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一、前言
近年來,中國的染料工業(yè)發(fā)展^迅速,一躍成為世界染料生產(chǎn)第一大國。據(jù)估計,2001年,我國的染料產(chǎn)量約為40萬t,占世界染料需求量的一半左右,已經(jīng)成為世界染料生產(chǎn)的重要基地。
據(jù)國家統(tǒng)計局^近公布的數(shù)據(jù)表明,2001年全國紡織工業(yè)產(chǎn)值比上一年均有不同程度的增加。加入WTO后,給染料生產(chǎn)帶來了前所未有的機遇。從此后我國成為世貿(mào)組織正式成員國,公平合理地參與世界貿(mào)易競爭。據(jù)推測,這將增加我國紡織品出口額,帶動了染料的消耗。另一方面,隨著我國對外貿(mào)易政策與世界接軌,也推動了染料的出口。近年來,世界染料工業(yè)發(fā)達的國家在逐年減少染料的生產(chǎn)量,客觀上也給中國讓出了一定的市場份額。
眾所周知,染料的生產(chǎn)需要各類干燥設備。染料產(chǎn)量的擴大必然需要大量的干燥設備。所以,干燥設備在染料工業(yè)的應用前景仍然^樂觀。許多干燥機在開發(fā)成功后,都較早地在染料行業(yè)應用,也就是說,染料行業(yè)所需要干燥設備型式和規(guī)格都是比較多的。正因為如此,這一領域吸引了眾多干燥設備廠。20世紀50年代的耙式干燥機要從前蘇聯(lián)引進,70年代的噴霧干燥機要從日本、丹麥進口,80年代的閃蒸干燥機(旋轉快速干燥機)要從丹麥進口,90年代槳葉干燥機要從日本引進,今天,所有這些干燥機的設計技術我國基本掌握了,目前這些機型都已國產(chǎn)化。可以這樣說,在染料工業(yè)使用的干燥機,國外有的機型我們也都能生產(chǎn)。經(jīng)過廣大工程技術人員的努力,我國大量從國外引進干燥設備的年代已經(jīng)過去了。
同時,干燥技術的進步也有力地推動了染料商品化技術的發(fā)展。新型干燥機的出現(xiàn),使染料的劑型、溶解度、潤濕速度等許多應用性能都有明顯提高,干燥技術的應用對染料行業(yè)的貢獻是巨大的。
目前我國染料工業(yè)所使用的干燥設備有二類：第一類是早年從國外引進的干燥設備,第二類是國內(nèi)自行設計的干燥裝置和早年遺留下來較落后的干燥裝置。較老染料廠干燥裝置技術水平差距較大,既有較先進的設備也有較落后的。而新建的染料廠設備一般都比較好。從發(fā)展角度看,由于我國加入WTO后,紡織品的出口量會明顯增加,染料的產(chǎn)量也不斷增加。另外,染料生產(chǎn)廠家在逐年減少,但產(chǎn)量越來越大,這說明單品種染料的生產(chǎn)規(guī)模在擴大,從而導致干燥設備也向大型化方向發(fā)展。以噴霧干燥為例,十年前多數(shù)蒸發(fā)水量為200kg/h以下,干燥機直徑不超過3m,而現(xiàn)在,設備直徑可達6m以上,蒸發(fā)水量在1000kg/h左右。閃蒸干燥機直徑也達到1.4m,蒸發(fā)水量在800kg/h以上。染料單一品種壟斷生產(chǎn)的形成,生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,客觀上也推動了干燥設備向大型化方向發(fā)展。
近年來,人們把開發(fā)干燥機的重點向開發(fā)組合干燥機的方向發(fā)展,力圖把現(xiàn)有的干燥機進行優(yōu)化組合,發(fā)揮每種干燥機的優(yōu)點。組合多級干燥機與單級干燥機相比有如下優(yōu)勢：
①組合干燥機更容易節(jié)約能源；
②組合干燥機更容易保證產(chǎn)品質(zhì)量,干燥過程可以同時進行分級、粉碎等操作,對熱敏性物料干燥后可進行及時冷卻；
③操作更加靈活,可以根據(jù)物料干燥的特定規(guī)律對多種干燥機進行科學組合。
