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旋转闪蒸干燥器内传热传质特性的基础研究 摘要 旋转闪蒸干燥装置是国外八十年代推出的、将干燥技术和流态化技术综合为一体的一种干燥设备。 该装置技术先进、设备紧凑、操作简单、维修方便，强化了气固传热效果，节能效果显著，是一种高效、 节能、快速的理想干燥设备。在化工、印染等行业得到了广1 泛的应用。 在自行研制的实验没备中，论文对相同进气温度，不同搅拌转速、流量的条件下，旋转闪蒸干燥装 置的干燥进行了实验研究。测量了热空气干燥钛白粉过程中，空气入口、出口温度和干燥器内部的温度 场随时间的变化关系。结果表明，在旋转闪蒸干燥装置中可以实现物料的快速干燥。恒速干燥阶段的传 热系数随入口气体流速的增大而增大。在本文的实验范围内，搅拌转速的影响对干燥器传热系数的影响 不显著。得到了旋转闪蒸干燥装置干燥过程中的气固传热和传质系数的准则公式： n u 。= 2 2 1 4 8r 5p r l 7 3 s h 。= 2 2 1 4 8r e ：5s c “3 上述两式可用丁旋转闪蒸干燥器的设计。 采用k 一占模型描述气体流动，对颗粒群则作为离散体系采用颗粒一轨道模型描述。数值模拟的结果 表明，旋转闪蒸干燥器自由空域内气体流动是伴随流通面积变化，并发生拐弯的、具有旋转运动的一类 复杂湍流流动。对主要因素的影响进行了计算和分析。 旋转闪蒸干燥器自由空域内颗粒运动的数值计算结果表明，进入自由空域的颗粒受重力、气流曳力、 离心力和哥氏力的作用，不仅沿切向运动，而且还会根据哥氏力的方向，做径向运动。气流入口速度的 减小对颗粒被气流夹带出干燥器有显著的抑止作用。在本文的模拟条件下，搅拌转速对干燥器的干燥效 率的影响不显著。数值模拟结果有助于旋转闪蒸干燥设备的设计。 关键词：旋转闪蒸干燥；气体一固体流动；传热；传质；干燥 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p i nf l a s hd r i e r ( s f d ) ，w h i c hc o m b i n e sd r y i n ga n df l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g y , w a si n t r o d u c e di n t oc h i n a i n 1 9 8 0 s t h i se q u i p m e n tp r e c e d e so t h e rt r a d i t i o n a ld r i e r si nm a n ya s p e c t sa n dh a sb e e nw i d e l yu s e di n i n d u s t r i e s t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c si ns f da r ep e r f o r m e d t h eq u i c kd r y i n gf o rw e t e m p l a s t i cm a t e r i a li ns f di sa c h i e v e d t h ed r y i n gr a t e si nac o n s t a n t - r a t ep e r i o di n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h eg a si n l e tv e l o c i t y t h ei n f l u e n c eo f t h er o t a t i o n a ls p e e do f t h ew h i s ko nt h ed r y i n gp r o c e s si ns f di sf o u n d a n r e m a r k a b l e t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t so b t a i n e di nt h ed r y i n gp r o c e s sc a nb ec o r r e l a t e da s n u = 2 2 1 4 8 r e ：5p r l 73 s h = 2 2 1 4 8 r e ：5s c l ” t h e s ee q u a t i o n sc a nb eu s e df o rd e s i g n i n ga n do p e r a t i n gs f dd r i e ri ne n g i n e e r i n g am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h eg a ss o l i dt w o p h a s ef l o wi nt h ef l u i d i z e - r e g i o no fs f di sa d o p t e d