（工程热物理专业论文）颗粒状物料穿流干燥过程降速段数学模型与模拟.pdf

东北大学硕士论文 摘要 摘要 本文首先介绍了干燥行业在国内和国际的发展概况以及干燥技术的革新和未 来趋势。概述了干燥的基本原理及各种干燥方法。详细叙述了颗粒状物料的性质、 干燥特性及其常见干燥设备。 从干燥过程数学模型建立的目的、种类及进行模拟的作用和步骤等方面，介 绍了干燥过程数学模型与模拟的发展现状以及目前广泛应用于颗粒状物料干燥过 程数学模型的种类及其相关用途。 在分析建立干燥过程数学模型必要性的基础上，针对降速干燥段的特点，建 立了相应数学模型，以连续穿流带式干燥机为例建立了偏微分方程。该数学模型 考虑了空隙率和非稳态项的影响。采用有限容积法对控制方程进行了离散并编制 了相应的计算程序。以玉米为模拟对象，通过数学模型实验，改变其各种物性参 数及干燥过程操作参数，对玉米干燥过程进行了模拟。对模拟的结果进行了分析， 讨论了不同的边界条件和初始条件下，空隙率、堆积比重、比表面积、物料层厚 度对不同位置处的物料古水量、空气湿度、物料温度和空气温度随时间交他的影 响情况，并得出降速段的最佳干燥工艺条件，为穿流式干燥机的开发设计提供依 据。 关键词干燥降速段颗粒状物料数学模型过程模拟 ， 查! ! 苎鲎堡主笙墨 垒! ! ! 竺! m a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o no fg r a n u l a r p r o d u c t s c r o s sf l o wd r y i n gp r o c e s sa tt h er e d u c t i o n d r y i n g r a t es t a g e a b s t r a c t 1 1 l eg e n e r a ld o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p i n gs i t u a t i o no f d r y i n gi n d u s t r ya n d r e f o r m i n ga n df u t u r et r e n do fd r y i n gt e c h n o l o g yw e ：r ef i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i st h e s i s 1 1 l ef i m d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dm a n y 出y i n gm e t h o d sw e r es u m m a r i z e d 司舱g r a n u l a r p r o d u c t s c h a r a c t e r , d r y i n gs p e c i a l t ya n dt h e i rc o r n n o nd r y i n ge q m p m e n t sw e r e d e p i c t e di nd e t a i l n l ep r e s e n td e v e l o p i n gs i t u a t i o no fm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o no fd r y i n g p r o c e s sw e r ei n t r o d u c e df r o mt h eb u i l d i n gp i l l p o 辩o fd r y i n gp r o c e s s m a t h e m a t i c a l m o d e l ，k i n d s ，e f f e c t sa n ds t e p so fs i m u l a t i o na n do t h e ra s p e c t s t h ec m e g o r i e sa n d r e l a t i v eu t i l i t i e so fd r y i n gp r o c e s s n m t h e m a t i c a lm o d e lt h a t 眦w i d e l ya p p l i e d 协 g r a n u l a rp r o d u c t sa tp r e s e n tw e r ed e s c r i b e d o nt h eb a s eo f t h en e c e s s i t i e so f s e t t i n gl | pt h ed r y i n gp r o c e s s m a t h e m a t i c a lm o d e l a n da i m i n ga tt h ec h a r a c t e ro f r e d u c t i o nd r y i n gr a t es t a g et h em a t h e m a t i c a lm o d e lw e 弛 b u i l t 1 1 1 ep a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n sw 雠s