（机械工程专业论文）甲氰菊酸新型干燥工艺及关键设备研究.pdf

s t u d y o nn e w d r y i n gp r o c e s sa n dk e ye q u i p m e n t f o r f e n p r o p a t h e r i ca c i d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：l i j i n ja n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gz o n g m i n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 洲叫嗍6 7舢8 w一 啪y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：垄坚 日期：叫年上月乙e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上： 学位论文作者签名：越 指导教师签名： 日期：沙1 1 年乡月 日 日期：0 秒1 1 年r 月2 e t 摘要 甲氰菊酸是一种重要的农药中间体，产品为白色粉末，对含水量有严格的要求。传 统的甲氰菊酸干燥工艺能耗高，温度不易控制，物料升华损耗大，工作环境恶劣，环境 污染严重，对其干燥工艺进行工艺改进已成为目前亟待解决的问题。 论文详细分析了国内外粉末干燥行业的发展现状，比较了工业生产中常用干燥器的 优缺点，提出以振动流化床干燥器为核心的封闭式新型甲氰菊酸干燥工艺，并进行了详 细的工艺核算，确定了关键设备振动流化床的基本技术参数。建立微观的振动筛网 数值模型，运用p h o e n i c s 数值模拟软件，对振动流化床内部气流透筛流动进行了数 值计算，得到了其压力分布及速度分布，研究了筛网和床层物料对空气的流动存在的阻 力特性。在分析筛网和床层物料压降系数的基础上，建立了振动流化床整体数值计算模 型，对气流在流化床内部的流动进行了数值模拟，获得了整体流场的速度、压力分布及 速度矢量图，揭示了气流在流化床内部的运动规律。通过改变振动流化床整体模型中进、 排气口的数量和位置，分析了进气口和排气口对流化床内部气流流动的影响，为以后的 流化床优化设计提供了参考。甲氰菊酸新型干燥工艺可有效的降低了其对热能的消耗， 节约了能源，又改善了操作者的工作环境，在节能和环保两方面都具有十分重要的意义。 关键词：干燥工艺，甲氰菊酸，振动流化床，数值模拟 s t u d yo nn e wd r y i n gp r o c e s sa n dk e ye q u i p m e n tf o rf e n p r o p a t h e r i ca c i d l ij i n j u n ( c h e m i c a lp r o c e s se q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n g z o n g m i n g a b s t r a c t a r m o u rc y a n o g e nc h r y s a n t h e m u ma c i di sak i n do fi m p o r t a n tp e s t i c i d ei n t e r m e d i a t e s ，i t s p r o d u c t so fm o i s t u r ec o n t e n to fw h i t ep o w d e r , a n ds t r i ad e m a n d so nw a t e rc o n t e n t i m p r o v e m e n ti n c l u d i n g ：t e m p e r a t u r eh a r dt oc o n t r o lw h e nw eu s e dt h ef e n p r o p a t h e r i ca c i d p o w d e rd r yg o o d s ，m a t e r i a le a s ys u b l i m a t i o n , e x c e s s i v ee n e r g yu s a g ea n dh a v es e r i o u s e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , t h ed r y i n gp r o c e s so ft e c h n o l o g i c a li m p r o v e m e n th a sb e c o m ea p r o b l e mt ob es o l v e da tp r e s e n t p a p e rd e t a i l e da n a l y s i so ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g np o w d e rd r yi n d u s t r yd e v e l o p m e n t p r e s e n ts i t u a t i o n , c o m