t h e k st u r b u l e n tm o d e lf o rg a sf l o wa n dt h ep a r t i c l e - t r a j e c t o r ym o d e lf o rp a r t i c l em o t i o ni nt h eg a sp h a s ea l e u s e dt od e s c r i b et h et w op h a s ef l o wi ns f d sf l u i d i z e d - r e g i o n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h eg a s f l o wi ns f d sf l u i d i z e d r e g i o ni st h ec o m p l e xt u r b u l e n tf l o ww i t hr e g i o nc h a n g ea n dr o t a t i o n a lm o t i o n t h e p r e d i c t i o no ft h et a n g e n t i a lc o m p o n e n to ft h ev e l o c i t i e sa g r e e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s f u r t h e r ，t h e i n f l u e n c e so ft h ev a r i o u sp r i m a r yp u r a m e t e r so nt w op h a s ef l o wi ns f d sf l u i d i z e d - r e g i o na r ec a l c u l a t e da n d a n a l y z e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rt h ep a r t i c l e st r a j e c t o r i e si ns f d sf l u i d i z e d - r e g i o nc l e a r l ys h o wt h a tt h e p a r t i c l e se j e c t e ds i n g l yi n t ot h ef l u i d i z e d r e g i o nm o v en o to n l yt o w a r di nt h et a n g e n t i a ld i r e c t i o n ，b u ta l s oi n t h er a d i a ld i r e c t i o nb e c a u s eo f t h ea c t i o nu p o nb yt h ed r a gf o r c eo f t h eg a sf l o wa n dt h ec o r i o l i sf o r c e w h e n t h eg a si n l e ts p e e dd e c r e a s e s ，t h eo u te n t r a i n m e n to fp a r t i c l ef r o mt h ed r i e ri ss u p p r e s s e do b v i o u s l y t h e i n f l u e n c e so ft h ev a r i o u sp r i m a r yp a r a m e t e r so nt h ep a r t i c l em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa t ea l s oc a l c u l a t e da n d a n a l y z e d t h en u m e r i c a lr e s u l t sc a nb eu s e dt od e s i g nt h es f de q u i p m e n t k e yw o r d s ：s p i nf l a s hd r y ；g a s p a r t i c l ef l o w ；h e a tt r a n s f o r ；m a s st r a n s f e r ；d r y n 东南大学硕士学位论文 符号表 比表面积，1 m 气体入口面积，m 2 液滴表面积，m 2 曳力系数 液滴表面的蒸气浓度，k g m o l m 3 气相主流的蒸气浓度，k g m o m 3 液滴( 定压) 比热，g ( k g c 1 气体定压比热容，j ( k g c 1 固体定压比热容，j ( 堙。0 湿物料比热容，j ( k g c 1 湿空气的定压比热容， j ( ：堙。