CN104764299B - 带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置及工艺 - Google Patents

Abstract

带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置及工艺，包括蒸发器、设置在所述蒸发器上的换热器、与所述换热器相连接的热源和与所述蒸发器相连接的辅助外部加压装置，固体湿物料进入所述蒸发器内，通过与所述换热器内换热介质间接换热，湿物料中的湿分被蒸发，以气态的形式从固体湿物料中分离，生成二次蒸气，生成的二次蒸气和辅助外部加压装置输入的补充气体混合后从蒸发器内部自下而上溢出。本发明在整个蒸发分离过程中，在蒸发器流化床段内实现了湿物料恒速干燥阶段的高效快速除湿，在蒸发器移动床段内维持了湿物料降速干燥阶段的低能耗深度脱湿，从而使整个蒸发分离过程能量消耗匹配最优化，过程节能、高效。

Description

带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种将湿物料中的湿分分离的带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，并同时涉及一种带外部加压的热动力流态化蒸发分离工艺。

背景技术

工业生产中，有很多种类高湿物料所含湿分需要降低至较低湿分含量，以褐煤为例，无论是燃烧、运输或者是为满足煤化工工艺要求，都经常需要将初水分为30％－60％的褐煤干燥至终水分为3％－5％的褐煤产品。

常规的干燥高湿物料的设备和方法是采用：A)热烟气作为热源直接加热物料，或B)热蒸汽作为热源间接加热物料。前者由于受物料挥发份高，或受进风温度的影响，对于燃点低的物料(例如褐煤)容易起火燃烧，存在安全隐患；后者采用间接加热，蒸汽的热值高，工艺安全可靠。但是，由于大多数湿物料，如褐煤等，其干燥过程分为两个阶段，即恒速干燥阶段和降速干燥阶段。湿物料在恒速干燥阶段采用CN101581533A的技术方案时干燥效率较高；但在降速干燥阶段，由于干燥速率主要取决于水分在物料内部的迁移速率，如果继续CN101581533A的技术方案，由于湿物料的运动状态对其脱水速率影响不大，同时还要将褐煤这类待干燥的物料通过较高能耗维持在“流态化”的状态之下，造成生产单位产品能耗较高的问题。

因此，从干燥方法的安全性、经济性和高效性角度来看，实有必要针对如褐煤这类湿物料的干燥特性规律设计一种新的湿分分离设备和分离方法，实现湿物料在恒速干燥阶段的高效快速除湿，和在降速干燥阶段的低能耗深度脱湿，来降低生产单位产品的能量消耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供的一种节能、高效带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置及工艺。

按照本发明提供的一种带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，包括蒸发器、设置在所述蒸发器上的换热器、与所述换热器相连接的热源和与所述蒸发器相连接的辅助外部加压装置，其特征在于：符合一定粒度要求的固体湿物料进入所述蒸发器内，通过与所述换热器内换热介质间接换热，湿物料中的湿分被蒸发，以气态的形式从固体湿物料中分离，生成二次蒸气，生成的二次蒸气和所述辅助外部加压装置输入的补充气体混合后从所述蒸发器内部自下而上溢出，通过调节所述辅助外部加压装置输入的补充气体参数，如流量、进气压力、进气位置等，来调节某一临界床层高度h_mf，使所述临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点，即湿物料干燥至临界含湿量时对应的床层高度h’接近吻合，二次蒸气和补充气体混合后的气速在该临界床层高度h_mf处大于或等于使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf,以此临界床层高度h_mf为分界点，上部床层为流化床段，湿物料呈流化状态，下部床层为移动床段，床层湿物料呈移动床状态。

按照本发明提供的一种带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置还具有如下附属技术特征：

优选包括蒸发器移动床段床层高度,也即临界床层高度h_mf：

式中m₀—蒸发器总的湿物料处理量，单位为kg/h

m_湿分1--蒸发器流化床段蒸发分离出的湿分量，单位为kg/h

τ—湿物料在蒸发器移动床段内的停留时间，单位为h

ρ_b—物料堆积密度，单位为kg/m³

A_截’—蒸发器移动床段床层横截面积，单位为m²

优选包括蒸发器流化床段操作气速u_操：

u_操＝ku_mf

式中k‐‐‐为工程经验常数；

u_mf‐‐‐最小流化速度，单位为m/s，可通过理论计算或实验得到，

详细计算过程可参见《化学工程师手册》等相关资料介绍。优选包括蒸发器流化床段或移动床段每米床层高度上换热器换热面积A_0换与蒸发器相应床层横截面积A_截存在关系：

A_0换＝aA_截

则蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度h₀上换热器换热面积A_换与蒸发器相应床层横截面积A_截有：

