【正文】 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第1章 緒論ZL1575振動流化床干燥機結(jié)構(gòu)設計第1章 緒論8 概述干燥通常是指熱量加熱于濕物料并排除揮發(fā)性濕分（大多數(shù)情況下是水），而獲得一定濕含量固體產(chǎn)品的過程。濕分以松散的化學結(jié)合形式或以液態(tài)溶液存在于固體中，或積集在固體的毛細微結(jié)構(gòu)中。這種液體的蒸汽壓低于純液體的蒸汽壓，成為結(jié)合水，而另一部分游離在表面的濕分就是自由水。大多數(shù)情況下，熱量先傳到熱物料的表面然后傳入物料內(nèi)部，首先液體以蒸汽形式從物料表面排除，此過程的速率取決與溫度、空氣溫度、濕度和空氣流速、暴露的表面積和壓力等外部條件，此過程成為外部條件控制過程，也稱為恒速干燥過程；然后物料內(nèi)部的濕分的遷移是物料性質(zhì)、溫度和濕含量的函數(shù)，此過程稱為內(nèi)部條件控制過程，也稱為降速干燥過程。將物料除去水分或其他揮發(fā)成分的操作，通常各種產(chǎn)品的含濕量都有一定的要求，以便于貯存、運輸、加工和使用。干燥是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一種加工工藝，據(jù)統(tǒng)計資料表明，我國干燥能耗約占整個加工過程總能耗的，但干燥過程的熱效率很低特別是對流干燥一般只有20%～60%，這主要是由于干燥過程廢氣的直接排空，不僅因為廢氣帶走余熱浪費能源，而且一些有毒的產(chǎn)品進入大氣污染空氣，進入70年代以來能源問題在世界各國引起普遍的重視，干燥加工是一項耗能巨大的作業(yè)過程，據(jù)英國對11種行業(yè)的統(tǒng)計，%；意大利科學家的調(diào)查則顯示，水稻干燥加工的能源消耗占水稻生產(chǎn)加工總能耗的64%。自20世紀70年代初發(fā)生石油危機以來，世界各國均對干燥加工的節(jié)能技術(shù)展開了廣泛而深入的研究，我國也將“開發(fā)與節(jié)能并重，近期把節(jié)能放在首位”作為能源方針，因此，干燥過程中的能源問題也日益被人們重視。目前，化工產(chǎn)品干燥的設備種類繁多，特點各異，對干燥的效果要求也越來越高。干燥設備研制向?qū)I(yè)化方向發(fā)展，干燥設備應用極廣，遍及國民經(jīng)濟各部門，而且需要量也很大，因此為干燥設備向?qū)I(yè)化方向發(fā)展的基礎。干燥設備的大型化、系列化和自動化從干燥技術(shù)經(jīng)濟的觀點來看，大型化的裝置，具有原材料消耗低、能量消耗少、自動化水平高、生產(chǎn)成本低的特點。設備系列化，可對不同生產(chǎn)規(guī)模的工廠及時提供成套設備和部件，具有投產(chǎn)快和維修容易的特點。振動流化床作為一種成功的改型流化床，在近30年時間里獲得了突飛猛進的發(fā)展。國外，如丹麥、瑞士、日本、法國等，均每年向工業(yè)界提供大批這種干燥設備，應用在乳品、糖精、鹽、化肥、聚酯、飼料、化工產(chǎn)品等各個領(lǐng)。裝置逐漸向?qū)I(yè)化及大型化發(fā)展。針對具體物料的振動流化床技術(shù)日趨成熟，如丹麥的NIRO公司用在乳品干燥上，瑞士SULZER公司用在化肥和精鹽上，這都是很成功的例子。為追求更大的單機生產(chǎn)率和綜合經(jīng)濟技術(shù)指標。法國高梅薩公司開發(fā)了分布板面積26的振動流化床，大型化的發(fā)展勢必會進一步推動研究，我國自70年代起，也開始了振動流化床工業(yè)應用的研究，如上海第六制藥廠于1976年試制于用于糖精鈉的振動流化床干燥器，節(jié)約廠房3000，勞動力2～3人，生產(chǎn)能力提高7～8倍，同時期，廣州廣利糖廠和黑龍江乳品研究所也試制了不同結(jié)構(gòu)的振動流化床。到了80年代，我國振動流化床的生產(chǎn)與應用進入了高速發(fā)展階段，相繼出現(xiàn)了一些專業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)振動流化床的工廠。