e tl l pt a k i n ge x a m p l ef o rc o n t i n u o u sc r o s s f l o wb a n dd y e r ，sd r y i n gp 雠e s s 1 k sm a t h e m a d c a lm o d e lt o o kt h ee f f e c to fp o r o s i t y o f t h eb e da n dt r a n s i e n tt e r m si n t oa c c o u n t t h ec o n t r o le q u a t i o n sw e r ed i s c r e t i z e du s i n g f m i t cv o l u m em e t h o da n dt h er e l a t i v ec o m p u t i n gp r o g r a mw a sd e s i 辨e d t o o ky e l l o w c o ma st h ed r y i n go b j e c ta n dc h a n g ei t sa l ls o r t so fp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n dd r y i n g p r o c e s s p a r a n 他t e r st on u m e r i c a l l ys i m u l a t et h ey e l l o w 姗sd 咖p r o c e s st h r o u 曲 m a t h e m a t i c a lm o d e le x p e r i m e n t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y s e d t h ea f f e c t i o n s o nc h a n g i n gs i t u a t i o n so fp r o d u c t s m o i s t u r ec o n t e n t ，a i rh u n l i d i t y , p r o d u c t sa n da i r s t e m p e r a t u r ei nd i f f e r e n tl o c a t i o n sb yp o r o s i t y , a p p a r e n td e n s i t y , s p e c i f i cs u r f a c ea 乳 t h i c k n e s so fp r o d u c t sl a y e ru n d e rd i f f e r e n tb o u n d a r ya n di n i f i a lc o n d i t i o n sw d i s c u s s e d 1 1 婶o p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t l l i sm o d e lc a l lb eu s e dt o s u p p l yg i s t sf o rd e v e l o p m e n ta n dd e s i g no f c r o s sf l o wh a n dd r y e r k e y w o r d s r e d u c t i o nd r y i n gr a t es t a g e ，g r a n u l a rp r o d u c t s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他入己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名：石鑫 日期；2 0 0 5 年2 月 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 第一章颗粒状物料的干燥 1 1 干燥行业的国内国际发展概况 干燥是一种古老而通用的操作。从农业、食品、化工、陶瓷、医药、矿产加 工到制浆造纸、木材加工，几乎所有的产业都有干燥。干燥是一种高能耗的操作， 在各种工业部门总能耗中，干燥耗能从4 ( 化学工业) 到3 5 ( 造纸工业) i l j 。 据资料记载，发达国家( 如法国、英国、瑞典等) 用于干燥方面的工业能耗高达 1 2 。发展中国家目前的干燥耗能较低，但必将有很大的增长。 干燥是将物料去除水分或其他挥发成分的操作，涉及面很广。随着生产的发 展和人民生活水平的提高，对干燥技术、干燥设备有了更高的要求。为了适应工 农业生产的需要，国内的科研人员逐步开展了喷雾、气流、流化等干燥方法以及 农产品、食品、药品、生物制品等于燥过程及装置的研究开发工作。目前，国内 从事干燥理论研究、开发新型干燥设备的科研院所、大专院校有很多，研究开发 的领域涉及气流干燥、沸腾干燥、喷雾干燥、旋转闪蒸干燥、真空干燥、热泵干 燥、冷冻干燥、红外干燥、微波干燥、对撞流干燥等等。 在应用基础研究方面，开展了各种干燥方式中关键参数的研究工作，如流化 速度、雾化程度、干燥强度、能量节约等等；对多种干燥方式及物料的干燥过程 进行了数值模拟，优化方法、计算机调控、干燥质量监控等方面的研究工作也逐 步展开。