氣流干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

10第七講氣流枯燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)本講先對(duì)氣流枯燥作一個(gè)概述,再著重介紹懸浮速度,直管氣流枯燥和脈沖式氣流枯燥。一、氣流枯燥概述:氣流枯燥也稱“瞬間枯燥”,是固體流態(tài)化中稀相輸送在枯燥方面的應(yīng)用,過熱蒸汽等)與被枯燥物料直接接觸,并使被枯燥物料(固體)均勻地懸浮于流物料枯燥方面應(yīng)用得比較早,也較廣泛的流態(tài)化枯燥技術(shù)。1.優(yōu)點(diǎn):(1).枯燥強(qiáng)度高:固體顆粒在氣流中高度分散呈懸浮狀,氣固兩相之間的傳熱傳質(zhì)面積大大增加;另外,由于承受較高氣速,使得氣固兩相間的相對(duì)速度也較高,因此容積傳熱系數(shù)也相當(dāng)高,到達(dá)2023～6000kcal/m3·h·℃,為一般回轉(zhuǎn)枯燥器的20～30倍。如以氣體與物料之間的傳熱面積來評(píng)200～1000kcal/m2·h·℃。15～25m,氣流速度一般為20～30m/s,所以枯燥時(shí)間一般為1～3s。由于氣流枯燥容積傳熱系數(shù)高,進(jìn)口與出口的氣流溫差大,因此在一樣的枯燥器容積內(nèi)可攜帶很多的枯燥熱量,所以物料的處理量相當(dāng)大。構(gòu)造簡(jiǎn)潔,占地面積小,制造便利:在整個(gè)氣流枯燥系統(tǒng)中,除通風(fēng)機(jī)和加料器外,就沒有其他轉(zhuǎn)動(dòng)部件,設(shè)備投資費(fèi)用較少。操作便利,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn):在氣流枯燥系統(tǒng)中,把枯燥,粉碎,篩分,輸送等單元過程聯(lián)合操作,流程簡(jiǎn)化并易于自動(dòng)掌握。適應(yīng)性廣:對(duì)散粒狀物料的粒徑適用范圍較廣,物料含水率一般在15～401～2%。近年來,在膏狀物料和漿狀物料枯燥方面也有承受氣流枯燥,但從目前狀況來看,用于枯燥熱敏性散狀物料仍是絕大多數(shù)。缺點(diǎn):氣流枯燥系統(tǒng)的流淌阻力較大,系統(tǒng)阻力一般為3000～4000Pa,必需選用高壓或中壓通風(fēng)機(jī),動(dòng)力消耗較大。氣流枯燥所使用的氣速高,流量大,常常需要選用尺寸大的旋風(fēng)分別器和布袋除塵器,會(huì)增加投資。氣流枯燥的操作彈性系數(shù)較小,對(duì)于枯燥載荷很敏感,固體物料輸送量過大時(shí),氣流輸送就不能正常進(jìn)展。由于氣流速度較高,顆粒有肯定的磨損,因此對(duì)晶體外形有肯定要求的物料不宜承受;對(duì)管壁粘附性很強(qiáng)的物料(如鈦白粉,粗制葡萄糖等物料),以及需要枯燥到臨界含水率以下的物料,也不宜承受氣流枯燥方法。(二)、氣流枯燥的適用范圍:物料狀態(tài):氣流枯燥要求以粉末或顆粒狀物料為主,其顆粒粒徑一般在0.5～0.7mm以下,至多不超過1mm。對(duì)于塊狀及泥狀物料,應(yīng)選用粉碎機(jī)和分散器與氣流枯燥串聯(lián)的流程,使?jié)裎锪贤瑫r(shí)進(jìn)展枯燥和粉碎,外表不斷更,以利于枯燥過程的連續(xù)進(jìn)展。濕分和物料的結(jié)合狀態(tài):氣流枯燥承受高溫高速的氣體作為枯燥介質(zhì),且氣固兩相間的接觸時(shí)間短。因此氣流枯燥僅適用于物料濕分進(jìn)展外表蒸發(fā)的恒速枯燥過程;需枯燥的物料中所含濕分應(yīng)以潤(rùn)濕水,孔隙水或較粗0.3～0.5%的干物料。對(duì)于吸附性或細(xì)胞質(zhì)物料,假設(shè)承受氣流枯燥,一般只能枯燥到含水率為2～3%。14～16在這里,我們僅作簡(jiǎn)潔介紹,具體內(nèi)容可查閱《流態(tài)化枯燥工藝和設(shè)備》一書。10～20m流枯燥器中,有一種正負(fù)壓氣流枯燥器,有節(jié)約能源的效果。直管氣流枯燥器是最早使用的,目前還大量使用的氣流枯燥器。脈沖氣流枯燥器:為了充分利用氣流枯燥管中顆粒在加速段所具有的高傳熱傳質(zhì)效果,而和顆粒遵循不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。參加的物料先進(jìn)入小直徑枯燥管內(nèi),由于小直徑管內(nèi)氣流速度較高,使靜止或速度較小的顆粒產(chǎn)生一個(gè)加速運(yùn)動(dòng),但顆粒速度總是小于氣流速度。當(dāng)加速運(yùn)動(dòng)終了時(shí),枯燥管直徑突然擴(kuò)大,對(duì)于顆粒運(yùn)動(dòng),由于慣性作用,在擴(kuò)大管內(nèi)從較高速度漸漸減速;對(duì)于氣體運(yùn)動(dòng),遵循氣體連續(xù)性方程,即氣體流速與流通面積成反比,氣體流速突然降低,并低于顆粒速度,對(duì)顆粒起減速作用,但氣固之間會(huì)有較大的速度差。當(dāng)顆粒減速終了時(shí),枯燥管再行突然縮小,氣體流速又突然加大,大于顆粒速度,又對(duì)顆粒加速。