间接换热式列管回转干燥机传热系数的研究
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间接换热式列管回转干燥机传热系数的研究
吕新宇;王猛;杨欢;邱滔
【摘要】通过对间接换热式列管回转干燥机传热机理的理论分析,采用扬子石化化工厂三线氧化干燥机110%负荷下的真实工业效据,对其进行物料和热量衡算,对影响传热的各种因素进行了系统的分析,建立了可用于工业化生产设计的干燥机总传热系数数学模型,并且经过了扬子化工厂三线真实效据的验证,证明其具有可靠性.【期刊名称】《常州大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2010(022)002
【总页数】4页(P38-41)
【关键词】间接换热;列管回转干燥机;传热系数;数学模型;干燥
【作者】吕新宇;王猛;杨欢;邱滔
【作者单位】常州大学,精细化工研究所,江苏,常州,213164;常州大学,精细化工研究所,江苏,常州,213164;常州大学,精细化工研究所,江苏,常州,213164;常州大学,精细化工研究所,江苏,常州,213164
【正文语种】中文
【中图分类】TQ021
列管式回转干燥机是在传统的直接传热回转干燥机的基础上加装加热管形成的,属于间接换热干燥设备。
加热管内可通入蒸汽、热烟气、导热油等作为热源。
干燥所需的热量由加热管传递给被干燥的物料。
与传统的直接传热回转干燥机相比,列管
回转干燥机具有产品质量易于保证、热利用率高、污染小、便于回收溶剂等优点[1]。
间接换热式列管回转干燥机正在诸如干燥PTA、脱硫石膏等工业生产中获得越来越广泛的应用。
在我国设计、生产回转干燥器的单位比较多,但从基础理论进行深入研究的单位却很少,主要是因为回转干燥器的机理复杂,难以用简单的数学模型解决遇到的问题,对它影响的因素也很多,目前还没有一种适用于列管回转干燥传热传质过程描述的模型,对其传热传质机理的研究也极少[2]。
文中对扬子化工厂三线氧化阶段所用蒸汽管回转干燥机的传热系数进行了系统研究,并建立了可用于工业设计及工艺操作的数学模型。
1 传热传质机理及热阻分析
为使蒸发出的湿份顺利排出,并获得较小含水量的终产品,通常需要一股小流量的携湿气体逆流于物料通过干燥机。
因此,与直接换热式干燥过程相比,列管回转干燥机内的干燥过程是一个复杂的传热过程。
就传热而言,既存在被干燥物料颗粒与列管间的接触传热,又存在着列管与载湿气体、载湿气体与物料颗粒之间的对流换热,以及物料颗粒层之间的热传导。
就传质而言,除物料颗粒与载湿介质之间的对流传质和物料颗粒内部的湿份扩散外,相对静止的颗粒团之间也存在着较为复杂的湿份扩散过程。
随着干燥机的转动,干燥机内的颗粒运动状态不断发生变化,相应的传热传质特性也将发生显著的变化。
蒸汽管回转干燥机的传热主要是饱和蒸汽通过圆形蒸汽管与湿物料进行热传导换热,其传热系数主要由热传导传热系数组成。
与湿物料进行热量交换的蒸汽管大部分被湿物料所包围,蒸汽管内饱和蒸汽放热后形成的冷凝液聚集在蒸汽管底部,对每个蒸汽管而言,蒸汽管底部的传热效果最差,因此,选择蒸汽管底部作为研究对象。
单根蒸汽管底部的传热过程及热路分析如图1所示。
图1 回转干燥机蒸汽管底部传热示图及热路分析Fig.1 Rotary dryer steam pipe
at the bottom of heat transfer and rounte analysis
从图1a可以看出蒸汽管的传热过程为:饱和蒸汽冷凝放出热量,该过程为相变传热,
放出的热量经过凝液层、污垢层、蒸汽管壁层传递到湿物料表面,再由湿物料表面
传到物料内部,从而使湿物料中的湿分蒸发。
