邊永峰范劍明 吉仁塔布 劉菲

（內(nèi)蒙古包頭市包鋼稀土冶煉廠）（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)

滾筒干燥設(shè)備的開發(fā)研究

邊永峰*范劍明 吉仁塔布 劉菲

（內(nèi)蒙古包頭市包鋼稀土冶煉廠）（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)

通過對比分析已有干燥技術(shù)在同類產(chǎn)品干燥造粒過程中的應(yīng)用效果，結(jié)合液體聚合硅酸鋁物性特征，設(shè)計(jì)研制了一臺用于實(shí)驗(yàn)室研究的單滾筒浸液式滾筒干燥機(jī)，同時(shí)系統(tǒng)地研究了料膜濕度與溫度的變化關(guān)系。研究結(jié)果對實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

滾筒干燥機(jī)聚合硅酸鋁料膜濕度溫度

0 引言

液體絮凝劑產(chǎn)品由于質(zhì)量不穩(wěn)定和貯運(yùn)不方便等因素，其產(chǎn)銷方式就只能采用就地消化方式，這就限制了絮凝劑生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展。因此，將液體產(chǎn)品通過干燥的方法轉(zhuǎn)化為固體產(chǎn)品，是企業(yè)發(fā)展的需求。目前，絮凝劑工業(yè)化生產(chǎn)中，干燥造粒單元采用的干燥方法主要有噴霧干燥和滾筒干燥兩類，二者的應(yīng)用情況已有相關(guān)報(bào)道。也有學(xué)者使用烘箱進(jìn)行絮凝劑中溫固化的實(shí)驗(yàn)室研究，得到了粉末狀固體產(chǎn)品。由于烘箱受物料加熱方式的限制，一次裝料量不宜過厚，因此其工業(yè)化推廣難度較大。下面著重就噴霧干燥技術(shù)和滾筒干燥技術(shù)作對比分析，結(jié)合聚合硅酸鋁物性特征，確定有利于工業(yè)化推廣應(yīng)用的干燥方案并進(jìn)行相應(yīng)的干燥設(shè)備的開發(fā)研究。

1 干燥技術(shù)在絮凝劑干燥過程中的應(yīng)用

1.1 噴霧干燥技術(shù)的應(yīng)用

噴霧干燥是系統(tǒng)化技術(shù)應(yīng)用于物料干燥的一種方法。液體料漿經(jīng)噴灑器霧化后，于干燥塔中與熱介質(zhì)充分接觸，水分迅速氣化，即得到粉狀或顆粒狀制品。噴霧干燥以其干燥速度快、熱能利用效率高、物料適用范圍廣、設(shè)備操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在化工、食品、制藥及高性能材料的干燥生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

按物料工藝流程順序，噴霧干燥可細(xì)分為四個(gè)階段：①料漿霧化；②物料與熱介質(zhì)接觸混合；③霧滴的干燥；④產(chǎn)品與熱介質(zhì)的分離回收。依據(jù)干燥工藝流程，可確定噴霧干燥裝置由以下幾部分組成：①料漿供應(yīng)系統(tǒng)；②熱風(fēng)系統(tǒng)；③噴霧器；④干燥塔；⑤卸料及粉料輸送系統(tǒng)；⑥廢氣排放和除塵系統(tǒng)。由以上所述可以看出，噴霧干燥裝置組成復(fù)雜龐大，因而投資大，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素也較多，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。此外，黏度大的物料還容易出現(xiàn)掛壁現(xiàn)象，干燥過程的操控性差。因此，在前期實(shí)驗(yàn)室研究階段，噴霧干燥困難較多。

