化工原理課程設計(逆流回轉圓筒干燥器)解讀

1、刖目干燥技術的目的是除去某些原料、半成品及成品中的水分或溶劑，就化學工 業(yè)而言目的在于，使物料便于包裝、運輸、儲藏、加工和使用?；瘜W工業(yè)中的干 燥法有三類：機械除濕法、加熱干燥法和化學除濕法，加熱干燥法是化學工業(yè)中 常用的干燥方法。常規(guī)干燥設計是按經驗確定干燥介質（通常是空氣）的出口溫度，然后進行 干燥器的其他工藝參數(shù)及結構的尺寸的設計。干燥器的出口溫度選擇不當，會增 加干燥過程的總費用，因為干燥介質出口溫度是干燥器設計的重要參數(shù)之一，出 口溫度高則干燥介質濕度降低，干燥介質的耗用量增加，設備體積減小。出口溫 度低也不行，則使干燥介質耗用量少，干燥器體積增大。因而有必要對干燥器進 行優(yōu)化設計，

2、權衡設備投資費和干燥介質動力、干燥介質加熱和熱損失等操作費 用，使其年總費用最小，從工程經濟的觀點出發(fā)來確定干燥介質的出口溫度，達 到優(yōu)化設計的目的，節(jié)省干燥器的投資費和操作費。許多研究者對干燥系統(tǒng)的優(yōu) 化設計問題進行了深入的研究。提出的逆流回轉干燥器優(yōu)化設計模型將干燥器的 體積計算簡化成一個整體,且假設濕物料溫度自始至終處于濕球溫度，也就是說整 個干燥過程處于表面蒸發(fā)段;改進了逆流回轉干燥器優(yōu)化設計模型,將干燥器的體 積分為物料預熱段、表面蒸發(fā)段和物料加熱段三段計算，比較符合工程實際情況, 但其干燥器的造價與體積成線性關系，不符合實際情況。上述模型的求解均采用 落后的手工迭代計算。本文建立了

3、逆流回轉圓筒干燥器優(yōu)化設計新的數(shù)學模型，該模型中干燥器的造 價與干燥器體積成非線形關系，以年總費用最小為目標并利用黃金分割法來確定 干燥介質最佳出口溫度，且對其他輔助設備進行設計和選型，使之更符合工程實 際情況。干燥任務及設計方案的論證1.1 硫酸筱的性質和用途：(1)性質：無色結晶或白色顆粒。無氣味。280c以上分解。水中溶解度：0時41. 22g, 25c時43. 47g, 100時50.42g。不溶于乙醇和丙酮。0. Imol/L水溶液的pH為 5.5 o相對密度1.77 o折光率1.521。低毒，半數(shù)致死量， 有刺激性。有吸濕性，吸濕后固結成塊。加熱到513c以上完全分解成氨氣、氮 氣

4、、二氧化硫及水。與堿類作用則放出氨氣。與氯化鋼溶液反應生成硫酸銀沉淀。 也可以使蛋白質發(fā)生鹽析。(2)用途:一種優(yōu)良的氮肥，適用于一般土壤和作物，能使枝葉生長旺盛，提高果實品質 和產量，增強作物對災害的抵抗能力，可作基肥、追肥和種肥。能與食鹽進行復 分解反應制造氯化鐵，與硫酸鋁作用生成錢明磯，與硼酸等一起制造耐火材料。 加入電鍍液中能增加導電性。也是食品醬色的催化劑，鮮酵母生產中培養(yǎng)酵母菌 的氮源，酸性染料染色助染劑，皮革脫灰劑。此外，還用于啤酒釀造，化學試劑 和蓄電池生產等。還有一重要作用就是開采稀土，開采以硫酸鐵作原料，采用離 子交換形式把礦土中的稀土元素交換出來，再收集浸出液簡單過濾分離

5、后曬干成 稀土原礦，每開采生產1噸稀土原礦約需5噸硫酸筱。生物學上的用途也很多，多用于蛋白純化工藝方面，因為硫酸錢屬于惰性物質， 不易與其他生物活性物質發(fā)生反應，在純化過程中能最大程度的保護蛋白活性， 另外，硫酸鐵的可溶性極好，能形成高鹽環(huán)境，對于蛋白沉淀與后續(xù)的高鹽純化 做準備。1.2 干燥設備的簡介(特點，原理)以及選取依據(jù)(1)干燥設備工作原理：干燥過程需要消耗大量熱能，為了節(jié)省能量，某些濕含量高的物料、含有固體 物質的懸浮液或溶液一般先經機械脫水或加熱蒸發(fā)，再在干燥器內干燥，以得到 干的固體。在干燥過程中需要同時完成熱量和質量（濕分）的傳遞，保證物料表面濕分蒸汽分壓（濃度）高于外部空間

6、中的濕分蒸汽分壓，保證熱源溫度高于物料溫度。熱量從高溫熱源以各種方式傳遞給濕物料，使物料表面濕分汽化并逸散到外 部空間，從而在物料表面和內部出現(xiàn)濕含量的差別。內部濕分向表面擴散并汽化, 使物料濕含量不斷降低，逐步完成物料整體的干燥。物料的干燥速率取決于表面汽化速率和內部濕分的擴散速率。通常干燥前期 的干燥速率受表面汽化速率控制；而后，只要干燥的外部條件不變，物料的干燥 速率和表面溫度即保持穩(wěn)定，這個階段稱為恒速干燥階段：當物料濕含量降低到 某一程度，內部濕分向表面的擴散速率降低，并小于表面汽化速率時，干燥速率 即主要由內部擴散速率決定，并隨濕含量的降低而不斷降低，這個階段稱為降速 干燥階段。（