所研究的物料涉及医药产品、谷物、牧草、渔产品、食用菌、木材、水 果等等。 随着工农业生产的发展，将对于燥产品品质的提高、能量单耗的降低、操作 的可靠程度、机电一体化程度、自动控制水平等提出更高的要求。因此，干燥技 术有很广阔的发展前景。 1 2 干燥技术的革新和未来趋势 干燥是热、扩散、生物和化学等现象的复杂综合体，是传热和传质两种传递现 象的有机结合过程。干燥理论涉及到热质交换理论、水分同物料结合形式学说、 不可逆过程热力学、理化力学和流变物理学等许多学科1 2 1 。干燥学科是由干燥理论、 干燥技术和干燥工艺学三大分支构成的，随着干燥理论、干燥技术和干燥工艺学 的发展，人们对物料千燥阎题的分析方法已由原来的实践探索法转变为把干燥理 论和干燥技术有机结合起来，用干燥工艺学的方法实现干燥装蜃的优化设计。同 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 时，实际干燥装鼍形式多样，各自具有不同的工艺特点。干燥学科目前需要解决 的问题概括起来主要有两类，其一是深入研究物料干燥过程的微观机理，掌握物 料内部水分移动的规律，建立反映物料干燥特性的理论模型( 包括干燥速率方程、 升温速率方程、结构变化模型、质量与品质变化模型等) ；其二是把干燥领域试验 研究及理论分析的结果应用到实际干燥装置的分析中，实现优化设计和优化运行。 而两者又不是独立的，是相辅相成的。 干燥技术目前的研究深入程度不高，随着世界经济、技术的不断发展，干燥技 术也必须以革新求发展。冲击流干燥、对撞流干燥、声波干燥、微波干燥、脉冲 干燥、置换干燥、接触吸附干燥等新的干燥技术均有广阔的发展前景，值得引起 重视。 干燥技术的一般发展趋势将沿着实现：有效利用能源、提高产品质量及产量、 减少环境影响、安全操作、易于控制、机多用等方向发展。具体说来，未来发 展将着重于：在直接干燥器中使用过热蒸气作为干燥介质；大量使用闻接加热( 传 导) 方式；采用组合传热方式( 对流、传导、热辐射等的组合) ；采用间断加热方 式；运用新型或更为有效的供热方式( 如脉冲燃烧等) ；设计灵活、多用途的干燥 器；在线测量湿含量及产品质量等。 在数学模型的发展方面，如果能建立一个不仅考虑质热传递现象，而且可以预 测产品质量的模型，那么它将成为发展新型干燥器技术及干燥装置的一个非常有 用的工具。 1 3 千燥基本原理及各种干燥方法概述 1 3 1 干燥基本原理 干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分( 大多数情况下是水) ，而 获得一定湿含量固体产品的过程。湿分以松散的化学结合形式或以液态溶液存在 于固体中，或积集在固体的毛细结构中。这种液体的蒸汽压低予纯液体的蒸汽压， 称之为结合水分。而游离在表面的湿分则称为非结合水分。 当湿物料用热力干燥时，以下两个过程相继发生： 过程1 ；能量( 大多数是热量) 从周围环境传递至物料袭砸使表面湿分蒸发。 在这一过程中，液体以蒸气形式从物料表面排除，此过程的干燥速率取决于干燥 介质的温度、湿度、流速以及物料暴露的表面积等外部条件。此过程称为外部控 制过程，也称恒速干燥过程。在恒速干燥阶段，物料接受的对流换热量全部用于使 表面水分汽化，因此，物料温度维持恒定，即为干燥介质湿球温度1 3 。 在这一阶段，通常水饱和度较高，水分将以自由永的形式存在，这时子孔隙 2 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 内的水分将处于连续状态，液体运动将不仅仅由毛细力维持，而是受到各种力的 驱动，如固体颗粒对液体运动的d a r c y 阻力，液膜运动的惯性力、粘性力及自身的 重力等等。这时候，内部水分向表面的迁移供给量与表面水分蒸发量处于平衡状 态，表面蒸发得以稳定持续地进行【4 】。此阶段物料表面的水分以蒸汽形式通过物料 表面的气膜向周围扩散，传质过程伴随传热过程，故强化传热可以加速干燥。但 在某些情况下，要对干燥速率予以限制，否则容易从物料内部到表面产生很大的 湿度梯度，这会在物料内部产生很高的应力，致使物料龟裂或弯曲。 过程2 ：内部湿分传递到物料表面，随之而蒸发。物料内部湿分的迁移与物料 性质、温度和湿含量有关。此过程称为内部条件控制过程，也称降速干燥过程。 在此过程中，物料表面没有充足的自由水分，因此，热量传至湿物料后，一部分 热量用于干燥有限的水分，另一部分热量则用于加热物料。于是，物料开始升温， 并在其内部形成温度梯度，使热量从外部传入内部，同时，湿分从物料内部向表 面迁移。这种过程因物料的结构特征而异，主要是扩散、毛细管流和由于物料在 干燥过程中的收缩而产生的内部压力。从物料临界湿含量出现到干燥到的最终湿 含量，内部湿分迁移成为控制因素。一些外部可变量，如干燥介质的流速在此阶 段的重要性降低。如物料允许在较高的温度下停留较长的时间，就有利于此过程 的进行。这可使物料内部温度较高，从而造成蒸汽压梯度，使湿分扩散到表面并 会同时使液体湿分迁移。在此过程中，强化干燥的手段是较有限的，而减小物料 的尺寸，以降低湿分的扩散阻力是很有效的。另外，施加振动、脉冲、超声波， 则有利于内部水分的扩散。 1 。3 2 干燥方法概述 干燥的对象千差万别，干燥方法也非常多，但根据基本加热方式来分，可分为 对流干燥、传导干燥和辐射干燥三大类。 