c ) 颗粒直径，m 分子扩散系数，m 2 s 颗粒团当量直径，m 科氏力矢量，n 气体作用于颗粒的曳力，n 重力加速度，9 8 m s 2 p ：p , r w 2 7 纡2 ，修改的g a l i l e 0 数，无 对流传热系数，w i ( m 2 。c 1 气体和固体颗粒间的传热系数， i v w ( m 2 。c 1 日， 湿空气的焓，j k g j i 湍流脉动动能，m 2 ，s 2 砟 气相导热系数，w ( m 。c ) 豇传质系数，m s t 固相导热系数，w ( m - 。c ) l干燥器流化段高度，m ， 距干燥器底板的位置坐标，i l l m 。液滴质量，k g m 物料重量，k g 撕，以0 ，气体和固体颗粒之间传热的 n u s s e l t 数，无因次 n 蒸气的摩尔流率，k g m o l ( m 2 - s ) 只c ；，竹，气体p r a n d t l 数，无因次 p 。孔板流量计孔板前后差压，m m h 2 0 。 q 卅干空气质量流量，k e ：c s ； r干燥器内半径，m ， 流化段中搅拌轴的轴半径，m 时水的汽化潜热，j k e , 水； r 干燥速率，g i ( m 3 s 1 r e ，乃纡，r e y n o l d s 数，无因次 s 。 物料表面积，m 2 s c 弘f i p f d b ，s c h m i d t 数，j 硇次 口4 以 勺 以 q c b g 白瞅。 砟 旋转闪蒸干燥器内传热传质特件的萆础研究 s h p屯d p ，p ，s h e r w o o d 数，无因次 温度，。c 时间，m i n 气体温度，。c 气体入口温度，。c 气体出口温度。c 液滴温度，。c 固体温度，。c 连续相温度，。c 液滴蒸发温度，。c 气体入口流速，m s 颗粒在x 轴方向的速度，m s 气相速度矢量，m s 流体在y 轴方向的速度，m s 颗粒在在y 轴方向的速度，m s 流体在x 轴方向的速度，m s v 矿 干燥器流化段体积，1 3 ；静止参考系下的 速度矢量，t n s v 。 固体颗粒运动速度矢量，m s e旋转参考系下的速度矢量，m s x 空气湿度，k g 水k e , 干空气 w 物料干基湿含量，坛堙 x 。 气体入口湿度，k g 水，l c g 干空气 工。l 时的空气饱和湿度，k g 水，l ( g 干空气 z 轴向坐标，m l 空气的湿球温度，。c 益照主墨 占空隙率，无因次；湍流动能耗散率( 第三、 四章) ，m 2 s 2 ， 气相动力粘度， k e , ( m s ) 乃 气体密度，k g m 3 见 固体密度，堙聊3 通用方程中的变量 中。 颗粒球形度，无因次 国 旋转角速度，t a d s q 旋转角速度矢量，t a d s 一 舯 币 护 一 r ，弓 巧 t 疋 啊 u “移 虬 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 庸移峻 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：滤海波导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 问题的提出和应用背景 第一章绪论 1 1 1 旋转闪蒸干燥技术目前的应用情况 “旋转闪蒸干燥技术”系上世纪八十年代从丹麦引进的一项干燥技术，广泛应用于化工、医药、农 药、食品等诸多领域，经十多年的消化、吸收并改进、创新，已成功地形成了新的独特技术特点，与其 它干燥器相比，无空气泄漏，极好地解决了粘擘问题，且干燥器主体空间尺寸极大地缩小，经初期的技 术比较表明，在相同的技术经济指标下，“旋转喷动干燥”与“滚筒式干燥”相比，其系统占地面积只 有1 4 - 1 5 ，投资报价只有1 5 1 l o 。旋转闪蒸干燥装置技术先进、设备紧凑、操作简单、维修方便， 强化了气固传热效果，使干燥时间大为缩短，产品产量和质量大大提高，节能效果十分显著。因此，这 种装置出现后立即引起了世界各大化学工业公司的重视，纷纷引进用于干燥各种物料。 在1 9 8 7 到1 9 9 1 年问，吉化染料厂、丹东染料厂、上海染料八厂、北京染料厂先后也引进了该装置， 用于染料及中间体的干燥。通过几年的生产实践证明，该设备运行可靠，生产稳定，容易控制，各项工 艺指标均达到设计要求，是现代工业生产的先进设备。但由于工艺条件要求不同和物料性能差异，旋转 闪蒸干燥器的运用条件必需由生产实践和实验确定l lj 。 当前，我国大连理工大学干燥技术开发公司等己开发m 2 0 0 、中3 0 0 、5 0 0 、0 8 0 0 等型号的旋转 闪蒸干燥装置并投入生产。由此可见，闪蒸干燥装置在国内发展很快。今后还会有更大的发展。 1 1 2 旋转闪蒸干燥技术的原理与特点 到目前为止，关于旋转闪蒸干燥器的工作原理还没有成熟理论。国内外从事干燥技术的研究也只是 在小型实验和生产基础上形成的闪蒸干燥装置的结论。 干燥介质 o 气体入口 图1 1 旋转闪蒸干燥装置原理图 图1 1 是旋转闪蒸干燥器的工作原理图。根据干燥过程中发挥的作用可以把主体设备分为三部分： 底部是流化段，中间部分是干燥段，上面是分级段。