7、2）各種常見干燥設備的比較表一各種干燥器的比較干燥器種類特點適用情況回轉圓筒干燥器生產能力大，可連續(xù)操作；結構簡單，操作方 便；故障少，維修費用低；適用范圍廣，可以 用它干燥顆粒狀物料，對于那些附著性大的物 料也可分離；操作彈性大，清掃容易。但設備 龐大，一次性投資多：安裝、拆卸困難；熱容 量系數(shù)小，熱效率低：物料在干燥器內停留時 間長，且物料顆粒之間的停留時間差異較大， 因此不適合于對溫度有嚴格要求的物料。有懸浮液的溶液和乳狀液，以及用于其它 干燥方法易于熱分解的物料，如：染料， 陶瓷，奶粉、蛋白粉廂式干燥器構造簡單、制造容易、適應性強。但干燥不均 勻，干燥時間長，勞動強度大，操作條件差干燥

8、粒狀、片狀和膏狀物料，批量小、干 燥程度要求高、不允許粉碎的脆性物料， 以及隨時需要改變風量、溫度和濕度等干 燥條件的情況。氣流干燥器對流傳熱系數(shù)和傳熱溫度差大,干燥器的體積 小，干燥速率快，物料停留時間短，可在高溫 下干燥：熱利用率高；設備緊湊，結構簡單； 可以完全自動控制。氣流在系統(tǒng)中壓降較大；鈦鐵礦，合成樹脂，淀粉和礦渣等泥狀物 料干燥管長；在干燥過程中存在摩擦，易將產品 磨碎；分離器的負荷大。沸騰床干燥器顆粒在干燥器內的停留時間可任意調上氣流 速度小，物料與設備的磨損較輕，壓降??；傳 熱面大，物料的最終含水量低：結構簡單、緊 湊。因顆粒在床層中高度混合，則可引起物料 的短路和返混,物料

9、在干燥器內的停留時間不 均勻。適用于直徑在30mm6mm的粉粒狀物料。噴霧干燥器干燥時間短，適于熱敏性物料；所得產品為空 心顆粒，溶解性好，質量高；操作穩(wěn)定；能連 續(xù)、自動化生產：由料液直接獲得粉末產品， 省去了蒸發(fā)、結晶、分離和粉碎操作。體積傳 熱系數(shù)低：設備體枳龐大；操作彈性較小，熱 利用律低、能耗大。適用于熱敏性物質，如牛奶、藥品、染料 等。可制成粉狀產品。滾筒干燥器與噴霧干燥器相比具有動力消耗少、投資少、 維修費用省，干燥時間與干燥溫度容易調節(jié)等 優(yōu)點。生產能力、勞動強度和條件等方面不如 噴霧干燥器。適用于溶液、懸浮液、膠體溶液等流動性 物料的干燥。脈沖燃 燒干燥 器提高干燥速率2-3

10、倍；降低單位空氣耗量 30%-40%：避免了干燥器內部各處特征量的不 均勻分布，從而提高了產品質量：處理易于結 塊或團聚的粘性物料，不需要機械攪拌和粉 碎；分散液體，漿料和懸浮液不需要轉盤式霧 化器或高壓噴嘴：排入大氣中的空氣量少：燃 氣和產品的溫度低：系統(tǒng)不需要鼓風機干燥食品和生物制品文丘里 射流干 燥器空氣耗量低，約為普通干燥器的50%：由于 空氣內循環(huán)，使排氣管能量損失低：在系統(tǒng)入 口處，進料的分散性提高，為處理粘性物料提 供了可能：延長了重濕顆粒的停留時間。干燥農藥，化工粉料，聚合劑，顆粒尺寸 分布廣的物料也可進行干燥。旋轉噴 動床干 燥器單位水分蒸發(fā)量提高25%-30%：延長了物料

11、在干燥室中的停留時間，從而降低了物料的最 終濕含量顏料，惰性粒子環(huán)型干燥器干燥器內設置氣動篩分器，可以使某些物料 循環(huán)，選擇性地延長高濕含量顆粒的停留時 間可以有效地干燥生產量要求相當高的難 干物料，尤其適用于干燥在降速段易于 團聚的粘性物質（3） 用回轉圓筒干燥器干燥硫酸筱的原因被干燥物料的理化性質是決定干燥介質種類、干燥方法和干燥設備的重要因 素?；剞D圓筒干燥器一般適用于顆粒狀物料，而且適合連續(xù)大量生產，而硫酸核 是白色斜方晶系結晶，是顆粒狀物料，易溶于水，而且硫酸錢的干燥生產一般 來說也是要連續(xù)大量生產的，所以用回轉圓筒干燥器適合于干燥硫酸筱。物料的物性對設備選型的要求由于回轉干燥器的內

12、部結構型式多樣，所以在選擇設備型 式時要掌握所處理物料的形態(tài)、分散性、流動性、熱敏性、親水性等物性，使其在通過干燥 設備完成烘干過程中，既能達到工藝要求又不發(fā)生影響產品質量的物理或化學性能的變化?；剞D圓筒干燥器一般使用于顆粒狀物料，所處理的物料含水量范闈在325%,也有高達 50%的。干燥后的含水量可達到0。5%左右，甚至是0。1%。干燥器的長度通常在230m, 也有長達50m的，一般的L/D在670c物料在干燥器內的停留時間5分鐘到2小時之間。 其優(yōu)點是生產能力大，適用范圍廣，流體阻力小，操作上允許波動范圍較大，操作方便3。根據(jù)上述干燥任務可以認定使用回轉圓筒干燥器可以滿足本次任務的需要。1