因此,整个传热过程包括凝结热阻、污
垢热阻、管壁热阻以及物料的传热热阻共4个热阻。
这些热阻以串联形式连接 (图1b)。
根据傅立叶定律与欧姆定律之间的相似性,通过蒸汽管的热流量可表示为:
式中,Φ为通过蒸汽管管壁的热流量,W;Ts为饱和蒸汽的温度,T′为物料平均温度,ΔT 为传热温差,K;R1为凝结传热热阻,R2为污垢传热热阻,R3为管壁传热热阻,R4为物料传热热阻,∑R为总传热热阻,K/W。
热流量还可表示为:Φ=ΔTAsKs (2)
式中,As为热传导传热面积,m2;Ks为蒸汽管总传热系数,W/(m2·K)。
联立式 (1)和式 (2),可得:
2 物料及热量衡算
通过对 PTA三线装置工艺参数现场采集(110%负荷下)和查阅干燥机设备有关参数,与化工厂技术人员一起,获得相关工艺技术参数,如下:干燥机进料量88 000 kg·h-1、进料湿度10%(其中醋酸9%,水分1%)、进料温度90℃、出料湿度0.02%、出料
温度150℃;加热介质水蒸汽流量:6 000 kg·h-1、加热蒸汽温度150℃、加热蒸汽
压力0.6 MPa、冷凝水温度133℃、冷凝水压力0.3 MPa;反吹载气氮气流量3 000 kg·h-1、反吹载气进气温度107℃、反吹载气压力0.002 MPa、反吹载气出
气温度118℃。
干燥机外形尺寸:φ3 800 mm×22 000 m m,蒸汽列管尺寸 (DN):125 mm 42
根,100 mm 42根,90 mm 42根,80 mm 42根,蒸汽列管数量168根,总换热面积
1 295 m2,转速3.5 r·min-1,倾斜度1/50,物料停留时间30 min,转筒保温厚度150
mm,转筒保温材料硅酸铝,堵塞部位尺寸7 m处。
2.1 物料衡算
由扬子化工厂三线氧化干燥机110%负荷下的工艺操作真实数据,得到干燥机总的
物料衡算如下:
进:湿CTA88 000 kg/h(含醋酸7 920 kg/h,水880 kg/h);干N2:3 000 kg/h。
出:干CTA79 215.8 kg/h(含醋酸15.8 kg/h);湿 N211 784.2 kg/h(含醋酸 7 904.2 kg/h,水880 kg/h)。
2.2 热量衡算
根据化工厂三线 PTA氧化干燥机装置在110%负荷下干燥工艺参数,计算各物质所需要的热量,分析吸收效率[4]。
2.2.1 PTA
2.2.2 HAc
2.2.3 H2O
2.2.4 N2
2.2.5 转筒壁热损失
筒壁保温材料为150 mm硅酸铝外加1 mm铝板,转筒直径为3.8 m,长度为22 m。
筒体表面积为A=262.637 1 m2,设定筒壁内外温度分别为120 ℃和
27 ℃,δ1=0.15 m,λ1=0.126 kJ·h-1·m-1·K-1;δ2=0.001 m,λ2=732.2 kJ·h-1·m-1·K-1,
2.2.6 加热介质 (水蒸汽)
Q出=m·Cp出(1)·T出=6 000×4.287×150=3.858 3×106kJ/h
干燥机热吸收效率:
各物质吸收热量所占蒸汽提供热量的比例见表1。
表1 各物质吸收热量比例Table 1 The percentage of material to absorb heat 物质名称吸收热量/(kJ/h) 所占总热量比/%PTA 4.97×104 0.456 N2 3.43×104 0.315 H2O 2.05×106 18.820 HAc 3.70×106 33.960总传热热阻损失5.04×106 46.260筒壁热损失2.05×104 0.188
3 总传热系数数学模型的建立
影响蒸汽管回转干燥传热系数的因素众多,但主要取决于物料层的特性,对于不同的物料提出一个通用计算公式是困难的,因此,只能采用因次分析方法对蒸汽管回转干燥机的总传热系数进行关联。
