（热能工程专业论文）柑橘皮渣流化干燥机理的实验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 柑橘皮渣发酵后具有丰富的营养价值，被用作饲料具有广泛的前景，柑橘皮 渣发酵饲料的工业化生产不仅能创造经济效益，同时能解决橘渣引起的环境问题。 因此柑橘皮渣发酵饲料的开发研究具有非常重要的意义。然而，橘渣的干燥作为 生产过程中非常重要的工艺环节，其干燥机理没有现成的理论可以利用。因此本 课题目的在于研究柑橘皮渣在流化干燥床中的干燥特性以及干燥传热传质的机 理，以此来指导生产实践。 实验结果表明，在干燥过程中，皮渣颗粒层的流化质量非常好，在剧烈的翻 腾，扰动下，颗粒的大小收缩很明显，干燥速率很快。因此，流化干燥技术对于 橘渣的干燥是非常适用的。 首先，单因素分析方法被采用来分析干燥参数如介质温度( d 、介质风速( v ) 、 床层高度( h ) 和初始含湿率( 、 ，o ) 对干燥速率和单位能耗的影响，结果表明，随着介 质风温的增大，干燥速率越快；风速越大干燥速率越快；床层的高度越高干燥速 率越慢；皮渣初含越大，干燥速率也越大。然而，这些干燥参数对于燥速率的影 响在干燥后期会变慢。其次，正交试验设计方法被用来分析干燥参数对干燥特性 的影响程度。结果表明，干燥参数对干燥速率的影响次序为，w o t v h 。干 燥参数对单位能耗的影响次序为，v t w o h 。同时，干燥参数对干燥特性的 影响趋势与单因素分析结果一致。再次，建立了经验性回归数学模型，此模型反 映了干燥参数影响干燥速率和单位能耗的规律，并且在此基础上，利用非线性优 化方法对回归模型进行参数优化，找到了最佳工艺参数组合。另外，通过对干燥 过程中的恒速干燥阶段作了传热传质的计算，得到的传热系数值高于文献中同类 物料流化干燥的传热系数值。 本试验研究和分析结果为柑橘皮渣干燥技术的进一步研究奠定了基础，并为 实际生产和流化干燥床的放大设计提供了理论依据。 关键词：柑橘皮渣，流化床，干燥特性，工艺参数，优化，传热传质 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h e r ea r ea b u n d a n tn o u r i s h m e n ti n g r e d i e n t si nt h er e s i d u eo fo r a n g ep e e l sa f t e r f e r m e n t , w h i c hh a s 孤e x t e n s i v ef o r e g r o u n da st h ea n i m a lf e e d t h ei n d u s t r i a l i z a t i o no f t h ef o r a g ep r o d u c t sn o to n l yc a nc r e a t ea l le c o n o m i cb e n e f i tb u ta l s oc a ns o h r et h e e n v i r o n m e n t a lp r o b l e mc a u s e db yt h er e s i d u eo f o r a n g ep e e l s s oi ti sg r e a t l ys i g n i f i c a n t f o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h er e s i d u eo fo r a n g ep e e l sw h i c hi su s e da st h e f o r a g e h o w e v e r , t h ed r y i n gm e c h a n i s mh a s h tr e a d y - m a d et h e o r i e st ob eu s e d , t h o u g h t h ed r ye r a t ti ss oi m p o r t a n ti nt h ep r o d u c t i o nl i n e h e n c e ，t h ep u r p o s eo f t h i sp a p e rl i e s i nt h ed r y i n gm e c h a n i s mo f t h er e s i d u eo f o r a n g ep e e l s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t , t h ef l u i d i z e dq u a l i t yi sv e r yg o o d i nt h ed r y i n g p r o c e s s ，a n dt h ee f f e c to f d r yc a na t t a i na l le x p e r i m e n tr e q u e s t f i r s t l y , t h em e t h o do fs i n g l ef a c t o ra n a l y s i sw a sa d o p t e dt oa n a l y s et h ei