從1982年開始至今，平均每年向社會推出約200臺這種干燥機。應用的行業(yè)也開始由制藥，乳品等行業(yè)發(fā)展到輕工、化工、飲料、食品、礦冶、飼料、化肥、種籽等行業(yè)。振動流化床干燥機工作是由振動電機或其他方式提供激振力，使物料在空氣分布板上跳躍前進，同時于分布板下方送入的熱風接觸，進行熱、質(zhì)傳遞。下箱體為床層提供了一個穩(wěn)定的具有一定壓力的風室。交接引風機，使上箱體中床層物料上部保持微負壓，維持良好的干燥環(huán)境并防止粉塵外泄。空氣分布板支撐物料并使熱風分布均勻。物料經(jīng)給料器均勻連續(xù)的加到振動流化床中，同時，空氣經(jīng)過濾后，被加熱到一定溫度，由給風口進入干燥機風室中。物料落到分布板上后，在振動力和經(jīng)空氣分布板均風的熱氣流雙重作用下，呈懸浮狀態(tài)與熱氣流均勻接觸。調(diào)整好給料量、振動參數(shù)及風壓、風速后，物料床層形成均勻的流化狀態(tài)。物料粒子與熱介質(zhì)之間進行著激烈的湍動，使傳熱和傳質(zhì)過程得以強化，干燥后的產(chǎn)品由排料口排除，蒸發(fā)掉的水分和廢棄經(jīng)旋風分離器回收粉塵后，排入大氣。工業(yè)應用中已經(jīng)出現(xiàn)了許多不同結(jié)構(gòu)形勢的振動流化床，有對流型、傳導型、輻射型。在各大工廠、企業(yè)創(chuàng)造利益的同時，都十分重視在工作過程中的環(huán)保措施、降低噪音的措施和防止粉塵污染的措施。這些方法也正在逐步完善，向成熟化，專業(yè)化邁進。 干燥過程基本原理 恒速干燥過程此階段即干燥的初始階段，在排除非結(jié)合表面濕分時特別重要，因為物料表面的水分以蒸汽形式通過物料表面的氣膜向周圍擴散，這種傳質(zhì)的過程伴隨這傳熱的進行，強化傳熱便可加速干燥。此過程的干燥速率主要取決于干燥介質(zhì)的溫度、濕度、空氣流速和方向、物料的物理形態(tài)等外部條件。此過程稱外部條件控制過程，也稱恒速干燥過程。 降速干燥過程此階段級在物料表面沒有充足的自由水分時，熱量傳至濕物料后，物料就開始升溫并在其內(nèi)部形成溫度梯度，使熱量從外部傳入內(nèi)部，而濕分從物料內(nèi)部向表面遷移，這個過程因物料結(jié)構(gòu)特征不同而不同。在臨界濕含量出現(xiàn)至物料干燥到很低的最終濕含量時，內(nèi)部濕分遷移成為控制因素。在允許情況下，減小物料的尺寸，以降低濕分的擴散阻力是很有效的，實施振動、脈沖、超聲波有利于內(nèi)部水分的擴散。而一些外部可變量，如空氣用量通常會提高表面蒸發(fā)速率。此過程稱內(nèi)部條件控制過程，也稱降速干燥過程。 干燥速率曲線圖中，AB段為初始過渡段，BC段為恒速干燥段，CD段為降速干燥段。在干燥的初始過渡階段，干燥速率可能高于或低于段恒速段的干燥速。這是因為如果物料的初始溫度低于干燥條件下的濕球溫度（恒速段的物料溫度），則不可能開始恒速干燥，而物料要先吸收熱空氣的熱量進行預加熱，由于加熱耗費了一定量的能量，所以干燥速率低于恒速段的干燥速率；反之，如果物料的初始溫度高于干燥條件下的濕球溫度，則多余的能量用來加速物料的蒸發(fā)過程，導致其干燥速率高于恒速段的干燥速率。而在實踐當中，最初的原料可能具有很高的濕含量，而產(chǎn)品可能也要求較高的殘留濕含量，則整個干燥過程可能都一直處于恒速階段。但是在大多數(shù)情況下，以上兩種階段都存在。并對難于干燥的物料，降速階段就很重要，干燥時間也很長。并且，空氣速度、溫度、濕度、物料厚度及床層深度對傳熱速率的影響也很大。當擴散速率是控制因素時，即在降速階段，干燥速率則會隨物料厚度的平方變化。而且在干燥原理中，對物料的干燥特性的研究是十分重要的。 濕氣體和濕物料的性質(zhì) 濕氣體的性質(zhì)大多數(shù)工業(yè)干燥過程均采用預熱后的空氣作為干燥介質(zhì)?？諝馐呛猩倭克魵獾囊环N氣體混合物。預熱后的空氣在與濕物料接觸時把熱量傳遞給濕物料，同時帶走從濕物料中逸出的水蒸氣，從而達到濕物料干燥的目的。 濕物料的性質(zhì)待干物料通常是由各種類型的干骨架（絕干料）和液狀濕分組成的濕物料。