（安全技术及工程专业论文）气体悬浮造粒装置及初步实验研究.pdf

g a ss u s p e n de q u i p m e n to f g r a n u i a t i o n a n de x p e ri m e n tr e s e a r c hp ri m a ri i y a b s t r a c t t h ep a p e rs u r v e y e dm e t h o d ，m e c h a n i s ma n dm o d e lo fg r a n u l a t i o nt e c h n o l o g y n o w a d a y s d i r e c t l ya g a i n s tt os o m ed e f e c t so fg r a n u l a t i o nm a c h i n e r ye x i s t i n g l y ， a n dt h eb a s i co ft r a d i t i o n a g r a n u f a t i o nm a c h i n e r ya n dm e t h o d ，c o m b i n eb o i l i n g d r y i n ga n df l u i d e db e dg r a n u l a t i o nt e c h n o l o g y ，p r o p o s i t i o nt h o u g h ta n ds c h e m e o fg a ss u s p e n de q u i p m e n to fg r a n u l a t i o n ，a n d e m b o d yt h ec h a r a e t e r i s t i co fs i m p l e c o n s t r u c t i o n ，o p e r a t i o nc o n v e n i e n t l y ，a n dc o n t r o le a s i l y e s p e c i a l l yh a y i n g n oa n yr o t a t ep a r t ，d o e si m p o r t a n tm e a n i n ga n df u n c t i o nt ot h ed r y i n gg r a n u l a t i o b o ft h o s et e m p e r a t u r es e n s i n gm a t e r i a l s d e s i g na n dm a n u f a c t u r et h eg a ss u s p e n d e q u i p m e n to fg r a n u l a t i o n o nt h i sb a s i s ，r e g a r df l o u ra n dw a t e ra st h er a wm a t e r i a l sw h i c h g r a n u l a t i o n ， a n da n a l y s et w ok i n d so fo p e r a t i o np a r a m e t e r sm a i n l y ：t h ef l o wo fg a si no r d e r t oc a r r yp o w d e r ，t h ef l o wo ft h eb i n d e rs p r a y sa n dt h eh e i g h to fb i n d e rs p r a y n o z z l ei n f l u e n c er e s u l to fg r a n u l a t i o n f r o mt h er e s u l to ft h e s ee x p e r i m e n t s ，e v e r ym a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e ra n d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e rh a y er e a c h e dt h er e q u e s tf o rp r a c t i c a la p p li c a t i o no f g r a n u l a t i o nb a s i c a l l y ：i n t e n s i t y ，g r a i l 2o fp a r t i c l eo fp a r t i c eh a v er e a c h e d t h er e q u e s tt og r a n u l a t i o nd i r e c t l y ，a h i l i t yt op o s s e s sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ： t h eb e s tp o s i t i o no ft h