（化工过程机械专业论文）惰性粒子流化床干燥硫酸镁溶液的研究.pdf

中文摘要 用惰性粒子流化床于燥器对硫酸镁溶液进行干燥，考察了分布板刀：孔率、 惰性粒子总量、惰性粒子直径、加料量、气体流量、入口气体温度等操作参数对 体积传热系数、干燥速率、床层压力降、热效率以及干燥产品粒度的影响。通过 实验总结出的体积传热系数、干燥速率、床层压力降等半经验计算公式，形式简 单，相对误差小，适用范围较广，并且通过建立理论模型计算了干燥过程中物料 的平均湿含量和平均温度，可作为今后工程设计和生产操作的理论参考依据。 理论分析和实验结果表明，惰性粒子流化床干燥器具有体积传热系数大。干 燥强度大，干燥时间短，干燥产品粉粒细等优点，是一种集干燥、粉碎于一体的 高效节能干燥设备。在工农业各个领域都将有广泛的应用前景。 、_ 7l、v。 关键词：干燥流化床惰性粒子 体积传热系数 干燥速率床层压力降 a b s t r a c t i nt h ep r e s e n tr e s e a r c h ，t h ef l u i d i z e db e dd r y e rw i t hi n e r tp a r t i c l e si sa d o p t e dt o d r ym a g n e s i u m s u l p h a t es o l u t i o n t h ee f f e c t so fo p e n i n gr a t i o o fd i s t r i b u t i o np l a t e ， i n e r r p a r t i c l ev o l u m e ，i n e r tp a r t i c l ed i a m e t e l f e e dr a t e ，g a sv e l o c i t ya n di n l e tg a s t e m p e r a t u r eo nv o l u m e t r i ch e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，d r y i n gr a t e ，b e dp r e s s u r ed r o p ， h e a te f f i c i e n c ya n dg r a n u l a r i t yo fp r o d u c t sa r ei n v e s t i g a t e d b ye x p e r i m e n t ，s e v e r a l f o r m u l a so nv o l u m e t r i ch e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，d r y i n gr a t ea n db e dp r e s s u r ed r o pa r e o b t a i n e d a n ds e v e r a lt h e o r e t i c a lm o d e l sa r es e tu pt oc a l c u l a t ea v e r a g em o i s t u r e c o n t e n ta n da v e r a g et e m p e r a t u r eo fm a t e r i a li nt h ec o u r s eo f d r y i n g t h e s ef o r m u l a s ， w i t hs i m p l ef o r m sa n ds m a l lr e l a t i v ee r r o r s c a nb eu s e di naw i d e - r a n g ef i e l da n d d i r e c te n g i n e e r i n gt h ef u t u r ed e s i g na n dp r o d u c t i o np r o c e s s t h ea n a l y s i si n t h e o r ya n dt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a t f l u i d i z e db e dd r y e r , w i t hh i g hv o l u m e t r i ch e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t ，h i g hd r y i n g i n t e n s i t s h o r td r y i n gt i m ea n ds m a l lg r a n u l a r i t yo fp r o d u c t s ，i sak i n do fh i g h l y e f f i c i e n ta n d l o w - e n e r g y c o n s u m p t i o nd r y e r w i t ht h ef u n c t i o