影响传热系数的主要因素有定性尺寸、物料密度、物料比热、物料导热系数、颗粒粒度和进料量等参数,这些物理量可以用一般的函数关系表示如下:
通过因次分析可得到下列关联式,即
式中,ρb为物料密度,1 510 kg/m3;λm为物料导热系数,0.192 W/(m2·℃);cm为物料比热容,7.736 J/(kg·℃);D为筒体直径,3.8 m;n为设备转速;a、b、c为系数。
在扬子化工厂三线工况条件下,整个换热过程中,加热介质平均温度物料CTA平均温度平均热流量
根据热流量计算公式q =Ks(t1-t2)得:
其中 Ks为转筒干燥机的总传热系数。
日本著名学者桐荣良三[5]对三聚氰酰胺、聚烯烃、ABS树脂、氢氧化铝等10种
物料的运转实例数据进行处理,得出转筒干燥机总传热系数模型公式中的系数a、b、c的值,分别为 0.24、0.07、0.93。
岳永飞等人[6]根据PTA蒸汽管回转干燥机的实验数据及工业标定数据联合求解,得出转筒干燥机总传热系数模型公式中的系数a、b、c的值,分别为0.114、0.085、8.613。
由传热系数模型公式可以看出,公式中系数 a与PTA物料特性 (密度、导热系数、
比热容)和干燥机筒径有关;系数b仅与干燥机转速有关。
在实际工艺操作中干燥机转速和筒径固定不变,PTA物料的特性数值也不变,且系数 a、b的值相对较小,对总传热系数的影响也比较小,综合各个方面考虑,对本课题采用的 a、b系数的值分别为:0.177、0.077 5。
系数c相当于总传热系数模型公式的校正因子,因此系数c的大小对总传热系数有较大的影响。
在2008年8月至11月干燥机运行期间,PX最小进料量为 48 187 kg/h,最大进料量为 81 330.13 kg/h,采用这两个数据进行热量吸收计算,得出其最大热流量和最小热流量分别为:Φmin=3.583×106kJ/h;Φmax=6.006×106kJ/h。
根据公式Φ=ΔT×As×Ks,可得出Ksmin=89.73 kJ/(m2·h·℃) =24.925 W/(m2·℃) Ksmax=189.30 kJ/(m2·h·℃) =
52.583 W/(m2·℃)
从而可以得出系数c的最小值和最大值,即cmin=2.025,cmax=4.272。
4 结论
通过上述PTA蒸汽管回转干燥机传热系数数学模型的建立,对模型采用阶段式的应用,对扬子化工厂三线下一个运行周期的工艺数据进行验证后表明,采用传热系数数
学模型的计算结果几乎与其真实数据吻合,证明文中提出的干燥机总传热系数模型是可靠的。
蒸汽管回转干燥机传热系数数学模型的建立,对干燥机的运行起到一定的指导性作用,对不同负荷下的工艺操作参数进行最优化调整,使整个干燥过程的热吸收效率达到最高。
此外,该模型对热传导型回转干燥机具有普遍适用性,可应用于工程计算及设计制造。
参考文献:
[1]金国淼.化工设备设计全书干燥设备 [M].北京:北京工业出版社,2002:298-301.
[2]吴静,李选友.间接换热式列管回转干燥机CFD模型的确定[J].石油和化工设备,2007,6:25-27.
[3]赵旭,应洪山,岳永飞.HDPE蒸汽管回转干燥机的工艺计算[J].化工机
械,2000,27(1):20-22.
[4]陈敏恒,丛德滋,方图南,等.化工原理 [M].2版.北京:化学工业出版社,2002:321-358.
[5]桐荣良三.干燥装置手册 [M].王志洁,常国琴,译.上海:上海科学技术出版
社,1987:82-85.
[6]岳永飞,孙中心,刘永忠.蒸汽管回转干燥机传热系数研究[J].石油化工设
备,2008,37(1):8-11.。