13、. 3流程論證心”在干燥過程中，濕物料和載熱體流動方向有并流和逆流兩種。并流：物料移動方向與載熱體流動方向相同。干燥過程中濕含量高的物料與 溫度溫度最高而濕含量小的教熱體在進口端相遇，此處干燥推動力大。而在出口 端，則濕含量較小的物料和濕含量較大的載熱體相接觸，干燥推動力小。所以并 流的特點是推動力沿物料移動方向逐漸減小。在干燥最后階段，干燥推動力減小 到很小，干燥速度因此很慢，影響生產能力。但是由于出口端的物料處于溫度上 升階段，但因熱風溫度已下降，故產品的溫度升高也有限，因此，即使用較高的 熱風溫度，也不致?lián)p壞產品的質量。因此并流方式適合于以下物料的干燥：物料在濕度較大時，允許快速干燥而不

14、會發(fā)生裂紋或焦化現(xiàn)象。干燥后物料不能耐高溫，即產品遇高溫會發(fā)生分解、氧化等現(xiàn)象。干燥后的物料吸濕性很小，否則干燥后的物料會從載體中吸回水分，降低產品 的質量。逆流：物料移動方向與載熱體流動方向相反。在入口處，濕度高的物料與濕 度大、溫度低的載熱體接觸，在出口處，濕度低的物料與溫度高的濕度小的載熱 體相接觸，因此干燥器內各部分的干燥推動力相差不大，分布比較均勻。因而逆 流式適合用于將干燥產品加熱到某一溫度的場合，可以使產品含濕量達到很低。 逆流方式適合于下列物料的干燥：物料在濕度較大時，不允許有快速干燥，以免物料發(fā)生龜裂現(xiàn)象。干燥后的物料可以耐高溫，不會發(fā)生分解、氧化等現(xiàn)象。干燥后的物料具有較大

15、的吸濕性。要求干燥速度大，同時乂要求物料干燥程度大。逆流的缺點是入口處的物料溫度較低，而載熱體濕度很大，接觸時，載熱體 中的水汽會冷卻而冷凝在物料上，使物料濕度增加，干燥時間延長，影響生產能 力。（3）使用逆流流程的論證：采用逆流還是并流操作是由物料的性質和最終物料含 水量來決定的。只有寢含水量較高且允許快速干燥、干燥過程不會發(fā)生裂紋或焦 化現(xiàn)象，干燥后不耐高溫且吸濕性乂小的物料才適于用并流操作。逆流操作的傳 熱與傳質推動力較均勻，故適合于不允許快速干燥，而干燥后能耐高溫的物料。 通常逆流操作的物料出口含水量比并流操作的為低。而硫酸鉞本身相對吸濕性較小，不易結塊，溫度系數(shù)小而溶解度大（25度時

16、飽和溶液 為4。1M,即767克/升；0度時飽和溶解度為3。9M,即676克/升）,根據(jù)硫酸鐵本身的性質可以認定使用逆流操作可以滿足本次任務的需要。二.數(shù)學模型的建立（課件）在工業(yè)生產中，任一過程或裝置的選擇及確定，最終的目標及依據(jù)是要求完 成這一生產任務所需的總費用為最小。在總費用中，一般主要包括設備成本費及 操作成本費兩大項。物料在干燥器內進行干燥時，在其它參數(shù)確定后，干燥過程的操作費、設備 費及總費用與干燥器出口氣體（t2）的溫度關系如圖：圖比西用與出口溫度關系示靛圖1.干燥器年總費用JJ =GD+GHeat+GP+GLJ總費用，（元/年）；GD干燥設備年投資折舊費用（元/年）；GHea

17、t空氣年預熱費用（元/年）；GP風機年運轉費用（元/年）；GL干燥器年散熱損失費用（元/年）。1） 干燥設備年投資折舊費用GD（元/年）GD=a（M &SI）bVcFcYa 綜合指數(shù)，0.20.4;M& S I - 通貨膨脹系數(shù)，1000. 1 （95年，年增5 %）;b經驗系數(shù)；14 （材料為碳鋼的回轉圓筒干燥器）c指數(shù)；0. 66 （材料為碳鋼的回轉圓筒干燥器）Fc 設備費用年折舊率,a-l （510年）；Y 美元與人民幣的匯率；V干燥器體積。GD = f（y）絕干空氣用量L必須同時滿足：W = Gc（X1-X2） = L（H2-Hl）三、數(shù)學模型的求解(單變量函數(shù)最優(yōu)化的

18、直接搜索法)求單變量函數(shù)f(t2)的極小值(或極大值)的方法有兩類。一類是不需要計算 目標函數(shù)f(t2)的導數(shù)的，通常稱為直接法；另一類是需要計算導數(shù)f' (t2)的, 通常稱為微分法或間接法。由于工程問題的復雜性，在進行化工單元過程最優(yōu)化 時所建立的目標函數(shù)往往是無法求導的，只能用不需要求導數(shù)的各種直接搜索法 求軍。在求解前，先要確定極值點所在的區(qū)間a, b。并流:t2 G %)逆流：r2 %)1 .縮短搜索區(qū)間的一種方法(區(qū)間收縮法)在已經確定的極小值所在的區(qū)間a, b內，c, d兩點是把原區(qū)間a, b作對稱 分割(等距離分割)的兩個分點。令：c = (1 義) + Ab ci +