如此反復(fù)交替地使管徑縮小和擴(kuò)大,使顆粒運(yùn)動(dòng)處在加速和減速的交替過程中.始終達(dá)不到等速運(yùn)動(dòng),造成氣流和顆粒間的相對(duì)速度及傳熱傳質(zhì)面積均比較大,從而強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)速度。另外,在擴(kuò)大段中氣流速度下降的結(jié)果,增加了物料的枯燥時(shí)間。脈沖氣流枯燥器已廣泛地應(yīng)用于各種物料的枯燥中。1):套管式氣流枯燥器的氣流管有內(nèi)管和外管之分,物料與氣流同時(shí)由內(nèi)管下部進(jìn)入,顆粒在內(nèi)管作加速運(yùn)動(dòng),到終了時(shí)由頂部導(dǎo)入內(nèi)外管的環(huán)隙內(nèi),在環(huán)隙內(nèi)以較小的速度下降,然后排出。此種枯燥器可以節(jié)約熱量,但必需留意物料排出口不被堵塞。2):這是一種利用流態(tài)化及管壁傳熱原理進(jìn)展物料枯燥的設(shè)備,本身就是將浮及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此,即使軸向流淌雷諾數(shù)較低,但氣固兩相的相對(duì)速氣固兩相接觸面增加,強(qiáng)化了枯燥過程。這種枯燥器具有構(gòu)造簡(jiǎn)潔,體積小等優(yōu)點(diǎn),它對(duì)憎水性強(qiáng),不怕粉碎的熱敏性散粒狀物料尤其適用,目前多用在制藥工業(yè)中。但對(duì)于含水率高,粘性大,熔點(diǎn)低,以及易升華,易爆炸,易產(chǎn)生靜電作用的物料不太適用。其他氣流枯燥器:在實(shí)際使用中,也開發(fā)了其他形式的氣流枯燥器,例如:文丘里管型氣流枯燥器,渦旋流氣流枯燥器,噴氣式氣流枯燥器,環(huán)形氣流枯燥器,閉路循環(huán)氣二、顆粒物料在氣流枯燥器上升管內(nèi)的流淌:顆粒物料在氣流枯燥管內(nèi)的流淌是氣固兩相流,為了使數(shù)學(xué)處理變得簡(jiǎn)潔一:a.假設(shè)顆粒物料是球形的,密度是均勻的;b.僅爭(zhēng)論顆粒物料在向上氣流枯燥管中的運(yùn)動(dòng)。(一).固體顆粒懸浮速度(也稱沉降速度或帶出速度)的引入:在氣固兩相流中,固體顆粒懸浮速度是一個(gè)最根本的重要概念,也是一個(gè)較為抽象的概念,我們將稍為用一點(diǎn)篇幅,來逐步理解它。固體顆粒靜止,氣體從零開頭,漸漸增加氣流向上的速度,觀看固體顆粒3):up(m/sug(m/s)表示。(1).固體顆粒靜止不動(dòng),氣體靜止:up=0,ug=0,ug-up=0氣流速度開頭增加,固體顆粒仍舊靜止不動(dòng):up=0,ug＞0,ug-up=ug氣流速度再增加,固體顆粒之間開頭松動(dòng)和飄浮,而且間隙越來越大,此時(shí)稱作固體顆粒開頭流化,up≈0,ug＞0,ug-up=ug,ug可以稱作固體顆粒uL(m/s)uL=ug當(dāng)氣流速度增加到某一速度時(shí),固體顆粒的流化飄浮的高度增高,但顆粒還不能隨氣流一起流出,飄浮到某一高度還要落下,形成懸浮狀態(tài)。但只要?dú)饬魉俣仍僭黾右粋€(gè)微量,固體顆粒將隨氣流一起流出。此時(shí)的氣流速ut(m/s)表示,并有:up≈0,ug＞0,ug-up=utut。當(dāng)氣流速度大于懸浮速度時(shí),固體顆粒將以某一速度流出;氣流速度越大,固體顆粒的流淌速度也越大,但兩者的速度差始終保持為固體顆粒的懸浮速度,即:ug＞ut,up＞0,ug-up=ut,對(duì)于氣流與固體顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來說,相對(duì)速度(即速度差)為一不變的值,可以稱之為等速運(yùn)動(dòng),并不是氣流速之間的相對(duì)速度有關(guān),而和氣流與固體顆粒確實(shí)定速度無關(guān),相對(duì)速度越大,給熱系數(shù)也就越大。懸浮速度主要和固體顆粒的粒徑及密度有關(guān),也和氣體的溫度,密度及粘度有關(guān)。體的溫度,密度及粘度有關(guān)。中:顆粒最初進(jìn)入枯燥管時(shí),上升速度up=0,之后,因其與熱風(fēng)相遇而得到對(duì)速度等于顆粒在熱風(fēng)中的懸浮速度ut時(shí),顆粒的上升速度up=ug-ut,并保持不變,直到出口,此段稱為等速運(yùn)動(dòng)段。在顆粒的加速階段,由于顆粒運(yùn)動(dòng)速度up較低,氣流與顆粒之間的相對(duì)速度大,所以氣流與顆粒之間的給熱系數(shù)大,再加上承受并流操作,氣固枯燥強(qiáng)度,可以這樣認(rèn)為,顆粒的枯燥大局部在此階段進(jìn)展。在顆粒等速運(yùn)動(dòng)階段,由于氣固之間的相對(duì)速度不變,即等于顆粒在熱風(fēng)中的懸浮速度。在氣流枯燥中,被枯燥的顆粒,其粒徑一般比較細(xì)小,因傳熱和傳質(zhì)速率是比較小的,體積傳熱系數(shù)也最小。(二)、固體顆粒在等速階段的根本方程式:4):上升熱風(fēng)氣流對(duì)顆粒的作用力:它在數(shù)值上等于顆粒對(duì)上升氣流的阻力,僅方向相反,即是向上的。