滾筒干燥設備的開發研究

邊永峰范劍明 吉仁塔布 劉菲

（內蒙古包頭市包鋼稀土冶煉廠）（內蒙古工業大學化工學院)

滾筒干燥設備的開發研究

邊永峰*范劍明 吉仁塔布 劉菲

（內蒙古包頭市包鋼稀土冶煉廠）（內蒙古工業大學化工學院)

通過對比分析已有干燥技術在同類產品干燥造粒過程中的應用效果，結合液體聚合硅酸鋁物性特征，設計研制了一臺用于實驗室研究的單滾筒浸液式滾筒干燥機，同時系統地研究了料膜濕度與溫度的變化關系。研究結果對實際生產應用具有重要的指導意義和參考價值。

滾筒干燥機聚合硅酸鋁料膜濕度溫度

0 引言

液體絮凝劑產品由于質量不穩定和貯運不方便等因素，其產銷方式就只能采用就地消化方式，這就限制了絮凝劑生產企業的發展。因此，將液體產品通過干燥的方法轉化為固體產品，是企業發展的需求。目前，絮凝劑工業化生產中，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，二者的應用情況已有相關報道。也有學者使用烘箱進行絮凝劑中溫固化的實驗室研究，得到了粉末狀固體產品。由于烘箱受物料加熱方式的限制，一次裝料量不宜過厚，因此其工業化推廣難度較大。下面著重就噴霧干燥技術和滾筒干燥技術作對比分析，結合聚合硅酸鋁物性特征，確定有利于工業化推廣應用的干燥方案并進行相應的干燥設備的開發研究。

1 干燥技術在絮凝劑干燥過程中的應用

1.1 噴霧干燥技術的應用

噴霧干燥是系統化技術應用于物料干燥的一種方法。液體料漿經噴灑器霧化后，于干燥塔中與熱介質充分接觸，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、設備操作方便等優點，在化工、食品、制藥及高性能材料的干燥生產等多個領域得到了廣泛應用。

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

1.2 滾筒干燥技術的應用

20世紀早期，作為一種接觸式內加熱傳導型干燥設備，滾筒干燥機開始得到應用。滾筒干燥技術的基本操作原理是：料漿均勻地分布于滾筒表面，形成一層料膜；滾筒內熱量通過滾筒外壁傳導至料膜，通過蒸發和擴散作用使料膜內的濕分向外轉移；隨著滾筒的轉動，當料膜內濕分含量達到要求值時，緊貼滾筒表面的刮刀就將料膜刮下，然后按照產品粒徑要求進一步破碎，便得到顆粒狀的固體產品。滾筒干燥具有設備操作簡單、維護方便、投資少、占地面積小、干燥速率大、熱效率高、干燥成本低和產品質量穩定等一系列優勢，在化工、食品、生物和農業等多個領域得到了廣泛應用。

經過長期的生產實踐應用，滾筒干燥技術得到了快速的發展，滾筒干燥機種類也不斷增多。可以有多種方法對滾筒干燥機進行分類。按滾筒的數量，分為單滾筒、雙滾筒、多滾筒干燥機；按操作環境的不同，分為真空滾筒干燥機和常壓滾筒干燥機，真空滾筒干燥機多用于熱敏性物料及有特殊要求的物料的干燥；根據物料的固形物含量、黏度以及產品的吸濕性等物性特征的不同，出現了不同布料方式的滾筒干燥機，主要有輥式、捏擠式、浸液式、噴射式和灑濺式滾筒干燥機；按照干燥熱源的來源，分為蒸汽加熱式、燃氣加熱式、熱油加熱式、熱風加熱式和電加熱式滾筒干燥機。

種類繁多的滾筒干燥機都有各自的優缺點，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、熱傳導性和熱擴散性等）詳細掌握，才能選擇出合適的干燥設備類型，因為滾筒表面溫度、物料在滾筒表面的停留時間和料膜厚度等參數的控制都將影響產品的最終質量。

2 滾筒干燥機的設計研制

2.1 聚合硅酸鋁液體產品物性特征

自制聚合硅酸鋁液體產品物性特征如表1所示。由于物料水分含量比較高、黏度比較大，同時考慮到干燥溫度過高容易使物料發生改性，因此結合現有的干燥技術和實驗室現有基礎條件，確定采用自行研制的滾筒干燥機作為聚合硅酸鋁液體產品的干燥造粒設備。該設備采用常壓單滾筒結構，干燥熱源為燃氣加熱，布料方式為浸液式。