eb i n d e rs p r a y sn o z z l ea n dt h er a t eo ft h el i q u i dh a s f o u n d ，t e s t i n ga n d1 a y t h ef o u n d a t i o nf u r t h e r l yt ot h ea f t e r w a r d s k e yw o r d s ：g a s s u s p e n d ，g r a n u i a t i o n ，d e s i g n ，d r y i n g 中靶大学学位论文 1 1 选题的目的与意义 1 绪论 我国在引进、消化、吸收国外先进造粒技术的基础上，开发了流化喷雾造粒，继 而发展为振动流化喷雾造粒。但这些设备只能用于间歇生产，不能进行连续生产，而本 设备是能连续生产的气体悬浮连续造粒机，这是一种新型机械。经检索，在国内外尚未 发现此类机械。 流化喷雾造粒是比较成熟的技术，气体沸腾干燥技术也是如此，将二者成功的结 合在一起成为新机型。本文将对此进行初步探索。 另外造粒过程是一个极其复杂的过程，影响造粒性能的因素很多，诸如物料特性、 喷嘴高度、干燥介质、热力学参数、料液的种类、组成以及其雾化特性等，并且这些因 素之间还相互影响、相互制约。但目前，理论上的研究远远落后于实际。从现有的资料 看，以往有关资料的研究，只针对流化喷雾造粒或干燥，且多为单因素研究基础的定性 分析。因此，其工艺参数只能边实验边摸索。基于上述原因，本文将探讨工艺参数对造 粒性能的影响，寻求造粒操作的最佳状态，使该设备效能得到充分合理地利用，并且可 对不同机型的设计、调试及生产起指导作用。 1 2 国内外的发展状况 随着社会和生产的发展，对生产和生活资料在数量上和形式上都有了较高要求。其 中颗粒制剂有着不可替代的重要性。据称在8 0 年代末期，d u p o n t 公司产品的6 2 足以粉 中北大学学位论文 末、球粒、晶体、薄片、浆体、乳化液、分散体等颗粒的形式出现，另有1 8 的产品是 聚合物，而分散其中的颗粒对其最终性质起n 3 关键作用1 ”。 在工业应用中，用颗粒物料代替粉体物料，一般都能得到较大的收益。因为与粉俸 物料相比较，颗粒状物料有着无法比拟的优越性。如：可以减少物料在存储、运输和后 续操作中的损失，降低对有刺激性的粉尘物料加工时的危害性，改善物料的流动性，便 于贮运、定量配料等。同时按不同的需要，颗粒可以被制成不同的粒度，成分和结构， 这一特性在粉末冶金、化肥、农药、医药保健等领域f 被日益广泛地应用着，产生了巨 大的经济效益。 比如在化学工业上，由于粉体作为最为常见的初级原料或直接产品形式，有很大的 缺陷：流动性差；粉尘极易飞扬，造成生产环境恶劣：计量和包装困难；在运输过程中容 易造成原料浪费和环境污染。因而国内外许多企业都已开始要求把以粉体物料供货转为 以固体小颗粒的形式供货，并制定了相应的行业标准。颗粒产品取代粉体产品这也是物 料形式更新换代的必然要求。而且化工行业中某一产品的生产当量往往都是以每年数千 吨或数十万吨计，这就注定粉体造粒会有着巨大的发展前景。 同样在农业、化肥工业和饲料工业同样也都基于类似的原因，先后提出了把粉体物 料转换成颡粒状物料的要求。农业的大规模发展需要优质高效的化肥，将商品位肥料细 粉造粒后使用可以提高肥料的效用，减少浪费。饲料通过造粒加工过程，可以科学地添 加各种营养成份使有利于家畜的生长。喷雾造粒在食品工业上也有广泛的应用。例如， 作为食品添加剂的香精般都有高的挥发性。可将香料粉末与碳水化合物及水混合后通 过喷雾造粒，使挥发性香料被包裹在水溶性的固体胶囊内，可以很好的防止香料在存储 耐的损失。现代食品饮料的速溶性质也是通过造粒的方法得到，而且喷雾造粒得到的食 品外观好，营养成分保留完好，使用方便。 中北大学学位论文 现代冶金要求使用粒状炉料，避免生产中大量粉尘对环境的影响，更是现代文明生 产对环保的要求。所有这些生产生活中的现实需要都对物料的颗粒化提出了要求。 众多行业对颗粒状物料的需求为粉体造粒技术的发展提供了一个前所未有的推动 力。粉体造粒技术在近十年来的快速发展证明了这一点。基于上述的工业应用前景，对 于粉体造粒技术的研究，正是顺应时代的发展趋势和需要。一般而言。造粒过程就是使 小颗粒聚成较大实体的过程。通过这一过程人们可以改善物料的某些性能。或者改善颗 粒的整体性能，也可以改善粉体物料后处理加工及最终产品团聚操作的有效性，从而获 得所需要的最终产品。在不同的工业中，这一操作工序有着不同的术语，如：造粒、球 化、粒化制粒、制丸、制片、粉末压制、团聚、团块、团球、烧结、热硬化等。鉴于颗 粒物料有粉体物料无法比拟的优越性，因而，人们造粒的主要目的主要有以下的几种2 1 ： ( 1 ) 产生所希望的结构形式和形状。如在粉末冶金中对于复杂形状零件的压制用行 星滚压法制造球形物料。 ( 2 ) 改善产品的外观。如燃料压块的制造。 ( 3 ) 改善物料的流动性。如在压制给料中，陶瓷、粘土的造粒。 ( 4 ) 便于提高松装密度以利于贮存和运输。如碳黑压片。 ( 5 ) 便于控审4 溶解度。如速溶食品。 ( 6 ) 便于在计量、配料、管理中定量。