A_换＝aA_截h₀＝a₀A_截

式中h₀--蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度，单位为m

A_换—蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度上的换热器换热面积，单位为m²

A_截—相应床段床层横截面积，单位为m²

a–工程经验常数

a₀–工程经验常数，取值范围5-800。

优选包括为所述蒸发器上的换热器为内置换热器、夹套式换热器、盘管式换热器中的一种或多种组合，当带有内置换热器时，内置换热器至少一组。

优选包括为所述蒸发器下部连接通有饱和或过热蒸汽或氮气或湿物料湿分气体或惰性气体的管路，用于系统开停车、紧急情况处理等工况，或用于调节蒸发器内部温度来防止物料变性等工艺需要。

优选包括为所述蒸发器还连接有除尘设备，所述除尘设备为旋风除尘器、布袋除尘器、静电除尘器、湿式除尘器中的一种或多种组合。

优选包括为所述加压装置可以将外部补充气体加压后输入至所述蒸发器中，和/或与除尘设备相连接，将从所述除尘设备中排出的补充蒸气加压后输入至所述蒸发器中。

按照本发明提供的一种带外部加压的热动力流态化蒸发分离工艺，包括如下步骤

步骤A，待干燥的湿物料破碎成一定粒度的固体颗粒，然后通过进料器进入蒸发器中；

步骤B，湿物料与蒸发器上的换热器内换热介质间接换热，湿物料中的湿分被蒸发，以气态的形式从固体湿物料中分离，生成二次蒸气，生成的二次蒸气和辅助外部加压装置输入的补充气体混合后从蒸发器内部自下而上溢出，通过调节所述辅助外部加压装置输入的补充气体参数，如流量、进气压力、进气位置等，来调节某一临界床层高度h_mf，使所述临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点对应的床层高度h’接近吻合，二次蒸气和补充气体混合后气速在该临界床层高度h_mf处大于或等于使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf,以此临界床层高度h_mf为分界点，上部床层为流化床段，湿物料呈流化状态，下部床层为移动床段，床层湿物料呈移动床状态；

步骤C，湿物料经过形成的流化床段和移动床段被蒸发分离至符合要求湿分含量的产品；

步骤D，将产品由卸料器排出蒸发器。

按照本发明提供的一种带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置还具有如下附属技术特征：

优选包括蒸发器移动床段床层高度,也即临界床层高度h_mf：

式中m₀—蒸发器总的湿物料处理量，单位为kg/h

m_湿分1--蒸发器流化床段蒸发分离出的湿分量，单位为kg/h

τ—湿物料在蒸发器移动床段内的停留时间，单位为h

ρ_b—物料堆积密度，单位为kg/m³

A_截’—蒸发器移动床段床层横截面积，单位为m²

优选包括蒸发器流化床段操作气速u_操：

u_操＝ku_mf

式中k‐‐‐为工程经验常数；

u_mf‐‐‐最小流化速度，单位为m/s，可通过理论计算或实验得到，

详细计算过程可参见《化学工程师手册》等相关资料介绍。优选包括蒸发器流化床段或移动床段每米床层高度上换热器换热面积A_0换与蒸发器相应床层横截面积A_截存在关系：

A_0换＝aA_截

则蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度h₀上换热器换热面积A_换与蒸发器相应床层横截面积A_截有：

A_换＝aA_截h₀＝a₀A_截

式中h₀--蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度,单位为m

A_换—蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度上的换热器换热面积，单位为m²

A_截—相应床段床层横截面积，单位为m²

a–工程经验常数

a₀–工程经验常数，取值范围5-800。

按照本发明提供的一种带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置及工艺与现有技术相比具有如下优点：本发明提供的分离装置在整个蒸发分离过程中，系统通过传热、传质而发生相变，蒸发分离出湿物料中的湿分形成二次蒸气，自身产生具有一定压力梯度的推动力，使蒸发分离出的气体自下而上穿过移动床段床层物料，随着床层高度的增加，蒸发分离出的气体量不断增多，产生的推动力相应不断变大，同时通过辅助外部加压装置向蒸发器中输入补充气体，来增加气体在蒸发器单位横截面积中的流速，生成的二次蒸气和辅助外部加压装置输入的补充气体混合后从蒸发器内部自下而上溢出，由于可根据湿物料的特性通过调节所述辅助外部加压装置输入的补充气体参数，如流量、进气压力、进气位置等，来调节某一临界床层高度h_mf，使所述临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点，即湿物料干燥至临界含水量时对应的床层高度h’接近吻合，二次蒸气和补充气体混合后气速在该临界床层高度h_mf处大于或等于使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf,从而使上述临界床层高度h_mf以上的床层物料流态化，在蒸发器流化床段大大加强了床层内湿物料与换热器间的传热及床层内的传质系数，在蒸发器流化床段内实现了湿物料恒速干燥阶段的高效快速除湿，在蒸发器移动床段内维持了湿物料降速干燥阶段的低能耗深度脱湿，从而使整个蒸发分离过程能量消耗匹配最优化，过程节能、高效。