表1 聚合硅酸鋁液體產品特性參數

2.2 滾筒干燥機的結構及工作原理

滾筒干燥機主要由滾筒、受料槽、刮刀卸料裝置、集料斗、傳動裝置、加熱裝置及機座組成。滾筒是一個中空的金屬圓筒，由筒面、端蓋和端軸組成。筒面是滾筒干燥機的主要熱傳導轉動部件；端蓋中心線位置留有燃氣進出口接管，接管同時兼做端軸，接管上裝有轉動鏈輪，連接傳動裝置。受料槽用來存放液體物料，當滾筒浸入受料槽時，物料在滾筒表面均勻分布形成料膜，料膜的厚度由滾筒轉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，刮料不徹底將嚴重影響下一循環的布料效果，從而影響產品質量。集料斗布置于刮刀卸料裝置下方，用于收集固體產品。傳動裝置為滾筒轉動提供動力來源。加熱裝置主要由燃氣罐、燃燒器及控制裝置組成。

圖1為自制滾筒干燥機（轉鼓制片機）照片。

圖1 滾筒干燥機

2.3 滾筒干燥機關鍵部件設計

（1）滾筒設計

滾筒是滾筒干燥機的核心部件，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效率和產品最終質量。本設備主要用于聚合硅酸鋁液體產品的干燥造粒，同時考慮到今后同類產品的開發及中間放大試驗研究，滾筒設計時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構，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，端蓋和端軸材質選用Q235-B。

（2）刮刀卸料裝置設計

刮刀卸料裝置由刮刀和刀片調節系統組成。刮刀卸料裝置與滾筒配合運行，將滾筒表面達到干燥要求的物料刮下。刮刀是該裝置設計的主要部件，刮刀緊密地貼合在滾筒表面。刮刀材質的選擇以及刮刀安裝角度的調節將直接影響整個裝置的運行效果。刮刀材質的硬度應控制在一定范圍內，硬度過小容易導致刮刀變形，硬度太大，會損害滾筒表面，因此本設計選用經淬火熱處理后的45鋼作為刮刀的材質。根據主滾筒尺寸，確定刮刀的尺寸為500 mm×150 mm×2.0 mm。考慮到本實驗工況簡單，刀片調節系統采用成本比較低廉的機械式調節結構。這種結構既可確保刀片能進行細微調節，使刀刃線與筒面的接觸吻合、均勻，同時也可防止刀片在工作時向后退刀。刮刀的安裝角度也是該裝置設計中考慮的重要因素，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。經多次調試，確定刮刀的安裝角度為22°～28°之間較合適。

（3）傳動裝置設計

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

3 應用研究

滾筒干燥機各組成部分組合安裝完畢后，進行設備的空載轉動檢測，以確定各組成部分的運行情況。檢測內容主要包括：滾筒表面溫度分布均勻性檢測、滾筒轉速檢測和刮刀與滾筒安裝位置檢測。各項指標合格后，進行裝料實驗，實驗原料為自制聚合硅酸鋁液體產品。

3.1 實驗方法

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

圖2 滾筒干燥機干燥過程

滾筒干燥機結構參數固定時，影響料膜含水量的影響因素有干燥溫度、滾筒轉速和料膜厚度。干燥溫度由燃氣量控制，是本實驗主要考察的因素。當滾筒浸入受料槽深度一定時，滾筒轉速成為影響料膜厚度的唯一因素。考慮到物料具有足夠的干燥時間，滾筒轉速確定為0.5 r/min，因此實驗過程中可忽略滾筒轉速和料膜厚度對物料含水量的影響。本實驗將滾筒按轉動方向等距取點，用取樣點位置的變化表示物料含水量變化規律。起點0記作為取樣起始點，此時物料含水量為液體產品初始含水量。點2為膜狀區起點，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，到達位置點14時，物料含水量達到要求，此時物料含水量為固體產品最終含水量。實驗考查了不同干燥溫度與膜狀區料膜的含水量之間的變化關系。

物料含水量用濕基含水量W表示，其單位為kg（水分）/kg（總質量）。

3.2 實驗結果與討論

實驗過程中發現，物料進入膜狀區后，料膜迅速升溫，物料內水分開始處于沸騰狀態，水分沸騰蒸發在料膜表面形成許多氣孔，使料膜結構變得更加疏松，進一步促進了水分與空氣的對流傳質傳熱。圖3為不同干燥溫度下膜狀區料膜含水量隨滾筒位置的變化關系。從圖中可以看出，干燥溫度越高，物料達到最終含水量所需要的位移越小。隨著滾筒的持續旋轉，物料含水量進一步減少，甚至會導致物料含水量過低、產品質量不合格。因此，本實驗在確定滾筒轉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干燥液體聚合硅酸鋁后獲得的固體聚合硅酸鋁產品。

圖4 聚合硅酸鋁固體產品

4 結論

自制單滾筒浸液式滾筒干燥機具有構造簡單、操作方便、產品質量穩定等優點。本研究中有關滾筒干燥機的設計內容及實驗方法對同類設備的相關研究以及實際生產應用具有重要的指導意義和參考價值。

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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）