如药片。 ( 7 ) 便于减少粉尘损失。如细粉压制成型。 ( 8 ) 便于减少公害，防止环境污染。 ( 9 ) 改善热传递。如在矿石和玻璃团粒化的炉料。 ( 1 0 ) 便于减少产生结块的倾向。如肥料造粒。 ( 1 1 ) 便于散粒的无偏析均匀掺合。如在炼钢工业中的细粉烧结。 中北大学学位论文 ( 1 2 ) 便于控制孔隙率和比表面积。如催化剂骨架压片。 ( 1 3 ) 多组分混合物分离。如煤中可燃物的选择性团粒。 ( 1 4 ) 从液体中除去颗粒。如利用聚合桥连剂将液体中的颗粒絮凝结成块状。 从这里所列出的需求可以看到：( 1 ) ( 2 ) 是着眼于改变物料的外观，即是为了改变物料 群体的物理性质；( 3 ) ( 6 ) 则是为了改善物料的外观物理性质，提高物料的加工工艺性 能。使之在加工、计量和运输过程中易于控制；( 7 ) ( 8 ) 是从环境保护的角度出发，通 过对那些容易飞扬的粉体物料进行造粒，减少粉尘对环境的污染，避免易燃易爆事故的 发生，保证操作环境的安全和清洁；( 9 ) 是为了改善群体物料的热传递性：( i 0 ) 是防止粉 体颗粒间的相互凝结成团结块提高物料的效用。( 1 1 ) ( 1 2 ) 则是为了物料的混合。为 了方便生产，物料混合的均匀程度在很大的程度上将影响到所制造的产品的质量，因而 使物料混合均匀就很有必要；而( 1 3 ) ( 1 4 ) 是基于对混合物分离的需要，在环境保护领 域应用极其广泛。 1 3 造粒方法的分类 任何使细粉物料聚成较大实体的过程都可称造粒过程。把细小粉末聚集成较大实体 的方法，一般分为两类：类是成型加工法，此类加工法通过对物料的挤压，压缩，在 模具中成型为主要方法。这类加工特别关注每个团块的性质( 如形状、尺寸、成分、密 度等) ，单螺杆或双螺杆的挤出造粒是该方法最常见的一种形式；另一类是粒径增长法 此类加工法是使物料在核心颗粒( 晶籽) 上逐步均匀枯附，最终使颗粒达到要求尺寸，这 种方法中关注整堆物料的性能。滚动造粒、熔融造粒、流倔床造粒、喷动床造粒等均属 该种方法造粒。 中北大学学位论文 1 4 流态化造粒法的方法及现状 所谓流态化造粒技术，就是使粉粒体物料在溶液的雾状气氛中流化，并使溶液在颗 粒表面凝集的一种操作过程。用各种流态化造粒方法可使液相或半液相物料直接成为固 体颗粒。固体颗粒是在使物料处于高度分散状态的设备中生成的。这种造粒设备主要有 流化床喷雾干燥塔、造粒塔、喷动床、振动流化床干燥器、气流输送干燥器以及最近几 年出现的高速超临界流体( r e s s 过程) 造粒等。 ( 1 ) 流化床喷雾干燥造粒方法及其应用 流化床喷雾造粒法一般以热空气为流化气体，通至带有分布板的流化床的流化床底 部。液体进料大多数是由双流体喷嘴喷入流化床，雾化液滴落在流化床中热的颗粒种子 上，然后被干燥成固体颗粒。有时还伴有化学反应。流化床中固体颗粒粒度增长时，利 用表面粘结剂把两个或更多个小颗粒互相粘结起来，或者一层层地包在各小颗粒上而成 为较大的固体颗粒。 这种方法要求喷嘴具有操作弹性且不易堵塞，如果是热气体，雾化结晶液时更要注 意。为了使得涂在颗粒上的液体尽可能干燥，一般采用气体和固体颗粒逆流，以便使产 品粒度分布更均匀。流化气体的速度要大到能使大颗粒强烈运动，以防止结块现象发生。 ( 2 ) 流化床冷却造粒方法及其应用 流化床冷却造粒法与喷雾干燥过程相似，液态进料在造粒塔顶部被分散成雾滴接 着在下落过程中固化为粒状产品。与喷雾干燥过程所不同的是：造粒的雾滴是熔融物料 分散成的，这类雾滴主要是在塔内经空气冷却而固化的，几乎没有什么干燥过程( 即使 有，也极少) 。流化床冷却造粒法大多采用空气作为冷却介质，也可以采用其它气体或 中北大学学位论文 液体作为冷却介质。由于造粒过程需进料呈熔融状态，所以造粒过程一般限用于熔点低 而又不易再熔的物料。 流化床冷却造粒方法主要是在造粒塔中实现，化肥中的尿素和硝酸铵习惯上都是用 流化床冷却造粒法制造。 ( 3 ) 喷动流化床造粒方法及其应用 喷动床造粒和流化床喷雾造粒类似，也是把可以泵送和雾化的料液喷成雾状，然后 落在床层中热的种子颗粒上干燥，一步直接生成固体颗粒。喷动床固体颗粒的生成，不 依靠床层的搅拌。一股热气流射入粒化器锥形底部，使床中物料循环起来，很像水的喷 泉。在床中心的稀相中颗粒被冲到床室的顶部，失掉动能，从床顶部的外围落下，向下 滚动至密相物料中，然后又在粒化室底部被气流冲起来。喷成雾状的液体进料和热气流 一起喷入喷动床底部，料液在循环的种子颗粒上包层，周而复始。进料中的固体由于干 燥而沉积在种子颗粒上。 喷动流化床综合了流化床及标准喷动床的优点，既适合处理大颗粒物料，又能提供 像流化床一样良好的气固接触效果与混合，故可被用来作为生产大颗粒产品的造粒器。 ( 4 ) 振动流化床造粒方法及其应用 气体振动流化床是在传统的气体喷雾造粒的基础上发展起来的。当气体被用作热量 和物质传递载体在回转圆筒、回转圆盘或振动流化床中造粒中应用时，这种设备被称为 气体振动流化床( a v f b ) 。气体振动流化床的优点在于时间短，经济性高，造粒产品强 度高，难以流化的细小粉末也容易造粒。气体振动流化床常用在食品和医药工业的造粒。 ( 5 ) 气体输送干燥造粒方法及其应用 采用这种工艺时，湿物料被干燥成颗粒，直接在高速热气流中，几乎在一瞬间同时 完成固体物料的分散、输送和干燥等工序。虽然气流干燥的主要目的是干燥，但是也生 中北大学学位论文 成直径为0 卜一1 i n f i i 的颗粒，有时，还能处理有粘性的细粉术，所以这种工艺往往是造 粒的一种普通方法。 在处理粘性物料时，可将粘性物料和返回的干燥成品放在混料器中进行混合，然后， 在破碎机中进行破碎，以便于物料在热气流中分散均匀。这种干燥方法的特点是：物料 暴嚣的湿表面最大丽又能在很短的时间内( 1 1 0 秒) 完成干燥过程。因为物料中的湿 分可以高速汽化，所以，进气温度可高达1 4 0 0 。f ( 7 6 0 。c ) 。干燥器的结构尽管多种多 样，但一般都是采用直立干燥管。在气体输送干燥设计中，水的气化量可达9 1 0 0 k g h 或更高。利用这种干燥器可以处理多种粘性物料。 ( 6 ) 高速超临界流体( r e s s 过程) 及其应用 r e s s 过程又称为超临界流体快速膨胀过程。在膨胀过程中，温度压力的突然变化 使溶质的过饱和度骤然升高，当溶液以单相从喷嘴中喷出时，析出大量微核，微核在极 短的时间内快速生长，形成粒度均匀的亚微米以至纳米级微细颗粒。从实验所拍摄的照 片中可以观察到，颗粒的成长非常均匀，整个造粒涂布都是累积式一层一层长大的。 华东理工大学的陈鸿雁、蔡建国等人利用该方法制备了灰黄霉素微细颗粒 3 1 。清华 大学的王亭杰等人也利用该方法进行了细颗粒的包覆研究【4 j 。高速超临界流体造粒的特 点是能够控制颗粒的大小，但在实际工业生产中存在很多不利因素，比如，流体要在高 速下喷淋，动力消耗大：在操作时，喷嘴的最低温度可达零下七八十度，因此该设备的 材料要求较高，由于以上诸多不利因素的影响，有关超临界造粒仅限于实验。 中北大学学位论文 2 1 流态化简介 2 流态化造粒机理 流态化是- f l 旨在强化颗粒与流体( 气体或液体) 之间接触和传递的工程技术， 1 8 7 9 年，世界上公布第一个流态化技术专利。上世纪2 0 年代初，德国示范性第一个粉 煤流态化气化装置湿可勒( f r i t zw i n k l e r ) 气化炉，进行流态化技术工业应用的尝 试。四十年代初，石油流态化催化裂化工艺成功开发，开创了流态化技术应用研究的新 时期。 在近半个多世纪的发展历程中，流态化技术大体经历了两个发展阶段，即前二十 五年，以气泡现象为主要特征的鼓泡流态化及液固流态化；后二十五年，以颗粒团聚为 主要特征的快速漉态化及气固流态化的散式化；近年来，由于生产实际需求的推动，气、 液、固三相流态化和外力场下的流态化得到新的发展，成为引人注目的前沿研究领域。 整体来说，流态化基础理论的发展，使其由纯技艺向工程科学转化。 流态化就是指固体颗粒在流体( 气体或液体) 的作用下，由相对静止的状态转变成 具有液体属性的流动状态。这种状态具有以下特性： ( 1 ) 它能像液体一样，具有保持水平状态的上界面： ( 2 ) 它能像液体一样，能从一个容器流入到另一个容器； ( 3 ) 床层中的静压仅与其所处的床层深度和密度成正比，面与水平位置无关。 ( 4 ) 细颗粒可被带出床层，在其上方空间形成稀薄的“蒸汽”相。 ( 5 ) 与传统的固定床接触方式相比，处于流念化条件下的颗粒，其尺寸较小，比表 面积较大，可与流体充分接触，并处于强烈的湍动，使相际之间的接触和热、质传递大 中北大学学位论文 大加强，为提高生产装置的效率创造了极其有利的条件。 2 2 流态化类型 实用流态化系统主要有液固流态化、气固流态化和气、液、固三相流态化。按其 状态类型来分，可分为三类。即散式流态化、聚式流态化和三相流态化。对于液固流态 化，颗粒能均匀的分散在液体中，具有较均匀的应层结构，通常称之为散式流态化；对 于气固流态化，床层结构存在显著的不均匀和不稳定性，在低气速条件下，气体凝聚为 气泡，成为不均匀性的主要特征，而在高气速条件下，颗粒聚集为不断形成而又不断崩 溃的团聚体，且在流场中不均匀分布，通常将气固流化态称之为聚式流态化；对于气、 液、固共存的三相系统，兼有散式流态化和聚式流态化双重特征，通常称之为三相流态 化。 流态化类型的差别主要由流体属性( 密度、粘度等) 和颗粒特性( 粒径、密度、 颗粒形状等) 所决定，同时与操作条件( 流体速度、固体通量、温度、压力等) 有关。 但许多实验表明，液固流态化并不全都属散式流态化，例如用水流化铅可形成聚式 流态化，反之，某些细颗粒物料的气固流态化，在特定的条件下显示出散式流态化。早 期区别散式流态化与聚式流态化的判据有【5 】： w i l h e l m 和郭慕孙判据： 为散式流态化 为聚式流念化 9 ( 式2 1 ) ( 式2 ，2 ) o o ( 吩一哪 嵋一哪 i i i i 阢 所 中北大学学位论文 r o m e r oa n dj o h a m o n 判据： ( f r o a r o 矿 ( 警 ( 铡枷。为散式流态化 c 越s ， 怫x r e 盯 ( 警倍) 啪为聚式流态化 c 龀4 ， 其中：f ，0 为最小流化速度时的弗鲁德数： 【，为最小流化速度，m s ： d 。