干燥機的組合大致有如下幾個方面：
①組合各種干燥方法的組合式干燥機,如噴霧—流化干燥機等；
②結合各種傳熱過程的組合式干燥機,如薄膜—流化床干燥機等；
③多級同類型干燥機的組合,如多級氣流干燥機等。
但是,干燥設備制造中所出現(xiàn)的問題也比較多,主要是設備制造廠家對染料的加工工藝不了解所致。染料干燥是工藝性很強的操作過程,原染料品種繁多,商品指標復雜。近年來,染料干燥的難度越來越大。例如,過去商品分散染料強度大多數(shù)要求100%,現(xiàn)在則要求200%,這就意味著助劑的加入量在減少而染料的耐熱性能也隨之下降。如果加工配方質(zhì)量不佳,干燥的難度會更大。
干燥設備廠往往需要染料廠提供被干燥物料的理化指標,如果染料廠無相應經(jīng)驗,所提供的參數(shù)很難保證是^恰當?shù)摹＿@給干燥機的設計、制造帶來麻煩。作者見到過一些不成功的例子,表面上看是設備問題,實質(zhì)是設計者對染料干燥過程的工藝參數(shù)不了解所致,應加強對干燥工藝的研究。
二、染料干燥技術發(fā)展簡述
干燥在染料生產(chǎn)中是^重要的單元操作,因為干燥在這里不僅是簡單的固液分離過程,更重要的是染料生產(chǎn)過程的^后一道工序,產(chǎn)品的質(zhì)量、劑型在很多情況下取決于干燥技術和設備的綜合運用水平。從經(jīng)濟角度考慮,干燥機價格昂貴,工程投資較大。另一方面,干燥又是高耗能過程,熱效率在15%～80%這樣大的范圍內(nèi)波動,而設備的運轉費用與干燥機的設計選型有非常密切的關系,所以染料廠的決策者對此歷來都^重視。染料的品種有許多,經(jīng)常生產(chǎn)的也有450余種,它們的理化性質(zhì)又有很大差異,甚至同一品種不同的生產(chǎn)工藝、同一品種不同的產(chǎn)品要求,導致干燥條件可能都有區(qū)別,所以就造成了干燥的復雜性。由此可見,染料的干燥較其他產(chǎn)品具有更高的技術性。
三、染料干燥的特點
染料干燥是一個熱過程,屬于化工單元操作,這一點與其他物料基本一樣,并沒有大的區(qū)別,但染料的干燥又有它的特殊性：
①染料是精細化工產(chǎn)品,物料有熱敏性,對操作溫度^敏感,有些物料干燥溫度范圍甚至不能超過±；5℃,否則就會發(fā)生質(zhì)量問題,所以對操作條件要求嚴格。
②前面已經(jīng)提到,經(jīng)常生產(chǎn)的染料品種多達幾百種,加上染料中間體就更難統(tǒng)計。生產(chǎn)規(guī)模小,年生產(chǎn)量在200～300t在絕大多數(shù),所以生產(chǎn)成本相對要高一些。
③更換品種頻煩,現(xiàn)在許多染料廠一臺設備在一年內(nèi)要多次更換品種。大家知道,我國的染料都有嚴格的質(zhì)量標準,經(jīng)常更換品種相互交叉污染很難避免。每當更換品種要經(jīng)過反復沖洗,有時甚至要重新更換管路或一些設備,所以干燥設備的設計,從流程到結構都要考慮到這一特殊性。
④染料對環(huán)境污染嚴重,固狀染料極易揚塵,對生產(chǎn)車間或廠區(qū)環(huán)境容易造成污染,如果染料廠在居民區(qū)、風景區(qū)附近更要注意生產(chǎn)裝置和排放氣體的可靠性。
⑤染料干燥是集科學、技術和藝術為一體的單元操作過程,操作經(jīng)驗在某種情況下會起重要作用,因為操作時許多參數(shù)間相互關聯(lián),在一定范圍內(nèi)可能起積極作用,超出某一范圍內(nèi)會有不良結果,所以操作經(jīng)驗不可小視。
四、干燥機設計的主要根據(jù)
在設計干燥機之前,應撐握下列條件：
①原染料性質(zhì)：主要包括原染料的色光、強度、流動性、粘度、表面張力、含固率、粒度、親水性、密度、擴散性能、耐熱性、熔點、pH值、毒性、可燃性、含溶劑種類、對金屬敏感性等。
②產(chǎn)品要求
