真空槳葉干燥機在高黏度物料的應用實驗
行業(yè)動態(tài)
空心槳葉干燥機是一種以熱傳導為主的臥式攪拌型干燥機。因內(nèi)部空心的攪拌葉片形似于船槳，固稱之為空心槳葉干燥機。槳葉干燥機國外已經(jīng)開發(fā)多年，由德國開發(fā)成功，之后我國引進了該項技術(shù)，并進行了改進，現(xiàn)已開發(fā)了雙軸和四軸兩種結(jié)構(gòu)、十多種規(guī)格的系列產(chǎn)品。近年來國內(nèi)各行業(yè)的廣泛應用，國產(chǎn)槳葉干燥機技術(shù)已經(jīng)十分成熟。
某廠油渣萃取項目作為新型技術(shù)，物料性質(zhì)具有特殊性。由于其自身高黏度特性，干燥機還沒有相關(guān)業(yè)績。針對該物料性質(zhì)，通過實驗驗證槳葉干燥機對高黏度物料的可行性進行了驗證，為槳葉干燥機應用提供更廣闊的領域。
1 槳葉干燥機原理
空心槳葉干燥機是由互相嚙合的二根或四根槳葉軸、帶有夾套的W形殼體、機座以及傳動部分組成，物料的整個干燥過程在封閉狀態(tài)下進行，有機揮發(fā)氣體及異味氣體在密閉氛圍下送至尾氣處理裝置，避免環(huán)境污染。干燥機以蒸汽，熱水或?qū)嵊妥鳛榧訜峤橘|(zhì)，軸端裝有加熱介質(zhì)進出的旋轉(zhuǎn)接頭。加熱介質(zhì)分為兩路，分別進入干燥機殼體夾套和槳葉及軸內(nèi)腔，將殼體和槳葉軸同時加熱，以傳到加熱的方式對物料進行加熱干燥。被干燥的物料由螺旋送料機連續(xù)的送入干燥機的加料口，物料進入干燥機殼體后，通過槳葉的轉(zhuǎn)動使物料翻轉(zhuǎn)、攪拌，不斷更新加熱介面，與殼體夾套和槳葉接觸，被充分加熱，使物料所含的表面水分蒸發(fā)，蒸發(fā)水分通過氣相出口連續(xù)排出。同時，物料隨槳葉軸的旋轉(zhuǎn)成螺旋軌跡向出料口方向輸送，在輸送中繼續(xù)攪拌，使物料中滲出的水分繼續(xù)蒸發(fā)。干燥均勻的合格產(chǎn)品由出料口排出。
干燥機空心軸上密集排列著楔形中空槳葉，熱介質(zhì)經(jīng)空心軸流經(jīng)槳葉，循環(huán)加熱。單位有效容積內(nèi)傳熱面積很大，熱介質(zhì)溫度為-40～320℃，可以是水蒸氣，也可以是液體，加熱水、導熱油等。通過間接傳導進行加熱，熱量均用來加熱物料，熱量損失很小，僅為通過氣體保溫層向環(huán)境的散熱。楔形槳葉傳熱面具有自清潔功能，物料顆粒與楔形面的相對運動產(chǎn)生清潔作用，能夠除去楔形面上的附著物料，使物料在運動中一直保持著清潔的傳熱面。
2 槳葉干燥機的應用
隨著國內(nèi)各行業(yè)的發(fā)展，槳葉干燥機已成功地用于食品、化工、石化、染料、工業(yè)污泥等領域。設備傳熱、冷卻、攪拌的特性使之可以完成以下單元操作：煅燒（低溫）、冷卻、干燥（溶劑回收）、加熱（融化）、反應和滅菌。
（1）用導熱油做加熱干燥介質(zhì)，槳葉干燥機可完成低溫煅燒工作。如：二水硫酸鈣（Ca2SO4·2H2O）煅燒轉(zhuǎn)化為半水硫酸鈣（Ca2SO4·1/2H2O）。碳酸氫鈉（NaHCO3）經(jīng)煅燒轉(zhuǎn)化為純堿（Na2CO3）等。
（2）通入冷卻介質(zhì)，如水、冷卻鹽水等即可用來冷卻。如用純堿行業(yè)的槳葉式?jīng)鰤A機取代老式的空氣冷卻涼堿機，節(jié)省了能源及尾氣處理設備，降低了操作費用，還可用于鈦白粉、鎳鐵合金粉及各種粉粒狀物料的冷卻。
（3）干燥，槳葉干燥機應用較廣泛的用途，不使用熱空氣，使溶劑回收、能源消耗、環(huán)境控制處于易處理的理想狀態(tài)。對需回收溶劑、易燃易氧化熱敏性物料尤為適應，已廣泛用于精細化工、石化、染料行業(yè)。