19、 A(/? ci)(1)d Au + (1 b A(b ci)(2)九一配置系數(shù),0v%2_< 1)若 f(c)f(d),最小值落在a, d上，去掉 b,令 al二a、bl=d,則a, d 構成一個新的搜索區(qū)間al, bl；(2)若f(c)>f(d),最小值落在c, b上，去掉a,令al二c、bl=b,則c, b構 成一個新的搜索區(qū)間al, bl；如此反復進行下去，函數(shù)極小值點所在的區(qū)間an, bn的長度將越來越短， 直到滿足精度要求的極小值點。如：bn- an<0. 00001()則J(t2opt)就是所求的最小值。為減少計算工作量，可以把落入新區(qū)間點作為新的對稱分割點之一

20、。對第一種情 況，al二a、bd,落入該區(qū)間點是c,就將c作為新的分割點之一 dl,由式(1)、 式(2)得：C 二(1一4) + /164 =+ (i4)a 44 +(i4)丸 + (1%)b., b - d = Aa + (l- A)b,. d、= c /. 4al +(1- 4)%Q + (1- 2)Z? = (1- 4)a + Ab推導得：4=y1-2見課件3 .根據(jù)優(yōu)化設計的結果對返潮進行校核根據(jù)t2=42.6331C,查表，由內插法得飽和蒸汽壓Ps=8477.72Pa同時空氣出口濕度H2=0. 0375kg/kg,根據(jù) H2 = 0.622Pw/(尸一尸卬)得：Pw=5761. 4

21、7PaPw<Ps ,則不會返潮4 .根據(jù)優(yōu)化設計的結果對填充率進行校核在填充率的運用中取值為10%這個經驗數(shù)值，有必要進行校核。首先是對停留時間T的詐伊：物料在轉筒松卿寸福必大陶產#斕赫的時間，才能保證產品的干燥要求。物料在 在轉筒內停留的時間與轉筒口蕤寸、運行條件、物料與氣體的相對流向等有關，可按下列經驗公式估算。0.23 xZ 10xZx v ，八T = -77T X 60Sxn09xD GcxJ 03一 一式中：r平均停留時間小)；Z一一轉筒長度(m):D一一轉筒直徑(m)；S轉筒傾斜率，等于轉筒軸線與水平線之間傾角的正切：n 轉筒轉速(rpm)；v氣體流量速度(kg/s)；Gc絕

22、對干料量(kg/s):顆粒平均直徑（um），其中干燥器直徑D= 1.3776m,長度Z=31.2916m絕干物料重量 Gc=G2/( 1 +0.2%)=6900/( 1+0.2%)=6886.23kg/h=1.91 kg/sdp=3.Omm=3OOO u m, n=l8 : s=00.1 ： (p=4Fm/ji*D2=TVs/V-=L(l + /72)= 16976.6910(l+0.0375)=436003600s為傾斜率，n為轉速。筒體轉速一般為：n二"42當D= 1.3776m時,n=8/l.3776=5.81D筒體的傾斜度一般為08。,取其傾斜度為1° ,故其轉筒的

23、斜率S=0.017'0.23x31.291610x31.2916 x 4.891 “/. r = 777777X 60 = S0.017 x 5.8109 x 1.37761.91 x 3000 05干燥器內的填充率等于平均停留時間和單位時間內加料體枳和轉筒干燥器的體積之比:G =G.x!x!= 6900x 1 +(U)6 X!= 2.03/5-1 + X, 36001 + 0.002 3600p=1.77kg/m3>G 2.03?Vs = - = 0.0011 m Isp 1770V轉筒筒體積，V=46.6147m3/s ；TVs 4661.2x0.0011 八八一（p = 0

24、.0782 = 11.00%V 46.6147所以填充率與所取的10%接近，說明優(yōu)化設計滿足要求4。.輔助設備的設計與選型在回轉圓筒干燥器的生產流程中，需要干燥的濕物料由皮帶運輸機或斗式提 升機送到料斗，然后經料斗的加料機通過加料管進入進料端。加料管的斜度大于 物料的自然傾角，以便物料順利溜入干燥器。干燥器圓筒式一個與水平線略成傾 斜的旋轉圓筒。物料由較高的一端加入，教熱體由低端進入，與物料成逆流接觸, 也有載熱體和物料一起并流進入筒體的。隨著圓筒的轉動，物料受重力作用運行 到較低的一端。濕物料在筒內前移的過程中，直接或間接地得到載熱體的給熱， 使?jié)裎锪系靡愿稍铮缓笤诔隽隙私浧C或螺旋輸出

25、機送出.干燥系統(tǒng)通過優(yōu)化設計得到最適宜的空氣出口溫度與濕度、絕干空氣用量、 干燥器體積后就可以進行干燥系統(tǒng)輔助設備選型設計計算。干燥系統(tǒng)的輔助設備 包括送風機、空氣過濾器、翅片式空氣加熱器、旋風分離器、袋濾器。1 .空氣過濾器的設計與選型卬卬空氣過濾器用以濾去空氣中的塵埃、煙灰、飛蟲等雜質?？諝膺^濾器按噴霧 室進風量確定過濾面積?？捎啥鄠€過濾單體組成。過濾單體可制成50*50cm左 右方形尺寸的過濾板，用鋼板制成框架，濾層厚約10cm左右。濾層材料一般采 用不銹鋼絲絨或玻璃絲，噴以輕質油(要求無味，無臭，無毒，揮發(fā)性低，化學 穩(wěn)定性高)，以增加除塵效果。當空氣通過空氣過濾器時候，空氣中雜質即被

