（热能工程专业论文）惰性小颗粒表面薄层多孔物料干燥机理的研究.pdf

摘要 惰性小颗粒表面薄层多孔物料干燥机理的研究 摘要 惰性粒子流化床干燥是将溶液、悬浮液或膏状浆液喷入处于流化 状态的惰性粒子表面，进行干燥、粉碎获得粉状产品的一种新型先进干 燥技术，它有机地结合了流化床干燥、喷雾干燥、薄膜干燥等的优点， 有着广泛的应用前景。但是至今对其机理的研究还很缺乏，特别是关于 表面薄层物料干燥的传热传质机理方面，因而缺乏定量的计算式，在放 太设计及寻找最佳运行条件时，一般都只能根据经验或大量试验。本文 不讨论颗粒流化床的流化特性，首次对惰性小颗粒表面薄层多孔物料干 燥机理进行理论和实验研究，对进一步发展惰性粒子流化床干燥技术具 有重要的理论指导意义。 本文建立了被干燥薄层物料的孔隙半径分布模型，模型预测值与 采用动态氨吸附仪测量的被干燥物料的孔径分布实验测量值进行了比 较，两者吻合较好，其均方根误差小于18 2 。同时，利用三十多种被 干燥物料平衡湿含量与对应周围空气的相对湿度的实验数据，证明了该 孔隙半径分布模型对许多厚层物料也适用。得出了这些材料的模型参数 一一均值和方差，推导出物料平衡湿含量的计算式，与实验值的均方根 误差仅为4 2 ，说明该模型的准确性及在一定范围内的通用性。 利用孔隙半径分布模型，建立了薄层多孔物料降速干燥阶段毛细 通道中液面蒸汽分压与毛细孑l 结构特征的关系，与文献中经验公式进行 了比较，结果基本一致，同时探讨了孔隙分布的模型参数对其中水液面 蒸汽分压的影响。 从单毛细管干燥物理模型出发，建立了薄层多孔物料毛细管中能 量、质量守恒方程，提出影响降速干燥速率的两个主要因素是毛细管内 的分子扩散及毛细管水液面蒸汽分压力导出了影响降速干燥速率的这 两因素与毛细管半径及扩散距离间的关系式，进而分析了毛细管降速干 燥的控制机理及因素。结果表明：当扩散距离大于1 旷3 m 时，毛细管内 的扩散控制了降速干燥速率，随着干燥的不断进行，干燥前沿平行地向 东南大学博士学位论文 里推进；而对于扩散距离为微米级的薄层干燥，毛细管表面水蒸汽分压 控制降速干燥速率，干燥是从大毛细管到小毛细管中的水份逐渐蒸发扩 散过程，干燥前沿与干燥界面不平行，揭示了薄层物料与厚层物料干燥 机理的差异性。 对惰性颗粒表面薄层物料的干燥进行了传热传质实验研究，得出 了不同实验工况下温度、湿含量及干燥速率变化曲线，分析了影响干燥 速率及临界湿含量的因素。 对惰性小颗粒表面薄层多孔物料干燥过程的传热传质特性进行了 数值模拟，模拟结果与实验的温度、湿含量及干燥速率变化曲线吻合较 好，验证了本文提出的薄层物料干燥模型的合理性及准确性。根据模拟 结果，探讨了惰性粒子流化床干燥特性曲线，揭示了颗粒的导热作用是 影响惰性粒子流化干燥速率的主要因素。同时，本文研究了影响其干燥 速率的诸因素。如惰性颗粒比热、密度、直径、薄层物料厚度、空气流 速及温度和孔隙分布模型参数，结果表明：惰性颗粒直径越小、比热及 密度越太，平均干燥速度越大，而现工程采用的惰性颗粒的密度和比热 还很小，材质上仍有很大的选择范围。最后，还分析了多孔物料孔隙分 布的模型参数对干燥过程的影响，均值u 大、方差0 小的薄层多孔物料 干燥难度小，说明了不同物料干燥难度的差异性。 关键词：干燥机理，孔隙分布模型，薄层多孔物料干燥，惰性粒子流 化床干燥。 s t u d yo nd r y i n gm e c h a n i s m o ft h i nf i l mp o r o u sm a t e r i a l s c o a t e do nt h es u r f a c eo fs m a l li n e r tp a r t i c l e a bs t r a c t f l u i d i z e db e dd r y i n gw i t hi n e r tp a r t i c l e si san e wa d v a n c e dt e c h n o l o g y , w i t hw h i c h t h es u s p e n s i o n s ，s l u r r i e so rp a s t e sa r es p r a y e dt ot h es u r f a c eo fi n e r tp a r t i c l e si n f l u i d i z a t i o n ，t h e nd r i e da n dc h i p p e dt op o w d e rp r o d u c t s w i t ht h ea d v a n t a g e s o f f l u i d i z a t i o nd r y i n g ，s p r a yd r y i n ga n dt h i nf i l md r y i n g ，t h et e c h n o l o g yh a sh u g ep o t e n t i a l s i 1 1i t sw i d ea p p l i c a t i o n s h o w e v e r , t h e r ea r es of e ws t u d i