產(chǎn)品要求一般由染料廠提出,主要是產(chǎn)品的含水率、粒度及分布、色光、強度、潤濕性能、溶解度、高溫分散穩(wěn)定性、堆積密度、不溶物含量、外觀、收率、揚塵性等。除此之外,還可能有其他特殊要求。
③設備安裝地點
安裝地的空氣濕度、年平均溫度、^低溫度和^高溫度、環(huán)保要求等。
④設備要求
對設備要求主要有設備型式、撲集器型式、熱源種類、設備材質(zhì)、投資費用、熱效率、控制水平等。
五、染料干燥設備
（1）壓力式噴霧干燥機
壓力式噴霧干燥機(因設備高大而呈塔形,又稱噴霧干燥塔)在染料干燥中使用^為普遍。因壓力式噴霧干燥機的產(chǎn)品成微粒狀,一般平均粒度可以達到150～200μm左右,在產(chǎn)品中不需加入防塵劑就可防塵。而且產(chǎn)品的流動性、潤濕性等應用性能均優(yōu)于粉狀,所以深受用戶的歡迎,從而也確定了它在染料干燥中的主導地位。結構設計的目的是保證干燥機的性能達到^佳狀態(tài),操作維修方便。干燥機的結構設計主要有：
①塔頭設計
其中包括進風型式、進風管直徑、整流型式、整流板數(shù)、開孔率及間隔、上錐體高度、傾角等；
②干燥室開孔設計
開孔設計應保證操作方便,氣密性能好,不積料,不粘壁。其中包括檢修孔、測溫孔、測壓孔、測速孔、視鏡、噴嘴孔、人孔等；
③塔底設計
塔底設計應保證^大限度地氣固分離,主要包括確定下錐體高度、傾角、出料型式、排風型式及排風管尺寸等。除此之外,還應設計清掃裝置,如氣掃、氣錘、電錘等。
（2）氣流式噴霧干燥機
氣流式噴霧干器的優(yōu)點：
①氣流式噴霧干燥機產(chǎn)品粒度可以達到20～60μm,因此,可以獲得比其他兩種干燥機更細的產(chǎn)品；
②氣流式噴霧干燥機較其他兩種干燥機有更大的操作彈性,操作也比較方便；
③噴嘴可以霧化較高粘度(與其他兩種干燥機比較而言)的物料,可以將染料濾餅直接干燥,對于觸變性物料更合適,因此,有較大的適應范圍；
④在三種噴嘴中,只有氣流式噴嘴可以進行下噴上操作,能夠降低廠房的高度,增加物料在塔內(nèi)的停留時間,比較適于處理耐高溫物料；
⑤噴嘴無轉動部件,制造費用很低,維修更換都很方便；
⑥物料不易堵塞噴嘴,對漿料過濾的要求比較低。
氣流式噴霧干燥的缺點：
①霧化不易均勻,造成產(chǎn)品粒度分布不均,下噴上式更為明顯。因此,應根據(jù)產(chǎn)品粒度要求酌情考慮。
②氣流式噴嘴動力消耗較大,大約為其他兩種的6～8倍。可以這樣認為,氣流式噴嘴在干燥機上的安裝位置比另外兩種都靈活,上噴下、下噴上均可以。與熱風的運動方向可以對流、并流、混流。目前氣流式噴霧干燥機已向多級組合干燥的方向發(fā)展,就產(chǎn)品質(zhì)量而言,與其他兩種干燥機相比不占優(yōu)勢,所以只有少數(shù)早期制造的干燥機在運轉。隨著新型干燥機的出現(xiàn),對氣流式噴嘴還要進一步開發(fā),使其發(fā)揮更大作用。
六、離心式噴霧干燥機
離心式噴霧干燥機在染料干燥中發(fā)揮越來越重要的作用,特別是蒸發(fā)水量大時采用離心式噴霧干燥更為普遍。離心式噴霧干燥主要取決于霧化器,這種霧化器有轉動部件,液體通過高速旋轉霧化器產(chǎn)生的離心力使物料在瞬間得到霧化,因此稱為離心式噴霧干燥。
①離心式噴霧干燥機塔身短,長徑比為0.9∶1～1∶1,同前兩種相比,可以大大降低廠房高度；
②系統(tǒng)中沒有高壓設備和高壓管路,設備的制造、安裝比較方便；
③生產(chǎn)彈性大,離心式霧化器生產(chǎn)彈性大,處理量在很寬的范圍內(nèi)仍有很好的霧化效果；
④離心式霧化器主要是控制線速度以保證物料的霧化,通過調(diào)節(jié)霧化器的線速度能夠很方便的得到不同粒徑的產(chǎn)品；
⑤霧化器噴嘴孔徑大,工作時不易被物料堵塞,對物料的過濾不那樣嚴格。基于上述原因,離心式噴霧干燥機應用比較廣,在許多染料、顏料、染料助劑的干燥中有廣范應用。