其計(jì)算式如下:Fs=ξ×Ap×γg×(ug-up)2/2g上式中:Fs 升氣流對(duì)顆粒的作用力,kgf;ξ----顆粒與氣流間的阻力系數(shù),,是顆粒雷諾數(shù)(Re)t的函數(shù),應(yīng)要說Re;γg 氣體的重度(也稱比重),kgf/m3;Ap 顆粒垂直于氣流方向的最大截面積,對(duì)于球形顆粒有,Ap=π×dp2/4 (m2),(dp是球體直徑,m);ug 氣流速度,m/s;up 顆粒上升速度,m/s;g 重力加速度,m/s2。氣流速度大于顆粒速度,即ug＞up,氣流對(duì)顆粒的作用力方向與氣流方向ug＜up,氣流對(duì)顆粒的作用力方向ug=up,顆粒不受氣流的作用力。顆粒的重力:Fp=V×γp 力作用方向總是向下的。上式中:Fp 顆粒的重力,kgf;V 球形顆粒的體積,V=π×dp3/6,m3;γp 顆粒的重度,kgf/m3。氣流對(duì)顆粒的浮力:Fg=V×γg 顆粒的浮力作用方向總是向上的。上式中:Fg 氣流對(duì)顆粒的浮力,kgf。顆粒在氣流方向上的合力:F=Fs＋Fg-Fp=ξ×Ap×γg×(ug-up)2/2g＋V×(γg－γp)=02.顆粒等速運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程顆粒懸浮速度求解:ξ×Ap×γg×ut2/2g=V×(γp－γg)ξ×Ap×γg×ut2/2g=V×(γp－γg)則有:ut= ／ ×／ 4√3ut= ／ ×／ 4√3 ×1g×dp×(γp-γg)ξ γg在上式中,顆粒與氣流間的阻力系數(shù)ξ是未知的,它與顆粒雷諾數(shù)(Re)t相關(guān),當(dāng)(Re)t在不同區(qū)間時(shí),已通過試驗(yàn)得到不同的計(jì)算式,在下面內(nèi)容中要特地表達(dá)(Re)tut的求法。ut的意義:只有氣流速度ug＞ut,在上升氣流管中,氣流才可將顆粒帶出,所以u(píng)g＞ut是氣流枯燥的必要條件。ut也可對(duì)脈沖氣流枯燥器的加速管和擴(kuò)大管參數(shù)進(jìn)展定量爭(zhēng)論。求出ut后,就可由計(jì)算式(Re)t=ut×dp×ρg/μg求出(Re)t,并可進(jìn)一步求是氣體的動(dòng)力粘度系數(shù)(Pa·s),ut是顆粒的懸浮速度(m/s),dp是顆粒的直徑(m),ρg是氣體的密度(kg/m3)。1.顆粒所受到的氣流方向上的合力:F=Fs＋Fg-Fp=ξ×Ap×γg×(ug-up)2/2g-V×(γp－γg)2.顆粒的運(yùn)動(dòng)方程式:dupF=Mp×a=Mp×-------dτ在上式中,Mp 量,kg;τ 時(shí)間,s;另有:密度與重度的關(guān)系式:γ=g×ρ g為重力加速度,m/s2,ρ為密度,kg/m3;另還有:ρ=M/V,對(duì)于顆粒,有:ρp=Mp/V。一般ρP＞＞ρg,所以ρp-ρg≈ρp,顆粒加速度為:dup ξ×Ap×ρg×(ug-up)2 = gdτ 2Mp對(duì)于球形顆粒,Ap=π×dp2/4及Mp=π×dp3×ρp/6,代入上式可得:dup 3×ρg×ξ(ug-up)2 = gdτ 4×dp×ρp經(jīng)變換,可得到:3×ρg×ξ(ug-up)2-d(ug-up)=｛ g｝dτ4×dp×ρp在初始條件:τ=0,up=0dup/dτ=0速度為ut,確定運(yùn)動(dòng)速度為(up)max=ug-ut,解上述微分方程,可計(jì)算出加速段時(shí)間。τH=∫ updτ0(三)、三個(gè)區(qū)域阻力特性,球體懸浮速度計(jì)算式及其適用粒徑范圍:1.依據(jù)顆粒雷諾數(shù)的不同,可分為三個(gè)阻力特性區(qū)域:(1).Stokes小(Re)t數(shù)區(qū),當(dāng)顆粒較小,速度較低時(shí),(Re)t≤15.8)。(2).Allen當(dāng)顆粒體積大于粉料體積,且速度也稍大些時(shí),15.8)≤(Re)t≤500。(3).Newton,500≤(Re)t≤2×1052.球體懸浮速度計(jì)算式及其適用粒徑范圍結(jié)果列表:區(qū)域區(qū)域斯托克斯區(qū)阿連區(qū)牛頓區(qū)工程阻力系數(shù)5.8)ξ=24/(Re)t15.8)≤(Re)t≤500ξ=10/【(Re)t】0.5500≤(Re)t≤2×105ξ=0.44懸浮速度公式dp2×(ρp-ρg)×gut=-----------------18μgu=t1.195d【 】(ρp-ρg)2／dp×(ρp-ρg)-------------p1/3ut=5.45／-------------μ×ρ√ρgg gμg20.915｛ ｝1/3ρg(ρp-ρg)μg2dp≤1.225｛ ｝1/3≤dp≤μg2μg2適用粒徑范圍ρg(ρp-ρg)或μg220.4｛------------｝1/3ρg(ρp-ρg)或20.4｛------------｝1/3ρg(ρp-ρg)≤dp≤dp≤2.2｛ ｝1/3ρg(ρp-ρg)μg22.2｛--------------｝1/3μg21100｛------------｝1/3ρg(ρp-ρg)μg2ρg(ρp-ρg)ρg(ρp-ρg)≤dp≤dp≤20.4｛------------｝1/3煤粉ρp=2400kg/m3石英砂dp≤0.07mm或dp≤0.125mmdp≤0.06mm或dp≤0.108mm或dp≤0.104mmdp≤0.042mm或dp≤0.0755mm0.05220.125≤dp≤1.165mm1.165≤dp≤62.8mmρp=1500kg/m3粘土0.0448≤d≤1.00mm1.00≤dp≤53.8mm0.108p0.0434≤d≤0.965mm0.965≤dp≤52.1mmρp=2650kg/m3鐵丸0.104p0.0314≤d≤0.70mmp0.700≤dp≤37.3mmρp=7000kg/m30.0755有差異,我們?cè)谙旅嬖倭信e有關(guān)物料的實(shí)測(cè)懸浮速度參考數(shù)據(jù),供使用參考。