硝基漆片回轉(zhuǎn)干燥機(jī)工藝設(shè)計(jì)

， (天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司， 甘肅 蘭州 730060)

硝基漆片回轉(zhuǎn)干燥機(jī)工藝設(shè)計(jì)

楊玫，高妍
(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司， 甘肅 蘭州 730060)

介紹了熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)了用于硝基漆片干燥的熱水型回轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)，對(duì)熱水型回轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)中的干燥機(jī)結(jié)構(gòu)、尾氣除塵系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)關(guān)鍵工藝參數(shù)，例如筒體直徑、筒體轉(zhuǎn)速、傳熱系數(shù)、傳熱面積、換熱管長(zhǎng)度和管排布、物料停留時(shí)間以及物料填充率等的計(jì)算方法，最終確定了干燥機(jī)的選型結(jié)果。設(shè)計(jì)選型后的熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)建成投產(chǎn)之后運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品產(chǎn)能及濕含量均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)； 硝基漆片； 干燥； 工藝參數(shù)； 設(shè)計(jì)

硝基纖維素片簡(jiǎn)稱硝基漆片，是將涂料硝化棉以酯類吸收，經(jīng)壓延切片等工藝制成，呈白色薄片狀，主要用于生產(chǎn)涂料、防潮玻璃紙、黏合劑、制革及印刷等。硝基漆片生產(chǎn)工藝使得其含有一定的水分，需進(jìn)行干燥將物料中的水分干燥至小于1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。硝基漆片遇火易燃燒，加熱易分解，即使在無氧的環(huán)境中也會(huì)因劇烈撞擊或者靜電而產(chǎn)生自燃，因此干燥過程中需采用低溫干燥，同時(shí)需考慮干燥設(shè)備的防爆以及安全問題[1，2]。文中以國(guó)內(nèi)某公司產(chǎn)能為600 kg/h的硝基漆片干燥機(jī)為例，分析研究了熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的工作原理、工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并根據(jù)熱質(zhì)衡算結(jié)果提出了關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法。

1 熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)工作原理

針對(duì)硝基漆片遇火易燃燒、加熱易分解的特性，采用80 ℃的熱水作為加熱介質(zhì)。為防止物料在干燥的過程中因磨損等造成片狀結(jié)構(gòu)破壞，設(shè)計(jì)采用回轉(zhuǎn)(列管式)干燥機(jī)，以最大限度減少磨損及細(xì)粉的產(chǎn)生。

熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示圖

干燥機(jī)筒體具有一定的斜度，并以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。隨著筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，濕物料在重力作用下向出料端運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與筒體內(nèi)設(shè)置的通有熱水的換熱管間接接觸而被加熱干燥。載氣由進(jìn)料端進(jìn)入，與物料并流將蒸發(fā)出來的濕分由出料端帶出[3]。物料進(jìn)入設(shè)備后被加熱，當(dāng)達(dá)到泡點(diǎn)溫度時(shí)進(jìn)入恒速干燥階段，水分不斷被蒸發(fā)。達(dá)到物料臨界濕含量后進(jìn)入降速干燥段[4，5]，物料溫度逐漸升高，出口處出物料溫度可以達(dá)到55～65 ℃。

2 熱水型回轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 回轉(zhuǎn)干燥機(jī)

采用熱水作為回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的加熱介質(zhì)，進(jìn)水和排水均設(shè)置在干燥機(jī)的出料端，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證排水順暢，防止因排水不暢而影響換熱。熱水進(jìn)入筒體內(nèi)進(jìn)水管，在進(jìn)料端匯總后由筒體最外圈的幾個(gè)出水管排至出料端，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭排出設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)熱水流量以及流速計(jì)算水流截面積，以確保排水順暢。

為了保證安全，應(yīng)當(dāng)盡量減小金屬間的摩擦，減少死角，設(shè)計(jì)防靜電接地，并且在裝置附近布置雨水噴淋系統(tǒng)。

2.2 尾氣除塵系統(tǒng)

物料在干燥過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的粉塵，粉塵長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)產(chǎn)生安全問題，因此需要設(shè)計(jì)合理的除塵設(shè)備。采用旋風(fēng)+濕法兩級(jí)除塵的方式，使干燥尾氣排放的粉塵含量不大于30 mg/m3，以達(dá)到環(huán)保要求。

2.3 控制系統(tǒng)

在干燥機(jī)運(yùn)行過程中，熱水的溫度及耗量是達(dá)到生產(chǎn)要求的關(guān)鍵，為了保證干燥機(jī)的操作性能，需設(shè)置進(jìn)/出水溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