p a r e st h ec o m m o n l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , p u t sf o r w a r dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd r y e rw i t hv i b r a t i o nf l u i d i z e db e dd r i e ra st h ec o r eo ft h e c l o s e d - e n dn e wa r m o u rc y a n o g e nc h r y s a n t h e m u ma c i dd r y i n gp r o c e s s ，a n dc a r r i e do nt h e d e t a i l e dp r o c e s sc a l c u l a t i o n , d e t e r m i n et h ek e ye q u i p m e n t t h eb a s i ct e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h ev i b r a t i o nf l u i d i z e db e d p a p e re s t a b l i s hm i c r os i e v en e t sn u m e r i c a lm o d e l ，u s i n g p h o e n i c sn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h ev i b r a t i o n f l u i d i z e db e di n t e m a la i r f l o w t h r o u g hs i e v ef o w sn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , g o ti t sp r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n dv e l o c i t y d i s t r i b u t i o nw a ss t u d i e da n dt h eb e ds c r e e nm e s h , t h ef l o wo fa i rl a y e rm a t e r i a l se x i s t i n g r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c o nt h ea n a l y s i so ft h es c r e e na n db e dl a y e rm a t e r i a lp r e s s u r ed r o p c o e 街c i e n ti se s t a b l i s h e d ，o nt h eb a s i so fo v e r a l lv i b r a t i o nf l u i d i z e db e do fn u m e r i c a lm o d e l ， t h ef l o wo fa i ri nt h ef l u i d i z e db e di n t e r n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w o nt h e o v e r a l lf l o w v e l o c i t ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dv e l o c i t yv e c t o rd i a g r a m ，r e v e a l st h ei n t e r n a la i rf l o wi n t h em o v e m e n tr u l eo ff l u i d i z e d b yc h a n g i n gt h en u m b e ra n dp o s i t i o no ft h ei n t a k ea n d e x h a u s tm o u t ho ft h ew h o l em o d e lo fv i b r a t i o nf l u i d i z e db e d ，a n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo f i n t e r n a la i rf l o wo ft h ei n l e ta n do u t l e ti nt h eb e d p r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h ef o l l o w i n g o p t i m i z a t i o n d e s i g no ff l u i d i z e db e d 1 1 1 en e wd r y i n gt e c h n o l o g yo fa r