e sa n dr e p o r t so ni t sd r y i n g m e c h a n i s ma n dr i og o o df o r m u l af o rt h ec a l c u l a t i o n i tm a k e ss c a l e a b l ed e s i g na n d s e e k i n go p t i m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o ni m p o s s i b l eo rj u s tb a s e do nal o tr e p e a t e d e x p e r i m e n t so re x p e r i e n c e s i n s t e a d o fd i s c u s s i n gt h ef l u i d i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p a r t i c l ef l u i d i z e db e d ，f o rt h ef i r s tt i m e ，t h i si n v e s t i g a t i o ne m p h a s i z e st h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ed r y i n gm e c h a n i s m o ft h i nf i l mp o r o u sm a t e r i a l sc o a t e do nt h e s u r f a c eo fs m a l li n e r tp a r t i c l e i tg i v e st h eg u i d a n c eo nd e v e l o p m e n to ff l u i d i z e db e dd r i e r w i t hi n e r tp a r t i c l e s am o d e lo fv o i dd i s t r i b u t i o ni nd r i e dt h i nf i l mp o r o u sm a t e r i a l si sp r o p o s e di nt h i s w o r k t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sb yt h em o d e lm a t c h e sw e l lw i t he x p e r i m e n t a ld a t am e a s u r e d w i t hd y n a m i cn i t r o g e n a d s o r p t i o nm e t e rw i t hl e s st h a n18 2 r o o tm e a ns q u a r ee r r o r a n da l s o ，f r o me x p e r i m e n t a ld a t ao nr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne q u i l i b r i u mm o i s t u r ec o n t e n t o fm o r et h a nt h i r t yd r i e dp o r o u sm a t e r i a l sa n dr e l a t i v es u r r o u n d i n ga i rm o i s t u r ec o n t e n t ， t h ev o i dd i s t r i b u t i o nm o d e lp a r a m e t e r sa n df o r m u l af o re q u i l i b r i u mm o i s t u r ec o n t e n to f t h o s ep o r o u sm a t e r i a l sa r ed e r i v e d t h ep r e d i c t e dd a t af r o mt h ef o r m u l am a t c h e sw e l l w i t he x p e r i m e n t a ld a t aw i t hl e s st h a n4 2 r o o tm e a ns q u a r ee r r o r a l lt h e s es h o wt h e a c c u r a c ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h em o d e li nac e r t a i nr a n g e b a s e do nt h ev o i dd i s t r i b u t i o nm o d e l ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a