1 3 2 1 对流干燥方法 对流干燥主要有隧道式干燥、厢式干燥、转简干燥、带式干燥、流化床干燥、 喷雾干燥等等。在对流干燥中，热气体以对流方式把热量传给物料表面，物料表 面被加热后，以传导方式将热繁传至物料内部【”。所产生的蒸汽通过物料表面上的 气膜以对流方式向气流主体扩散。另一方面，由于物料表面水分的汽化，物料内部 和表面间将产生水分浓度差。在浓度差的推动下，内部水分将以液态或气态形式 向表面扩散。因此，对流干燥过程是一个涉及物料外部对流传热传质和内部热质 扩散的耦合过程，干燥速度的快慢、干燥热效率的高低就取决于物料内部或外部 传热传质能力的强弱【们。如果物料外部对流传热传质速度小于内部热质扩散速度， 即干燥过程由外部因素控制，则应强化物料表面的对流传热传质过程，使外部对 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 流传热传质速率适应于内部热质扩散速率，这样，总体传热传质能力提高，干燥 速度加快，相同条件下干燥器排气温度下降，干燥热效率提高；相反，如果干燥 过程由内部条件控制，则应强化物料内部的热质扩散过程，从丽有效她提高总体 传热传质能力，加快干燥速度，提高干燥热效率。 在多种干燥方式中，对流干燥方法以其结构简单、操作方便、适用性强而得 到普遍使用，与其相应的干燥设备也是目前工业生产中使用最多的。对流干燥有 它的优点，但也有缺点，即干燥速率较低、热能消耗量大、热效率低等，是节能 改造的重点对象之一。近年来，许多生产企业为此做了大量工作，并且取得了一 定的成效。但是，总的说来，还不够理想，热效率仍然偏低。主要原因在于缺乏 正确的理论指导，对物料的干燥机理及影响因素认识不够，没有把握住问题的实 质。因此，有必要对干燥问题进行深入研究，提高认识，以指导节能工作的深入 开展。 1 3 2 2 传导干燥方法 传导干燥主要是指惰性粒予( 如砂子、盐、钢球等) 干燥，粒予对粒子之间的 热传递是湿分蒸发的主要原因。5 0 年代前，干燥器主要以传导式为主。5 0 年代后， 干燥技术为满足工业处理量大、高效、连续化、自动化的要求，重点进行了对流 式干燥器的研究与开发。从8 0 年代开始，各种新型的传导式干爆器又逐渐增多【 。 传导干燥更适用于薄层或很湿的物料。传导干燥中，蒸发热通过安置在千燥器 内的加热面( 静态的或移动的) 供给，即由夹套、搅拌、传热管等供给干燥物料， 用热媒而不用热风【s 】。蒸发出的湿分由真空操作或少量气流带走，对热敏性物料推 荐真空操作。代表性的设备是槽型的圆筒、圆锥搅拌干燥器、夹套或内置加热管 回转干燥器、鼓式干燥器、耙式干燥器、真空带式干燥器、真空冷冻干燥器等。 在对流干燥器中，由于焓随干燥空气逸失很大，故其热效率不高，而传导干燥器 热效率较高。对流干燥中，物料在热气流中分散，传热面就在锈料表面。丽在传 导传热干燥中，需要人为地创造加热面，使传热面积增大且传热系数增加。这样， 结构就比较复杂，设备投资比热风干燥大。在工程放大中由于混合特性和干燥 特性的差异，小型试验设备和工业化装置之间有很大差异，所以如何从小型试验 装置预测工业化装置的干燥特征十分重要。 1 3 2 3 辐射干燥方法 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射f 9 】。辐射能量可能应用于于操当 中。辐射干燥主要有太阳能干燥、微波和高频干燥、红外热辐射干燥等等。辐射 传热干燥是依靠加热板的热辐射能量干燥物料的过程。这类装置的关键是辐射能 强的辐射加热扳和选择物料容易吸收的波长。 太阳能干燥是利用太阳辐射的热能，将湿物料中的承分蒸发除去的干燥方法。 目前，国内外太阳能干燥裴置大体分为温室型、集热嚣型和温室集热器结合型三 o 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 大类i 。太阳能干燥由于其劳动强度大、干燥过程及物料品质无法控制等因素而 限制了大批量物料的干燥。而近年来新的太阳能干燥技术的开发为有效利用太阳 能进行干燥作业提供了可能性。 微波是波长在l m m - 1m 之间，频率在3 0 x 1 0 2 _ 3 o 】【1 0 5m h z 具有穿透性的一 种电磁波。在工业加热上只允许使用特定的频率，在我国为9 1 5 m h z 和2 4 5 0m h z 。 微波干燥起源于2 0 世纪4 0 年代，到6 0 年代末，微波已能应用于加热、干燥、杀 虫、灭菌、医疗等领域i l ”。由于微波具有的独特优点，使其发展很快，微波技术 及其应用作为一项高新技术被指定为我国“十五”计划重点研发项目。微波发生 器的磁控管接受电源功率而产生微波功率，通过波导输送到微波加热器，需要加 热的物料在微波场的作用下被加热。微波加热利用的是介质损耗原理，而且水的 损耗因数比干物质大得多，电磁场释放能量中的绝大部分被物料中的水分子吸收。 一般情况下，被干燥物料中的水分子由于布朗运动，分子的捧列杂乱无章并迅速 变化，极性相互抵消，宏观上不呈现极性。而被置于由微波发生器产生的电场中 时，微波场以每秒几亿次的高速周期地改变# l - j n 电场的方向，使介质的极性水分 子迅速摆动，产生显著的热效应，从而使物料内部和表面的温度同时迅速升高。 