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閉路循環干燥系統及應用

【摘要】:
楊劍峰張敏華張志軍張敏磊(江陰市艷華干燥設備有限公司,江蘇無錫214400)摘要:MBS是甲基丙烯酸甲酯(M),丁二烯(B)及苯乙烯(S)的三元共聚物,在干燥過程中易產生靜電,MBS便會產生閃爆或燃燒,不但損毀物料,還會影響人身安全,存在一定的事故隱患。我廠針對MBS這類具有易燃、易爆、易氧化、有異味、有毒等特性的產品,設計出了在惰性氣體保護下的強化閃蒸和沸騰流化床二級連續閉路循環干燥系統。該裝置

楊劍峰 張敏華張志軍 張敏磊

(江陰市艷華干燥設備有限公司,江蘇 無錫 214400)

摘要:MBS是甲基丙烯酸甲酯(M),丁二烯(B)及苯乙烯(S)的三元共聚物,在干燥過程中易產生靜電,MBS便會產生閃爆或燃燒,不但損毀物料,還會影響人身安全,存在一定的事故隱患。我廠針對MBS這類具有易燃、易爆、易氧化、有異味、有毒等特性的產品,設計出了在惰性氣體保護下的強化閃蒸和沸騰流化床二級連續閉路循環干燥系統。該裝置操作安全、干燥時間短、單臺產量大、效率高、質量穩定、操作環境好,可達到零排放,具有較好的推廣價值。

關鍵詞:高效、環保、節能、干燥、 MBS 閉路循環干燥系統 強化閃蒸干燥 沸騰流化床干燥 易燃、易爆、易氧化、有異味、有毒物料

 

一、引言

1.1 MBS的簡介

  MBS是甲基丙烯酸甲酯(M),丁二烯(B)及苯乙烯(S)的三元共聚物。在室溫和低溫下都具有很強的抗沖擊性,作為PVC的改性劑,不但可以大大提高PVC制品的沖擊強度,而且還可以改善PVC的加工性能,廣泛應用于硬質PVC產品的生產中。MBS是一種細小顆粒,熔點為115℃。經反應、離心脫水后,MBS的含固率約為72%~75%,干品為20目左右的顆粒,水份含量要求小于0.5%。

1.2 MBS、ABS的現有干燥技術

  目前,國內生產MBS的廠家,都采用沸騰流化床干燥裝置,由于MBS具有特殊的物理性能和化學特性,在干燥過程中,稍有操作不當便會引起自然,甚至爆炸,存在一定的事故隱患。干燥時,工人將濕MBS通過螺旋輸送器至沸騰床內,進入干燥器的濕物料均勻分布在流化床干燥器床面上,根據沸騰流化床的大小,達到一定數量后停止送料。MBS在流化床內在流化沸騰狀態下,由引風機連續將新鮮的熱空氣引入沸騰床,并與MBS相互對流傳熱接觸,使MBS受熱蒸發水分而干燥。經過一段時間的干燥,當出口的尾氣溫度達到一定數值時,關閉蒸汽,停止加熱,進行冷卻降溫至40℃時卸料。據有關資料顯示,MBS粉塵爆炸下限濃度為23g/m3,MBS在干燥過程中,流化床內極易產生粉塵云,而流化床干燥過程中需要大量的空氣,空氣中存在氧氣,在靜電的作用下,MBS便會產生閃爆或燃燒,不但損毀物料,還會影響人身安全,存在一定的事故隱患。國內生產MBS采用沸騰床干燥的廠家大大小小都發生過上述現象。該裝置屬于間歇操作,不僅生產效率低,操作環境差,勞動強度大,物料耗散大,而且安全性差,環保要求低。

1.3 MBS在惰性氣體保護下的沸騰流化床閉路循環干燥技術

  根據以上對MBS干燥的不足,我廠技術部在安徽省合肥工大的支持下,成功設計出一套適合MBS的在惰性氣體保護下的強化閃蒸氣流與沸騰流化床二級閉路循環干燥裝置(以下簡稱為沸騰流化床閉路循環系統)。整個干燥過程由于是在惰性氣體保護、低氧的條件下進行的,避免了燃燒爆炸的可能性,在出料前,對干燥物料進行冷卻處理,出料溫度控制至40℃,裝袋后MBS不存在燜燃,干品的品質好,運行穩定安全。該設備完全可以滿足MBS在安全、環保、高效、節能的條件下進行干燥工藝操作。

 