序有差異,我們?cè)谙旅嬖倭信e有關(guān)物料的實(shí)測(cè)懸浮速度參考數(shù)據(jù),供使用參考。序物料名稱真實(shí)密度積存密度粒徑實(shí)測(cè)懸浮速度號(hào)1小麥ρP(kg/m3)1270～1490ρP′(kg/m3)650～810dp(mm)4～4.5ut(m/s)9.8～112大麥1230～1300600～7003.5～4.28.7～10.53稻谷10205503.587.54大米1480620～68010×38～8.55玉米1240～1350600～6209×8×69.8～13.56大豆1180～1220560～7203.5～10107油菜籽10406401.3～2.27.6～8.88砂糖1580720～8800.51～1.58.7～129干細(xì)鹽2200900～1300＜1.09.8～10粗鹽粒10907207～7.214.8～15.511面粉14106100.163～0.1971.5～212洗衣粉1270480＜0.5213蘇打2480530＜0.122.514滑石粉2600～2850560～950＞0.010.5～0.815陶土2200～2600320～4901.8～2.116煤炭1000～1700720～9401～34～5.317煤炭1000～1700720～9403～54.2～6.818煤炭1000～1700720～9405～76～10.219煤炭1000～1700720～94010～1511～13.320砂2600141035～1506.8212300～2600141050～1005.13～5.532250～1006.5～9.023型砂2400102050～1008.1～1024尿素7760.82～2.58.7～9.425硫酸銨17709951.510.1～13.126炭黑3603.427磷礦粉25801467＜3.24.1～11.228爐渣粉、粒狀5～17.729鑄鐵丸70000.3～0.58.5～11.730鑄鐵丸70001～1.215.531鑄鐵丸70002～2.524.832鑄鐵丸70002.5～3.327.433聚丙烯粉9103204.3～6.134聚丙烯粒9004602～36.2～6.935聚氯乙烯粒φ40×608.5～9.736聚氯乙烯粒35×25×1007.937輝鋅礦4300228017.738礦石d當(dāng)=3.810.2～15.539礦石d當(dāng)=16.518.9～22.5三、顆粒物料在氣流枯燥器上升管內(nèi)的傳熱:物料顆粒在氣流枯燥管中的傳熱量,與氣流管道的幾何外形,直徑.以及顆粒的外形,大小,密度和顆粒物料與氣體的重量比等因素有關(guān)。(一)、單一球形顆粒與氣流之間等速段的給熱系數(shù):在顆粒直徑dp(m),真實(shí)密度ρp(kg/m3),氣流溫度tg(℃)條件下求出ut(m/s):由氣流溫度tg,查空氣熱工性能表,可得到氣流的密度ρg(kg/m3)和氣流的動(dòng)力粘度系數(shù)μg(Pa·s)。由ρp,ρg和μg可以通粒徑推斷式確定顆粒的在氣流中的運(yùn)動(dòng)處于哪一個(gè)阻力特性區(qū)域。dp,ρp,ρg和μg的條件下,承受該阻力特性區(qū)域的懸浮速度計(jì)算ut。顆粒雷諾數(shù)(Re)t的計(jì)算:由計(jì)算式(Re)t=ut×dp×ρp/μg可得到(Re)t。由(Re)tNu:對(duì)于空氣—水體系,有以下計(jì)算式成立:Nu=2＋0.54×(Re)t0.5 ,可求出Nu數(shù)。由顆粒直徑dp,氣流導(dǎo)熱系數(shù)λg(溫度即可查表得到,kcal/m·h·℃)和努謝爾特?cái)?shù)Nu就可計(jì)算單一球形顆粒與氣流之間的給熱系數(shù)α(kcal/m2·h·℃):α=Nu×λg/dp, Kcal/m2·h·℃。(二)、顆粒群與氣流之間的給熱系數(shù):當(dāng)物料投入枯燥管后,受到熱風(fēng)氣流沖擊,分散成一顆顆的散粒狀懸浮于氣流中。在等速段,由于顆粒濃度低,因此仍舊可用單一顆粒與熱風(fēng)氣流之間的給熱系數(shù)計(jì)算式。當(dāng)物料投入枯燥管后,受到熱風(fēng)氣流沖擊,分散成一顆顆的散粒狀懸浮于氣流中。在等速段,由于顆粒濃度低,因此仍舊可用單一顆粒與熱風(fēng)氣流之間的給熱系數(shù)計(jì)算式。在加速段,由于顆粒濃度較高,就不能用單一顆粒與氣流之間的給熱系數(shù)在加速段,由于顆粒濃度較高,就不能用單一顆粒與氣流之間的給熱系數(shù)計(jì)算式。日本學(xué)者桐榮良三對(duì)于顆粒直徑大于計(jì)算式。