多效干燥过程的模拟调度优化研究
能源的紧缺和可持续发展的需求，对工业干燥节能降耗提出了更高的要求。本论文以过程系统工程理论为指导，采用过程节能、系统节能的方法，对多效干燥进行了较系统的数学模拟和调度优化研究，以期对工业干燥节能降耗的发展有所裨益。
论文评述了过程系统工程、干燥技术的特点及发展。介绍了多效干燥节能技术，讨论了间歇过程调度的研究进展，重点分析了干燥及废气余热回收的工艺改进和模拟优化方面国内外研究动态。
借鉴多效蒸发的理论，分析了多效蒸汽干燥工艺的传热方式，并与多效蒸发类比，提出了多效干燥的流程方案。以等压降作为操作条件的规定，根据蒸汽不同的走向，分别建立了不同效数的逆流、顺流多效蒸汽干燥的数学模型；利用此模型可以方便的求解出各效的热负荷、干燥程度等干燥过程参数，以实现对多效干燥过程的数学模拟和分析。对顺流干燥过程，发展了采用高斯消去法求解线性方程的模型解法，以C++语言编写了计算程序。对逆流干燥过程，发展了线性规划的模型解法，利用Matlab软件的线性规划模块进行求解。
对不同效数多效蒸汽干燥的能耗进行了分析，并比较了顺流和逆流多效蒸汽干燥过程的能耗情况。结果表明：多效蒸汽干燥与传统干燥方法相比，在能量利用率为70％的条件下，逆流五效蒸汽干燥可以节约60％的能量，顺流五效蒸汽干燥可节约51.8％的能量；逆流多效蒸汽干燥比顺流多效蒸汽干燥更节能，且逆流多效干燥温度差比顺流多效干燥温度梯度均衡。但是，在相同效数条件下，顺流多效干燥的物料温度低于逆流干燥物料温度，因此顺流多效蒸汽干燥更适用于热敏性物料。
基于温焓图组合曲线，对多效干燥过程的能量利用情况进行了分析。结果表明：多效干燥过程中能量能够很好很均匀的实现梯级使用，各效的二次蒸汽恰好为下一级干燥过程所用，这就证明了多效蒸汽干燥模型的正确性和等压降设计法的有效性。
对多级空气干燥过程进行了研究。提出了一种利用换热器回收空气余热的改进的多级空气干燥流程并建立了线性方程组的数学模型。对两效空气干燥过程进行了模拟计算，结果表明两效空气干燥的装置能量利用率能达到83.16％，而文献中传统多级空气干燥装置的能量利用率小于60％，两相比较，本文所提出的改进两级干燥过程节能更为显著。
结合空气中水蒸气析湿放热可以增大空气给热系数的原理，对空气.空气换热设计了极细管径的列管式换热器，可以将高温湿空气.空气的换热系数提高到50 W/(m2·℃)。考虑到列管式换热器价格昂贵且不易清洗的缺点，本文对极薄平板的板式换热器对空气换热进行了研究。自建了板式换热器空气-空气换热装置，其板片厚度为0.2mm，换热面积为1.9 m2。实验测定五组换热数据，对其拟合获得了所选板式换热器的空气-空气换热的努赛尔特准数方程Nu=f(Re，Pr)=0.20Re0.840 Pr1/3。该方程未见文献报道。本文实验研究结果表明：极薄板片的板式换热器对空气的给热系数与文献中报道的数值相比要大许多，可以达到100 W/(m2·℃)以上。因此采用极薄板片的板式换热器，能够较好的回收高温湿空气的余热。另外板式换热器还具有价格低廉、易于清洗的特点，将其用于多级空气干燥过程是合适的。
干燥是一个典型的间歇操作单元。根据干燥速率曲线，随着干燥过程含水量的降低物料的干燥速率是不同的，因此多效蒸汽干燥过程各效的干燥速率是不同的。相同的脱水量在不同的干燥阶段所需要的干燥时间是不同的，根据这个特点，本文提出了同一效在多个干燥器内完成的操作方法。在不使用中间储罐的条件下，本文对间歇多效蒸汽干燥进行了优化调度。即将多效干燥过程表达为一个混合整数非线性规划(MINLP)的数学模型，利用Gams软件进行优化，其目标函数为多效干燥的年费用最小，对干燥过程的效数和批次操作时间进行了优化。由优化结果绘制的Gantt图可知，多效干燥过程存在最小操作周期。通过合理调度可以实现多效干燥过程的生产，也即使间歇多效干燥过程实现连续化生产，此种调度安排为多效干燥过程的工业化提供了理论依据。
本文以硅胶1-5效顺流、逆流多效蒸汽干燥为算例，进行了调度优化分析，优化结果表明：顺流多效蒸汽干燥在效数为四效时年费用最小，与一效干燥相比，在最优条件下年生产费用可节约38.8％；逆流多效蒸汽干燥效数为五效时年费用最小，与一效干燥相比，在最优条件下可节约45.9％；同时获得了最优排产调度的Gantt图，从而可以得出干燥设备的最小操作周期。此外，此外，本文还对考虑维修和备用的多效蒸汽干燥过程进行了研究，并对其进行了模拟优化。
不同的干燥产品，其干燥速率曲线的形式是不同的，对多效蒸汽干燥的要求也不同。本文对四种典型干燥速率曲线的物料(淤泥、硅砂、生木材、淀粉胶)所对应的多效蒸汽干燥过程进行了模拟调度优化研究。结果表明：多效蒸汽干燥特别适合于物料含水量大、干燥速率快的物料，其最适宜的干燥效数是4-5效，其年费用节省比率依然可以达到35％；适合于物料含水量大、干燥速率慢的物料和物料含水量小、干燥速率快的物料，且2-3效干燥最合适，其年费用节省比率依然可以达到7.5％；不适合于含水量小、干燥速率慢的物料。相似干燥速率下，物料含水量越大，多效蒸汽干燥节能量越大，年费用节省比率越大；相同物料含水量下，干燥速率越快，干燥设备的投资费用越少，所能够采用的多效蒸汽干燥级数越多，多效蒸汽干燥年费用节省比率也越大。
本文通过对比不同类型的顺流、逆流多效蒸汽干燥表明：顺流多效蒸汽干燥每一效的脱水量比较均衡，逆流多效蒸汽干燥各效脱水量相差很大，因此相同效数的顺流多效干燥所需干燥器大、数量少，逆流多效干燥所需干燥器小、数量多，其逆流多效蒸汽干燥设备的投资费用比顺流多效蒸汽干燥大，但逆流多效蒸汽干燥的节能率比顺流多效蒸汽干燥高。因此，对物料干燥选型时需要对顺流和逆流进行分析，综合得出最优干燥操作。
多效干燥;调度优化;数学模拟;工业干燥;间歇过程
中国海洋大学
博士
海洋化学工程与技术
胡枊栋
2012
中文
TQ028.67
142
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）