附图说明

图1是本发明的开路系统结构示意图。

图2是本发明的闭路循环系统结构示意图。

图3是本发明的床层高度示意图。

图4是本发明的某种湿物料恒定干燥条件下干燥速率曲线图。

具体实施方式

在详细说明本发明之前，首先对湿物料干燥特性规律予以说明，以湿物料所含湿分是水为例，从干燥机理的角度分析，湿物料中的水分可分为平衡水分与自由水分两类。干燥速率曲线的形式因湿物料的种类不同而异，在恒定干燥条件下，对于有孔隙结构的湿物料，干燥过程一般分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段，如附图4某种湿物料干燥速率曲线所示，附图中R为干燥速率；X为干基含水量；X_C为临界含水量；X*为平衡含水量；A-B段为湿物料不稳定的加热阶段；B-C段为恒速干燥阶段；C-D-E段为降速干燥阶段；C-D段为第一降速阶段；D-E段为第二降速阶段。

在恒速干燥阶段，干燥速度主要取决于干燥介质的性质(如空气的湿度、温度)与湿物料相对流动的速度和干燥介质与湿物料的接触方式，与物料性质和水分在物料内部的存在形式及运动状况无关。在此干燥阶段，在维持湿物料流态化的状态下可以快速、高效地实现流体间的热量、质量传递，有利于湿物料中非结合水分及部分内部水分的快速蒸发分离。

在降速干燥阶段，水分由物料内部向表面迁移的速率低于物料表面的汽化速率，润湿表面不断减少，随着物料温度逐渐上升，其含水量不断减少，水分在内部的迁移速率逐渐下降，干燥速率越来越低，干燥速率主要取决于水分在物料内部的迁移速率，若通过相对高的能耗来维持物料的流态化，对物料干燥速率的影响不大，故可使物料在移动床段内因自身重力下移过程中继续与蒸发器上的换热器内换热介质间接换热，直至水分被蒸发降低到产品要求的水分含量后排出蒸发器。

由于在恒速干燥阶段，蒸发器中的流化床段和移动床段相比，换热与床层间的换热系数差别5-10倍，为提高整个系统的传热、传质速率来快速、高效蒸发分离出湿物料中所含水分，应尽可能在恒速干燥阶段使用流态化技术将湿物料所含水分蒸发分离接近至临界含水量，然后进入降速干燥阶段，在移动床段内继续将湿物料中水分蒸发分离至要求的水分含量产品。

为了满足上述的最优蒸发分离要求，又能尽可能地降低能耗，本发明给出了如下的技术方案。

参见图1或图2，在本发明提供的一种带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置的实施例，包括蒸发器1、设置在所述蒸发器1上的换热器3、与所述换热器3相连接的热源和与所述蒸发器1相连接的辅助外部加压装置5，以湿物料所含湿分是水为例，符合一定粒度要求的固体湿物料进入所述蒸发器1内，通过与所述换热器3内换热介质间接换热，湿物料中的水分被蒸发，以气态的形式从固体湿物料中分离，生成二次蒸汽，生成的二次蒸汽和所述辅助外部加压装置5输入的补充气体混合后从所述蒸发器1内部自下而上溢出，通过调节所述辅助外部加压装置5输入的补充气体参数，如流量、进气压力、进气位置等，来调节某一临界床层高度h_mf，使所述临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点对应的床层高度h’接近吻合，二次蒸汽和补充气体混合后气速在该临界床层高度h_mf处大于或等于使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf,以此临界床层高度h_mf为分界点，上部床层为流化床段，湿物料呈流化状态，下部床层为移动床段，床层湿物料呈移动床状态。所述流化床段的最上部床层处气体的流速最高，可以保证刚加入的比重较大的湿物料流态化，刚加入的湿物料与上部呈流态化的床层物料均匀混合并呈流态化，传热、传质系数高，被蒸发分离出的二次蒸汽继续作为流化介质来流化上部床层湿物料，降低了能耗。湿物料在移动床段内自上而下移动，下移过程中继续与移动床段上的换热器3内换热介质实现间接换热，湿物料中水分继续被蒸发分离，直至达到合格产品要求的水分含量后排出蒸发器1，换热介质经换热后排出换热器3，系统生成的二次蒸汽由蒸发器1上部排出。

