（化工过程机械专业论文）流化床吸附干燥特性研究.pdf

天津科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集 体已经发表或撰写的成果内容。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：否磅生 日期：盘卯莎年弓月7 日 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天 津科技大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：劣姥易 日期：及价g 年丐月习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权天津科技大学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。 保密ii ( 请在方框内打“、”) ，在 年解密后适用本授权 书。 本学位论文属于 不保密 翊( 请在方框内打c ，) 。 作者签名夕巷毗羔日期：2 伊彳年；月刁日 导师签名： 叶朱也 日期：p 州年弓月7 7 日 摘要 随着工农业的发展，流态化干燥技术在散粒状物料的干燥方面获得了广泛的应 用。但是对于大颗粒( 如农作物的种子) 以及形状不规则的物料，使用流化床干燥时 会出现沟流现象，造成干燥不均匀；同时由于一部分热空气几乎没有与物料发生热量 传递便排出，并且大颗粒流化需要较高的气速，因而能量消耗增大。 当大颗粒物料在流化床中干燥时，通过加入一定量易流化的小颗粒，可使物料易 于流化，从而使被干燥物料在均一的环境中进行热质传递，并在定程度上减小了最 小流化速度；因而干燥产品质量好，能耗低。如果添加的易流化小颗粒具有吸附性， 则为流态化吸附干燥。流态化吸附干燥是将流化床中气流的干燥作用和吸附剂的脱水 作用相结合，吸附剂不仅起着流化的作用，同时起着传热介质和蒸汽载体的作用，可 使物料周围的水蒸气分压很低。流态化吸附干燥利用吸附剂吸收水分后放热的特点， 实现生物性物料的低温低湿度干燥。 本文以大豆种子为实验物料，硅胶为吸附剂，进行了静态吸附实验研究，通过在 流化床中通入一定流量空气进行了动态吸附实验和动静结合吸附干燥实验的研究，并 且在此基础上，对吸附干燥系统的性能及其影响因素作了较为全面的实验和理论研 究，建立了大豆的吸附干燥模型，详细分析了系统中各操作参数之间的相互关系及其 对干燥特性的影响，并对此进行了优化。本文分析了大豆初始湿含量、吸附剂与大豆 的混合比、硅胶粒径、床层高度以及风速等因素对干燥过程的影响，同时分析了硅胶 的吸水状况；对动态吸附和动静结合吸附干燥进行了对比分析。 本文实验结果表明：通过加入硅胶吸附剂，促进了大豆流化，增加了大豆种子的 湿分扩散率，提高了干燥速率；但是硅胶粒径的变化对于大豆干燥速率没有显著影响； 大豆初始湿含量、混合比及风速对大豆的干燥速率影响较为显著：大豆初始湿含量越 高，风速越高，干燥速率越快；混合比在2 ：1 时干燥最快；通过实验还发现，动静结 合吸附干燥与动态吸附干燥相比，干燥速率并无明显区别，但干燥产品质量提高，大 豆爆裂率减少。 关键词：流态化；干燥；吸附；动静结合；混合比 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，f l u i d i z e db e dd r y i n gt e c h n o l o g yh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h ed r y i n go fp a r t i c u l a t ea n dp o w d e r e dm a t e r i a l s b u tf o rl a r g ea r t i c l e s ( s u c ha sc r o ps e e d s ) ，a sw e l la si r r e g u l a r l ys h a p e dm a t e r i a l s ，f l u i d i z e db e dd r y i n gw i l ld i t c h r e f l o wp h e n o m e n o na n dc a u s en o n - u n i f o r md r y i n g ，s o m eo fh o ta i ri sd i s c h a r g e dw i t h o u t t r a n s f e r r i n gh e a tt om a t e r i a l s ；i na d d i t i o n , t h