no f d r y i n g a n d p u l v e r i z a t i o n i ng e n e r a l ，t h ef l u i d i z e db e dd r y e rw i t h i n e r tp a r t i c l e sw i l lb e a p p l i e di n a l li n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lf i e l d si nt h ec o m i n gf u t u r e k e yw o r d s ：d r y i n g f l u i d i z e d - b e di n e r tp a r t i c l e v o l u m e t r i ch e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t d r y i n gr a t e b e d p r e s s u r ed r o p 蒌堡v 人堂堡主堂垡堡奎 二! ! 互二 前言 随着我国国民经济的发展，干燥技术和干燥设备取得了很大的进展，正确地确 定干燥方法和进行干燥操作是保证和改善产品质量的重要手段之一。对于干燥设备 的基本要求是保证必需的质量指标和最佳的能耗指标。因此，研发并制造具有现代 科学技术水平的，低费用高生产率环保型的干燥设备有着巨大的经济意义和社会效 益。 惰性粒予流化床干燥技术是七十年代发展起来的一种新型干燥技术，近几年在 国内外都取得了较大进展，在制药、印染、食品、化工、建材等领域都得到了广泛 的应用。惰性粒予流化床干燥器是在流化床中放置一定量的玻璃珠、陶瓷球、聚四 氟乙烯塑料块、不锈钢柱等惰性粒予作为物料流化的载体或分散介质。干燥过程中 物料附着于惰性粒子表面、从而增大了气固相间传热、传质表面积，使物料从惰性 粒子及热空气得到热量并随之剧烈搅动，减小了气膜阻力，大大提高了传热传质效 率。通常，惰性粒予流化床干燥器的体积传热系数可达2 3 0 州9 0 0w m k ，干燥 强度可达5 0 - - 4 0 0 k g 水m - 3 h ，热效率达3 0 7 0 t ”，尤其适用于含水量较高的溶液、 悬浮液以及不易干燥的膏糊状物料和热敏性物料。 关于流化床干燥，前人已作了很多工作，但由于流化床内的传熟过程是多种机 理综合的复杂过程，因此对惰性粒子流化床干燥器报道的内容多集中在研究工艺条 件的实用性方面，较为准确的定量计算式甚至半经验公式都很少。本文通过惰性粒 予流化床干燥器干燥硫酸镁溶液的实验，对分布板开孔率、气体流量、温度、惰性 粒予直径等因素对惰性粒子流化床干燥的影响进行了研究，并通过建立理论模型计 算了干燥过程中物料的平均湿含量和平均温度力求了解其传热、传质机理，以期 为今后惰性粒予流化床干燥器的工程设计提供参考依据。 l 盔坚叁堂堡堂垡笙兰 一苎二皇二型! ! ! 生 第一章文献综述 1 1 流化床干燥器的发展概况及其特点 世界上最早报道的流化床干燥器于1 9 4 8 年在美国应用于白云石的干燥p j ，这是 一种简单的单层流化床干燥器。单层流化床干燥器广泛应用于石灰石、白云石、煤 等物料。此后，流化床干燥器的发展又经历了双层、多层、卧式多室、喷雾流化床 和喷动流化床干燥器等几个阶段【4 】，操作方式也从间歇式发展到连续操作。从被干 燥的物料来看，大多数产品为粉状( 如氨基匹林、乌洛托品等) 、颗粒状( 如各种片 剂、谷物等) 、晶状( 如氯化铵、涤纶、硫铵等) 。被干燥物料的含水率一般为1 0 , - - 3 0 ， 物料颗粒度在1 2 0 日以内。流化床气体分布板的型式有筛板、筛网以及烧结密孔板 等，目前国内多采用筛板式。 流化床干燥器具有以下特点： ( 1 )颗粒与热干燥介质在流化状态下进行混合与分散，故气固相间传热、 传质系数及相应表面积均大。 ( 2 )由于气固相间在流化状态下快速传热传质，使物料床层温度均一并且 易于调节，有利于获得质量均匀的产品。 ( 3 )设备体积传热系数大，生产能力大，在小型装置内可以处理大量的物 料。 ( 4 )设备结构摘单且投资少，操作、维护和检修方便。 1 2 惰性粒子流化床干燥器简介 惰性粒予流化床干燥器是在干燥器中放置一定量的玻璃珠、陶瓷球、聚四氟乙 烯塑料块、不锈钢柱等惰性粒子作为物料流化的载体或分散介质。从分布板以下干 燥器底部进入的热风使惰性粒予呈流化状态，形成惰性粒子流化床，物料进入干燥 器后，在惰性粒予表面形成物料薄层，此物料薄层从惰性粒子及热风得到热量。湿 分蒸发物料变干后由弹塑性变为弹脆性，随着惰性粒子之问的碰撞摩擦，物料薄层 自小球表面以片状或粉状剥落下来，使物料边干燥边粉碎，由粗变细，细粉由尾气 带出，经分离器得到干燥产品。由于流态化的惰性粒子总表面积很大。附着在小球表 面上的物料薄膜的总面积也很大。这样传热面积相当大，物料l i 缶界瀑含量降低，热 风粒了与物料又是在流态化的情况下进行传热传质，因而具有很大的体积传热系数 和干燥强度。通常，惰性粒予流化床干燥器的体积传热系数可达2 3 0 0 - - 6 9 0 0 w m k ， 2 盔鲨叁堂堡主堂垡堡奎皇三生兰塑! ! 