（化学工程专业论文）荧光增白剂cf351造粒技术的研究.pdf

人迮理i ：人学1 1 ：1 1 硕士学何论文 摘要 流化床造粒集成粒、混合、干燥等过程于一身，与其他传统的造粒方法相比，具有 工艺流程简单、设备装置紧凑、投资省、生产强度大等优点，而且所得到的产品无尘、 无块、具有良好的流动性能，已经引起人们的广泛关注。 本论文通过对国内外流化造粒、分级技术文献的查阅，并结合荧光增白剂c f 一3 5 l 的 物料特性，提出了造粒、干燥、分级三步操作一体化的设想，设计了一套探索实验装置， 将流化造粒床和流化分级床组合在一起，实现了造粒、干燥、分级的连续化运行。通过 对流化造粒分级装置影响因素的考查，在f 交试验数据处理方法的基础上，得出最佳的 操作条件。 实验结果表明： 采用卧式流化床对c f - 3 5 1 进行造粒干燥分级是可行的。在装置工业化设计时，需根 据成粒时| 日j 、造粒周期，考虑造粒床和分级床生产能力匹配的问题。 流化造粒床的最佳工艺条件是： 造粒温度为7 0 ： 料层厚度为2 0 c m ： 流化速度为0 2 1 6 m s ； 料液浓度为8 ( m m ) 流化分级床的最佳工艺条件是： 干燥区风速为0 1 8 m s ； 排料区风速为0 1 0 8 m s ； 中间区风速为0 1 0 8 m s ； 粗粒子集料池区风速为0 1 8 m s ： 关键词：流化；造粒；分级 人迮理l ：人学i ：稃硕十，z 何论文 a b s t r a c t f l u i d i z e d b e dg r a n u l a t i o ni sat e c h n o l o g yw i t hm i x i n g 、p a r t i c l ef o m a t i o n 、d r y i n g ， c o m p a r e dw i t ho t h e rt r a d i t i o n a lg r a n u l a t i o nm e t h o d s ，i th a sa t t r a c t e dl o t so fc o n c e r n so w i n g t ot h ea d v a n t a g e so fs i m p l ep r o c e s s ，e q u i p m e n tc o m p a c t n e s s ，e c o n o m i ci n v e s t m e n t ，h i g h p r o d u c tc a p a c i t ya n d i t sp r o d u c ti sf r e e - d u s t ，n o nb l o c ka n de x c e l l e n tf l u i d i t y t h r o u g hr e f e r i n gt ol i t e r a t u r eo ff l u i d i z e dg r a n u l a t i o na n dg r a d i n gt e c h n o l o g yh o m ea n d a b r o a da n dc o m b i n e dw i t ht h ep r o p e r t i e so ff l u o r e s c e n tw h i t e n i n ga g e n tc f 一3 51 ，t h i sp a p e r p u tf o r w a r da ni d e ao ft a k i n gt h eg r a n u l a t i o n d r y i n g g r a d i n gt h r e es t e p so p e r a t i o ni n t e g r a t e d d e s i g n e das e to fe x p l o r ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sa n di n t e g r a t e dt h ef l u i d i z e dg r a n u l a t i o nb e dw i t h f l u i dc l a s s i f i c a t i o nb e dt o g e t h e rt oa c h i e v ec o n t i n u o u so p e r a t i o no fg m n u l a t i o n ，d r y i n g ，g r a d i n g ，t h e o p t i m u mo p e r a t i o nc o n d i t i o n s w a sa c h i e v e do nt h eb a s i so fo r t h o g o n a ld a t a - p r o c e s s i n g m e t h o d sa n db ys t u d yo ff l u i d i z e dg r a n u l a t i o ng r a d i n gd e