各段结构不同，所起作用不一样，初步分析如下： 1 如图所示，流化段是物料入口以下部分，内设有搅拌器，它能帮助破碎高粘性物料，使湿物料与 干燥热空气充分接触，强化传热。干燥热风从切线方向以一定风风速进入干燥器底部环形通道，从壳底 东南大学硕士学位论文 缝隙进入流化段。由于通道截面突然减小，使动能增加。风速增大，这样在器内形成具有较大风速的旋 流流场。 物料自螺旋输送器进入干燥器后，首先承受搅拌釜的机械粉碎，在离心、剪切、碰撞的作用下物料 被微料化，与旋转热风充分接触形成流化床而被流态化。处于流化状态的颗粒表面完全暴露在热风中， 彼此间碰撞和序擦，同时水分蒸发，使粒子间粘性力减弱，颗粒之间成分散、不规则的运动，气固两相 充分接触，加速了传热传质过程。因此流化段也是本文需要重点研究的部分。 在流化段内冷热介质温著最大，大部分水分在此区被蒸发，只有充分干燥后的微粒才能被热风带出 流化段。流化段属于高温区，物料含湿量较大。物料水分散失后，脱离流化段进入干燥段。因为在流化 段，物料颗粒内部保持一定水分，物料不会过热。 经过流化段干燥后，物料被破碎干燥成各种粒度不同的球形和不规则颗粒，在气流曳力、离心力和 哥氏力的作用下，未干燥的颗粒具有较大沉降速度而落回流化段重复流化干燥；较小颗粒向上进入下一 步干燥干燥段。 2 干燥段是加料螺旋以上到分级器之间的空间，此时物料在旋流流场中继续干燥。较小颗粒继续向 上进入分级段；较大颗粒在器肇周围向上运动与分级器碰撞f 落继续干燥，直到达到干燥质量要求。 干燥段的热风经过流化段的热质交换后，风速减小，湿度增大，这就保证了干燥段在稳定条件下顺 利进行，控制了物料在干燥器停留时间，根据空气在干燥器内停留时间来调节空气流速，就使成品的粒 度、产量及最终含水晕得到控制，从而在干燥器内形成一个进料速率与干品产量之间的平衡，由于干燥 器具有自调停留时间的特性，旋转闪蒸干燥器最终产品的含水量很少受进料湿含量波动的影响，这也是 该干燥器的优点之一1 2 j 。 3 分级段是包括分级器在内的分级器以上部分，分级器是一个开孔圆挡板，通过改变孔径、分级段 的高度以及空气流速，就可以控制离开干燥器的粒子尺寸和数量，在此段干燥完成、达到粒度要求的物 料随热风带出进入旋风分离器和布袋除尘器，经星形卸料器卸料后包装收集。 旋转闪蒸干燥器具有如下特点： 1 设备紧凑，占用空间少，生产能力大，满足了小设备、大生产客户的要求，从滤饼到成品一次干 燥，减少操作程序。 2 单位产品能耗小，该干燥器可在较高温度下干燥含固量高的物料，较其它许多干燥设备能耗要低， 大大节约能源。 3 自动化程度高 4 投资费用和检修费用少；设备组件少，维修方便，减少检修工作量。 5 设备密闭性好，可以减少对环境的污染。 1 1 3 本文研究的意义 经过二十多年的研究和发展，目前旋转闪蒸干燥器己经在生产中得到广泛应用。在印染、化工、城 市污泥处理等领域产生了显著效果。但是由于旋转闪蒸干燥器中传热传质过程十分复杂，旋转闪蒸干燥 器的实验和理论还处于发展阶段。关于闪蒸干燥器的实验研究通常都着眼于具体型号干燥器的干燥参数 实验或者各个参数之间的最佳匹配实验，尚未见到其它单位从事旋转闪蒸干燥器传热传质方面的研究。 因此，无论从理论上还是从应用来看，开展这项技术的研究，特别是对它内部传熟传质过程特性和机理 的研究具有重要的意义。 1 2 国内外研究成果与发展概况 旋转闪蒸干燥装置将干燥技术和流态化技术综合为一体。它涉及到流化，气固传热传质以及相变等诸多 2 第一章绪论 复杂的过程。纵观目前的文献，对旋转闪蒸干燥装置的系统理论分析很少。大部分文献都是将气流干燥中的 实验方法引用到旋转闪蒸干燥的研究中。 1 2 1 关于旋转闪蒸技术 在旋转闪蒸干燥领域，处于领先地位的是旋转闪蒸干燥技术的发明者丹麦的a p v a n h y d r o 公司。其研 究人员认为颗粒进入干燥器后，热气流首先将热量传给颗粒表面，水分立即蒸发，引起颗粒表面和内部的水 分差，水分将从颗粒内部不断地扩散到表面，再由表面向外界蒸发，整个干燥过程分为四个阶段：升速干燥 阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段、平衡阶段。根据闪蒸干燥器各个部分在干燥过程中发挥的作用，可以 将主体设备分为三个部分：底部是流化段，中间部分是干燥段，上面是分级段。但是这些分析都是在定性的 基础上，该公司只给出了些热效率和干燥不同物料时的一些技术参数，并没有给出系统的理论分析。这就 有着很大的局限性。 国内很多学者和工程人员将旋转闪蒸技术应用到各自的领域中，得出了很多有价值的结论与经验i - ，1 q ； 毛慧欧等研究了旋转闪蒸干燥器的工作参数的匹配和温度的自动控制。他使用正交回归实验理论研究了 s z g z 一1 0 0 0 型闪蒸干燥器，得到了具体的工作参数匹配。他的结果对干燥器的设计有一定指导意义，但对干 燥器并没有做系统的理论分析。结果也是针对个别工况和个别物料有效，非常局限。东北大学的关彦光 7 等对s k s z 旋转闪蒸干燥器主机、热风护、布袋除尘器的温度控制及系统参数控制做了较为深入的研究。冯殿 义“等对啤酒糟旋转闪蒸干燥过程进行了实验研究。