n f l u e n c e o fd r y i n gp a r a m e t e r ss u c h 船t h ea i rt e m p e r a t u r e t h ea i rv e l o c i t y , t h eh e i g h to fb e d l a y e ra n dt h ei n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n te t e o nt h ed r y i n gv e l o c i t ya n dt h ec o n s u m p t i o no f u n i te n e r g y t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ed r yv e l o c i t yw a sf a s t e ra l o n gw i t ht h er i s eo ft h e a i rt e m p e r a t u r eo rv e l o c i t y ；b e s i d e s t h e , t r yv e l o c i t yw a ss l o w e rw h e nt h eh e i g h to f b e d l a y e r0 1 t h ei n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n tw a f th i g h e r h o w e v e r , t h ei n f l u e n c e so ft h e s ed r y p a r a m e t e r su p o nt h ed r yv e l o c i t yb e c a m es l o w l ya t t e r8 0 m em i n u t e s s e c o n d l y , t h e m e t h o do fo r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a f tu s e dt oa n a l y s et h ei m p o r t a n c eo ft h e s ed r y p a r a m e t e r s0 1 1 t h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es e q u e n c eo f i m p o r t a n c ea b o u tt h ei n f l u e n c e so ft h e s ed r yp a r a m e t e r s0 1 3 t h ed r yv e l o c i t yw a s f o l l o w i n g ：w o t v h , w h i l et h es e q u e n c eo fi m p o r t a n c ea b o u tt h ei n t l u e n e e so f t h e s ed r yp a r a m e t e r so nt h ec o n s u m p t i o no f u n i te n e r g yw o b t a i n e d ：v t w o h a sw e l la s ，t h ee o n e l u s i o n so fo r t h o g o n a lm e t h o dg a v es u p p o r tt ot h a to fs i n g l ef a c t o r a n a l y t i e a lm e t h o d a n dw h a t sm o r e ，t h ee x p e r i e n t i a lm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sb u i l d u p i te x p l a i n e dt h er u l et h a th o wt h ed r y i n gp a r a m e t e r sd e t e r m i n e dt h ed r y i n gv e l o c i t y 缸dt h ec o n s u m p t i o no f u n i te n e r g y f u r t h e r m o r e , t h ed r y i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d b yt h em o d e l a sar e s u l t , t h eb e s t c o m b i n a t i o no ft h ee r a t t p a r a m e t e r sw a s f o u n d b e s i d e s ，t h em e c h a n i s mo fh e a tt r a n s f e ra n dq u a l i t yt r a n s f e rw a sa n a l y z e do nt h e s t a