v i c ef a c t e r s t h er e s u l t ss h o wt h a t ： i ti sf e a s i b l ef o r t h eg r a n u l a t i o n ，d r y i n g ，g r a d i n go fc f 一3 51i nh o r i z o n t a lb e d i ts h o u l db e n o t e dt h a ti nt h ed e s i g np r o c e s s o fi n d u s t r i a ld e v i c e ，t h ep r o d u c t i o nc a p a c i t ym a t c h i n gp r o b l e m o fg r a n u l a t i o nb e da n dc l a s s if i c a t i o nb e ds h o u l db ec o n s i d e r e da c c o r d i n gt op a r t i c l ef o m a t i o n t i m ea n dg r a n u l a t i o nc y c l e t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so ff l u i d i z e dg r a n u l a t i o nb e da r ea sf o l l o w s ： g r a n u l a t i o nt e m p e r a t u r e ：7 0 c ： m a t e r i a ll a y e rt h i c k n e s s ：2 0 c m ； f l u i d i z a t i o nv e l o c i t y ：0 216 m s ； f e e dc o n c e n t r a t i o n ： 8 ( m m ) ： t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so ff l u i d i z e dc l a s s i f i c a t i o nb e da r ea sf o l l o w s ： d r y i n gz o n eg a sv e l o c i t y ：0 18 m s ： m a t e r i a ld i s c h a r g ez o n eg a sv e l o c i t y ：0 10 8 m s ： i n t e r m e d i a t ez o n eg a sv e l o c i t y ：0 10 8 m s ； c o a r s ep a r t i c l e sa g g r e g a t ep o o lz o n eg a sv e l o c i t y ：0 1 8 m s ； k e yw o r d s ：f l u i d i z a t i o n ；g r a n u l a t i o n ：c l a s s i f i c a t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题 作者签名： 人选理l ，人学硪七研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 人选理l ：入学l ：氍硕 ：学位沦文 1 j 日| j吾 造粒过程即将各类粉状、块状、溶液或熔融状原料制成具有一定形状和强度的固体颗 粒。通过改变物料群体的物理性质，达到减少粉尘污染，提高加工工艺性能，增强效用等 目的。一般从工艺上说，根据原始微细颗粒团聚方式的不同可分为压力造粒，滚动造粒， 喷雾选粒，热融造粒，流化造粒。 1 压力造粒法足将粉末限定在一定空间中，通过施加外力而压紧为密实状态。可分为两 大类，一类足模压造粒法，物料装在封闭模槽中，通过往复运动的冲头进行模塑。另一类 是挤压造粒法，在挤压造粒过程中，物科承受一定的剪切和混合作用，在螺旋或辊子的推 动下，通过一开网模或锐孔而固结成型。 2 滚动造粒是粘结剂渗入固态细粉木，形成微核。团聚的微核经过多次滚动，最后成为 定大小的球形颗粒。滚动造粒设备常见的有成球盘和搅拌混和造粒机。 3 喷雾造粒是借助于蒸发赢接从溶液或浆体制取缨小颗粒的方法。浆拳： 被雾化器雾化， 水分破热空气蒸发后，液滴 内圄相物聚集成千燥的微粒。 4 热融造粒法是通过热蛩传递将小颗粒形成较大的实体的造粒方法。热法团聚过程中可 能起 乍餍的团聚秽理包括浓泥浆或灞细物料豹干燥、熔融、高温化学反应、熔融物或浓泥 浆冷上f 】嘲化或结晶。根据热传递的方式不同可将热法造粒分为烧结、热硬化、造球以及于 燥网化等处理方法。 5 流化造粒是利用热空气将物料流化，再把雾化后的秸结剂喷入床层中，粉料经过沸腾 翻滚逐渐形成较大颗粒。与其它尼种方法相院，流化造粒从物料的混合到颗粒产晶的干燥， 均可在同一个密封容器内进行，因而操作时间短，节约了各工序问的物料转移损失，操作 条件也得到了改善，所得到的产品的质量也有所提高。