ef l u i d i z a t i o nn e e dh i g h e ra i rv e l o c i t ya n d h i g h e re n e r g yc o n s u m p t i o n t h i sr e s e a r c ha d o p t sm e d i a - f l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g y ，b ya d d i n gs m a l l e rp a r t i c l e st o f a c i l i t a t ef l u i d i z a t i o na n dm e a n w h i l ea d s o r bw a t e rf r o ml a r g e rp a r t i c l e st ob ed r i e di nt h e u n i f o r mc o n d i t i o n ；t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yo fm a t e r i a lc a nb ee n s u r e da n dt h em i n i m u m f l u i d i z a t i o nv e l o c i t yc a nb er e d u c e dt oac e r t a i ne x t e n t i ft h es m a l lp a r t i c l e sa r ea d s o r b e n t s ， t h e nt h et e c h n o l o g yi sc a l l e d f l u i d i z e da d s o r p t i o nd r y i n g ”f l u i d i z e da d s o r p t i o nd r y i n gi s t h ec o m b i n a t i o no fa i rf l u i d i z e db e dd r y i n ga n dt h er o l eo ft h ea d s o r b e n tw i t l ld e h y d r a t i o n a d s o r b e n ti sn o to n l yt op l a yt h er o l eo ff l u i d i z a t i o n ，b u ta l s oi st h em e d i u mo fh e a tt r a n s f e r a n ds t e a m ，w h i c hc a nm a k et h ev a p o rp a r t i a lp r e s s u r el o w e r t h et e c h n o l o g yc a na c h i e v e l o wt e m p e r a t u r ea n dl o wh u m i d i t yd r y i n gt ob i o l o g i c a lm a t e r i a l sb e c a u s ea d s o r b e n t s r e l e a s e dh e a ta f t e rw a t e ra b s o r p t i o n i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t 、i 廿ls o y b e a r ls e e d sa sm a t e r i a l sa n ds i l i c ag e l p a r t i c l e sa sa d s o r b e n t st oi n v e s t i g a t es t a t i ca d s o r p t i o nd r y i n g ，d y n a m i ca d s o r p t i o nd r y i n g a n dh y b r i do ff l u i d i z e db e dd r y i n ga n df i x e d d r y i n g t h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d i n f l u e n c i n g f a c t o r so na d s o r p t i o nd r y i n gs y s t e mi s i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e dt od e