坠 干燥强度可达5 0 - - - 4 0 0 k g 水m - 3 h ，热效率达3 0 - 7 0 一1 。 惰性粒予的材料、尺寸和形状对整个干燥过程和产品质量关系极大。惰性粒子 材料应是耐磨、耐热、无害和具有适中的重度，并与被干燥物料不发生化学反应。 工业上所用的材料丰要包括细瓷、玻璃、氧化铝、氧化皇告、氟塑料、卵石、石英砂 等。大量实验表明，惰性粒予在使用中自身磨损不大。这是由于惰性粒子表面总是 附着一层物料，而粒予间又充填着物料。因此从已获得的国外检验资料来看，产品 中几乎不含惰性粒予成分。惰性粒予尺寸一般以3 - s m m 为宜。尺寸较小时单位面 积增大，在给定的气速下流化情况较佳，有利于强化设备的传热、传质。但粒子过 细时，粒子之间碰撞力较小可能不足以磨去粘附在小球上的干粉层。小球直径过 小，当气速稍高时会导致小球飞出，限制气速，也将限制生产能力的提高。粒子以 球形为最佳，这有利于物料在其表面形成均匀的薄膜，减少操作时小球本身的磨损。 同时，球形体可能提供较大的碰撞力和剪切应力，有利于千粉层的脱落。 惰性粒予流化床干燥器是1 9 5 5 年由s c h i m i d t 提出的f 1 “，并被f r a n z 蒸发海水实 验所应用 1 1 o1 9 7 0 年，v a n e c e k 等人用些物料对惰性粒子流化床连续操作的干燥 性能和操作条件进行了初步研究，推动了惰性粒子流化床的发展和使用【i7 1 。在七十 年代，惰性粒子流化床干燥器有了相当大的发展，已广泛地应用于染料工业、涂料 工业生产中。美国1 9 7 5 年公布的流态化干燥器专利也介绍了美国在这方面的进展情 况【l ”。在国内，天津大学、沈阳化工研究院、成都工学院、东南大学等也都做了许 多工作，取得了较大成绩。 惰性粒予流化床干燥器丰富和发展了流态化干燥技术，它将在化工、轻工、医 药、农药，食品和建材工业占有一定的市场，并将发挥其独特的优势。 1 3 惰性粒子流化床干燥器的应用与展望 。 1 3 1 惰性粒子流化床干燥器的工业应用状况 在国外，前苏联是惰性粒予流化床干燥器开发和使用最早的国家，他们已在苯 胺染料、油漆工业、化学试剂工业、食品以及制药工业等部门。广泛地虚用此法来 干燥溶液，悬浮液和膏糊状物料【4 】。 在染料工业i 垂1 # 1 - 从1 9 6 0 年开始就进行了惰性粒子流化床干燥苯胺染料的研 究工作，至1 9 7 9 年已经有4 0 多台惰性粒子流化床干燥器在正常运转，惰性粒子为 聚四氟乙烯塑料柱或球，其尺寸为5 6f i l m ，设备体积从1 5f i l 3 到6m 3 不等。用这 种干燥器干燥活性染料的悬浮液和酸性染料的膏状物料。后来，在干燥酸性染料时， 于干燥器内增添了搅拌装置，借以扩大传热传质面积并强化干燥过程。表i 1 列出 了惰性粒子流化床干燥器干燥染料时的牛产数据。 盔鲨查堂堡主兰竺堕奎一。i 2 已苎苎! ! 塑 在油漆涂料工业用的干燥器是顶角呈7 4 度的圆锥一圆筒型设备，设备体积为 2 7 m 3 。这种干燥器被用来干燥经过压滤机或真空过滤机过滤后的膏状无机涂料。干 燥介质是温度为2 6 5 叫0 0 的烟道气，尾气温度为7 3 1 4 0 c 。由于温差大，理论热 效率可达6 8 7 9 。物料含水率可从5 0 6 8 降到0 5 3 。干燥器的干燥强度为8 3 k g 水m - 3 h 。1 ”。 表1 1 惰性粒子流化床干燥器干燥染料时的生产数据 t a b i el - lt h e o p e n i n g d a t ao f d r y i n g d y e s t u f f i nf l u i d i z e db e dd r y e r w i t hi n e r t 特性活性紫( 悬浮液)立德染料( 膏状物) 干燥器体积( m 3 ) 3 0 71 5 初始湿含量( ) 8 05 0 最终湿含量( ) t 0 5 干燥介质 热空气热空气 初始温度( ) 1 5 01 7 0 最终温度( ) 8 09 0 惰性粒子直径( m m ) 5 74 5 热效率( ) 5 45 6 干燥强度( k g 水m 一h “) 1 1 1 4 l 前苏联纯化学试剂研究所设计了直径为1 4 m ，高1 s m 的圆筒形干燥器，采用 3 3 3 m m 的四氟块作为惰性粒子，设备用于干燥某些化学试剂的悬浮液，当进口 空气温度为2 5 0 ，出口温度为1 0 0 时，物料含水量可由8 5 9 3 降低到o 3 ，理 论热效率达6 5 ，干燥强度达1 6 4k g 水m h 一。干燥出的产品在分散性和含水量 方面均能符合要求1 4 j 。 在食品工业上，将干燥器设计成圆筒型，用四氟塑料块作惰性粒子干燥蛋白， 干燥器热风温度由1 1 3 降至5 8 ，蛋白水分由9 0 降至9 ，干燥强度为2 1 4 k g 水m - 3 h 。与喷雾干燥相比采用这种干燥方法是比较经济的：降低了金属用量，减 少了蒸气耗量，而且改善了产品质量，分散性与溶解性好，无结块现象。经分析化 验在产品中没有发现四氟塑料的痕迹。