不同的濕物料具有不同的物理、化學、結(jié)構(gòu)力學、生物化學等性質(zhì)。雖然所有參數(shù)都會對干燥過程產(chǎn)生影響，但最重要的因素是濕分的類型及其與骨架的結(jié)合方式。干燥過程中常見的物料有成千上萬種，按照物料的吸水特性分為以下幾種：(1) 非吸濕毛細孔物料。其特征為：具有明顯可辨的孔隙，當完全被液體飽時，空隙被液體充滿，而當完全干燥時，空隙中充滿空氣；可以忽略物理結(jié)合濕分，即物料是非吸水的；物料在干燥期間不收縮。此類的有砂子、碎礦石、非吸濕結(jié)晶、聚合物顆粒和某些瓷料。(2) 吸濕多孔物料。其特征為：具有明顯可辨的孔隙；具有大量物理結(jié)合水；在初始干燥階段經(jīng)常出現(xiàn)收縮。此類的有粘土、分子篩、木材和織物等。(3) 膠體（無孔）物料。其特征為：無空隙，濕分只能在表面汽化；所有液體均為物理結(jié)合。如肥皂、膠、某些聚合物（如尼龍）和各種食品等。 干燥過程中的熱質(zhì)傳遞濕物料的干燥過程是一個物料內(nèi)部以及物料表面與干燥介質(zhì)間的邊界層內(nèi)熱量和質(zhì)量耦合傳遞的過程。恒定的對流干燥條件下（干燥介質(zhì)的流量、溫度、濕度不變）熱空氣環(huán)繞濕物料流過，從而將本身的熱量傳遞給濕物料，同時又將濕物料中蒸發(fā)出的水蒸氣帶走，從而達到干燥的目的。在熱量傳遞過程中，邊界層的對流換熱強度只取決于物料外部的干燥介質(zhì)條件，如風溫、風速、風的濕度、物料表面形狀等外部條件，與物料本身的性質(zhì)無關(guān)，所以稱邊界層的對流換熱為“外部條件控制的換熱過程”。其換熱速率和熱通量由對流換熱方程計算。而物料內(nèi)部的熱傳導速率只與物料的物理特性（如熱導率、物料成分、結(jié)構(gòu)等因素）有關(guān)，而與外部條件無關(guān)，稱為“內(nèi)部條件控制的導熱過程”。其導熱速率和熱通量由導熱方程計算。同理，物料內(nèi)部的水分傳遞過程也與上述熱量傳遞過程類似，不過傳遞方向相反，是有里向外進行。水分傳遞過程中，邊界層的對流傳質(zhì)過程亦只與物料外部的干燥介質(zhì)條件，如風溫、風速、風的濕度、物料表面形狀等外部條件有關(guān)，與物料本身的性質(zhì)無關(guān)，稱邊界層的對流傳質(zhì)為“外部條件控制的傳質(zhì)過程”。而物料內(nèi)部的質(zhì)量擴散速率只與物料的特性（如質(zhì)量擴散系數(shù)、物料成分、結(jié)構(gòu)等因素）有關(guān)，而與外部條件無關(guān)，稱為“內(nèi)部條件控制的擴散過程”。其擴散速率和質(zhì)量通量由質(zhì)量傳遞方程計。干燥過程中處理的物料種類極其繁多，物料特性千差萬別，為了適應不同物料的干燥特性，干燥設備的類型就必然是多樣性的。由于干燥裝置組成單元的差別、供熱方法的差別、干燥器內(nèi)空氣與物料的運動狀態(tài)的差別等，又決定了干燥設備結(jié)構(gòu)的復雜性。 干燥過程的能源干燥操作所用的能源主要是熱源。一般干燥熱源的燃料可分為氣體、液體和固體燃料。目前，還有紅外線干燥和遠紅外干燥的熱源等，太陽能被認為是免費的能源，但在干燥過程中的應用，但受到地理條件的限制。通常把干燥過程中蒸發(fā)1㎏水分所消耗的能量稱為單位能耗。 干燥裝置的能量利用率干燥裝置的能量利用率或干燥器的熱效率是衡量一個干燥過程或干燥器在能量利用上優(yōu)劣的一項重要指標，通過對過程或設備的能量利用率或熱效率的計算，可以發(fā)現(xiàn)操作過程能量消耗的分配情況，從而為采取相應措施來降低能耗提供了方向。所謂干燥裝置的能量利用率是指裝置脫去水分所需要的能量與供給裝置能量之比，即： (11)式中 —干燥裝置的能量利用率，%；—脫水所需要的能量，J；—供給裝置能量，J。一般認為，干燥裝置的能量利用率取決與干燥介質(zhì)的初始和最終溫度、環(huán)境溫度及濕含量、供給和損失的能量，以及廢氣的循環(huán)情況等因素。