3 干燥機的特點
3.1 設備結(jié)構(gòu)緊湊
干燥機主要的傳熱部件是殼體夾套、軸、楔形的槳葉，這些密集的槳葉按照規(guī)定的間隔交叉排列在固定的旋轉(zhuǎn)軸上，因此單位容積的傳熱比較高?；谶@一原因，這種設備的結(jié)構(gòu)非常緊湊，占地面積小。
3.2 傳熱效率高
由于相對旋轉(zhuǎn)的楔形的槳葉和傾斜的槳葉表面以及機體的加熱、冷卻，保證了所有與產(chǎn)品接觸的表面能夠均勻地傳遞熱能。物料充分混合攪拌，干燥機本體熱量損失很小，熱量利用率高，提高了設備的傳熱效率。
3.3 自潔性能
槳葉具有自潔能力。槳葉相向旋轉(zhuǎn)，葉片的兩個斜面反復攪拌、壓縮、松弛并推進物料，使葉面具有獨特的自潔能力，防止物料在槳葉軸與軸間累計黏結(jié)，影響干燥機正常運行。同時槳葉干燥機的傳熱系數(shù)也高于其他任何傳導干燥方式。
3.4 處理物料范圍廣
使用不同熱介質(zhì)，既可處理熱敏性物料，又可處理需高溫處理的物料。常用介質(zhì)有水蒸氣、導熱油、熱水、冷卻水等。既可連續(xù)操作也可間歇操作，可在很多領域應用。
3.5 控制簡單
干燥過程和停留時間都可以檢查、控制和調(diào)整。它們都可以根據(jù)被干燥產(chǎn)品的物理性能單獨進行設定和調(diào)整，對軸或者槳葉的數(shù)量、轉(zhuǎn)速、傳熱體的溫度和干燥停留時間進行設定和調(diào)整，達到干燥效果。
3.6 適合于濕度很大產(chǎn)品的干燥
由于使用了槳葉式的干燥元件和連續(xù)的混合攪拌，能夠?qū)︷ざ群艽蟮?、高濕度的材料進行干燥。它的結(jié)構(gòu)設計避免了產(chǎn)品在死角處的積留和因產(chǎn)品積留而帶來的過熱或者腐敗變質(zhì)。
3.7 材料的損耗及磨損很小
由于槳葉的轉(zhuǎn)速很低，只有10～40r/min，這就有效地避免了磨蝕和由磨蝕帶來的機床設備快速的磨損，延長了設備使用壽命。另外，也將金屬材料的破裂風險降低到了極小程度。
4 高黏度物料實驗
中國神華煤制油有限公司鄂爾多斯煤制油分公司2016年成立油渣萃取項目組，以使液化油渣合理高效利用。根據(jù)煤液化油渣溶劑萃取特性，能被溶劑萃取部分稱為瀝青相，不能被溶劑萃取部分稱為固相。本項目選擇煤焦油洗油作為溶劑的萃取工藝，使油渣中的瀝青與溶劑混合相溶，隨后采用固液分離設備分級分離，得到不同灰分含量的分離液，分離液經(jīng)減壓蒸餾后，得到不同等級的煤液化瀝青。
物料經(jīng)過分離設備分離后，固相物料中含有35%的洗油，只有將這部分洗油提取出來循環(huán)利用才能證明此工藝的可行性。所以此項目中干燥設備選型至關(guān)重要。通過我們前期技術(shù)交流及設備考察，選定槳葉干燥機為本項目的重點論證方案之一。槳葉干燥機雖然在化工行業(yè)應用廣發(fā)且成熟，但高黏度物料干燥方面沒有運行業(yè)績。為了驗證槳葉干燥機在本工藝的可行性及可靠性，進行槳葉干燥機實驗。本次實驗主要就槳葉干燥機處理項目高黏度物料在結(jié)垢、黏壁、處理量、干燥效果等方面進行實驗驗證。
4.1 物料特性
名稱：含洗油的類瀝青物；狀態(tài)：黑色粘稠狀；進料溫度：120℃；絕干物料比熱：1.3kJ/(kg·℃)（設計計算值）；濕分比熱：2.677kJ/(kg·℃)（設計計算值）；濕分蒸發(fā)潛熱：650kJ/(kg·℃)（設計計算值）；黏度：8350mPa·s（120℃）；堆密度：1000kg/m3（估算）；干燥目的：回收洗油。
4.2 設計要求