s c r i b et h ew a t e rt r a n s p o r tt h a to c c u r si nt h e s o y b e a n s i l i c ag e ls y s t e m t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dt h e i r e f f e c t so nt h ed r y i n gp r o c e s si sa n a l y z e d t h ee f f e c t so fi n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n t ，t h em i x e d r a t i o ，s i l i c ag e lp a r t i c l e s ，b e dh e i g h ta n da i rv e l o c i t yo nt h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so f s o y b e a ni si n v e s t i g a t e d ；t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nd y n a m i ca d s o r p t i o nd r y i n ga n dh y m d d r y i n gi sc o m p a r e d 。t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o i s t u r ec o n t e n td i s p e r s i o nr a t eo fs o y b e a r l s e e d si n c r e a s e dw i t ha d d i t i o no fs i l i c ag e lp a r t i c l e s i ti si n f e r r e dt h a tg a s s o l i d sc o n t a c t i n g i si m p r o v e dw i t ha d d i t i o no fs m a l lp a r t i c l e st ot h eb e do fl a r g ep a r t i c l e s i na d d i t i o n ，f r o m t h er e s u l tw ec a l lf r e dt h a tc h a n g i n gt h es i z eo fs i l i c ag e lp a r t i c l e sc o n s p i c u o u s l ya f f e c t s d r y i n gr a t e ，b u ti ti si m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s eo fg a sv e l o c i t y ，诵lt h ed e c r e a s eo fi n i t i a l m o i s t u r ec o n t e n t , a n dw h e nm a s sr a t i ob e i n g2 ：1 ，t h ed r y i n gs p e e di sh i g h i nh y b r i dd r y i n g s c h e m et h ed r y i n gr a t eh a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ec o m p a r e d 、析t hd y n a m i ca d s o r p t i o n d r y i n g ，b u tp r o d u c tq u a l i t yi si m p r o v e da n ds o y b e a nb u r s tr a t ei sr e d u c e d k e yw o r d s ：f l u i d i z a t i o n ，d r y i n g ，a d s o r p t i o n ，h y b r i d ，m a s sr a t i o 目录 l 前言一1 1 1 概：i 苤1 1 2 流化床干燥技术的发展l 1 2 1 流化床干燥器l 1 2 2 改型流化床干燥器2 1 2 3 组合干燥装置6 1 3 流化床干燥器的工作原理7 1 3 1 流化现象8 1 3 2 流态化的两相理论9 1 3 3 流化床内的混合9 1 4 流化床接触吸附干燥技术的应用一9 1 4 1 几种典型接触吸附干燥技术9 1 4 2 接触吸附干燥应用进展1 2 1 5 谷物干燥技术的研究与进展1 3 1 5 1 谷物干燥原理13 1 5 2 谷物干燥的过程1 4 1 5 3 谷物干燥方法1 4 1 5 4 谷物干燥设备16 1 5 5 谷物干燥的影响因素“1 7 1 6 本文研究内容1 8 2 谷物干燥理论基础19 2 1 物料的含水率1 9 2 1 1 湿基含湿量与干基含湿量1 9 2 1 2 大豆的平衡含水率。