p o rp r e s s u r ei n c a p i l l a r ya n dv o i ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i np o r o u sm a t e r i a l si nf a l l i n gr a t ed r y i n g p e r i o d si s e s t a b l i s h e d ，w h i c hh a sag o o dm a t c hw i t he m p i r i c a lf o r m u l ap r o p o s e di n r e f e r e n c ep a p e r s t h ee f f e c t so fv o i dd i s t r i b u t i o nm o d e l i n gp a r a m e t e r so nv a p o rp r e s s u r e i n s i d ev o i da r ed i s c u s s e da l s o b a s e do np h y s i c a lm o d e lf o rd r y i n go fs i n g l ec a p i l l a r y , t h ee n e r g ya n dm a s s c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n si ss e tu p ，w h i c hg i v e so u tm a j o rf a c t o r sa f f e c t i n gd r y i n gr a t ei n f a l l i n gr a t ed r y i n gp e r i o d ，a sm o l e c u l a rd i f f u s i o na n dv a p o rp r e s s u r e i nc a p i l l a r y t o i i i a n a l y z et h ec o n t r o l l i n gf a c t o r sa n dm e c h a n i s m ，t h ef o r m u l ai s d e r i v e df o rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et w of a c t o r sa n dc a p i l l a r yr a d i u so rd i f f u s i o nl e n g t h t h er e s u l t ss h o wt h a t w h e nd i f f u s i o nl e n g t hi sl a r g e rt h a n10 一m ，t h ed r y i n gr a t ei sc o n t r o l l e db ym o l e c u l a r d i f f u s i o ni nc a p i l l a r ya n dd r y i n gf r o n ta d v a n c e si np a r a l l e l ，w h i l ed i f f u s i o nl e n g t hi sa t l e v e lo f10 一m ，t h ed r y i n gr a t ei sc o n t r o l l e db yv a p o rp r e s s u r ei n s i d ec a p i l l a r ya n dd r y i n g f r o n td o e sn o ta d v a n c ei np a r a l l e l ，t h ed r y i n gi sap r o c e s so fe v a p o r a t i n ga n dd i f f u s i n g g r a d u a l l y f r o ml a r g et os m a l lc a p i l l a r y b yt h ee x p e r i m e n t so f h e a ta n dm a s st r a n s f e r r i n gi nd r y i n go ft h i np o r o u sm a t e r i a l s c o a t e do nt h es u r f a c eo fi n e r tp a r t i c l e ，t h ev a r y i n gc u r v e so ft e m p e r a t u r e ，m o i s t u r ec o n t e n t a n dd r y i n gr a t ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n da n a l y z e st h ef a c t o r sa f f e c t i n gc o n s t a n td r y i n g r a t ea n dc r i t i c a lm o i s t u r ec o n t e n ta r eo b t a i n e di nt h i sw o r k 。 