本发明提供的上述装置实现的是依靠自生热动力，在蒸发器1内形成流化床段和移动床段，并辅助以外部加压来调节临界床层高度的热动力流态化蒸发分离技术。本发明所述自生热动力是指，系统自身通过传热、传质而发生相变产生的具有一定压力梯度的推动力。湿物料中所含待蒸发分离的湿分可以是水、甲醇、乙醇、有机或无机酸等，本发明统称为湿物料，其为颗粒状。以湿物料所含湿分是水为例，水分经换热后，以气态的形式从固体湿物料中分离，生成二次蒸汽，湿物料中的水分含量降低，蒸发出的二次蒸汽在蒸发器内穿过湿物料颗粒间空隙自下而上溢出，穿过蒸发器单位横截面积的二次蒸汽的汽体量随湿物料床层高度的上升而不断增多，当到达某一临界床层高度h_mf时，穿过蒸发器单位横截面积的汽体流速达到一定值，汽体对上部颗粒的曳力增加到与颗粒的净重力相等，颗粒开始浮动，上层湿物料达到起始流化状态，此时对应的汽体流速为使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf,如附图3中图(1)所示，以此临界床层高度h_mf为分界点，上部床层为流化床段，湿物料呈流化状态，且最上部床层处汽体空床流速最高，可以使刚加入的比重较大的湿物料流态化，刚加入的湿物料与上部呈流态化的床层湿物料均匀混合并被流态化，传热、传质系数高，被蒸发分离出的汽体继续作为流化介质来流化上部床层湿物料，不需要消耗电力来提供流化介质气体，降低了能耗；下部床层为移动床段，床层湿物料呈移动床状态，湿物料在移动床段下移过程中继续与蒸发器移动床段上的换热器内换热介质实现间接换热，湿物料中水分继续被蒸发分离，直至湿物料水分被蒸发降低到合格产品要求的水分含量。

如附图3中图(1)所示，湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点，即湿物料被蒸发分离至临界含水量时对应的床层高度为h’，由于上述的依靠自生热动力，在蒸发器内形成的流化床段(h‐h_mf)占整个床层高度的比例较小，设备高度高，投资大，同时处在恒速干燥阶段的移动床段(对应附图3图(1)中h_mf‐‐h’床段)上的换热器与床层间的传热系数及床层内传质系数较低，为有利于维持湿物料在整个恒速干燥阶段使用流态化技术以达到快速传热、传质速率来高效蒸发分离湿物料中的水分，本发明辅助以外部加压动力，如附图1或附图2所示，除在蒸发器的流化床段和移动床段内通过发生相变生成二次蒸汽来产生具有一定压力梯度的推动力外，可以根据湿物料特性在蒸发器的任意位置设置补充气体加压进风来增加气体在蒸发器单位横截面积中的流速，从而可根据湿物料的特性来调节上述临界床层高度h_mf的位置，使临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点，即物料干燥至临界含水量时对应的床层高度h’接近吻合。此时，如附图3中图(2)或图(3)所示，二次蒸汽和补充气体混合后的气速在该临界床层高度h_mf处大于或等于使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf。

在整个蒸发分离过程中，系统通过传热、传质而发生相变，蒸发分离出湿物料中的水分形成二次蒸汽，产生具有一定压力梯度的推动力，使蒸发分离出的汽体自下而上穿过移动段床层物料，随着床层高度的上升，蒸发分离出的汽体量不断增多，产生的推动力相应不断变大，同时通过辅助外部加压装置5向蒸发器1中输入补充气体，来增加混合后气体在蒸发器1单位横截面积中的流速，生成的二次蒸汽和辅助外部加压装置5输入的补充气体混合后从蒸发器1内部自下而上溢出，由于可根据湿物料的特性通过调节所述辅助外部加压装置输入的补充气体参数，如流量、进气压力、进气位置等，来调节所述临界床层高度h_mf，使临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点，即湿物料被蒸发分离至临界含水量时对应的床层高度h’接近吻合，二次蒸汽和补充气体混合后气速在该临界床层高度h_mf处大于或等于使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf,从而使上述临界床层高度h_mf以上的床层湿物料流态化，在蒸发器流化床段大大加强了床层内湿物料与换热器间的传热及床层内的传质系数，在蒸发器流化床段内实现了湿物料恒速干燥阶段的高效快速除水，在蒸发器移动床段内维持了湿物料降速干燥阶段的低能耗深度脱水，从而使整个蒸发分离过程能量消耗匹配最优化，过程节能、高效。

在本发明给出的上述实施例中，所述蒸发器的上部设置有进料器2，下部设置有出料器6，从而方便湿物料的进出。当然，蒸发器1也可以连接有其他的设备和部件，这些结构都是按照需要随意调整，属于较为成熟的技术，本发明对这些外围设备不再赘述。而本发明中的加压设备5可以为压缩机、离心风机、高压循环泵等。本发明的主要发明点是通过对湿物料的加热使其在蒸发器中形成流化床段和移动床段，通过加压设备5将补充气体输入到蒸发器中，调节临界床层高度，使其与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点对应的床层高度接近吻合，不仅能够降低能源损耗，而且还提高了蒸发分离效率。