1 9 2 2 大豆的干燥条件2 0 2 3 谷物干燥品质2 1 2 4 谷物干燥理论模型2 3 2 4 1 单粒谷物的流化床干燥模型2 3 2 4 2 接触吸附干燥模型2 5 2 4 3 接触吸附干燥模型边界条件。2 6 2 4 4 接触吸附干燥模型方程求解2 7 3 大豆吸附干燥实验研究2 8 3 1 实验物料2 8 3 2 实验原理2 8 3 2 1 接触吸附干燥原理。2 8 3 2 2 流态化吸附干燥原理。2 9 3 3 静态吸附干燥实验设计2 9 3 3 1 静态吸附干燥实验步骤2 9 3 3 2 静态吸附干燥实验操作条件。2 9 3 4 动态及动静结合吸附干燥实验设计3 0 3 4 1 动态及动静结合吸附干燥实验流程图。3 0 3 4 2 动态吸附干燥实验设计3 1 3 4 3 动静结合吸附干燥实验设计3 2 4 实验结果与讨论3 4 4 1 影响静态吸附干燥的因素_ 3 4 4 1 1 大豆初始湿含量对干燥过程的影响。3 4 4 1 2 混合比对大豆干燥速率的影响3 5 4 1 3 粒径对大豆干燥速率的影响3 7 4 1 4 床层高度对大豆干燥速率的影响3 9 4 2 影响动态吸附干燥的因素。4 1 4 2 1 混合比对大豆干燥速率的影响4 1 4 2 2 风速对大豆干燥速率的影响：o oo o oo0 1 4 2 4 2 3 粒径对大豆干燥速率的影响4 4 4 2 4 床层高度对大豆干燥速率的影响。4 6 4 2 5 温度对大豆干燥的影响4 7 4 3 影响动静结合吸附干燥的因素4 8 4 3 1 混合比对大豆干燥速率的影响4 8 4 3 2 粒径对大豆干燥速率的影响4 9 4 3 3 不同动静结合周期对大豆干燥速率的影响5 1 4 4 动静结合吸附干燥与动态吸附干燥的对比分析5 3 5 结论5 6 6 展望5 7 7 参考文献5 8 8 攻读学位期间发表论文情况6 3 9 致谢6 4 l0 附录6 5 大豆内部水分有效扩散系数 绝干物料量 总物料量 传热系数 水的汽化潜热 含水率 平衡含水率 初始含水率 大豆质量 爆腰大豆的质量 大豆的总质量 爆腰大豆的数目 大豆的总数目 径向坐标 大豆的边界半径 硅胶的边界半径 砌 g g 础 魄 g g g 个 个 一 m 所 易g g 厅 吆 m 尥 尬 弛 足 墨 恐 温度 热空气的干球温度 热空气的湿球温度 时间 动态或静态吸附干燥时间 每个周期内静态吸附的时间 每个周期内动态流化的时间 动静结合吸附干燥周期 风速 空床速度 颗粒的体积 流体的体积流量 湿基湿含量 谷物含水率 干基湿含量 大豆初始含湿量 质量爆腰率 颗粒爆腰率 绝对温度 硅胶与大豆的混合比 足 k k 砌 砌 砌 砌 砌 舶 觚菥砌 足 撇 丁 乃 - ： 勿 如 砌 矿 乃 形 m z 勘 巩 在建筑陶瓷部门，干燥器也得到广泛应用。对农业而言，干燥过程也不容忽视，在这 里，干燥不仅是保证长时间储存产品的手段，而且也是提高粮食质量的重要方法，如 国外已投产的每小时可干燥几十吨粮食的大功率再循环式干燥装置的应用；在国内， 谷物的干燥也已开展起来，一些小型的谷物干燥机已在推广和使用。近年来，国内外 逐渐重视饲料的干燥研究，以便提高饲料的产量和质量。 随着我国工农业的发展，干燥技术和干燥设备也获得了较大的发展，在散粒状物 料的干燥方面，流态化干燥技术获得了更为广泛的应用。流态化干燥技术改善了设备 内气一固两相接触条件，减少了气膜阻力，因而传热、传质效率得到了提高。近几年 来流化床、喷动床及流化床与组合床等技术都有不同程度的提高，其中尤以流化床发 展的最快1 。 1 2 流化床干燥技术的发展 流化床是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种干燥技术，目前在化工、轻工、医药、 食品以及建材工业都得到了广泛的应用。由于流化床干燥器中被干燥颗粒与干燥气体 之间可以强烈混合和搅拌，以及两相之间接触面积大，故传热和传质效率高、干燥时 间短；此外还可以连续运行操作，容易控制颗粒与气体的流动，在运行过程中可以加 入和取出颗粒，具有设备简单、操作方便、经济、可靠等特点，使得流化床干燥器得 到广泛应用。 