这种干燥器也用于其他食品的干燥【4 l 。 在制药工业中，用氟砂为惰性粒子的流化床干燥器干燥胶质药荆。在一个长方 形的，体积为2 5m 3 的设备中，膏状物料的含水率可以从8 0 降到3 4 。空气入 口温度为1 4 0 一1 5 0 ，出口温度为9 9 5 ，干燥强度为2 1 5 k g 水m - 3 h ，且兼有干 燥和粉碎两种功能，产品质量也好。用这种设备也干燥过菌丝体【1 。 4 茎堡奎堂堡主堂焦堡壅 一 箜二垩三堡! ! l 生 乌拉尔化学研究所使用惰性粒了流化床干燥器干燥硫酸生产中的钒催化剂a 催 化剂的悬浮液加到一个直径o 8 3 m 、高3 5 m 的圆筒形的电解刚玉流化床内。干燥介 质入口温度为6 0 0 ，出口温度为1 0 0 1 5 0 。干燥器的干燥强度为5 3 0k g 水m h ，由于温差很大，理论热效率可达8 6 。一台这样的惰性粒予流化床干燥 器可代替原来的1 0 台真空耙式干燥器，经济效益为1 5 0 万卢布年【j 。 前苏联全苏化工机械制造科学研究所研制出chh 一1 6 4 0 型干燥装置，用来 干燥湿含量在8 0 以下的膏状物料、悬浮液和溶液。悬浮液和溶液由气动喷雾器雾 化，膏状物料由给料器定量加入。 从工业规模的惰性粒子流化床干燥器的运行情况可以看出，尽管这种干燥器形 状各异、用途不同，但它们的操作都是非常稳定的。床层的重量实际上是个常数， 与加到床层中的惰性粒予总量几乎相等。当加料量不超过最高限度时，床层是疏散 的，因此湿物料加到床层上面或床层内部对干燥没有多大影响。利用带搅拌装置的 流化床，膏状物料可以间歇批量地加入，物料的分散状态也比较好1 1 9 1 。 在国内，东南大学与上海助荆厂合作，将惰性粒子流化床干燥器应用于荧光增 白剂v b l 的生产中。进料采用喷雾方法。设备克服了喷雾干燥传热系数低、停留时 间长、粘壁等缺点，利用了流化床的传热系数高的优点。同传统的厢式干燥器相比， 产品合格率提高了3 0 , - - 4 0 ，增白效果提高了5 6 ，热效率超过5 0 ，干燥强度达 4 0 0 5 0 0 k g 水m 一h 1 ，设备体积为同等干燥能力的喷雾干燥塔的1 1 1 0 1 2 1 。 天津大学成功地将惰性粒子流化床干燥器用于光敏重氮盐的千燥粉碎生产中。 高速光敏重氮盐是我国自行开发的新品种，属非银盐感光材料，具有光敏性和熟敏 性。干燥前为含水率约为3 0 的湿滤饼，呈团块状。原来采用厢式干燥，温度为4 0 ，干燥时间约6 0 h ，干燥后再粉碎，工人带防毒面具在碴室中进行操作惰性粒 予流化床干燥器用直径为3 r a m 的玻璃珠作惰性粒子，热风入口温度为5 0 ( 2 ，千品 粒度1 0 0 目左右，水溶性好。有效成分达9 6 * , , - 9 7 ，其中含水分约2 ，干燥时间 短，又是避光操作，产品外观星浅橙红色，其质量可与进口产品媲美。天津大学还 与常州范群干燥设备厂合作，用惰性粒予流化床干燥器成功地干燥了聚合硫酸铁， 产品性能良好。此干燥器已有定型产品【w 。 1 3 2 惰性粒子流化床干燥器的实用性研究状况 前苏联的研究人员对惰性粒予流化床干燥器的设计问题进行了研究，认为设计 问题主要取决于最大允许载荷：单位时间内每k g 惰性粒子所蒸发的水分量。这要由 被干燥物料的物理化学性质决定。干燥悬浮液时，最大允许载荷为1 5 - , 2k g 水k 岔1 惰性粒予h “；干燥膏状物料时，为3 k g 水k g 1 惰性粒子h 1 ；在有搅拌的条件下，可 墨鲨查兰堡主兰竺堡奎皇! 生奎! ! 堡生 达6 8 水k 窟1 惰性粒予h 。惰性粒予的装填量取决于按蒸发水分计的生产能力：惰 性粒子装填量= 蒸发水分量，惰性粒了的负荷。在保证设备生产能力的前提下，床层 阻力不应太大，气体分布板要能保证物料处于最佳的流体力学状态。罗曼克夫等人 对圆筒形、圆锥一圆筒形和旋流床三种类型的惰性粒予流化床的流体阻力进行了计 算，其结果是圆锥一圆筒形最大，圆筒形最小，旋流床的流体力学状态最有效，并 在一定的范围内波动【”1 。 日本株式会社奈良机械制作所对惰性粒予流化床干燥器也进行了研究，他们得 出的结论是：( 1 ) 可以得到与物料粒子直径相同的粉体粒予：( 2 ) 可以干燥高粘型 物料；( 3 ) 传热系数高，同喷雾干燥装置比较体积是其1 2 0 ：( 4 ) 不需要喷雾装置， 没有必要稀释浆料浓度；( 5 ) 维护、保养简单易行。据奈良机械制作所滨田宪二的 报导，他们的惰性粒子流化床干燥器实验装置内部不设搅拌器，也不设喷雾装置， 降低了成本，而且性能很好。设备直径2 0 0 r a m ，总高1 5 0 0 r a m ，热风入口温度2 0 0 ，干燥强度为8 0 k g 水r r l 一h ，体积传热系数达到了2 3 0 1 1 w m ，适用于多种 物料的干燥和粉碎。特别是装置内设置了强化循环装置，如图( 1 - 1 ) 所示，把相互 粘连的大颗粒用螺旋叶片再送到碰掩最刷烈的分布板附近，从而使其粉碎。对于高 粘度的物料，即使粘度达到2 0 p a s 也能有效地进行干燥【i l 。 二。一： 。v 呻a 。 ： ，0 。、， t 、。 