由于物料具有易燃性，為防止出料料溫超出允許值，需設(shè)置出口料溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

在整個(gè)物料干燥過程中，干燥機(jī)入口需處于負(fù)壓下操作，這樣既可以防止粉塵的外漏，又可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，故需設(shè)置干燥機(jī)出口處的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)關(guān)鍵工藝參數(shù)計(jì)算

3.1 筒體直徑

參照傳統(tǒng)無抄板回轉(zhuǎn)干燥機(jī)直徑的計(jì)算方法[5]，考慮干燥機(jī)物料填充率ηD、換熱管截面所占分率η對(duì)氣體流通面積的影響，筒體直徑D可按照式(1)進(jìn)行試算[6，7]：

(1)

式中，D為筒體的直徑，m；qmC為載氣的質(zhì)量流量，W為水分蒸發(fā)量，kg/s；υ為載氣截面質(zhì)量流率，kg/(m2·s)。

υ與物料平均粒徑和堆密度有關(guān)，對(duì)堆密度較小的物料，可選用較小數(shù)值[2]。考慮到硝基漆片物料為片狀，平均尺寸為3 mm×3 mm×0.7 mm，堆密度為400 kg/m3，故文中取υ=0.5 kg/(m2·s)。將qmC=0.29 kg/s、W=0.07 kg/s、ηD=10%、η=11.4%、υ=0.5 kg/(m2·s)帶入式(1)，得到筒體直徑約為1.1 m。考慮一定的余量，選取設(shè)計(jì)筒體直徑為1.2 m。

3.2 筒體轉(zhuǎn)速

熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)筒體的轉(zhuǎn)速范圍為1～8 r/min，轉(zhuǎn)速太快或者太慢都不利于設(shè)備運(yùn)行以及物料的干燥。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，在適宜的長(zhǎng)徑比情況下，筒體轉(zhuǎn)速為3～5 r/min是較為合適的，文中取轉(zhuǎn)速為3.25 r/min。

3.3 傳熱系數(shù)

影響回轉(zhuǎn)干燥機(jī)傳熱系數(shù)的因素眾多，主要有設(shè)備定性尺寸、物料密度、物料比熱容、物料導(dǎo)熱系數(shù)、顆粒粒度和進(jìn)料量等參數(shù)。傳熱過程很難用理論分析方法描述，傳熱系數(shù)的計(jì)算方法有基于移動(dòng)加熱板的顆粒熱傳遞模型[8-11]，以及采用因次分析對(duì)傳熱系數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)等[12，13]。文中以文獻(xiàn)[14]中提出的列管式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

其中

λm=λww2+λa(1-w2)

(3)

式(2)～式(3)中，ρm為物料密度，kg/m3；K為干燥機(jī)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；cm為物料比熱容，kJ/(kg·℃)；λm為物料導(dǎo)熱系數(shù)，λa為絕干物料的導(dǎo)熱系數(shù)，λw為物料進(jìn)出口平均溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；n為筒體轉(zhuǎn)速，r/min；w2為物料出口含水量，%；a、b、c為無因次系數(shù)。

將D=1.2 m、ρm=400 kg/m3、cm=1.256 kJ/(kg·℃)、λa=0.16 W/(m·K)、λw=0.65 W/(m·K)、w2=1%、n=3.25 r/min、a=0.24、b=0.07、c=0.93帶入式(2)～式(3)進(jìn)行計(jì)算，可以得到K=39.67 W/(m2·K)。

3.4 傳熱面積

干燥機(jī)中采用的熱水壓力為0.45 MPa(G)，熱水溫度t1=80 ℃，設(shè)計(jì)熱水出口溫度t2=75 ℃，物料入口溫度t1′=25 ℃，物料出口溫度t2′=60 ℃。結(jié)合上述傳熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，由式(4)來計(jì)算傳熱面積：

(4)

其中

(5)

式中，A′為計(jì)算傳熱面積，m2；Q為干燥物料需要的總熱量，W；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

將Q=78 150 W、K=39.67 W/(m2·K)、t1=80 ℃、t2=75 ℃、t1′=25 ℃、t2′=60 ℃帶入式(4)和式(5)，得到A′=60.17 m2。

考慮到設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行物料粘附于管壁影響傳熱，傳熱面積取20%的余量，則設(shè)計(jì)傳熱面積A=1.2A′=72.20 m2。

3.5 換熱管長(zhǎng)度及管排布

為滿足傳熱面積要求，需綜合考慮換熱管長(zhǎng)度L及管排布。回轉(zhuǎn)干燥機(jī)長(zhǎng)徑比通常取4～12[5]，考慮物料停留時(shí)間、布管等因素，初步選取換熱管長(zhǎng)度L=10 m、長(zhǎng)徑比為8.33，并通過停留時(shí)間校核換熱管長(zhǎng)度。