在本发明中，各公式中的参数是一致的，在以下各实施例中参数均采用下述定义，不再分别描述。所有参数定义为：

m₀—蒸发器总的湿物料处理量，单位为kg/h

m_湿分1--蒸发器流化床段蒸发分离出的湿分量，单位为kg/h

m_湿分2--蒸发器移动床段蒸发分离出的湿分量，单位为kg/h

ω₁--湿物料初始湿分含量(湿基)，单位为kg/kg湿料

ω_c--湿物料临界含湿量(湿基)，单位为kg/kg湿料

ω₂--湿物料终湿分含量(湿基)，单位为kg/kg湿料

Q_流--输入蒸发器流化床段的总热量，单位为kcal/h

Q’_流--蒸发器流化床段换热器提供的热量，单位为kcal/h

Q₁—蒸发器流化床段加热物料需要的热量，单位为kcal/h

Q₂—蒸发器流化床段蒸发分离出湿分需要的热量，单位为kcal/h

Q_损—蒸发器流化床段热损失，单位为kcal/h

K—蒸发器流化床段换热器总换热系数，取工程经验值，单位为kcal/(m²*K*h)

A_0换--蒸发器每米床层高度上换热器换热面积，单位为m²

A_换—蒸发器某段床层高度上换热器换热面积，单位为m²

Δt—蒸发器流化床段平均温差，单位为K

A_截—蒸发器流化床段或移动床段床层横截面积，单位为m²

a–工程经验常数

a₀–工程经验常数，取值范围5-800

k‐‐‐为工程经验常数

u_mf‐‐‐最小流化速度，单位为m/s

h₀--蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度,单位为m

h’--湿物料干燥至临界含湿量时对应的床层高度，单位为m

h_mf—蒸发器移动床段床层高度，也即临界床层高度，单位为m

τ—湿物料在蒸发器移动床段内的停留时间，单位为h

ρ_b—物料堆积密度，单位为kg/m³

h”—蒸发器补充气体进风处布风装置对应的床层高度，单位为m

h--蒸发器总床层高度，m

u--气体穿过蒸发器空床单位横截面积速度，m/s

u₁--蒸发器底部气体穿过蒸发器空床单位截面积速度，m/s

本发明中临界床层高度hmf是由最小流化速度umf来确定的，在蒸发器内，系统自身通过相变生成的二次蒸气和辅助外部加压装置输入的补充气体混合后，当混合气体的流速达到或在补充气体进气位置处大于最小流化速度umf时对应的床层高度即为临界床层高度hmf。因此，本发明的流化床段和移动床段的分割位置通过上述公式来确定，根据湿物料的特性，通过调节上述参数，能够方便地实现流化床段和移动床段的设置，使临界床层高度hmf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点对应的床层高度h’接近吻合。所述的“接近吻合”是指临界床层高度与干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点对应的床层高度可以是恰好吻合，也可以存在一定的上下偏移，偏移距离可以在0-60％移动床段床层高度范围之内。上述公式中的各个参数本领域普通技术人员根据设计要求和从业经验来确定，参数确定后，代入上述公式中，从而能够方便地验证设计是否合理，工艺是否完善。若根据计算的结果，达不到设计要求或效果不好，则可以调节相应的参数，以满足要求。

在本发明给出的上述实施例中，蒸发器移动床段床层高度，也即临界床层高度hmf：

本发明通过该公式可以算得蒸发器移动床段的床层高度，从而计算是否能够满足流化的需要。

在本发明给出的上述实施例中，蒸发器流化床段操作气速u_操：

u_操＝ku_mf

式中，最小流化速度u_mf可通过理论计算或实验得到，详细计算过程可参见《化学工程师手册》等相关资料介绍；k为工程经验常数。

在本发明给出的上述实施例中，蒸发器流化床段或移动床段每米床层高度上换热器换热面积A_0换与蒸发器相应床层横截面积A_截存在关系：

A_0换＝aA_截

则蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度h₀上换热器换热面积A_换与蒸发器相应床层横截面积A_截有：