应用改进的b p 神经网络对干燥过程建模，并基于该模型 采用遗传算法进行优化计算，给出在定生产能力条件下，满足产品湿度要求的最佳操作参甄使能耗最低。 1 2 2 关于流化和气固的传热与传质 旋转闪蒸干燥器的理论研究涉及到流化，气同两相之间的传热传质。对于这些方面的研究，至今尚未见 报导，是个有待研究的新领域。旋转闪蒸干燥器的流化和柱式流化床有一定的相似之处，干燥器的流场研 究可以借鉴流化床的研究成果。国内外学者对流化床的流化做了大_ 晕的实验和理论工作。l e v y 同等( 1 9 7 8 ) 和 k r o g e r 等( 1 9 7 9 ) 基于分布板局部力平衡建立了离心流化床的机理模型。c h e n t g ( 1 9 8 7 ) 提出了基于局部动 量平衡的机理模型。不同于其他研究者，c h e n 的模型中还考虑了空隙率变化的影响。s a u n d e r s “( 1 9 8 6 ) 对 流化床中的颗粒夹带现象幽i 了初步实验研究。 关于气同之间的传热传质，b o r o d u l y a i “1 等曾实验研究了离心力场中含水粒状物料的水分分离过程 和达到分离极限之后，在离心流化状态下用低于平衡水分的气体进行流化干燥的过程。东南大学郝英立 ”“等利用实验手段得到了离心流化床传质与传热的准则方程，并用数值模拟的方法计算了流化床自由 空域气体流动和颗粒运动。 1 2 3 关于数值模拟实验 为了使数值实验接近工程实际情况，并使其结果能成为工程设计的可靠依据，在进行数值实验时， 必须考虑到f 述五种可能的数值实验原则i l ： 1 、在实物原型进行部分仪器实验和所拟定的数学模型计算结果对比基本符合后，再利用数理统计 的实验设计方法对优化后的工况进行数值实验。例如，对于变工况运行和变结构尺寸等问题。 2 、当实物原型进行仪器实验有困难时( 如：高温，高压) ，可在冷态或热态的模型上进行局部仪器实 验和数学模型计算结果对比，基本符合后再推广到实物原型上。 3 、当实际情况无法进行仪器实验时，可将所拟定的数学模型把边界条件简化至和能精确求解的计 算结果相对比，证明本模型正确后，才进行实物的数值实验。 东南大学硕上学位论文 4 、在上述情况一f ，也可把所拟定的结果模型经过边界和初值条件的变换，和其它简单的、已知的 局部模碰仪器实验数据相对比，这样的作法是纯粹为了验证所拟定的数学模型的正确性，肯定后才进行 实物数值实验。 5 、对某些新犁的结构或新的模型，由于无 任何仪器实验可供借鉴，在进行数值实验时应 力求所拟定的数学模犁更严格和更接近工程 实际。这种情况在新型结构的设计方案选择中 很有意义。 数值实验方法的框图如图1 1 所示。首 先，对具体的工程实际问题应该根据其本质和 影响因素提出合理的物理模型，然后建立相应 的正确的数学模型。对旋转闪蒸干燥器问题而 言，描述其运动规律的数学模型可分为单相气 体流动模型、传热模型以及一些特殊功能的子 模犁( 如碰撞和磨损模犁等) 。在进行必要的仪 器模型或实物实验以证明上述各予模型的正 确性和获得一些必要的数据( 如初始条件和边 界条件) 后，就可利用数理统计理论( 如正交试 验法和最佳逼近法等) 来设计数值实验的工 况，然后即可进行大晕的计算机计算和数据分 析。本课题在对干燥器气流场和颗粒运动的数 值模拟时，遵从数值实验第2 原则，且模拟结 果必须符合干燥器的基本原理，以完成基础实 验对数学模型正确性的验证。从上述对数值实验的图1 2 数值实验方法流程方框图 基本原理和方法的描述及数值实验的方框图中可以明显的看出，数值实验方法的核心应该是正确合理的 各数学子模型和进行基础实验验证数学模型两大部分，有了这两部分的正确实施，其后的数值实验工作 就能迎刃而解。本课题正是基于此，重点进行了这两部分的相关研究、分析，其相关内容为：第二章介 绍传热传质的具体实验内容以及实验结果，第三章和第四章介绍各数学子模型的选取、建立以及数值模 拟的结果，而在第五章总结课题荠展望今后的工作。 1 3 本文研究的内容 由目前旋转闪蒸干燥器的研究动态和发展概况看，由于干燥器内流动和传热传质过程十分复杂，而 闪蒸干燥器又偏向于工程应用，国内外的工作仍以应用实验为主，理论研究很不成熟，尚在起步阶段。 虽然已有一些干燥应用研究，但迄今没有出现传热传质特性方面的报导，传热传质机理、传热传质系数 以及影响因素、不同条件时的变化规律等基本问题均有待研究，以利于旋转闪蒸干燥新设备与新技术的 开发。 由于旋转闪蒸干燥器是一个较新的设备，并且其中的气固运动和热质传递现象都非常复杂。所以至 今对其特性的认识和研究还较少。这必然会影响到它的应用和发展。为此，本文着重于旋转闪蒸干燥器 内热质传递的基础研究，以期能够有利于我国对旋转闪蒸干燥技术的进一步开发和应用。 旋转闪蒸干燥器融合了干燥技术和流态化技术。这两者都经历了多年的发展。但是对于旋转闪蒸技 术，在许多方面还缺乏基本认识，尤其是基本现象和规律实验。所以，对旋转闪蒸干燥器内气固的热质 传递过程进行规律实验是本文的一个重点。 为此，本文对闪蒸干燥器进行改造，沿干燥器轴线方向打孔取样，使其能够满足热态实验研究的需 4 第一章绪论 要。进行旋转闪蒸干燥器的干燥特性实验研究。