換熱管布置過密不利于物料的流動(dòng)，布置過稀則在相同換熱面積條件下需要的設(shè)備尺寸更大。規(guī)定同心圓排布每層管與管之間距離不小于0.05 m，每圈沿圓周方向管與管之間距離不小于0.07 m，最外圈管與筒壁之間的距離不小于0.05 m。充分考慮各種因素后，得出了較優(yōu)的布管設(shè)計(jì)方式，見圖2和表1。

圖2 干燥機(jī)換熱管排布

表1 干燥機(jī)換熱管布管參數(shù)

注：1)最外圈管層間距為最外圈管外壁到筒體內(nèi)壁的距離。

按上述布管方式計(jì)算的實(shí)際傳熱面積為79.89 m2，換熱管總體積為1.29 m3，實(shí)際設(shè)備總體積為11.31 m3，則設(shè)備有效體積Ve=11.31-1.29=10.02(m3)。實(shí)際傳熱面積滿足干燥要求。

3.6 物料停留時(shí)間

物料在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的停留時(shí)間與物料性質(zhì)、填充率、轉(zhuǎn)筒尺寸、運(yùn)行條件等有關(guān)，很難用統(tǒng)一的公式計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用中常采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)或者用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行估算。列管式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的停留時(shí)間可以按照式(6)估算[14，15]。

(6)

式中，τ為物料停留時(shí)間，min；S為轉(zhuǎn)筒斜度，m/m；G2′為產(chǎn)量，kg/s；dp為物料平均粒徑，m。

將L=10 m、D=1.2 m、n=3.25 r/min、S=0.02、qmC=0.29 kg/s、G2′=0.167 kg/s、dp=2.29 mm帶入式(6)，得τ=28.06 min，滿足本干燥機(jī)物料停留時(shí)間為20～30 min的要求。

3.7 物料填充率

考慮干燥過程的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，回轉(zhuǎn)干燥機(jī)物料填充率φ通常為8%～13%，一般不得超過25%[5]。干燥機(jī)內(nèi)的填充率等于平均停留時(shí)間和單位時(shí)間內(nèi)加料體積和干燥機(jī)有效體積之比：

(7)

式中，Vf為單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)料體積，m3/min；Ve為干燥機(jī)有效體積，m3。

將τ=28.06 min、Vf=0.000 48 m3/s、Ve=10.02 m3帶入式(7)得φ=8.06%。

4 熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)設(shè)計(jì)選型結(jié)果

在實(shí)際計(jì)算中，回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的轉(zhuǎn)筒直徑、轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速、物料停留時(shí)間、斜度和物料填充率之間相互影響，相互制約，需要進(jìn)行參數(shù)的不斷調(diào)整與校核。最終得到的熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)設(shè)計(jì)選型計(jì)算結(jié)果為，轉(zhuǎn)筒直徑1.2 m、轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度10 m、傳熱面積79.89 m2、停留時(shí)間28.06 min、填充率8.06%、斜度0.02、轉(zhuǎn)速3.25 r/min。

5 結(jié)語

針對(duì)國(guó)內(nèi)某公司硝基漆片的干燥進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，針對(duì)物料的特性，選取了以熱水為加熱介質(zhì)的列管式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)作為干燥設(shè)備，通過計(jì)算確定了干燥機(jī)的規(guī)格、傳熱面積、物料停留時(shí)間、物料填充率、筒體轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)。截至目前，設(shè)計(jì)的熱水型回轉(zhuǎn)干燥機(jī)開車運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品產(chǎn)能及濕含量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了文中計(jì)算結(jié)果的合理性。

[1] 彭湘濰，蔡一江.硝基漆片熱分析研究[J].上海勞動(dòng)保護(hù)技術(shù)，1991(3)：22-23.

(PENG Xiang-wei，CAI Yi-jiang. Study of Thermal Stability of the Nitrolacquer Slice[J].Shanghai Labor Protection Technology，1991(3)：22-23.)

[2] 彭湘濰.壓制硝基漆片起火原因分析[J].工業(yè)安全與防塵，1992(10)：34-35.

(PENG Xiang-wei. Analysis of Cause to Catch Fire in Suppression Nitrolacquer Slice[J]. Industrial Safety and Environmental Protection，1992(10)：34-35.)

[3] 周立榮.蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)在褐煤干燥上的應(yīng)用[J].煤炭加工與綜合利用，2010(6)：34-37.