二、MBS沸騰流化床閉路循環系統的流程和特點

  在閉路循環干燥過程中,干燥介質一般采用為惰性氣體,如氮氣和二氧化碳氣體。當強化閃蒸氣流和沸騰流化床二級干燥啟動運轉后,首先在干燥系統中充入惰性氣體,讓含氧空氣溢出,使系統內的氧含量逐漸減少,達到一定數值后終止,再加熱惰性氣體。濕物料先經一級強化閃蒸干燥后進入沸騰流化床進行二級連續干燥(也可間隙干燥),使高溫惰性氣體與濕物料進行熱質交換,濕物料得到干燥。濕度較大、溫度較低的惰性氣體經過除濕式洗滌塔冷卻洗滌除濕后,潔凈的惰性氣體經循環鼓風機再次進入加熱器重新加熱,如此不斷循環使用,干燥流程如圖1所示:

圖1 沸騰流化床閉路循環干燥系統流程

  該沸騰流化床閉路循環干燥系統具有以下顯著特點:

1. 安全:

  整個閉路循環系統的干燥過程是在有惰性氣體保護的低氧狀態下進行的,解除了物料產生的氧化分解或爆炸的危險。系統內設置了自動測氧儀、自動補氮及報警裝置,并設有PLC控制系統,具有極高的安全性。

2. 環保:

  整個系統是完全密閉的,沒有任何泄漏點,閉路操作,無廢氣和粉塵的排放,避免了對環境的污染。

3. 高效:

  由于采用的強化閃蒸氣流和沸騰流化床二級干燥,干燥時間短,產量大,而且干燥過程在惰性氣體保護下進行,物料不易氧化發黃,無需每次打掃清理,節省了清掃時間,提高了生產效率。

4. 節能:

  本套裝置設計為強化閃蒸氣流和沸騰流化床二級干燥,在初始干燥過程中,濕含量較高的惰性氣體的出口溫度很低,當出口溫度提高到一定數值時,物料已達到成品濕含量要求,不像一般的氣流干燥裝置,如需達到成品含濕量的要求,出口溫度需長時間保持一定的數值,用此干燥方式,大大降低了能源消耗,達到節能的目的。

  以下為沸騰流化床閉路循環干燥系統的流程圖:

圖2沸騰流化床閉路循環干燥系統流程圖

 

三、MBS、ABS沸騰流化床閉路循環干燥的設計計算

以每小時1400kg MBS沸騰流化床閉路循環干燥系統設計計算為例:

工藝條件如下:

1. 物料名稱: MBS

2. 干品產量:1400kg/h

3. 物料初始含濕量:25%

4. 氣流干燥后物料含濕量:18%

5. 物料終含濕量:0.5%

6. 氣流干燥加熱溫度:T1=130℃

7. 氣流干燥出口溫度:T2=55℃

8. 物料初始溫度:T3=15℃

9. 氣流干燥后物料溫度:T4=25℃

10. 沸騰流化床加熱溫度:T5=130℃

11. 沸騰流化床出口溫度:T6=70℃

12. 物料干燥后溫度:T7=45℃

13. 平均氣溫:T0=15℃

14. 系統內氧含量:≤5%

15. MBS堆積密度:0.3-0.45g/cm3

16. 電源 380V 50H 三相四線 室內安裝

3.1氣流干燥器設計計算:

3.1.1.物料衡算

G(投料量總)= 1400×(100-0.5)/(100-25) =1857.3kg/h

G(投料量一)= 1857.3×(100-25)/(100-18) =1698.8kg/h

W(蒸發水分一)= 1857.3-1698.8= 158.5kg/h

3.1.2.熱量衡算

  根據熱平衡原理:Q=Q1+Q2+Q3

  Q1—蒸發水份所需的熱量

  Q2—濕物料升溫所需的熱量

  Q3—隨尾氣帶走的熱量

  Q1=【r+(T2-T3)c 】×W(蒸發水份)

  Q2=0.6×G(投料量一)×(T4-T3)

  Q3=L×(0.24+0.46×0.017)(T2-T3)

 Q=1.15×[(595+40)×158.5+0. 6×1698.8×(25-15)]

  + L(0.24+0.46×0.017)(55-15)

  其中:1.15為系數,考慮干燥器經保溫后的熱損失;

  r=595Kcal/kg為水的汽化潛熱;c=1Kcal/kg為水的熱容

  0.6為物料比熱;L為進入換熱器的空氣量(m3/h)

  0.017為當T2=15℃,相對濕度φ=95%時查得;

 Q=1.15×(100648+10193)+L×9.91

    =127467+ L×9.91

 Q熱量是空氣經過預熱器所獲得的熱量

 Q=L×(0.24+0.46×0.017)(T4-T0))

    = L×(0.24+0.46×0.017)(130-15)

    =L×28.50

根據熱平衡原理 127467+ L×9.91=L×28.50

  L=6858(m3/h)

