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干燥机优化设计及应用效果分析
发布时间：2013-05-30 08:01 来源：未知
1、前言
回转干燥烘干机具有干燥强度大，功率消耗低，结构简单、易于维护，适应性强等优点，在湿法造粒炭黑生产中应用非常普遍。已经成为湿法炭黑生产装置的关键设备之一，其处理量的大小直接影响整条生产线的生产能力。随着生产规模的日益扩大，回转干燥机的单机处理量也在迅速提高，现已达到5t/h（4万t/a），甚至更大。设备的大型化使得设计、制作和安装的要求更加严格，特别是在设计中的关键参数必须加以充分考虑和优化，以达到最优设计来满足生产要求。我院在多年炭黑工程设计的基础上，优化设计了一系列回转干燥机，能够满足各种规模炭黑生产装置的需要。
2、回转干燥机的结构特点及工作原理简介
回转干燥机一般是由进料箱、回转筒体，托轮组、挡轮组、齿圈齿轮传动装置、出料箱等部分组成，主要结构如图1所示。从造粒机出来的炭黑湿粒子通过溜管滑入干燥机筒体，简体在转动过程中带动炭黑螺旋向前运动；热介质（指炭黑尾气燃余气）通过加热装置的流道加热干燥机筒体，从而以间接传热方式把热量供给炭黑湿粒子，达到部分干燥目的，在接近干燥机尾部处，部分燃余气进入干燥机筒体内部以对流的直接热方式对炭黑湿粒子进行干燥，达到充分干燥，合格炭黑粒子由尾部出料箱排出，进入下一工序，含有大量水蒸气的燃余气由风机抽出。期间伴随着传热和传质过程，属于复合干燥方式。
3、回转干燥机的优化设计
干燥机的优化设计主要集中在简体尺寸、介
质流路、抄板结构和炭黑物料层厚度等几个方面。
3.1干燥机简体尺寸优化
干燥机简体的外形尺寸直接影响着干燥机的有效容积，主要包括直径和长度。直径主要取决于湿燃余气在筒体横截面上的质量流量G和质量流速W。湿燃余气流量应包括尾气炉燃烧的部分燃余气、湿炭黑蒸发水蒸汽量和夹带的炭黑粉尘及破碎粒子量(也称为回流量，一般为10%，通常湿法造粒炭黑湿燃余气质量流速W的取值在25 ~35kg/m2·min范围内。笔者通过热量和热质衡算，得到不同规模下质量流速和干燥机筒体直径的关系如图2，实际使用见表1中数据，横截面质量流速在取值上限35 kg/m2·min左右，另外还应该知道直径和容积传热系数的关系，按照文献中Miller经验公式可以得到图3所示的关系图。
简体的长度（这里指有效长度），可根据文献上的方法按照干燥阶段分步计算，这里提供一个较为简单的方法，平均容积传热系数法，将间接热传导面积传热系数通过单位因次分析折算为容积传热系数，可以得到：容积传热系数是面积传热系数除以四分之一直径。面积传热系数一般在40~ 80kcal/m3.h．℃，这样容易得到平均容积传热系数。从而求得有效干燥长度。
从图2、图3可知截面流速和容积传热系数都随着简体直径的增加而减小，通�；刈稍锘娜莼认凳�100—200kcal/m3·h·℃。在同等处理量的情况下，如直径过小，截面流速过大，可能会导致炭黑有过多的回流量，影响正常的生产，另外，要保证足够的干燥容积必须要加长有效干燥长度，但过长的简体将引起简体强度，占地面积等不利影响。
在设计干燥机时，应尽可能考虑到简体直径和长度这两个方面因素的影响，要达到同样的处理能力，笔者更倾向于优先考虑增加简体的直径；从表2也可看出增加直径可以达到提高产能的效果。
3.2加热介质的流路优化
一般回转干燥机的传热方式分为直接和间接两种情况，炭黑用回转干燥机是一种复合传热方式的干燥机，先是湿炭黑粒子和尾气燃余气的间接换热干燥，然后燃余气部分进入干燥机简体内对炭黑粒子进行进一步的直接换热干燥，同时燃余气也作为水蒸汽的承载体，和水蒸汽一起被排出干燥机外。为了方便分析，分别对直接干燥和间接干燥进行单用对比计算’发现间接干燥比直接干燥需要的有效长度要大1.1—1.6倍，但是未超过两倍。尽管直接干燥在经济性上可能要好于间接干燥，但因干燥速率过快，干燥过程过于激烈，会导致炭黑粒子龟裂、破碎以及炭黑表面氧化，会影响炭黑产品质量产。因此，宜选择以间接加热为主，在燃余气温度较低处即简体尾部进入干燥机进行直接换热的方式。
如前所述，燃余气从炭黑尾部进入干燥机内进行直接换热，随着炭黑粒子中的水分进入燃余气中，使燃余气的水蒸汽分压不断增加，水蒸汽从颗粒表面扩散到燃余气中的传质推动力将减小，也就是说燃余气所能承载的水蒸气量越来越少。又因为在简体内部属于逆流，外部间接干燥效果随炭黑流动方向越来越强。在干燥机头部，处于炭黑粒子含水量最大，燃余气承载水量最大，间接干燥效果最弱的时期。在干燥机尾部，炭黑粒子经过整个筒体长度的间接换热，水分已降至间接干燥所能达到的最低点，燃余气这时还未进入干燥机内，湿含量最低。这种方式导致整个简体长度上，特别是在干燥机前段水分含量较大的炭黑粒子区域内的线平均干燥速率偏低，这将降低干燥效率。为此，设想了一种优化的方法，即将热燃余气分流出一部分进行二次加入干燥。
