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干燥设备选型技术总结

干燥设备选型技术总结

文章标签:干燥设备选型

  同其他工业技术一样,干燥技术在应用过程中也得到长足的进步。目前已开发出的干燥机的种类已达400多种,而且有约200多种干燥机已应用于工业化生产,其中出现了许多新型干燥机,它们有的是对普通干燥机进行结构上的改进,有的借鉴吸收了其他干燥机的优点,有的完全是一种新想法。

  干燥又是工业耗能相当大的一个单元操作,据资料记载,发达国家工业耗能的14%被用于干燥,有些行业的干燥耗能甚至占到生产总耗能的35%,而且这个数字在不断地增大。同时,运用矿物燃料作为热源进行干燥操作产生大量的二氧化碳等气体。干燥设备的尾气(这些气体中夹带一些粉尘)对大气环境有不良的影响,这对于日益引起全球关注的“环境保护”是一个极大的挑战。

  几乎所有的工业都离不开干燥操作,虽然正确地了解干燥及干燥设备的工作机理有助于成功地完成干燥过程,但是仍然需要我们不断地投人人力和物力去进一步进行干燥技术的研究和开发,以使其在生产高质量产品的同时,有效地利用能源,减少对环境的不利影响,并且更易于实现过程操作和控制。

  一、干燥技木的特点

  干燥技术有很宽的应用领域,面对众多的产业、理化性质各不相同的物料、产品质量及其他方面千差万别的要求,干燥技术是一门跨行业、跨学科、具有实验科学性质的技术。通常,在干燥技术的开发及应用中需要具备三个方面的知识和技术。第一是需要了解被干燥物料的理化性质和产品的使用特点;第二是要熟悉传递工程的原理,即传质、传热、流体力学和空气动力学等能量传递的原理;第三要有实施的手段,即能够进行干燥流程、主要设备、电气仪表控制等方面的工程设计。显然,这三方面的知识和技术不属于一个学科领域。而在实践中,这三方面的知识和技术又缺一不可。所以干燥技术是一门跨行业、跨学科的技术。

  现代干燥技术虽已有一百多年的发展史,但至今还属于实验科学的范畴。大部分干燥技术目前还缺乏能够精准指导实践的科学理论和设计方法。实际应用中,依靠经验和小规模实验的数据来指导工业设计还是主要的方式,造成这一局面的原因有以下几方面:

  原因之一是干燥技术所依托的一些基础学科,(主要是隶属于传递工程范畴的学科)本身就具有实验科学的特点。例如,空气动力学的研究发展还要靠“风洞”实验来推动,就说明它还没有脱离实验科学的范畴,而这些基础学科自身的发展水平直接影响和决定了干燥技术的发展水平。

  原因之二是很多干燥过程是多种学科技术交汇进行的过程,牵涉面广、变化因素多、机理复杂。例如在喷雾干燥技术领域里,被雾化的液滴在干燥塔内的运行轨迹是工程设计的关键。液滴的轨迹与自身的体积、质量、初始速度和方向及周围其他液滴和热空气的流向、流速有关。但这些参数由于传质、传热过程的进行,无时无刻不在发生着变化、而且初始状态时,无论是液滴的大小还是热空气的分布都不可能是均匀的。显然,对于如此复杂、多变的过程只凭借理论计算来进行工程设计是不可靠的。

  原因之三是被干燥物料的种类是多种多样的,其理化性质也是各不相同。不同的物料即使在相同的干燥条件下,其传质、传热的速率也可能有较大的差异。如果不加以区别对待,就有可能造成不尽人意的后果。例如某些中草药的干燥,虽然同属一种药材,只因为药材产地或收获期存在区别就须改变干燥条件,否则产品质量就会受到影响。

  以上三方面的原因决定了干燥技术的开发与应用要以实验为基础。但干燥搜术的这些特点往往被人有意或无意地忽视。制造厂商由于实验装置缺乏或机型不全(这在我国是一个普遍存在的现象)经常回避应做的干燥实验,而用户由于不了解干燥技术的特点,也经常放弃进行必要实验的要求。其结局是装置使用效果不佳,甚至于造成方案设计失败。在我国,这样的事例屡见不鲜,曾有过一套价值2000万元人民币的工业干燥装置因达不到使用要求而被闲置的教训。因此,建设工业干燥装置尤其是较大的装置之前,一定要进行充分的、有说服力的实验,并以实验结果作为工业装置设计的依据。这是干燥技术应用的显著特点。