26、阻 擋或為油膜吸附于濾層中。每隔一定時期拆下，用堿液和清水清洗，干燥后噴以 油質，再繼續(xù)使用。過濾大體應多備用數(shù)塊，以便及時輪換更新，保證正常生產。 濾層面積的決定，可按下式：F=Q/M；式中F過濾面積,n?Q通過過濾層之空氣量,m3/hM過濾強度，即濾層之單位面積所允許的空氣負荷，一般為4000 8000m3/(m2h),設計時選用以不超過2m3/( nfs)為宜，選M=5400 m3/(m2*h).o 空氣通過過濾層的阻力，可以按照下式計算Hf=4.9*S*V18式中：Hf空氣通過濾層時候的阻力(pa)；S濾層的厚度(cm)；V過濾速度m/s,即為1.5m/s (可由過濾的強度來選)；(1

27、)過濾器的濾層面積F的計算：通過過濾層的空氣量Q：273 + /273+23Q = M0.773 +1.224%)= 16976.6910x (0.773+1.244x 0.014) x= 13812.88/"?過濾強度M取5400m3/ (m2 h)13812.885400=2.5579/過濾單體取O.52xO.52=O.27nr的過濾板，所需要的塊數(shù)n=2.5579-0.27=9.47,所以需要10塊板。（2）空氣通過過濾層的阻力”，.計算:空氣過濾器的阻力一般不超過0.147-0.194kPao查濾塵器技術參數(shù)表可知 厚度有7 cm和12 cm兩種，我們取濾層的厚度S取12cm

28、。過濾速度v=1.5ni/s：H, =4.9xS XV18 =4.9xl2xl,518 = 0.12 尸av 0.137Ap所以可以初步確定選用LWP-D型空氣過濾器和LWP-X （Hf=0.071kPa）型空氣 過濾器，但因為LWP-D型空氣過濾器的參考價格為80元，而LWP-X型空氣過 濾器的參考價格為60元，所以從經濟角度考慮應選哈爾濱通江暖風機廠生產的 LWP-X型空氣過濾器。2.翅片式空氣加熱器的設計和選型卬（t應比H高15-20）新鮮空氣經空氣過濾器過濾后，需加熱到140-160C進入噴霧干燥室，加熱方 法一般采用間接加熱，即通過傳熱壁使新鮮空氣提高溫度，熱源有煙道氣和蒸汽 兩種。

29、利用煙道氣加熱的設備結構簡單，但溫度的控制較困難，傳熱壁易氧化， 接縫處易開裂，致使煙道氣混入熱空氣而污染制品。因此，采用蒸汽間接加熱的 空氣加熱器較普遍。翅片式是蒸汽加熱器中的一種，由多塊蒸汽散熱排管組合而成，蒸汽排管用 紫銅或鋼管制成，管外繞以增加傳熱效果之翅片，翅片與管子表面具有良好的接 合。（1）確定翅片式空氣加熱器中加熱蒸氣的飽和溫度ts為滿足傳熱要求，取ts=142,比tl溫度高15-20C（2）計算參數(shù)F選擇排管數(shù)并確定表面風速Uao參數(shù)尸=仁上=上工.=0.85t $ T 0142 23由散熱排管的蒸汽加熱性能曲線查得6R、7R、8R、9R型排管均適合，因為6R、 7R型排管的

30、表面風速較低，傳熱效果差，且需要較大的受風面積，而9R型排管的表 面風速大，流動阻力大，所以權衡利弊取8R,即8個排管，表面風速由縱坐標查得 ua=4.85ni/s(3)根據(jù)翅片式空氣加熱器中空氣在標準狀況下的體積、流量，由下式計算排管 受風面積As：As=Vhs/(3600ua)式中：As為排管受風面積，nRVhs為標準狀況下空氣體積流量，nf/h；Ua為表面風速，m/s；Vhs=L(0.773+1.244H0)= 16976.6910*(0.773+1,244*0.014)= 13418.65m3/ha16976.6910x (0.773 +1.244x 0.014)，Aa = 0.768

31、/3600x4.85(4)根據(jù)受風面積及排管型式選擇適宜的翅片空氣加熱器型式查S型散熱排管基本參數(shù)表可得S-2R-12-78型的翅片式空氣加熱器的受風面 積0.880m2最接近0.847nf,故選用S-2R-12-78型的翅片式空氣加熱器。因為有 步驟2確定必須采用8R型的排管，所以需要將4臺單臺排管數(shù)為2,散熱面積 為20.25m2,通風凈截面積Af為0.468m?的翅片式空氣加熱器串聯(lián)作才能滿足 要求。(5)計算翅片式空氣加熱器加熱濕空氣所需要的熱量Q：Q =-) = 16976.6910x(1.01 + 1.88x0.014)x(124-23)=1776921.73U/1 = 493.5

32、MW6、計算翅片式空氣加熱器的傳熱系數(shù)KK=0.01977GO608 4)式中：K為總傳熱系數(shù),KW/( nr*K)；G 為濕空氣質量流速，kg/( nr*s), G=L( 1+Ho)/Af ；Af為通風凈截面積，nf；“為總傳熱系數(shù)修正系數(shù)。取8R型的為0.765 濕空氣的質量流速: r/i,u16976.6910x(1 + 0.014)/ 2h( 2、G = L( + A/o)/Af =()4eg= 36782.83攵g/(z ) = 10.22kg。" s)由S型散熱排管傳熱系數(shù)的修正常數(shù)圖，查得8R型排管的傳熱系數(shù)修正系數(shù)。為0.765；AT = 0.01977 G06<