作为一种新的造粒技术，它在食品、 医药、化：、种予处理、肥料生产等行监中得到普及推广。 人迮理l ：人学i ：稃硕士+ 传论文 流态化与传统造粒技术的比较 c o m p a r i n go ff l u i d i z i n ga n dt r a d i t i o n a lg r a n u l a t i n gt e c h n o l o g y 操作过程机械装置 传统造粒法流态化法 传统造粒法 流态化法 混合 混合机 加水 搅拌、捏合把物料投入容器，流动捍合机 造粒 混合，流化造粒 造粒机 流化造粒干燥机 干燥干燥机 粉碎粉碎机 分级筛分筛分机筛分机 喷雾流化床造粒过程是流化造粒与滚动造粒相结合的一种新型造粒方法。粘结剂由喷嘴 喷入床l f i ，粉料在喷动流化床r 1 翻滚k 人，最终形成颗粒。该装置具有结构简单，操作方 便，设备投资小等诸多优点。喷嘴的结构是喷动流化床造粒装置的核心部件，选用合理 的喷嘴结构对雾化效果的提高具有重要意义。 。 本论文的主题是研究荧光增白剂c f 一3 5 1 产品的造粒技术。研究范围是基f 实现造粒、 f i 燥、分级体化的设想，建立一套流化干燥分级的工艺流程和实验装置。进行流化力学 和动力学研究及过程控韦0 的研究。通过考企停留时f h j 、排料状况、隔扳与分前i 板1 口j 距离对 造粒的影响，优化操作 ：艺参数。通过考查造粒流化床各个区域在不同操作气速时的分级 效果，确定影响分级效果的相关参数。同时优化热模试验，为流化床、分级器、喷嘴的结 构设计提供设计参数。 大连理工大学工程硕士学能论文 1 文献综述 造粒技术起源于2 0 世纪3 0 年代，到目前该技术已经广泛应用在化工产晶、农用化学 品、食品、医药、核燃料、冶金、环保及新材料的生产中。控制适宜的工艺条件，可以得 到所需的不同粒度、形状和强度要求的产品。粉体物料经过造粒过程制备粒状产品可以达 到改善产品流动性、拓宽产品应用范围、避免使用中的二次污染、或达到对产品进行改性 等目的。 在目前诸多造粒方法中，流化床造粒已经引起人们的广泛关注，它的一个突出特点 是集成粒、混合、干燥等过程于一身，与其他传统的造粒方法相比，具有工艺流程简单、 设备装置紧凑、投资省、生产强度大等优点，而且所得到的产品无灰、无块、具有良好的 流动性能。 流化床造粒主要可分为流化床喷雾造粒、喷动流化床造粒、振动流化床造粒等几种。 近几年，高速超临界流体( r e s s ) 造粒也有所发展。根据喷嘴位置的不同，流化床喷雾造粒又 可分为顼部喷雾法、底部喷雾法程切向喷雾法。 1流化床 l 。，。喷雾方式 流化床造粒主要是以雾化溶液为媒体，以固体物料为核心，颗粒相互接触附着凝集形 成颗粒的：也有用物料同质的溶液利用喷嘴雾化，在颗粒上凝集长大的造粒方法；第三种 方法是把熔融的液体在同质的物料流化床中进行喷雾，在颗粒上发生凝固干燥的造粒过 程。 造粒溶液的雾化解决了由于液滴过大使颗粒过度浸润发生湿式死床的问题。喷嘴在流 化床内的安装位置受装置的形状、造粒物料以及产品要求等因素的影响。造粒装置不同所 产生嬲的颗粒产晶也不同。流化造粒过程中的喷雾方式根据喷嘴的安装位置不同大致可分 为三种：顶部喷雾、切向喷雾和底部喷雾。这三种模式的喷雾流化床的结构基本相同，都 是由含流化颗粒的造粒室和膨胀室组成n 1 。 顶部喷雾喷嘴安装在造粒室床层上，喷雾方向垂矗向下，雾化液滴与流化空气逆向运 动。顶雾造粒室的膨胀室与其他两种相比高一些，两显是锥形，这样既可以提高颗粒流化 速度又不会被流化气体带出造粒装置。采用顶部喷洒必须过量喷洒并连续进行颗粒的筛 选，这样使造粒的效率低、时间长，但可以回收被喷雾干燥的悬浮物重复利用。顶部喷雾 的喷嘴位置很重要，喷嘴过高雾滴在床层上部比例大，如果雾漓在流化床面以上，则来接 触颗粒之前就蒸发被热空气带走，即相当予喷雾干燥。喷雾太低雾滴在分布板附近积累， 影响操作稳定性，甚至发生死床现象。顶部喷雾一般用于以下三种场合：用粘合剂制粒、 大连理工大学工程硕十学位论文 用水制粒和流化床喷雾干燥。顶部喷雾方法制备的颗粒多孔并具有较松的结构，在水中极 易分散。 底部喷雾是将喷枪安装在分布板中心，雾化液滴进入床层的方向与流化气体相同对于 在药片颗粒上进行涂层造粒过程多采用底部喷雾，这样可减少涂层雾化液的损失。为避免 颗粒的无规则运动和涂层不均匀，底部喷雾流化床不宣过大。底部喷雾和床内喷雾非常容 易造成湿式死床丽使流化停滞，设计时要求颗粒在经过喷雾区时速度块。一般可以通过对 传统流化床的改进来实现。最常用的是w u r s t e r 流化造粒器，流化床内加入一个垂直圆管 ( 直径通常为床层直径的一半) 用予改善床层内部颗粒的循环，颗粒的运动与喷动床内的 类似( 中心的颗粒向上运动丽疆周的颗粒向下运动) ，还可以有效的防止颗粒聚附聚，提 高颗粒表面光滑度，而且垂直圆管越长效果越好临1 。 搀气 i 卉 f 。