A_换＝aA_截h₀＝a₀A_截

在本发明给出的上述实施例中，所述蒸发器1还连接有除尘设备4，所述除尘设备4为旋风除尘器、布袋除尘器、静电除尘器、湿式除尘器中的一种或多种组合。本发明中蒸发器总高度：≤150m；湿物料的粒度：d_p≤60mm；流化速度范围：0.01--50m/s；热源：可以是饱和或过热蒸汽、有机溶剂蒸气、烟气、导热油、热水、熔盐等；热源压力：P1≤100Mpa；蒸发器1上的换热器3：内置换热器、夹套式换热器、盘管式换热器中的一种或多种组合，当带有内置换热器时，内置换热器至少一组；蒸发器1上的换热器中换热介质流股的流向，可由本领域普通技术人员根据设计要求和从业经验来任意确定；输入换热器3换热介质的热源支路上，本领域普通技术人员可根据设计要求和从业经验来确定是否带有调节热源流量、压力或温度等参数的装置。

在本发明给出的上述实施例中，所述蒸发器1下部连接通有可以是饱和或过热蒸汽、氮气、湿物料湿分气体，或惰性气体的管路，用于系统开停车、紧急情况处理等工况，或用于调节蒸发器内部温度防止物料变性等工艺需要。

在本发明给出的上述实施例中，系统可以是如附图1所示的开路系统结构，所述加压装置5直接与外部补充气体相连通，将可以是饱和或过热蒸汽、氮气、湿物料湿分气体，或惰性气体的补充气体输入到所述蒸发器1中，二次蒸气经除尘设备4除尘排出后放空或它用；系统也可以是如附图2所示的闭路循环系统结构，所述加压装置5与除尘设备4相连接，将从所述除尘设备4中排出的补充蒸气加压后输入至所述蒸发器1中，多余的二次蒸气由除尘设备排出后放空或它用。补充气体进风位置可以根据工艺要求设在蒸发器1的任意位置，如蒸发器1上部、中部、底部、内置换热器位置等；补充气体进风管线可以是一路，也可以是多路并联，管线上带有调节流量、压力等参数的装置。如上所述，通过在蒸发器1上设置补充气体进风来增加气体在蒸发器1单位横截面积中的流速，从而可根据湿物料的特性来调节临界床层高度h_mf的位置，使临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点，即物料干燥至临界含水量时对应的床层高度h’接近吻合，故补充气体进风处布风装置对应的床层高度h”优选小于或等于物料干燥至临界含水量时对应的床层高度h’，也可以根据工艺要求设在蒸发器1的任意位置。

补充气体量W大小对床层高度的影响分以下3种情况：

(1)当W＝0时，床层高度h最大；

(2)当W补充气体量对应的蒸发器单位横截面积气体流速0<u₀<u_mf时，床层高度及补充气体进风位置可根据工艺要求调整；

(3)当W补充气体量对应的蒸发器单位横截面积气体流速u₀>u_mf时，床层高度可以为任意高度。

实施例，假定带外部循环加压动力的流态化蒸发分离器要蒸发分离出某种颗粒状湿物料中的水分，处理的湿物料量m₀为300kg/h，初始水分含量ω₁为50％(湿基)，临界含水量ω_c为15％，处理后要求的终水分含量ω₂为9％(湿基)，蒸发器内操作压力为常压，操作温度t₂为110℃，湿物料5的初始温度θ₁为25℃，产品物料比热c_m为0.3kcal/(kg·K)，堆积密度ρ_b为600kg/m₃，蒸发器内置换热器中为0.5MPa(G)的饱和蒸汽热源，水的汽化潜热r₀为2257.6kJ/kg,水分的比热容c_w约为4.187kJ/(kg水·℃)，水蒸汽比热容c_v约为1.88kJ/(kg水蒸汽·℃)，蒸发器上的内置换热器中换热介质与湿物料进行间接换热来蒸发分离湿物料中水分，湿物料由进料器送入蒸发分离器，自上而下依次通过蒸发分离器的流化床段和移动床段，达到合格水分产品时由卸料器排出蒸发分离器。

通过调节设备及工艺参数，可使蒸发分离器的流化床段将湿物料中水分蒸发分离接近至临界含水量ω_c，此时满足湿物料被蒸发器蒸发分离至临界含水量ω_c时对应的床层高度h’与蒸发分离器流化床段和移动床段的分界点，即在蒸发分离器床段内操作气速u15_操达到或在补充循环进风位置处大于最小流化速度u_mf时对应的临界床层高度h_mf接近吻合，以下通过计算得到上述二者吻合时的临界床层高度，也即蒸发分离器移动床段的床层高度h_mf。蒸发分离过程中，蒸发器流化床段内湿物料蒸发分离出的水分量：

蒸发器流化床段内热量平衡：

Q_流＝Q_流’

其中，蒸发器流化床段内加热物料需要的热量：

Q₁＝(m₀-m_水1)c_m△t＝(300-123.53)×0.3×(110-25)＝4500kcal/h

蒸发器流化床段内蒸发水分需要的热量：

Q₂＝m_水1(r₀+1.88t₂-4.187θ₁)