r i “一” ，o _ ：，：j 忙鼬$ 墨墨畔。i 、：； p 1 f 图1 - 1 强化循环装置 f i g l - 1c i r c u l a t i o ni n t e n s i 母i n gd e v i c e 匈牙利科学院化工研究所的z o r m o s 通过对2 0 种不同的有机物料的实验。在 设备内设置了搅拌装置，在设备主体引进 了二次切向气流。在设备的分离段上方加 了后干燥室，目的是增大床层的湍动程度 和改善干粉含湿置的均匀程度。通过实验 对惰性粒子流化床干燥器的经济性进行 了评价。得出的结论是：( 1 ) 在热效率方 面，惰性粒子流化床干燥器为4 0 - - 6 0 ， 对热敏性物料来说。因为只能采用低入e l 气温，所以热效率只有2 0 - 4 0 。不如常 规流化床。热效率低的主要原因是被干物料的粉粒和热空气在床层中的停留时间太 短、尾气带走的热量太多所致：热效率低的另一个原因是后干燥宣切向风的热利用 率极低。( 2 ) 在生产成本方面，惰性粒予流化床干燥器的占地费用、基建投资、操 作费用均低于常规流化床干燥器，使用惰性粒予流化床干燥器能使干燥总成本降低 4 0 5 0 。( 3 ) 用惰性粒予流化床干燥器干燥高粘度的膏状物料具有很大的优势【引。 6 天i 舡人学硕士学位论文 第一章文献综述 成都工学院等单位利用惰性粒予流化床干燥器，成功地进行了腐植酸钠及硅藻 土等的干燥过程的研究。腐植酸是黑色溶液，呈胶体状，含水率在9 5 以上，溶液 有一定的流动性，但流动性很差，干燥后含水率在1 0 以下。设备顶角为3 0 度的 圆锥形干燥器，用直径为3 0 3 3 m m 的石英砂作为惰性粒子。气体分布板开孔率 为3 0 。静止床层高度为1 0 0 2 0 0 m m 。当风量为9 8 5 m 3 h 。流化数为2 7 时，热 效率为5 8 2 ，干燥强度为1 2 0k g 水m - 3 h 一。当风量为1 2 5 m 3 h ，流化数为5 8 时， 热效率为3 8 4 ，生产能力5 9k 水m - 3 h “1 4 j 。 天津大学对液状物料【9 】、膏糊状物料川、胶状树脂( 脲醛、密胺) 1 2 2 1 和冻状树 脂( 腈钠盐、高倍吸水树脂) 进行了干燥研究。设备干燥强度为5 4 1 0 - 9 4 1 6 ，热 效率为2 4 2 4 - - 3 7 8 7 ，产品为微粉状，含湿量在5 以下。用事实证明了用惰性粒 予流化床干燥器干燥胶状树脂不仅可行，而且在产量和质量方面优于喷雾干燥、厢 式干燥和进1 2 1 的膜式干燥t 而连续干燥冻状树脂，采用惰性粒子流化床干燥器是有 效的办法。 i 4 干燥模型的研究与发展 在化工单元操作的理论研究中，对于干燥的理论研究是比较薄弱的，这一领域 多是工业使用研究。而惰性粒子流化床干燥器由于是一种较新型的干燥设备，所以， 有关它的理论研究资料更少。 匈牙利科学院化工研究所的z o r m o s 对惰性粒子流化床干燥器进行了实验研 究，他提出了一个简化的干燥模型【羽，并据此模型做了经济性评价。他在建立干燥 模型时有如下假设： 1 惰性粒予为球形且尺寸均匀： 2 惰性粒子表面被湿物料均匀覆盖： 3 干燥速率恒定； 4 干燥速率由热交换唯一确定； 5 所有干燥后的产品在挤碰下破碎，随气流离开床层： 6 粒子混合均匀； 7 气体温度随着床高呈指数规律降低并趋于一个定值。 z o r m o s 建立的方程如下： 物料滞留率p ：旦旦( 1 - i ) u j 7 天津人学硕十学位论文 第一章文献综述 干燥速率象= 等 z ， d ：掣( i - 3 ) o p 积分解干燥速率方程，由初始条件t = 0 ，x = x 0 ，代入6 值，得到离开干燥器物料 的湿含量： x ：州l 一半) ( 1 - 4 ) 干燥参数孝= 瓦可孝 (1-5) 五一7 1 ：( 瓦一t ) e x p ( 一a t o ( = l - - 一e ) 一圩) ( 1 6 ) ”l d 实际热效枷措= 篇 理论热效率刁= 等 式中： p 一湿物料的密度，k g m d ： p 一惰性粒子真密度，k g m 一： g 6 、g 厂床层的平衡质量与惰性粒子质量，k g ； g 。一进料量，k g s ； 口一热交换系数，w m k ： j 一湿物料层厚度，m ； 国一惰性粒子的比表面积，m 2 m 一： 乃、乃一流化床气体入1 3 和气体出口温度，k ： 卜物料温度，k ： 仔一汽化热，j ，k g i ： 卜流化床气体入口与出1 3 的温度差，k ： 开一气体入口与出口的理论温度差， ( ： 矗一气体入口和环境温度差，k ： 8 ( 1 7 ) ( 1 8 ) 墨鲨查堂堡主兰堡丝苎一j 堑二童三型! ! ! 生 u 一空气速度，m s ； g 一空气比热，j k g 1 k ： 仔一流化床高度，m 。 据此，z o r m o s 对惰性粒予流化床干燥器的经济性作了评价，他用2 0 种不同的 有机物料来完成实验，从得出的数据进行分析可以看出：使用惰性粒子流化床干燥 设备能使干燥成本降低4 0 - 5 0 。 