1 空气一一 一 乙j l 成品 圈1 1 w u r s t e r 喷动涂层床装置示意图 f i g 1 1 s k e t c hm a po fs p r a y i n gc o a td e v i c e 切向喷雾造粒器喷嘴安装在造粒器的一侧，喷雾液滴切向喷入作旋转运动的颗粒床层 内。切向喷雾设备的主要特征是可调速的旋转圆盘。操作时三种机械力使颗粒移动、混合 并造粒。这三种力是圆盘旋转产生的离心力、空气通过圆盘阗隙产生的举升力和重力。由 切向喷雾制得的颗粒较顶喷制得的颗粒致密、脆性小、粒径大晗1 。 人造理i ：人。学i ：程硕 ：学 澎沦文 1 1 2 雾化器型式 雾化器的结构蔻喷雾造粒装置的核心部件，选择合理的雾化器结构对雾化效果的提高 具有霞要意义。雾化器的结构分类分为：转盘式( 离心式) 、压力式、气流式三种。以下 将三种雾化器的作以介绍： ( 1 ) 气流式雾化器的工作原理是利用高速气流使液膜产生分裂，高速气流可采用压 缩空气或蒸汽，使用蒸汽比空气要经济，但受物料耐热温度限制。气流式雾化器主要是由 进气管、进料管、调节部件以及气体分散器组成。在雾化器中，调节部件主要是调节气管 端面与料管端筒的相对位鬣，以调节气两相的混合状态。气体分散器是对进入气管的气体 进行均匀分布，以保证在气管出髓出均匀射出。另外气体还可以通过气体分敝器调整流向， 可以使气体产生旋转，以强化料液的分教效果。 气流式雾化器按气液混合方式可分为内部混合式( 简称内混式) 和外部混合式( 简称 外混式) 两种。内混式就是料液与气体在雾化器内进行混合，雾化过程不仅有气体的摩擦 力，在雾化器恣部还产生撞击的分散作用，所以比终混式更节省能量。但圜料液在雾化器 内部就，f ：始分散，如果操作温度较高时，雾化器很容易被来干的粉末形成的固块堵塞，所 以在干燥操作中应谨慎使用。外混式气流雾化器其区别是料液与雾化气体在喷出后再进行 接触嚆时辩液分散，这种操作比较稳定。 气流式雾化器如果按气液进入雾化器的通道数由可分为二流式、三流式以及四流式 等。，i 流足一气一液式，即外管走气体，内管走液体。三流式为= 气一液式，内管和外 管走最体，中闯走液体，理沦上三流式雾化器所得到的粒度比二流式小越1 5 左右。此外 还有麴流式，迦流式与三滚式基本相同，只是在最墨层又增加了气流管，这个管走高温热 气，因的是把热量引入到雾焰中心处，以强化传热过程。但是这种结构使用不多，工业上 使用最多的是外混式两流雾化器。气流式雾化器的特点是结构简单、加工方便、操作弹性 犬、易予谴誊。 ( 2 ) 压力j 弋雾化器在有些文献中也称单流体雾化器或机械式雾化器。雾化机理是液体 存商堰泉的压力下从雾化器的切向通道高速进入旋转审，使液体在旋转室内产生高速旋转 运动。根据旋转动量矩守恒定律，旋转速度与旋转室的半径成反比，斛此越靠近轴心处旋 转速度越大，静压力也越小。当旋转速度达到某值时，雾化器中心处的压力等于大气压 力时，喷h j 的液体就形成了绕空气心旋转的锥形坏状液膜。随着液膜的延长，空气的剧烈 扰动所形成的波不断发展，液膜分裂成细线。并受湍流径向分速度和周围空气相对速度的 影响，最蜃导致液膜破裂成丝。液丝断裂后受表露张力的 乍用，最后形成由无数雾漓组成 的雾群，水分蒸发后形成微颗粒状产品。多年来，国内外许多专家对压力式雾化器结构进 人琏理1 人手i 母1 1 j 学f t 论文 仃了人世研究_ l 作，【 【 1 也jr 发出许多钻f j 型t 。胍力式雾化器的弛r d 特点足使液体在高 爪下避入雾化器进行商速旋转，获掰足够的离心j 后从雾化器扎喷f i 。 ( 3 ) 离心式雾化器的雾化机理足，当m 两速旋转的分敞盘上m 工入液体时，液体受离 心力和重力作用，在两种力的作刷f 得到加速分裂雾化，同时在液体和周围空气的接触面 处，由f 存在摩擦力也健使形成雾滴。采用离心式雾化产生的颗粒分却要比压力式和气流 式挪窄一些。 113温度和湿度分布 对于艘的流化床，l h 于颗粒的返混，除了分抑扳附近外，床层温度是均一的，传热 过程集中住分巾板8 f 近，床层温度分是传热的结果。般在操作稳定时，睐层温度不 随时j 改变。n i e n o w 和r o w e 。对床内喷雾造粒过程研究发现，雾化液滴在靠近喷嘴的 区域蒸发，因此喷嘴附近存在个低温k 。 对于项部唢骞遗牲- 低温区褴盂睐塔的蛙r 部分并向分布板方向延伸最低温度在 喷嘴n 。f 厅。床联内低m k 的轮辟旧：婴仃两利，形状：钟膨和漏斗形，女l i hl2 和h13 所 h ；。 蚓l2 钟阡 温应分却剌颗芈量钔j 俑环 f 。g i2 b e l l s h a p ed i s t r l b u t i o no r t e m p e m t u r ea n dg r a i nc i r c u l a t i o n 瞄li3 赫洞j g 温度讣布和颗粒的循环 f i g 13 h o l e s h a p e d i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r e a n dg r a i nc i r c u l a t i o n 返州j e 【j l 形状都址从眯，；删部最低湍度丌始，小州之处足钟彤以定的角度向徕展山部 延f i | 【m 漏7 州形直接沿中心轴向f 延伸。