g eo ft h ee o r l s t a n tv e l o c i t yo fd r y i tw a sf o u n dt h a tt h ev a l u eo fc o e f f i c i e n to fh e a t l a a n s f e ru n d e rt h eo p l i n l u md r y i n gc o n d i t i o nw a sb i g g e rt h a nt h a to f l i t e r a t u r e t h er e s u l t so ft h es t u d y 咖b ea p p l i e dt ot h ei n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o n i tc 龇 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 p r o v i d et h em e t h o d sa n dt h ev a l i dd a t a sf o rt h ea m p l i f i c a t o r yd e s i g no ft h ef l u i d i z e d b e d , a l s oi ti se s s e n t i a lf o r t h ed r y i n gp r o c o s st ob ec o n t r o u c d b e t t e r k e y w o r d ： r c s i d u eo fo r a n g ep e e l ，f l u i d i z e db e d , d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，c r a f t p a r a m e t e r s ，o p t i m i z a t i o n , h e a tt r a n s f e ra n dq u a l i t yt r a n s f e r h i 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 颗粒尺寸，m m 物料堆积密度，碚i m 3 物料的真实密度，堙m 3 比重 床层空袭率 干燥能力，培_ j i 热量，七，h 干物料的比热，材“豫七) 干空气比热，k j i ( k g 七) 湿空气比热，晟，( 堙七) 物料温度， 空气温度， 运动粘度，m 2 s 物料的含湿率 主要符号表 李森科数 阿基米德数 临界流化流量，m 3 h 临界流化速度，m l s 气体分布板压降，k g m 2 床层压降，k 胁2 分布板的开孔率 流化数 床层横截面积，m 2 干燥速率，d b l ( k g s ) 单位能耗，k w h 堙( 乜d ) 热流量，w l m 2 对流传热系数，w ( m 2 勋 传质系数，缸c m 3 j ) 彬加蜴蝇盯巧a k z 。b k 嘭岛岛，占g q o瓯护t y w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庆太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：泓厨够 签字日期：曲7 年多月j ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：诳硇笛专 签字日期：堋年 | 月f 日 导师签名青调乍 签字日期叩年6 月，日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的工程与学科背景 为实现重庆市柑橘百万工程”计划，三峡果品集团公司投资1 5 亿人民币从美 国和意大利引进亚洲规模最大、具有世界领先水平的柑橘榨汁、浓缩生产线，每 小时可加工柑橘鲜果3 0 吨，达到年加工2 0 万吨鲜果的能力。已于2 0 0 3 年正式投 产，但由于柑橘收购量不足以及柑橘皮渣出路问题尚未解决，致使该生产线去年 仅榨鲜果3 万吨，只达到该线生产能力的1 5 。所产生的1 2 万吨皮渣还要按每吨 8 0 元，全年共计9 6 万元交纳环保罚款。更严重的是皮渣并未得到有效处理和利用， 而是直接向三峡水库倾倒，造成对库区水体的污染。如达到设计生产能力，所产 生皮渣将是8 万吨，到库区2 0 1 0 年规划皮渣将达到4 0 万吨。这些皮渣如果就地 填埋不仅占用大量土地，而且将造成二次污染，导致农作物及树木都不能生长； 如果将其倒入长江，水质将遭受严重污染，鱼虾都不能生长；如果将其露天存放， 皮渣腐烂将导致杂菌丛生，恶臭难闻。所以解决柑橘皮渣处理和综合利用的问题 已迫在眉睫。 国内外研究表明，柑橘皮渣用途广泛，可以做成饲料，或从中提取果胶、皮 精油、橙皮苷、膳食纤维、防霉剂、抗氧化剂、色素等。综合利用可以创造出甚 至超过果实加工的经济效益和社会效益。我国人均耕地少，粮食一直紧张，饲料 粮更紧张，美国和巴西等柑橘加工大国，利用柑橘皮渣生产皮渣饲料用于奶牛及 肉牛饲喂，每年可替代粮食几百万吨，已成为重要的饲料来源 2 1 。