1 2 1 流化床干燥器 流化床干燥过程是散状物料被置于孔板上，由其下部输送气体，引起物料颗粒在 气体分布板上运动，在气流中呈悬浮状态，产生物料颗粒与气体的混合底层，犹如液 体沸腾一样。在流化床干燥器中物料颗粒在此混合底层中与气体充分接触，进行物料 与气体之间的热传递与水分传递“】。典型的流化床干燥器有一个锥形反应室，热空气 从底部进入，通过物料层，再从顶部排出。如图1 1 为典型流化床干燥装置示意图。 流化床干燥器具有较高的传热和传质速率、干燥速率高、热效率高、结构紧凑、 基本投资和维修费用低、便于操作等优点，因此流化床干燥器被广泛用于化工、食品、 陶瓷、药物、聚合物等行业n ，。 1 前言 干物料 物料 图1 1 流化床干燥装置示意图 f i g 1 - 1s k e t c ho ff l u i d i z e db e dd r y e r 1 2 2 改型流化床干燥器 尽管流化床干燥器与其他干燥方法相比有其自身的优势，但是普通流化床干燥器 具有一些较为严重的缺点，如：由于气泡现象，使流化不均匀，相间接触效率不高且 工程放大较困难；只能处理松散的粉状和粒状物料，对于初始湿含量大的物料，必须 经过预干燥之后才能用普通流化床干燥器进行干燥；动力消耗大等随1 。 为了克服某些缺点，人们在普通流化床干燥器的基础上进行改型，研制开发了振 动流化床干燥器、搅拌流化床干燥器、离心流化床干燥器等，扩大了流态化干燥的范 围，改善了流化质量，提高了热质传递的强度。 1 2 2 1 振动流化床干燥机 振动流化床( v f b ) 就是在普通流化床上施加振动而成。在输料板上放上一层物料 ( 粉状、粒状、条状等) ，对输料板施以振动，当振动加速度大于重力加速度时，料层 开始膨胀，出现所谓的振动流态化状态。这时放在输料板上的物料产生强烈的混和， 并且很容易作水平和倾斜移动。在此条件下，利用对流、传导、辐射向料层供给热量， 即可达到干燥的目的。v f b 干燥装置结构示意如图1 2 所示。 湿物料 物料 图1 - 2 振动流化床干燥装置示意图 f i g 1 - 2s k e t c ho f v i b r a t i o nf l u i d i z e db e dd r y e r 天津科技大学硕士学位论文 在振动流化床中，物料的输送是由振动来完成的，供给的热风只是用来传热和传 质，这样就可以明显地降低能量消耗。另外由于床层的强烈振动，传热和传质的阻力 减小，提高了振动流化床的干燥速率。据报导，振动流化床中的干燥速率比对流流化 床高1 5 2 5 倍，恒速干燥阶段时与固定床相比干燥速率提高了6 倍。同时振动流化床 干燥器确保了干燥设备在相当稳定的流体力学条件下工作，以至使不易流化或流化时 易产生大量夹带的块团状或高分散物料也能顺利干燥，克服了普通流化床易产生返 混、沟流、粘壁等现象。 振动流化床国外早在2 0 世纪5 0 年代就开始研究，并用于生产，如丹麦尼罗公司 首先成功地应用于奶粉生产，并取得了专利。我国到2 0 世纪8 0 年代才开始引进和研 究，现在广泛应用于医药、食品、化工、饲料工业的干燥，冷却、造粒生产过程中饰】。 1 2 2 2 搅拌流化床干燥器 搅拌流化床干燥器是在流化床内装设搅拌器，使某些湿颗粒物料或易凝聚成团的 物料也能采用流化干燥，可用于硫酸铵、硫酸铜、氟化钠、氨基酸、酐酪素、聚丙烯 树脂、酚醛树脂等物料的干燥。搅拌流化床干燥装置结构示意如图1 3 所示。 干物 图1 3 搅拌流化床干燥装置示意图 f i g 1 - 3s k e t c ho fa g i t a t i o nf l u i d i z e db e dd r y e r 搅拌流化床干燥器具有下列优点：首先，扩大了流态化干燥技术的应用范围，适 合于湿含量较大、在热气流中不易分散的物料或者在干燥脱水过程中可能结块的物料 的干燥；其次，可以有效避免沟流、腾涌和死床现象，获得均匀的流化状态，改善了 流化质量，从而提高了热质传递强度。近年来随着搅拌流化床在医药、食品、化工产 品的造粒、涂层口1 等过程中的应用，搅拌流化床干燥器在工业上得到了相当广泛的应 用，常常作为这些过程的后续工艺的干燥装置，以期简化设备及工艺，降低成本。 1 2 2 3 离心流化床干燥器 离心流化床是在离心力场中进行流化干燥的一种新型干燥设备，由于离心力场的 存在离心加速度可以是重力加速度的几倍到几十倍阳】，因此与普通重力流化床相比较， 强化了湿分在物料内部的迁移过程，干燥时间短，传热传质速率高，能够有效地抑制 气泡的生成及物料的夹带，对于在重力流化床中难以干燥的低密度、热敏性、易粘结 的固体物料都可以有效的干燥。 1 前言 离心式流化床的应用比较广泛，目前已在水果、蔬菜、米饭等食品的干燥方面取 得较好效果。