低温区形状不同是由j ：颗粒的循环方式不同造成 的。钟彤低温区足颗粒从床层 1 ，心轴处l 州而从四州r 降形成的，见崩l2 。漏洞形低温 i x 的彤成_ 合虹相反，此时颗粒从四周上州而从qz 心下降，圳捌l3 所示。低温的角度和 深度受眯膳物料、流化i “l 述度平喷雾速度等冈柔的影响。 眯层内泓度分m 也n，t 的规律“描4 皮陌也拉一箍眯崖的最l 部分f m j 分巾扳方向延 ”，形成的肜状，低濉m 的彤状炎似，a 未崖内的延伸比低濉区人，喷嘴附近区域的m 膻梯度比其它地方商。而且如果眯内形成叶高湿度区口口使流化速度有定的变化，它 f j 形状也不会改变。流化速度增加时，高i “度区向床屡r 矸：延伸同时床层卜部的讯度梯 度上曾人。 在底部喷劈的漉化眯内，由丁液滴的沉秘和啦长丰要在射流区，冈此仵射流区内的温 度较j 它k 域的潞嫂低，泓度较其它区域的温度商。 斟l4 足盘的底邢喷雾昧囊趟粒过程。p 典型的昧联内部温艘分“罔横坐标足径f 【】j 上离j | = _ 愤嘴( 床层中心，r - 0 ) 的距离，纵坐标是温度。h 代表轴向上离丌气体分布板的 距离，喷嘴与分如板的距离为1 0 r a m 。 人连理t ：人学f ：程硕十：学化沦文 一8- 64- 202468 径向距离h i c m h ，c m ：一6 0 1 一4 5 ：一1 5 图1 4 床层内温度分布 f i g i 4t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gi nb e d 罔1 4 巾温度分伽的特点足： ( 1 ) 轴线温度最低，径向上离丌轴线距离增大，床层温度逐渐提高。 ( 2 ) 在径向上温度分布差别大。在轴线上温度分柿差别很小。主要原因是雾化喷嘴 位于流化床中央，雾化液滴不是均匀分布在床层截面上，而是集中在喷嘴的射流区，且在 此中料液喷涂到品种颗粒上，当颗粒表面f 二的大部分水份蒸发时，颗粒温度下降。由于 劣化液滴伍不m 径阳距离上分们密度不同，【e l 而径向距离上床层温度也不同，n 中心处的 温度最低。床层分前i 的第_ 二个特点说明，虽然雾化窄气穿透整个床层，但是在轴向上雾滴 并非均匀分布，而是集中在喷嘴上方的一定区域内，颗粒穿过射流区时长大。流化床造粒 过程中所有的颗粒都存在热质传递，喷雾区和其它区域的温度和湿度都将影响造粒的类 型、质量和涂层厚度等。对于气体温度和湿度分布的监测可以用来优化流化床造粒系统的 设计和操作。 1 1 4 床内操作区域 温度和泓度分白的1 砷d 反映的造粒过程f f j 床内各部分功能不同，根据气体温度和湿度 分钮情况，可将整个床层分为功能不同的几个区域。在喷动床和喷动流化床中区域分布明 显，可以划分为两个部分，意 5 活跃的喷泉区，在这个区域主要是溶液的喷雾：另一个区 域足床内剩余部分，在这个区内进行颗粒混合。底部喷雾浅层流化床中床层可以划分为以 下几个部分一：射流区、自由区和流化床，如图1 5 所示。 鳄 盱 p之基疆这送 人连理i ：人学i ：程硕士学t 眵论文 自由区一i - 射流区边界 h 距喷嘴距离；r - 床层、f 径 图1 5 颗粒运动区域和速度分布 f i g 1 5 a r e ao fg r a i nm o v e m e n ta n dd i s t r i b u t i o no fs p e e d 雾化气体进入流化床形成射流区，由于颗粒在床内运动剧烈，因此在与雾化气体接 触后加速向上运动。可以认为射流区边界处的气体径向速度为零，没有液滴穿过射流区进 入其它区域。流化气体垂直进入射流区，颗粒被进入射流区的气体加速，沿径向进入射流 区。射流区空隙率比周围流化床的低。在射流区沿轴向气体和颗粒的流量持续增大，流速 持续下降。靠近喷嘴处的颗粒表函f 的溶液沉积量大，颗粒增长较快，由于沉积的作用溶液 在射流区的质量流量逐渐减少。在相对较浅的流化床内颗粒被带出定的高度后落入流化 床的外部区域形成自由区，自由区一l 的液滴浓度很小，虽然有液滴的沉积但可以忽略不 计，在这个区域内颗粒被干燥、减速。在自由区一2 内，颗粒继续干燥后返回流化床，气体 进入射流区，由于颗粒的浓度非常小，因此可以不考虑在这个区被带入射流区的颗粒。 顶喷流化床床层分为四个不同的区域：喷洒区、干燥区、不活跃区和热传递区，如图 1 6 所示。最上部分为喷雾区面积非常小，只占整个床层总面积的百分之几，而且雾化液 滴在喷雾内的行程与喷雾区相比也很小，在这个区内颗粒被浸润。第二二部分是干燥区， 绝大多数颗粒的干燥都在这个区域内完成，这个区域空气的温度和湿度变化非常大。第三 部分是不活跃区，这个区域空气的温度和湿度几乎没有变化，它不直接参与造粒过程，进 入这个区域颗粒已经被喷雾干燥或正准备被喷雾于燥。床层底部不活跃区和分布板之i h j 足 热传递区，区域内空气湿度为常数，但由于入口热空气与颗粒的热传递，温度急剧下降。 这些区域与分布板平行分布，确切的形状和位置取决于装置的设计和操作条件。 