  此外,干燥设备种类繁多、各具用途也是干燥技术的一个特点。每一种技术都有自己适宜应用的领域。在工程实践中,要根据具体情况选择适用的干燥技术种类。这对投资费用、操作成本、产品质量、环保要求等方都会产生重大的影响。例如某一企业,在白炭黑滤饼干燥上曾经分别选用过箱式干燥、喷雾干燥、旋转气流快速干燥三种型式。结果证明这三种技术各有所长。箱式干燥生产白炭黑虽然生产效率低、人员劳动强度大,但产品质量好。与橡胶混炼后所生成的制品扯断强度值较高。旋转气流快速干燥设备紧凑、投资少、生产效率高,但所生成的橡胶制品的强度指标却是三者间很差的。喷雾干燥生产白炭黑,产品各项指标在三者间居中,但具有产品流动性好、粉尘污染小,深受用户及操作者欢迎的特点。在20世纪90年代,为白炭黑生产中采用哪种干燥方式更为先进的问题,曾在我国干燥界引发过争论。其实,三种设备各有特点,选用哪种机型要看用户自身的条件和产品要求。不存在哪种技术更为先进的结论。类似的例子有很多,都表明了干燥设备种类繁多、各具用途的特点。所以在应用中要仔细比较、慎重选择技术方案,而通过干燥实验来考核技术方案也是必不可少的步骤。

  二、工业干燥装置的发展现状

  干燥在许多生产中是一个^重要的单元操作,因为干燥在这里不仅是简单的固液分离过程,更重要的常常是生产过程的^后一道工序,产品的质量、剂型在很大程度上取决于干燥技术和设备的综合运用情况。从经济角度考虑,干燥器价格昂贵,工程投资较大。另一方面,干燥又是高耗能过程,热效率在15%一80%这样大的范围内波动,而设备的运转费用与干燥器的设计选型有非常密切的关系,所以企业的决策者对此历来都比较重视。被干燥物料的品种有许多,它们的理化性质又有很大差异。甚至同一品种不同的生产工艺、同一品种不同的产品要求,导致干燥条件可能都有区别,所以就决定了干燥工程的复杂性。由此可见,干燥过程较其他的单元操作具有更高的技术性。

  我国干燥设备在解放前基本是空白,只有烘房、烘箱和滚筒干燥机,干燥技术落后、生产设备原始。到1957年才出现了真空耙式干燥机,1964年以后干燥技术有了较快的发展。纵观我国干燥技术及设备的发展史,在几十年间经历由简到繁、由低级到高级的发展阶段,现在常用于生产的干燥设备有十余类三十多个系列,加上组合干燥设备约有五十几种,再加上专用干燥设备就更难于统计,合理地选用这些干燥设备也不是一件易事,选型的前提是了解这些设备的基本工作原理、结构特点以及适用物料范围,这样在选型时才避免走弯路。

  近些年来,由于干燥技术的发展,给筛选设备带来了更多的复杂因素。即使是干燥设备的设计、制造或使用者也常常弄不清如何去选择合适的设备。由于干燥设备的推销者在市场上只是对他们推销的干燥机种类感兴趣,而对其他种类则并不介绍,这样,用户就只得借助于有关的现代干燥技术参考资料决定对设备的^后选择。毫无疑问,用户很需要由推销者提供的实验室,实验范围及技术经济方面的资料。因此,就必须熟悉大多数干燥设备,才有可能选出合理的设备。应该强调的是,在特定的生产运行状态中,很有可能有很多较适用的干燥机,但也必须知道,在特定的工作状态中,没有一个严格的规则规定出极^的理想干燥设备,每一种产品都有自己独特的生产方式。影响理想的干燥装置选择的因素很多,如选择间歇干燥还是连续干燥、矿物燃料的消耗、电耗、地方环境法或噪音污染限制等。产品产量对干燥机的选择更是一个主要因素。

  三、干燥设备使用概况

  前面提到,干燥设备是在许多工业生产中大量应用。多年来已有多种机型用于工业化生产中,如气流干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器、滚筒干燥机、耙式干燥器、冷冻干燥机、红外线干燥及组合式干燥等达几十种之多。为什么干燥设备类型很多呢?这主要是由于干燥物料型态、性质各不相同,处理的物料有各种不同的具体要求所致。

  随着我国各行业的生产技术的飞跃发展,国内干燥技术和设备也得到了迅速发展。在散粒状物料的干燥方面,近几年来流态化技术获得了更加广泛的应用和新的发展。流态化干燥充分改善了气固相接触条件(蒸发表面积增大),物料的剧烈搅动,大大减少了气膜阻力,给传热介质创造了极为有利的条件。除了国内在干燥技术中使用较早的气流干燥获得较迅速发展外,近年来流化干燥设备发展得很快。主要表现在利用流态化技术结合各种被干燥物料特性和要求创制了很多新型高效的流态化干燥器,分述如下。