着重于干燥器内气固两相间的热、质传递过程及其规 律的探讨。 随着计算机技术和数值计算方法的发展，数值模拟已经成为工程设计和过程优化的有力工具，通过 数值模拟可以更深入的研究干燥器的机理。对于旋转闪蒸干燥器目前尚缺乏这方面的系统研究。对此本 文将借鉴普通流化床和气固两相流动领域长期理论研究的成果，对旋转闪蒸干燥器内部的流动和传热传 质进行数值模拟。 对于旋转闪蒸干燥器的自由空域，即稀相区，由于其中固体颗粒浓度相对较低，本文采用湍流模型 描述其中气体流动，而对固体颗粒相则采用颗粒一轨道模型描述，并进行数值求解，以探讨其中的气体 流动特征和颗粒运动特征。着重研究颗粒的运动轨迹和蒸发的影响因素。 5 东南大学硕上学位论文 2 1 引言 第二章旋转闪蒸干燥器中干燥特性的实验研究 由于旋转闪蒸干燥装置综合了干燥技术和流态化技术，气固间的传递过程得到强化。涉及到在流化 条件下的热质传递过程，这些过程显然既不能等同于无质量传递时的传热过程，也不能等同于等温条件 下的传质过程，需要考察热质同时传递过程中的特性。因此，为了更好地设计或使用旋转闪蒸干燥装置， 必须定晕的了解其传热传质特性。并且在进行基础数值模拟实验之前，也必须先进行细致、完善的基础 实验。基础实验可以为数值实验提供必要的边界条件及颗粒特性等数据信息，更重要的是基础实验可以 提供干燥器内各物理晕分布的实验数据，以校核数值模拟实验的止确性。由此可见，基础实验在整个传 热传质实验系统中是举足轻重的。 本章将进行热空气流化干燥湿物料的实验，研究旋转闪蒸干燥器内热质传递特性。为以后开发离心 流化床干燥器做准备。鉴于基础实验的重要性，本章先对实验的原理及方法进行较为详细的论述。 2 2 旋转闪蒸干燥器传热传质实验原理 旋转闪蒸干燥器内的旋流流场的气固两相间的传热传质与普通流化床的气同两相间的传热传质有 着很大的相似之处。而普通流化床中气同两相间的传热传质系数的研究，目前已经进行了大量的工作。 以n u s s e l t 数随r e y n o l d s 数的变化形式，将实验结果关联成r e 和n u 之间的无因次方程。然而，由于 各个研究者的实验条件，数据测量和处理方法的不同i 17 “i ，普通流化床n u 数差异很大，并且非常分散， 但是众多研究者的实验理论和方法都值得借鉴。 实验研究流化床中气固两相间的传热，基本上有两种方法，即稳定状态实验和不稳定状态实验。在 稳定状态实验中，热气体进入干燥装置时，流量和温度保持不变，同时或由鼙面传热，或由新鲜冷固体 颗粒物料置换热固体颗粒物料来保持干燥装置的热稳定状态。在不稳定状态实验中，进入流化床的热气 体流量和温度仍然保持不变，但是固体颗粒物料则间断加入和排出干燥装置，干燥装置内气体和固体颗 粒的参数随时间变化。 2 2 1 实验参数的选择和分析 旋转闪蒸干燥器内是复杂的气固两相流动，在传热传质实验研究中，气体温度和固体颗粒温度的测 量非常困难。在流化床气固两相传热实验中，对于颗粒温度，因为固体颗粒非常小，不可能将热电偶端 连接剑它里面而又不妨碍其活动。况且，在确定颗粒的瞬时坐标时，可能引起误差，同时颗粒与连接点 系统的热惰性也会引起误差i i 。由于这些困难，通常都用间接的办法来估计颗粒温度。例如在干燥装 置的主要部分安装热电偶；有的实验过程中突然停机，使之成为固定床然后测量：还有的取固体颗粒温 度为排气温度。这些都不可避免的给颗粒温度的测量带来误差。而气体的测量也有一定的测量误差。因 为气体是流动的，而不是静态的。所以目前的气体温度测鼍，有的直接用裸露热电偶，有的在热电偶上 加防护罩，还有的用吸气热电偶测量。显然，这些方法测量的气体温度也不够准确。 除此之外，对于本文的实验，还有另一个难题。流化段是干燥器内气硎两相传热最剧烈的地方，因 此它也是本文最主要的研究对象。而流化段是物料入口以下部分，这一段有一个搅拌装置，因此，根据 搅拌叶片的分布沿着轴向和径向在干燥器的孽面上打测量孔和采样孔，以期能够避开搅拌运动，如图 2 2 所示。这些孔以及后来插入孔中的热电偶不可避免会影响气体和颗粒的运动。这些因素都会对实验 6 第二章旋转闪蒸干燥器中干燥特性的实验研究 结果造成一定影响。 流化床在数据处理过程中，对热平衡方程进行积分时，要假设干燥装置中气体或同体颗粒的流型。 流型通常有两种：返混型，即干燥装置中气体或吲体颗粒存在返混而充分混合，气体或固体颗粒温度均 匀一致：活塞型，即干燥装置中不存在返混现象，气体或固体颗粒沿床高不同而有变化。对于同体颗粒 温度b j ，根据实验观测结果，一般在整个设备中温度差别不大，所以一般将颗粒运动定为返混型， 也就是说整个设备中固体颗粒全在均一温度下；而对于气体的流犁则看法不一。而对于本文的研究对象， 根据以往的干燥经验来判断，气体温度沿干燥器的轴向高度不同会有变化，所以可以认为干燥器中气体 的流型以活塞型为主，返混型为辅。 在实验研究中的另一个重要问题是固体颗粒换热表面是用整个干燥装置的还是根据传热作用区域 的面积。在本文的干燥装置中，颗粒运动是返混型的，所以在整个设备中温度均匀一致，气体温度是活 塞型的，会沿着轴向存在温度梯度，因而采用整个干燥装置去求传热系数会导致数值变小。