德国k r a u s $ m a f f e i 公司的干燥器干燥时间一般为1 0 3 0 s ，生产能力可高 达2 0 t h ，比传统流化床高3 0 - 4 0 倍，已成功应用于塑料、洗涤剂、药品、食品及细粒 结晶物料等产品干燥上【9 】。对密度小、粒级细的物料，离心流化床尤为适合，比之于 传统流化床，离心流化床表面积较小、机构紧凑、空间布置灵活并能够在重力场外和 晃动条件下操作。 离心流化床干燥器结构示意如图1 - 4 。物料随着开有若干小孔的转鼓以一定速度 旋转，由于离心力的作用，物料均匀分布在转鼓内表面上，形成环状固定床。当热空 气以一定速度沿垂直于转鼓轴线方向吹入转鼓时，床层受到了与离心力相反的力，当 气速提高到一定值时，该两力平衡，物料开始出现流态化。 料 图1 - 4 离心流化床干燥机示惹图 f i g 1 - 4s k e t c ho fc e n t r i f u g a lf l u i d i z e db e dd r y e r 1 2 2 4 脉冲流化床干燥器 脉动流化干燥是指按一定的规律交替变化干燥工艺参数的干燥技术；脉冲流化床 干燥则是改变传统流化床的恒定送风为周期性送风，通过调节气流的脉冲频率或脉冲 气流导通率，使通过孔板的气体流量或流化区发生周期性变化，对物料进行干燥。 常见的脉冲流化床干燥器有二位蝶阀脉冲流化床、气流移位式脉冲流化床及旋转 脉冲流化床等几种类型。 如图1 5 、1 6 所示分别为二位蝶阀脉冲流化床和气流移位式脉冲流化床干燥器。 热 料 图1 - 5 二位蝶阀脉冲流化床干燥器 f i g 1 - 5t w ob u t t e r f l yv a l v e sp u l s ef l u i d i z e db e dd r y e r 4 图卜6 气流移位式脉冲流化床干燥器 f i g 1 - 6a i r - d i s p l a c e m e n tp u l s ef l u i d i z e db e dd r y e r 脉冲流化床用于不易流化的物料和有特殊要求的物料，其最早被用来干燥粉末状 物料，能有效克服沟流、死区和局部过热等传统流化床常见的弊端，因而可用于处理 黏性强、易结团和热敏性物料，传热系数可提高1 5 。3 0 ，干燥时间缩短3 - 6 倍，空 气耗量减少2 0 3 0 ，电能耗量降低一半n 们。 实践表明脉冲流化床干燥器能处理直径从约o 0 5 m m 的粉状物料到几个m m 的大 颗粒、晶体、薄片、纤维，如豌豆、黄豆、小块蔬菜、糖、葡萄糖酸钙等。 1 2 2 5 热泵流化床干燥器 热泵式流化床干燥装置是采用干燥介质的密闭循环方式，利用热泵的除湿一加热 循环，提供4 0 8 0 左右的较温和的干燥热风。与干燥介质采用热风炉或蒸汽加热的 流化床干燥装置相比，热泵式流化床干燥装置加热干燥空气的费用仅为传统直接加热 方式的一半，而食品的干燥质量则可明显提高，从而对提高食品生产企业的竞争力具 有重要价值n u 。 热泵式流化床干燥装置的基本构成部分有流化床、干燥介质的封闭循环风道、热 泵压缩机组、热泵蒸发器、热泵冷凝器等，如图1 7 所示。热泵系统内的制冷工质， 首先在蒸发器中吸收来自干燥过程排放的废气中的热量后，由液体蒸发为蒸汽；经压 缩机压缩后送到冷凝器中，在高压下热泵工质冷凝液化，放出高温的冷凝热去加热来 自蒸发器的降温去湿的低温干空气，把低温干空气加热到要求的温度后进入干燥室内 作为干燥介质循环使用；液化后的热泵制冷工质经膨胀阀再次回到蒸发器内，如此循 环下去。废气中的大部分水蒸气在蒸发器中被冷凝后直接排掉，从而达到除湿干燥的 目的。 热泵干燥具有热效率高、节能、干燥温度低、卫生安全、环境友好等特点，特别 适合于谷物、种子及食品原料等热敏性物料的干燥。目前在英国、德国等发达国家， 热泵干燥已在谷物干燥加工生产实际中得以广泛应用n 幻。 1 前言 低温干空气热泵蒸发器低温干空气 流化床 循环风道 中温干空气热泵冷凝器风机 图1 - 7 热泵流化床干燥装置示意图 f 远1 - 7s k e t c ho f f l u i d i z e db e dd r y e rh e a tp u m p 1 2 3 组合干燥装置 1 2 3 1 喷雾一流化床组合干燥 喷雾干燥主要用来干燥液状物料，但当空气温度低于1 5 0 时，容积传热系数较 低，所用设备体积大，而且热效率不高。而流态化干燥主要用于固态颗粒的干燥，其 热容量系数较大。将这两种干燥器组合起来干燥液状物料，和单纯利用喷雾干燥相比， 在相同处理量的情况下，喷雾流化床组合干燥减小了喷雾干燥塔的尺寸，节约了操作 空间，产品质量较好，并且降低了干燥过程的总成本。喷雾干燥和流化床干燥的组合 大多用于牛奶等食品类物料的干燥。图1 8 所示为二级组合干燥示意图。