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高温组合干燥装置的开发
刘广文，杜辉光
（沈阳化工研究院，沈阳 110021）
摘要：介绍了为食用磷酸盐设计的高温干燥和聚合两种功能的组合干燥装置。较详细地介绍了原生产流程及本设计的流程情况，对系统中的主要设备结构作了简介。
关键词：喷雾干燥；磷酸盐；多级干燥
1 前言
本项目处理的磷酸盐物料是饮料和食品的添加剂，为人体补充必要的磷酸盐。此工程之前，磷酸盐产品多以粉状提供给食品厂；其缺点是粉状流动性差，溶解速度慢，不易搅拌均匀。据生产厂家介绍，国外有颗粒状产品，使用性能优于粉状产品。根据厂家的要求，本专题组对物料及产品进行了测试，开发了高温组合干燥装置，经试车一次取得成功。
根据物料的特殊要求，设计了压力式喷雾干燥器与多层耙式聚合器串聚组合的联合干燥装置，热源为煤气直燃的烟道气。由于要求较复杂，流程设计、设备的结构设计以及材料的选择都比较复杂。经多次论证后确定设计方案。设备经过一年多时间的生产运转，各项指标均达到预期要求。这种生产方法在国内尚属首创，产品为微粒状，具有良好的流动性和润湿性，大大方便了使用，提高了产品的附加值，已达到国外同类产品水平。
2 物料特点
该工程拟生产磷酸盐系列产品，工艺要求磷酸盐合成后经干燥得到颗粒状产品，再经高温聚合反应得到最后成品。其中部分产品要求高温反应温度为550℃，反应时间为20min，另一部分产品要求聚合温度为300℃，反应时间为10min。物料合成后呈流动性液体，含固率为50%，并含有结晶水；当加热脱结晶水时会出现粘性，易粘壁。如果粉体中有80%脱掉结晶水则基本通过了粘滞点，粘壁程度大大减轻。要求该装置连续完成干燥和聚合两个操作，并能适用于所有产品。
3 生产流程简述
3.1原生产工艺简述
原生产工艺流程：采用压力式喷雾方法，在喷嘴下方约1.5m处设置若干个煤气燃烧嘴,雾化的液滴直接喷到火焰上,得到仍未完全聚合的粉状物料；再将其送入到回转窑中用明火继续焙烧，使其完全聚合。此工艺的缺点是由于雾滴直接喷到火焰上，水分在高温下快速蒸发使雾滴产发生爆裂，最终不能得到颗粒状产品。物料送入回转窑聚合时，不可避免地与筒壁接触，而此时正是物料出现粘滞状态的合适温度，因此粘壁现象十分严重。此工艺为间歇式工作，不仅产品质量差而且劳动强度极大，不能满足市场要求。
3.2本工艺流程说明
根据物料特性、产品要求及生产的具体情况，本工艺设计成压力式喷雾干燥，得到颗粒状产品后再经聚合反应器聚合成颗粒状产品。
图1 流程图
1—空气过滤器；2—风机；3—煤气燃烧炉；4—料槽；5—料液过滤器；6—高压泵；7—稳压器；8—干燥器；9—聚合器；10—旋风分离器；11—湿式除尘器；12—蝶阀；13—星形阀
A—冷空气；F—原料；G—煤气；C—尾气；D—产品；M—细粉
料液由料槽经过滤后被引入到高压泵内，经高压泵加压后，由稳压器进入干燥器通过压力式喷嘴雾化。
冷空气经过滤后由鼓风机吹入煤气燃烧炉，与烟道气混合调温后进入喷雾干燥器与雾滴进行传热传质，在干燥的同时已有80%的物料完成聚合反应，到达干燥器底部与气体分离。尾气经旋风分离器后由引风机引入到湿式除尘器洗涤后排空。
干粉进入聚合器后升温并继续进行聚合反应。主轴带动耙齿将物料自上至下逐层移动，最后从下部出料口出料。
干燥器和聚合器用两个独立的热源。聚合器出口气体是高温低湿气体，有很高的利用价值，引入到干燥器热风管中作为补充热源。利用阀门控制，干燥器可以实现并、逆流两种操作方式。当需要并流工作时，开启12d和12e，关闭12c和12f；当需要逆流操作时，开启12c和12f，关闭12d和12e。
此流程的特点是干燥聚合连续工作，而且最大限度地节约能源。利用风管通过阀门切换，可进行并流、逆流操作，可适应多种磷酸盐的加工。
4 主要设备简介