微波干燥过程中，温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向均一致，从而大大改善了干 燥过程中的水分迁移条件。同时由于压力迁移动力的存在，使微波干燥具有由内 向外的干燥特点，即对物料整体而言，将是物料内层首先干燥，这就克服了在常 规干燥中因物料外层首先干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移的缺点【1 2 】。 高频加热干燥技术，就是利用高频电场的能量对非导电材料进行加热干燥【1 3 】。 电磁波频率为一般为1 - 1 0 0 m h z 。高频干燥的原理与微波干燥基本相同，只是产生 高频的方法有所不同。 红外线是一种不可见的射线，它在电磁波中介于可见光与微波之间。一般波长 0 7 6 4 0 删的红外线称为近红外线；波长4 0 - 2 5 。n n 的红外线称为远红外线。远 红外辐射可用电子跃迁理论( 量子理论) 来加以解释，分子内能的3 种不同形式单独 或同时作用导致发生量子化的能量跃迁，都会向外辐射红外射线。射线在空间传 播过程中碰到另一物体时将可能引起该物体内部基本质点的谐振运动，并使辐射 能部分地吸收转化为该物体内部粒子微观运动的能量，进而产生热能【1 4 l 。红外热 辐射加热干燥有四个特点，其一是热辐射的光谱特性，既要弄清辐射器的发射光 谱又要弄清被干燥物料的吸收光谱：其二是热辐射的方向性与相互作用的关系性； 其三是辐射源与被干燥物料的距离特性；其四是能量特性红外热辐射可比对流 换热提供多达7 0 余倍的能流密度，因此，用得好可高效节能，用得不当则既耗能 又得不到好的干燥效果。 东北大学硕士论文 第一章鬏粒状勃料的干漂 1 4 颗粒状物料的干燥 1 4 1 物料的千燥特性 选择适宜的干燥器及设计干燥器尺寸，必须了解物料对所采用干燥方法的干 燥特性( 干燥动力学) ，物料的平衡含水量及物料对温度的敏感性，以及由特定 热源可获得的温度极限等。物料的干燥特性指的是物料在干燥过程中表现出的各 种特性，包括物料的干燥速率、升温速率、结构变化( 收缩与变形) 规律、质量与 品质变化规律等【2 j 。 物料的干燥特性与所采用的干燥方法也有关，这种特性通常用湿含量与对间 的函数或物料干燥速度与湿含量的函数，即干燥曲线( z f 曲线) 或干燥速率曲 线( u x 曲线) 表示。 图1 1 定性地描述了吸水性物料的典型干燥曲线。图中，c 点为恒速干燥阶段与 降速干燥阶段的分界点，该点的湿含量称为临界湿含量，用) ( c 表示。从图中可以 盆 蠢 巾 要 雾 x c f ( h ) 围1 1 物料的典型的干燥曲线 f j g 1 i1 k l y p i c a ld r y i n g g r 盎p bo f 阳a l 酾a l 看出，在恒速干燥阶段，物料的含水量以一定的速度下降，且很快就达到临界含 水量；在降速干燥阶段，物睾辜的含水量下降速度逐渐减慢，且耗时较长，是决定 干燥过程快慢的主要阶段。 图l 。2 定性地描述了暖水性物料的典型干燥速率曲线。在恒速干燥阶段，干燥 速率是常鼓，此时表面禽有自由水分。当其完全汽饨后，漫表面则从物料表面退 缩。此时可能发生一些唆雅。在此阶段，控制干燥速率的是水蒸气穿过空气一湿分 界面( 气膜) 的扩散，在此阶段的后期，湿分界蔼可能内移。瀑分将从物辩内部 因毛细管力迁移到表面，且干燥速率仍可能为常数。当平均含水量达到临界含水 量x 时，进步干燥会使表面出现干点。由于以总的物料表面积来计算干燥速率， 矗 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 圣 三 兽 彦 3 x cx ( k g ( 水) k g o ：物料) ) 图1 2 物料的典型的干燥速率曲线 f i g 1 2t h et y p i c a ld r y i n g r a t eg r a p ho f m a t e r i a l 干燥阶段 故干燥速率下降。这样就进入第l 降速段了，此阶段进行到液体的表面液膜全部 蒸发干，这部分曲线为整个降速阶段的一部分。 再进行进一步干燥。进入第2 降速段，由于内部和表面的湿度梯度，湿分通过 物料扩散至表面然后排除，干燥速率受到限制。此时，热量先传至表面，再向物 料内部传递。由于干湿界面的深度逐渐增大，而外部干区的导热系数非常小，故 干燥速率受热传导的影响加大。但是，如果干物料具有相当高的密度和小的微孔 空隙体积，则干燥受导热的影响就不那么强，而是受物料内部相当离的扩散阻力 影响，即干燥速率受湿分从内部到表面的扩散和表面的传质所控制。在此阶段， 某些由吸附而结合的湿分被排除。最后由于干燥降低了内部湿分的浓度。湿分的 冉部迁移速率降低，干燥速率下降比以前更快。在物料的含水量降至与气相湿度 相应的平衡值时，干燥就停止。 在实际干燥中，最初的原料可能具有很高的含水量，而产品可能也要求较高 的残留含水量，那么这种干燥过程可能一直处于恒速干燥阶段。然而在大多数情 况下，两种阶段均存在。并对难干燥的物料而言，大部分干燥是在降速阶段进行 的。如果物料的初始含水量相当低，并且要求最终含水量也极低，则降遽阶段就 显得非常重要了，干燥时间也会很长。空气速度、温度、湿度、物料厚度等对传 热都很重要。当扩散速率是控制因素时，即在降速阶段，干燥速率随物料厚度的 平方变化。