人迮理i ：人【：袢硕l 学位论文 t 3 喷嘴 分布板 图1 6 顶喷流化床操作 f i g 1 6o p e r a t i n ga r e ao ft o ps h o w e ri nf l u i d i z e db e d 1 1 5颗粒的循环 颗粒的运动对于流化j 未造粒过程中颗粒i 日j 的传热传质影响较大。关于流化床以及类似 装臀( 如喷动床和喷动流化床) 中颗粒的运动已经有很多的研究报道，颗粒在流化床中 的运动土有一定的规律。 在传统的流化床内颗粒叮以水甲和垂直运动，在l 下运动中颗粒进入床层内彳i i 司的 区域。自仃面介绍的顶喷流化床中颗粒的循环方式包括两种，如图1 1 和1 2 所示。由于 循环方式不同，床内温度和湿度的分布也不同。在底部喷雾流化床内，颗粒被流化气体携 带沿径向进入射流区，后加速向上运动，在自由区干燥后落入流化床形成循环，如图1 6 所示。 一些颗粒的循环是不需要特殊设计的，例如在喷动床内，颗粒受喷动气体的作用从中 心轴处向上运动i 面从四周落下形成循环。但有一些循环是通过设计实现的。在w u s t e r 流 化床造粒装置设计中增加了一个垂直圆筒加强颗粒在床内的循环运动，雾化喷嘴安装在 底部的分布板上，在流化气体的作用下，涂层颗粒向同一方向运动，减少了颗粒整体的 混合。垂直圆管的缝隙对颗粒循环率有很大的影响，随着入口空气质量流量和垂直圆管缝 隙的增加颗粒的循环时间缩短、循环时间的分布变窄。床层载倚的增加使颗粒平均循环时 i 白j 降低，但对颗粒循环时f b j 的分布没有明显的变化。此外在有些g l a t t 设计中分布板部分 人连理i ：人学f ：程硕，卜学位沦文 不丌孔。h u t t l i n 设计中流化气体以一定的角度进入流化床也都是为了提高颗粒的循环。这 些流化床都是通过改造加强了颗粒的循环但床层的传质传热特性不受影响。 1 2造粒 1 2 1颗粒的生长 流化床造粒中颗粒的成长一般涉及3 种机理： ( 1 ) 附聚：即两个或两个以上的粒子通过粘合剂形成的“液桥”团聚在一起形成一个 大粒子。被粘合剂浸润的粒子与其周围粒子发生碰撞，粘附在一起，“液桥”中的溶剂 蒸发后，颗粒l h j 通过“固桥”连在一起形成大颗粒。按此机理成粒，生长速度快，但粒 度不均匀，机械性能差。 ( 2 ) 涂层：通过雾化液在母粒周围反复涂层以使颗粒增大，从而得到所谓的“洋葱 皮”结构的产品。在涂层过程中，溶剂从被浸润的颗粒表面蒸发，溶质则固化在表面上。 按此机理成粒，生长速度较慢，但成长稳定均一，机械性能稍好。 ( 3 ) 累积：靠连续喷射很小的液滴到品种颗粒而使颗粒增长。累积过程是一个颗卡t 连 续增长、连续干燥过程。 在流化床造粒过程中往往是这三种共同作用使颗粒生长。 i e n o w 矛lc h e r i f 等总结了在造粒过程中由于流化床的操作条件、颗粒和喷雾溶液物 性不同i ，j 能出现的情况，如图1 7 所示。造粒溶液从喷嘴雾化喷出后，部分雾化液滴沉积 到颗粒表【f i i 。那止莹没仃沉积到颗粒表面i 的雾化液滴在流化床内干燥，较轻的被带入旋风除 尘器分离，较鼋的仍留在流化床内与其它喷雾干燥的细颗粒发生聚附或粘结到较犬韵颗杼 上形成累积式的生长。流化着的颗粒与雾化液滴接触表面被浸润，根据流化床内的操作条 件不同，被浸润的颗粒或者相互碰撞通过液桥连接或者经干燥后得到涂层尘长的颗粒。如 果颗卡蕾被过度浸涧，很多颗粒通过液桥连接在一起，形成大湿块，阻止流化床继续流化， 这样的现象就是“湿式死床”。如果颗粒的浸润程度适中，部分颗粒通过液桥连接。液侨 干燥后形成固桥，如果固桥的强度较高不容易断裂。这些大颗粒连接聚集最终也将使床层 删塌，难- f 流化，这种现象称为“f i 式夕e 床”。如果粘着力很大，但通过固桥连接在一起 的颗粒数目少，造粒过程将正常进行，只是产品颗粒是由一些小颗粒粘结的较大的颗粒( 即 附聚) 。相反，如果粘着力很小，被干燥的圃桥断裂，在颗粒表面形成涂层，最后得到涂 层生长的颗粒。 人连理l ：人学1 ：样硕士学f 移论文 喷霉干燥 被干燥的细颗粒 轻颗粒重颗粒 筛分返同流化床 被捕捉到被浸润 的细颗粒 累积 的絮 细颗粒的聚附 较强的粘着 浸弋 被浸润的颗粒 颗鼍弋 颗粒碰撞十撂 j 蚓卜删 被干墚i i = l , 1 - , i j 一- i i 价湿式流化停滞 罗颗粒馓州i 糊 干式流化停滞 附聚 弱的粘着力 ( 破碎) 涂层生 ：= 的颗粒 图1 7 流化床造粒过程中可能出现的情况 f i g 1 7p o s s i b l es c e n a r i od u r i n gg r a n u l a t i n gi nf l u i d i z e db e d 颗粒生长机理的研究可以用来估计给定操作条件下的造粒的生长速率和颗粒尺寸。一 些学者应用不f d 的假设和方法对流化床和喷动床中的机理进行分析，提出了模型。早期的 研究足在假设涂层溶液均匀地沉积到颗粒的基础上进形的，但后来一些学者发现涂层溶 液在颗粒上的沉积并不是均匀的。l i n k t 4 】和c h e r i f i 旧1 认为造粒过程中颗粒首先发生附聚， 如果颗粒问的化学键不强将被破坏，根据破坏的程度或者造成床层湿式死床或者形成涂 层生长。 