卧式多室流化床干燥器在硫酸铵干燥中的选型计算

Selection Calculation of Horizontal Multi-Compartment Fluidized Bed Dryer for Drying Ammonium Sulfate

苏国英 Guoying Su , 高妍 Yan Gao , 郭中山 Zhongshan Guo , 谭永鹏 Yongpeng Tan , 骆浩 Hao Luo

天华化工机械及自动化研究设计院有限公司甘肃兰州 730060 Tianhua Institute of Chemical Machinery and Automation Co., Ltd. Gansu Lanzhou 730060

摘要：

根据硫酸铵干燥项目工艺设计参数，对卧式多室流化床干燥器进行了选型计算，并配套其他相关工艺设备。所设计的卧式多室流化床干燥器投入实际运行后，具有干燥效果好、结构简单、物料夹带少、安全可靠、易于操作、环境污染小等特点，完全可以满足硫酸铵的干燥要求。

关键词：

硫酸铵; 干燥; 选型计算;

Abstract：

Based on process design parameters of drying ammonium sulfate project, a selection calculation of horizontal multi-compartment fluidized bed dryer is carried out, including other relevant supporting process equipment. After putting into actual operation of the designed horizontal multi-compartment fluidized bed dryer, it has the features of good drying effect, simple structure, less material entrainment, safe and reliable, easy to operate, less environmental pollution, etc. The requirements for drying ammonium sulfate can be met fully.

Keyword：

ammonium sulfate; dry; selection calculation;

目前，在硫酸铵工业生产中，其干燥所采用的设备有气流干燥器、振动床干燥器、厢式干燥器、流化床干燥器、盘式干燥器^[1-4]等，其中流化床干燥器因其对被干燥物料的适应性广、传热效率高而一直为人们所重视，已在食品、化工、建材、制药等领域得到了广泛的应用。

流化床干燥器可分为单层流化床干燥器、多层流化床干燥器、卧式多室流化床干燥器、振动流化床干燥器、喷动流化床干燥器、脉冲流化床干燥器等多种形式。相对于其他形式的流化床干燥器，卧式多室流化床干燥器具有如下特点^[5]：①操作简单，便于操作控制。②干燥效果好，物料在床层内的停留时间分布范围窄，干燥时间分布均匀，不会出现物料“短路”现象，干燥产品湿度均匀；可根据实际需要实时调节物料在床层内的停留时间，避免了能源浪费，干燥后产品含水质量分数可达0.01%~0.03%；物料颗粒在干燥过程中的碰撞概率小，对物料磨损小，产品外观质量高。③占地面积小，结构简单，易于制造，设备投资低；设备内无传动部件，维修周期长，维护成本低；干燥温度可调，避免了能源浪费。

山东某公司的硫酸铵干燥项目采用卧式多室流化床干燥器，干燥与冷却在同一设备内实现，减少了干燥床与冷却床之间的物料输送，简化了工艺流程，方便了系统操作，具有节能省地双重功效。该干燥器自2012年9月底投入使用以来，运行情况良好。

1 工艺流程

卧式多室流化床干燥器干燥硫酸铵工艺流程如图 1所示。

图 1

卧式多室流化床干燥器干燥硫酸铵工艺流程

来自上游工段的湿硫酸铵物料经双螺旋混合器进入卧式多室流化床干燥器干燥段第1室，与从流化床底部进入的热空气沸腾接触，然后依次再经干燥段第2和第3室，逐步将硫酸铵干燥至要求的水分含量；干燥后的硫酸铵颗粒进入流化床干燥器冷却段，冷空气从冷却段底部进入，物料在冷却室中被逐步冷却；从流化床干燥器冷却段出来的硫酸铵物料(＜60 ℃)由旋转卸料阀卸出，经皮带输送机送至产品料仓。空气经空气过滤器过滤后由鼓风机送入空气换热器，与1.1 MPa(表压)蒸汽换热至约140 ℃后分别进入流化床干燥器3个干燥室；冷空气经空气过滤器由鼓风机送入流化床干燥器的冷却段；干燥硫酸铵后的热气体与冷却硫酸铵后的冷空气在流化床干燥器上部汇合并从顶部引出进入旋风分离器进行气固分离，分离出的硫酸铵粉末进入溶解槽；夹带少量硫酸铵粉尘的气体从顶部离开旋风分离器，经引风机进入洗涤塔进行喷淋水洗，净化后的气体经洗涤塔顶部填料和除雾器除雾后放空。

