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振動流化床幹燥機設計方法分析說明

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振動流化床幹燥機設計方法分析說明

信息來源:本站 | 發布日期: 2018-08-24 | 浏覽量:
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一、振動流化床幹燥機概述

1是ZLG振動流化床幹燥系統示意圖。ZLG是幹燥系統的主體設備, 主要由以下幾部分組成: 1、進出風機構,包括進風口、進風室及氣體預分布器、氣體分布闆及出風口);2、床體,包括上下箱體及之間軟連接, 兩端進出料口;3、振動機構,包括振動電機、減振器、機架等,見圖2。

 

ZLG型振動流化床幹燥機的幹燥原理與XF型卧式流化床幹燥機相似, 處于流化狀态的物料與熱空氣(或其他幹燥介質) 進行充分的熱量和質量傳遞, 并逐漸被幹燥。其區别在于振動流化床幹燥機由安裝在主機兩側的振動電機提供激振力, 并通過調整振動電機的安裝角度和偏心塊的偏心距離,以可方便地改變垂直方向的振動幅度和水平方向的運料速度, 振動頻率根據需要可配置定速交流電機或變頻調節器進行調節。

1、工作原理  

振動流化床幹燥機就是将機械振動施加于流化床上,物料因受機械振動和穿過床孔的高速氣流雙重作用而充分流化,并在振動作用下向前作活塞形式的移動,熱介質利用對流、傳導、輻射等方式向料層供熱,^終達到物料幹燥目的。由于物料輸送是由振動來完成,供給的熱風隻是用來傳熱和傳質,因此可以明顯降低能量消耗。由于床層強烈振動,傳熱和傳質阻力減小,提高了流化床的幹燥速率;同時,不易流化或流化時易産生大量夾帶的塊團性或高分散物料也能得到順利幹燥,克服了普通流化床幹燥容易産生返混、溝流、粘壁等現象。

2、設備特點

振動流化床幹燥機在主機兩側安裝有振動電機以提供激振力,由于振動電機的安裝角度及振動電機上偏心塊之間的距離可以調節, 從而可以調整機器運行時的振動幅度和物料運行速度,控制物料停留時間。與普通流化床幹燥機相, 具有如下優點:

(1) 降低了流化速度, 從而大大降低能耗, 與普通流化床相比, 可節能30% 以上。

(2) 顆粒表面損傷小, 可用于易碎物料的幹燥。

(3) 可調性好, 适用面寬。料層厚度、物料移動速度及振幅等均可調節, 合要求晶形完整、晶體光亮、粒徑分布較寬場合的物料幹燥, 如癸二酸、檸檬酸、硫脲等, 也适合易粘結成塊的物料如硝铵、白炭系列、PZG系列、LZG系列、WZG系列、ZW系列的幹燥。

振槽面積可0. 84~ 23. 6㎡, 振動頻率一般為16. 67Hz,也有25Hz、50Hz, 工作頻率差為±0. 3Hz。振幅有0~ 3. 2mm、0~ 5mm、1. 4~ 3. 2mm (可調) , 激振角為0~ 90°(可調)。 

(4) 流态化均勻穩定,可獲得幹燥均勻的産品。

3 研發應用

    振動流化床幹燥機,因其優異的性能,目前已廣泛應用于國民經濟各行各業。自六十年代以來,原蘇聯學者發表了對振動流化床幹燥機的報告,此後,東歐、加拿大等國學者做了大量探索。國内振動流化床幹燥機的理論研究于1986年上海召開的全國第二次幹燥技術交流會開始,才陸續有了振動流化床幹燥機研究的論文發表。随後,許多單位建立起了初具規模的小型或已接近工業振動流化床的實驗裝置,對該技術各個方面展開了系統的研究和探讨。鐵嶺精工(集團)股份有限公司^與1983年建起了我國第一套用于實驗目的的小型工業試驗裝置,并随後開發了系列工業用振動流化床幹燥機。多所高等院校及科研單位,如天津輕工業學院、上海化工研究院、中國農業大學等也分别安裝了形式各異的的試驗裝置,對振動流化床的各種參數及其幹燥速率的影響進行了實驗研究,并開發了各具特色的工業振動流化床幹燥機。

振動流化床的研究在流體力學、傳熱、傳質方面已有大量報導,但對機械結構、剛度和強度方面的研究仍不充分,此外對該機種的模拟放大問題仍主要根據經驗,理論研究較滞後。

振動流化床作為一種成功的改型流化床,并在近30年的時間裡獲得了突飛猛進的發展。國外好多國家相繼将其應用于工業生産,國内也有好多企業将其應用在制糖和乳品幹燥上。到了80年代,我國的振動流化床的生産與應用進入了高速發展階段,相繼出現了一些專業化大規模生産振動流化床的工廠。從1982年開始至今,平均每年向社會推出200台這種幹燥機,應用的行業也由開始時制藥、乳品等行業發展到輕工、化工、飲料、食品、礦冶、飼料、化肥、種子等行業。