處理量：3500kg/h（濕基）；濕分名稱：洗油；初始濕含量：≈35%；產(chǎn)品濕含量：≤5%；干燥過程中料溫：≤260℃；設備臺數(shù)：10臺/套。
4.3 實驗參數(shù)及流程
4.3.1 技術(shù)參數(shù)
干燥機型號：JG-3.0；傳熱面積：3㎡；設計溫度：殼程260℃，管程250℃。
設計壓力：殼程；殼程/管程：50kPa（a）/0.2MPa（g）；干燥機材質(zhì)：與物料接觸的部分304。
電機名稱：隔爆型三相異步電動機；電機型號：YB132S-4；電機功率：5.5kW。
4.3.2 實驗流程
流程簡述：濕物料通過鎖氣器連續(xù)加入到真空槳葉式干燥機中，熱源通過真空槳葉式干燥機空心的熱油、葉片和夾套將熱量傳遞給物料。在熱軸的帶動下，葉片把物料打散，同時將物料向出料口輸送。蒸發(fā)的濕分進入冷凝器進行冷凝，尾氣經(jīng)真空泵抽出排空，干燥后的物料通過鎖氣器間歇排放收集。
4.4 設備選型
針對本項目物料黏度大，易燃易爆等特性，選擇為雙軸薄膜真空干燥機。雙軸薄膜真空干燥機是根據(jù)槳葉干燥機和圓盤干燥機優(yōu)化組合設計的新型干燥機，其主要由薄膜熱軸、殼體、傳動系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等組成，工作過程中具有較好的密封性、耐磨性和耐高溫性能，使用過程中操作彈性大，傳熱系數(shù)高等優(yōu)點，尤其是對較黏物料具有自清理功能，是油渣和黏性物料的較佳選用設備。
4.4.1 熱軸系統(tǒng)
熱軸是薄膜干燥機的核心部件，主要由軸管、軸頭、矩形葉片等組成，葉片形式為矩形葉片，徑向剖開為矩形，軸向為扇形，但扇形面同一個平面，這一點與其他葉片完全不同，由于本部件選用較厚的鋼板或鍛件制造完成，具有較強的耐磨性能，與軸管焊接時強度較高，有效防止軸本身產(chǎn)生的撓度，進一步保證密封性。兩片盤片、內(nèi)外側(cè)扇形板、側(cè)板及加強筋焊接而成，設計了加強筋和傳熱導體柱，既可以承受高溫引起的變形，也可以增強側(cè)板的耐磨性能，同時也能承受高壓。能保證長時間下該軸不會產(chǎn)生變形和泄露，也能進一步降低用戶使用過程中的維修費用。
4.4.2 熱源進出系統(tǒng)
傳統(tǒng)型干燥機的油或蒸汽進出口采用主動端進蒸汽，從動端出油、冷凝液或蒸汽的結(jié)構(gòu)，而雙軸薄膜干燥機采用從動端進高溫油和出低溫油的新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)避免高溫對主動端的傳動精密度產(chǎn)生影響，從而增加軸的傳動平穩(wěn)度，同時也減少了一端面的漏點，為后續(xù)檢維修降低費用。
4.4.3 軸端密封系統(tǒng)
雙軸薄膜干燥機的軸端密封是整個系統(tǒng)的安全保證，如果密封失效或有漏點，空氣進入干燥機會有閃爆的可能性。本密封系統(tǒng)采用迷宮密封將大量的油渣阻擋在殼體內(nèi)部，然后用硬質(zhì)環(huán)將大部分遺漏的渣再次進行阻擋，少部分溢流的油渣進入緩沖倉進行收集，根據(jù)使用經(jīng)驗約兩年清倉一次。緩沖倉內(nèi)部填滿后發(fā)現(xiàn)有氣體外漏，備用的反吹氮氣進行反吹再次密封，該系統(tǒng)安全可靠無風險。
4.4.4 自清理系統(tǒng)
自清理系統(tǒng)是雙軸薄膜干燥機和傳統(tǒng)干燥機的設計要點，在黏性較高的物料干燥過程中，防止物料黏附熱油。如果物料黏附在熱軸表面，使傳熱系數(shù)降低，干燥效率變差，因黏附物料使熱軸重量增加，導致干燥機的傳動功率增加。本項目中干燥機設計有刮刀，在矩形葉片上增加抄板掏料結(jié)構(gòu)，雙軸嚙合時可極大限度減小死區(qū)，盡可能增大攪拌區(qū)間。
