气流干燥设计2008

聚氯乙烯干燥设计指导书

张浩勤

2008.8

概述

去湿干燥工业上常常用机械去湿方法除去大量湿分之后，用热能去湿（称为干燥）除去少量湿分。干燥一般包括两个基本过程，一是对固体加热达到湿分汽化的过程；另一个是汽化后湿分扩散进入气相的传质过程，同时湿分从固体内部扩散源源不断达到固体表面，这是湿分在物体内部的传质过程。所以，干燥过程的特点是传热和传质同时伴生且相互影响、相互制约的过程。化学工业用的较多的是对流干燥，尤其是分散悬浮干燥应用得最广泛，最突出的是气流干燥和流化床干燥，这里着重讨论气流干燥。

第一节干燥设计基础知识

干燥涉及气、固两相之间的动量、热量、质量传递，计算较为复杂。本节讨论几个基本问题。

1.1干燥设计基本关系

干燥器设计的基础知识为：

（1）物料衡算、热量衡算（见化工原理教材）

（2）相平衡关系（见设计任务书）；

（3）传热速率方程和传质速率方程：由于对流传热系数与传质系数随干燥器的型式、物料性质和操作条件而异，因此需查找适用于气流干燥器的关联式[1，2]。热、质传递之间存在相互关系，目前多以传热的方法进行干燥器设计计算。详细内容将在第三节讨论。

1.2干燥操作条件的确定

1.干燥介质的选择

干燥介质的选择，决定于干燥过程的工艺及可利用的热源。基本的热源有饱和水蒸气，液态或气态的燃料和电能。故在对流干燥中，干燥介质可采用空气、惰性气体、烟道气和过热蒸汽。当干燥温度不太高，且氧气的存在不影响被干燥物料的性能时，可采用热空气作为干燥介质。对某些易氧化的物料，或以物料中蒸出易爆气体时，宜采用惰性气体作为干燥介质。烟道气适用于不怕污染，且不与烟气中SO2和CO2等气体发生作用的物料。

2.流动方式的选择

气体和物料在干燥器中的流动方式，一般可分为并流、逆流、错流。

并流：其特点为可采用较高气温干燥，而物料温度在恒速段接近于空气的湿球温度而不致过热；物料出口温度较低，带走热量较少。在干燥强度和经济性方面优于逆流。但并流干燥的推动力沿程逐渐下降，干燥后阶段的推动力很小，使干燥速率降低，因而难以获得含水量很低的产品。并流操作适用于：

（1）物料含水量高，允许快速干燥而不产生龟裂或焦化的物料；

（2）干燥后期不耐高温的物料；

（3）只有恒速段，干燥要求不很高的物料。

逆流：整个干燥过程的推动力比较均匀，适用于：

（1）要求获得含水量很低的物料；

（2）干燥后期可耐高温，而前期不允许快速干燥的物料；

错流：错流的热、质传递情况介于并流和逆流之间，适用于：

（1）在高、低含水量时，都可进行快速干燥且耐高温的物料；

（2）干燥器构造不适宜采用并流或逆流的场合（如流化床）。

3.干燥介质温度

（1）干燥介质为空气时，进口条件应按夏季条件计算；

（2）进干燥器的温度愈高，则干燥器热效率愈高，所以应保持在物料允许的最高温度范围内。此值受到干燥器型式和热源温度的影响，例如，静止物料，介质进口温度稍低，悬浮物料进口温度可高些；若选用饱和水蒸气加热，介质温度不超过150℃。

（3）干燥介质出口的温度和湿度只能指定一个，另一个由物料、热量衡算确定。干燥介质出口温度愈低，热效率愈高；但干燥过程的平均推动力下降，干燥器尺寸增大。最适宜的出口温度应通过经济衡算来决定。实际选择时，首先要考虑物性的限制，如物料的熔点或软化点温度的限制，其次还应考虑相对湿度不能太大，在后继设备（如旋风分离器等）和管路中不能有水析出而破坏正常操作。对气流干燥器，一般要求较物料出口温度高10～30℃，较入口气体的绝热饱和温度高20～50℃。