特别当需要很长的干燥时间以获得低的含水量时，用搅拌、振动等方 法，使湿粉料颗粒化、降低切片厚度或在穿流干燥器中采用薄层将有利于降速干 燥过程。 7 查些查兰! ! 垒查 箜= 圭墨叁鉴竺茎塑墨 1 4 2 颗粒状物料的性质 工程上遇到颗粒状物料的种类很多，粒径的大小、颗粒的形状段其物料的性 质也各不相同。主要有以下几方面的性质。 1 4 2 1 堆积比重 物料的堆积比重是指单位体积的物料( 包含空隙) 所具有的质量，单位为k g m 3 。 1 4 2 2 空隙率 床层空隙率，或称为自由体积百分数，其意义是：颗粒问的空隙体积( 用t 表 示) 占整个床层体积( 用k 表示) 的百分数。若用吒表示颗粒的总体积，则空隙 体积吒= ，于是， 占= 。等= l 一孑 ( 1 1 ) r6 r6 占数值越小，表明床层内颗粒所占体积越大。 相同大小的球形颗粒充填时的空隙率可以用几何方法来计算。根据颗粒堆积 方式的不同，其空隙率的数值也不相同，一般在0 2 5 9 5 0 4 7 6 4 的范围内。任意方 式填充颗粒时，f 约为0 4 。对于粒度不均匀的物料，因为细颗粒可以嵌入粗颗粒 之间，所以空隙率s 数值变小。当粗颗粒占6 5 时，f 达到最小值。 1 4 2 3 形状系数 对于粒度不均匀的物料，通常把粒子看作球形，再确定其平均直径，这在理 论上较方便。但实际上粒子几乎都不是球形，而是不规则形状。因此，理论计算 与实际现象之间存在偏差。为了避免由于物料形状造成的偏差，逶常将理论公式 引入一个修正系数。这一系数就是形状系数。 形状系数是表示实际粒子与球形粒子形状上的差异程度，用表示， 堕撵篙黔= 簪 m 2 ， 矿，2 藉两预雨葡丽_ 一2 百 u i j 式中，d 。一当量体积球壹径，用下式表示： 妒辱 ( 1 3 ) 式中，k 粒子的真实体积。 1 4 2 4 比表面积 通过物料层的流体阻力是和流体接触的颗粒表面积密切相关的，所以将单位 毫 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 体积物料层所具有的总表面积，称为颗粒状物料的比表面积。用a 表示，单位为 脚2 m 3 。对于平均粒径为d ，、空隙率为s 的表面光滑的球体，其比表面积为 = 了2 7 p 2 ( 1 - e ) = 6 等d ( 1 4 ) 蒯p p ”。7 6 对于非球形粒子料层，其比表面积为 “嚣 ( 1 5 ) 各种形状物料的形状系数虬，通常可以根据阻力实验数据来确定。 1 4 3 颗粒状物料的干燥特性 随着工业的发展，颗粒状物料的干燥在干燥行业中越来越常见。尤其是在粮 食、药品、食品等行业中，干燥的对象更是以颗粒状物料为主。随着饲料工业和 养殖业的发展，颗粒饲料因其营养全面、便于贮藏运输等优点得到了广泛的应用和 发展。在制粒工艺中，从制粒机出来的高温高湿颗粒必须予以干燥，以延长其贮藏 时间【1 5 】。 颗粒状物料堆放在一起时，颗粒之间会有很多空隙，空隙中充满了空气。空 隙率则表示了物料堆中的空气体积占整个物料堆体积的百分比。空隙率会直接影 响水分的扩散能力，而水分的扩散能力又决定了干燥特性。但为简化计算，大多数 研究者在扩散系数中没有计入空隙率的影响。其实这种忽硌只有在于燥过程中物 料的水分变化范围不大以及湿物料的空隙率没有明显变化情况下才是合理的，否 则必须考虑空隙率对水分扩散的影响【l6 】。一般说来，颗粒状物料空隙率的增加将 导致干燥速率的提高，有时其影响甚至高于入口风温对干燥速率的影响。 颗粒状物料的干燥特性还取决于物料的物理特性和热特性，为了对颗粒状物 料的干燥过程进行比较全面的计算，必须知道物料的尺寸、密度、比热、比表面 积、平衡水分、物料对气流的阻力等等。在干燥过程方箍，颗粒状物料单粒体的 降速干燥过程也具有两段性，即分为第一降速段和第二降速段。在第一降速段中， 颗粒表面存在着自由水( 干燥过程中能够除去的水分) ，其蒸发进程受风速的影响， 迁出的速率与它占据颗粒体的外表面积有关；在第二降速段中，颗粒表面无自由 水，风速对自由水的蒸发过程影响很微小。而干燥介质的温度对第一和第二降速 段的影响都很明显，干燥介质的温度升高。使物料内部水分子的活性增大，加速 了水分子通过湿分界面向干燥介质的扩散过程，因此，这两个阶段的干燥速率都 壁查兰塑圭堡墨 苎二主翌垫些塑壁塑鉴 将增大。 1 4 4 颗粒状物料的千爆方法 自上个世纪6 0 年代以来，有不少国家进行了用固体颗粒作为传热介质对颗粒状 物料进行传导干燥的研究，即将颗粒状物料与加热了的砂子、食盐、氧化铝球、 钢球等混合，使热量以传导方式迅速传给物料。由于接触面积大，传热系数高， 介质温度高，因此干燥速度快；通过搅拌混合，干燥得也比较均匀。但是，目前 在工业中的应用较少。微波和红外线等辐射干燥方式在颗粒状物料的干燥中也渐 渐得到应用。传统的颗粒状物料的干燥均以对流干燥方式为主，以热空气作为干 燥介质，其优点是操作方便，不污染物料。主要包括转简干燥、带式干燥、流化 床干燥等等。但是，对流干燥的缺点是需要较长的干燥时间，传热系数低，干燥 速度较慢。本文研究的对象是目前工业中应用广泛的对流干燥方式。 1 4 4 1 转筒干燥方法 采用转倚干燥机干燥颗粒状物料时，湿物料从转筒的一端上部加入，经过圆筒 内部时，与通过筒内的干燥介质或加热壁面进行有效地接触而被干燥，干燥后的 产品从另一端的下部收集。在干燥过程中，物料借助于圆筒的缓慢转动，在重力 的作用下从较高的一端向较低的一端移动。