t h en u m e r i c a lm o d e l i n go fh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nd r y i n go ft h i np o r o u sm a t e r i a l s c o a t e do ns m a l li n e r tp a r t i c l es u r f a c ei sp e r f o r m e di nt h ep a p e r t h er e s u l t sa r ei ng o o d m a t c hw i t he x p e r i m e n tv a r y i n gc u r v e so ft e m p e r a t u r e ，m o i s t u r ec o n t e n ta n dd r y i n gr a t e 。 b a s e do nt h er e a s o n a b l ea n da c c u r a t ed r y i n gm o d e l ，t h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff l u i d i z e d b e dd r i e rw i t hi n e r tp a r t i c l e sa n dt e m p e r a t u r ev a r i a t i o ni n s i d ei n e r tp a r t i c l e sa r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t so fs o m ep a r t i c l ep a r a m e t e r so nd r y i n gr a t ea r ed i s c u s s e d ，s u c ha s d e n s i t y , s p e c i f i ch e a t ，d i a m e t e r o fi n e r tp a r t i c l e ，t h i c k n e s sa n dv o i dd i s t r i b u t i o n p a r a m e t e r so ft h i nf i l m ，a i rv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ea v e r a g e d r y i n gr a t ei si ni n v e r s ep r o p o r t i o nt od i a m e t e r , a n di np r o p o r t i o nt od e n s i t ya n ds p e c i f i c h e a to fi n e r tp a r t i c l e ，t h ef i l mt h i c k n e s s ，a i rv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e b e c a u s et h ed e n s i t y a n ds p e c i f i ch e a to fi n e r tp a r t i c l ei ne n g i n e e r i n ga r ev e r ys m a l l ，t h e r ei saw i d er a n g ei n c h o i c eo fi n e r tp a r t i c l e t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h es m a l l e ro fm e a nv a l u e ，a n dt h e l a r g e ro fs t a n d a r dd e v i a t i o no fv o i dd i s t r i b u t i o n ，t h em o r ed i f f i c u l to fd r y i n go fp o r o u s m a t e r i a l s i tm e a n st h a tt h eo p e r a t i n gd i f f i c u l t yo fd r y i n gp r o c e s si sd e p e n d i n go nt h e m a t e r i a li t s e l f k e yw o r d s ：d r y i n gm e c h a n i s m ；m o d e l i n go f v o i dd i s t r i b u t i o n ；d r y i n go ft h i nf i l mp o r o u s m 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 t hi n e r tp a r t i c l e s i v 符号说明 符号说明付丐况明 a颗粒导温系数，m 2 s a ，l u ik o v 系统扩散系数 a 料层与空气传热、传质表面积，m 2 o 定压比热，k j ( k g ) c 。