日本學(xué)者桐榮良三對(duì)于顆粒直徑大于100μm的物料做了爭(zhēng)論,NuNuRe當(dāng)400＜(Re)r＜1300時(shí), Numax=0.95×10-4×(Re)r30＜(Re)r＜400Numax=0.76×(Re)r式中,(Re)式中,(Re)r=dp×(ug-up)×ρg/μg,為相對(duì)雷諾準(zhǔn)數(shù),(ug-up)＞ut。NuNu速段。對(duì)于直管氣流枯燥器來說,大局部枯燥還是在等速段完成。和傳熱分析:在有關(guān)枯燥技術(shù)的資料中還沒有見到對(duì)顆粒物料在直管氣流枯燥器的下降管中的運(yùn)動(dòng)和傳熱分析,還有在設(shè)計(jì)脈沖氣流枯燥器擴(kuò)大管管徑時(shí)帶有閱歷降管和脈沖氣流枯燥管中顆粒的運(yùn)動(dòng)及傳熱狀況。5):ug＞up,而且有下式成立:2×g×V×(γp-γg)(ug-up)2= ξ×A×γg并假設(shè)進(jìn)入下降管后,顆粒的AV,以及γP都沒有變化,氣流的γg和ξ都沒有變化。顆粒在上升管中的運(yùn)動(dòng)方程式為:F1=Fs＋Fg-Fp=m×a1Fs=ξ×A×γg×(ug-up)2/2g顆粒向上運(yùn)動(dòng),則向上為坐標(biāo)的正方向,氣流對(duì)顆粒的作用力和顆粒在氣流a始終知著正方向。顆粒和氣流進(jìn)入下降管后,設(shè)顆粒運(yùn)動(dòng)方向是坐標(biāo)的正方向,即向下是正方向。顆粒的重力Fp始終向下指著正方向,顆粒在氣流中受到的浮力Fg始終向上指著負(fù)方向。而氣流對(duì)顆粒作用力Fs的方向是變化的,當(dāng)ug＞up時(shí),Fs指向下,為正方向;當(dāng)ug=up時(shí),Fs=0;當(dāng)ug＜up時(shí),Fs指向上,為負(fù)方向。顆粒和氣流剛進(jìn)入下降管時(shí),ug和up還來不及變化,但顆粒的受力狀況Fs還是正方向,Fp由負(fù)方向轉(zhuǎn)為正方向,Fg由正方向轉(zhuǎn)為負(fù)方向,所受到的合力為F2=Fs＋Fp－Fg。由于γp＞＞γg,所以Fp＞＞Fg;由于ugupFs臨時(shí)保持不變。在這么一個(gè)短暫的時(shí)間內(nèi),有以下運(yùn)動(dòng)方程式成立:F2=Fs＋Fp－Fg=m×a2很明顯,F2＞F1a2＞a1up加大,同時(shí)使(ug-up)的值減小,(Re)r數(shù)和Nuα變小,傳熱過程減弱。ug＞up,運(yùn)動(dòng)方程式形式連續(xù)成立,即:F3=Fs＋Fp－Fg=m×a3但是,由于(ug-up)的減小,使的Fs減小。因此,F3＜F2,所以,a3＜a2,對(duì)顆粒的加速度減小,但仍在加速,使up→ug,(ug-up)的值連續(xù)減小,傳熱過程連續(xù)減弱。氣流下降管出口一般連結(jié)旋風(fēng)分別器,由于旋風(fēng)分別器的高度較高,所以氣運(yùn)動(dòng)就到此為止?？傊?在氣流下降管中的傳熱過程是減弱的。前面關(guān)于物料進(jìn)入加速管的爭(zhēng)論中,我們?cè)诩铀俟艿膫鳠徇^程要強(qiáng)于2～2.5m熱過程平均一下,接近等速管的傳熱過程,所以在直管氣流枯燥器的設(shè)計(jì)中,將加速管,等速段和下降管一併作為等速管來計(jì)算總長(zhǎng)。1.脈沖氣流枯燥器的設(shè)計(jì)思想:在第一加速段(ug＞up)后期顆粒與氣流之間的相對(duì)速度(ug-up)接近顆粒連續(xù)方程的制約,氣流速度突然下降很多,這時(shí)顆粒速度大于擴(kuò)大管中的氣相對(duì)速度(up-ug)接近顆粒的沉降速度時(shí),再使顆粒進(jìn)入縮小管內(nèi),從而又被其次次加速……不斷如此反復(fù)進(jìn)展,直至離開脈沖氣流枯燥管。6):下述二個(gè)必要條件:(Ug1-Ut)-Ug2＞Ut (1)Ug2＞Ut (2)式中, Ug1 速段(細(xì)管)中的平均速度,m/s;Ug2 氣流在減速段(粗管)中的平均速度,m/s;Ut 顆粒沉降速度(懸浮速度),m/s。式(1)中,(Ug1-Ut)即為顆粒離開加速段時(shí)的速度Up。此式表示當(dāng)顆粒進(jìn)入減速段時(shí),顆粒與氣流之間的相對(duì)速度只有大于沉積速度,減速才有意義。式(2)表示減速段氣流速度只有大于顆粒的沉降速度才能將顆粒帶出減速段。將式(1)和式(2)相加,可得:Ug1＞3Ut (3)該式說明,只有加速段的氣流速度大于沉降速度3倍時(shí),承受脈沖氣流枯燥器才有意義。這時(shí),顆粒在剛進(jìn)入減速段時(shí),Up1至少＞2Ut,則Up1-Ug2至少＞Ut,顆粒不斷減速后,到減速段終了時(shí),還要保證Up2-Ug2＞Ut,只有這樣,才能保證在減速段的傳熱效果不會(huì)低于直管氣流管中等速段的傳熱Ug1-Up＞Ut,也保證傳熱效果不會(huì)低于直管氣流枯燥管中等速段的傳熱效果。由于在直管氣流枯燥器中,只有在物料進(jìn)口處很短的Ug-Up＞UtUg-Up=Ut。所以,假設(shè)要使用脈沖氣流枯燥器,其必要條件是Ug1＞3Ut,Ug1與Ut的比值越大,則強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)的效果越明顯。