量很大,設備配套成本上升,且熱效率低一直是困擾其運用的關鍵。
     
        間接傳熱設備中,物料和干燥介質通過一層金屬壁隔開,熱量由金屬壁傳至物料。因為非冷凝氣體與金屬壁的傳熱系數太小,所以此類干燥設備的加熱介質一般是冷凝氣體或液體。與直接干燥設備相比,間接干燥設備有如下優點:(1)產品質量易于保證。由于物料與干燥介質不直接接觸,避免了干燥介質對物料的二次污染(2)干燥熱源趨于多樣化。物料與干燥介質分離使我們對熱源的要求有所降低。譬如可以分別用蒸汽和煙道氣作為干燥介質。這樣,當能源緊缺時,此類干燥機的工作就較少受影響。(3)高的熱效率。間接加熱干燥機的熱效率主要體現在尾氣流量上,與直接加熱干燥機相比,間接加熱干燥機的尾氣流量小,因而帶走的熱能就少。一般說來,達到相同的干燥質量,間接式干燥機所需熱能是直接式干燥機的12~13,并且隨著成品目標濕度的降低,間接式干燥機的優勢會顯著增加。(4)低污染尾氣流量小使從干燥機攜帶出的粉塵也大為減少,可以把污染控制在很小的范圍內。我國酒精行業開始利用間接干燥機處理殘渣,不僅使工廠工業廢水中BOD含量和COD含量達到國家排放標準,而且每生產一噸酒精可附產0.9噸高蛋白飼料。
     
        事物都有其兩面性,接觸式干燥的缺憾是:黏度大的物料在金屬加熱面上不易更新,使干燥機的傳熱系數大為降低,嚴重的會造成結巴,影響干燥過程的進行。
     
        為了提高間接式干燥機的傳熱效果,一般將間接式干燥機的傳熱部件設計成旋轉結構,旋轉式間接干燥機主要有旋轉圓盤式、旋轉列管式、滾筒式、旋轉槳式等干燥機。其中旋轉圓盤式、旋轉列管式干燥機國外80年代中期起已廣泛應用于化工、食品、飼料等行業我們經過數年的研究并與制造廠合作已成功研制出該機并逐步投入運行,如酒精行業酒精糟的干燥、無機鹽行業中輕質碳酸鈣的干燥等。
        3 旋轉列管式干燥機和旋轉圓盤式干燥機的開發研究
     
        3.1 結構
     
        這兩種旋轉式間接干燥機的結構主要由以下四部分組成:(1)主機轉子系統,此為干燥機的核心部件,不同的干燥機有不同的轉子結構。旋轉列管式干燥機的轉子由兩端中空軸、封頭及數百根管子形成的管束組成;旋轉圓盤式干燥機的轉子由中空軸和焊接組裝在其上的數十只圓盤組成。其結構如圖1、圖2。運轉時轉子靠兩端軸承支撐:一端為固定軸承,一端可以自由游動、消耗熱膨脹。轉子四周有固定在架子上的抄板。(2)傳動系統,由主電機、減速系統組成(擺線針輪減速和齒輪減速二級)。(3)管路系統,由調節閥門、金屬軟管、旋轉接頭等組成。(4)排風和除塵系統,引風機排風,配濕法除塵回收熱水和粉塵。
     
        3.2 工作原理
     
        參見圖1、圖2,在密閉的干燥室內,有一由管束組成的轉子或由一組圓盤組成的轉子緩緩旋轉,通過轉子的入口和出口中空軸導入和導出熱介質。熱介質通過金屬壁將熱量導給被干物料,物料吸熱增焓蒸發濕份。轉子周緣安有特殊的刮板,一方面不斷將物料翻起使之與金屬換熱表面接觸,另一方面刮板與轉子有一定的傾角,將物料從入口端推向出口端。對不同的物料,改變干燥室長度、轉子轉速及刮板傾角,使物料從入口到出口剛好完成干燥過程。蒸發的濕份則由頂部引風機抽出。
     
        3.3 設計模型
     
        旋轉式間接干燥機的尺寸大小是通過換熱面的大小來度量的。通過物料衡算,可以確定干燥機的熱消耗量Q(即單位時間內干燥機消耗的熱量),而Q=KA△t,因此干燥機換熱面積的大小取決于總傳熱系數K和溫差$t。其中,△t可以調節蒸汽入口溫度來實現而傳熱系數K則與物料特性,干燥機攪動水平等決定。另外該類干燥機的轉子系統受熱介質的壓力作用是承壓部件。因此旋轉式間接干燥機的設計有兩大技術關鍵:(1)干燥機實際傳熱系數的計算;(2)干燥機轉子強度的設計。
     
        3.3.1 實際傳熱系數的計算
     
        從工作原理看,干燥機傳熱系數的計算可歸結為管束或平板在攪動的顆粒床上的熱傳導。對攪動床的傳熱系數進行分析的資料在國外較少報道。文獻給出了大型旋轉圓盤干燥機傳熱系數的計算方法。利用Schlunder提出的“顆粒熱傳遞模型”采用移動加熱板的方法來計算傳熱系數。該理論認為在移動加熱面與待干燥的顆粒床間的熱傳遞現象主要受三個機制控制,即熱阻主要由以下三部分組成:(1)加熱壁與顆粒間的熱傳遞;(2)填料床內的熱傳導;(3)基體中由于顆粒運動引起的熱對流。將各部分的熱阻疊加起來就可以計算出總的傳熱系數。對于管束式干燥機經大量試驗和宏觀統計分析,亦建立了實際傳熱系數的計算方法。
     
        3.3.2 干燥機轉子強度的設計
     
        干燥機轉子系統的強度設計的部件隨不同的干燥機類型而有所不同。對于旋轉列管式干燥機來說,根據對該特殊設備的分析并參照以往的設計經驗,可以確定主要的危險部位及校核內容為:(1)位于軸承支承處的主軸應力;(2)轉子的剛度分析及最大撓度計算;(3)管子與管板連接處的扭轉應力;(4)封頭的膜應力。由于該設備為非標準設備,在進行強度與剛度分析時首先要進行合理的、偏于安全的力學模型簡化,然后針對力學模型進行強度和剛度分析計算。對于旋轉圓盤式干燥機,轉子強度的分析設計主要包括兩部分:(1)工作圓盤(承壓非標設備)的強度分析;(2)承受內壓和彎曲扭轉載荷的中空軸的強度分析。對于工作圓盤可采用有限元計算強度,對于中空軸則采用簡化的力學模型來計算主軸的撓度和最大應力。
     
        4 發展趨勢
     
        隨著人們的節能及環保意識的不斷加強,開發新型節能的組合式干燥機和高效環保型干燥機將是今后旋轉式間接干燥機發展的主要方向之一。另外,隨著計算機輔助設計技術(CAD)的不斷發展,把CAD技術結合到旋轉式間接干燥機的設計開發中也是干燥機設計技術發展的必然趨勢。利用VisualC++的MFC庫等面向對象的軟件開發環境將整個設計過程做成軟件,通過友好的用戶界面提供參數化設計,用戶只要輸入設計參數,由軟件自動完成設計校核,直至最終出圖。
     
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