＝123.53×(2257.6+1.88×110-4.187×25)/4.187

＝69619kcal/h

Q_流＝Q₁+Q₂+Q_损＝(Q₁+Q₂)(1+10％)＝(4500+69619)×1.1＝81531kcal/h

蒸发器流化床段内置换热器提供的总热量：

Q′_流＝KA_换Δt

内置换热器总换热系数K取该工况下的工程经验值为150kcal/(m²·K·h)；

0.5MPa(G)的饱和蒸汽温度为159℃，密度为3.1686kg/m³，根据蒸发器上的换热器换热介质流股与湿物料间的间接换热工况，经计算得到换热流股间的平均温度差Δt为60K，则有蒸发器流化床段内置换热器换热面积：

依据工程经验，蒸发器流化床段上换热器换热面积A_换与相应床段横截面积A_截存在关系：

A_换＝a₀A_截

取a0＝50，则有蒸发器流化床段横截面积：

由于操作气速u_操即使在超过床层的所有颗粒带出速度的条件下，因系统配有外部除尘装置来捕集被夹带出的颗粒使之返回床层或收集它用，因此系统可以通过辅助的外部循环加压装置来补充蒸发器床层内流通的蒸汽量，以较高的气速来提高生产能力。依据工程经验，假定对于该种规格种类湿物料，该带外部循环加压动力的热动力流态化蒸发器流化床段内取操作气速u_操＝0.8m/s，则有蒸发器流化床段床层内对应流通的蒸汽量V_汽：

V_汽＝u_操A_截＝0.8×0.136×3600＝392m³/h

蒸发器移动床段蒸发分离出的水分量：

假定取该蒸发器移动床段横截面积与流化床段横截面积相同：

A′_截＝A_截＝0.136m²

湿物料在蒸发器移动床段内的停留时间τ与干燥速率密切相关，由于干燥的复杂性，干燥速率通常是在恒定干燥条件下测得的，可先由实验获得与生产条件相仿的干燥速度曲线，再通过图解法或近似计算得到湿物料在蒸发器移动床段内的停留时间τ，假定该湿物料在蒸发器移动床段内的停留时间τ为1h。

则有该蒸发器流化床段内满足要求操作气速u_操，且满足h’与h_mf二者吻合时对应的临界床层高度，也即蒸发分离器移动床段的床层高度：

按照本发明提供的一种带外部加压的热动力流态化蒸发分离工艺的实施例，包括如下步骤

步骤A，待干燥的湿物料粉碎成一定粒度的固体颗粒，然后通过进料器进入蒸发器中；

步骤B，湿物料与蒸发器上的换热器内换热介质间接换热，湿物料中的湿分被蒸发，以气态的形式从固体湿物料中分离，生成二次蒸气，生成的二次蒸气和辅助外部加压装置输入的补充气体混合后从蒸发器内部自下而上溢出，根据湿物料的特性通过调节辅助外部加压装置输入的补充气体参数，如流量、进气压力、进气位置等，来调节某一临界床层高度h_mf，使所述临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点对应的床层高度h’接近吻合，二次蒸气和补充气体混合后气速在该临界床层高度h_mf处大于或等于使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf,以此临界床层高度h_mf为分界点，上部床层为流化床段，湿物料呈流化状态，下部床层为移动床段，床层湿物料呈移动床状态；

步骤C，湿物料经过流化床段和移动床段被蒸发分离至符合要求湿分含量的产品；

步骤D，将产品由卸料器排出蒸发器。

本实施例所给出的工艺实施例与装置的实施例相同，此处不再赘述。按照上述公式，可以方便的验证工艺是否合理，从而确定分离工艺。

Claims (12)

1.带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，包括蒸发器、设置在所述蒸发器上的换热器、与所述换热器相连接的热源和与所述蒸发器相连接的辅助外部加压装置，其特征在于：符合一定粒度要求的固体湿物料进入所述蒸发器内，通过与所述换热器内换热介质间接换热，湿物料中的湿分被蒸发，以气态的形式从固体湿物料中分离，生成二次蒸气，生成的二次蒸气和所述辅助外部加压装置输入的补充气体混合后从所述蒸发器内部自下而上溢出，根据湿物料的特性通过调节辅助外部加压装置输入的补充气体参数来调节某一临界床层高度h_mf，使所述临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点对应的床层高度h’接近吻合，二次蒸气和补充气体混合后气速在该临界床层高度h_mf处大于或等于使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf,以此临界床层高度h_mf为分界点，上部床层为流化床段，湿物料呈流化状态，下部床层为移动床段，床层湿物料呈移动床状态。

2.如权利要求1所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，其特征在于：蒸发器移动床段床层高度，也即临界床层高度h_mf：

