1、1目录第一章 绪论 41.1、概述 41.2、旋转闪蒸干燥机的研究状况 51.2.1、干燥室内实测气体旋流压力分布及旋流压力分布的理论计算 51.2.2、气体在干燥室内流动速度分布实测结果 61.2.3、 旋转干燥器的设计 71.2.4、自动化控制技术在闪蒸干燥生产过程中的应用现状 91.3、本课题提出的意义 10第二章 方案论证 112.1、旋转闪蒸干燥机设计任务书 112.1.1、设计任务 112.1.2、已知条件 112.1.3、使用寿命 112.2、旋转闪蒸干燥机传动系统方案设计 112.3、工作过程简述 12第三章 旋转闪蒸干燥器介绍 133.1、闪蒸干燥装置的系统组成 133.2、
2、工作原理 163.2.1、粉碎闪蒸快速干燥原理 163.2.2、旋转气流流化输送干燥原理 173.3 旋转闪蒸干燥器的结构特点 19第四章 旋转闪蒸干燥器的设计 214.1、设计任务与已知条件： 2124.1.1、设计任务 214.1.2、已知条件 214.2、旋转闪蒸干燥器参数的确定 224.2.1、流向及载热体的选择 224.2.2、干燥过程的物料衡算和热量衡算 224.2.3、设备的主要参数的确定： 274.3、旋转闪蒸干燥机的结构设计 344.3.1、电机的选择： 344.3.2、传动装置参数的确定 354.3.3、V 带传动设计： 354.4、轴的设计： 404.4.1、初步估算轴径
3、 404.4.2、轴的结构设计 404.4.3、轴上受力分析 414.4.4、弯矩图 434.4.5、转矩图 434.4.6、计算弯矩图 434.4.7、校核轴的强度 444.4.8、校核轴的疲劳强度 444.4.9、轴的弯曲刚度校核 464.5、轴承的设计 464.5.1、轴承的选择 464.5.2、轴承的校核 464.6、支撑装置设计： 484.6.1、支架的设计 484.6.2、底板的设计 484.7 密封及润滑装置设计 484.7.1、密封装置设计 484.7.2、润滑装置设计 484.8 送料装置的设计 484.8.1、功率计算： 494.8.2、电机选择 494.8.3、带轮设计
4、494.8.4、减速机的选择 544.8.5、联轴器的选择 544.8.6、输送段的设计 544.8.7、密封及润滑装置设计 593第五章 经济效益评估及环保分析 605.1、经济评估的目的 605.2、经济分析计算 605.3、环保分析 615.3.1、环保对干燥机设计的要求 615.3.2、环保的内容与对策 61第六章 结论及致谢 626.1、结论 626.2、致谢 62参考文献 634第一章 绪论1.1、概述旋转闪蒸干燥装置是八十年代在国外新推出的一种干燥技术和流态化技术综合为一体的新型干燥设备，它克服了干燥设备高、能源消耗大和流化床干燥不均匀的缺点，集两者之所长，成为具有高效、节能快速
5、等特点的理想干燥设备。它特别适合于膏状物、滤饼等物料的直接干燥，弥补了粑式干燥效率低、产量小的不足，改变了喷雾干燥效率低而先稀释再进行喷雾处理的复杂过程。几年来，旋转闪蒸干燥广泛应用于轻工、石油、化纤、食品、矿山、涂料、染料及中间体等化工行业的高黏度、高稠度、热敏性膏状物料的干燥 1。与其它设备相比，旋转闪蒸干燥装置技术先进，设备紧凑、操作简单、维修方便，强化了气固传热效果，使干燥时间大为缩短，产品质量及产量大大提高，节能效果十分显著，因此，这种装置出现后立即引起了世界各大化学工业公司的重视，纷纷引进用于各种物料的干燥，现在世界上大约有十七个国家引入了这种装置。在 19871991 年间，吉化