重庆市人多地少 的矛盾尤其突出，口粮和饲料粮非常紧张，每年需从外地大量调运，如果能将柑 橘皮渣发酵饲料产业化，2 0 1 0 年的4 0 万吨柑橘皮渣将可生产8 万吨柑橘皮渣发酵 干饲料，产值9 6 0 0 万元( 1 2 0 0 元吨) ，既可替代一部分饲料用粮，缓解饲料粮紧张 局面，又可消除皮渣对三峡库区环境污染。由此可见，柑橘皮渣发酵饲料市场前 景广阔、经济效益可观、生态效益显著。 当前国内外柑橘皮渣利用的主要方式是加工成饲料，有两种饲料类型：( 1 ) 柑 橘皮渣干饲料；( 2 ) 柑橘皮渣发酵饲料。国外大型橙汁加工厂最普遍的处理方法是 将柑橘皮渣直接烘干加工成牛饲料，其特点是制作简单，但用途单一、营养不全 以及适口性差。中国农科院重庆柑橘研究所研发的具有自主知识产权的柑橘皮渣 发酵饲料，营养丰富，富含多种维生素和氨基酸，改善了柑橘皮渣干饲料的适口 性，它既能作全价牛饲料，又能作其它畜牧饲料的添加剂。该项目已通过重庆市 科委成果鉴定，其鉴定结论为：该项目为柑橘皮渣处理提供了一条很好的途径， 具有重要的经济、社会和环保意义，符合国家的资源再生利用与环保政策，有利 重庆大学硕士学位论文1 绪论 于柑橘综合利用和污染治理。项目组对菌种( 株) 筛选、原料预处理、发酵条件和 干燥方法等柑橘皮渣固态发酵饲料关键技术进行了较系统的研究，所提出的生产 工艺合理、简便、可行。试制的产品主要营养成分含量超过了玉米等精饲料，并 开始用于奶牛饲喂试验。项目组提供的技术资料完整、数据可靠。该项目率先 在国内开展了柑橘皮渣固态发酵饲料生产技术研究，总体技术水平达到国内先进。 建议进一步优化工艺，开展产业化成套设备的研制。 明显，发酵后的柑橘皮渣营养成分含量远超过直接烘干的皮渣，将其作为饲 料产品工业化具有非常可观的效益。在此背景下，我们申请了重庆科技攻关项目 柑橘新品种选育及其深加工技术对柑橘皮渣的干燥机理及干燥工艺进行深入 的研究，将柑橘皮渣发酵饲料实现产业化生产。 1 2 干燥技术的发展及国内外研究现状 1 2 1 干燥原理 干燥通常是将热量加子湿物料并排出挥发性湿分( 大多数情况下是水) 而获得 一定湿含量产品的过程。湿分以松散的化学形式或以液态溶液存在于固体中，或 积集在固体的毛细微结构中。这种液体的蒸汽压低于纯液体的蒸汽压，称之为结 合水分，而游离在表面的湿分则称为非结合水【l 】。按物理结合方式分，结晶水、小 毛细管内的水分、细胞内的水分等，均是借化学力或物理化学力与固体相结合的， 这部分水称为结合水。那些机械地附着在物料表面的水分，或物料堆积层的空隙 中的水分1 1 。 当湿物料作热力干燥时，以下两种过程相继发生： 过程1 热量从周围环境传递至物料表面使表面湿分蒸发。液体以蒸汽形式从 物料表面排除，此过程的速率取决于空气温度、湿度和空气流速、暴露的表面积 和压力等外部条件，此过程称外部条件控制过程，也称恒速干燥过程。 过程2 内部湿分传递到物料表面，随之又与上述过程蒸发。物料内部湿分的 迁移是物料性质、温度和湿含量的函数，此过程称内部条件控制过程，也称降速 干燥过程。 整个干燥循环中两个过程相继发生，并先后控制干燥速率。 外部条件控制的干燥过程：在干燥过程中基本的外部变量为温度、湿度、 空气的流速和方向、物料的物理形态、搅动状况、以及在干燥操作时干燥器的持 料方法。外部干燥条件在干燥的初始阶段，即在排除非结合表面湿分时特别重要， 因为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，这种传质过程 伴随传热进行，故强化传热便可加速干燥。但在某些情况下，应对干燥速率加以 控制，例如瓷器和原木料在自由湿分排除后，从内部到表面产生很大的温度梯度， 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 过快的表面政法将导致显著的收缩，此即过干燥和过度收缩，这会在物料内部造 成很高的应力，致使物料变形，造成质量缺陷。 内部条件控制的干燥过程：在物料表面没有充足的自由水分时，热量传至 湿物料后，物料就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， 而湿分从物料内部向表面迁移，这种过程的机理因物料结构特征而异，主要为扩 散、毛细管流和忧郁干燥过程的收缩而产生的内部压力。在临界湿含量出现至物 料干燥到很低的最终含湿量时，内部湿分迁移成为控制因素，了解湿分的这种内 部迁移是很重要的。一些外部可变量，如空气用量，通常会提高表面蒸发速率， 此时则降低了重要性，对内部条件控制的干燥过程，其过程的强化手段是有限的， 在允许的情况下，减小物料的尺寸，以降低湿分的扩散阻力是很有效的。旋加振 动、脉冲、超声波有利于内部水分的扩散。 爵 幽 举 降速干燥阶段) 时间 图1 i 恒定干燥条件下的典型干燥速率曲线 f i 9 1 it y p i ld r y m gc - q l v eu n d e rt h ec o n s t a n tc o n d i t i o n 图1 i 定性的描述了物料干燥速率曲纠”，在第一阶段干燥速率是常数，此时 表面含有自由水分。当其完全汽化后，湿表面则从物料表面退缩。此阶段，控制 速率的是水蒸气穿过空气湿分界面的扩散，在此阶段后期，湿分界面可能内 移，湿分将从物料内部因毛细管力迁移到表面，且干燥速率仍可能为常数。 