  直管气流干燥器是国内使用较早的流化干燥设备,经数年来的生产实践认为气流干燥对散粒状物料,特别是热敏性物料的干燥,还是比较理想的干燥设备。它无论生产量,占地面积等方面均比烘箱干燥优越,因此目前在制药、塑料、食品、化肥等工业中使用的更加广泛。但气流干燥还存在热利用率较低、设备高、气固两相相对速度较低等缺点。近年来创制了脉冲气流干燥器、旋风气流干燥器、粉碎气流干燥器等新型气流设备,克服了直管气流干燥的缺点。粉碎气流除降低高度外,还扩大了气流干燥器的使用范围,使易氧化的物料能用空气作为干燥介质,既降低了干燥动力消耗,又提高了产品的产量和质量,此外还采用了多级气流干燥流程和组合气流干燥流程,在气流干燥器的应用上,许多工程采用了二级串联方式,在有些物料的干燥上更加合理,也提高了热效率。直管气流干燥在生产操作方面已很成熟。脉冲气流、旋风气流干燥已工业化多年,操作已较成熟,但理论设计方面还很缺少。在今后的实践发展中还需进一步完善。

  大部分热敏性较强和易氧化的物料,均采用气流干燥。一般能将初湿为10%一25%的物料干燥至1%-0.05%,被干燥的物料粒度一般在60-100目,产量一般在100 - 200kg/h。目前国内在制药、食品、塑料等工业中广泛使用。随着我国生产技术的飞速发展,气流干燥在今后的工业生产中必定应用得更加广泛。

  流化干燥是^近年发展起来的又一干燥技术。经过生产实践证明它有很多优越性,能实现小设备大生产,由于热容系数较大和停留时间可任意调节,故对含表面水和需经过降速干燥阶段的物料均适用,特别适用于散粒物料的干燥。^近发展起来并已工业化的有下列几种型式:单层圆筒型、多层圆管型、振动流化床、卧式多室流化床干燥器、搅拌流化床以及内藏热管流化床等,其中以后者发展得较迅速。目前已在制药、化肥、食品、塑料、石油化工等工业中广泛使用。经过几年的实践,国内流化干燥无论在操作、设备结构等方面均已发展到较成熟阶段。从使用情况看,卧式多室流化干燥器由于结构简单、操作方便而稳定、物料适应性广,既能获得含水均匀的产品,动力消耗又少,是流态化干燥散粒状物料较理想的设备,今后值得推广与发展。内藏热管是流化床对流传热和传导传热相结合的产物,具有较高的热效率,干燥效果也效好,是近年来很受推荐的新机型。

  国内锥形流化床按操作分有三种型式:一种是浓相溢流出料,近年来国内较多在流化造粒方面使用;另一种即喷动床干燥,是由床顶出料,产品在旋风分离器内收集或间歇操作床底出料。这种结构比流化床结构简单,设备小,产量大,干燥强度高、床层等温性强、不发生局部过热。过去仅适用于大颗粒物料(聚氯乙烯),近年来已发展至能应用于细粒物料的干燥。目前在塑料、谷物、制药等部门使用。但因动力消耗较大,使用受到一定限制。

  在溶液状或浆状物料的干燥方面也获得了较新的发展,除使用得较多的喷雾干燥有了新的发展外,近年来已成功地采用了锥形流化床进行喷雾造粒生产并已逐步在发展和完善中。喷雾流化造粒干燥器首先在化肥上采用,目前已在医药、食品等工业中采用。喷雾干燥在国内使用已有二十几年,在设计和操作等方面都已较成熟。近年来喷雾干燥有以下几方面的进展:

  (1)干燥室除向大型化发展外,喷头雾化器性能方面有关单位也作较多的实验研究工作,并取得了显著效果;

  (2)除热敏性溶液更加广泛采用喷雾干燥外,近年浆液也成功地采用了喷雾干燥;

  (3)喷雾干燥设备与其他干燥技术结合以达到干燥或干燥造粒同时进行的目的,这也是我国干燥技术水平进一步发展的体现;

  (4)目前正在进行低温喷雾干燥的实验,它是将含湿量极低而温度不高的空气作载体,空气经过预先脱水干燥,在干燥过程中产品温度不超过35’C,因此适用于热敏性物料的干燥,如医药、食品脱水等。

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