旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機的設(shè)計優(yōu)化
技術(shù)支持
干燥是化工生產(chǎn)中較為常見和耗能較大的一類單元操作。面對能源日益緊缺、環(huán)境不斷惡化的事實，現(xiàn)代干燥技術(shù)將沿著實現(xiàn)有效利用能源提高產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量、減少對環(huán)境的影響、機電一體化、安全操作等方向發(fā)展。因此研制適應(yīng)面廣，同時兼具環(huán)保特性的新型干燥設(shè)備具有很現(xiàn)實的工程意義。
1 旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機的結(jié)構(gòu)與工藝
旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機是一種連續(xù)生產(chǎn)的新型間接加熱式干燥設(shè)備，換熱面積達(dá)500㎡、750㎡、1000㎡的該型設(shè)備已成功用于玉米酒精糟生產(chǎn)高蛋白飼料。
在密閉的干燥室內(nèi)，一帶有數(shù)十片空心圓盤的轉(zhuǎn)子緩慢旋轉(zhuǎn)，蒸汽作為熱介質(zhì)從轉(zhuǎn)子空心軸的一端進(jìn)入，通過旋轉(zhuǎn)金屬圓盤將熱量傳遞給物料，物料在盤外吸熱增焓不斷蒸發(fā)濕分，凝結(jié)的冷凝水從轉(zhuǎn)子另一端排出。圓盤周緣裝有特殊抄板，一方面不斷將物料翻起使之與金屬壁面充分接觸，另一方面抄板有一定的軸向傾角，將物料從入口端推向出口端。對不同物料，選用合適的干燥室長度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及抄板的軸向傾角，可使物料從入口到出口剛好完成干燥過程。
由于旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機中物料和干燥介質(zhì)不直接接觸，產(chǎn)品質(zhì)量易于保證，且間接傳熱，干燥過程只需提供少量氣體來攜帶濕分，尾氣流量小，熱效率較高。同時被尾氣帶走的粉塵大為減少，可以把污染控制在很小的范圍。正是由于具有良好的節(jié)能環(huán)保特性，旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。
在保證正常干燥生產(chǎn)的前提下，降低成本，節(jié)約能源，提高熱效率，確保運行的可靠性，是旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機設(shè)計的目標(biāo)，具體通過整機真實傳熱系數(shù)的 計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面來實現(xiàn)。
2 真實傳熱系數(shù)的計算
傳熱系數(shù)是表征干燥機傳熱性能的一個重要指標(biāo)，它的計算精度將直接影響換熱面布置的數(shù)量。旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機的傳熱可歸結(jié)為平板在攪動的顆粒床上的熱傳導(dǎo)，其傳熱系數(shù)根據(jù)Schlunder提出的“顆粒熱傳遞模型”，采用移動加熱板的方法計算得到。該理論認(rèn)為移動加熱面與待干燥顆粒床間的熱傳遞現(xiàn)象主要受三個機制控制，即熱阻主要由以下三部分組成：
（1）加熱壁與顆粒間的熱傳遞。
（2）填料床內(nèi)的熱傳導(dǎo)。
（3）基體中由于顆粒運動引起的熱對流。
將各部分熱阻疊加起來，就可以計算出總的傳熱系數(shù)。
顆粒在干燥機料床中的運動規(guī)律十分復(fù)雜，目前還沒有完全被掌握。在簡化的完全混合情況下，床身內(nèi)無溫度分布，顆粒熱對流引起的熱阻對傳熱系數(shù)的影響可以被忽略。
對一臺干燥機而言，除具有一個宏觀統(tǒng)計上的總體傳熱系數(shù)外，每段干燥區(qū)域還對應(yīng)有一個局部傳熱系數(shù)，兩者有聯(lián)系也有區(qū)別。觀察物料的測試報告可以發(fā)現(xiàn)，濕度對物料物理性質(zhì)影響很大。一般濕度越大，比重就越大，導(dǎo)熱系數(shù)也會迅速增加。因此顆粒傳熱模型的復(fù)雜性還在于分段性，必須根據(jù)不同物料的干燥特性曲線，對整臺干燥機進(jìn)行分區(qū)域計算傳熱系數(shù)，然后再依各段所占的加熱面比例，得出總傳熱系數(shù)。
3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是使干燥機的結(jié)構(gòu)適應(yīng)干燥曲線的變化，提高熱效率。在干燥過程中，物料的濕度與黏度有密切關(guān)系，一般降低濕度有助于減小黏度。干燥前期，物料的濕度和黏度都較大，若此期間供給足夠的熱能，使物料迅速脫水，有助于加快干燥過程。而干燥后期，物料內(nèi)水分多為結(jié)合水，干燥速率主要取決于水分在物料內(nèi)部的移動速度，水分蒸發(fā)速度將明顯低于前期，在此階段應(yīng)盡量使物料保持一定的溫度，增加與加熱面的接觸率。因此基于上面的分析，對國內(nèi)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機進(jìn)行了改進(jìn)。
同常規(guī)旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機相比，改進(jìn)的新型旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機有以下幾個特點。
（1）采用兩級干燥室設(shè)計。將一根空心軸改為兩根獨立空心軸，分別對一次、二次干燥室的加熱圓盤供氣。由于空心軸跨距減小，一方面可減小軸徑，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)的可靠性，同時便于加工制造；另一方面加熱圓盤的換熱狀況也得到改善，這主要是由于干燥機逆流操作，空心軸越長，末端蒸汽壓力就越低，從而影響進(jìn)料端加熱盤的干燥效率。因此減小空心軸的長度可改善相同條件下的干燥水平。
（2）采用變徑盤的變距設(shè)計。根據(jù)待干物料的狀況，在干燥前期，使之與大直徑、近距盤相接觸來加速物料中自由水分的蒸發(fā)；干燥后期，則采用小直徑、中距盤，增加物料與盤的瞬時接觸率，促進(jìn)內(nèi)部結(jié)合水分向表面的移動。
（3）一次、二次干燥室分別采用不同的主軸轉(zhuǎn)速。一般提高干燥機的轉(zhuǎn)速能提高其干燥速率，但對于大型旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機的常規(guī)設(shè)計，提高轉(zhuǎn)速并不會帶來益處，一方面驅(qū)動電機的功率必須相應(yīng)提高，另一方面由于中心軸跨距大，轉(zhuǎn)速的提高對整機設(shè)計提出更高的要求。在改進(jìn)后的設(shè)計中，完成高黏物料初始干燥的 干燥室采用較低轉(zhuǎn)速，而第二干燥室由于進(jìn)料黏度大為降低則采用較高轉(zhuǎn)速，這樣可有效降低干燥機的攪拌功率。
具有兩級干燥室的旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機的設(shè)計，必須根據(jù)被干燥物料的特性進(jìn)行準(zhǔn)確計算及合理布局。
4 結(jié)語
旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機是一種連續(xù)生產(chǎn)的間接加熱式干燥設(shè)備，具有良好的節(jié)能環(huán)保特性，在化工生產(chǎn)中應(yīng)用前景廣闊。真實傳熱系數(shù)的 計算和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化是影響其設(shè)計水平的主要因素。文中利用“顆粒熱傳遞模型”，結(jié)合旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機的具體干燥條件和要求，給出了一種能較好預(yù)測其真實傳熱系數(shù)的工程方法。同時對常規(guī)旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過采用兩級干燥室設(shè)計、采用變徑盤的變距設(shè)計及采用不同的主軸轉(zhuǎn)速，使結(jié)構(gòu)更趨于合理，能源利用更充分，熱效率大為提高。