m o u rc y a n o g e n c h r y s a n t h e m u ma c i dc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eh e a tc o n s u m p t i o n , s a v et h ee n e r g y , a n d i m p r o v e st h ee n v i r o n m e n to fo p e r a t o rw o r k i n g ，h a st h ee x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c ei nb o t h e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n k e y w o r d s ：d r y i n gp r o c e s s ，f e n p r o p a t h e r i ca c i d ，v i b r a t i o n f l u i d i z e db e d ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 目录 第一章前言1 第二章粉末干燥技术研究3 2 1 干燥技术概述3 2 2 国内外流化床干燥研究进展。4 2 3 振动流化床干燥技术7 2 4 数值模拟在振动干燥行业中的应用。9 2 5 研究方法探讨1o 第三章甲氰菊酸新型干燥工艺设计1 1 3 1 工艺流程1 1 3 1 1 甲氰菊酸简介1 l 3 1 2 工艺流程设计1 3 3 2 物料平衡计算1 4 3 2 1 水量及热量核算1 4 3 2 2 蒸汽用量核算15 3 2 2 关键设备选型16 第四章微观流动数值模拟2 l 4 1 计算模型的建立2l 4 1 1 筛网参数2 l 4 1 2 数值模型的建立2 2 4 2 网格依赖性研究2 3 4 3 不同颗粒排布的流动计算2 4 4 3 1 微观模型的建立2 4 4 3 2 等边三角形排列。2 4 4 3 3 正方形排列2 7 4 3 4 长方形排列2 8 4 4 5 不规则排列3 0 4 4 本章小结3 4 第五章整体流动分析3 6 5 1 模型建立及模拟3 6 5 2 典型计算结果分析3 6 5 3 进气口排气口的结构优化3 8 5 3 1 进气口排气口排布分类3 8 5 3 2 模拟结果3 8 5 3 3 结果分析4 4 结论。4 6 展望4 7 参考文献。4 8 攻读硕士学位期间取得的学术成果5 l 致谢5 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 农药属于精细类的化工产品，其更新换代非常快，而且农药的货架周期一般比较短。 目前，人们环保的意识及对食品的安全意识逐渐增强，则低残留、低毒且高效的农药代 表了未来农药的总体发展方向。由此导致，在农药生产过程中所需的相关化工原料及相 应的农药中间体的竞争也日趋的激烈【l 】。随着农药产品结构的逐步复杂化，其相应的农 药中间体的结构也变得更加复杂，质量的要求也越来越高，所以生产及制造变得更加困 难，相应的生产工艺变得更加复杂。 农药中间体是指使用煤焦油或者石油产品为原材料，并在合成香料、染料、树脂、 药物及增塑剂或橡胶促进剂等化工产品的过程中，所生产出的中间产物。现在泛指的是 在有机合成过程中所得到的各种中间产物。中间体指的是半成品，例如要生产一种产品， 则可以从中间体过程直接进行生产，这样可以大大节约节约成本和时间。农药中间体是 由环状化合物，如：苯、萘、葸等经过磺化、碱熔、硝化及还原等化学或物理反应而生 成的。农药中间体的生产技术和生产质量直接影响了农药产品的质量好坏和成本高低。 目前，各个农药生产厂所面临的重要课题就是如何获得高质量、低成本，高收率且三废 少的农药中间体。 甲氰菊酸作为生产甲氰菊酸类农药产品的重要中间体，其化学名称为2 ，2 ，3 ，3 一四甲基环丙烷羧酸。常温下的菊酸是白色粉末状固体，熔点为1 2 1 ，不溶于水，且 难溶于烷烃( c 。、c 7 ) ，易溶于甲醇、乙醇及极性有机溶剂。菊酸的制备方法是将2 ，2 ， 3 ，3 一四甲基环丙烷羧酸乙酯、催化剂、氢氧化钠、乙醇和水加入反应釜中，经过搅拌 下升温回流8 - 1 0 小时，蒸出乙醇，加水稀释，趁热抽入酸化釜中，再加酸酸化得到白 色结晶，过滤即得成品。 甲氰菊酸出厂产品为粉末状，并且对其含水量有严格的要求。但国内企业对甲氰菊 酸的干燥处理，一直沿用原始的干燥方法，即大炕烘干法。而且甲氰菊酸粉末很容易升 华，在甲氰菊酸粉末干燥的过程中，物料损耗大量，干燥环境恶劣。目前，菊酸粉末的 干燥问题，始终是困扰生产企业的一大难题。 结晶的菊酸产品与水混合在一起，经过离心过滤后仍含有1 5 3 0 的水。由于该物 料升华点较低，易挥发，所以对其的干燥控制很难把握，虽然厂家采用过几种新型干燥 设备如耙式干燥器、绞龙式干燥器对其的干燥工艺进行改进，但都未成功。仍然采用大 炕烘干工艺，烘干的时间通常要超过1 2 个小时，在烘干过程中，工人需要不断地用耙 第一章前言 犁对其进行翻动。大炕的下部安装有加热盘管以对其进行加热，大炕的温度大约为4 0 - 5 0 。