nmax和最小值nmin:在擴(kuò)大管段,在氣流速度Ug2＞Ut的前提下,Ug2越小或顆粒速度Um1越大,則顆粒速度Um1與氣流速度Ug2的差值越大,在擴(kuò)大管中的強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)的效果越明顯。由流體連續(xù)性方程可知: Ug1×A1=Ug2×A2 ∴Ug2=Ug1×(A1/A2)而 A1 D1----=(-------)2 式中: D1 縮小管直徑,m;A2 D2 D2 擴(kuò)大管直徑,m。∴Ug2=Ug1×(D1/D2)2令 n=D2/D1, 則 Ug2=(1/n)2×Ug1要使擴(kuò)大段氣流速度Ug2的值小,則要增加n的值,即要使擴(kuò)大段管徑擴(kuò)大的倍數(shù)較大。這樣就提出了一個(gè)nn限制的,在肯定條件下,n由 Ug2=(1/n2)×Ug1 代入(1)和(2)可得: ∵ (Ug1-Ut)-(1/n2)×Ug1＞Ut∴ --------------／ Ug1n＞ ／------------ (4)√ Ug1-2Ut∵ (1/n2)×Ug1＞Ut∴ ----------／ Ug1n＜ ／---------- (5)√ Ut由式(4)和(5)聯(lián)立,可得:／ Ug1 ／ Ug1／----------＞n＞／------------- (6)√ Ut √ Ug1-2Ut分析式(6Ug1＞3Ut時(shí),以下不等式成立:／ Ug1 ／ Ug1／ ＞ ／ √ Ut √ Ug1-2Ut現(xiàn)將Ug1=(3～4)Ut時(shí)的nmax,nmin及相應(yīng)的Um1和Ug2計(jì)算值列表如下:Ug1/Utnmaxnmax=(Ug1/Ut)0.5Up1/UtUg2/Utnmin=【Ug1/(Ug1-2Ut)】0.5nmin Up1/Ut Ug2/Ut3.01.7322.01.0001.7322.01.0003.11.7612.11.0001.6782.11.0653.21.7892.21.0001.6332.21.2003.31.8172.31.0001.5932.31.3003.41.8442.41.0001.5582.41.4423.51.8712.51.0001.5282.51.4993.61.8972.61.0001.5002.61.6003.71.9242.71.0001.4752.71.6553.81.9492.81.0001.4532.81.8003.91.9752.91.0001.4332.91.8994.02.0003.01.0001.4143.02.000從上表數(shù)據(jù)分析,可以的出一下兩點(diǎn)結(jié)論:如以nmax來設(shè)計(jì)擴(kuò)大管,隨著Ug1的增大,在擴(kuò)大管里Up1-Ug2之差為1Ut～2Ut,在初始階段的傳熱和傳質(zhì)效果比直管的等速段好,隨后漸漸減弱,但不會(huì)比直管的等速段差,總體傳熱和傳質(zhì)比直管的等速段強(qiáng)。如以nmin來設(shè)計(jì)擴(kuò)大管,隨著Ug1增大,在擴(kuò)大管里Up1-Ug2之差總為1Ut,初始階段的傳熱傳質(zhì)效果與直管的等速段一樣,隨后傳熱傳質(zhì)效果減弱,比直管的等速段差,總體傳熱傳質(zhì)比直管差,所以在確定了Ug1后,不能按nmin來設(shè)計(jì)擴(kuò)大管。如當(dāng)Ug1=3.5Ut時(shí),n1.6331.558(nminUp1-Ug2=1.2Ut,大于直管的等速段的Ut。nUg1確定,在縮小管出口,顆粒被加Up1,且Ug1-Up1=Ut;而在擴(kuò)大管中的減速效果不一樣,n大,Ug2小,減速效果好,擴(kuò)大管出口的Up2小,如再進(jìn)入下一節(jié)縮小管時(shí),初始的Ug1-Up2差值nmin來設(shè)計(jì)擴(kuò)大管。四、氣流枯燥器的設(shè)計(jì):1.物料參數(shù):原料含水率ω1,產(chǎn)品含水率ω2,物料的平均粒徑dp,物料的真實(shí)密度ρp,Cs,原料的單Gp,原料溫度θ1,產(chǎn)品溫度θ2。氣流參數(shù):t1,排風(fēng)溫度t2,空氣的密度,粘度和導(dǎo)熱系數(shù)可依據(jù)氣流Gg。Q1Q2。Gp/Gg=0.2～1.0,物料含水率高時(shí)取低值,含水率低時(shí)取高值,這是檢驗(yàn)物料量和氣體量是否合理的一個(gè)條件。(二)、直管氣流枯燥器的設(shè)計(jì):Ut:由氣流的平均密度ρg和平均動(dòng)力粘度μg,及物料的平均真實(shí)密度ρp,推斷最大粒徑或平均粒徑的顆粒處于哪個(gè)阻力特性區(qū)。Ut。Ut從氣流輸送角度來看,只要?dú)饬魉俣却笥谧畲箢w粒的懸浮速度,則全部物料便可由枯燥管被夾帶出去。但為了操作安全起見,通常取出口氣速為最23m/s動(dòng)身,在上述氣速下,顆粒在氣流中的分散性和湍流程度均較差,枯燥強(qiáng)度動(dòng)身,在上述氣速下,顆粒在氣流中的分散性和湍流程度均較差,枯燥強(qiáng)度Ugm=10～20m/s。