干物料比热，k j ( k g ) 0 f 水蒸气定压比热容，k j ( k g ) d 颗粒直径，m d 彳口水蒸汽在空气中的扩散系数，m 2 s 刑孔隙长度分布函数 ，例孔隙半径分布函数 h料层与空气对流换热系数，k j ( m 2 s ) 力d 料层与空气传质系数，k g ( m 2 s ) i 谂。k j k g 质量通量，k g ( s m 2 ) 也惰性载体导热系数，w ( m ) k 。被干燥物料导热系数，w ( m ) 尼努森( k u n d se n ) 数 j 孔隙长度，m 鳓湿物料中干料重，k g 膨水分子量 n u 努赛尔数 p 环境压力，p 。 伽水平面饱和蒸汽分压，p 。 p ，物料中水表面蒸汽分压，p 。 厅普朗特数 ，颗粒径向坐标，m 空隙( 毛细管) 半径，m n 水汽化潜热，k j k g n物料中毛细通道当量半径，m r e 雷诺数 v 东南大学博士学位论文 月颗粒半径，m 干燥速率，k g ( m 2 s ) 岛单位孔隙总比表面积，m 2 g s c 施密特数 s h 舍伍德数 t 时间，s 乃干燥空气温度， 乃被干燥料层温度， 丁 惰性颗粒温度， “一干基湿含量，k g k g “干基湿含量，k g k g ，。临界湿含量，k g k g 讥平衡湿含量，k g k g 材口 物料最大吸湿含量，k g k g 单位总孔容积，m 3 g 以空气湿含量，k g k g x 物料中水表面湿含量，k g k g x ，水表面饱和湿含量，k g k g y干区厚度，n l 少。物料空隙率 痧似物料累计空隙率 物料空隙率 平均自由程，m 夕对流传质系数，k g ( m 2 s ) 艿，l u ik o v 系统热梯度系数 6 料层厚度，m 秽 润角 1 9 。多孔介质中气相所占容积比率 汐，含水率 只多孔介质中固相所占容积比率 pj 水密度，k g m 3 口，液、气相转换系数 v i 符号说明 口 水表面张力，n m 多孔物料孔隙分布函数的方差 多孔物料孔隙分布函数的均值，m 下角标 c 临界 e l f 有效 d 料层 g 空气 0 初始状态时 p 颗粒，热载体 矿水蒸汽 s饱和状态 水，液面处 v i i 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。 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。 妞日塑造= 警；日 期：) 夕g 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 干燥就是采用加热的方式( 如对流、导热、辐射) 从物料中脱出水份 的过程，干燥过程涉及到化工、食品、农业、工业、建筑、煤炭、纺 织、木材等诸多领域。干燥操作是一项面广、量大的生产操作，其能 量消耗是很可观的。例如英国消耗于干燥的能量为全国工业能耗的 7 ，这个数字还是假设干燥的总热效率为1 3 ，并且忽略了所有鼓风机、 传输带等动力设备的能耗；而在原苏联更高，在其燃料平衡中用于干 燥的燃料占总量的1o ，我国没有这类针对干燥能耗的统计，但可 以估计不会比这些国家好。物料干燥过程中的传热传质直接影响干燥 效率、能耗及被干燥产品的质量，因此研究和探讨干燥过程传热传质 理论，加深对物料干燥机理的认识，对于优化干燥过程、提高干燥产 品品质、获得更好的过程控制、有效地利用干燥设备和节省能量消耗 等具有重要的理论意义和实用价值。 惰性粒子流化床干燥是近年来刚发展起来的新型先进干燥技术，适 用于化工、食品、医药、建材等行业的溶液、悬浮液或膏状浆液的干 燥，它的热效率高、气固间的传热传质系数大、操作简便，干燥机中 处于流化的惰性粒子使得粘稠性浆状物料均匀地附着于惰性粒子表 面，加大了物料与气流接触的表面积，达到流化干燥的效果，同时惰 性粒子从内部对薄层物料加热，大大提高了干燥速度，克服了流化床 无法干燥含水率较高的浆状物料的缺点。与喷雾干燥相比，干燥塔体 无粘料现象，物料雾化要求大大降低，体积干燥强度大几十倍，设备 尺寸可以缩小5 10 倍，因此该技术有着广泛的应用前景心5 1 。近十年 来，国内外研究人员对其干燥过程中颗粒流化床的流化特性、整体传 热传质特性、干燥强度、物料滞留率及流化床干燥效率等方面进行了 较深入的研究工作。但是对惰性颗粒表面薄层物料干燥机理的研究还 很缺乏，对单个颗粒表面料层干燥的动力特性及传热传质研究的报导 仅有一篇，且侧重于实验研究伸。8 ，因而缺乏定量的计算式，在放大设 计及寻找最佳运行条件时，一般都只能根据经验或大量试验。