(ZHOU Li-rong. Application of Steam-pipe Rotary Dryer for Lignite[J].Coal Processing & Comprehensive Utilization，2010(6)：34-37.)

[4] 管國(guó)鋒，趙汝溥.化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：379-411.

(GUAN Guo-feng，ZHAO Ru-bo. Chemical Principle[M].Beijing：Chemical Industry Press，2003：379-411.)

[5] 金國(guó)淼.干燥設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：298-310.

(JIN Guo-miao. Drying Equipment[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2005：298-310.)

[6] 李真澤.PTA回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的工藝設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì)與管道，2009，46(4)：15-17.

(LI Zhen-ze. Process Design of PTA Rotary Dryer[J]. Process Equipment & Piping，2009，46(4)：15-17.)

[7] 李真澤，何勤偉，趙旭.精對(duì)苯二甲酸裝置干燥機(jī)的工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].化學(xué)工程，2009，37(7)：72-75.

(LI Zhen-ze，HE Qin-wei，ZHAO Xu. Process Design Optimization of Dryer in Pure Terephthalic Acid Plant[J]. Chemical Engineering，2009，37(7)：72-75.)

[8] 賀華波.間接式干燥裝備建模及面向?qū)ο筌浖_發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

(HE Hua-bo. Modeling of Indirect Drying Equipment and Development of Object-oriented Software[D].Hangzhou：Zhejiang University，2002.)

[9] 吳靜，李選友，陳寶明，等.間接加熱式列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)傳熱系數(shù)的測(cè)試方法[J].化工進(jìn)展，2014，33(9)：2266-2272.

(WU Jing, LI Xuan-you, CHEN Bao-ming, et al. Research on Measuring Heat Transfer Coefficient in an Indirect Heating Tube Rotary Dryer[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2014，33(9)：2266-2272.)

[10] Ohmori T，Miyahara M，Okazaki M，et al. Heat Transfer from Submerged Body Moving in Granular Bed[J]. Drying’86，1986(1)：197-203.

[11] Toei R，Ohmori T，Okazaki M. Heat Transfer from Submerged Body Moving in Granular Bed[J]. Drying’85，1985(1)：209-214.

[12] 呂新宇，王猛，楊歡，等.間接換熱式列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)傳熱系數(shù)的研究[J].常州大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22(2)：38-41.

(Lü Xin-yu，WANG Meng， YANG Huan，et al. Study of the Heat Transfer Coefficient of a Rotary Tube Dryer[J]. Journal of Jiangsu Polytechnic University，2010，22(2)：38-41.)

[13] 吳靜，李選友，陳寶明，等.間接加熱式列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)傳熱系數(shù)模型構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(14)：53-59.

(WU Jing，LI Xuan-you，CHEN Bao-ming，et al. Modeling for Heat Transfer Coefficient in Indirect-heating Tube Rotary Dryer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29(14)：53-59.)

[14] 趙旭，應(yīng)洪山，岳永飛．HDPE蒸氣管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的工藝計(jì)算[J]．化工機(jī)械，2000，27(1)：20-22.

(ZHAO Xu，YING Hong-shan，YUE Tong-fei. Parameter Calculation of HDPE Steam Tube Rotary Dryers[J]. Chemical Engineering & Machinery，2000，27(1)：20-22.)

[15] 趙旭，孫中心，謝珍，等.HDPE蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的研究[J].化工設(shè)備與防腐蝕，2000，3(5)：17-18，47.

(ZHAO Xu，SUN Zhong-xin，XIE Zhen，et al. Study of HDPE Steam Tube Rotary Dryers[J]. Chemical Equipment & Anticorrosion，2000，3(5)：17-18，47.)

ProcessDesignoftheNitrolacquerSliceRotaryDryer

YANGMei，GAOYan
(Tianhua Research & Design Institute of Chemical Machinery and Automation Co. Ltd.，Lanzhou 730060， China)

The working principle of hot water type rotary dryer was introduced，and the hot water type rotary dryer system was designed for drying the nitrolacquer slice. The design points of hot water type rotary drying system， such as the dryer structure，dust removal system and control system were analyzed. The computing method of the size，ratational speed，heat transfer coefficient，heat exchange area，residence time and holdup of the dryer were raised. The selection of the hot water type rotary dryer has been completed and put into operation. The installation is running steadily and the capacity and moisture of product is up to grade，and the reasonableness of design is verified.

hot water type rotary dryer； nitrolacquer slice； drying； process parameter； design

1000-7466(2017)06-0039-04

2017-05-31

楊 玫(1984-)，女，陜西大荔人，工程師，學(xué)士，從事化工機(jī)械設(shè)計(jì)研究工作。

TQ051.8； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.008

(張編)