除了低溫對流干燥等要考慮風機消耗的能量（因為這時這部分能量在總能耗中占的比例較大）外，蒸發(fā)水分和廢氣排空損失的熱量為干燥裝置消耗的主要部分，所以用干燥器熱效率來描述干燥過程或設備的能耗情況更好些。 干燥器的熱效率干燥器的熱效率是指干燥過程中用于水分蒸發(fā)所需要的熱量與熱源提供的熱量之比，即： (12)式中 —干燥器的熱效率，%； —水分蒸發(fā)所需要的熱量，J； —熱源提供的熱量，J。 熱源提供給干燥器的熱量主要包括：水分蒸發(fā)所需要的熱量，物料升溫所需要的熱量以及熱損失三部分。對流干燥器的熱平衡統(tǒng)計數(shù)字表面，供給干燥器熱量的20%～60%用于水分蒸發(fā)，5%～25%用于加熱物料，15%～40%為廢氣排空損失掉，3%～10%作為熱損失散失到大氣中，5%～20%為其他損失。 干燥操作的節(jié)能途徑干燥是能量消耗較大的單元操作之一，這是由于不論是干燥液體物料、漿狀物料，還是含濕的固體物料，都要將液態(tài)水分變成氣態(tài)，因此需要供給較大的汽化潛熱。統(tǒng)計資料表面，干燥過程中的能量消耗約占整個加工過程能耗的12%左右。中國的干燥操作的能耗約占總能耗的10%，因此，必須設法提高干燥設備的能量利用率，節(jié)約能源。由于干燥操作的能耗是如此之大，而能量利用率又很低，特別是近年來隨著能源危機的出現(xiàn)，能源價格的不斷上漲，因此，有必要采取措施改變干燥設備的操作條件，選擇熱效率高的干燥裝置，回收排出廢氣中的部分熱量來降低生產(chǎn)成本。以下提出幾種節(jié)能的途徑：(1) 減少干燥過程的各種熱損失；(2) 降低蒸發(fā)器的蒸發(fā)負荷；(3) 提高干燥器入口空氣溫度、降低干燥器出口廢氣溫度；(4) 部分廢氣循環(huán)；(5) 從干燥器出口廢氣中回收熱量；(6) 從固體產(chǎn)品中回收其顯熱；(7) 采用兩級干燥法；(8) 利用內(nèi)換熱器；(9) 太陽能干燥； (10) 生物能源的利用。 干燥過程的安全問題 干燥過程的安全問題干燥操作過程和其他一些工業(yè)操作過程一樣，潛伏這很大的危險性，過去也曾發(fā)生過不少事故。干燥過程中發(fā)生的事故，發(fā)生其主要原因是：(1) 大多數(shù)干燥過程都必須利用外加熱源；(2) 大部分被干燥的物料都具有可燃性；(3) 所有的著火源在干燥系統(tǒng)內(nèi)都存在的。因此要從設計、生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)對干燥系統(tǒng)采取必要的安全技術(shù)措施，還要加強安全生產(chǎn)的管理。 干燥操作的安全技術(shù)干燥過程的安全技術(shù)措施主要包括兩個方面，即預防性措施和保護性措施。對于干燥操作過程來說，預防性 安全措施有：(1) 維持系統(tǒng)可燃性物料濃度在可燃濃度范圍以下；(2) 保證系統(tǒng)氧濃度在安全濃度極限范圍內(nèi)；(3) 消除所有可能的著火源。干燥過程中保護性安全措施有防止泄露和抑制爆炸程度等。 干燥技術(shù)的未來發(fā)展趨勢一般認為，干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢將沿著有效利用能源，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，減少環(huán)境影響，安全操作，易于控制，一機多用等方向發(fā)。具體地講，干燥技術(shù)的未來發(fā)展將著重于：(1) 在直接干燥器中使用過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)；(2) 大量使用間接加熱（傳導）方式；(3) 使用組合式傳熱方式（對流、傳導與介電或熱輻射等組合）；(4) 在特殊情況下，使用容器式加熱（微波或高頻場）；(5) 組合使用不同類型干燥器或常規(guī)技術(shù)；(6) 采用間斷傳熱方式；(7) 設計靈活多用途的干燥器；(8) 產(chǎn)品質(zhì)量及濕含量的在線測量等；(9) 運用新型氣固接觸技術(shù)（如二維噴動床、旋轉(zhuǎn)噴動床等）；(10) 運用新型或更為有效的供熱方法（