闭路循环干燥系统及应用

杨剑峰 张敏华张志军 张敏磊

(江阴市艳华干燥设备有限公司，江苏 无锡 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，在干燥过程中易产生静电，MBS便会产生闪爆或燃烧，不但损毁物料，还会影响人身安全，存在一定的事故隐患。我厂针对MBS这类具有易燃、易爆、易氧化、有异味、有毒等特性的产品，设计出了在惰性气体保护下的强化闪蒸和沸腾流化床二级连续闭路循环干燥系统。该装置操作安全、干燥时间短、单台产量大、效率高、质量稳定、操作环境好，可达到零排放，具有较好的推广价值。

关键词：高效、环保、节能、干燥、 MBS 闭路循环干燥系统 强化闪蒸干燥 沸腾流化床干燥 易燃、易爆、易氧化、有异味、有毒物料

 

一、引言

1.1 MBS的简介

　　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。在室温和低温下都具有很强的抗冲击性，作为PVC的改性剂，不但可以大大提高PVC制品的冲击强度，而且还可以改善PVC的加工性能，广泛应用于硬质PVC产品的生产中。MBS是一种细小颗粒，熔点为115℃。经反应、离心脱水后，MBS的含固率约为72%~75%，干品为20目左右的颗粒，水份含量要求小于0.5%。

1.2 MBS、ABS的现有干燥技术

　　目前，国内生产MBS的厂家，都采用沸腾流化床干燥装置，由于MBS具有特殊的物理性能和化学特性，在干燥过程中，稍有操作不当便会引起自然，甚至爆炸，存在一定的事故隐患。干燥时，工人将湿MBS通过螺旋输送器至沸腾床内，进入干燥器的湿物料均匀分布在流化床干燥器床面上，根据沸腾流化床的大小，达到一定数量后停止送料。MBS在流化床内在流化沸腾状态下，由引风机连续将新鲜的热空气引入沸腾床，并与MBS相互对流传热接触，使MBS受热蒸发水分而干燥。经过一段时间的干燥，当出口的尾气温度达到一定数值时，关闭蒸汽，停止加热，进行冷却降温至40℃时卸料。据有关资料显示，MBS粉尘爆炸下限浓度为23g/m3，MBS在干燥过程中，流化床内极易产生粉尘云，而流化床干燥过程中需要大量的空气，空气中存在氧气，在静电的作用下，MBS便会产生闪爆或燃烧，不但损毁物料，还会影响人身安全，存在一定的事故隐患。国内生产MBS采用沸腾床干燥的厂家大大小小都发生过上述现象。该装置属于间歇操作，不仅生产效率低，操作环境差，劳动强度大，物料耗散大，而且安全性差，环保要求低。

1.3 MBS在惰性气体保护下的沸腾流化床闭路循环干燥技术

　　根据以上对MBS干燥的不足，我厂技术部在安徽省合肥工大的支持下，成功设计出一套适合MBS的在惰性气体保护下的强化闪蒸气流与沸腾流化床二级闭路循环干燥装置(以下简称为沸腾流化床闭路循环系统)。整个干燥过程由于是在惰性气体保护、低氧的条件下进行的，避免了燃烧爆炸的可能性，在出料前，对干燥物料进行冷却处理，出料温度控制至40℃，装袋后MBS不存在焖燃，干品的品质好，运行稳定安全。该设备完全可以满足MBS在安全、环保、高效、节能的条件下进行干燥工艺操作。

 

二、MBS沸腾流化床闭路循环系统的流程和特点

　　在闭路循环干燥过程中，干燥介质一般采用为惰性气体，如氮气和二氧化碳气体。当强化闪蒸气流和沸腾流化床二级干燥启动运转后，首先在干燥系统中充入惰性气体，让含氧空气溢出，使系统内的氧含量逐渐减少，达到一定数值后终止，再加热惰性气体。湿物料先经一级强化闪蒸干燥后进入沸腾流化床进行二级连续干燥(也可间隙干燥)，使高温惰性气体与湿物料进行热质交换，湿物料得到干燥。湿度较大、温度较低的惰性气体经过除湿式洗涤塔冷却洗涤除湿后，洁净的惰性气体经循环鼓风机再次进入加热器重新加热，如此不断循环使用，干燥流程如图1所示：