为颗粒直径，m ； r e 。为最小流化速度时的雷诺数； , o r 为流体的密度，k g m 3 ； p 。为颗粒的密度，k g m 3 ： l 。为最小流化速度时的床层高度，m ； d t 为流化床直径，m ； 流化类型判据主要说明流化均匀性或流化质量的优劣。g e l d a r t 用粒径和颗粒与流体 的密度差的乘积来考察气固流化质量，将物系区分为能形成充气散式流化的a 类物料、 砂性鼓泡流化的b 类物料、粗粒喷动流化的d 类物料和极难流化的c 类物料。 2 3 流态化状态 当流体通过颗粒床层时，由于流体与颗粒表面摩擦，流体对颗粒产生一种作用力即 曳力，且随着流速的增加而加大，使颗粒倾向运动，同时颗粒由于其自身重力惯性作用， 又有保持其静止的属性。流体通过床层摩擦阻力表现为流体压力损失，即压降。在流速 中北大学学位论文 较低时，曳力小于重力，颗粒仍保持静止不动，表现为固定床状态。 当流速达到某一值时，这种摩擦曳力足以支撑整个床层的颗粒重量，颗粒开始微小 运动，床层由固定床转化为流化床，此时流体速度称之为初始流态化速度，临界流态化 速度或最小流态化速度u 。随着流速的进一步增加，作用于颗粒表面的曳力相应增大， 使颗粒自由运动，床层发生膨胀，床层空隙率增大，但因床中颗粒物料重量基本不变， 床层压降保持不变。 当流速达到某一值时，颗粒将从床顶溢出，床内颗粒浓度急剧减小，床层压降迅速 下降，直至全部颗粒被吹出，床层空隙率接近l ，床层压降接近于零。通常将这一速度 称之为终端速度u ，在数值上等于颗粒所在流体中的自由沉降速度。 此时如果以一定的流率从床层底部向床层补充颗粒物料，床层颗粒浓度和床层压降 将增加，其大小随着流体流速的增加而减小，随固体流率的增大而增加。随着流体流速 的进一步增大，虽然颗粒浓度和床层压降因此而减小，但流体和颗粒与器壁的摩擦阻力 将增大，因而床层压降在流体流速不断增大的变化过程中先随流体流速逐渐减小，通过 最小值后逐渐增大。 习惯上，将操作速度限于临界流态化速度与终端速度之间的具有一定上界面的浓相 流态化，称之为经典流态化，尔后出现的状态称之为稀相输送。应该指出的是，除上述 颗粒与流体同时向上的流化现象外，颗粒与流体运动方向也可以是同时向下，或相互逆 流，且能形成多种不同的流化操作状态，即广义流态化。 2 4 影响流态化质量的因素 流态化质量是以床层压降的波动，床层局部径、轴向密度的变化，床层料面起伏 中北大学学位论文 比等参数来评价。床内颗粒物料的分级、温度分布、传热、传质，以及流化床本身的振 动等都可在不同情况下作为判断流化状态的手段。影响流化质量的主要因素有以下几个 方面： ( 1 ) 颗粒性质 影响流化质量的颗粒性质包括颗粒粒径及其分布，颗粒的密度、形状、流动性以及 其在反应过程中会否聚集长大或缩小等。对于高转化率的流化催化反应器来说，可用 g e l d a r t a 型颗粒，其平均粒径为6 0 8 0 u m ，具有良好的流动性，小的气泡与好的传热特 性。在固体颗粒中，含有2 0 3 5 的细粉( 4 0 u r n ) 对于改善流化质量有明显效果。 颗粒密度越大，流化质量越差，颗粒平均粒径大，分布较窄，影响就更严重。颗粒 形状对流化质量也有影响，球形颗粒的流动状态最好。如果定义球形颗粒的形状系数( 球 形度) t c ，为1 ，则其他颗粒的形状系数： = ( 黼) 积0 q 1 c 龀s ， 可用公式来取。 综上所述，颗粒粒径较小，分布较宽，密度小且呈球形，流动性较好。另外颗粒与 流体的密度差h p ，) 较小时的流动性也较好。 ( 2 ) 流体的性质与粘度 流体的密度p s 与粘度u 影响流态化质量，两者都是温度的函数，p s 还直接与压力 有关。当温度升高时，p l 减小，u 增大；压力升高时，p l 也增大，即，一p s ) 减d 、a 所以，一般情况是p ，和u 越大，流体的浮力越大，越容易流化。 通常p s 和u 是由工艺过程决定的，而流体的平均操作速度都是可以选择的，它应 随不同床型，不同工艺过程、不同物料特性等的变化而变化，如果选择不当的话，会影 中北大学学位论文 响过程的成败。 ( 3 ) 床高与床高床径比 流化性能不仅受到床高与床径的影响，并且受到床高与床径比的影响。随着床高与 床径比的增加，流体质量变差，当床高与床径比大于某值时，床层产生节涌，严重影响 了床层的操作，在同一床高与床径比时，大直径床层的流化性能比小直径床层差。 2 5 流化造粒机理 流化造粒机理比较复杂，它的理论基础是气一固两相流体动力学特性、颗粒的涂布、 气体的风选及气力输送、液体的雾化、液滴的蒸发、结晶或化学反应动力学的综合过程， 以及热量及物料的平衡理论。流化造粒的最基本过程是床层中新颗粒的生成及长大。将 料液( 包括溶液、熔融液、悬浊液和乳浊液) 通过雾化器形成微小雾滴，喷涂在处于良好 流化状态的物料上进行水分的干燥和粒子长大。粒子一般以两种方式长大 6 1 ，如果颗粒 本身显热足以使喷涂在颗粒表面的水分迅速蒸发，固体物质则靠分子引力而留在颗粒表 面，经过多次涂布使颗粒长大。如果喷到颗粒表面的水分来不及子燥，即发生颗粒之间 的粘结使粒子长大。