它由一个喷 雾干燥器和一个振动流化床干燥器组成。喷雾干燥为第一级干燥，物料被干燥到含水 卜鼓风机；2 一空气过滤器：3 一加热器；4 一喷雾干燥器； 5 一振动流化床；6 一旋风分离器；7 一引风机 图1 - 8 牛奶的二级组合干燥示意图 f i g 1 - 8t w os t a g ec o m b i n e dd r y i n go fm i l k 6 卜鼓风机；2 一加热器：3 一加料器；4 一气流干燥器 5 一旋风分离器；6 一流化床干燥器；7 一引风机 图1 _ 9 气流干燥和流化床干燥器的二级组合干燥示意图 f i g 1 - 9t w os t a g ec o m b i n e dd r y i n go f p n e u m a t i cd r y e ra n df l u i d i z e db e d 1 2 3 3 回转圆筒一流化床组合干燥 回转圆筒干燥器运转可靠，进风温度要求较高，但占地面积大。流化床干燥器的 特点是干燥强度高，占地面积小，但是对进料的要求较高。有些湿基质量分数较大的 物料直接在流化床干燥器中进行干燥时，容易出现死床和沟流，如果先用回转圆筒干 燥器将物料预处理至适宜的湿基质量分数，再送入到流化床干燥器中就会得到较好的 干燥效果。山东天力干燥设备有限公司在传统回转圆筒干燥氯化钾的基础上，综合考 虑开发出回转圆筒一流化床二级干燥( 冷却) 系统来干燥氯化钾，湿基质量分数为8 左右的氯化钾先经第一级回转圆筒干燥去除大部分的游离水分，再送入到第二级的流 化床干燥器进行干燥和冷却。这种组合干燥不但可以有效提高产品质量( 降低含水 率) ，和原来单纯用回转圆筒干燥机相比，经济效益每吨产品节省了0 9 6 元n 们。 流化床干燥设备在不断地进行改进，流化床性能日趋稳定，一炉多用；生产连续 化，自动化；气体消耗减少；操作成本降低；流化床干燥物料种类不断增加，在工业 上的应用范围也越来越大n 射。 1 3 流化床干燥器的工作原理 分布板上的物料称为“床层 。设砌为空床速度，即甜。= 流体的体积流量蹦床 1 前言 层横截面积彳。床层阻力是指流体通过床层的压力降。当流体自下而上通过床层时， 可以看到随流速的逐渐增加出现的三种基本状况n 毛1 7 。 1 3 1 流化现象 由于固体颗粒物料的特性不同，床层的几何尺寸及气流速度等因素不同，床层可 存在三种状态。如图1 1 0 所示。 固定床流态化阶段输送阶段 图1 1 0 流化过程的三阶段 f i g 1 一l ot h e t h r e ep h a s e si nt h ec o u p eo f f l u i d i z a t i o n ( 1 ) 固定床阶段 当流体流速较低时，物料颗粒静止不动，床层高度不变。而压力降则随速度的增 加而增大。当流体流速增加到某一数值，颗粒开始松动，床层高度略有膨胀，床层空 隙率也略有增加，然而床层整体并无明显的运动。 ( 2 ) 流态化阶段 进一步提高流速，颗粒开始被流体吹起并悬浮于流体中作自由运动。颗粒间互相 碰撞，混合，床层高度上升。整个床层呈现类似液体的形态，床层顶部有一基本水平 的料面，重度较小的颗粒飘在其上。若在料面以下的容器壁上开一小孔，颗粒和流体 的混合物则会象液体一样流出。 颗粒开始被流体吹起并悬浮于流体中作自由运动时的流速称为起始流化速度，即 “临界流化速度 ，也称“最小流化速度”，此时的床层空隙率称为“临界空隙率 ， 当流速继续增加时，床层将继续膨胀，床层空隙率也将增加。流体的压降只是消耗在 托起固体颗粒的重量上。 ( 3 ) 输送阶段 若流速继续增加，床层高度大于容器高度，颗粒则被流体带走，床层颗粒减少， 空隙率增加，床层压力减小。当流速增加到某一数值，使流体对颗粒的阻力和颗粒的 实际重量相平衡，此时的流速称为“带出速度”或“最大流化速度 或“悬浮速度 。 若流体的速度稍高于“带出速度 ，颗粒则被流体带走。 天津科技大学硕士学位论文 1 3 2 流态化的两相理论 当处于流化状态时，额外的流化气体将以气泡形式穿越流化床。这种描述气体流 化粒子层及其简单的理论概念被称为两相论。流化床包括散粒相和气泡相。 ( 1 ) 散粒相包含具有空隙度和气速的均匀物质。 ( 2 ) 气泡相包含所有过量气体并且几乎不含粒子。 这些气泡迅速地穿越粒子相，因此它们对流化床行为有着很大的影响，是粒子相 混合的主要原因。气泡产生，开始是来自气体分布器孔道的小气体射流，然后它们穿 越流化床上升时由于压力减小而不断合并迅速变大n 引。 1 3 3 流化床内的混合 在分布板的上面产生流化粒子强力混合，并且粒子面积较大，因而在粒子与流化 气体之间能进行有效的热量和质量的交换。因此气体一粒子之间的热量和质量传递在 流化床干燥操作中不是限制因素。 