图1 沸腾流化床闭路循环干燥系统流程

　　该沸腾流化床闭路循环干燥系统具有以下显著特点：

1. 安全：

　　整个闭路循环系统的干燥过程是在有惰性气体保护的低氧状态下进行的，解除了物料产生的氧化分解或爆炸的危险。系统内设置了自动测氧仪、自动补氮及报警装置，并设有PLC控制系统，具有极高的安全性。

2. 环保：

　　整个系统是完全密闭的，没有任何泄漏点，闭路操作，无废气和粉尘的排放，避免了对环境的污染。

3. 高效：

　　由于采用的强化闪蒸气流和沸腾流化床二级干燥，干燥时间短，产量大，而且干燥过程在惰性气体保护下进行，物料不易氧化发黄，无需每次打扫清理，节省了清扫时间，提高了生产效率。

4. 节能：

　　本套装置设计为强化闪蒸气流和沸腾流化床二级干燥，在初始干燥过程中，湿含量较高的惰性气体的出口温度很低，当出口温度提高到一定数值时，物料已达到成品湿含量要求，不像一般的气流干燥装置，如需达到成品含湿量的要求，出口温度需长时间保持一定的数值，用此干燥方式，大大降低了能源消耗，达到节能的目的。

　　以下为沸腾流化床闭路循环干燥系统的流程图：

图2沸腾流化床闭路循环干燥系统流程图

 

三、MBS、ABS沸腾流化床闭路循环干燥的设计计算

以每小时1400kg MBS沸腾流化床闭路循环干燥系统设计计算为例：

工艺条件如下：

1. 物料名称: MBS

2. 干品产量：1400kg/h

3. 物料初始含湿量：25%

4. 气流干燥后物料含湿量：18%

5. 物料终含湿量：0.5%

6. 气流干燥加热温度：T₁=130℃

7. 气流干燥出口温度：T₂=55℃

8. 物料初始温度：T₃=15℃

9. 气流干燥后物料温度：T₄=25℃

10. 沸腾流化床加热温度：T₅=130℃

11. 沸腾流化床出口温度：T₆=70℃

12. 物料干燥后温度：T₇=45℃

13. 平均气温：T₀=15℃

14. 系统内氧含量：≤5%

15. MBS堆积密度：0.3-0.45g/cm³

16. 电源 380V 50H 三相四线 室内安装

3.1气流干燥器设计计算：

3.1.1.物料衡算

G_{(投料量总)}= 1400×(100-0.5)/(100-25) =1857.3kg/h

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

W_{(蒸发水分一)}= 1857.3-1698.8= 158.5kg/h

3.1.2.热量衡算

　　根据热平衡原理：Q_总=Q₁+Q₂+Q₃

　　Q₁—蒸发水份所需的热量

　　Q₂—湿物料升温所需的热量

　　Q₃—随尾气带走的热量

　　Q₁=【r+(T₂-T₃)c 】×W_{(蒸发水份)}

　　Q₂=0.6×G_{(投料量一)}×(T₄-T₃)

　　Q₃=L×(0.24+0.46×0.017)(T₂-T₃)

　Q_总=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为系数，考虑干燥器经保温后的热损失;

　　r=595Kcal/kg为水的汽化潜热;c=1Kcal/kg为水的热容

　　0.6为物料比热;L为进入换热器的空气量(m³/h)

　　0.017为当T2=15℃，相对湿度φ=95%时查得;

　Q_总=1.15×(100648+10193)+L×9.91

   　=127467+ L×9.91

　Q_总热量是空气经过预热器所获得的热量

　Q_总=L×(0.24+0.46×0.017)(T₄-T₀))

  　 = L×(0.24+0.46×0.017)(130-15)

 　  =L×28.50

根据热平衡原理 127467+ L×9.91=L×28.50

　　L=6858(m³/h)

　　L_{(操作风量)}=6858×(273+55)/(273+15)≈7810(m³/h)

　　圆整取7800m³/h

　　因此本干燥装置选用风机的最低风量为7800m³/h;

　　风压为-6500—-6000Pa。

3.1.3.气流干燥器直径设计

　　根据物料物理特性，取干燥塔内风速为6m/s，

　　L_{总(操作风量)}=7800(m³/h)

　　D= ≈ 0.678米(圆整取0.65米)