33、;>V = 0.01977 x 10.22°608 x 0.765 = 0.0621 W/("/K)7、計算傳熱推動力 4 =小一仁21 = 142-上匕U = 685C 8、校核傳熱面積是否滿足工藝要求濕空氣在翅片式空氣加熱器中從23°C加熱到124C,所需的傳熱面積為493.590.0621x68.5=116.03 m 2四臺S-2R-12-78型的翅片式空氣加熱器的總傳熱面積A 實=4x29.25 = 117/A女A泥；所以該換熱器能滿足工藝要求。3 .旋風分離器的設計和選型旋風分離器是廣泛應用的一種除塵設備，其主要原理是利用旋轉的含塵氣體 所產生的離

34、心力，將粉塵從氣流中分離出來。其特點是結構簡單、造價低廉、制 作容易、管理方便、操作可靠，捕集性能好。對于含塵量很高的氣體同樣可以直 接分離，并且壓力損失也比較小。它不僅適合與干燥裝置從廢氣中分離粉末，還 普遍應用于干燥制品的風力輸送中物料分離。但由于旋風分離器僅對數(shù)微米以上 的粗粉塵非常有效，可是工業(yè)粉塵一般多在數(shù)微米以下，因此主要用旋風分離器 作為第一級除塵，或作為通過凝集裝置后的除塵器。本次優(yōu)化設計將旋風分離器 作為第一級除塵器。旋風分離器的性能有三個技術性能，即處理量Q,壓力損失尸及除塵效率" （影響因素：粉塵的性質，濃度、濕度及漏風大小）三個經濟指標。在評價和選 擇旋風分離

35、器的時候，要全面考慮這些因素。理想的旋風分離器必須在技術上能滿足工藝生產及環(huán)境保護對氣體含塵的要求，并且在經濟上是最合算的。在具體 設計選擇型式時，要結合生產實際，處理好三個技術指標的關系。設計及選用步驟：常壓下，粉塵重度為rc=1960kg/m3；空氣黏度為41.8X IO& kg . s/m2.空氣重 度 ryL29 kg/m33.1. 確定旋風分離器的進口速度，/：旋風分離器進口氣速在1025m/s范圍，根據(jù)經驗值取18m/s3.2. 確定旋風分離器的幾何尺寸（1）進口面積弓計算：處理的氣量273 +42.6331273Q'= Qsh = L(0.733 +1.244H2

36、)"二 =16976 .6910 x(0.773 +1.244 x 0.0375)x= 16087 .97 m3/?Fj = a xb =16087.973600x18=0.248/n2取a = 2，則 a=O.7O5m, b=0,352m。(2)筒體尺寸筒體直徑 = 4Z? = 4 x 0.352 = 1.408 m筒體長度 = L5。=1.5x1.408 =2.112？(3)錐體尺寸錐體長度”一力=2£>0 =2x1.408 =2.8 排灰 口直徑 D =0.25Dn =0.25x1.408 =0.352 6(4)出口管直徑de與插入深度hede = 0.5D()

37、= 0.5 x 1.408 = 0.704/?he = O.4Do =0.4x1.408 = 0.5632; 33壓力損失的計算根據(jù)sh叩herd-lapple的壓力損失公式4 = K 絲=12x °7°5 x 0 3" = "K為比例系數(shù),螺旋面加，K=12）， d；0.7042vf2182AP = / = 6xxl.29 = l 27.92“、O2g2x9.81所以根據(jù)算出的筒體尺寸，經過圓整，D= 1600mm,進口氣速為18m/s,選取 CTL18旋風除塵器，處理氣量為172001/h,筒體直徑為1890mm。（爾力損 失？）4 .袋濾器的設計和

38、選型袋式除塵器是一種高效率的除塵器。它亦能直接收到干燥產品。適用于捕 集非粘結、非吸濕及非纖維性的粉塵，處理初濃度為0.000l1000g/m這種除 塵器利用多孔纖維材料對含塵氣體進行過濾，使粉塵與氣體分離，其主要原理是: 粉塵通過濾布時產生篩分、慣性、黏附、擴散和靜電等作用二被捕集。一般是用 纖維材料作成圓筒形，所以也叫袖袋除塵器。這種除塵器的清灰有機械振打，人 工振打，脈沖噴吹，氣環(huán)反吹等不同方式。濾袋材料有毛，棉織品，玻璃纖維， 合成纖維等。如果濾布選用恰當，風速合適，袋式除塵器的除塵效率一般可達 99%左右。4.1 袋濾器的負荷的選擇原則：壓力損失應適當，根據(jù)不同級的除塵而確定壓力損失

39、。（1）氣體含塵濃度高時，選取低負荷；氣體含塵濃度低時，選取高負荷。（2）除塵器連續(xù)操作時間長的選取低負荷，連續(xù)時間短的選取高負荷。（3）清灰周期長的選取低負荷，清灰周期短的選取高負荷。4.2 濾袋過濾面積的確定處理含塵氣體量?！保?73 +42.6331273Q'= Qsh = L(0.733 +1.244H2).”二 乜=16976 .6910 x(0.773 +1.244 x 0.0375)x = 16087 .97/負荷q即為每小時每平方米濾布處理的氣體量，取27.5/（小加2）,所以濾袋的 過濾面積4.3 濾袋個數(shù)的確定濾袋直徑由濾布規(guī)格確定。通常在使用中盡量使用統(tǒng)一規(guī)格，以