6、染料厂、丹东染料厂、上海染料厂、北京染料厂先后引进了该装置，用于染料及中间体的干燥。通过几年的生产实践证明，该设备运行可靠，生产稳定，容易控制，各项工艺指标均达到了设计要求，是现代工业生产的先进设备。但由于工艺条件要求不同和物料性能差异，旋转闪蒸干燥机的运用条件必需由生产实践和试验确定。当前，我国大连理工大学干燥技术开发公司、吉化化工设备厂、铁岭精工机器厂等已开发 200、300、500、800 等型号的旋转闪蒸干燥装置并投入生产，沈阳化工研究院与阿诚干燥器厂合作开发出次类型装置，均已投入使用。下面将闪蒸干燥装置在国内使用情况列入表 11。5表 1-1 旋转闪蒸干燥机在国内的使用情况 1由表
7、1-1 可见，闪蒸干燥装置在国内发展较快，今后还会有更大的发展。未来干燥技术的发展趋势要求它具备以下特点：（1）设备紧凑，体积小，生产能力大；（2）单位产品能耗低，需要节能型设备；（3）产品收率高，质量好，满足用户要求；（4）自动化程度高，操作简单；（5）综合投资费用和检修费用少；（6）消除对环境的污染。闪蒸干燥装置可满足以上要求，故是较理想的干燥设备。但是，我们同时也注意到它不是万能的，要根据实际生产情况选用。本文对闪蒸干燥装置做较详细介绍，供大家参考。1.2、旋转闪蒸干燥机的研究状况自从我国引进旋转闪蒸干燥机以后，国内许多学者、单位对其作了大量的实验研究和理论分析，为该产品设计提出了参考依
8、据。概括起来，目前获得的研究成果有以下几个方面：1.2.1、干燥室内实测气体旋流压力分布及旋流压力分布的理论计算 2图 1-3 给出了干燥室内下断面的压力分布情况（搅拌器静止） 。由图可见，在干燥中心压力最低，在干燥室外圆处，压力相对较大。气体旋流压力的理论分布如图 1-4 所示，气体旋流压力在圆形室半径为 R 时最大，最大为 P，而后随旋转半径 R 的减小，压力逐渐减小。各点压力值为：6P+P0 v t2/2=0，其中 为圆形室最外圆处的压力， 为气体在各点的切向分速0Ptv度。1.2.2、气体在干燥室内流动速度分布实测结果 2图 1-3图 1-6 四图中分别表示拆除与安装下搅拌器工况下，气
9、体在干燥室内流动时切向及轴向速度分布情况。将图 1-3 图 1-4 进行比较发现，下搅拌器装上图 14 实测压力分布图 11 理论压力分布图 12 实际压力分布7以后对切向速度分布及其数值影响很大。图 1-3 中最大的切向速度为 15m/s，1-4 中最大的切向速度仅为 9m/s，可见，下搅拌器的存在，使系统流动阻力增加了不少。但是，增加下搅拌器以后，切向速度和搅拌器是否转动关系不大，这是因为搅拌器本身较低的缘故。从图 1-5，图 1-6 可见，轴向速度分布尚属均布，流型接近湍流。1.2.3、 旋转干燥器的设计通过对被干燥的物料的热量衡算知干燥所需的空气质量流量后，即可根据实验确定的临界流速确
10、定干燥室直径。根据气固相颗粒聚式流态化原理确定干燥室的有效高度。(1)、干燥室空气质量流量 )/(hkgLG图 14 安装下搅拌器时的切向速度分布图 13 下搅拌器拆除时的切向速度分布图 15 下搅拌器拆除时的轴向速度分布的切向速度分布图 16 下搅拌器静止时的轴向速度分布8通过物料和热量衡算得：(1-1)()46.0210THCQGPTGEgr LFF其中， 水分蒸发量（ ）hk/蒸发潜热 （ ）Gcal干品质量（ ）Pkg/热损失（ ）LQhcl热空气入口温度（ ）1TC热空气出口温度（ ）2 湿料温度 （ ） F 蒸气比热 （ ）GCkgcal/C蒸汽比热 （ ）r 空气进口温度（ ）1