管徑計(jì)算式: D=【4Vm/(3600×π×Ugm)】0.5 (m)上式中:Vm 為每小時(shí)所需氣體的平均體積流量,(m3/h);且有:Vm=Gg/ρg計(jì)算顆粒雷諾數(shù)(Re)t,Nuα:dpUt,及氣流的ρg和μg,用下式計(jì)算(Re)t:(Re)t=dp×Ut×ρg/μg (無量綱)對(duì)于空氣和水體系,用下式計(jì)算Nu:Nu=2＋0.54×(Re)t0.5 Nu,dp,和λg,用下式計(jì)算α:α=λg×Nu/dp (Kcal/m2·h·℃)4A:dp計(jì)算顆粒體積,每個(gè)顆粒的質(zhì)量和外表積:顆粒體積:V=π×dp3/6 (m3)每個(gè)顆粒的質(zhì)量:gp=V×ρp=π×dp3×ρp/6 (kg)顆粒外表積:S=π×dp2 (m2)Gp,gpS,計(jì)算傳熱面積:Gp×π×dp2 6GpA=Gp×S/gp=-----------------=----------- (m2/h)π×dp3×ρp/6 dp×ρpΔt:由于氣流和物料是并流的,可用下式計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差:Δt=【(t1-θ1)-(t2-θ2)】/｛2.3×lg【(t1-θ1)/(t2-θ2)｝ 計(jì)算枯燥時(shí)間τ:在枯燥管內(nèi)氣流與物料交換的熱量為:Q干=Q1＋Q2 (kcal/h)在枯燥管內(nèi)的枯燥時(shí)間為:τ=3600×Q干/(α×S×Δt) (S)L:L=τ×(Ugm-Ut) (m)依據(jù)閱歷,進(jìn)料處加速管的氣流速度取:Uj=30m/s,加速管直徑為:Dj=【4Vj/(3600×π×Uj)】0.5 (m)上式中:Vj-----進(jìn)風(fēng)溫度下的氣流的體積流量 (m3/h)且有: Vj=Gp/ρj上式中:ρj 進(jìn)風(fēng)溫度下的氣流密度,可查表求得,(kg/m3)。2mLj=2m。(三)、脈沖氣流枯燥器的設(shè)計(jì):Ut:計(jì)算方法與直管氣流枯燥器一樣。加速管(縮小管)直徑D1(1).Ug1,取以下兩者的較大值:Ug1=(3.5～4)Ut或依據(jù)閱歷來適當(dāng)加大Ug1,一般Ug1=15～25m/s(2).D1計(jì)算:D1=【4Vm/(3600×π×Ug1)】0.5 (m)D2計(jì)算:(1).D2=n×D1=(1.55～1.65)×D1 (m) n=1.55～1.65(2).加減速管內(nèi)氣流速度Ug2的計(jì)算:Ug2=4Vm/(3600×πD22) 這里有二個(gè)假設(shè):在加速管終了時(shí),氣流與顆粒的速度差為顆粒的懸浮速度,即Up1=Ug1-Ut,并且顆粒帶著這個(gè)速度進(jìn)入減速管;在減速管終了時(shí),顆Up2=Ug2,并帶著這個(gè)速度進(jìn)入加速管。在加速管中,氣流與顆粒的平均相對(duì)速度為:ΔU1=Ug1-(Up1＋Up2)/2;在減速管中,顆粒與氣流的平均相對(duì)速度為:ΔU2=(Up1＋Up2)/2-Ug2加速管和減速管內(nèi)顆粒雷諾數(shù)計(jì)算:(1).加速管內(nèi)顆粒雷諾數(shù)(Re)1加速管內(nèi)的顆粒雷諾數(shù)為:(Re)1=dP×ΔU1×ρg/μg(2).減速管內(nèi)顆粒雷諾數(shù)(Re)2的計(jì)算:減速管內(nèi)的顆粒雷諾數(shù)為:(Re)2=dP×ΔU2×ρg/μg加速管和減速管內(nèi)氣流與顆粒之間的給熱系數(shù)α1和α2:與直管等速管內(nèi)求氣流與顆粒之間給熱系數(shù)方法一樣計(jì)算α1和α2。AΔt加速管內(nèi)和減速管內(nèi)枯燥時(shí)間(τ1和τ2)和管長(zhǎng)(L1L2)計(jì)算:由于在加速管內(nèi)枯燥強(qiáng)度比減速管內(nèi)枯燥強(qiáng)度大,所以可以假設(shè):在加速60QⅠ=0.60×(Q1＋Q240%的傳QⅡ=0.40×(Q1＋Q2)。加速管內(nèi): τ1=3600×QⅠ/(α1×S×Δt) (S)L1=τ1×Up (m)減速管內(nèi): τ2=3600×QⅡ/(α2×S×Δt) L2=τ2×Up (m)(四).氣流枯燥管的壓力損失:枯燥管的壓力損失包括以下幾局部:摩擦損失,位頭,粒子加速和加速所引起的壓力損失,其他壓力損失(如擴(kuò)大,縮小,彎頭等局部損失)則與氣流輸送裝置類似。1000～1500Pa。五、氣流枯燥器設(shè)計(jì)實(shí)例:直管氣流枯燥器的設(shè)計(jì)實(shí)例”(一)、根本數(shù)據(jù):顆粒平均直徑dp=0.23mm,進(jìn)料溫度θ1=15℃,出料溫度θ2=50℃,初始含水率ω1=17%,終了含水率ω2=0.02%,物料密度ρp=1544kg/m3,物料絕干比熱Cs=1.255kj/kg·℃,物料處理量G=150kg/h,熱風(fēng)溫度t1=90℃,排風(fēng)溫度t2=65℃。