在进一步干燥时( 第2 降速段和第3 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，此时热量县传至表面，再向物 料内部传递【3 0 】。 1 2 2 干燥技术发展与研究概况 干燥的应用历史是很悠久的。人类最早便懂得用自然风干的方式来储存食品， 随着社会和生产力的发展以及人民生活水平的提高，人们对产品质量和加工工艺 的要求越来越高，人工控制干燥过程成为必需。干燥技术在工农业各个部门都有 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 广泛的应用，如农业中谷物、饲料的干燥、医疗行业药品干燥，轻工行业中的食 品、木材、造纸、陶瓷等产品，冶金行业中燃料用煤粉的干燥和药品的干燥等等【3 】1 4 】。 在许多产品的生产中，干燥都是重要的工艺环节，因此正确地设计干燥工艺和进 行干燥操作，是保证和改善产品质量的重要手段之一，在生产实际操作与干燥理 论两方面深入研究干燥，提高干燥技术水平，对国民经济发展有着重要的意义。 现今，干燥应用的日益广泛也使干燥技术所面临的问题越来越复杂，需要干燥处 理的物料种类见诸文献者达数千种，干燥物料的不同，干燥工艺存在显著的差异， 而且干燥除了要进行除湿这一基本要求外，一般还要求化学、生化等多方面的要 求，诸如谷物干燥中对于外形、营养成分、品质等的要求。生产的发展迫切要求 一套成熟的理论来指导生产实践，在过去几十年中，干燥理论的研究得到很多研 究机构及学者的重视，尽管干燥理论还不尽完善，但已经形成了一门独立的学科， 许多的研究者在干燥领域做出了突出的贡献。 干燥领域中贡献最大的学者有：t ks h e r w o o d 在1 9 2 9 年首次从工程学角度出 发提出吁燥”这个观念他认为扩散是干燥的驱动力，并首次将热传导方程一傅立 叶定律应用于固体干燥的研究，迈出了干燥理论研究的第一步；1 9 3 7 年0 a h o u g e n 提出毛细管力也是干燥驱动力的观点，而在此之前干燥一直应用扩散方程进行处 理：1 9 3 3 年o k f i s c h e r 对毛细管多孔介质提出了著名的k r i s c h e r ”模型，此模型阐 述了毛细管多孔介质中毛细管直径大小分布及势差作用，并定义了具有明确物理 意义的水分传递系数。前面几位科学家从不同方面研究了干燥驱动力，l u i k o v 从 不可逆热力学出发，综合发展了前述几位科学家的成果，给出了干燥过程中瞬时 热质和动能传递方程。l u i k o v 模型是迄今为止最为完善的模型，是干燥理论研究 历史的一个里程碑。以后发展的模型多是在此墓础上做的一系列简化和改进，如 扩散方程及其简化形式等。有关干燥理论的研究还有许多经验、半经验模型，如 指数模型及其改进形式如p a g e 方程等。这些模型从工程应用的角度来讲，更简单、 方便、实用。在应用方面，开辟了热风对流、传导、红外辐射、高频电场、超声、 真空、冷冻等干燥技术。众所周知，干燥是一个非常复杂的热质传递过程。它不 仅要受到外部条件如空气温度、相对湿度、空气流速等因素的影响还要受到物料 本身内部结构物理化学性质的影响同时，物料品种繁多、形状各异在干燥过程中 产生表面硬化、物理化学、生物等变化。所有这些因素综合作用的结果使得干燥 理论的研究很复杂也很困难。虽然说前人在于澡技术与理论研究方面己经取得了 很大进展，给出了许多模型如：液体扩散模型、k r i s c h 盱模型、蒸发一冷凝模型、 l u i k o v 模型等，但在具体应用这些模型时又有固定边界层和移动边界层之分。如 果要把这些模型应用到已知物料的干燥还有许多困难，这不仅是由于物料的某些 参数如物料空隙率、热质扩散系数等在求解之前难以确定，而且模型的求解方法 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 也有待探索。【1 1 【5 】【蚓 1 3 流化干燥床的概况与研究现状 1 3 1 流化干燥床的概述 流化床是6 0 年代发展起来的一种干燥技术，已经在化工、轻工、矿业等有了 广泛的应用嘲刚。 流态化干燥概念与基本原理 1 ) 流态化现象 利用流动流体的作用，将大量固体颗粒悬浮于流体中并使之呈现出类似流体 的某些表现特性，这就是固体流态化。在一个干燥设备中，将物料堆放在分布板 上，气流从设备下面通入床层，随着气流速度加大到某种程度，固体颗粒在床层 就会产生沸腾状态，这种床层称为流化床。采用这种方法进行物料干燥称为流化 床干燥，有时也叫沸腾干燥【2 2 1 。 当流体自下而上地流过颗粒层时，则根据流速的不同，会出现三种不同的情 况。 麟嚣 _ 毫i 0 鲞雾 ：慧 - 二o ： 气体玻 辩气涔或液体液体 ( 尊)( b ，( e 气体 ( d c a ) 藏定康 虬时，此时床内颗粒将“浮起”，颗粒层将膨胀”。颗粒床层的膨胀意味 着床内空隙率的增大。而的增大，必使地下降。因此，当床层膨胀到一定程度， = 时，床层不再膨胀而颗粒则悬浮于流体中，这种床层称为流化床。 c 颗粒输送阶段 如果u 玑，则颗粒必将获得上升速度。此时颗粒将被流体带出器外，这是颗 粒输送阶段。据此原理，可以实现固体颗粒的气力和液力输送。 流态化分为狭义流态化与广义流态化。狭义流态化是指流化床阶段；广义流 态化是泛指各种非固定床的流固系统，包括载流床和气力输送。 