筒体内壁上装有顺向抄板，它不断地 把物料抄起又洒下，使物料与干燥介质的热接触表面积增大，以提高干燥速率并 促使物料向前移动。干燥过程中所使用的热载体一般为熟空气、烟道气等。如果 热载体直接与物料接触，则经过干燥器后，通常用旋风除尘嚣将气体中挟带的细 粒物料捕集下来，废空气煲q 经旋风除尘器后排放到大气中。转筒干燥器是最古老 的干燥设备之一，目前在颗粒状物料的干燥方面仍有较广泛的应用。 按照物料和干燥介质韵接触方式，可将转筒干燥机分为三种类型，即：直接 加热式、间接加热式、复合加热式。以直接加热式转髑干燥机为例，此种干燥设 备中，被干燥物料与热风直接接触，以对流传热的方式进行干燥。工艺流程圈如 图1 3 所示。物科由人工或机器送入刮板运输机，在运输机中部装有均料嚣将运输 机上的物料摊平。等厚度的物j i 毒流进入上料螺旋输送机，被送入滚糖中( 如果为 多层滚筒，则先进入内筒，秀经过中简、外筒) 。在热风炉吹入的高温热风的作用 下，物料得到干燥，最后由滚筒出料口排出。再由旋风收料嚣进行料风分离，尾 气排入大气。物料经由星形卸料罂排出，由冷却风机吹入冷却系统。物料在定向 输送中被冷却，最屠由冷却旋风收集器收集并由出科刮扳运输机定f 句输送到科仓。 按照热风与物料之间的流动方向。直接加热式转简干燥机可以分为并流式和 逆流式。在并流式中，热风与物料移动方向相同，入口处温度较高的热风与含水 量较高的物料接触。因物辩处于表面汽化阶段，故产品温度仍然大致保持湿球温 1 0 东北大学硕士论文第一幸颗粒状麴料的干燥 图1 3 直接加热式转筒千燥设备工艺流程图 f i g 1 3 t h e p r o c e s s f l o w o h a r t o f d i r e c t l y h e a t i n gr o t a r y d r u m d r y i n g e q u i p m e n t 度。出口侧的物料虽然温度在升高，但此时的热风温度已经降低，故产品的温度 升高不会太大。因此，选用较高的热风入口温度，不会影响产品的质量。这对于 热敏性物料的干燥包括那些含有易挥发分物料的干燥来说，是非常适宜的。但对 于铵基盐的干燥，物料温度应低于9 0 。c ，以免发生燃烧现象。另外，对于附着性 较大的物料，选用并流干燥也十分有利。在逆流式中，热风流动方向和物料穆动 方向相反。对于耐高温的物料。采用逆流干燥，热利用率高。干燥嚣空气出口温 度在并流式中，一般应高于物料出口温度约1 0 - - 2 0 ( 2 。在逆流式中空气出口温度 没有明确规定，但设计时采用1 0 0 作为出口温度比较合理。 1 4 a 2 带式干燥方法 带式干燥机的主体可以是一个单独的箱体，并配有相应的加热、供风和捧废气 系统。也可以由若干个独立的单元段组成，每个单元段配有各自的循环风机、加 热装置、单独或公用的新鲜空气抽入系统和尾气排出系统。因此，对干燥介质数 量、温度、湿度和尾气循环量等操作参数进行独立的控制，从而保证干燥机工作 的可靠性和操作条件的优化。带式干燥机操作灵活，可根据番要选择干燥介质的 流量及流向i l7 1 ，干燥过程在完全密封的箱体内进行，劳动条件好，避免了粉尘的 外泄。带式干燥机的结构较简单，安装方便，能长期运行，发生故障时可进入箱 体内部进行检修。缺点是占地面积大，运行对噪声较大。 采用带式干燥机干燥颓粒状物料时，物料随同输送带移动时，物辩颗粒间的相 对位置比较固定，具有基本相同的干燥时间。对要求物辩色泽基本无变化或对物 料含水嚣均匀性要求较高的干燥过程来说，带式机悬非常适用的。此外，一般说 来，物料在带式干燥机上受到的振动或冲击轻微，物料颗粒不易粉化破碎，因此 也适用于干燥某些不允许碎裂的物料。 1 1 东北大举硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 按照干燥介质与物料的运动方向的不同，带式干燥机可以分为穿流式和水平流 式。干燥介质以垂直方向向上或向下穿过物料层对物料进行干燥的，称为穿流带 式干燥机。干燥介质在物料层上方作水平流动进行干燥的，称为水平气流带式干 燥机。后者按照干燥介质与物料的运动方向相同或相反，还可以分为顺流式和逆 流式。对于顺流式的带式干燥机，由于干燥介质与物料运动方向相同，因此强化 了物料进入干燥机初始阶段的传热，可以提离干燥机的生产率。缺点是热效率不 高【1 8 1 。对于逆流式的带式干燥机，干燥介质从物料的出口端进入干燥机，为了不 影响物料的干燥质量，干燥介质一般不可以有太高的温度，因此这种干燥机的生 产率不高。另一方面，在物料的入口端，干燥介质与低温高湿的物料相接触，仍 有一定的干燥能力，使其温度降得更低，因此这种干燥机的熟利用率较高。但是， 与穿流式的相比，水平流式干燥机的干燥介质与物料的接触面积低很多，干燥效 率也不高，因此应用不广泛。 穿流带式干燥设备的工艺流程图如图1 4 所示。被干燥的颗粒状物料由进料端 经加料装置被均匀分布到输送带上。输送带通常用穿孔的不锈铺薄板或金属网制 摔潮风机 电控装鼍 图1 4 穿流带式干燥设备工艺流程图 f i g 1 4t h ep r o c e s sf l o w c h a r to f c r o s sf l o wb a n dd r y i n ge q u i p m e n t 成，由电机经变速箱带动，可以调速。