长期以来， 对于究竟采用那种方法为好并无定论，有按整个干燥装置求取传热系数的，也有根据传热作用区域高度 来求取的，化学工程手册1 2 ”将其称为表观传热系数和有效传热系数，并根据工程应用的一般情况而 推荐使用按整个干燥装置求取的表观传热系数来计算传热过程。 本章作为旋转闪蒸干燥器内气固两相间传热传质特性的首次探讨，借鉴普通流化床中的研究经验、 方法和成果，根据本次的实验条件，采用热空气通入装置加热冷固体膏状物料，以p t l 0 0 热电阻测晕气 体入口、出口温度和装置内部温度的非稳态实验研究方案。认为固体颗粒的流型是返混型，气体流型是 活塞型。并按照整个干燥装置高度确定传热系数。同时，还对气体入口流速、入口温度、搅拌转速对传 热的影响进行实验研究。 2 2 2 实验系统 1 鼓风机2 电加热器3 三遁露k 孔扳流量计4 电机 5 送料槽6 旋转闲蒸千燥器t 旋风除尘器8 引风机 t 温度探头p 压力探头 图2 1 实验系统装置实物图 旋转闪蒸干燥器中气体和固体颗粒之间传热特性的实验系统如图2 1 所示。空气从鼓风机送入，由 孔板流量计测量其质量流量，经电加热器加热后，送入干燥器主体，与干燥器内的固体颗粒进行热交换， 经过旋风分离器分离出干燥物料之后，最后由出口排出。 旋转闪蒸干燥器的流化段部分是实验系统的主体部分，图2 2 是它的实物图。流化段的几何结构为： 内筒内径1 5 e r a ，内筒下边沿距离底座2 c m ，内筒高为3 4 c m ；外筒高3 6 c m ，内径最大处为2 8 c m ，最小 处为1 6 e r a ，圆台部分锥角为4 5 度。在内筒和外简四周，根据它们的几何结构和搅拌桨叶的分布特点， 在周壁开了三个温度测龟口和一个取样口，开孔位置为顺列，孔内径为l e m ，如图2 3 所示。 7 东南大学硕士学位论文 ( a ) 俯视图( b ) 侧视i 璺i 图2 2 干燥器流化段实物图 为了确保实验系统的密闭性。在不锈钢管和孔壁之间的缝隙处填入了密封材料，如图2 4 所示。气 流入口为一个6 c m 8 c m 的矩形，矩形中心距离底座2 0 c m 。气流出口也就是流化段结束处，定义为垂 直于轴的、距离底座3 6 c m 的一个圆面。外部的电机带动底座的轴承。再带动搅拌轴。整个实验装置由 碳钢制成，所以系统适用于热态的实验研究，但是无法对干燥器内部的气同两相运动状态进行可视性观 测。干燥器外筒固定在底座上；内筒_ ；j 螺栓固定在外筒上，也是固定的。 实验中采用空气作为流化介质。空气由叶式鼓风机送入电炉加热，借助一些控制手段，譬如控制电 炉加热功率或利用调节阀控制空气流量，使空气按实验要求的温度和流量进入干燥器，然后进入流化段 流化干燥颗粒物料，最后由出口排出。 采样孔 图2 3 流化段几何结构示意图图2 4 流化段密封结构示意图 2 2 3 主要参数的测量 本文采用非稳态传热实验，测量了物料加入干燥器后，干燥装置内温度和空气进出口温度随时间的 变化关系。 实验时，先让物料不进入干燥装置，在一定的气体流量下，调节电加热器的加热功率和空气流龟， 对气体进行加热，待气流稳定在所需要的温度和流量之后，将物料送入设备，开始实验。 8 第二章旋转闪蒸于燥器中干燥特性的实验研究 2 2 3 1 气体流量的测量 实验过程中，通过干燥器的气体流量由调节阀的开度来调节。气体沉重由标准孔板流量计测量。标 准孔板流量计的差压由u 形管差压计读出。标准孔板流量计经标定质量流量与差压间的关系为， 瓯= 2 6 1 1 1 0 。3 万 2 1 这里，绒气体质量流量，k g ，s ； p ，气体密度，k , d m 3 ，根据孔板流量计入口温度确定； 卸孔板流量计孔板前后差压，m m h 2 0 。 由于气体进入管道时温度会有所变化，所以气体进入干燥器时的入口流速需根据进入干燥器时的密 度确定， u ：盟2 2 p f a o 这里，p ，气体密度，k g m 3 ，由干燥器入口温度确定； 以气体入口面积，m 2 。 2 2 3 2 搅拌速度的测量 实验系统中的搅拌转轴与电动机转轴之间为平行皮带传动，搅拌转速与电动机转速比为1 3 。通过 调节电动机的频率来调节电动机的转速，以此来控制搅拌转速。实验采取了比较低的搅拌速度，分别是 o r l m i n 、9 4 r m i n 、1 8 8 r m i n 、2 8 2 r m i n 、3 7 6 r m i n 和4 7 0 r m i n 。 2 2 3 3 物料干燥性质的测量 定义物料的干基含湿量， _ ，：坠二丝2 3 m d 式中，w 物料干基湿含量； m 。料样烘干前质量，k g ； m d 料样烘干后质量，k g 。 干燥过程中的干燥速率可以在获得物料含湿晕随时间的变化关系曲线后，依据这一曲线确定出不同 时间物料含湿量随时间变化的导数咖西，则不同时间的干燥速率可由其定义式求出： r 一 z a 9 东南大学硕t 学位论文 干燥过程是个复杂的物理过程。物料的干燥性质对整个干燥过程有很大影响。因此在干燥实验之前， 对金红石型钛白粉做了静态物料干燥实验。将净重9 3 8 6 9 、表面积o 0 3 m 2 的物料放入烤箱中烘干，得 出了物料的干燥速率图和含湿量随时间的变化图，如图2 5 和2 6 所示。 