2 ) 实际的流化现象 以上讨论的是均匀颗粒的理想流化现象。实际上存在着两类截然不同的流化 现象。 散式流化：一般发生于液一固系统。进入流化床阶段。此时床层膨胀，颗粒 均布于流体之中并作随机运动，忽上忽下，忽左忽右，造成床内固体颗粒充分混 合。此种流化床的上界面比较清晰，如图1 2 所示。散式流化床较接近上述的理想 流化床。 聚式流化：一般发生于气一固系统。开始流化后，床内就出现一些空穴，气 体将优先取道穿过各个空穴至床层顶部逸出。由于过量的气体涌向空穴，该处流 速较大，空穴顶部的颗粒被推开，其结果是空穴向上移动并在床的界面处j 跛裂”。 4 ) 流化床的主要特性 氛理想流化床 在理想情况下，流体通过颗粒床层时，克服流体阻力产生的压降与空塔气速 之间的关系如图1 3 所示，大致分为以下几个阶段： q 呻 l g u m fl g u 图1 3 理想流化床p u 关系曲线 f i 9 1 3r d a t i o no f a p - ui nt h ei d e a lf l u i d i z e db e d 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 1 ) n 定床阶段： 此时气速较低，床层静止不动，气体通过床层的空隙流动，随气速的增加， 气体通过床层的摩擦阻力也相应增加。如图1 3 中a b 段所示。 ( 2 ) 流化床阶段： 当流速继续增大超过c 点时，床层开始松动，颗粒重排，床层空隙率增大， 逐渐地颗粒开始悬浮在流体中自由运动，床层的高度也随气速的提高而增高，但 整个床层的压力降保持不变，仍然等于单位面积的床层净重力。流态化阶段的a p 与u 的关系如图1 3 中d e 段所示。 当降低流化床起速时，床层高度、空隙率也随之降低，p u 关系曲线沿e d c a 返回。这是由于从流化床阶段进入固定床阶段时，床层由于曾被吹松，其空隙率 比相同气速下未被吹松的固定床要大，因此，相应得压降会小一些。 与c 点对应的流速称为临界流化速度“。，它是最小流化速度，相应的床层 空袭率称为i 临界空袭率，。 流化阶段中床层的压力降，可根据颗粒与流体间的摩擦力与其重力平衡关系 求出，即： a p = 矿0 8 0 ) ( p ，一p ) g 式中，上。一开始流化时的床层高度 随着流速的增大，床层高度和空隙率s 都增加，而a p 维持不变，压降不随气 速而变化是流化床的一个重要特征，根据这一特点，可通过测定床层压降来判断 流化质量优劣。整个流化床的压力降为a p = t 4 1 一占) ( 岛一p ) g 在气固系统中，p 与 成相比较小可以忽略，a p 约等于单位面积床层的重力。 ( 3 ) 气流输送阶段： 在此阶段，气流中颗粒的浓度减低，由浓相变为希相，使压力降变小，并呈 现出复杂的流动情况。 b 床层内固体颗粒的均匀混合 流化床内的颗粒处于悬浮状态并不停运动，这种颗粒的剧烈运动和均匀混合 使床层基本处于全混状态，整个床层的温度、组成均匀一致，这一特征使流化床 中气固系统的传热大大强化，床层的操作温度易于调控。但颗粒的激烈运动使颗 粒间与固体璧间产生强烈的碰撞和摩擦，造成颗粒破碎和固体璧面磨损，同时当 固体颗粒连续进出床层造成颗粒停留时间不均匀，导致质量不均。 流化干燥床的主要特点 1 1 由于干燥过程中固体颗粒悬浮在干燥介质中，因为流体与固体接触面大，且 物料剧烈碰撞扰动，因此强化了传热传质过程，其体积传热系数为 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 3 0 0 - - - 6 5 9 0 w ( m 3 。) 【1 5 】，处理物料量大。 2 ) 流化床干燥装置密封性能好，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业来说也是十分重要的。 3 ) 流化床干燥器与老式厢式或回转圆筒干燥器相比，具有物料停留时间短、干 燥速率大的特点，因此对某些热敏性物料的干燥也较为适用。 4 ) 设备简单，便于制造，维修方便。 5 ) 物料在流化床内的停留时间可按工艺生产要求进行调节。在产品含水量或原 料含水量有波动时，均可适当的调整。 6 ) 在同一设备内，既可连续生产操作，又可进行间歇操作。 流化床干燥器的使用条件 1 ) 适用于干燥无凝聚作用的散粒状产品的干燥。对被干燥的物料，在颗粒尺度 上有一定的限制，一般以大于3 0 u r n i e id 、于6 0 m m 较为合适【5 1 。粒度太小易被气流夹 带，粒度太大不易流化。对含表面水和需经降速阶段干燥的物料均适用，特别适 用于散粒状物料的干燥。 2 ) 若几种产品混合在一起进行流化床干燥，则要求几种产品的比重要接近。否 则比重小的颗粒较比重大的颗粒易被气流夹带，同时也会影响它们的干燥度。 流化干燥床的分类 1 ) 按干燥的物料可分为： a 粒状物料b 膏状物料 2 ) 按操作情况可分为： 乳间歇式b 连续式 3 ) 按设备结构型是分为： a 单层流化床干燥器b 多层流化床干燥器c 屈r 式多室流化床干燥器 d 喷动床干燥器e 振动流化床干燥器脉冲流化床干燥器吕惰性粒子流化床 干燥器h 锥形流化床干燥器 流化床中不正常现象与流化质量 1 ) 不正常现象【帅】 a 沟流和死床 气流速度虽然己超过临界流速，但床层仍不流化，某些部分被气流吹成一条 沟道，气体由此穿过床层，这种现象成为沟流，未流化部分称为死床。