4.4.5 熱膨脹設計要點
雙軸薄膜干燥機在較高溫度場必須考慮膨脹移動，較合理的設計能減少設備故障，降低維修率，雙軸薄膜干燥機設計溫度按照350℃考慮，膨脹量約62mm，主動端為固定端，從動端為滑動端，機架與地基連接部位采用滑動結(jié)構(gòu)，有效釋放膨脹應力，防止因膨脹應力導致熱軸彎曲變形、葉片根部泄露和損壞密封系統(tǒng)等缺陷。
5 實驗情況
5.1 實驗條件
試驗物料：煤液化油渣離心干相；物料含油量：35%；干燥機換熱面積：3㎡；導熱油進溫度：246～250℃；導熱油出溫度：243～246℃；真空度：46～71kPa；槳葉電機頻率：25Hz；槳葉軸轉(zhuǎn)速：12.25r/min；計劃進料量：120kg/h；進料溫度：100℃；進料方式：人工添加，旋轉(zhuǎn)閥進料；出料方式：手動間歇排料。
5.2 實驗情況
2017年6月16日進行真空槳葉干燥機高黏度物料實驗。12:57分開始加料，實驗開始。為了保證物料連續(xù)進料，操作人員嚴格控制2kg/min加料，干燥機真空度穩(wěn)定在71kPa，設備運行穩(wěn)定。13:40分固相開始出料，物料表面溫度125℃，技術(shù)人員開始取樣進行分析，取樣頻率為20min/次。14:41分進料結(jié)束，15:14分出料結(jié)束，本次實驗結(jié)束。整個實驗過程中，干燥機運行穩(wěn)定，氣固相出料連續(xù)穩(wěn)定。停機后設備人員打開干燥機進行內(nèi)部檢查，內(nèi)部存在輕微黏結(jié)掛壁情況，殘余物料干燥充分，可以通過排放口排出。6月20日取樣分析結(jié)果提交：5次取樣分析固相含油率分別為0.61%、0.38%、2.25%、1.64%、4.41%。
5.3 實驗結(jié)果
（1）本次實驗累計進料205.86kg，耗時104min，實際進料量為118.8kg/h，折合每平方米干燥面積干燥能力約為40kg/h。滿足設備實驗要求。
（2）槳葉干燥機從開始進料至出料時間間隔為42min，說明物料在干燥機內(nèi)停留時間為42min。
（3）通過對不同時間干相出料進行分析，固相含油量平均值為（0.61+0.38+2.25+1.61+4.41）/5=1.86，遠小于本項目5%的設計要求，經(jīng)濟效益可觀。
（4）干相出料呈顆粒狀（粒徑0～8mm，其中90%＜3mm）。
6 真空干燥系統(tǒng)的實驗運行結(jié)論
（1）槳葉干燥機運行中物料分散效果良好，平均固相含油率小于2%，滿足本項目小于5%的設計條件。
（2）實驗進料為118.8kg/h，能夠滿足設計條件；折合每平方米干燥面積干燥能力約為40kg/h，為滿足本項目3.5t/h設計能力，工業(yè)放大機的干燥面積約為87.5m?？紤]本次實驗進料溫度較設計溫度低約12～40℃，導熱油溫度較設計溫度低約80℃，實驗條件（實驗機無保溫）差散熱損失大等不利條件影響，工業(yè)放大時所需的干燥面積會更小。
（3）干燥機內(nèi)部檢查存在輕微黏結(jié)掛壁及死角結(jié)塊情況，但對設備運行沒有影響。通過優(yōu)化槳葉結(jié)構(gòu)，效果會更好。
（4）實驗證明真空槳葉干燥機能處理高黏度物料。
7 真空槳葉干燥機的工業(yè)應用前景
本次真空槳葉干燥機處理高黏度物料實驗是成功的。驗證了真空槳葉干燥機在油渣萃取項目應用的可行性。接下來將進一步優(yōu)化設備性能，確保設備干燥高黏度物料的可靠性，提高設備干燥效率及運行周期，也為干燥機在高黏度物料干燥領域積累寶貴經(jīng)驗。