2 选型计算

2.1 主要设计参数

卧式多室流化床干燥器主要设计参数见表 1。

表 1

卧式多室流化床干燥器主要设计参数

项目	设计参数
注：1) ≤0.25 mm颗粒占质量分数5%，≥0.5 mm颗粒占质量分数80%。
硫酸铵产量G/(kt·a^-1)	160.0
湿硫酸铵进口温度T₁/℃	65
硫酸铵出口温度T₂/℃	＜60
进口压力P	常压
加热蒸汽压力P_Z/MPa(表压)	1.1
进料含水率(湿基)ω₁/%	2.0
进料含硫酸铵质量分数ω₁₁/%	97.8
进料含己内酰胺质量分数ω₁₂/%	0.2
出料含水率(湿基)ω₂/%	0.1
颗粒真密度ρ_s/(kg·m^-3)	1 770.0
堆密度ρ_b/(kg·m^-3)	990.0
物料比热C_s/(kJ·kg^-1·℃^-1)	1.42
粒径分布/mm	0.50~2.00¹⁾

2.2 选型计算

2.2.1 符号说明

G₁——物料进料量，kg/h；

G₂——干燥产品出料量，kg/h；

G_C——绝干物料量，kg/h；

X₁，X₂——进、出料中的含水率，干基；

W——水分蒸发量，kg/h；

γ——100 ℃下水的汽化潜热，kcal/kg；

C_w，C_s——水及硫酸铵的比热，kcal/(kg·℃)；

T₁，T₂——硫酸铵进、出料温度，℃；

t₁，t_w——热风进口温度及气体湿球温度，℃；

t₂——物料出干燥段温度，℃；

r_w——湿球温度下的汽化潜热，kcal/kg；

C₂-C^*——物料出口的自由水分, 干基；

C₀-C^*——物料的临界自由水分, 干基；

L——单位流化床截面积通过气体流量，kg/(m²·h)；

αa——物料体积传热系数，kJ/(m³·h·℃)；

H₀——物料静止床层高度，mm；

C_f——干燥流体比热，kcal/(kg·℃)；

Δ t_m——对数平均温差，℃；

A——流化床底面积，m²。

2.2.2 质量衡算

图 1

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

图 2

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

图 3

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

图 4

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

则水分蒸发量W=470.0 kg/h。

2.2.3 热量衡算

由于只有结晶水的干燥，所以仅有降速干燥过程。

(1) 干燥段热量衡算蒸发水分需要的热量

图 5

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

加热水分热量Q_D2：

图 6

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

加热物料热量Q_D3：

图 7

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

干燥物料需要的总热量：

图 8

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

则在该项目的工艺条件下，干燥硫酸铵所需的总热量Q_D=1 721 216.51 kJ/h，并可得到干燥段单位面积通过的气体流量L_A=5 873.7 kg/(m²·h)。

(2) 冷却段热量衡算

假设物料出口温度为55 ℃，则冷却物料中水分所需热量Q_C1：

图 9

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

冷却物料所需热量Q_C2：

图 10

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

冷却物料需要的总热量Q_C：

图 11

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

则在该项目的工艺条件下，冷却来自干燥段的硫酸铵物料所需的热量为974 179.35 kJ/h，并可得到冷却段单位面积通过的气体流量L_B=6 220.0 kg/(m²·h)。

2.2.4 底面积计算

根据物料特性、最大颗粒临界流化速度及最小颗粒逃逸速度，计算得物料体积传热系数(αa)为627 178.20 kJ/(m³·h·℃)，并取颗粒流化速度u=1.4~1.8 m/s。