另一位匈牙利科学家s z e r t w a r j a y t 从流体力学相似性研究类似这种干燥的模拟 放大，从而得到了有关压力降与各种影响因素之间的关系。他指出床层压力降可以 作为雷诺数的一个函数f 引1 。 他通过因次分析的方法得出了计算床层压力降如的公式： 蝇2 孚p2 l 警“，s j ” 式中 r e ：生 ( 1 1 0 ) 与临界流化速度相对应的床层压力降由下式计算： 只矿= ( 1 一e ) h ( p 。一p ，) ( 1 - 1 1 ) 式中：抒一床层高度，m ； s 一床层空隙度： p ，一空气密度，k g m 一； y 一空气运动粘度，m 2 s 一； 以一惰性粒子密度，k g m 一。 ， 从s z e r t w a r j a y t 的研究中可以给我们一个启示，即可利用因次分析的方法来研 究床层压力降与其它影响因素的关系。并给本文提供了可供比较和参照的基本公式。 前苏联的a i t a m a r i n 研究了惰性粒子流化床中颗粒的传热和传质，他的流化床 中装有粗大的惰性颗粒( 1 2 - 6 3 r a m ) ，由实验数据推导出以下的无因次关系式 1 3 】： 传热方程为： 以= o 1 4 a r 。3 ( 导) “2 ( 丛) ”“( 卜1 2 ) d-p 传质方程为： 9 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 s h = 0 1 1 7 a r 。3 9 ( d q ) ”守”( 1 - 1 3 ) 式中才一湿物料颗粒直径，m 。 卉一惰性粒子颗粒直径，m ； p 一湿物料密度，k g m 7 p ，一惰性粒子密度，k g m 。 t a m a r i n 第一次把惰性粒子的直径和物料颗粒的直径分别代入公式，为本文的实 验研究提供了参考。 v e k u t s a k o v a 在其应用惰性粒子干燥溶液的动力学研究中讨论了应用惰性 粒予流化床干燥溶液过程的数学模型1 4 l 。描述了粒子温度的分布以及表面上覆盖有 一层薄膜的粒子与加热介质之间的传热。 描述不同时间粒予温度变化的公式： 了d o ：上口。q ) ( t h 一日) ( 1 - 1 4 ) d r o p l c l = 蔫( 1 - 1 5 ) 在连续操作的流化床中被喷涂的颗粒的分布密度： p ( r o ) = v e x p ( 一v 7 0 ) ： ，：堡 9 4 册f ( + ”o ) 干颗粒和湿颗粒的关系： 鼍u p 氓机油。= 1 干颗粒的平均温度 o k 俩j 丹一够+ i a3 户瑚2 等 n 流化床单位长度上的加热介质： g “识= - - 4 刃鲫。哦( z ) 一o n ( z ) d z ( 1 1 6 ) ( 1 - 1 7 ) ( i - 1 8 ) ( 1 - 1 9 ) ( 1 - 2 0 ) 垄鲨叁兰堡主望些堡塞 羔r 二蔓l 苎! ! ! ! 生 加热介质温度和流化床层高度之间的关系： 瓦( z ) = 万+ ( 瓦。一百) e x p 一p ”( 孝) d ( f ) 】：( 1 - 2 0 o 4 耐a n o 口2 一 。 g 计算加热介质的平均温度和设备出口的温度： i ：石+ 堡二旦【l - e x p ( 一帅 p 乃。= 0 + ( 巧，一0 ) e x p ( 一p ) 整个设备的能量平衡式： g ， i ：i 铲t + c ，( 。，一巧，m ) 】= g h c 一( l m 一瓦w ) 以上各式中： d 一热容，j k g k 。 e 一传质系数，k g s _ 1 ； g 一分布系数，k g m ： 一流化床床层高度，m ； ，一料膜厚度，m ： ”一沿床高的粒子分布密度，m ； 9 一热量流量，w ： 一汽化潜热，j k 9 1 ； r o 一惰性粒子半径，m ； 卜床层温度，k ； l 厂一物料湿含量，k g k g ； t 2 一膜表面的散热系数，w m o k 一。 ( t o ) 一t o 时间内粒子分布密度； 口一惰性粒子温度，k ； a 一膜的热传导系数，w m - i k ； p 一物料密度，k g m ： f 一时间，s ； 1 1 ( 1 - 2 2 ) ( 1 - 2 3 ) ( 卜2 4 ) ( 1 - 2 5 ) 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 巾( 0 ) 一温度为口的干粒子的分布密度，( k ) 一： 中( f 。) 加热时间为r 。时干颗粒的分布密度。 法国人s c o b b i n a h 利用带振动框的惰性粒子流化床干燥器对谷物干燥动力学进 行了实验研究，研究的重点放在气体流速、温度、湿度以及惰性粒子的物理性质对 干燥过程的影响，并利用f i c k 扩散机理解释了实验结果【1 5 】。 他认为干燥动力学既不受流化数的影响，又不受惰性粒子物理性质的影响，控 制动力学的因素是内部湿分的迁移，最重要的是获取较低的皮欧数b h ，他的理论 是基于两令机理，一是毛细管和扩散机理，二是蒸发凝聚理论在此基础上，他建 立了如下的数学模型： 数学模型的基本假设：内部湿分迁移机制是扩散机制，流量由f i c k 定律给出： n = n 见( ，t ) g a r d m( 1 - 2 6 ) 式中：d 。