11、H(2)、干燥室直径 （ ）Dm(1-2)sgveL2190)(式中， 出口条件下空气密度（ ）2 2/mkg操作流化质量流量 （ ）gLh操作流化速度 （ ）svk/(3)、干燥有效高度 )(mHg9(1-3)135.0gfsgDUH式中，静止高度 （ ）0 m临界流化速度 （ ）fU重力加速度 （ ）g2/s干燥室直径 （ ）D(4)、干燥室分级器半径 )(mR东北大学硕士林丽女士曾对分级器半径进行研究，最后得出分级器研究成果如下：分级器半径 与产品粒度满足以下关系式：(1-4)248.2Rdp事实证明，该关系式在很大程度上满足了生产要求，对实际设计及生产都有极大的指导意义。式中， 分级器
12、半径 （ ）m产品粒度 （ ）pd1.2.4、自动化控制技术在闪蒸干燥生产过程中的应用现状我国生产及研究领域中所使用的旋转闪蒸干燥设备，有几台是丹麦引进的产品。其自动化技术水平主要体现在以下几个方面：(1)、干燥室热源热量自动调节，主要体现在进口温度自动检测、调节和报警；(2)、干燥室出口温度自动检测，调节和报警；(3)、有关设备、有关部位的温度压力等工艺参数的自动检测、显示和报警；目前国内生产的旋转闪蒸干燥设备，其自动化水平与国外产品相比存在一定差距，大部分厂家仍采用传统的生活控制方式：(1)、干燥室入口温度自动检测、显示；10(2)、干燥室出口温度自动检测、显示；(3)、有关设备、有关部位
13、的温度或其它参数的自动检测、显示。从以上对国外、国内旋转闪蒸干燥机上自动控制系统对比分析，可看出我们这个领域内最大的弱点就是不能实现对进口、出口温度的自动控制。而这一点又恰恰是影响生产率和干燥质量的关键。目前我国在干燥生产中对干燥室入口温度和出口温度的控制，多采用人控方式，这种方法使控制误差大且不及时，若无人在场，则常常影响机器的正常运行，即影响生产率，又影响作业质量。1.3、本课题提出的意义尽管旋转闪蒸干燥技术应用很广泛，但其理论研究还很落后，系统全面地介绍旋转闪蒸干燥装置的流体力学、 传热和传质的文献很少见。目前的放大设计和操作参数确定主要依赖于实验和经验。因此，本课题针对目前的研究和设计
14、现状，大胆地运用新型理论来进行干燥器的结构和参数设计，通过进一步改进和完善干燥室的结构，强化干燥过程，为研究中的理论提供实践的机会。11第二章 方案论证2.1、旋转闪蒸干燥机设计任务书2.1.1、设计任务本课题主要是设计一台旋转闪蒸干燥机用于燃料及中间体，特别是 酸等物H料的干燥，每小时蒸发的水分为 ，干燥直径为 。kg40102.1.2、已知条件被干燥物料名称：H 酸干燥筒体直径为 。12.1.3、使用寿命旋转闪蒸干燥机使用年限为 25 年，一年工作 360 天，每天工作 10 小时：则 hLh4102.7368252.2、旋转闪蒸干燥机传动系统方案设计动力源选择电机，为满足传动比要求，传动
15、系统可以选择齿轮箱减速器和皮带传动，但是考虑到经济性，选择皮带传动，从东带轮固定在搅拌轴的下方。其结构图如下：122.3、工作过程简述空气经鼓风机送入加热器，被加热后从干燥机底侧面切向进入干燥机，形成高速低压的旋转喷动气流，物料经螺旋加料器进入干燥筒下降与该气流相遇，在流化室里破碎流化，进行传热传质过程，水分逐渐除去，物料得到干燥。废气经旋风分离器、袋式分离器两次气固分离后，由引风机将废气排到大气，而产品分别经旋风分离器、袋式分离器底部，经星型卸料器排到产品贮槽。图 2-1 旋转闪蒸干燥机结构简图13第三章 旋转闪蒸干燥器介绍3.1、闪蒸干燥装置的系统组成图 3-1 旋转快速干燥机1、3、4电