气一固接 触不良，使传热传质过程不能很好进行，降低产品质量和设备的生产效能，而死 床部分容易产生产品的烧结现象。 研究表明，颗粒性质、床层高度、设备结构、气体流速等因素，都会导致沟 流的产生。消除沟流与死床的办法有： 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 1 ) 加大气速，若物料太湿，可进行预先干燥。 ( 2 ) 分布板与开孔率大小不合适时，可应用小型试验进行检验确定。 b 腾涌 流化床内的气泡汇合长大，当其直径接近床层直径时，把气泡以上的颗粒物 料像活塞一样向上托起，达到一定的高度以后崩裂，颗粒被抛出很高，然后纷纷 落下，这种现象称为腾涌，又称活塞流等。产生腾涌时，床层剧烈振动此时，床 层极不均匀，传质传热很难进行，固体颗粒严重磨损和带出，设备零件被冲击而 损坏。 颗粒性质、床层高度和气速等，都会引发腾涌产生，例如，床高风与床径d 之比值风d 较大时，大颗粒比小颗粒更易产生腾涌，h o d 较大而气速又较高，也 易产生此现象，一般当( h o d ) 1 m ) 以及床层内加设有内部构件 时，均可防止腾涌。 2 ) 流化质量 对于流化状态或气体与固体接触状况的好坏，通常以流化质量来表明，在实 验研究中，以压力降的波动( 说明有沟流、腾涌以及大气泡存在) 、床内各点空隙率 的均匀性、床层面起伏不平等来判别流化质量的好坏。在工业生产中，一般以产 品收率高低、副产品的多少、产品质量、设备生产效能等指标来判断流化质量的 好坏。 流化床中气泡直径越小，分布越均匀涸体颗粒的混合与循环剧烈，则流化质 量越好。而沟流、腾涌以及气泡直径大，分布不均，都会使流化质量下降。 影响流化质量的因素有：气流速度，颗粒特性，床层构造，分布板构造与内构 件等。 1 3 2 流化干燥床的发展与国内外研究现状 发展概况 流态化技术自1 9 2 1 年发明以来，干燥是应用最早的领域之一，由于它具有突 出的优点，得到广泛的应用，但普通流化床仍然存在一些缺点；气泡现象使流化 不均匀，相间接触效率不高，且工程放大困难；物料停留时间不均匀，难以获得 含湿量均一的产品，甚至可能有部分产品因过度干燥而变质；动力和热能消耗大； 只能处理松散的粉状或粒状物料。卧式流化床在6 0 年代广泛的应用，对原先普通 流化床进行了改进，主要特点是改善了物料停留时间分布，从而得到均匀干燥的 产品，成功应用的例子有农药固体草柑膦、柠蒙酸以及p v c 、p e 、p p 树脂等。到 7 0 年代后期，流态化干燥技术出现了较大改进，出现了离心流化床干燥机，其原 理是在机械转动造成的离心力场作用下粒状物料分布在丝网覆盖的卧室圆筒形多 孔壁上，气流穿过多孔壁使之流化干澡，它适用于处理大颗粒、小密度的物料。 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 进入8 0 年代后，流化床干燥机取得最重大的改进，即振动流化床的开发和应用。 振动流化床结构与普通流化床很相似，只是在机体上增加了振动装置，使流化床 可以处理形状不规则的物料，从而降低了床层内传热、传质阻力，且使易粘结、 易团聚的物料利于实现流化，使物料在床内的停留时间也较普通床均匀得多，且 降低了某些物料的临界水分，缩短了干燥时间。目前，日本的t o k u j u 公司对此有所 研究并推出了g y r o 型干燥机，它与卧式振动流化床相比，g y r o 干燥机最突出的 特点是设备紧凑，节省空间，其次，机械能耗也有所降低，应该说其构思是比较 巧妙的，但目前应用还不普遍f 3 】【16 】口町。 流化干燥床国内外的研究现状 s m t a s i r i n ，s k k a m a r u d i n ( 2 0 0 7 ) 以红辣椒为干燥物料，用单因素分析方法和 正交试验方法分析了床层高度、风速和干燥时间对干燥速率的影响，并得出了在 流化干燥床中干燥参数的优化结果【7 1 。b u l e n tk o z a n o g l u ，a d a nc a b r e r a v a z q u e z ( 2 0 0 6 ) 对过热真空流化床中种子干燥作了试验研究，提出了操作温度的提 高将提高干燥速率，过热度对干燥过程有重要的影响【扪。c h a l i d an i a m n u y 等( 2 0 0 6 ) 通过改变入口风温和温度的大小与模式对椰子的干燥动力特性及品质的进行了研 究，其结论认为，产品的色泽主要受入口风温影响，而椰子表层油量主要受入口 风速影响【。s s y a h r u l ，i d i i l c e f 利用流化干燥过程的热动力分析来优化进口和出 口的条件，以能效和放射能效模型为基础分析了入口风温、流化速度、初始含湿 量对能效和放射效率的影响，物料采用了小麦和玉米，入口风温对小麦流化干燥 的传热效率和干燥速率有显著的影响，但对于玉米，其扩散系数决定于颗粒的温 度和含湿量，风温的增大没有导致传热效率的增加。另外，随着初始含湿量增大， 能效和放射能效值也随着增大f l o j 。