(1) 干燥段底面积计算

干燥段出口物料温度t₂可按下式计算：

图 12

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

则可计算得到干燥段出口物料温度t₂=83.2 ℃。

图 13

$ {G_1} = {G_2}(1 - {\omega _2})/(1 - {\omega _1}) $

其中静止床层高度H₀=300 mm。通过式(12)和(13)可求得卧式多室流化床干燥器干燥段所需底面积为6.0 m²。

(2) 冷却段底面积计算

假设冷空气进口温度为30.0 ℃(考虑夏季工况)，通过试差计算，求得冷空气出卧式多室流化床干燥器温度为66.2 ℃，同样可通过式(13)求得冷却段所需底面积为1.8 m²。

2.2.5 分布板开孔率

根据物料粒径分布情况，可选取分布板开孔率为5%，分布板开孔形式为舍形孔，并进行核算。

2.3 干燥系统主要配套设备规格

根据系统质量与热量衡算，主要配套设备规格参数如下：空气换热器换热面积1 200 m²，采用翅片管式换热器；旋风除尘器及喷淋洗涤塔直径分别为Φ 2 000 mm和Φ 2 500 mm，干燥段鼓风机型号为9-28ⅠNo11.2-D，冷却段鼓风机型号为9-19 No11.2-D，尾气引风机型号为Y5-47ⅡNo12.4D。

3 流化床干燥系统设计特点

3.1 卧式多室流化床干燥器设计特点

(1) 物料的干燥和冷却在同一设备中进行，简化了流程，减少了设备，节省了占地面积。

(2) 卧式多室流化床干燥器共分4个室，其中干燥段3个、冷却段1个，在相邻风室间安装了可调的挡板，物料的停留时间相对较为恒定，避免了物料发生“短路”现象，干燥产品湿度比较均匀。

(3) 在干燥过程中，湿物料从进料口依次经过各风室，物料在各风室的湿含量略有不同，可以根据具体情况调节热风温度和各风室的热风量，使风量从第1室至第3室依次降低，4个室的床层压降呈现梯度，保证物料流动顺畅。

(4) 采用分块组装式分布板，各分布板连接处的间隙≤1 mm并采用防腐硅密封胶密封，既减少了漏料的可能，又避免了分布板缝隙处形成风幕墙而导致物料局部流动不正常甚至死床的可能性^[6]。分布板开孔采用舍形孔，其孔口方向与物料流动方向相同，保证了物料从设备进口到尾端的顺畅流动，同样可减少停车时的漏料量。

(5) 流化床干燥器对物料的磨损程度较轻，降低了超细物料的比例，提高了硫酸铵产品的外观质量。

(6) 设备结构简单，无传动部件，便于加工制造、操作和维修。

3.2 环境污染小

卧式多室流化床干燥器顶部设有扩大段，可有效减少尾气夹带硫酸铵粉尘量。尾气经旋风分离器分离除尘后，再经洗涤塔喷淋洗涤，完全可达到环保排放要求。空气换热器及流化床干燥器外壁设有隔热层，风机设置减震器和隔音罩。流化床干燥器顶部设置压力测量元件，保证流化床在微负压下操作，避免了粉尘洒落。粉尘和水全部回收进入生产系统，没有新的污染源产生。

3.3 操作弹性大

该项目选用双螺旋给料器，可有效破碎来自离心机的块状物料，从而避免了流化床第1室出现物料结块和座床现象，处理能力可满足生产要求。

4 存在的问题

(1) 在运行过程中，流化床侧壁上设置的观察窗表面被雾气完全覆盖，需不停擦拭，导致擦拭把柄使用寿命缩短且更换不便。

(2) 为方便各分布板间的连接固定，每块分布板边缘处设有不开孔区域，在此区域内开设螺栓孔，导致开孔率降低，运行过程中若风量调节不当，便有可能造成死床。

(3) 硫酸铵中含有游离氨，有一定的腐蚀性，故各分布板连接处采用耐腐蚀的硅密封胶密封。为防止此处与分布板不开孔区域一起造成死床，应考虑将分布板连接处设计为布风结构。

ckwx 参考文献

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金国淼.干燥设备[M].北京:化学工业出版社:97-164.

牛虎, 马训强, 邢召良, 等.浅谈流化床干燥器布风板的设计[J].化工设计, 2002(6):5-7.