二次加入的燃余气量以一次燃余气的一半为宜，加入位置约在干燥机的中部，温度应与一次燃余气在此处的温度基本相等，约350℃，进口处应增加挡板，防止其对一次燃余气和炭黑粒子运动轨迹的过度干扰。
两者传质过程对比见图6，从图中很明显的可以看出：改进后的在干燥机简体中部传质发生突变，并且前半段里传质曲线变的更陡了，传质的推动力加大，速率增快，有利于炭黑干燥。尽管传热过程变化不大，但是就整个传质过程来说，平均的传质推动力加大，强化了干燥过程。需要说明的是二次燃余气的加入温度不宜过高，过高的温度可能会引起炭黑粒子局部过热，增加其破碎的几率，使得炭黑回流量加大。因此必须通过试验或实践经验来确定。笔者认为对适用于2万吨／年炭黑生产线的干燥机以350℃为宜。
3.3抄板的优化设计
抄板是回转干燥机内部的重要部件，作用是将物料抄起来并逐渐散布在整个简体截面的热气流中，用来增加物料与热气流的接触面积，强化物料与热气流的热质交换，使热风与物料充分接触，促进干燥过程的进程。抄板的型式及数量选择的正确与否直接影响热效率和干燥强度。
一般炭黑生产回转干燥机中常用的抄板都为升举式。
A型抄板是在C型抄板的基础上改进而来的，它们的安装角度相同，都是90°，只是A型抄板顶部增加了折边挡板，使得物料在抄板上的停留时间有所增加，提升高度高。B型抄板是在C型抄板的基础上通过改变安装角度来实现的，它的提升高度在三者中最低。
根据炭黑颗粒物料性质和三种抄板特点进行优化，确定抄板布置如图8。
段为结构段，一般长度在400一800mm范围内；B段主要是强制输送炭黑作用，结构为多头螺旋带。使进入干燥机内的炭黑不粘壁，不结块；并起到一定的预热作用。长度一般为800—1500mm，长度过短物料输送不均匀，长度过长占用了有效干燥段过多。C段为缓冲段，为进入干燥区域作准备，长度一般为400—800mm；D段为A型抄板区域，此段约占总长的1/4。D段的炭黑含有较高水分，炭黑表面的水分部分蒸发，内部的水分尚未蒸发，水和炭黑的结合紧密，不易破碎，正适合采用A型抄板；E段采用B型抄板，此段约占总长的2/3。随着干燥的深入，此段炭黑粒子较为脆弱，容易发生破碎，产生细粉，增加炭黑回流量。根据B型抄板的特点，选其较为合适。需要说明的是：E段全部采用B型抄板，在前部F段处并未使用C型抄板，之所以这样是由于炭黑粒子破碎产生细粉，回流量过大会对炭黑品质产生影响。另外，各种抄板型式对炭黑粒子的破坏程度还有待进一步的研究，为安全起见，采用B型抄板取代。
抄板的数量一般为6—10倍筒体直径，直接干燥回转干燥机的抄板径向高度为筒体直径1/12～1/8。
3.4炭黑物料层厚度的优化
炭黑物料层的厚度也会影响到干燥机的效果和能力。料层过厚，不利于瞬时底层炭黑水蒸汽的排除，特别对间接干燥影响甚大，另外过厚的料层更容易引起受热不均。
由于物料层厚度和物料填充率有很大的关系，而抄板的持有量是确定干燥机内物料填充率的重要参数，因此必须先从抄板持有量着手。
当简体直径2.7m时，以图7中A型抄板为例，加以分析说明。
抄板持有量如图9，结构尺寸如图10。从图Il中，随着填充率的增加料层厚度也逐渐增加，这样挡料圈的高度就必须加大�？悸堑绞导矢稍锘某逡话阄狝，C型两种，由于C型抄板的持有量较A型抄板略小，填充系数也小，料层厚度也略低。实际采用230mm挡料圈，并设计为可调结构（可调范围150一320mm）。
另外物料层厚度应能完全覆盖抄板结构。但不能过厚，超出抄板过多会引起物料短路，达不到干燥效果。因此对于炭黑干燥机物料层厚度应取在1. 05～1.15倍的抄板径向高度较合适。
4、干燥机优化设计应用效果分析
我院开发了系列化回转干燥机，如表2，以满足不同规模炭黑生产装置的需要。
某2万吨／年炭黑生产装置用干燥机优化前后，运行实例如表3。
从表3中不难看出，通过内部结构及流路优化可以达到干燥机扩能目的。
此外，在优化的同时还需考虑简体材料的承受能力，简体的膨胀量，炭黑粒子的破碎程度以及粉尘回流量对炭黑品质的影响等问题，在此处不详细叙述。
5、结语
近几年，我国橡胶、轮胎行业的迅速发展带动了炭黑行业的发展，这种不断增长的态势，也为我国炭黑装置及其设备制造业提供了良好的发展机遇，以装置大型化为主要内容的技术改造基本完成，炭黑工厂的技术装备水平显著提高，单炉年产能力已由1.5万吨增加到4万吨。大型炭黑生产装置需要的配套关键设备和材料实现了国产化，其中有些已经达到国际领先水平。湿法造粒炭黑工艺中，干燥机是造粒工序后的关键设备，它的处理量直接影响着整个生产装置的能力，同时它的干燥性能也影响着炭黑质量。
在干燥机大型化设计过程中，综合考虑了设备的工艺要求、结构特点，合理选择了设备的工艺参数和性能参数，通过对干燥机外形尺寸、内部结构、介质流路等方面进行的优化，提高了设备的结构合理性和可靠性，确保良好的干燥效果，延长设备的使用使命，为用户企业创造了更多的经济效益。
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