1.2 滾筒干燥技術(shù)的應(yīng)用

20世紀(jì)早期，作為一種接觸式內(nèi)加熱傳導(dǎo)型干燥設(shè)備，滾筒干燥機(jī)開始得到應(yīng)用。滾筒干燥技術(shù)的基本操作原理是：料漿均勻地分布于滾筒表面，形成一層料膜；滾筒內(nèi)熱量通過滾筒外壁傳導(dǎo)至料膜，通過蒸發(fā)和擴(kuò)散作用使料膜內(nèi)的濕分向外轉(zhuǎn)移；隨著滾筒的轉(zhuǎn)動，當(dāng)料膜內(nèi)濕分含量達(dá)到要求值時(shí)，緊貼滾筒表面的刮刀就將料膜刮下，然后按照產(chǎn)品粒徑要求進(jìn)一步破碎，便得到顆粒狀的固體產(chǎn)品。滾筒干燥具有設(shè)備操作簡單、維護(hù)方便、投資少、占地面積小、干燥速率大、熱效率高、干燥成本低和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等一系列優(yōu)勢，在化工、食品、生物和農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

經(jīng)過長期的生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用，滾筒干燥技術(shù)得到了快速的發(fā)展，滾筒干燥機(jī)種類也不斷增多?？梢杂卸喾N方法對滾筒干燥機(jī)進(jìn)行分類。按滾筒的數(shù)量，分為單滾筒、雙滾筒、多滾筒干燥機(jī)；按操作環(huán)境的不同，分為真空滾筒干燥機(jī)和常壓滾筒干燥機(jī)，真空滾筒干燥機(jī)多用于熱敏性物料及有特殊要求的物料的干燥；根據(jù)物料的固形物含量、黏度以及產(chǎn)品的吸濕性等物性特征的不同，出現(xiàn)了不同布料方式的滾筒干燥機(jī)，主要有輥式、捏擠式、浸液式、噴射式和灑濺式滾筒干燥機(jī)；按照干燥熱源的來源，分為蒸汽加熱式、燃?xì)饧訜崾?、熱油加熱式、熱風(fēng)加熱式和電加熱式滾筒干燥機(jī)。

種類繁多的滾筒干燥機(jī)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用的物料范圍也不相同。只有對物料的物性特征（水分含量、黏度、熱容量、熱傳導(dǎo)性和熱擴(kuò)散性等）詳細(xì)掌握，才能選擇出合適的干燥設(shè)備類型，因?yàn)闈L筒表面溫度、物料在滾筒表面的停留時(shí)間和料膜厚度等參數(shù)的控制都將影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

2 滾筒干燥機(jī)的設(shè)計(jì)研制

2.1 聚合硅酸鋁液體產(chǎn)品物性特征

自制聚合硅酸鋁液體產(chǎn)品物性特征如表1所示。由于物料水分含量比較高、黏度比較大，同時(shí)考慮到干燥溫度過高容易使物料發(fā)生改性，因此結(jié)合現(xiàn)有的干燥技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，確定采用自行研制的滾筒干燥機(jī)作為聚合硅酸鋁液體產(chǎn)品的干燥造粒設(shè)備。該設(shè)備采用常壓單滾筒結(jié)構(gòu)，干燥熱源為燃?xì)饧訜幔剂戏绞綖榻菏健?/p>

表1 聚合硅酸鋁液體產(chǎn)品特性參數(shù)

2.2 滾筒干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

滾筒干燥機(jī)主要由滾筒、受料槽、刮刀卸料裝置、集料斗、傳動裝置、加熱裝置及機(jī)座組成。滾筒是一個(gè)中空的金屬圓筒，由筒面、端蓋和端軸組成。筒面是滾筒干燥機(jī)的主要熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)動部件；端蓋中心線位置留有燃?xì)膺M(jìn)出口接管，接管同時(shí)兼做端軸，接管上裝有轉(zhuǎn)動鏈輪，連接傳動裝置。受料槽用來存放液體物料，當(dāng)滾筒浸入受料槽時(shí)，物料在滾筒表面均勻分布形成料膜，料膜的厚度由滾筒轉(zhuǎn)速及滾筒浸入料漿液面深度控制。刮刀卸料裝置的作用是將達(dá)到干燥要求的物料刮下，其制作材料及安裝角度的選擇都會對刮料效果造成影響，刮料不徹底將嚴(yán)重影響下一循環(huán)的布料效果，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。集料斗布置于刮刀卸料裝置下方，用于收集固體產(chǎn)品。傳動裝置為滾筒轉(zhuǎn)動提供動力來源。加熱裝置主要由燃?xì)夤?、燃燒器及控制裝置組成。