h a j i d a v a l l o o 等人( 2 0 0 2 ) 建立了热量模型来分析 流化干燥床的传热传质机理和热效率，以玉米为干燥物料开展了实验，分析了入 口风温、风速、初始含湿率对热效率的影响，其结论为随着玉米含湿量的减少和 干燥时间的增加，热效率降低了并且明显在干燥末期达到最低。结论也表明水分 的转移强烈的依赖于风温、风速和含湿量f 1 1 1 。 王成军，张宝诚( 2 0 0 1 ) 通过对流化床干燥过程的机理分析，将干燥过程分为预 热阶段、恒速干燥阶段、降速干燥阶段、提出模型的简化条件，建立了3 个阶段 的数学模型【1 2 1 。淮秀兰( 2 0 0 1 ) 以大麦为物料进行了实验研究，分析了各种因素对干 燥过程的影响。结果表明：1 ) 建立了集流化床内的流动、颗粒传热传质和床层干 燥过程为一体的综合数学模型，针对模型各部分的不同特点，分别采用了恰当的 数值方法进行了数值计算。2 ) 入口空气温度对干燥过程的影响很大，入口空气温 度越高，干燥速度越快，干燥器的干燥能力也越强，但入口空气温度受被干燥物 品要求的限制，谷物初始含湿量高时干燥速度快，但干燥至安全储存含湿量的干 l o 重庆大学硕士学位论文1 绪论 燥时间会因除水量的增大而延长。床层高度及空气相对湿度对干燥过程也有影响， 适当提高入口空气相对湿度，有利于谷物干燥。3 ) 对于麦子干燥，最高空气温度 不应超过1 2 0 若要作为种子，则麦子的最高温度不应超过4 6 ( 2 。【”】王朝晖( 1 9 9 5 ) 在分析初始含湿量较高的多孔介质( 有恒速干燥阶段) 热风对流干燥实验结果的基 础上，对体积平均理论进行了简化，得出了具有扩散放成形式的简化干燥模型， 同时获得了有效扩散系数的理论表达式【“】。向飞( 2 0 0 5 ) 基于流化床干燥理论采用热 风循环充分的电热烘箱作为干燥器，对小麦进行了一系列薄层干燥实验研究，模 拟小麦流态化干燥过程，总结出适用于流化床小麦干燥时间预测的经验回归公式 【2 扪。 综上所述，国内外食品和谷物如小麦、玉米等的干燥机理的研究较多，研究 的内容主要集中在以下几个方面： 1 ) 对物料的性质的研究( 水分扩散系数、比热、导热系数等) 。 2 ) 对选择流化床干燥参数的研究。 3 ) 干燥过程模型化的研究。 4 ) 干燥参数优化研究。 5 ) 干燥传热传质的研究。 虽然这些研究对干燥机理做了很多的实验研究，但理论研究仍然不成熟，干 燥模型多为半经验公式，另外，流化床内两相流的研究也非常少。 1 4 课题的研究目的及意义 目前国内外对柑橘皮渣的回收再利用作了许多工作，比如从柑橘皮渣提取精 油，烘干作干饲料，但对柑橘发酵饲料的干燥研究仍属空白。根据重庆柑橘研究 所的初步研究柑橘皮渣作为发酵饲料其利用价值相当可观，营养成分比干饲料更 加丰富，因此开发出高效且成本合理的发酵一干燥成套设备，必须要进行干燥的 机理分析、传热传质的研究、干燥模型的建立，这是发酵皮渣产业化的理论基础， 这是指导生产的依据，因此这是我们必不可少的技术工作。 本课题针对发酵后的柑橘皮渣的物性、皮渣发酵饲料生产规模以及干燥的指 标( 干燥成品的含湿量要求为1 2 左右) 采用流态化技术进行干燥，通过实验，流态 化干燥效率很高。在此基础上我们需要对影响干燥速率的因素( 热风温度、热风风 速、初始含湿率和床层高度) 进行分析，并通过试验不同的因素对干燥速率的影响， 找到合适的干燥组合参数，为流化干燥床理论研究和优化设计以及研制干燥器成 套设备提供依据。 流态化干燥的研究在干燥领域是属于前沿的方向，研究物料传热传质规律以 及建模具有重要的理论意义和实用价值。 目前该成套设备在国内外市场中存在空白，将其产业化可以产生显著的经济 重庆大学硕士学位论文1 绪论 和社会效益。 1 5 课题的研究内容 本文在参考国内外农产品干燥理论和经验的基础上，以发酵后的柑橘皮渣为 实验物料，进行干燥实验研究，分析探讨其干燥特性，建立干燥数学模型，并寻 求工艺参数的最佳组合，主要研究内容包括： 柑橘皮渣物性的测量。 观察干燥器中物料的运动情况，颗粒大小收缩情况，依据现象作出分析。 测定床层压差和风速的关系，据此分析i 缶界流化速度( 流量) 与带出速度。 采用单因素分析进行干燥特性分析，探讨介质温度、介质风速、初始含湿 量、床层高度对干燥性能的影响规律。 采用正交实验方法分析干燥参数对平均干燥速率和单位能耗的影响程度。 通过建立回归数学模型对各因素对干燥性能指标的影响进一步分析，寻找最佳参 数组合，为流化干燥床的放大设计提供依据。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 干燥实验系统的设计 2 干燥实验系统的设计 对于柑橘皮渣，其干燥特性迄今是未知的，那么在设计大型干燥设备前， 有必要进行干燥动力学实验，从实验室小型试验的平台上取得实验结果，就可 以为放大设计大型工业干燥器提供依据。 干燥设备的设计与所要干燥的物料的物性有密切的关系，物料的物性不同， 干燥设备的类型及尺寸会有很大的差异，因此在对干燥实验系统设计与选型之 前，必须对柑橘皮渣的物性进行测定。 2 1 物料预干燥 柑橘皮渣经过发酵之后，我们通过微波炉干燥，测得含水率高达 8 5 ( w b ) ，表面非结合水分较多，比较粘糊，因此需要预干燥，根据皮渣原 始8 5 的含水率，利用微波炉烘干除去一部分水分，物料被预干燥到含水率 6 0 n 7 0 之间，再经过轻微的搅拌，物料的形状成散粒状。 柑橘皮渣的预干燥以及初始含水量