前者称为层式涂布方式( a y e r i n g ) ，后者则称为团聚方式 ( a g g l o m e r a t i o n ) 。按涂布机理长大的粒子为实心球体，有较高的堆积密度和机械强度， 成长速度较慢。而且粒子剖面可以看到像“年轮”一样，说明粒子是一层层长大的，外 形也比较圆滑还有一种方法是把熔融的液体在同质的粉体流化床中进行喷雾，在粉体 层中产生凝固干燥造粒。 两种喷雾流化造粒的成粒机理在操作中都有可能出现，但以哪一种机理为主则取决 于物料性质、料液的组成和操作条件等因素。 中北大学学位论文 吴洪等f 7 j 对流化床亳占结剂造粒过程进行了实验研究，分别观察到两种颗粒成长机理， 即涂布层式生长和团聚式生长探讨了流化气速，粘合剂浓度，喷雾速率，初始粒径及 喷嘴高度对造粒成长机理和速度的影响。粘合荆种类和浓度是影响造粒成长机理的主要 因素。粘合荆浓度较低时，颗粒以层式机理生长，生长速度慢；浓度较高时，造粒以团 聚机理成长，且随着浓度的提高，成长速度加快，但颗粒长大到一定程度后，粒子间的 粘结团聚作用与受到的分散力作用达到动态平衡，使颗粒成长速度趋于平缓。粘合剂流 率的影响跟浓度的影响相似。在粘合剂浓度、流率一定的情况下，流化气速较小时，颗 粒主要以团聚方式成长，且速度较快；流化气速较大时，颗粒成长转为层式机理为主， 成长速度减慢。 2 5 1 颗粒团聚长大理论 团聚造粒机理，主要是以粘合剂溶液为媒介，以固体粉体为核心，粉体相互接触附 着团聚形成颗粒的。可用与粉体物料同质的溶液利用雾化器雾化，在粉体上团聚长大 还可以把熔融的液体在同质的粉粒体流化中进行喷雾，在粉粒体上发生凝圊干燥的造粒 过程【8 l 。 团聚造粒过程可用图2 1 来表示，向流化床内送入的干粉体，或未形成颗粒的粉体， 与雾化的粘合剂液滴接触形成以2 所示的造粒核心，再以2 为核心与粘合齐及干粉体接 触形成3 、4 所示的颗粒和产品。 中北大学学位论文 图2 1 流态化造粒过程简图 前人已经做过一些团聚颗粒之间结合力的研究【9 】【1 0 】【1 1 脾1 。结合力包括范德华力、静 电力、化学力、表面张力、粘合力等。当颗粒直径小于几个微米时，表面张力相对于颗 粒重量大的多，范德华力和静电力只有当颗粒距离很近时才起作用。在颗粒形成的过程 中，起作用的是粘合剂溶液与颗粒间的表面张力，以及负压吸引力，在这些力的作用下 形成如图2 2 所示的交联过程f j 3 】。第一阶段当物料润湿到最大分子结合水以后，粉粒靠 近而形成球粒( 图2 2 a ) 。此时，各个粉粒已为吸附水层和薄膜水层所覆盖。毛细管水 仅存在于各个粉粒的接触点上，粉粒间的其余空间仍为空气所填充。这种状态下由于细 粉粒结合不紧密，毛细管力起不到应有的作用，各粉粒间的粘结力较弱；第二阶段颗粒 在流化床中继续流化碰撞，被进一步压密，引起毛细管形状和尺寸的改变，从而使过剩 的毛细管水分被挤到颗粒的表面( 图2 2 b ) 。过湿的颗粒表面，在运动中容易粘上一层 润湿程度较低的颗粒，颗粒逐渐长大；第三阶段长大到一定尺寸的湿润颗粒进一步紧密 地团聚，液体交联变成固态骨架，经干燥即得多孔的颗粒产品( 2 2 c ) 。 蹲镯镑 留22 粉体间的液体交联过程 氧 一绺 中北大学学位论文 2 5 2b d e n n i s 1 4 ) 颗粒生长理论 对于粒径的成长过程，b j e n n i s 分析了造粒过程中力的平衡，提出用粒径粘性斯托 克斯数s t ，判断粒径生长的原则。 在确定造粒过程的聚并和固化枫理过程中，液体桥的动态振动引起的动态力起着决 定性的作用1 5 】【l6 】。由于粘合剂的粘性和颗粒间隙引起的附加能量耗量，致使动态液桥间 的力比由于表面张力引起的静态力大一个数量级。e m i s s 1 7 1 基于上述的颗粒动能碰撞能 机理，利用无量纲粘性s t o k e s 数划分了造粒过程中颗粒生长区域：( 1 ) 非惯性区域( 2 ) 惯性区域( 3 ) 涂层区域，见图2 3 。 s t o k e s 数时颗粒的碰撞动能和由于粘合剂填充于颗粒问导致的粘性耗散值的比率， 可近似表示为 s f ，：4 p i u o d p ( 式2 6 ) y “ 懈s t o k e s 黼= ( ，+ 书o l n ( 刳 c 越， 其中，以为颗粒密度，e , e m 3 ；为初始相对碰撞速度，c m s ，咖为颗粒半径，k o n ： ，为粘合剂粘度，只s ；e 为颗粒碰撞后的恢复系数，e 斗l 表示恢复原来的形状；h 。 为包括颗粒的粘合剂厚度，a n ；为颗粒表面粗糙特征尺寸，腮。 2 3 图造粒过程颗粒生长区域 、 中北大学学位论文 图2 3 ( a )s t ，s t ，斗0 ，非惯性区( s t ”造粒区) 或团聚造粒区。一般颗粒尺寸 很小( 咖 l o a n ) 或高温造粒表面粘性很大( 1 0 1 0 p 数量级) 的情况，颗粒生长不依赖 于颗粒的碰撞动能和粘合剂粘度，而是雾化液滴尺寸及其分布状况控制细粉造粒过程， 全床内的温度分布控制高温团聚造粒过程。 图2 3 ( b ) 一，1 ，惯性区域( 或盯1 区) ，随颗粒长大到一定程度，s t ，最 大值接近s t ：，此时颗粒动能与粘合剂粘度都对颗粒生长有一定作用。 