(二)、物料衡算和熱量衡算的有關(guān)計(jì)算結(jié)果:所需空氣質(zhì)量流量 Lg=3595kg/h,枯燥管內(nèi)有效傳熱量 Q=Q1＋Q2=85353.6kj/h(三)、空氣有關(guān)參數(shù)計(jì)算:空氣平均溫度tp=(90＋65)/2=77.5℃,相應(yīng)空氣密度ρg=1.01kg/m3,空氣動(dòng)力粘度系數(shù)μg=20.2×10-6Pa·s,空氣導(dǎo)熱系數(shù)λg=0.1096kj/m·h·℃(四)、懸浮速度計(jì)算:阻力區(qū)域推斷:計(jì)算M=｛μg2/【ρg×(ρp-ρg｝1/3=0.64×10-4dp=2.3×10-4m0.915M20.4M懸浮速度:Ut=1.195×2.3×10-4×【(ρp-ρg)2/(μg×ρg)】1/3=1.34m/s1.顆粒雷諾數(shù)計(jì)算:(Re)t=Ut×dp×ρg/μg=1.34×2.3×10-4×1.01/(20.2×10-6)=15.4NuNu=2＋0.54×(Re)t0.5=4.12α=Nu×λg/dp=4.12×0.1096/(2.3×10-4)=1963kj/m2·h·℃物料總面積的計(jì)算:S=6G/(dp×ρp)=6×150/(2.3×10-4×1544)=2535m2/h對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算:Δt=【(90-15)-(65-50)】/ln【(90-15)/(65-50)】=37.3℃枯燥時(shí)間計(jì)算:τ=3600×Q/(α×S×Δt)=3600×85353.6/(1963×2535×37.3)=1.66s1.氣流速度確實(shí)定:Ut=1.34m/sUg=10m/s。2.枯燥管直徑計(jì)算:空氣體積流量:Vg=Lg/ρg=3595/1.01=3559m3/h=0.99m3/sD=【0.99/(0.7854×10)】0.5=0.35m3.枯燥管長(zhǎng)度計(jì)算:H=τ×(Ug-Ut)=1.66×(10-1.34)=14.4m物料名稱:苯甲酸(一)、根本數(shù)據(jù):原料含水率:ω1=25%,產(chǎn)品含水率:ω2=0.5%,產(chǎn)量:W產(chǎn)=75kg/h,產(chǎn)品粒徑:dp=80目=1.75×10-4,物料密度:ρp=1060kg/m3,原料溫度:θ1=15℃,產(chǎn)品溫度:θ2=45℃,絕干物料的比熱:Cs=0.4kcal/kg·℃環(huán)境空氣溫度:t0=15℃,環(huán)境空氣含濕量:d0=0.008kg/kg熱風(fēng)溫度:t1=110℃,假設(shè)排風(fēng)溫度:t2=60℃;0.5MPa(二)物料衡算,熱量衡算和熱風(fēng)質(zhì)量流量計(jì)算:1．物料衡算：脫水量計(jì)算：W水=W產(chǎn)×〔ω1-ω2〕/〔1-ω2〕=75×〔0.25-0.005〕/(1-O.25)25kg/h產(chǎn)量計(jì)算:W原=W產(chǎn)-W水=75＋25=100kg/h2、熱量衡算和熱風(fēng)質(zhì)量流量計(jì)算:脫水熱量:Q1=W水(595+0.45×t2-1×θ1)=25×(595+0.45×60-1×15)=1.52×104kcal/h產(chǎn)品升溫?zé)崃?Q2=W產(chǎn)×(Cs×(1-ω2)+1×ω2)×(θ2-θ1)=75×(0.4×(1-0.005)+1×0.005)×(45-15)=0.09×104kcal/h設(shè)備外圍護(hù)熱損失:Q3=0.10×(Q1+Q2)=0.16×104kcal/hq3=0.16×104/25=64kcal/kg熱風(fēng)質(zhì)量流量計(jì)算:不考慮漏風(fēng)損失,則有:G=(Q1+Q2+Q3)/(i1-i2′)i1-i2′=(0.24+0.45×0.008)×(110-60)=12.18kcal/kg∴G=1453kg/h排風(fēng)含濕量驗(yàn)算:d2=0.008+25/1453=0.025kg水/kg干空氣,查空氣焓60℃t濕=34℃,t2-t濕=60-34=26℃,在20～50℃之間,可保證在旋風(fēng)分別器和布袋除塵器中不會(huì)結(jié)露,認(rèn)為排風(fēng)溫度設(shè)定合理。(二)、空氣有關(guān)參數(shù)計(jì)算:空氣平均溫度tp=(110＋60)/2=85℃,相應(yīng)空氣密度ρg=0.986kg/m3,空氣動(dòng)力粘度系數(shù)μg=21.3×10-6Pa·s,空氣導(dǎo)熱系數(shù)λg=0.027kcal/m·h·℃(三)懸浮速度計(jì)算:1、阻力區(qū)域推斷：計(jì)算M=〔μg2/〔ρg×〔ρp-ρg〕〕1/3=0.76×10-4現(xiàn)dp=1.75×10-4m,處于0.915M＜d＜20.4M,流淌處于阿連區(qū),1≤Re≤500。2.物料懸浮速度計(jì)算：Ut=1.195dp×((ρp-ρg)2/(μg×ρg))1/3=0.79m/s(四)枯燥管直徑計(jì)算:ug13Utug1=5.8m/sV=1453/0.986=1474m3/h=0.41m3/sD1=(V/(ug1×0.7854))1/2=0.30m,減速管直徑計(jì)算:依據(jù)脈沖氣流枯燥管的優(yōu)化設(shè)計(jì)可知 :D2/D1=1.55～1.65D2=1.55D1=0.46m,減速管中熱風(fēng)速度驗(yàn)算:ug2=V/(0.7854D22)=2.47m/s>Ut,可保證在減速管中將物料帶出。(五)、加速管和減速管內(nèi)氣流速度和顆粒速度變化分析:ug1=5.8m/s,減