40、便檢修和更換, 常用的是。200 300。為便于清灰，濾袋可做成上口小下口大的形式；濾袋 長度對除塵效率和壓力損失無影響，一般取35m。取濾袋直徑D=0.23m0所以：7tDL 3.14x0.25x5= 149.05所以取150個濾袋。4.4 濾袋的排列方式正方形的排列方式較經常使用，當濾袋的直徑取在250mm時，間距選取為300mm,5 .風機的設計和選型在干燥裝置中，風機所需要的風量是根據(jù)濕空氣的體積流量而定的，濕空氣的流 量：Q = L(O.773 + L224o)=16976.6910 x (0.773 +1.244 x 0.014) x273+23= 13812.88/?選擇風機時，

41、需要考慮漏風及儲備，所以上述的濕空氣流量需要乘以1.5的系數(shù),即：Q=1.5X13812.88=20719.32 m3/h該風機達到所需風量，風壓的目的，具有效率高，噪聲低，能耗省,運轉平穩(wěn)等。符合 操作設計條件，經濟上可行。五.設備間管子的選用網1.進風段:4 =上 （Ql為進風空氣流量，m%;u為空氣流速，在1115m/s范圍內, 7TXU取 15m/s）Qi = L(0.773 + L224”u)273十 九273=16976.6910 x (0.773 + 1.244 x 0.014) x273 + 23273= 13812.8&“3/? = 3.84m3/s（40/,Ux3.

42、84 n 力4 =.= 571 7Tx u v 3.14 x 15查選用公稱直徑為600mm,外徑為610mm的承插式鑄鐵管。將公稱直徑600mm代入4 =1-進行校核得：u=13.59m/s,在ll15ni/s范圍內。 XU2 .排風段（即廢空氣進入旋風分離器和袋式除塵器階段）：",=:上 （Q2為廢空氣流量，nf/s;u為空氣流速，在1115m/s范圍內，取 7TXU15ni/s)273 +42.6331273Q = Qph = L(0.733 +1.244/7,) 二=16976 .6910 x(0.773 +1.244 x 0.0375)x = 16087 .97w3/ =

43、4.47m3/427TXU4x4 47：=0.616/n = 6163.14x15查12可得d2公稱直徑700mm；實際外徑為738mm的承插式鑄鐵管將公稱直徑700mm代入出=/必進行校核得：u=11.62m/s,在范圍內。3 .加熱器與干燥器之間的管路空（Q3為熱空氣流量，m%;u為空氣流速，在1115m/s范圍內，取 % X U15m/s)Q = 2(0.733 + L244 “ J 271勺273 +124 =16976 .6910 x(0.773 + 1.244 x 0.014)x=19513 56?3/ = 5420/3/s4x5.4203.14x15=0.678 m = 678

44、mm查12可得d2公稱直徑為700mm；實際外徑為738mm的承插式鑄鐵管將公稱直徑700mm代入么=進行校核得：uT4.09m/s在ll15ni/s范圍 7TXU內。所以取送風段選用公稱直徑。$ = 600的承插式鑄鐵管，排風段選用 Ds=700mm的承插式鑄鐵管，加熱器與干燥器之間的管路選用Ds=700mm的承 插式鑄鐵管六.設計結果匯總及討論1 .工藝計算結果匯總及討論表2.優(yōu)化設計的結果與校核結果進行比較參數(shù)校核程序結果優(yōu)化設計結果最佳空氣出口溫度t243. 9642. 6331干燥系統(tǒng)總費用J （元/年）227549.08221205. 8959計算t2迭代次數(shù)2934干空氣用量L

45、（Kg/h）17352.61516976.6910空氣的出口濕度H20. 0370. 0375干燥器直徑D （m）1.3951. 3776干燥器體積V （n）49. 7346. 6147干燥系統(tǒng)設備費Gd （元/年）113755. 42109000. 822干燥器散熱損失費Gl （元/年）4258. 014001.0261風機運轉費Gp3863. 114190. 1572空氣預熱費GHeat105672. 54104013. 8940預熱段體積Vi(m3)14. 74310. 9427蒸發(fā)段體積Vn (m3)30. 7230. 5281加熱段體積Vin (m3)4.2685. 1439總體積V

46、 (n?)49. 73146. 6147空氣離開預熱段溫度t' ()110. 329106. 8881空氣離開蒸發(fā)段溫度t" ()56. 10951. 4999物料蒸發(fā)段溫度tw()38. 56134. 4551預熱段消耗熱量Qi(KcaLOi)54105. 88638875.5377蒸發(fā)段消耗熱量Q,i(Kcal/h)231733. 3730. 5281加熱段消耗熱量Q川(Kcal/h)58428. 39371953.9446干燥器的長度Z(m)32. 5531. 29162 .輔助設備的選型匯總表3.輔助設備選型表空氣過濾器LWP-X10塊板袋濾器翅片式空氣加熱器S-2R

47、-12-784臺風機旋風分離器CTL-18管子選用承插式鑄鐵管： 送風段= 600mm，排風段 Ds=7000mm, 加熱器與干燥器之間的管路Ds=700mm3 .分析與討論本次課程設計建立回轉圓筒干燥器優(yōu)化設計模型，用黃金分割法求解最佳出口溫度t2,以獲得最小年費用J。比較程序優(yōu)化設計出來數(shù)據(jù)與校核數(shù)據(jù)，兩者 還是有一定的差距。本次優(yōu)化設計的任務是要求將6%的硫酸鍍濕物料干燥到0.2%,產品量是要 求6900kg/h,具體的條件是環(huán)境溫度是23,經預熱過的空氣溫度124；物料 進口并流溫度24,出口溫度56C,干物料比熱是2.008KJ/Kg-K；每年的生 產時間是7200h/年，即300天