4、設備分

振動流化床可以分為直線型振動流化床、螺旋形振動流化床以及曲柄搖杆式振動流化床等。

二、振動流化床幹燥機熱工計算方法

振動流化床幹燥機的設計與熱工計算中,一般須首先确定一些基本參數,如物料密度rs,熱風入口溫度tg1及排氣溫度tg2、操作氣速u0、幹燥時間td、物料溫度tm、料層初始高度H0以及其他振動參數等,下面是其主要熱工計算方法。

1、物料中應去除濕分的總量w  

G1表示物料處理量(kg/h);G2表示産量(kg/h);幹燥過程中始終不變的絕幹物料産量為Gdkg/h);則他們的關系為:

Gd=G1(1-w1)=G2(1-w2)                (2.1)

w=Gd(X1-X2)                             (2.2)

式中,w1為濕料含水量(%),w2為産品含水量(%)X為幹基含水量(kg/kg);w為幹燥過程蒸發的水分(/h)。

     2、幹燥需要的熱量Q  

設物料自tm1預熱至空氣濕球溫度tw需熱量Q1tw時蒸發水分需熱量Q2(假設全部水分均在tw是蒸發);物料由tw升至溫度tm2需要熱量Q3

則有Q=Q1+Q2+Q3, 其中

Q1=Gd (cs+cwX1) (tw–tm1)                  (2.3)

Q2=Wgw                                     (2.4)

Q3= Gd(cs+cwX2)(tm2- tw)                   (2.5)

式子中,cs為幹燥物料的比熱容,kJ/(kg℃);cw為水的比熱容,kJ/(kg℃);tm2為排料溫度,℃; gw為水在tw時的蒸發潛熱,kJ/kg;X1為原料濕含量,(幹基)kg/kg;X2為産品濕含量,(幹基)kg/kg。

3、需要空氣量Gg和體積Vg

Gg=1.15Q/cg(tg1-tg2)(熱損15%)             (2.6)

Vg= Gg/rg                                 (2.7)

式子中,tg1tg2進氣、排氣溫度,℃;cg為空氣比熱容,kJ/(kg℃);rg為空氣密度,kg/m³(此處按進氣溫度計)

     4、由熱平衡确定的床層面積S

S=Vg/3600u0                               (2.8)

式子中,u0為空床氣速,m/s。

 5、由産量要求和幹燥時間确定床層面積  

用式S=Vg/3600u0計算确定床層面積時,沒有考慮物料在傳熱傳質方面的差異,因而,還應通過試驗找到必須的幹燥時間td,依照規定産量要求來确定床層面積。

設單位時間的幹燥處理量為Gm、床層初始高為H0、物料堆密度為rm 、運動速度為us、床寬為B,長為L,則有

            Us=Gm/BH0rm3600                         (2.9)

            L=ustd                                  (2.10)

            S=LB= Gmtd/3600H0rm                     (2.11)

td是在振動流化床工況下實驗得出的,它表達了物料在一定條件下的傳熱傳質規律,但這些數據會在工業應用中有很大的實際差距,一般應比較兩種方法計算的面積,取其大者作為^終結果。不過,當用td和産量計算的面積小時,須對熱平衡計算的條件予以修正,否則,提供給幹燥機的熱量可能不足。

 6、排氣濕度計算  

設進氣濕度為y1,排氣濕度為y2,則有

y2=y1+w/Gg                      (2.12)

再由t-x圖上查出該濕度下的露點溫度,判斷是否有結露的可能。如排氣已接近飽和,須對熱工參數做必要調整。

 7、熱效率hh計算

熱介質的總熱量隻有一部分在幹燥機内釋放,其餘作為廢氣排出系統外。在幹燥機内釋放的熱量與總熱量之比稱為熱效率,顯然,熱效率是幹燥機重要的性能指标。

hh=(tg1-tg2/( tg1-tg0)                  (2.13)

式中,tg0為大氣溫度,℃。

由上式看出,提高進風溫度、降低排氣溫度是提高熱效率的重要途徑。在生産應用中,适當提高料層厚度能夠獲得較高熱效率,是因為不僅可以采用較高進風溫度,而且熱風在料層中路徑較長,放熱充分,排氣溫度也可降低。一般振動流化床的熱效率在30%--60%之間。

三、振動流化床幹燥機的結構設計

1、振動機構的設計

① 振動方式的選擇。振動方式可以分為強制振動型和固有振動型,它們各有特點,本處僅介紹強制振動型即采用振動電機振動的設計方法。

強制振動型流化床利用安裝在機體兩側的振動電機産生直線振動,振動電機的安裝角度決定振動方向角,改變固定偏心塊和可動偏心塊之間的夾角即可調節激振力大小。由于振頻通常高于固有頻率,起動和停車時通過共振區時,機體會産生較大振幅,尤其在停車時,劇烈的搖晃會産生很大的沖擊力,應采用适當措施減輕這種現象的發生。