圖1為自制滾筒干燥機(jī)（轉(zhuǎn)鼓制片機(jī)）照片。

圖1 滾筒干燥機(jī)

2.3 滾筒干燥機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

（1）滾筒設(shè)計(jì)

滾筒是滾筒干燥機(jī)的核心部件，滾筒的制作材料、加工方式及外形尺寸的確定都將直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品最終質(zhì)量。本設(shè)備主要用于聚合硅酸鋁液體產(chǎn)品的干燥造粒，同時(shí)考慮到今后同類產(chǎn)品的開發(fā)及中間放大試驗(yàn)研究，滾筒設(shè)計(jì)時(shí)考慮了寬泛的使用范圍。滾筒外形尺寸確定為?450 mm×490 mm，考慮到碳鋼的熱傳導(dǎo)性及加工性能較不銹鋼好，滾筒選用Q235-B鋼板卷制焊接而成，焊接完畢進(jìn)行滾筒圓度校正，以保證筒壁布料均勻。由于滾筒為非承壓結(jié)構(gòu)，只考慮滾筒腐蝕余量和剛度要求，確定筒壁厚度為10 mm。端蓋采用平蓋密封，端蓋和端軸材質(zhì)選用Q235-B。

（2）刮刀卸料裝置設(shè)計(jì)

刮刀卸料裝置由刮刀和刀片調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。刮刀卸料裝置與滾筒配合運(yùn)行，將滾筒表面達(dá)到干燥要求的物料刮下。刮刀是該裝置設(shè)計(jì)的主要部件，刮刀緊密地貼合在滾筒表面。刮刀材質(zhì)的選擇以及刮刀安裝角度的調(diào)節(jié)將直接影響整個(gè)裝置的運(yùn)行效果。刮刀材質(zhì)的硬度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，硬度過小容易導(dǎo)致刮刀變形，硬度太大，會損害滾筒表面，因此本設(shè)計(jì)選用經(jīng)淬火熱處理后的45鋼作為刮刀的材質(zhì)。根據(jù)主滾筒尺寸，確定刮刀的尺寸為500 mm×150 mm×2.0 mm?？紤]到本實(shí)驗(yàn)工況簡單，刀片調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用成本比較低廉的機(jī)械式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既可確保刀片能進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，使刀刃線與筒面的接觸吻合、均勻，同時(shí)也可防止刀片在工作時(shí)向后退刀。刮刀的安裝角度也是該裝置設(shè)計(jì)中考慮的重要因素，安裝角度過小，刮料不徹底，安裝角度過大，刮刀對滾筒表面施加的壓力增加，容易對滾筒造成損壞。經(jīng)多次調(diào)試，確定刮刀的安裝角度為22°～28°之間較合適。

（3）傳動裝置設(shè)計(jì)

傳動裝置主要由電機(jī)、減速機(jī)、變速機(jī)和轉(zhuǎn)動軸承以及鏈輪組成，滾筒端軸接管上安裝有轉(zhuǎn)動鏈輪，鏈輪通過鏈條與減速機(jī)連接。配套電機(jī)功率經(jīng)計(jì)算選用0.1 kW即可滿足使用需求。

3 應(yīng)用研究

滾筒干燥機(jī)各組成部分組合安裝完畢后，進(jìn)行設(shè)備的空載轉(zhuǎn)動檢測，以確定各組成部分的運(yùn)行情況。檢測內(nèi)容主要包括：滾筒表面溫度分布均勻性檢測、滾筒轉(zhuǎn)速檢測和刮刀與滾筒安裝位置檢測。各項(xiàng)指標(biāo)合格后，進(jìn)行裝料實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原料為自制聚合硅酸鋁液體產(chǎn)品。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

