微波—热泵联合干燥硫酸铵特性及新工艺研究

论文摘要

目前,为了有效解决火电、冶金等行业排放的大量低浓度SO2,大多数企业采用氨法脱硫工艺实现SO2的回收利用。氨法脱硫工艺中经离心脱水后的硫酸铵一般含水率较高,而国标（GB535-1995）中对硫酸铵的含水率具有严格要求,其中优等品的含水率≤0.2%,所以其后续的干燥工艺就很重要。由于现有硫酸铵干燥方式的能耗较高,本研究将微波和热泵技术应用于硫酸铵的干燥,深入研究硫酸铵的微波干燥特性,建立硫酸铵微波干燥的动力学模型,并研究不同干燥工艺能效比的变化规律,通过系统实验确定硫酸铵热泵-微波联合干燥的优化工艺条件,为实现硫酸铵微波干燥的产业化应用提供了理论依据。具体工作如下：首先,开展了微波干燥硫酸铵的研究。通过系统实验分析了硫酸铵微波干燥特性,并采用薄层干燥模型进行数值分析。结果表明,修正page模型（Ⅱ）较之其他模型更适于薄层硫酸铵微波干燥的模拟。应用Fick第二定律得到微波功率230-700W,物料质量150-300g条件下薄层硫酸铵微波干燥的有效扩散系数的变化范围分别为：1.48×10-7～4.33×10-7m2/s,3.61×10-7-6.59×10-7m2/s。其次,为实现微波基础条件下的节能降耗,探索微波控温干燥硫酸铵的工艺。探讨了干燥温度、微波干燥时间、物料质量、物料厚度等因素对硫酸铵相对脱水率的影响；以硫酸铵的相对脱水率为响应值采用响应曲面中心组合设计,对硫酸铵的微波干燥工艺参数进行了优化。所获得的优化实验条件为：干燥温度86.05℃,微波干燥时间190.50s,物料质量102.59g,物料厚度20.55mm,此时物料的相对脱水率为99.29%,验证实验的实验值与预测值的偏差仅为-0.43%,可靠性高。与常规干燥的对比研究表明,在相同条件下（相同物料质量、干燥温度以及物料厚度,达到相同相对脱水率）微波控温干燥较之常规干燥节时77.14%。另外,为进一步降低硫酸铵的干燥能耗,开展热泵干燥硫酸铵的工艺研究。探讨了物料质量、干燥时间、物料厚度对相对脱水率和能效比的影响；并以硫酸铵的相对脱水率和能效比为响应值采用响应曲面中心组合设计,对硫酸铵的热泵干燥工艺参数进行了优化。所获得的优化实验条件为：物料质量598.9g,热泵干燥时间56.75min,物料厚度15mm,此时物料的相对脱水率为91.79%,能效比为0.304kg/kwh。回归分析和验证试验表明了该响应面法的合理性与可行性。与常规干燥的对比研究表明,在相同条件下热泵干燥不仅具有明显的节能优势还具有一定的节时优势（24.33%）。在以上系统实验的基础上,通过对微波、热泵干燥条件下相对脱水率与能效比的对比分析,确定了可行的热泵-微波联合干燥工艺的水平范围；并以硫酸铵的相对脱水率和能效比为响应值采用响应曲面中心组合设计,对硫酸铵的联合干燥工艺参数进行了优化。所获得的优化实验条件为：物料质量600g,热泵干燥时间37.26min,微波干燥时间1min,此时物料的相对脱水率为91.7%,能效比为0.316kg/kwh。与单独热泵、微波干燥实验的比较分析表明：联合干燥较之热泵干燥在能效比方面提高9.93%,节时32.58%；较之微波干燥能效比提高45.91%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 硫酸铵性质用途以及干燥现状
• 1.2 微波干燥技术
• 1.2.1 微波加热的特点
• 1.2.2 微波干燥机理及特点
• 1.2.3 微波干燥的现状与局限性
• 1.3 热泵干燥技术
• 1.3.1 热泵干燥的原理
• 1.3.2 热泵干燥的特点
• 1.3.3 热泵干燥的现状与局限性
• 1.4 微波联合干燥技术研究进展
• 1.5 响应曲面优化
• 1.5.1 响应曲面方法基本概念
• 1.5.2 响应曲面方法过程
• 1.5.3 响应曲面设计方法
• 1.6 课题研究的背景与内容
• 1.6.1 课题研究的背景
• 1.6.2 课题研究的内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 成分分析
• 2.1.2 微波场中升温特性分析
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验方法与数据处理
• 第三章 硫酸铵微波干燥特性及动力学研究
• 3.1 干燥数学模型理论
• 3.2 硫酸铵微波干燥特性研究
• 3.2.1 微波功率的影响
• 3.2.2 物料质量的影响
• 3.3 硫酸铵微波干燥动力学模型分析
• 3.4 有效扩散系数
• 3.5 本章小结
• 第四章 微波控温干燥实验研究
• 4.1 单因素实验结果
• 4.1.1 干燥温度对硫酸铵相对脱水率的影响
• 4.1.2 微波干燥时间对相对脱水率的影响
• 4.1.3 物料质量对相对脱水率的影响
• 4.1.4 物料厚度对相对脱水率的影响
• 4.2 响应曲面法优化实验
• 4.2.1 响应曲面分析因素的水平与实验结果
• 4.2.2 最优参数的确定
• 4.3 与常规干燥对比研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 热泵干燥实验研究
• 5.1 热泵干燥特性分析
• 5.1.1 物料质量的影响
• 5.1.2 热泵干燥时间的影响
• 5.1.3 物料厚度的影响
• 5.2 响应曲面优化实验
• 5.2.1 响应曲面设计
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.2.3 最优参数的确定
• 5.3 与常规干燥对比研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 热泵微波联合干燥实验研究
• 6.1 响应曲面水平的确定
• 6.1.1 联合干燥方式的确定
• 6.1.2 联合干燥时间范围的确定
• 6.2 响应曲面优化实验
• 6.2.1 响应曲面设计
• 6.2.2 实验结果分析
• 6.2.3 最优参数的确定
• 6.3 各种干燥方式能耗分析比较
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文目录