3.2沸腾流化床的设计计算

3.2.1.物料衡算

W_{(蒸发水分二)}= G_{(投料量一)}- G_{(干品产量)}=1698.8-1400= 298.8kg/h

3.2.2.热量衡算

　　根据热平衡原理：Q_总=Q₁+Q₂+Q₃

　　Q₁—蒸发水份所需的热量

　　Q₂—湿物料升温所需的热量

　　Q₃—随尾气带走的热量

　　Q₁=【r+(T₆-T₄)c 】×W_{(蒸发水份)}

　　Q₂=0.6×G_{(干品产量)}×(T₇-T₄)

　　Q₃=L×(0.24+0.46×0.017)(T₆-T₄)

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

　　+ L(0.24+0.46×0.017)(70-15)

　　其中：1.15为系数，考虑干燥器经保温后的热损失;

　　r=595Kcal/kg为水的汽化潜热;c=1Kcal/kg为水的热容

　　0.6为物料比热;L为进入换热器的空气量(m³/h)

　　0.017为当T2=15℃，相对湿度φ=95%时查得;

　Q_总=1.15×(191232+16800)+L×13.63

　　=239237+ L×13.63

　Q_总热量是空气经过预热器所获得的热量

　Q_总=L×(0.24+0.46×0.017)(T₄-T₀))

　　= L×(0.24+0.46×0.017)(130-15)

　　=L×28.50

　　根据热平衡原理 239237+ L×13.63=L×28.50

　　L=16089(m³/h)

　　L_{(操作风量)}=16089×(273+70)/(273+15)≈19162(m³/h)

　　圆整取19200m³/h

　　因此本干燥装置选用风机的最低风量为19200m³/h;

　　风压为-6500—-6000Pa。

3.2.3.沸腾流化床面积计算

　　根据物料的物理特性，取沸腾床的操作风速为V操作=0.9m/s，则沸腾床的表面积A0可由以下公式计算得出：

　　A0×V_操作×3600=L_{(操作风量)}

　　A0= L_{(操作风量)}/ (V_操作×3600)=19200/(0.9×3600)=5.93m²

　　根据实际经验，取沸腾床的表面积为6m²。

3.2.4.沸腾流化床花板开孔率计算

　　花板的开孔率大小是影响物料沸腾与否的关键因素，所有在计算沸腾床开孔率的时候，一方面要参考以往设计经验，另一方面，则要根据具体物料取到合适的细孔风速。对于MBS这种物料，根据以往的经验，一般取细孔风速为18-20m/s，我们取V_细孔=20m/s。设开孔率为Ψ，则花板的开孔率Ψ可以根据以下公式计算出：

　　V_细孔×A₀×Ψ×3600=L_{(操作风量)}

　　Ψ= L_{(操作风量)}/(V_细孔×A₀×3600)= 19200/(20×6×3600)=0.044 取整为0.045。

　　所以沸腾床花板的开孔率取4.5%。

3.2.5.沸腾流化床扩大段面积计算

　　在沸腾流化床中干燥的物料，会在干燥中后期产生大量的粉尘，如果风速过快，粉尘会随着气流带出，所以在沸腾床上段，一般都要设计相应的扩大段，让粉尘进行沉降。通过查询除尘手册及相关资料，再结合以往设计的经验，沉降速度一般取0.2-0.3m/s之间。根据MBS的物料特性，我们可以取沉降速度V_沉降=0.3m/s。则沉降段的面积A₁可由以下公式计算得出：

　　A₁×V_沉降×3600=L_{(操作风量)}

　　A₁= L_{(操作风量)}/(V_沉降×3600)=19200/(0.3×3600)=17.78m² 取整为18 m²。

　　所以沸腾床的扩大段面积为18m²。

 

四、MBS强化闪蒸和沸腾流化床闭路循环干燥系统的设计要点

　　采用氮气保护的强化闪蒸和沸腾流化床二级连续闭路循环干燥是非常合理的。MBS该物料在高温长时间烘烤下，粉尘极易产生闪爆和燃烧，因此在干燥过程中，干燥介质的氧含量必须要有严格的要求，才能保证干燥过程安全进行。系统中干燥介质采用氮气，氮气由制氮机提供，系统中设有氮气压力平衡装置，操作平稳。经计算测试，每1400kg/h MBS的干燥系统，补充氮气量约100m³，机组装机容量仅为135kw，由此表明本套设备的设计是先进、合理、可靠的。