在造粒过程中，附聚和涂层哪种颗粒形成方式起主要作用受溶液喷雾速率、流化空气 干燥能力等操作参数和溶液浓度、粘度和表面张力等物理化学性能的影响。 人连理i ：人学1 ：稃硕十。? 何论文 1 。2 2 影响颗粒生长的因素 ( 1 ) 颗粒和溶液的物理化学性质的影响 在流化床造粒过程中，颗粒的生长速度足碰撞率和粘附率乘积的函数，而颗粒和液滴 的粘结能力是颗粒的生长速率的主要影响因素，粘结能力又受到诸多因素的影响。 液滴在碰撞时的动量的影响：液滴与颗粒碰撞时液滴动量的限制着粘附率。碰撞 时液滴的动量必须控制在一定的值内，如果动量过大，液滴很容易从颗粒表面弹起，沉积 减少，颗粒的生长速率减慢。 颗粒的表面性质的影d i j j ：对于多孔性的颗粒，当液滴与颗粒碰撞之后，由于毛细 力的作用颗粒被脱水。溶质沉积到颗粒的d , - 孑l 内，蒸发从颗粒的小孔内进行。 溶液和液滴表面性质的影响：液滴与颗粒峰硬的表面碰撞是一个复杂的过程，液 滴碰撞到颗粒表面后可能被溅矸、扩散或弹回。具体情况受液滴撞击时的能量和溶液和液 滴表面性质的影响。 要想使液滴完全沉积到颗粒表面而没有拨溅，颗粒的动能必须被粘性流耗散。对于造 粒过程，粘性与颗粒的增长速率有直接的关系。随着粘性的增大，附着率增大，颗粒易于 附聚，因此颗粒的生长速率增大。粘度减小。使颗粒间的附着率减弱，此时颗粒是层式成 长，速度较慢。但颗粒长大到一定程度后，粒子i b j 的粘结作用与所受到的分散力作用达到 动念平衡，使颗粒成长速度趋于平缓，若要改变溶液和液滴的表面性质可以向溶液内添加 卡占合剂或改变溶液的浓度，随着溶液浓度的增大，颗粒的7 - 长速率液随之增大。 加入表面活性剂可以通过减小溶液的表面张力束提高液滴的浸润能力和附着率。液滴 与颗粒碰掩后颗粒部分表面被液滴覆盖。通过界面能的平衡束决定液滴扩散的程度。除了 固体和液固界面的界面能外，液体表面能( 表面张力) 也特别重要。少量表面活性剂的加 入将减少表面张力，增大浸润能力，因此增加颗粒的生长速率。 ( 2 ) 造粒过程操作参数的影响 流化空气温度的影响 前面已经提到流化气体温度过高，喷雾液滴住沉积到颗粒表面前已被干燥，颗粒的 生长不明显或者几乎没有生长，产品粉尘量增加。温度过低或湿度过高，颗粒易于附聚， 床层由于湿式死床使流化停滞。 流化气速的影响 当流化气速较小时，颗粒主要以团聚方式成长，成长速度较快。此时，颗粒通过液 桥粘结在一起后，由于气流作用使颗粒运动时所受到的分散力不足已克服液桥的粘性力， 使液桥固化形成不宜破类的固桥。流化气速加大，当液桥的粘性力不能克服分散力时，形 成的液桥发生断裂，颗粒的成长转变为层式成长。 人连理l ：夫学i i 手- 1 预七 - 7 - 侮论文 雾化溶液流率的影响 当喷雾溶液的流率超过一定值后，颗粒的附聚率随流率的增加急剧增多。但溶液的 浓发财颗粒附聚的影响较小，喷雾溶液的临界流率几乎与溶液浓度无关。这是霞为若要等 量物料沉积到颧粒表面，浓度低则所需的操作融剿长，因此若溶液流率不变，溶液浓度低 则附聚现缘严重。 雾化空气的流率影响 当雾化空气流率较低时，雾化液漓大，液滴的分布不均匀，颗粒容易产生附聚。随 着雾化空气流率的增加，单位体积内溶液的浓度较低，因此雾化溶液可以l 沉积到更多的颗 粒表面，且颗粒的浸润均匀且湿度较低。雾化空气的流率增加，颗粒所受的机械应力增大。 磨损增大，因此如果要产生附聚必须有更高的临界湿度以建立更坚固的固桥。隧着雾化空 气流毒的增大，颗粒在自由区的停留时蒯延长，这些都可以减少颗粒的附聚。 床层高度对颗粒附聚的影响 在底部喷雾的流化床内，床层较高时很小的雾化溶液流率就会引起颗粒的附聚，这差 要是由于雾化空气辱| 起的颗粒运动的结果。如瀚i ，3 ，雾化气体在床层内形成射流区，颗 粒和流化气体被带入射流区。在射流区内颗粒被雾化的气体和溶液加速、浸润，同时向上 运动。如粜床层很浅，颗粒被带出流化床形成臼由区。随着床层高度的增加，被带入自e 区的颗粒越来越少，滠后射流的影响汉局限于流仡臻内部，新达到的高度与流化床高度无 天。幽f 流化床的空隙率比射流区和流化床上部鱼山区高，颗誊迂碰撞的几搴较犬，凼此颢 粒的附聚t 要在流化床内发生。这样颗粒在射流区和自由区停留时i h j 变短，颗粒没有被充 分干燥就返回流化床就会使附聚增多。 在诸多造粒技术中，流化床喷雾造粒技术是应用广泛、发展最快的先进技术，匿终工 业化应用已多年。但出于其过程复杂、影响因豢众多，因此到目l j 为e 还没有形成系统的 理论，其设计放大还基本停留在经验上。圈外的研究较为深入，建立了一些流化床喷雾的理 论模型。我国在这方面的起步较晚，研究较少，水平与国羚相比尚有一定的差距。 1 。3喷雾流化造粒技术的现状和发展趋势 喷雾流化造粒技术是凶外近2 0 多年发展最快，应用最多的新技术之。通过对该技 术的文献跟踪，基础理论的研究讵在不断深入，在颗粒生成机理和动力学方面已建有多种 粒。乒长大昭数学模型，在颗粒流化床皆运动规律与流体力学特性研究发料液喷淋密度对颗 粒成长速率、停留时| h j 对粒子分布影响等过程模型均有表述。 