惰性颗 一】一 东南大学博士学位论文 粒表面薄层物料干燥是组成惰性粒子流化床干燥的基本环节，本文不 讨论颗粒流化床的流化特性和流化床整体的干燥行为，首次对单个惰 性颗粒表面薄层多孔物料干燥的机理和传热传质特性进行理论和实验 研究，将对进一步发展惰性粒子流化床干燥技术具有重要的理论指导 意义。 惰性颗粒表面薄层物料实际上是一种多孔物料。孔隙结构特征( 如 孔隙大小及其分布规律) 是多孔物料的重要特征诲) ，对其传热传质过程 的影响很大。本文通过对惰性粒子流化床干燥后干品的孔隙结构特征 的研究，将从微观角度认识薄层物料传热传质过程和相应的影响因素， 为多孔物料干燥研究提供一种新的研究思路和方法。 多孔物料的干燥机理与干燥技术、干燥工艺一起形成了干燥学科的 三个主要组成部分。从学科发展的角度来看，多孔物料干燥学科已经 渗透到许多学科和新兴技术领域，包括能源、材料、环境科学、化学 工程、仿生学、生物技术、医学和农业工程等，是形成交叉和边缘学 科的一个潜在生长点阳1 。因此，多孔物料干燥机理的研究是一项具有重 大学术价值、对学科发展具有重要影响的工作，已经成为当前国际工 程热物理学科最活跃的前沿研究领域之一 1 。 1 2 研究进展 1 2 1 惰性粒子流化床干燥 近十几年来，国内外研究人员对新型的惰性粒子流化床干燥进行 了大量、广泛的研究工作。主要集中在以下几个方面： 1 一些物料的干燥试验及工业放大设计 p a l1a ie 等1 0 1 ( 2 0 0 1 年) 、t a r u n a1 w a n 等1 ( 2 0 0 2 年) 、b e n a li m a r z o u k 等1 23 ( 2 0 0 6 年) 、c os t aj ref 等1 ( 2 0 0 6 年) 分别对土豆粉、 豆浆、蔬菜粉、黑色废液及蛋清采用惰性粒子喷动干燥进行了实验研 究，得到了不同操作条件下干品质量、能量消耗、水份蒸发速率、颗 粒结聚及热效率的变化规律。 林诚等1 ( 2 0 0 4 年) 探讨了在惰性粒子喷动床中反应干燥集成化一 一2 一 第一章绪论 步法制备超细碳酸钙新技术，经透射电子显微镜、x 射线衍射分析仪和 水份分析仪检测表明：采用该技术得到的产品为方解石型超细碳酸钙， 其平均粒径为8 0 n m 左右，含水率低于0 15 。 唐凤翔等n 引( 2 0 0 4 年) 在12 5 m m 的惰性粒子喷动流化床内对冷冻 融解的氢氧化铝污泥进行了低温( 6 0 ) 干燥实验研究，得出了较适 宜的工艺条件为：惰性粒子粒径为1 4 3 m m ，污泥加料量与惰性粒子质 量比小于0 5 ，惰性粒子床层高径比为1 4 ，表观流化气速与喷动气速 之比为1 4 ，干燥强度为0 8 2 k g 水( h k g ) 惰性粒子。 江涛n 6 1 ( 2 0 0 3 年) 对惰性粒子流化干燥啤酒母废液进行了实验研 究，结果表明其表面、体积传热系数分别可达3 2 2 k j ( m 2 h ) 和6 6 3 108 k j ( m 3 h ) ，干燥强度可达6 0 8 0 k g ( m 3 h ) 。 g r b a v cicz e l jk ob 等n ( 2 0 0 4 年) 通过对纯水、杀菌剂、碳酸钙、 氢氧化铜的干燥实验，确定了惰性粒子流化床干燥机的操作参数准则 公式，如水份蒸发率、热量消耗、气体消耗等。s z e n t m a r ja yt 等“8 ( 19 9 4 年) 通过小试及中试，提出了一些工业放大设计需要考虑的参数为：惰 性粒子直径与塔体直径的比值、塔体高度与直径的比、空塔速度、滞 留时间、以惰性粒子直径为定性尺寸的r e 数等。p a s so sml 等n 们( 19 97 年) 通过干燥塔内流体流动的模拟及不同物料的干燥试验，提出了园形 惰性粒子喷动床干燥的设计准则公式。k u t s a k o v ave 心们( 2 0 0 4 年) 实 验得出了惰性粒子喷动床用于液体和膏状物料干燥的设计计算公式及 图。 夏璐等心( 19 9 7 年) 对惰性粒子流化床干燥用于乳粉加工进行了初 步的设计，提出干燥塔径、塔高的计算公式为： ( 1 1 ) ( 1 2 ) 其中：w 为水份蒸发量，k g h ；n 为干燥强度，k g ( h m 3 ) ；q 为干 燥所需有效热量，w ；k 为体积传热系数，w ( m 2 ) ；f 为干燥塔截面积 一3 一 一叫、-、，l二矿击 0 一f 0 ，一r m 旦f 东南大学博士学位论文 ( 詈。2 ) ：t 为对数平均温差j 互t i 三- t 习2 ) ；t 1 、t 2 , t m 分别为热风进 l t 2 一t 。j 口温度、出口温度和乳液平均温度。 李佑楚等心2 一钉( 19 9 9 年) 通过试验得出了干燥器床层温度沿床高的 分布，结果表明除靠近分布板极短的区域外，整个床层沿高度方向没 有温度梯度，说明床内粒子处于完全混合的状态。 sze n t m a r j a yt 他钉等( 19 93 年) 对带有机械搅拌的惰性粒子流化床干 燥中颗粒表面料层的研磨进行了研究，结果表明：研磨过程可以用指 数函数来描述，干品的粒径分布接近于正切一双曲线函数。