5 0 4 0 骨3 0 堇 等2 0 1 0 0 000 102030 40506 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0g 0 07 0 0 h 拓，k g m 图2 5 物料干燥速率图2 6 物料湿含量随时间的变化 由图可见，干燥物料在无对流条件下，在干基含湿量0 2 o 3 附近达到恒速干燥阶段。整体干燥 速率比较低，干燥时间比较长。 2 2 3 4 温度的测量 干燥器内温度分布用三个置于干燥器的裸露热电阻探头测量。三个探头分别距离底部6 c m 、1 2 c m 、 1 8 c m 。探头套管用直径6 m m 的不锈钢管制造，直径0 1 r a m 的p t l o o 热电阻置于其中。热电阻探头伸出 测量孔约5 r a m 。 热电阻探头在实验前进行了校验，测量误差在0 5 。c 范围以内。分别将气流进口温度、出口温度 以及干燥器内部温度随时间的变化传递给温度显示仪，如图2 7 所示。 图2 7 温度测点布置示意图 l o 6 5 4 3 2 1 0 吣 ” 叫 皇皇f 第二章旋转闪蒸干燥器中干燥特性的实验研究 2 2 3 5 恒速干燥阶段的传热系数 在计算恒速干燥阶段气同间传热系数时本文做了如下假设： 1 固体颗粒是完全混合的，因而温度一致，忽略其内部热阻。 2 气流通过装置时是活塞流，并忽略气体累积热。 3 颗粒和气体的热物性为常数。 4 忽略装置水平截面内部的导热，并且不计器壁热损失。 5 忽略流化段搅拌叶片的影响，并不计搅拌的热损失。 图2 8 旋转闪蒸干燥器流化段微元体示意图 这样，在任意微元时间间隔f 内，图2 8 中所示的装置中厚度为，的微元体的熟量衡算为； ( 气体带入热量) 一( 气体带出热量) = ( 传至固体颗粒的热量) 一( 固体颗粒中水分气化带走气体的热量) = ( 固体颗粒积聚的热量) 以符号表示： q m h 气一q 。i 矿h p 丛飘一翰一鲢溉= c p 。圳。等 式中，q 。干空气质量流量，假定在装置水平截面内分布均匀 h 。湿空气的焓，j k g 干空气； t 时水的汽化潜热，j k g 水； c p , w 湿物料比热容，j ( k g k ) 在恒速干燥阶段，t = 0 ，则 绒h ，i ，一统以l = 0 东南人学硕士学位论文 这说明，在恒速干燥阶段，气体通过装置时焓保持不变，即是绝热冷却过程。因此，与之相应的装置流 化段各处的颗粒表面温度i 和紧靠颗粒表面处的气体湿度气保持不变，即 t j = l = 常数 1 x ，= h = 常数j 2 7 式中，瓦空气的湿球温度； x 。l 时的空气饱和湿度 在恒速干燥阶段，热气流吹过颗粒表面，将热量传递给颗粒物料，从而导致气体温度下降，即传递给颗 粒物料的热量是气流温度下降的显热；与此同时，水分在颗粒物料表面汽化，将与气流失去的显热相等 的潜热带入气流中。从而导致虽然气流温度下降损失。显热”，但补充“潜热”而焓不变的结果。基于 上述认识，可以写出图2 8 中所示的流化段微元高度，的气流显热平衡式： q m c 。_ i i - o 。c ，r ，l = h p a s ，田一t ) 2 8 式中，c 0 湿空气的定压比热容，c p ，= 1 0 0 5 + 1 8 6 3 x ，a ( k g 。c ) a s ，微元体内相间接触表面积，这里以微元体内固体颗粒总表面积计， a s p2 a a v 2 9 a 是比表面积，即单位体积中固体颗粒表面积， 口：6 ( 1 - s ) ，d p 2 1 0 忽略占在装置中的变化，而取其平均值。对不同物料的成团性质尚缺乏理论预测，颗粒团平均体积浓度 还无法进行非常准确的测量，因此只能取0 0 1 m 这一较为接近经验数据的尺寸作为颗粒团的特征直径。 a v 是微元体体积， a v = 石( r 2 一，2 ) z 2 1 l r 表示干燥器内径，r 表示流化段中搅拌的轴径，搅拌叶片所占的体积不计。 将式( 1 2 ) ( 1 4 ) 带入式2 8 整理后得： 盟二堡b ： ， 当a i 斗0 时，得 h p a 万( r 2 一，2 ) ( 0 一l ) q c p ，。 2 1 2 d 0h p a ，r ( r 2 一，2 ) ( 0 一t ) 一二- = ：- - 二- 一 m q m cp ， 变形后有 2 1 3 第二章旋转闪蒸干燥器中干燥特悍的实验研究 d 0 h p 口万( r 2 一，2 ) 。 乃一正q 卅c p 一 2 1 4 对式2 1 4 沿整个流化段厚度积分后，整理得： 咿一错- n 翳 川 可见，只需实际测量气体入口温度乃却，出口温度0 ，颗粒物料温度t 和气体入口湿度工。就 可求出恒速干燥阶段的传热系数。 正如上节所述，在流态化传热实验研究中，如何测定固体颗粒温度是一个很困难的问题，位于流化 段中不同位置处的热电阻所测的温度，实质上是吹拂的热气流和与其不断碰撞的冷颗粒共同作用的结 果。基于在热气流加热冷颗粒的热传递过程中，温度最低的总是固体颗粒这一认识，这里将实验中插入 流化