喷雾流化造粒是流念化和喷雾技术的组合，不同物料的物化性质存在较大差异。尽管 近年来对喷雾流亿造粒干燥整个过程数学模型的报导进步比较显，但是还没有如现有普遮 大连理工大学工程硕七学位论文 意义的、被公认的数学模型，所以真正的设计参数在很大程度上还要来自于半工业甚至工 业规模的实验结果。 通过大量的试验研究工作，喷雾流化造粒技术不断进步，发现了诸多影响成粒的因素， 如造粒床层温度、料液物化质量、物化介质压力、粘结剂的改变、雾化器的位置、流化状 况等，在此基础上满足不同产品要求和用途的工业化装置不断成功应用。其创新之处主要 体现在装置结构型式上，如丹麦的尼鲁公司制造用于精细化工产品颗粒化加工的喷雾流化 造粒装置，为解决大颗粒存在的问题，在造粒塔中部加装一个连续的气流分级装置，满足 了工艺生产需要。 近年来，国外喷雾流化造粒装置已趋于大型化，例如在大颗粒尿素、碳酸钾、氯化钙 等颗粒化加工过程中的应用，造粒装置结构也由立式床层改为卧式多室串连床层，由此满 足处理能力日趋增长的需求和过程的强化，以实现在同一装置内完成混合、造粒、干燥、 冷却、分级等诸多过程，还可以大大避免在造粒时由于床层中物料短路，停留时间分布不 均而出现颗粒产品粒径分布过宽而造成一次成粒率下降的问题；同时采用浅床层操作，可 以降低造粒动力消耗。 口 图1 8 卧式多室流化床造粒装置示意图 f i g 1 8 s k e t c hm a po fh o r i z p n a lm u l t i r o o mf l u i d i z e db e do fg r a n u l a t i n gd e v i c e 大连理工大学工程硕士学位论文 表1 1 连续流态化造粒装置的实例 t a b 1 1 e x a m p l eo fc o n t i n u ef l u i d i z e dg r a n u l a t i n gd e v i c e 根据文献报导，今年来国内在该领域中基础理论研究首推大连理工大学，先后在化 学工程及化学工程论文集发表了多篇研究论文，如1 9 9 4 年在化学工程论文集 上发表的“流化床喷雾流化造粒过程中颗粒成长机理的研究 。1 9 9 4 年沈阳化工研究院 在化学工程杂志上发表了相关试验研究的论文，与国外相比尚有一定的距离。 二十世纪九十年代以后，国内先后引进安海德鲁公司和日本大川原公司的大型生产装 置用于从料液出发制备大颗粒尿素和碳酸钾、氯化钙等无机化工产品。在大连理工大学的 指导下，浙江钱江干燥设备厂对引进的设备进行了剖析，当至今未见工业化报导。我院 2 0 0 2 年从粉体物料出发完成了c f 一3 5 1 的喷雾流化造粒技术和工业化装置研究，目前产品 性能已经达到汽巴一嘉基公司采用尼鲁公司造粒装置生产的产品性能水平，但在装置连续 化生产技术、一次成粒控制技术等方面尚有较大差距。 综上所述，虽然国内在该技术领域的研究与应用方面已有所突破，但与国外还有比较 大的差距，因此技术喷雾流化造粒技术的应用开发，已经成为我国干燥行业的当务之急。 1 4 项目提出的背景和意义 荧光增白剂c f 一3 5 1 是双二苯乙烯一联苯型光学荧光增白剂，化学名为2 ，2 一( 4 ，4 一二 苯乙烯基) 双苯并恶唑，分子式c ：。h 。n ：o ：，外观为自由流动的黄绿色颗粒。其特点是增白强 人连理i ：人学f ：样颂十学何论文 度高，耐氯漂、氧漂性能优良，具有优异的耐沈牢固度和干、湿、日晒牢固度，匀染性好， 易于生物降解。低温下具有较大的溶解度，可广泛用于洗衣粉、洗衣膏、液体洗涤剂、含 漂白剂的洗涤剂、织物柔软荆及整理剂中，在冷水中及温水中对纤维素纤维等天然纤维和 聚酰胺纤维等人造纤维以及涤棉等混纺织物都具有高效增白作用，是一种新型环保型优 选助剂。 多年来其，上产技术以往一直被国外公司垄断，为此国家将其列为“九五”重点科技攻 关项目。承担该项目的沈阳化工研究院经过艰苦奋战，终于研发出拥有自主知识产权、国 内首创的荧光增白齐u c f - 3 5 1 产品。该产品不仅可替代进口产品，而且提升了荧光增白剂 和洗涤荆、纺织品的档次，实现了国产h 用化学品的更新换代。特别是其具有生物降解功 能，将促进我国洗涤剂产业结构调整。 沈阳新纪化学有限公司是沈阳化工研究院控股公司，是国家荧光增白齐u c f - - 3 5 1 项目 产业化基地，担负着年产l o o o n 屯荧光增白齐u c f - 3 5 1 国家“高技术产业化示范项目”。该 产品己被英困联合利华公司、美国保洁公司、同本花王公司等广泛采用，远销欧美及亚洲 的十几个幽家和地区。目日仃，该公司新型荧光增白剂在国内市场份额已达9 0 ，成为全球 第二大生产商。 由于需求方对c f - 3 5 l 产品的粒度、强度、形状有很严格的要求，新纪公司向丹麦鲁 尼公司提出引进年产3 0 0 吨c f 一3 5 1 造粒装置，但是对方高昂的商务报价，使企业难以承 受的。为此，我院将c f 一3 5 1 造粒装置的丌发作为院资助的攻关项目，于2 0 0 6 - - - 2 0 0 7 年内 分两次给予资金及人力上一卜的投入。寄希望于项目丌发成功后，既解决了企业自身的技术 需求，为企