厂一有效扩散系数，实际上是湿物料温度t 和湿含量m 的函数。 数学公式： 1 瞬间传质方程：基于f i c k 扩散流量的微量湿分平衡导出的一般性方程。 譬= g a r d d ( 妒，r ) ( 1 - 2 7 ) 2 瞬间传热方程：对于粒状物料，已给出低的b i h ，忽略内部温度梯度，就得 到简化的微量热平衡式： 以q p - ”- 3 1 7 = 一 ( 堙一) 一(,ta c h v 1 - 2 8 ) 在列出了热、质平衡方程以后，c o b b i n a h 提出了他的简化假设： ( i ) 在湿含量低( 2 9 l o 干基) 的范围内，在给定的温度下，扩散是不依赖于 湿含量的： ( 2 ) 湿分迁移是等温过程： ( 3 ) 谷粒认为是球形，其当量直径定义为： d 。= ( 兰。) “3( 1 - 2 9 ) ( 4 ) 认为谷粒是剐性的且恒温。 在这些假设的条件下，方程可以在球坐标下简化为一维扩散过程： 警：譬( 吾要+ 筹) ( 1 - 3 0 ) 国， 、，毋毋2 7、1 。u 7 其初始条件和边界条件： ( 0 ) = 丸 ( 1 - 3 1 ) 盔鲨查兰堡主堂垡堡奎一至三兰l 奎堕! i 生 庐( 尺，) = 丸 ( 1 - 3 2 ) - 旦里( o ，f ) = o ( 1 3 3 ) 咖 边界条件( 卜3 2 ) 指定在粒了流体界面上恒定的湿含量值，这个恒定的湿含量值 认为等于由等温吸附给出的平衡湿含量。 方程( 1 3 0 ) 可以采用平均相对湿含量作为时间的函数。 通过计算得出扩散系数与温度的关系式： 一f “ = d oe x p ( 署) ( 1 - 3 4 ) c o b b i n a h 对带振动框的惰性粒予流化床干燥器提出了数学模型，但是他的模型 的前提是：干燥动力学既不受流化数的影响，又不受惰性粒子物理性质的影响。这 与其他资料以及实验情况是不符合的。究其原因。c o b b i n a h 的实验是在振动床中做 的，振动框的加入大大地改善了流化状态，使物料与惰性粒子很容易流化起来，这 样，流化数对流化状态的影响就减弱了。同时，由于流化容易进行则惰性粒子的 物理性质如尺寸、形状等对流化状态的影响就可忽略。正因为c o b b i n a h 的数学模型 的前提和本文的实验不符合，他实验的结论只能适用于教粒状物料如谷粒，此外， 他的干燥实验不是连续操作，而是间歇式干燥，而本文研究的是连续干燥过程，所 以本文不能借鉴他的数学模型，但是他的研究方法和思路对我们是有启发的。 朝鲜现代科学技术研究院化学工程研究所的d o n g - h y u nl e e 和s a n g - d o n g k i m 进行了用惰性粒予流化床干燥淀粉的实验研究 1 6 1 ，实验是间歇操作。从空气、水、 淀粉和惰性粒予在整个流化床中的体积分率入手，推导了干燥速率的微分表达式， 并关联成无因次表达式。实验设备内径o 0 8 3 m ，高o 8 m ；惰性粒子是直径为 o 4 1 0 m m 的玻璃球；沿床层高度分布多个温度传感器和压力传感嘉。淀粉初始干 綦湿含量为4 5 。流化床表观气速为o 3 2 , - , 0 6 7 m s - 1 ，热风入1 3 温度为2 5 , 一1 0 0 c ； 淀粉与惰性粒予的质量比为0 1 o 4 。他们认为惰性粒子流化床干燥过程的机理是： ( i ) 在气泡相作用下惰性粒子与物料发生混合，并将与其附近的物料粘附在表面； ( 2 ) 物料l 吸收热量，湿分被蒸发：( 3 ) 在惰性粒子剧烈的碰撞、摩擦作用下，干物 料被粉碎，细粉状物料由尾气带出。 m 、g 。 w - - - - - ”- + 谔旷q ) 一面j ( _ 一x o ) a 7 0 - 3 5 ) 干燥速率的表达式为： ， 1 一 r 2 音煮( m ! w ) ( 1 3 6 ) 干燥速率的无因此关联式为： 1 3 川3 2 1 0 2 【等托等 ( s 1 ) 咣 ( 1 - 3 7 ) 只：【竽】【堕】 ( 1 3 8 ) n fp 产 式中：驴干燥开始时，床层内湿淀粉的质量，k g ； 幻一干燥过程中，床层内湿淀粉的质量，k g ( m j m f ) 一淀粉与惰性粒子的质量比； 一能量扩散系数，m 2 s 一。 通过实验，d o n g - h y u nl e e 和s a n g - d o n gk i m 得到如下结论：( 1 ) 干燥速率随 着热风入口温度的升高而增大，随着气量的提高而增大；( 2 ) 干燥速率大约是搅拌 盘式干燥器的1 0 倍：( 3 ) 床层存在一个最佳空隙率，此时干燥速率最大；( 4 ) 淀粉 的干燥过程中恒速干燥阶段很短。 淀粉在惰性粒予流化床干燥器中有降速干燥过程，所以我们建模时不再假设惰 性粒子表面物料的干燥速率恒定，丽应该假设既有恒速干燥阶段，又有降速干燥阶 段。粘附一蒸发、干燥一粉碎这一干燥机理可以引用。他们的分析是从空气、水、 淀粉和惰性粒予在整个流化床的体积分率入手，推导了干燥速率的微分表达式，这 一分析方法可以为建立模型所借鉴。 