在烘干作业在密闭的房间内进行，屋内的温度很高，工人的工作环境非常恶劣， 且有大量菊酸蒸气流入大气，对环境造成了严重的污染。大炕烘干的方法干燥效率非常 低，且蒸汽用量很大。问题集中表现为：干燥效率低，能源浪费严重，物料升华损耗大， 生产环境恶劣。 本文针对某企业的甲氰菊酸干燥工艺，进行改进研究，开发设计新型的菊酸粉末干 燥工艺，并通过数值模拟软件对主要干燥设备振动流化床进行了优化分析。论文研 究工作对甲氰菊酸干燥工艺改进和关键设备的设计选型以及节能降耗、降污环保等方面 具有十分重要的意义。 本论文主要开展以下几方面的工作： ( 1 ) 根据甲氰菊酸粉末的性质及其干燥要求，通过理论计算，设计出相应的密闭 式干燥工艺，并进行能量的核算。 ( 2 ) 建立微观振动流化模型，利用计算流体力学软件p h o e n i c s 对振动流化床的 微观的气体流动过程进行数值模拟，并对其结果进行压降和速度分析。 ( 3 ) 建立整体振动流化床模型，利用计算流体力学软件p h o e n i c s 对气流在振动 流化床内部的整体流动进行研究，为振动流化床的结构优化提供一定的理论依据。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章粉末干燥技术研究 2 1 干燥技术概述 通常，人们是把采用热物理的方式将热量传递给某些含水的物料，并且将此热量作 为潜热，而使得含水物料中的水分得以蒸发或者分离的操作过程称之为干燥。干燥的特 征是：通常采用降温、加热、减压或者其它的能量传递方式，而使湿物料中含有的水分 发生挥发或者冷凝，抑或升华等相变的过程，从而使之与该物料分离 2 1 。而干燥的目的， 则是为了去除掉某些原料、成品及半成品中所含有的多余的水分或者溶剂，从而使得这 些产品更加便于储存及运输，更有利于原料或者半成品的后续加工或生产，从而使得产 品的质量得到了大大的提升，人们的生活更加便利。 作为一项比较古老，并且通用和必不可少的化工操作单元，干燥行业的服务领域相 当广泛。面对着众多的产业，面对着不同物理化学性质的各种物料，且面对着各生产厂 家的产品质量和其他方面千差万别的要求，干燥技术是一门跨学科、跨行业，并且具有 很强科学实验性质的学科。 随着现代生产技术的不断快速发展，当代工业对于干燥技术及干燥设备有了更高的 要求。我国由于原有的工业基础相对比较薄弱，而且工业产量较小，大多数干燥过程都 是采用了蒸汽烘箱、电烘箱等干燥设备来对湿物料进行处理。而为了适应现代工农业生 产的基本需求，我国的科学家们逐步开展了对气流、喷雾及流化等干燥装置的开发，并 且还开展了对农产品、药品、食品及生物制品等的干燥过程和相关装置的研究和开发。 现在所说的化工行业中的干燥，通常是先通过机械除湿方法 3 1 ，除去湿物料中所含 的大量的非结合水分或者溶剂，然后再通过加热干燥的方法除去残留的水分或溶剂。 截止到目前，工业生产中已经先后出现了几百种形式的干燥器。而其中应用比较普 遍的干燥器的形式就有一百多种。传统的干燥器有以下一些形式：厢式干燥器、转筒干 式燥器、隧道式干燥器、转鼓式干燥器、带式干燥器、盘式干燥器、流化床干燥器、喷 动床干燥器、喷雾式干燥器、太阳能干燥器、桨叶式干燥器、真空冷冻干燥器、气流干 燥器、红外热辐射式干燥器及微波高频干燥器等等。以上各种类型干燥器的技术相对比 较成熟可靠，而且历史较长，在国际各国的各项干燥行业中都有着相当广泛的应用。 干燥按照不同的传热方法可分为以下3 种【4 j ： 传导加热干燥 即温度不同的物料，通过各自的表面相接触，来进行热量传递，并进行干燥； 3 第二章粉末干燥技术研究 对流加热干燥 借助某种流体的流动，将流体携带的热量传递给所需干燥的物料，以对其进行干燥； 辐射加热干燥 通过辐射的方式，将热量传递给所需干燥的湿物料，这种方式与热源的温度有关， 温度越高，则通过辐射传递的热量就越多。 干燥过程，可看做是一个多相系统的热量传递过程，这里所指的多相系统还包括了 固体中所含液体得的蒸发、相变等现象，其过程非常复杂。通过计算可知，对于粉末物 料，对流传热的干燥方式效率是比较高的，而热传导的干燥方式效率相对较低。本论文 的被干燥物料为甲氰菊酸晶体粉末，属于粉末颗粒状物料，因此，采用了对流式传热的 原理进行干燥。 在当代的工业生产过程中，随着被加工产品种类的多样性，被干燥物料状态的样式 也越来越多。早期的被干燥物料仅有溶液及泥浆状物料，到现在逐步增加了冻结物料、 粉粒状物料、块状及棒状物料、膏糊状物料、短纤维状或连续薄片状物料等，甚至某些 零件及设备的图层也需要进行干燥处理。而干燥的种类、如何选用干燥方法及干燥设备 主要取决于被干燥物料的性质。这里所说的被干燥物料的性质包括了：物理性质、化学 性质及其他性质。其中物料与水结合的能力为关键因素。物料与水的结合方式既可以是 表面吸附式的，又可以是多孔性物料的空隙中存有水分，还有可能属于物料自带的结晶 水( 如本论文所干燥物料) 或者物料细胞内的溶胀水分等【5 1 。由于物料与水结合方式的 不同，导致了选择的干燥方法也会不一样。而需要特别指出的是，化学的结合水，是不 可以被干燥处理的，因为这类结晶水经常是物料被干燥以后，仍然存在于该物料当中， 无法排出。 本课题所需干燥的物料为粉末状颗粒物料，物料与水的结合方式为物料自带的结晶 水。普通干燥设备在干燥粉末物料时，物料的流动性差，则微小的颗粒物料与气流的接 触性较差，从而传热效率较低，干燥效率不高。