4.物料的出口温度

恒速干燥阶段，物料温度等于空气的湿球温度；降速干燥阶段，物料温度有所升高。

影响物料的出口温度的因素较多，主要取决于物料的临界含水量及降速干燥阶段的传质系数。临界含水量愈低，传质系数愈大，出口温度愈低。

简化计算公式见天大化原教材（6-55）（或华东教材（13-32））。

其近似条件为：（1）物体内部温度均一，即悬浮颗粒或薄层物料；（2）降速阶段的速率与物料的自由含水量成正比。

第二节干燥设备选型

2.1 气流干燥器

1.气流干燥器的基本知识：请参阅化原教材或有关参考书[5，6]，学习时注意以下几个问题：（1）气流干燥器的流程，由哪些设备构成？

（2）气流干燥器的特点是什么？（优点、缺点）

（3）气流干燥器适用于什么物料？

（4）加料口上部一段（加速段）干燥速度特别快的原因是什么？

2．气流干燥装置分类：

以干燥管形式分类有：

（1）直管式气流干燥器：气流干燥器基本型式；

（2）变径式气流干燥器：在加料口上部一段（颗粒加速段）采用较小管径，颗粒速度进入恒速段以后则采用扩大管径，以降低干燥管高度；

（3）倒锥式气流干燥器：从上到下气流干燥管直径逐渐增加，气速由下到上逐渐减少，增加了颗粒在管内的停留时间，降低了干燥管的高度；

（4）脉冲式气流干燥器：特征是气流干燥管的管径是交替缩小和扩大，气流在上升过程中加速与减速交替进行，发挥加速段有较高的传热、传质作用，以强化传热过程。

（5）旋风式气流干燥器：旋风式气流干燥器是气流夹带物料从切线方向进入，沿着内壁形成螺旋线运动，物料在气流中的均匀分布与旋转运动，使颗粒周围气体边界层处于高度湍

流状态，以强化传热、传质过程。适用于不怕粉碎的热敏性物料。 作为训练，本设计以最简单的直管干燥器为主。 2.2 聚氯乙烯的性质和生产方法[1，2，3，4]

同学们应独立查找与干燥有关的物理化学性质，主要有形状、软化点、分解温度、密度、比热、导热系数、主要用途等。了解生产基本原理和干燥流程。 思考题：聚氯乙烯物料为什么可适用气流干燥器？ 聚氯乙烯干燥的流程？ 2.3 干燥介质的性质

聚氯乙烯干燥以空气为干燥介质，干空气的性质可查化工原理教材附录。对黏度和导热系数，以干空气数值代替湿空气的数值；比热和比容按化原教材给定的公式计算。

湿空气的密度 = H H

ν+1 kg 湿气/m 3湿气

特别注意：λ的定性温度应为膜温；其它物性的定性温度为气体的平均温度。

相平衡数据：物料与湿分的相平衡知识见化原教材，相平衡数据参见任务书。

第三节 气流干燥原理和设计方法简介

气流干燥器设备简单，连续高效，应用广泛。其特点为悬浮颗粒与气相之间的热质传递。

3.1颗粒在重力场中的运动规律[5，6]

由化工原理知识知，颗粒的沉降速度为颗粒与气体的相对速度，其绝对速度还与气体的运动速度有关。

绝对速度u m = 气流速度u g - 沉降速度u t

以上各值均为向量。对于单一颗粒，沉降速度可进行计算（化原沉降一章）。在垂直管中，气流速度向上，沉降速度向下，

（1） 当u g > u t 时，u m > 0，颗粒向上运动；（气力输送）； （2） 当u g < u t 时，u m < 0，颗粒向下运动；（沉降）； （3） 当u g = u t 时，u m = 0，颗粒静止不动；（流态化）。

对于实际工业生产的群体颗粒，计算更为复杂，可参见化工原理教材固体流态化的内容。 显然，对气流干燥器，必须有气体速度大于颗粒的沉降速度，形成气力输送操作。下面对颗粒在直管中运动规律做进一步的分析。

当湿颗粒在某一位置被加入干燥管时，其绝对速度u m 可按零计算。此时气流与颗粒之间的相对速度u r = u g - u m 最大，流体与颗粒之间的作用力也最大，颗粒被上升气流加速，u m 增大；而后随着颗粒被上升气流不断加速，u g 愈来愈小，直至热气流与颗粒间的相对速度等于颗粒在气流中的沉降速度，颗粒的绝对运动速度u m = u g - u t ，即颗粒进入等速运动阶段，且维持此速度直至干燥管出口。如图所示，颗粒在干燥管中的运动被分为加速区和恒速区两段。加速区与恒速区颗粒与气流之间的相对速度u r 不同，其热质传递规律也不同。

在等速运动区域，气固相间相对运动