  L(操作風量)=6858×(273+55)/(273+15)≈7810(m3/h)

  圓整取7800m3/h

  因此本干燥裝置選用風機的最低風量為7800m3/h;

  風壓為-6500—-6000Pa。

3.1.3.氣流干燥器直徑設計

  根據物料物理特性,取干燥塔內風速為6m/s,

  L總(操作風量)=7800(m3/h)

  D= ≈ 0.678米(圓整取0.65米)

3.2沸騰流化床的設計計算

3.2.1.物料衡算

W(蒸發水分二)= G(投料量一)- G(干品產量)=1698.8-1400= 298.8kg/h

3.2.2.熱量衡算

  根據熱平衡原理:Q=Q1+Q2+Q3

  Q1—蒸發水份所需的熱量

  Q2—濕物料升溫所需的熱量

  Q3—隨尾氣帶走的熱量

  Q1=【r+(T6-T4)c 】×W(蒸發水份)

  Q2=0.6×G(干品產量)×(T7-T4)

  Q3=L×(0.24+0.46×0.017)(T6-T4)

  Q=1.15×[(595+45)×298.8+0. 6×1400×(45-25)]

  + L(0.24+0.46×0.017)(70-15)

  其中:1.15為系數,考慮干燥器經保溫后的熱損失;

  r=595Kcal/kg為水的汽化潛熱;c=1Kcal/kg為水的熱容

  0.6為物料比熱;L為進入換熱器的空氣量(m3/h)

  0.017為當T2=15℃,相對濕度φ=95%時查得;

 Q=1.15×(191232+16800)+L×13.63

  =239237+ L×13.63

 Q熱量是空氣經過預熱器所獲得的熱量

 Q=L×(0.24+0.46×0.017)(T4-T0))

  = L×(0.24+0.46×0.017)(130-15)

  =L×28.50

  根據熱平衡原理 239237+ L×13.63=L×28.50

  L=16089(m3/h)

  L(操作風量)=16089×(273+70)/(273+15)≈19162(m3/h)

  圓整取19200m3/h

  因此本干燥裝置選用風機的最低風量為19200m3/h;

  風壓為-6500—-6000Pa。

3.2.3.沸騰流化床面積計算

  根據物料的物理特性,取沸騰床的操作風速為V操作=0.9m/s,則沸騰床的表面積A0可由以下公式計算得出:

  A0×V操作×3600=L(操作風量)

  A0= L(操作風量)/ (V操作×3600)=19200/(0.9×3600)=5.93m2

  根據實際經驗,取沸騰床的表面積為6m2。

3.2.4.沸騰流化床花板開孔率計算

  花板的開孔率大小是影響物料沸騰與否的關鍵因素,所有在計算沸騰床開孔率的時候,一方面要參考以往設計經驗,另一方面,則要根據具體物料取到合適的細孔風速。對于MBS這種物料,根據以往的經驗,一般取細孔風速為18-20m/s,我們取V細孔=20m/s。設開孔率為Ψ,則花板的開孔率Ψ可以根據以下公式計算出:

  V細孔×A0×Ψ×3600=L(操作風量)

  Ψ= L(操作風量)/(V細孔×A0×3600)= 19200/(20×6×3600)=0.044 取整為0.045。

  所以沸騰床花板的開孔率取4.5%。

3.2.5.沸騰流化床擴大段面積計算

  在沸騰流化床中干燥的物料,會在干燥中后期產生大量的粉塵,如果風速過快,粉塵會隨著氣流帶出,所以在沸騰床上段,一般都要設計相應的擴大段,讓粉塵進行沉降。通過查詢除塵手冊及相關資料,再結合以往設計的經驗,沉降速度一般取0.2-0.3m/s之間。根據MBS的物料特性,我們可以取沉降速度V沉降=0.3m/s。則沉降段的面積A1可由以下公式計算得出:

  A1×V沉降×3600=L(操作風量)

  A1= L(操作風量)/(V沉降×3600)=19200/(0.3×3600)=17.78m2 取整為18 m2。

  所以沸騰床的擴大段面積為18m2。

 

四、MBS強化閃蒸和沸騰流化床閉路循環干燥系統的設計要點

  采用氮氣保護的強化閃蒸和沸騰流化床二級連續閉路循環干燥是非常合理的。MBS該物料在高溫長時間烘烤下,粉塵極易產生閃爆和燃燒,因此在干燥過程中,干燥介質的氧含量必須要有嚴格的要求,才能保證干燥過程安全進行。系統中干燥介質采用氮氣,氮氣由制氮機提供,系統中設有氮氣壓力平衡裝置,操作平穩。經計算測試,每1400kg/h MBS的干燥系統,補充氮氣量約100m3,機組裝機容量僅為135kw,由此表明本套設備的設計是先進、合理、可靠的。