16、机 2空气加热器 5加料器 7分级器 8旋风分离器 9布袋过滤器 10排风机 11星型卸料器旋转闪蒸干燥流程如图 3-1 所示，主要由电机，空气加热器 ，加料器 ，分级器，旋风分离器，布袋过滤器，排风机，星型卸料器等主要设备构成。来自压滤机的膏状物料在加料器中经搅拌初步破碎后，由旋转的螺旋加料器定时定量送入干燥器流化段，在流化段被搅拌器进一步离心，破碎；干燥过程中所需新鲜空气由过滤器引入，经煤气加热炉加热到所要求温度后送入热风分布器，经干燥器底部狭缝以较大风速进入流化段与被搅拌物料充分接触，促使物料形成流化状态开始沸腾。由于物料处在离心、搅拌、粉碎的状态下，块状（或球型）物料表层迅速干燥，并分
17、离形成体积较小的球型或不规则球型颗粒，在旋转热风作用下送入分级器，较大较湿的未干燥颗粒又落回干燥室中。送入分级器后的细小物料由排风管排出再经布袋过滤器分离，空气经尾气风机排入大气，物料由布袋过滤器底部星型卸料器（11 ）排出，成品包装出厂。该装置特点：(1)、设备紧凑，占用空间少，生产能力大，满足了小设备大生产客户的要14求，从滤饼到成品一次干燥，减少操作程序。(2)、单位产品能耗低，该干燥器可在较高温度下干燥含固量高的物料，较其它许多干燥设备能耗低。以吉化染料厂生产 H 酸为例，每吨产品耗煤1747m3，含水量少，大大节约了能源。产品收率高，质量好。以干燥 H 酸为例，利用闪蒸干燥装置可提高
18、收率 5%，而且粒度均匀，含水量小。从干燥原理上讲，不同的物质所消耗的能量是不同的，干燥物品每单位重量所消耗的能量与干燥方式、热效和物料中的含水量有关。在干燥过程中，节约能源的关键是物料的总含固量，如果在干燥前，把物料中的水分较多地排除，那么干燥的成本就会下降。表 3-1 含固量与能耗关系表9.004.002.333070801.501.000.660.420.26405060进 料 中 总 的 含 固 量 每 出 1kg的 成 品 所 蒸 发 的 水 ， kg1020表 3-2 旋转瞬时干燥与喷雾干燥的比较15生 产 能 力 旋 转 瞬 时 干 燥 喷 雾 干 燥粉 末 出 产 率 ， kg
19、/h 2500 2500进 料 含 固 量 ， 65 50进 料 率 ， kg/h 3625 4975水 分 蒸 发 量 ， kg/h 1325 2475进 口 温 度 ， 700 700气 体 消 耗 量 ， m3/h 130 745干 燥 室 m 0.9 5.4占 地 面 积 m2 45 110建 厂 房 高 度 m 7 15长 方 体 积 m3 315 1650热 （ 卡 ） 值 35800KJ/m3由表 3-1 可以看到，总含固量提高 30%40%，能耗就降低 35.6%，而当含固量被提高 50%70%，能耗可降低 58%，随之带来设备尺寸和建设成本也降低。表 3-2 列出了选择快速干