② 振動電機選配和安裝。振動流化床正常運行時由兩台電機合成振動而實現,因而要求兩台振動電機必須嚴格同步。現場安裝前,應選擇同一廠家生産的同一型号電機,測定的性能曲線須接近或相同,異步轉速相近,軸與軸承、密封之間的摩擦阻距相等或相近。選配好振動電機後進行裝機試驗時,當偏心角相等時,主機不得有較大橫向振幅。

振動電機安裝位置應放在床體中間,電機座闆可在180度範圍調整,因而激振角可按需要進行調節。由于電機位置接近質心,應當調整機體前後平衡,從而保證振動流化床進料端與排料端振幅相同。

③ 振幅調整。兩台振動電機的四組偏心塊的相對位置決定主機振幅。一般振動電機在軸頭或其他部位标有刻度,指示出可動偏心塊和固定偏心塊之夾角。調整振幅時須依照振動電機的操作說明來調節。

④ 振動方向角δ調整。 電機安裝在電機座闆上,電機座闆與下箱體法蘭用24個螺栓連接在一起,每兩孔夾角15°,調整電機座闆與下箱體法蘭的安裝位置,即可改變振動方向角。Δ的調整必須兩台電機同步調整,确保同一高度。

2、下箱體設計

① 上箱體  上箱體将幹燥區與外部大氣分隔,防止粉塵外逸污染環境。上箱體與床層同寬,高度與普通流化床相似。基于降低參振質量的目的,上箱體通常設計為薄壁結構,壁厚2-4mm,并焊接加強筋加固。

② 下箱體  下箱體是主機機體和熱風分配室,它和分布闆共同完成将熱風均勻送入床層的任務,下箱體進風面積為分布闆的6-8倍。

     3、氣體分布闆  

氣體分布闆用來支承物料,并将熱風均勻分布于料層中。分布闆的壓降△p1是氣體通過分布闆的阻力,與孔徑和孔速有關。

當由熱平衡計算确定出風總量後,一般進風速度便可确定,于是可由相關公式計算出分布闆壓降和小孔風速uh

查資料得出孔速和分布闆的壓降的一組數據列于下表2.1中。

分布闆開孔率  是分布闆的重要特征參數,由下式确定

f=Sh/S=u0/uh                                 (2.15)

式中Sh為分布闆開孔面積,㎡;S為分布闆面積,㎡。

設計中開孔率為1%~5%,其下限常用于顆粒較細、密度較小的物料。當在多孔闆下加設均風和防漏網時,開孔率可取7%~8%。加上編織網後床層壓降無明顯變化, 而在實際生産中可有效地防止漏料。

2.1

孔直徑/mm

壓降/mmH2o

U=20~22m/s

壓降/mmH2o

U=30~35m/s

1~1.5

1.6~2.0

2.2~2.5

2.6~3.0

3.1~3.5

3.6~4.0

54~50

50~48

47.5~45.5

45~42

41.5~38

37.5~35

58~55

54.5~51.5

51~48

47.5~44.5

44~43.5

43~


     4、
料層厚度控制  

部分振動流化床幹燥機,料層厚度是由給料量、振動參數以及風量等因素确定,一旦這些參數調整好後,料層厚度即确定,操作過程中不再采用其他方式控制料層厚度,這類幹燥機操作彈性較小。如在幹燥機的排料端加裝控制堰,這便是料層可控的振動流化床。通過調整手柄,可方便地調整控制堰闆的上沿高度,以及堰闆下沿與分布闆的間隙。當物料顆粒均勻、幹濕狀态密度有較大差異時,可使堰闆下沿貼近分布闆,利用上沿高度控制料層厚度,幹燥完好的物料因浮在床層上部,依溢流方式排出機外。當物料粒度差異較大或幹濕狀态密度變化不大時,不能采用溢流排料,此時,調整堰闆下沿與分布闆間隙以及堰闆上沿高度,利用堰闆的節流作用調整料層厚度及排料速度。

一般料層可控的振動流化床,較易控制物料在床層中的停留時間。

     5、影響物料停留時間的因素  

物料的平均停留時間受風速、床高、振動強度、激振角度大小的影響。

① 熱空氣對物料僅提供垂直向上的作用力, 風速的變化對物料的平均停留時間影響極小;

② 風量及振動條件一定, 床層高度對物料平均停留時間的影響也較小;