48、/年。若是處理量，干基或者操作方式不同都會使 結果發(fā)生變化。先討論處理量G2,濕物料的干基XI以及流程不同選擇對結果產 生的影響。（1）保持其他條件不變，只改變處理量G2。（逆流，干基x廠6%）表4.不同G2的數(shù)據(jù)結果(kg/h)參數(shù)54005900640069007400最佳空氣出口溫度t243. 9643. 9643. 9643. 9643. 96干燥系統(tǒng)總費用J（元/年）178300.38194723. 36211139.41227549.08243952. 83計算t2迭代次數(shù)2929292929干空氣用量L （Kg/h）13580. 28814837. 74316095. 17917

49、352.61518609. 996空氣的出口濕度H20. 0370. 0370.0370. 0370. 037干燥器直徑D （m）1.2341. 291.3441. 3951. 445干燥器體積V （nf）34. 4339. 32144.42449. 7355. 233干燥系統(tǒng)設備費Gd（元/年）89244.5997421. 54105591. 67113755.42121913. 59干燥器散熱損失費Gl （元/年）3332. 363640. 93949. 464258. 014566. 58風機運轉費Gp （元/ 年）3023. 33303. 243583.173863. 114143.

50、03空氣預熱費GHeat （元/年）82700. 1390357. 6898015. 11105672. 54113329.63干燥器的長度Z（m）28. 8030. 1031.3232. 5533. 70從表4中可以看出，當產品處理量改變時，隨著處理量的增加，最佳空氣出 口溫度，濕空氣出口的濕度不變，總費用J逐漸增加，基本成正比的關系。絕干空氣的需求量不斷增加，也呈正比例的趨勢，所需干燥設備的直徑D,體積V, 長度Z也隨著增加，此時干燥系統(tǒng)設備費也相應增加，同時Gl, Gp, Gheat也 增加。（2）保持其他條件不變，只改變濕物料的干基XI （逆流，G2=6900kg/h）表5 .不同xl

51、的數(shù)據(jù)結果參數(shù)15678最佳空氣出口溫度t242. 61343. 39643. 9644. 44144.869干燥系統(tǒng)總費用J （元/年）171214.49199333. 47227549. 08255831. 61284163.24計算t2迭代次數(shù)2929292929干空氣用量L （Kg/h）12998. 52315177. 64317352.61519538.75221737. 974空氣的出口濕度H20. 0340. 0360. 0370. 0380. 039干燥器直徑D （m）1.2021.3031.3951. 4831.566干燥器體積V （n中）32.53340. 78749. 7

52、359. 25569.308干燥系統(tǒng)設備費Gd（元/年）85966. 7499803.36113755.42127703. 26141618. 63干燥器散熱損失費Gl（元/年）3196. 633723. 364258. 014793. 065327.08風機運轉費Gp （元/ 年）2893.783378. 913863. 114349. 84839. 39空氣預熱費GHeat （元/年）79157. 3492427.57105672.54118985.49132378. 14干燥器的長度Z（m）28. 6830.6032. 5534.3236. 00從表5中可以看出，但濕物料的干基增加時，空

53、氣出口溫度逐漸增加；總費 用增加的明顯而且?guī)缀醭收壤桓煽諝獾挠昧恳渤收壤内厔菰黾?；空氣?口濕度增加較處理量的改變明顯；所需干燥設備的直徑D,體積V,長度Z也隨著 增加，此時干燥系統(tǒng)設備費也相應增加，同時Gl, Gp, Gheat也增加。（3）保持其他條件不變，只改變流程方式。（Xl=6%, G2=6900kg/h）表6.不同HO的數(shù)據(jù)結果參數(shù)逆流并流最佳空氣出口溫度t243. 9661.832干燥系統(tǒng)總費用J （元/年）227549.08265999. 05計算t2迭代次數(shù)2928干空氣用量L （Kg/h）17352.61522550. 873空氣的出口濕度H20. 0370. 03

54、2干燥器直徑D （m）1.3951.628干燥器體積V （mD49. 7353. 355干燥系統(tǒng)設備費Gd （元/年）113755. 42119161. 79干燥器散熱損失費Gl （元/年）4258. 014488. 43風機運轉費Gp （元/年）3863. 115020. 37空氣預熱費GHeat （元/年）105672. 54137328. 46干燥器的長度Z（m）32. 5525. 64從表6.可得，并流較逆流而言，最佳空氣出口溫度變大，總費用提高，干燥 裝置設備的直徑D,體積V均變大，長度Z變小；對絕干空氣的需求增大；對空氣 的出口濕度H2影響變化不大。由此可見對工業(yè)要求是由外界多方面

55、所決定的。而我們要根據(jù)生產的要求找 到最優(yōu)化的生產工藝，從而使得在能源，經濟上到達最節(jié)約。（4）在本次設計的風機選型中，由于忽略了翅片式加熱器和管道了阻力，使得 風機的全風壓減小，因此在選用風機的型號時會有所誤差存在。并且風機是強耗 電的設備，它是否節(jié)能將關系到總費用的多少，因此在實際生產中還應注意到風 機的節(jié)能問題，可以以新型高效葉輪取代氣動性能差的舊式葉輪；如果風機提供 的流量比設備系統(tǒng)所需要的流量大得多，可以考慮用尺寸較小的葉輪代替原來較 大的葉輪；如果風機的風量和風壓都有很大的余量，可以將葉片截短；如果風機 風壓偏高，可以考慮減少葉片數(shù)和減小葉片出口角；葉片形狀的改進也可以收到 節(jié)能的效果；如果軸流式風機所需要的風壓較低，可以考慮卸掉部分葉片；將老 式離心風機葉輪的平直板前盤改為圓弧形前盤，可以使效率明顯提高。在不同的場