v ieir am ga c 2 sj 等( 2 0 0 4 年) 研究了惰性粒子喷动床干燥过程中惰性颗粒与料层 间的吸附作用。 2 干燥强度 一般而言，干燥强度n 的定义式为： ：堡( 1 3 ) 式中，w 为单位时间内所除去的湿，k g 水h ，v 为干燥设备的总体 积，m 3 。 陈国桓等心6 圳( 19 95 19 9 7 年) 试验表明：喷雾干燥的干燥强度约 为2 6k g 水( m 3 h ) ，而惰性粒子流化床干燥器高达5 0 6 0 k g 水 ( m 3 h ) ，约为喷雾干燥的2 0 倍，即在相同的条件下，其体积仅为喷 雾干燥的l 2 0 左右。 g r b a v c icz e lj k ob 73 等( 2 0 0 4 年) 对不同物料的干燥强度进行了 大量的实验研究，并利用宏观热平衡关系式得出干燥强度的计算式， 与实验值的误差小于10 。 刘巍等口9 圳( 2 0 0 5 年，2 0 0 6 年) 假设：( 1 ) 在惰性粒子表面，干燥 速率近似为常数；( 2 ) 所有己干的物料都随气流离开床层；( 3 ) 物料在 惰性粒子表面覆盖均匀，二者混合良好。根据这些假设，结合因次分 析法，通过对实验数据进行回归，得到干燥强度n 的准数关联式： 一4 一 第一章绪论 4 2 枷筹篇( 业z 厂1 1 降厂孵d 厂9 4 何h 1 5 0 1么，n g d ? l l 兄 li l ( 1 4 ) 式中：m 。为绝干物料重量；t 为传热对数平均温差；入为气体 导热系数：a 为比表面积；a 为干燥表面积；r 为汽化潜热；p 。为惰性 粒子的堆积密度；g 为滞留率；d 。为惰性粒子直径；v 为进风速度；p 为气体密度；u 为气体粘度；c 。为气体定压比热；p 。为物料密度；q ， 为进料体积流量；h 为静床高。 上述关联式与实测值吻合较好。 3 体积传热系数及气固间的传热系数 体积传热系数是衡量干燥器传热性能的重要指标，它定义为单位 传热温差下，单位时间内单位体积静床层中传递的热量，即： 耻矗 ”5 ) 式中：k ，为体积传热系数，k w ( m 3 ) ；q 为单位时间内流化床中 总传热量，k w ；v 。为流化床静床层体积，m 3 ；at 。为物料与热空气间传热 的对数平均温差。 p a nyk 等口妇( 2 0 0 1 年) 、z h a ol ijia n 等口纠( 2 0 0 4 年) 针对振动及旋流 惰性粒子流化床干燥机，实验研究了不同的惰性载体( 玻璃球，四氟 柱) 、进料量、空气流速、进气温度、静止床高、液体含水率情况下体 积平均传热系数的变化规律。m a r ti1 3 ez lao c h o a 等3 1 ( 19 9 3 年) 在 底部呈圆锥的惰性粒子喷动床中实验研究了影响平均体积传热系数的 因素。 刘巍等4 1 ( 2 0 0 5 年) 通过洗衣粉悬浮液干燥的实验，得出体积传热 系数与进料量及进风速度成正比，与惰性粒子直径成反比，在相同条 件下，气体分布板由直孔改为斜孔，会增加体积传热系数。 陈国桓等心叫( 19 9 5 年) 通过对混凝土添加剂( 萘磺酸盐) 和洗衣粉悬 浮液的干燥实验，得出惰性粒子为2 5 m m 玻璃球的干燥器的体积传 热系数的范围为2 4 0 0 - - 一3 6 0 0 w ( m 3 ) 。江涛等( 2 0 0 3 年) 53 通过对啤 酒酵母废液干燥的实验研究，惰性粒子流化床干燥器中体积给热系数 东南大学博士学位论文 约为6 6 2 5 l05 k j ( m 3 h ) 。 陈国桓等心7 1 ( 19 9 6 年) 假设：( 1 ) 惰性粒子与物料混合良好；( 2 ) 湿 物料均匀地涂敷在惰性粒子表面形成薄层；( 3 ) 物料薄层厚度与惰性粒 子直径相比很小，可忽略不计。应用因次分析法，将大量实验数据回 归，得出体积传热系数k 。的无因次关联式： 牛o 0 8 9 等妒5 3 岳) 1 4 吼矗5 ( 揣厂6 ， 式中：孑等去为考虑进料量l ( m 3 s ) 、物料密度p t 、粘度u 、 惰性粒子直径d 。、静止床高h 、分布板处截面直径d 。对传热的影响； p 。为流化状态时床层密度；c 为比热容。上式复相关系数r = o 9 4 3 ， 平均标准偏差s = o 0 4 6 ，适用范围：进口温度7 0 13 0 ，惰性粒子直 径2 5 m m ，空塔速度3 5 m s ，分布板开孔率4 7 。与混凝土外加 剂、洗衣粉悬浮液、涂墙粉悬浮液、无水氯化亚锡溶液、苯甲酸锅溶 液的干燥试验数据相比，误差范围小于8 。 李建国们( 2 0 0 0 年) 采用聚四氟乙烯为惰性粒子，在振动式惰性粒 子流化床干燥器中，以新鲜豆浆液为原料，进行了实验研究。实验表 明体积传热系数与惰性粒子的材质及流化形式有关，聚四氟乙烯的k ， 值大于玻璃珠的，振动惰性粒子流化床的k ，值高于普通惰性粒子流化 床的。利用多元线性回归法对实验数据进行了回归，得出其经验计算 公式： k ，= 0 5 4 g o 6 4 乙吨4 u 0 6 9 h ”2 ( 卜7 ) 式中：k ，体积传热系数k w ( m 3 ) ；g 进料量，m l m in ；u 风速，m s ； h 静床高，m m 。 