20、燥与喷雾干燥的比较。如同其它的气动干燥系统，使用热力回复系统能进一步地节约能源，这一系统是由空气对空气的热交换器，双液热交换器或部分干燥空气的循环系统组成，这种系统的选择主要依赖于所需干燥物料以及对设备的设计，即如果物料能在过滤器中被旋风分离器分离，那么这套热力回复系统的使用就能使热能节约 10%20%。(1)、自动化程度高，操作简单，从煤气点燃到入口温度、出口温度、加料量的控制均在操作室内控制，降低了人工劳动的程度。在煤气点燃处安有自动安全装置，增大安全运行的可靠性。(2)、投资费用和检修费较小，该装置设备少，维修方便，减少检修工作量，并且其综合投资费用也少于喷雾干燥装置。(3)、该系统密闭
21、性好，保护工人健康和减少对环境的污染。除去干燥空气中的氧气，是排除失火与尘埃爆炸的最主要因素，通过使用惰性气体能达到防爆的效果。例如，把氮气或二氧化碳作为干燥媒介，或使空气惰性化，即使用化学当量燃烧后的废气，通过上述方法，可使在干燥媒介中的氧气含量降低到尘埃不可能爆炸的水平，含氧量一般要保持在 8%以下，在操作过程中，最安全的含氧量是保持在 2%4%。其它防止设备爆炸的方法，还有采用灭火设备或通过使用安全盘或减压板的方法等。16用在旋转瞬时干燥机干燥室中的常规保护方法是防爆盘。在干燥室的顶部它被固定在法兰之间，防爆盘在压力 0.051bar 之间非常有效，由于整个设备非常坚固，所以防爆孔的面积
22、是很小的。3.2、工作原理到目前为止，关于旋转闪蒸干燥器的工作原理还没有成熟理论。国内外从事干燥技术研究的专家也只是在小型实验和生产基础上形成的闪蒸干燥装置的结论。本文根据生产实践情况对干燥理论加以介绍。旋转闪蒸干燥过程实质上是传质传热同时进行的过程由于物料与气流在设备内不同部位的接触状态与流动状态不同,传质传热过程的进行也不相同,因此干燥原理分两部分叙述。3.2.1、粉碎闪蒸快速干燥原理物料经螺旋加料器进入干燥器后，物料中的小颗粒随上旋气流呈螺旋状态上浮，大颗粒因具有较大沉降速度而下沉，在下沉过程中，由于湿分蒸发而使粒子间结合力减弱，经搅拌打碎后与从底隙以相当高的喷动气速旋转的热气流相遇，形
23、成两相间较大的相对速度，由于气流对固体颗粒产生强烈的剪切、吹浮、旋转湍动作用，促使传热传质边界层减薄，减少了传热传质的阻力，增大了气固相间的传热传质系数，与此同时，由于颗粒相互碰撞与摩擦及搅拌破碎使物料微粒化，从而使物料中非结合水分闪蒸。气流经底隙进入倒锥形流动空间，流通截面积由小变大，使气流速度自下而上的逐渐降低，不同粒径的颗粒分别在倒锥内不同的高度悬浮，增加了颗粒的停留时间，从而有利于水分汽化。由于在热风入口处存在着较大的传热差和传质温度差，在其推动下，物料重绝大部分非结合水分汽化到气相中，从而在粉碎闪蒸干燥室内形成非常高的干燥速度，使物料快速干燥。173.2.2、旋转气流流化输送干燥原理
24、小颗粒沿干燥筒壁呈螺旋状上升，与筒壁产生摩擦而使粒子继续微粒化，从而缩短了内部水分向蒸发面扩散的距离，降低了临界含水量，保持了较高的干燥速度。由于气流作用使粒子流化并呈螺旋状上升，边输送边干燥，增加了粒子的运动途径，延长了气固相接触时间，从而提高了干燥效率。这一点对降低气流干燥器高度具有实在的意义。与此同时，由于颗粒处于悬浮和旋转状态，在离心加速作用下，使气固相间的相对速度增大，提高了传热传质系数，从而强化了干燥过程。图 3-2 是旋转闪蒸干燥器的工作原理图。根据干燥过程中发挥的作用可以把主体设备分为三部分：底部是流化段，中间部分是干燥段，上面部分是分级段。各段结构不同，所起作用不一样，我们初