③ 振動強度對物料平均停留時間有很大的影響, 振動強度減小, 物料的平均停留時間增長。

④ 振動電機的偏振角越大,物料在平均停留時間就越長

        四、激振力和振源電機功率确定

        激振力與參振質量、振動參數有關,受熱風參數影響甚微,可參照振動輸送機計算方法确定。這類機器,一般用兩台性能相近的振動電機安裝在機體兩側,每台振動電機的激振力應為0.5F。因目前工業上使用的振動電機均已系列化、标準化,故可按計算出的激振力在現有型号中找到相應的電機功率,所以不對激振電機另行計算。

五、重視設計中的環保措施

1、隔振設計及傳給地基的動載荷

① 隔振設計  所謂隔振,就是用剛度較小的彈簧将振動流化床支承起來,如将隔振系數定義為傳給地基動載荷與參振機體慣性之比,則可通過隔振系數的大小判斷隔振效果,按經驗,一般在0.25~0.01之間隔振系統能滿足工作需要,為此,可按下式計算隔振簧剛度

   Ky=fc·mj·w2=(0.25~0.01)mjw2               (2.19)

式中,Ky為垂直方向的隔振剛度,kg/cm;mj為振動質體計算質量,kg·s2/cm。

為避免在機器工作和啟動停車過程中,隔振簧産生沖擊或脫離機體,它的^大動變形量應小于靜變形量。據經驗,^大動變形量一般為垂直振幅Ay3~7倍,因此,Ky還應滿足下式

             KyM/(3~7)Ay                               (2.20)

式中,M為總參振質量,kg。

② 隔振簧選擇及剛度、強度計算(略)

③ 傳給地基動載荷  設隔闆簧傳給地基鉛垂方向動載Pdy,水平方向動載Pdx,則:

              Pdy=ky·A·sinδ                                (2.21)

             Pdx=Kx·A·cosδ                              (2.22)

2、降低噪音措施 

國家環保法規定工業機器的噪音不能大于85dB,正常的振動流化床應運轉平穩,無異常振動噪音,用聲級計在機器周圍1.5m範圍内測定,為此,振動流化床在設計時必須充分考慮降低噪音的技術措施。查資料得出,下述方法對降噪是行之有效的。

① 合理選擇振頻,一方面盡量避開共振區,另一方面還要滿足振動強度在合理範圍内,通常認為工作振頻是機器自振頻率的2~4倍是合理的。并且選用性能優異,噪音低的振動電機,在允許情況下可适當調低振動電機振幅。

② 應設法提高上下箱體及分布闆在振動方向上的剛度,以避免産生彈性彎曲振動,使噪音加大。如有産生較大彈性彎曲振動現象,可适當改變振幅或焊裝加強筋。

③ 橡膠簧傳遞聲音阻力比金屬簧大,隔音效果好,工作噪音低,隔振簧如破損、變性或參數不符要求,應調整更換。

④ 适當選擇保溫材料及施工方法,可提高彈性振動阻尼,降低噪音。

⑤ 檢查整機有無連接松動、損壞部位,如有則應予以加固修複。

⑥ 主機每個側面,尤其安裝電機一側,離牆壁距離^好大于2~2.5m。安裝場地空間不能太小,在牆壁上裝設吸音材料對降低噪音有效。

3、防止粉塵污染  

振動流化床幹燥機系統需有氣固分離設備,系統排出氣體應符合環保規定。主機設計時須考慮粉塵排放的各種因素,降低氣固分離設備負荷。

① 适當提高上箱體分離段高度,使細粒級物料有足夠的時間沉降下來。

② 改進上箱體設計結構,能使排氣附近氣速明顯降低,有利粉塵沉降。

③ 可将進料口、排料口設計成封閉式,防止粉塵外逸。

④ 保持上箱體微負壓操作,應保證開式進料口、排料口附近區域微負壓。

六、規範操作,總結和完善操作經驗

(1) 振動參數的選擇一般須留有調節餘地。例如, 對遼甯精工幹燥公司的設備, 選擇振幅在2. 5mm 左右, 調試時可依據情況适當變化,但不可使振幅過小, 以緻K值過低, 起不到應有的作用。激振角以接近90°較好, 可增加物料的停留時間。對于特别易幹燥的物料, 激振角可适當減小。

(2) 風機能力要配套, 要保證幹燥器中處于微負壓操作, 以避免過多的粉塵飛揚。

(3) 風量适宜使物料能形成良好的流化狀态。從觀察窗上應看到物料上層界限清楚, 機内可見度良好。必要時改變振動參數, 從而獲得良好的流化狀态。

(4) 給料要盡可能連續、均勻地布滿床面。

(5) 大型幹燥機出口處設置冷風段, 有利于産品及時包裝, 但要采取措施, 避免串流現象嚴重而降低熱效率。

(6) 重視設備調試, 優化操作規程, 可以彌補設計不完善而引起的誤差影響。

 

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