4.1.螺旋加料器的設計

  螺旋加料器在閉路循環干燥系統中,它是濕物料入口處,也是一個主要的泄漏點,加料器設計成臥式,雙支點,并帶有翻料裝置,容積根據每小時產量而定,入口處設置一臺16升/轉的星型卸料閥,星型卸料閥入口處為微正壓,防止大氣中的氧氣進入干燥系統內,保證進料定量、均勻、連續和穩定。

4.2.布袋除塵器的設計

  沸騰流化床干燥器設計為內置式布袋除塵器,布袋除塵器放置在流化床沉降段上方,過濾面積的設計,依據沸騰流化床的處理風量大小來確定,過濾風速為0.02m/s,采用氮氣脈沖反吹,除塵效率可達99.9%,完全可以達到工藝要求。

4.3.循環風機的設計

  閉路循環干燥系統總阻力約為12000pa,為了減少系統內外壓力的泄漏,系統中正壓和負壓均不能高。本系統風機設計成兩臺串聯并且分開放置,一臺置于沸騰流化床與洗滌吸收塔之間,另一臺至于洗滌吸收塔與加熱器之間。風機軸封設計的成敗決定了整個系統能否正常運行,由于風機轉速較高,并有一定的溫度,若采用普通的填料密封,易發熱燒焦填料,若采用機械密封,無法加油潤滑、冷卻,現采用磁流密封,可取得良好的密封效果。

4.4.洗滌吸收塔的設計

  經過內置于沸騰流化床的布袋除塵器的濕干燥介質,夾帶細小的MBS塵埃,必須洗滌除濕并達到較低的濕含量,才能循環使用,洗滌吸收塔具有這樣的功能。洗滌吸收塔內放置一定面積的冷卻管,降溫可用冷凍鹽水,也可以用冷卻水,冷卻水運行成本比較小,投資省,用18℃的水直接逆流噴淋,噴量約30t/h,水溫升至30℃,干燥介質溫度降至20℃,絕對濕含量降低至2mg/m3,完全達到干燥要求,30℃的水溫由內置于洗滌吸收塔內的冷卻管冷卻至18℃,循環利用。噴淋塔采用鮑爾瓷環填料,氣液接觸充分均勻,效果較好。

4.5.系統內機械轉動的密封

  本系統的機械轉動件設備主要是星型卸料閥、螺旋加料器等,這些設備的轉速并不高,但泄漏點很多,不加以注意,泄漏量很大,系統含氧量無法降低,經實驗,采用填料和氣封雙重密封效果很好。

4.6. 壓力平衡點的調整

  為了調整系統內壓力平衡,我們專門設計了特有的壓力平衡罐,在經過多次改良與現場試驗之后,可以保證現有的壓力平衡罐能很好的調整系統內的壓力平衡,而且對環境不造成任何影響,是一種非常有效的調壓手段。

4.7. 氧含量的控制

  對于氧含量的控制,我們采用先進的氧含量報警儀,在線檢測氧含量的數值,然后反饋到專門的電氣儀表中,由電氣儀表通過氧含量的高低自動控制調節閥的開關,保證了系統中的氧含量值一直都能保持在安全值以下。

4.8. 溫度的控制

  由于MBS物料的特殊性,溫度的控制顯得尤為重要,我們采用鉑熱電阻在線檢測,電子儀表隨時調控電動閥的方法,將溫度控制在極小的誤差范圍內,保證了系統內的溫度一直都在設定值上下,即準確、又方便。

4.9. 干品冷卻

  MBS干品裝袋后,出料溫度如果超過40℃,會存在燜燒現象,需冷卻低于40℃后,才能裝袋。如果是間隙操作,操作強化閃蒸和沸騰流化床干燥裝置,直接將加熱器蒸汽閥門關閉,待完全冷卻物料低于40℃后出料。如連續干燥出料,冷卻采用連續式空心槳葉冷卻器即可。

 

五、結束語

  通過上述對沸騰流化床閉路循環的介紹與分析,可知本裝置在MBS的生產中具有良好的社會效益和經濟效益,生產出的成品品相好、質量優、效率高,操作過程中安全度高,無燃燒、爆炸的事故隱患,值得進行廣泛的宣傳和推廣。本廠備有中試裝置,歡迎各位專家及廠家帶物料前來試驗!

 

參考文獻

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[2] 劉廣文,干燥設備設計手冊 [M].機械工業出版社,2009

[3] 潘永康,現代干燥技術 [M].化工工業出版社,1998

[4] 錢頌文,換熱器設計手冊 [M].化工工業出版社,2002

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