25、步加以分析：(1)、流化段如图所示，流化段是物料入口以下部分，内设有搅拌器。它能帮助破碎高粘性物料，使湿料与干燥热空气充分接触，产生最大的传热系数。干燥热风从切线方向以一定的风速进入干燥器底部环形通道，从壳底缝隙进入流化段。由于通道截面突然减小，使动能增加，风速增大，这样在器内形成具有较大风速的旋转风图 3-2 旋转闪蒸干燥器的工作原理图18场。物料自螺旋输送器进入干燥器后，首先承受搅拌器的机械粉碎。在离心、剪切、碰撞的作用下物料被微料化，与旋转热风充分接触形成流化床而被流态化。处于流化状态的颗粒表面完全暴露在热风中，彼此间相互碰撞和摩擦，同时分份蒸发，使粒子间粘性力减弱，颗粒之间成分散、不规
26、则的运动，使气固两相充分接触，加速了传热、传质过程。在流化段内冷热介质温差大，大部分水分在此区蒸发，只有充分干燥后的微粒才能被热风带出流化段。流化段属于高温区，物料湿含量较大，当物料分水散失后，它已完全脱离了高温区进入了干燥段。因为流化段物料颗粒内部保持一定水分，物料不会过热。干燥的微粒瞬间脱离高温区，所以旋转闪蒸干燥设备对热敏性物料非常适用。经过流化床干燥后，物料被破碎干燥成各种干燥粒度不同的球形和不规则颗粒，在旋转空气的浮力和径向离心力的作用下，未干燥的颗粒在较大的离心力的作用下向器壁运动，因具有较大的沉降速度而落回流化段重复流化干燥；较小的颗粒向上进入下一步干燥干燥段。(2)、干燥段干燥
27、段是加热螺旋以上到分级器之间的空间，此时物料在旋风场中继续干燥。较小颗粒继续向上进入分级段；较大颗粒在器壁周围向上运动与分级器碰撞下落重新干燥，直到达到干燥质量要求。干燥段的热风经过流化段质热交换后，风速减小，湿度增加，这保证了干燥段在稳定的条件下顺利进行，控制了物料在干燥段停留的时间，根据空气在干燥器内停留时间来调节空气流速，就使成品的粒度、产量及最终含水量得到控制，从而在干燥器内形成一个进料速率和符合要求的干品产量之间的平衡。由于流化床具有自调停留时间的特性，旋转闪蒸干燥器最终产品的含水量很少受到进料湿含量波动的影响，这也是该干燥器的优点之一。(3)、分级段 19分级段是包括分级器在内的分
28、级器以上部分，分级器是一个开孔圆挡板，通过改变孔直径和分级段高度，改变空气流速就可以控制离开干燥器的粒子尺寸和数量。在此段干燥完成，达到粒度要求的物料随热风带出进入旋风分离器和布袋除尘器，经星形卸料器卸料后包装出厂。3.3 旋转闪蒸干燥器的结构特点闪蒸干燥器结构如图所示。干燥器一般均采用 46mm 厚度的 SA316L 不锈钢板制造，外加保温层，镀锌板固定。干燥室底部设置倒锥体结构，其外圆环为空气分布器，与热风入口相连，热风与此以圆环状分布在筒体外围，从筒体底部狭缝以切线方向进入流化段形成旋转风场。环隙尺寸是直接影响干燥器工作状况的主要参数。倒锥体结构可使热风流通截面自下而上不断变小，从而保证
29、了下部的大颗粒处于流化状态的同时，上部的小颗粒也出于流化状态。另外，倒锥体结构还缩小了搅拌轴悬臂部分的长度，增加了运转的可靠性，还可有效地防止在高温区工作的恶劣状况，从而延长轴承的使用寿命。流化段内设有搅拌器用来破碎、混合物料，使热风和物料充分接触并保证粒子在干燥室高温区停留时间为短，为防止物料在搅拌器作用下抛向器壁，黏结在器壁上出现“结巴”现象，会导致不能正常操作，搅拌齿上安装刮板，并与室底及器壁都有微小间隙，可以保证物料在与器壁黏结牢固之前便将其剥落。另外，搅拌转速也应合理选择，其转速的常规范围为 50500 转/ 分。搅拌轴与干燥底部有良好的密封装置。干燥室顶部的分级器是一个带孔的圆形板