4.1.螺旋加料器的设计

　　螺旋加料器在闭路循环干燥系统中，它是湿物料入口处，也是一个主要的泄漏点，加料器设计成卧式，双支点，并带有翻料装置，容积根据每小时产量而定，入口处设置一台16升/转的星型卸料阀，星型卸料阀入口处为微正压，防止大气中的氧气进入干燥系统内，保证进料定量、均匀、连续和稳定。

4.2.布袋除尘器的设计

　　沸腾流化床干燥器设计为内置式布袋除尘器，布袋除尘器放置在流化床沉降段上方，过滤面积的设计，依据沸腾流化床的处理风量大小来确定，过滤风速为0.02m/s，采用氮气脉冲反吹，除尘效率可达99.9%，完全可以达到工艺要求。

4.3.循环风机的设计

　　闭路循环干燥系统总阻力约为12000pa，为了减少系统内外压力的泄漏，系统中正压和负压均不能高。本系统风机设计成两台串联并且分开放置，一台置于沸腾流化床与洗涤吸收塔之间，另一台至于洗涤吸收塔与加热器之间。风机轴封设计的成败决定了整个系统能否正常运行，由于风机转速较高，并有一定的温度，若采用普通的填料密封，易发热烧焦填料，若采用机械密封，无法加油润滑、冷却，现采用磁流密封，可取得良好的密封效果。

4.4.洗涤吸收塔的设计

　　经过内置于沸腾流化床的布袋除尘器的湿干燥介质，夹带细小的MBS尘埃，必须洗涤除湿并达到较低的湿含量，才能循环使用，洗涤吸收塔具有这样的功能。洗涤吸收塔内放置一定面积的冷却管，降温可用冷冻盐水，也可以用冷却水，冷却水运行成本比较小，投资省，用18℃的水直接逆流喷淋，喷量约30t/h，水温升至30℃，干燥介质温度降至20℃，绝对湿含量降低至2mg/m³，完全达到干燥要求，30℃的水温由内置于洗涤吸收塔内的冷却管冷却至18℃，循环利用。喷淋塔采用鲍尔瓷环填料，气液接触充分均匀，效果较好。

4.5.系统内机械转动的密封

　　本系统的机械转动件设备主要是星型卸料阀、螺旋加料器等，这些设备的转速并不高，但泄漏点很多，不加以注意，泄漏量很大，系统含氧量无法降低，经实验，采用填料和气封双重密封效果很好。

4.6. 压力平衡点的调整

　　为了调整系统内压力平衡，我们专门设计了特有的压力平衡罐，在经过多次改良与现场试验之后，可以保证现有的压力平衡罐能很好的调整系统内的压力平衡，而且对环境不造成任何影响，是一种非常有效的调压手段。

4.7. 氧含量的控制

　　对于氧含量的控制，我们采用先进的氧含量报警仪，在线检测氧含量的数值，然后反馈到专门的电气仪表中，由电气仪表通过氧含量的高低自动控制调节阀的开关，保证了系统中的氧含量值一直都能保持在安全值以下。

4.8. 温度的控制

　　由于MBS物料的特殊性，温度的控制显得尤为重要，我们采用铂热电阻在线检测，电子仪表随时调控电动阀的方法，将温度控制在极小的误差范围内，保证了系统内的温度一直都在设定值上下，即准确、又方便。

4.9. 干品冷却

　　MBS干品装袋后，出料温度如果超过40℃，会存在焖烧现象，需冷却低于40℃后，才能装袋。如果是间隙操作，操作强化闪蒸和沸腾流化床干燥装置，直接将加热器蒸汽阀门关闭，待完全冷却物料低于40℃后出料。如连续干燥出料，冷却采用连续式空心桨叶冷却器即可。

 

五、结束语

　　通过上述对沸腾流化床闭路循环的介绍与分析，可知本装置在MBS的生产中具有良好的社会效益和经济效益，生产出的成品品相好、质量优、效率高，操作过程中安全度高，无燃烧、爆炸的事故隐患，值得进行广泛的宣传和推广。本厂备有中试装置，欢迎各位专家及厂家带物料前来试验!

 

参考文献

[1] 张殿印，王纯.除尘器手册 [M].化工工业出版社, 2004

[2] 刘广文，干燥设备设计手册 [M].机械工业出版社，2009

[3] 潘永康，现代干燥技术 [M].化工工业出版社，1998

[4] 钱颂文，换热器设计手册 [M].化工工业出版社，2002