刘钟海等7 1 ( 19 9 6 年) 对实验数据进行最小二乘拟合，得出气固间 的传热系数经验公式： 一6 一 第一章绪论 m ：业：o 1 1 5 r e 9( 卜8 ) 2 1 , 其中n u 与r e 数均以惰性粒子直径为定性尺寸。与其它不含湿物 料喷动床传热的文献值比较表明，在惰性颗粒与湿物料共存的情况下， 气固间传热系数的数值及变化规律与单一颗粒喷动床类似。 李佑楚等凹2 圳( 19 9 9 ，2 0 0 0 年) 对钛自粉悬浮液型浆料，在惰性粒 子床层高度0 15 8 0 25 5 m 、气速 、加料量2 5 7 k g h 的条件下， m ：o 1 9 3 r e 堕 h 1 4 2 o m s 、进风温度1 8 0 - - 一2 5 0 得到以下关系式： ( 1 9 ) 由实测数据推出该系统的体积传热系数为4 5 0 0 7 5 0 0 k j ( m 3 h ) 。 r a h e ly u s u f 引等( 2 0 0 5 年) 提出了一个应用范围大( r e 5 0 0 0 ) 的气 固间传热系数准则关联式： m = 警邓血慨2 ) ( 1 + 们k 0 2 py 3 l r + c 1 3 3 2 4 s + 1 2 62 彬7 啸 ( 1 1 0 ) 式( 1 10 ) 与实验数据吻合较好。 4 干燥速率及气固间传质系数 干燥速率为单位时间单位面积上所除去的湿分质量，定义式为： r ：g s d x ：堕 a f a 气 a | ( 1 一1 1 ) 式中，r 为干燥速率，k g , ( m 2 s ) ；g ，为床层中干物料重量，k g ；a r 塔体平均横截面积，m 2 ；w 。单位时间内湿分的蒸发量，k g s 。 s z e n t m a r j a yt m l 等( 1 9 91 年) 在带有机械搅拌的惰性粒子流化床 中，利用间隙加料后瞬时测出干燥介质进、出口的湿度，得出一组干 燥特性曲线一一物料湿含量与温度的关系，从而计算出干燥速率。 王晓静等h 们( 2 0 0 2 年) 在硫酸镁的干燥实验中发现：干燥速率约 1 10 l8 0 k g ( m 2 h ) ，与流化数、热风进口温度、加料量成正比，与 一7 一 东南大学博士学位论文 惰性颗粒直径成反比。 ahnm o u s a 门( 19 7 9 年) 以沙子为惰性粒子，对氯化钠、石灰石、 粘土等混合物进行了干燥试验，得到了干燥速率的拟合公式，它形式 简单、适用性强。 r ：业苎竺善堕塑( 1 - 1 2 ) 式中，r 为干燥速率；a 为干燥表面积；g 为空气质量流量；t 。 为传热温差；入为操作温度下水的汽化潜热。 r a h e1y us u f 等阳钉( 2 0 0 5 年) 提出了气固间传质系数准则关联式： 黝= 警地衫+ 等降鼍产矿 式中：下标廖，表示临界状态；b 表示床层中的气泡。该式与诸多 实验数据吻合。 5 干燥热效率 热效率指用于水分蒸发和物料升温所消耗的热量与热风提供的总 热量的比值，定义式为： 7 7 = 瓦t , - t o o , ( 1 一1 4 ) 式中，t 。，为大气环境温度。 p a sso smlh 2 1 等( 2 0 0 4 年) 测量了用惰性粒子流化床干燥废液的 热效率。 刘巍等钉( 2 0 0 5 年) 实验分析了影响热效率的两个因素一一进料量 及进风温度，当进料量一定时，进风温度愈高，热效率愈低，在一定 的进风温度下，提高进料量，热效率将增大。实验还表明：将分布板 的孔道由直孔改为斜孑l 时，热效率会提高2 0 左右。 李建国叫( 2 0 0 0 年) 测试了振动惰性粒子流化床干燥器的热效率， 一8 一 第一章绪论 此普通惰性粒子流化床干燥器高2 5 左右。 陈国桓等凹们( 19 9 5 年) 研究了干品含湿量与热效率间的关系，当干 品湿含量由l 提高到5 时，热效率由2 2 增加到4 8 ，增幅达1 倍。 陈国桓等凹 ( 19 9 6 年) 研究表明，惰性粒子流化床用于热敏性物料 干燥，热效率在30 4 0 之间。 吕芹等列( 2 0 0 6 年) 采用实验正交设计法研究了加料量、进风温度、 振动强度、加热功率对振动惰性粒子流化床干燥效率的影响。 g r b a v cicz e lj k ob 等n7 3 ( 2 0 0 4 年) 对干燥热效率进行了较多的实验 研究，得出一组热效率与进口温度、出口温度、物料种类等关系曲线。 6 干燥滞留率 滞留率指干燥达到平衡时单位质量惰性粒子表面所粘留的物料质 量： g 。 妒。茅 ( 1 一1 5 ) 式中：g ng 。分别表示粘在惰性粒子表面物料的重量和惰性粒子的 重量。 实验中，在干燥操作稳定后，暂时停机，将粘有料膜的惰性粒子 从床层内取出，分别测出惰性粒子的重量及料膜的重量，即可计算出 滞留率。它是惰性粒子流化干燥死床的一个重要参数。 刘巍等h 州引( 2 0 0 3 ，2 0 0 6 年) 以洗衣粉悬浮液为对象，实验测试了不 同情况下的滞留率，其值在0 0 0 8 0 0 2 之间，它随迸料量和物料初 始浓度的提高而增加，随惰性粒子直径、进风温度、静床高及风速的 提高而减小，在相同的条件下，气体分布板开斜孔的干燥器滞留率要 小于开直孔的。 李建国钉( 2 0 0 0 年)