1 4 流化床接触吸附干燥技术的应用 接触吸附干燥是过去众多研究的一个课题( 大多数在俄罗斯) ，干燥问题传热、 传质过程机理也提出了许多数学模型n 姚1 ，但是过程机理和相应的数学模型还没有很 好的建立起来。 1 4 1 几种典型接触吸附干燥技术 1 4 1 1 接触吸附流化床干燥 接触吸附干燥处理大的片状固体，如纺织品、皮革或层板的一种新型技术是在活 性流化床内干燥一1 。应用该技术时，被干燥的物料被浸在强吸湿性的颗粒流化床中， 带状物料以蜿蜒的方式通过吸附剂颗粒流化床，粒子从湿物料中抽取湿分，并释放到 流化空气中，释放吸附剂中的水分所需的热量由内埋式加热器提供如图1 1 1 。使用活 性颗粒流化床不但提高了对流热质传递速率，而且也提高了物料一吸附剂、吸附剂一吸 附剂以及吸附剂一加热器之间的接触热质传递速率。表1 1 给出了活性流化床干燥器与 圆筒形干燥器的比较结果。 表1 - 1 活性流化床干燥器与圆筒型干燥器对非编织物干燥的比较 t a b l e1 1a c t i v ef l u i d i z e db e dd r y e rc o m p a r ew i t hc y l i n d e rd r y e ri nd r y i n gb a s k e t w o r k 1 前言 空气进口 ( a ) 间歇式( b ) 连续式 图1 - 11 活性流化床接触吸附干燥 f i g 1 - i1a c t i v ef l u i d i z e db e dc o n t a c ta d s o r p t i o nd r y i n g 和对流干燥相比，应用流化的硅胶干燥1 5 2 5 m m 厚的牛皮，在6 0 * ( 2 下从湿含 量6 0 降至2 0 ，所需干燥时间从7 小时降至1 5 , - - 2 0 分钟，减少蒸汽耗量3 0 ，基 本投资费用降低3 倍。这种干燥器属于模块化类型，由2 0 个模块组成，形成二个紧 凑的长2 1 m 、宽2 2 m 、高2 0 m 的组合体。 吸附剂颗粒流化床也能够用于高粘度物料的干燥一造粒。被选用的吸附剂颗粒是 用热空气在一台两级干燥器一造粒机的上部室中进行流化如图1 1 2 所示。当圆盘型造 粒器上形成的湿颗粒通过流化床时，其表面被涂以热的粉化的吸附剂。由于接触热质 传递速率高，物料颗粒的表层迅速被干燥，最后得到的多孔性干的表面涂层透气性好， 湿分易于进一步扩散，而不会使其结块和颗粒集结。经喷涂过的散颗粒在于燥器下室 内的流化床中干燥到最终湿含量。相同的原理应用于流化床干燥酪蛋白，即通过在湿 颗粒上包覆从排气中回收的干粉而降低气表面湿含量删。 对于生物质液体，可以将其吸附至多孔吸附剂( 载体) 之上，然后运用流化床 振动流化床进行干燥。比如，光合菌液在麦麸载体上干燥啪3 。添加适当的载体2 州 ( 或填料) 形成较疏松的生物物料混合物结构，能够强化热力干燥过程中的质量传递 过程。s t r u m i l l o 等人也证实，混有载体的生物物料干燥，较之无载体干燥其产品质量 会显著提高汹瑚1 。 i 0 图卜1 2 干燥膏状物料的接触吸附流化床干燥 f i g 1 1 2c o n t a c ta d s o r p t i o nd r y i n gf o rp a s t ym a t e r i e l 1 4 1 2 接触吸附颗粒性物料的干燥 颗粒物料与干燥的吸附剂接触，形成相对湿度较低的环境，有利于湿分从物料中 向外部移动。为了使物料处于较均一的湿度环境中，将颗粒物料和干燥的吸附剂按照 一定质量比混合是必要的。混合后静置一段时间，物料可以达到要求的湿含量，然后 将物料与吸附剂分离。比如，s t u r t o n 等研究了用膨润土作为吸附剂干燥谷物的情 况，y a m a g u e h i & k a w a s a k i 探讨了用硅胶干燥水稻的动力学特性并目测了爆裂率l 矧。 图1 1 3 是使用吸附剂颗粒以接触的方式干燥颗粒性物料的连续操作装置的示意 图啪棚1 。尽管起初是用沙子作为传热介质干燥玉米，但是也能用于接触吸附干燥，在 一个装置中进行三种操作：接触干燥、吸附干燥和吸附剂再生。该装置由三个同轴安 置的锥筒组成，具有一个圆锥骨形状的中央加热室，中央加热室与轴线平行，被驱动 轴和固定轴支持。固定轴制成空心圆筒体，使燃料进入位于加热室纵轴线上的燃烧器。 气体燃烧器( 为了充分燃烧，辅助供给压缩空气) 产生火焰，延伸至加热室，直接蒸 发穿过加热室的吸附剂颗粒中的水分。为了加速水分蒸发，由安装在器壁上交错的抄 板抛洒吸附剂颗。 湿颗粒物料与加热室出口端卸下的热吸附颗粒混合，并且被安置在加热室和外锥 鼓之间的螺旋推进器连续不断的进行输送。此圆锥鼓随着加热室转