式中m₀—蒸发器总的湿物料处理量，单位为kg/h

m_湿分1--蒸发器流化床段蒸发分离出的湿分量，单位为kg/h

τ—湿物料在蒸发器移动床段内的停留时间,单位为h

ρ_b—物料堆积密度，单位为kg/m³

A_截’—蒸发器移动床段床层横截面积，单位为m²。

3.如权利要求1所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，其特征在于：蒸发器流化床段操作气速u_操：

u_操＝ku_mf

式中k‐‐‐为工程经验常数；

u_mf‐‐‐最小流化速度，单位为m/s，可通过理论计算或实验得到。

4.如权利要求1所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，其特征在于：蒸发器流化床段或移动床段每米床层高度上换热器换热面积A_0换与蒸发器相应床层横截面积A_截存在关系：

A_0换＝aA_截

则蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度h₀上换热器换热面积A_换与蒸发器相应床层横截面积A_截有：

A_换＝aA_截h₀＝a₀A_截

式中h₀--蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度,单位为m

A_换—蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度上的换热器换热面积，单位为m²

A_截—相应床段床层横截面积，单位为m²

a–工程经验常数

a₀–工程经验常数，取值范围5-800。

5.如权利要求1所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，其特征在于：所述蒸发器上的换热器为内置换热器、夹套式换热器、盘管式换热器中的一种或多种组合，当带有所述内置换热器时，所述内置换热器至少一组。

6.如权利要求1所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，其特征在于：所述蒸发器下部还连接通有饱和或过热蒸汽或氮气或湿物料湿分气体或惰性气体的管路。

7.如权利要求1所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，其特征在于：所述蒸发器还连接有除尘设备，所述除尘设备为旋风除尘器、布袋除尘器、静电除尘器、湿式除尘器中的一种或多种组合。

8.如权利要求7所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离装置，其特征在于：所述加压装置可以将外部补充气体加压后输入至所述蒸发器中，和/或与所述除尘设备相连接，将从所述除尘设备中排出的补充蒸气加压后输入至所述蒸发器中。

9.一种带外部加压的热动力流态化蒸发分离工艺，其特征在于：包括如下步骤

步骤A，待干燥的湿物料粉碎成一定粒度的固体颗粒，然后通过进料器进入蒸发器中；

步骤B，湿物料与蒸发器上的换热器内换热介质间接换热，湿物料中的湿分被蒸发，以气态的形式从固体湿物料中分离，生成二次蒸气，生成的二次蒸气和辅助外部加压装置输入的补充气体混合后从蒸发器内部自下而上溢出，根据湿物料的特性通过调节辅助外部加压装置输入的补充气体参数，来调节某一临界床层高度h_mf，使所述临界床层高度h_mf与湿物料在干燥过程中恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点对应的床层高度h’接近吻合，二次蒸气和补充气体混合后气速在该临界床层高度h_mf处大于或等于使上部床层湿物料流态化的最小流化速度u_mf,以此临界床层高度h_mf为分界点，上部床层为流化床段，湿物料呈流化状态，下部床层为移动床段，床层湿物料呈移动床状态；

步骤C，湿物料经过流化床段和移动床段被蒸发分离至符合要求湿分含量的产品；

步骤D，将产品由卸料器排出蒸发器。

10.如权利要求9所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离工艺，其特征在于：蒸发器移动床段床层高度，也即临界床层高度h_mf：

式中m₀—蒸发器总的湿物料处理量，单位为kg/h

m_湿分1--蒸发器流化床段蒸发分离出的湿分量，单位为kg/h

τ—湿物料在蒸发器移动床段内的停留时间，单位为h

ρ_b—物料堆积密度，单位为kg/m³

A_截’—蒸发器移动床段床层横截面积，单位为m²。

11.如权利要求9所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离工艺，其特征在于：蒸发器流化床段操作气速u_操：

u_操＝ku_mf

式中k‐‐‐为工程经验常数；

u_mf‐‐‐最小流化速度，单位为m/s，可通过理论计算或实验得到。

12.如权利要求9所述的带外部加压的热动力流态化蒸发分离工艺，其特征在于：蒸发器流化床段或移动床段每米床层高度上换热器换热面积A_0换与蒸发器相应床层横截面积A_截存在关系：

A_0换＝aA_截

则蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度h₀上换热器换热面积A_换与蒸发器相应床层横截面积A_截有：

A_换＝aA_截h₀＝a₀A_截

式中h₀--蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度,单位为m

A_换—蒸发器流化床段或移动床段某段床层高度上的换热器换热面积，单位为m²

A_截—相应床段床层横截面积，单位为m²

a–工程经验常数

a₀–工程经验常数，取值范围5-800。