东南大学的郭宏伟、范铭研究了惰性粒子的物料薄膜层的干燥时间【2 】，假设直 径为d i 的惰性粒予上包有厚度为占的物料薄层，其湿含量由w j 干燥到w 2 ，则所需 吸收的热量为： q _ - ( i + 6 0 ) 要户【( 一+ 2 万) 3 一一3 b ( 1 二3 9 ) q = 竺譬型+ c ( 卜t o ) ( 1 4 0 ) i w 式中：6 0 _ 一散热损失比例系数，0 b o l ； p 一物料密度k g m 一： a - - t l 下的水分汽化潜热，k 】k 酉1 ； f o 一进料温度，k ； f 1 一流化床平均温度，k 。 物料薄层依赖于热气流与薄层之间的热质交换进行干燥，在时间t 内其传递的 热量为： 1 4 盔堂查兰堡主羔垡堡茎l ! 生苎! ! ! ! 坠 q ：a a t x ( d ，+ 2 6 ) 2 t ( 1 - 4 1 ) 式中口一气体与薄层之间的平均传热系数，w m - 2 k ； t 一气体与薄层之间的平均传热温度，k 。 假设床层温度等于薄层的平均温度，又因为6 u 0 时，任何额外的流化气体均将作为气泡通过床层。这些气泡 在分布板上- 丌始比较小在上升的过程中这些小气泡很快合并。并且穿过颗粒床层， 引起流化床内粒子的剧烈混合。 ( 3 ) 输送阶段：若流体流速继续提高，床层高度大于容器高度，颗粒将会被流体 带走，床层内颗粒减少，空隙度增加，床层压力减小。当流速增至某一数值时，流体 对颗粒的阻力与颗粒的实际重量相平衡，此时的流速被称为带出速度u t 。若流体流速 丕婆盔堂堡! ：堂些堡；! ! ! ： 一墨三兰j 型塑壁王塑坐生型型型些! ! ! ! ! 堕 u 稍高于带出速度u 。，颗粒则会被流体带走。此时流化床情况如图( 2 3 d ) 所示。 厅 i 1 l ： 图2 - 2 流态化床层p 、h 和u 关系曲线 f i g2 - 2 r e l a t i o n s h i p o f p ha n du i nf l u i d i z 删lb e d abcd 州 图2 - 3 气体流化区 f i g2 - 3g a sf l u i d i z i n g z o r l e , $ ( a )固定床：u u 。f 无颗粒混台 ( b )起始流态化：u - - u 。r 中度颗粒混合 ( c ) 聚式流态化：u 。r ( u u t 快速颗粒混合 ( d ) 气流输送：u u 。 2 2 流态化的形成条件 当气体向上运动所产生的曳力等于固体颗粒的重力时，固体颗粒开始出现流态化 并形成流化床，用公式表示为： a p 彳，；( 爿，k ) ( 1 一占吖) ( 尸。一p g ) g ( 2 - 2 ) ill列稿1 燮仓 墨笙查堂堡：! 堂垡堡塞；三望l 塑丝垫王鎏堡盎堕些垫望! ! ! 堕 由上式可得： 等5 ( 1 - - g m ，x 哏涫 ( 2 3 ) 在起始流化的床层中，其空隙率略大于固定床层的空隙率，流化床层呈最松散状 态。对于随意填充的粒度均匀的颗粒床层，e r g u n 得出了计算固体床层压力降的半经 验公式： 等划。学筹扎，s 毕c o 等 协4 ， h oc i。d i ) i ! 争。d i 当= 町，8 0 。占。，u 0 = u ， 联立( 2 3 ) 、( 2 4 ) 式可得出临界流化时的表观速度u m f 的二次方程式： 祟盟监 2 + 1 5 0 ( 1 - 6 备) 23 掣纠：盟学( 2 s ) 。s 知l 。j，一。l 。j 。2 。 式中：丸一流化颗粒的球形度。 形成流化床的最小气速是临界流化速度u m f ，最高气速时颗粒带出速度u t 。 d a v i d s o n 和h a r r i s o n 指出：如果床层充分膨胀，直至空隙率接近于1 。此时床层实际 上有单个的，孤立的悬浮于流体中的颗粒所构成，因此描述流化态的任何公式在空隙 率为1 时可视为单颗粒情况【2 3 1 。从而，气体流量的上限近似等予颗粒的终端速度或自 由降落速度，其数值可由流体力学公式得到： ”4 9 d , ( p p w t - l u 7 ( 州_ ；- - p g ) 。l 3 既c a j p i n c h b e c k 和p o p p e r t 2 4 1 还推导了一个估算球形颗粒的( u i ，u m f ) 方程式。( u ti l l 。f ) 表示的指标为流化床的操作弹性。对于细颗粒( u t ，u 。f ) - - 9 1 6 ；对于粗颗粒( u t h i 。f ) = 8 7 2 。可见粗颗粒比细颗粒操作弹性差。 2 3 流态化的判别分类 流态化是以流体使固态物质流化的一种操作状态，般分为聚式流态化( 或称鼓 泡流态化) 和散式流态化( 或称平稳流态化) 【2 5 1 。 聚式流态化是固体颗粒以微粒团的形式出现，流体以气泡的形式通过床层上升， 气泡在上升的过程中慢慢长大，相互合并或有少数破裂，最后达到床层界面破裂，床 层压力损失波动，床层外观好似沸腾的液体，不存在固定的上界面。 敞式流态化是固体颗粒在床层均匀分布、平稳沸腾，是较理想的流态化】。目前 人们大多采用j o h n