最常用的干燥介质是空气。常温空气通过 风机送入热风炉换热器，被热风炉加热后，洁净的热风进入烘千机内，经分布扳 由输送带下部垂直向下吹。穿流带式干燥机的主箱体臀如图1 5 所示。热空气穿过 加科端 。一 卸科端 一o 一一一一一一一一一一一一一一，一一一一一一一，一一一一一一一一一一一一 上畎下吹黼鼻段 冷却段 图1 5 穿流带式千燥机主辖体翻 f i g 1 5 t h e m a i n c 黜c h a r t o f c r o s s f l o w b a n d d r y i n g e q u i p m e n t t 2 - ，| | 必笋 阿一 选一输一 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 物料层对物料进行干燥，为了使物料层上下脱水均匀，空气可以继向下( 上) 吹 之后向上( 下) 吹。空气在穿过物料层时，物料中水分汽化，空气增湿，温度降 低。湿热空气由排风机排出烘干机外。干燥后的物料达到终含水后，经缓苏、降 温后，由出料口输出。另外，还可以将空气进行再循环利用，即将部分湿空气排 出干燥机箱体外，另一部分则在循环风机吸入口前与新鲜空气泡合再循环利用， 达到节能的目的。 1 4 4 3 流化床干燥方法 流化床是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。由于干燥过程中固体颗粒悬浮于干燥介质中， 因而流体与固体接触面积较大，热容量系数可达8 0 0 0 2 5 0 0 0 k j ，( m 3 1 1 ) ( 按干燥 机的总体积计算) ，又由于物料剧烈搅动，大大地减少了气膜传热阻力，因而热效 率较高，可达6 0 8 0 。流化床干燥装鼍密封性能好，传动机械又不接触物料， 因此不会有杂质混入，这对要求纯洁度高的制药工业来说也是十分重要的。 目前，工业上常用的流化床干燥器的类型，按结构分，大体上可分为以下几种： 单层圆筒型、多层圆筒型、卧式多室型、喷雾型、惰性粒子型、振动型和喷动型 等。下面以单层圆筒型流化床干燥器为例，对流化床的干燥工艺做简单介绍。单 层圆筒型流化床干燥器的工艺流程图如图1 6 所示。湿物料由皮带输送机送到抛料 机加料斗上，然后均匀地抛入流化床内。空气经鼓风机、加热器后进入筛板底部， 卜抽风机2 一旋风分离器3 一集灰斗4 一料仓5 星形卸料嚣6 一皮带运输机 7 一抛料机8 一流化床9 一换热箍l o - 鼓风机1 1 - 空气过滤嚣 圈1 6 单层圆筒型流化床干燥嚣的工艺流程圈 f i g 1 6t h ep r o c e s sf l o wc h a r to f s i n g l el a y e rc y l i n d e rf l u i d i z e db e dd r y i n ge q u i p m e n t - 1 3 - 空 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 并向上穿过筛板，使床层内湿物料流化起来形成沸腾层，使物料与热空气可以充 分接触。颗粒状物料被热空气吹起并悬浮于空气中作自由运动，颗粒间相互碰撞、 混合，整个床层呈现出类似液体的形态。干燥后的物料由排料口连续摊出。尾气 进入旋风分离器，将所夹带的细粉除去，然后由 气风机排出到大气中。 1 4 4 4 振动流化床干燥方法 普通流化床干燥机在干燥颗粒状物料时，可能会存在下述问题：当颗粒粒度较 小时形成沟流或死区；颗粒分布范围大时夹带会相当严重；由于颗粒的返混，物 料在机内滞留时间不同，干燥后的颗粒含湿量不均；物料湿度稍大时会产生团聚 和结块现象，而使流化恶化等。为了克服上述问题，出现了多种型式的改型流化 床干燥机，其中，振动流化床干燥机是一种较为成功的机型。 振动流化床是把机械振动能量引入普通流化床达到改善流化质量的气固流态 化技术，它可以在很低的流化气速下形成均匀的流化状态。由于颗粒的脉冲跳动， 加强了气固、固固之间的接触，减少了粘结机会，所以提高了热质传递速率，强 化了生产过程【1 9 】。同时，由于振动的导入，普通流化床的上述阿趣会得到相当大 的改善。 工业应用中的振动流化床按传热方式分为对流式、传导式和辐射式。对滚型 振动流化床工作时，由振动电机崴其他方式提供的激振力使物料在空气分布板上 跳跃前进，同时与分布板下方送入的热风接触，进行熟、质传递。下箱体为床层 提供了一个稳定的具有定压力的风室。调节引风机，使上箱体中床层物料上部 保持微负压操作，维持良好的干燥环境，并防止粉尘外泄。空气分布板支撑物辩 厥料 豳1 7 对流型振动流化床干燥设备工艺流程圈 f 坦1 7 t h e p r o c e s s f l o w r j 豫r t o f c o n v e c t i o n e j v i b r a t e d f l u i d i z e d b e dd l - y 崦e q u i p m e n t 1 4 东北大学硕士论文 第一章颗粒状物料的干燥 并使热风分布均匀。 振动流化床干燥设备的工艺流程图如图1 7 所示。操作时，物料经绘料机均匀 连续地加到振动流化床中，同时，空气经过滤后，被加热到一定温度，由给风口 进入干燥机风室中。物料落到分布板上后，在振动力和经空气分布板均风的热气 流双重作用下，呈悬浮状态与热气流均匀接触。调整