液體物料在滾筒壁面均勻分布形成料膜，通過熱傳導(dǎo)將滾筒攜帶的熱量傳導(dǎo)給物料，物料內(nèi)含有的水分以對流方式傳遞到空氣中。隨著滾筒轉(zhuǎn)動，物料的狀態(tài)發(fā)生階段性變化，即按滾筒位置的不同分為三個(gè)階段（見圖2）：成膜區(qū)（點(diǎn)0～2）、膜狀區(qū)（點(diǎn)2～14）和無料區(qū)（點(diǎn)14～18）。滾筒干燥機(jī)干燥過程如圖2所示。

圖2 滾筒干燥機(jī)干燥過程

滾筒干燥機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)固定時(shí)，影響料膜含水量的影響因素有干燥溫度、滾筒轉(zhuǎn)速和料膜厚度。干燥溫度由燃?xì)饬靠刂?，是本?shí)驗(yàn)主要考察的因素。當(dāng)滾筒浸入受料槽深度一定時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速成為影響料膜厚度的唯一因素?？紤]到物料具有足夠的干燥時(shí)間，滾筒轉(zhuǎn)速確定為0.5 r/min，因此實(shí)驗(yàn)過程中可忽略滾筒轉(zhuǎn)速和料膜厚度對物料含水量的影響。本實(shí)驗(yàn)將滾筒按轉(zhuǎn)動方向等距取點(diǎn)，用取樣點(diǎn)位置的變化表示物料含水量變化規(guī)律。起點(diǎn)0記作為取樣起始點(diǎn)，此時(shí)物料含水量為液體產(chǎn)品初始含水量。點(diǎn)2為膜狀區(qū)起點(diǎn)，物料均勻分布于筒壁形成膜狀。之后物料含水量開始逐漸降低，到達(dá)位置點(diǎn)14時(shí)，物料含水量達(dá)到要求，此時(shí)物料含水量為固體產(chǎn)品最終含水量。實(shí)驗(yàn)考查了不同干燥溫度與膜狀區(qū)料膜的含水量之間的變化關(guān)系。

物料含水量用濕基含水量W表示，其單位為kg（水分）/kg（總質(zhì)量）。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，物料進(jìn)入膜狀區(qū)后，料膜迅速升溫，物料內(nèi)水分開始處于沸騰狀態(tài)，水分沸騰蒸發(fā)在料膜表面形成許多氣孔，使料膜結(jié)構(gòu)變得更加疏松，進(jìn)一步促進(jìn)了水分與空氣的對流傳質(zhì)傳熱。圖3為不同干燥溫度下膜狀區(qū)料膜含水量隨滾筒位置的變化關(guān)系。從圖中可以看出，干燥溫度越高，物料達(dá)到最終含水量所需要的位移越小。隨著滾筒的持續(xù)旋轉(zhuǎn)，物料含水量進(jìn)一步減少，甚至?xí)?dǎo)致物料含水量過低、產(chǎn)品質(zhì)量不合格。因此，本實(shí)驗(yàn)在確定滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒浸入受料槽深度條件下，干燥溫度以選擇105℃為宜。

圖3 不同干燥溫度下料膜含水量變化曲線

圖4為采用自制滾筒干燥機(jī)干燥液體聚合硅酸鋁后獲得的固體聚合硅酸鋁產(chǎn)品。

圖4 聚合硅酸鋁固體產(chǎn)品

4 結(jié)論

自制單滾筒浸液式滾筒干燥機(jī)具有構(gòu)造簡單、操作方便、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。本研究中有關(guān)滾筒干燥機(jī)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方法對同類設(shè)備的相關(guān)研究以及實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

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Research and Development of Drum Drying Equipment

Bian Yongfeng Fan Jianming Jirentabu Liu Fei

Through comparative analysis on application effects in like products dry granulation processes of existing drying techniques,combining with the characteristics of polysilicatealu minumma debyliquid polymerization,an immersion single drum dryer was designed for laboratory research.Also,the relationship between temperature and humidity of the material film was studied.The results obtained from experiment could guide the practical application and have important reference value.

Drum dryer;Polysilicate aluminum;Material film；Humidity;Temperature

TQ 051.8

*邊永峰，男，1973年生，工程師。包頭市，014010。

2012-05-06）