4.1喷雾干燥器
此干燥器为高塔型压力式喷雾干燥器，与常用的低温型有如下区别：由于工艺需要，采用并流、逆流两种进风方式，上部用孔式整流板整流，下部采取切向百叶窗式多通道进风，切换热风流向时进出风管可以共用。逆流时热风温度很高，下部为高温区，因此下部采用耐高温不锈钢。为防止风管产生热应力，在风管的应力集中处安装多个膨胀节以消除应力。
干燥器结构的确定：在一般情况下，确定干燥器直径有三种方法，①流体力学法，通过喷嘴的喷液量及喷出速度确定干燥器直径；②蒸发强度法，此方法是一种经验方法，通过热风进口温度选定体积蒸发强度，再根据蒸发水量估算出干燥室的容积，然后根据直径和高度的关系确定干燥器直径；③风速法，根据物料衡算及热量衡算计算出风量，再根据风速范围确定干燥器直径。在低温并以干燥为主要目的干燥器的计算中，三种方法计算结果应基本统一。由于本工程为高温作业，后两种方法的计算结果远小于第一种方法，也就是说，用后两种方法计算的直径过小，会造成严重粘壁。本工程的关键就是要解决粘壁问题，所以应以第一种方法计算结果为主。
4.2聚合器
聚合器由多层中空的环状板组成，每层板有一个下料口，板的中空腔中通入高温气体，以对物料进行传导加热，料层中通入少量气体带出湿分以强化反应效果。壳体为立式筒形结构，安装在喷雾干燥器的下方，板间隔为150mm，每层板上有一料耙，由主轴带动，主轴由齿轮及蜗轮蜗杆减速机两级减速，再接调速电机，可根据工艺需要进行无级调速。
5 工艺设计
5.1 已知与给定参数
物料名称：食用磷酸盐系列产品
设备产量：1000t/a 工作时间：7200h/a 料液含水量：w1=50%（湿基）产品含水量：w 2=5%（湿基） 雾化压力：△P=2MPa 料液密度：γ=1150kg/m3 产品堆密度：ρG=500kg/m3 产品温度：100℃ 产品比热容：c=2kJ/（kg·℃） 热风进口温度：t1=650℃ 尾气排出温度t2=150℃ 保温时间：20min
根据前面的分析并结合工程特点，第一步要完成干燥过程，将物料中的水分脱掉，得到微粒状固体。然后经高温使部分物料在下落的过程中实现聚合，解决物料的粘壁问题，以便安全进入聚合器中进一步完成聚合反应。
5.2 干燥器直径的确定
由于此物料极易粘壁，雾化角不宜选择过大，今选择雾化角θ=500，查有关资料，确定流出系数CD=0.45。
干品处理量：
料液处理量：
将料液的质量流量转变成体积流量，则喷嘴截面积为：
喷嘴孔径为：
经圆整后取1.8mm。
根据资料[1]确定干燥器直径为2.4m。
5.3 干燥器高度的确定
根据有关资料，高塔形干燥器高度与直径比为1：5，所以取有效高度H为12m。
5.4热风量计算
蒸发水量W=264.3-139=125.3kg/h,冷空气进口温度t0=20℃，经计算所需干空气为1121kg/h（计算过程略），干燥器出口处湿空气比容为1.473m3湿空气/ kg绝干空气，湿空气体积流量为：V=1121×1.473=1651m3/h
此时干燥器内风速为：
5.5 聚合反应器参数的确定
物料的体积流量为：
设料层为4mm,加热盘外径为1400mm,内径为400mm,主轴转速为0.25r/min,加热盘数为：
参考文献:
[1] 刘广文.喷雾干燥实用技术大全[M].北京：中国轻工业出版社,2001.
[2] 刘广文.染料加工技术[M].北京：化学工业出版社,1999
Development of high temperature combination dryer
LIU Guang-wen，DU Hui-guang
（Shenyang Research Institute of Chemical Industry，Shenyang 110021,China）
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