图2 3 ( c )爵，。l 属涂层区( 或“。造粒区) ，颗粒直径长大后，s t ，的平均 值大于s t ：的结果。在此区内，过剩流化速度引起的颗粒破碎与颗粒聚集达平衡态，颗 粒生长存在一理论生长极限。 2 5 3 颗粒长大模型 姚札炳【1 8 】实验研究了流化造粒的间歇操作、半连续操作和连续操作过程的颗粒长大 动力学，对尿素、荧光增自剂、乳酸钙等物料进行流化造粒实验，总结出半经验式以反 映颗粒的长大过程： i n 罢：x ( t - )( 式2 8 ) d 0 f d ”d 分别为操作时间为f = o 和f = r 时粒子的平均直径。 k 颗粒的长大速率常数( 由条件试验测定) ： f 床层颗粒的平均停留时间，s ： 式中，k 值必须通过实验确定，而且它与料液的组成、流化速度与温度、返料粒度 与返料比、物料停留时间与产量、流化床的结构、雾化器的结构及安装位置等条件有关。 中北大学学位论文 此半经验式不考虑颗粒的长大的具体过程，不能反映颗粒以何种成长机理长大。 齐涛 1 9 1 对底部进料流化床喷雾造粒器内尿素造粒过程做了实验研究，实验采用间歇 操作，没有晶种进料和产品出科，颗粒以层式机理成长。假设：床层内颗粒是球形，均 匀分布在整个颗粒表面，忽略流化床中形成的细颗粒，则流化床中球形颗粒的粒径增长 公式为： d = d 。+ j 2 而w l x l y r( 式2 9 ) 式中：y 一覆盖在颗粒上的固相物的质量占喷入床层中固相物质量的比率； s 一床层中颗粒的总面积，m 2 ； d 在t 时刻颗粒的平均直径，1 1 1 ； 以品种的平均直径，m ； 睨料液的质量速率，k g m ： 爿；料液中固相物的质量分率，； n 颗粒的密度，k g m 3 ； r 操作时间，s 。 实验得出结论：进料液的速率越大，颗粒的生长速率也越大；颗粒存在极限平均粒 径，且到达极限平均粒径的时间比较长，极限平均粒径较大。 b w a l d i e t 2 0 1 等人假设造粒溶液只填充初始形成颗粒的一部分空隙，提出了粒子直 径与雾滴直径关系的一个理论模型： d p o o d a ” ( 式2 1 0 ) 其中n = 0 8 0 o 8 5 ，也即颗粒粒径与喷雾雾滴直径几乎成直径关系。 c t h o r n t o n 2 1j 及其同事指出团聚颗粒变形对团聚生长机理的重要性，并论i i e t 料液 粘度和粒子间磨擦对变形的重要性。料液粘度有两个相互竞争的影响。首先，粘度的增 中北大学学位论文 加可望增大团聚粒子的最大临界尺寸，因为它增加了动态液桥强度和能量耗散，这是基 于e n n i s 的分析得出的。另一方面，粘度的增加降低了由于碰撞产生的变形程度，因而 也就降低了团聚的可能性，因此存在一个最优的粘度值，它使团聚粒子可能的最大直径 最大。 心i s t e n s e n 【2 2 】提出粒子成长可分为两个阶段：( 1 ) 初始粒子的成核作用，这样就有 足够的表面来接纳液体以形成液桥：( 2 ) 当有足够的湿含量使粒子碰撞发生朔性变形时 粒子的团聚。他建议成核过程可用e n n i s 的方法来模拟，粘性力克服了破碎力。然而， 对更大的团聚粒子来说，在粒子变形和团聚的情况下，单靠动态液桥的粘性组分是不能 克服破碎力的。因此，他提出在( 2 ) 阶段，成功的粒子团聚是因为碰撞粒子表面发生 变形以改进团聚粒子与团聚粒子的连接力。他提出变形依赖于粒子间相互作用的静态压 缩力和团聚粒子的自然张紧力。他定义了万作为团聚能力的大小： 蠢；a ( a l d ) 3( 式2 1 1 ) d 一 其中，a ，a 是常数( 对给定系统) ，l l t d 是碰撞之中产生的标准张紧力，坑是团 聚粒子的压缩力。当湿含量增加时，变形更容易，导致a l d 更大而最更小。因此团聚 粒子的最大临界尺寸可以更大。他强调以湿含量来控制粒子变形是非常重要的。湿含量 受湿度水平、粒子堆积、蒸发和液一固间吸收、溶解及相互作用的影响。k r i s t e n s e n 指 出了粒子成长动力学对造粒机理的影响。成核机理是非惯性成长方式，因此与尺寸无关。 聚结成长阶段是一个惯性成长方式，因此依赖于粒子变形后的粒子尺寸。 徐言科1 等人采用间歇操作研究了苯甲酸钠和c m c n a 两种典型造粒过程的颗粒 生长规律和机理，晶种采用玻璃珠和砂子。根据鼓泡床理论推倒出颗粒每一次经过喷雾 区接受的粒量及循环时间，建立了最大喷液量模型，并进行了实验验证。 中北大学学位论文 3 实验装置的设计 在气体悬浮造粒系统中，主体装置设计主要是指喷嘴设计和干燥室的设计。 3 1 喷嘴设计 溶液的喷雾干燥，是在瞬间完成的。为此，必须最大限度地增加其分散度，即增加 单位体积溶液中的表面积，才能加速传热和传质过程。例如体积为l c m 3 的溶液，若将 其分散成直径为1 0 n n 的球形小液滴，分散前后相比，表面积增大1 2 9 0 倍，从而大大 增加了蒸发表面，缩短了干燥和混合时间。 8 1 1 雾化机理 液体的雾化机理，基本上可分为3 种类型，即：滴状雾化、丝状雾化和膜状雾化例。 ( 1 ) 滴状雾化 在压力式雾化器中，溶液以不大的速度流出嚷嘴时，就形成细流状，在离喷嘴出口 一定距离处，开始分裂成液滴，这是因为表面张力形成一个不稳定的圆柱状的液滴，由 于某处液流的直径小于平均值，并在此形成较薄的液膜。此处由于所受的表面张力作用 较液膜厚的部分大得多，因此，薄的部分所含的液体就转移到了厚的部分，然后，这部 分延长成线，并分裂成不同的液滴。这种雾化机理称为滴雾化或滴状分裂。 在气流式雾化嚣，气液速度差很小时就会出现滴状雾化。 ( 2 ) 丝状雾化 中北大学学位论文 在压力式雾化器，进一步提高溶液的喷出速度( 即提高压力) ，由于表面张力和外 力的作用，液柱沿着水平与垂直方向振动，使其变成螺旋状振动的液丝，在其末端或较 细处很快就断裂为许多小雾滴。同样，在气流式喷雾中，当气、液相对速度较大时，气 液问有很大的摩擦力，此时液柱好象一端被固定，另一端用力拉成一条条细长的线，这 些线的抽细处很快断裂，并分裂成小雾滴。相对速度愈大，丝愈细，丝存在的时间就会 愈短，雾愈细。 ( 3 ) 膜状雾化 当溶液以相当高的速度从压力式喷嘴喷出，或者气体以相当高的速度从气流式喷嘴 喷出时，都形成一个绕空气旋转的空心锥薄膜状雾滴群，薄膜分裂为液丝或液滴。 3 1 2 喷嘴结构 本实验中的喷嘴为二流体气流式喷嘴( 如图所示) ，中心管走粘结剂，压缩空气走环 隙，当气液两相在出口断面接触时，由于环隙中的气体速度很大( 2 0 0 3 4 0 m s ) ，粘结 剂速度很小( ( 2 m s ) ，在两流体之间会产生很大的摩擦力，此力将料液雾化。喷雾所 用压缩空气的压力一般为0 3 2 0 7 m p a 。 气流式喷嘴，在一般情况下属于膜状雾化， 所以雾滴比较细。雾滴群离开喷嘴时的形状因 粘结 为是一个被空气充满的锥形薄膜，因而也称空 心锥喷雾空心锥的锥角o ，一般称为喷雾角或 雾化角。上述的锥形薄膜雾滴群称为雾炬或喷 剂进n t 压缩气体 雾锥。气流式的喷雾角b 通常为2 0 。3 0 。 图3 1 喷嘴结构 中北大学学位论文 气流式喷嘴具有下列特点： 喷嘴结构简单，密损小； 对于低粘度或高粘度料液( 包括滤饼在内) ，特别是含有少量杂质的物料，均可雾 化，因此，适用范围很广； 气流式喷嘴所得雾滴较细； 气流式喷嘴操作弹性大，即处理量有一定伸缩性，且调节气液比可控制雾滴大小， 因而也就可控制了成品粒度。 3 1 3 喷嘴尺寸的计算 气流式喷嘴尺寸的计算，目前尚无可靠的方法。一般都是凭经验进行设计，再通过 实验进行校正。虽然发表过一些半理论半经验的关联式，但由于试验条件及喷嘴结构的 限制，还不能在广泛的范围内使用。因此，在利用这个经验式时，应注意其试验条件。 平均滴径的计算： 仉= 蔫棚嚣卜( 。甜 c 式中，d 。为雾滴的体积一面积平均直径，a n ；莎为溶液的表面张力，1 0 n l c m ； n 为溶液的密度，g c m 3 ；。为气液之间的相对速度，m s ；耽为液体的粘度，p a s ； q l 为喷嘴的液体体积流量，m 3 s ；姨为喷嘴的气体体积流量，m 3 i s 。 该式的试验条件如下： 内混合喷嘴，其液滴平均尺寸范围为三k = 7 9 7 m l ，空气速度由1 5 0 m s 以至超声 速范围均适用，液体密度n = o 7 1 2 9 c m 3 ，表面张力盯= ( 1 9 7 3 ) x 1 0 n c m ，液 中北大学学位论文 体粘度儿= 0 0 3 0 5 p a s ，气液质量比u o m l = 1 1 0 ，液体流量 m l = 0 0 0 9 o a s k g m i n ，液体喷嘴尺寸为0 2 2 m m ，气体喷嘴尺寸为1 5 n l m 。 该实验中所用的喷嘴，尺寸如下：气体喷嘴尺寸为5 m m ；液体喷嘴尺寸为1 2 m m 。 在实际实验中，该喷嘴达到了雾化的要求。 3 2 实验装量干燥室的设计计算 干燥室是整套装置的主体部分，热空气进入干燥室，主要有两条路线，是从上方 加入，对颗粒进行预干燥；二是从下方加入，对颗粒进行j 下常的干燥。 3 2 1 根据气体干燥设计主要尺寸 一、设计气体悬浮造粒装置中的干燥室，应先对其作如下的基本假设： ( 1 ) 颗粒在干燥过程中由于水分的除去而引起的粒径变化，密度变化可略去不计； ( 2 ) 颗粒是圆球形： ( 3 ) 在干燥室中，颗粒均分散悬浮于气流中，无相互粘结现象； ( 4 ) 颗粒进入干燥管后，颗粒浓度对其运动轨迹的影响可略去不计。设排气温度 为6 0 。 二、气体悬浮造粒干燥室的假定数据如下： 造粒能力g 2 ( k g h ) ： 2 颗粒平均直径d 。【m ) ： 2 5 1 0 5 物料的结晶重度( k g m 3 ) 2 0 0 申北大学学位论文 空气状态( ) ： 进入加热器前( = 7 0 ) ，o 离开加热器f 1 离开干燥器 物料状态： 进料温度醴( 】 出料温度岛( 】 初始含水率睇】 或w ； 终了含水率w ：陟】 或鹾 干物料的比热c ( k j ( k g ) ) 干燥设备散热损失： i ) 物料衡算和热薰平衡 ( 1 ) 干燥过程中水分蒸发量的计算 - g 2 等 = 2 9 9 9 8 x 0 8 一o 0 2 ) 1 0 0 = o 3 6 培h 热损失的计算 a =