而相对于其他的干燥设备，流化床干燥 器在干燥粉末颗粒的物料时，物料可呈悬浮状态状态，其与床内流体的接触面积大，干 燥效率更高。 2 2 国内外流化床干燥研究进展 干燥技术在我国的应用，具有着非常悠久的历史。我国古代闻名世界的造纸技术， 就充分展示了干燥技术的应用。而现代干燥技术在国民生产生活中的应用程度，能够充 分的反应出一个国家的综合国力及科技发达程度和国民生活水平的高低1 6 j 。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 目前，我国专门从事干燥理论研究，开发新型干燥设备及相关装置的大专科研院校 非常多，而且有不少单位都拥有比较稳定的科研队伍和明确的未来发展方向，上述这些 组织是我国未来发展干燥理论及干燥技术的核心力量所在。1 9 9 5 年，霍光青等针对我国 除湿干燥技术在木材干燥行业中的应用进行了具体分析，并提出了除湿干燥技术在我国 木材加工业中未来的推广应用发展方向【7 】。1 9 9 8 年，钱尚源、凌志光等提出带水平导流 的全热风干燥概念。并且通过适当的导流和诱导作用来合理组织干燥气流，以此使物料 在合适的热风温度及排湿工况下完成比较充分的热交换和湿( 质量) 交换。他们还对目 前应用比较广泛的热风烘箱及烘道进行了优化设计【8 j 。2 0 0 0 年，李子平、周庆等，采用 水分微分析仪所采集的空气湿度与干燥器吸附所用时间之间建立了数学模型，在控制物 料的湿度上，达到了智能化控制的高度【9 】。2 0 0 5 年，王丽娟等就喷雾干燥技术及干燥器 的主要工艺参数，在固体饮料中的应用进行了综述，这一综述为进一步探讨喷雾干燥在 固体饮料中的应用及研究提供了有力的依据【l o 】。2 0 1 0 年，金辉对现有的气流干燥装置 进行了具体分类，并且对气流干燥技术的研究现状进行了详细的论述，同时还指出了气 流干燥技术未来的发展趋势【l l 】。 近年来，人们对干燥学科在工业生产领域和学术领域中的应用和研究有了更新的认 识，相关的干燥技术在国内外也都有了比较快速的提高。各个国家逐渐意识到，干燥操 作是一项既面广、且量又大的生产操作，但是干燥行业所消耗的能源也是非常巨大的。 自从能源逐渐开始紧张以来，世界各国对能耗较大的干燥行业比以往显得更加的重视。 此外，随着人民生活质量及水平的逐步提高，各国对干燥产品的质量要求也越来越高。 所以，寻找更合理的干燥设备，设计更科学的干燥工艺便成为了目前非常重要的社会工 业课题。 流化床干燥器是上世纪6 0 年代逐步发展起来的一种新型的干燥设备。目前，在化工 业、轻工业、制药行业、食品加工业以及建材行业中都有着非常广泛的应用。由于在流 化床干燥的过程中，固体颗粒通常要悬浮于干燥介质中，因此，流化床内流体与固体的 接触面较大，其热容量系数通常可达至0 8 0 0 0 - - - 2 5 0 0 0 k g ( m 3 h o c ) ( 按干燥器总体积进 行计算) ，又由于物料存在的剧烈搅动，从而使气膜的阻力大大的降低，所以其热效率 较高，通常能够达到6 0 8 0 ( 干燥结合水时约为3 0 4 0 ) 。另外，流化床干燥 装置的密封性能较好，被干燥物料又不与传动机械发生接触，因此在干燥过程中不会有 杂质掺入，而这一特点恰恰适用于对产品纯度要求较高的制药行业。 流化床干燥设备本身具有非常高的工业价值。因此，其在工农业生产中有着相当广 5 第二章粉末干燥技术研究 泛的应用，并显示出了很高的优越性： 由于流化床干燥器多应用于粉末颗粒状物料的干燥，被干燥物料体积很小，则单 位体积内的表面积比较大，从而物料与床内流体的接触面积更大，使得流化床干燥的传 热及传质的效率较高。 与现有的其他干燥装置相比较，在流化床干燥过程中，被干燥物料的颗粒可进行 更加平稳的流动，所以其能更好的进行自动化连续生产的操作，并且容易控制，还可进 行间歇性操作。 固体颗粒在流化床干燥器内的混合较快，且床层内部各点的温度比较均衡，并可 进行自由调节，不会发生局部过热的现象。 相对其他干燥设备，流化床干燥器的结构比较简单，便于日常的维护保养，且其 造价更低。 较之其他形式的干燥器，物料在流化床干燥器内的滞留时间可按照干燥工艺的要 求，进行调节，最高可停留长达几个小时。 目前国内流化床干燥装置，按照类型主要可分为：单层和多层( 2 5 ) 流化床，卧 式和喷雾流化床以及喷动流化床等几种。若根据被干燥的物料的状态来看，大多数的被 干燥物料为粉末状、颗粒状或晶体状，被干燥物料的湿度一般为1 0 - 3 0 ，而被干燥 物料颗粒的粒度则通常在1 2 0 目以内。目前国内生产中应用较为广泛的流化床干燥设备 有：内藏热管式流化床干燥机、z l g 振动流化床干燥机、沸腾流化床干燥机等。 现有流化床干燥器的结构及性能较之以往古老的干燥装置都有了很明显改善，且质 量也在不断的提高，但是还存在着一些有待解决的问题，如： ( 1 ) 热能无法得到充分的利用 流化床干燥设备的热能同样也存在着利用不充分的问题，这对干燥质量有着很大的 影响，而且导致能量消耗大大增加。针对这一问题，德国g e a 集团的下属公司【1 2 1 专门 设计了一种筛板，此筛板可使流化床的进气量更加均匀与平稳，该筛板使得流化干燥过 程中产生的热交换更加充分，并且大大降低了加热空气时所需要的能量消耗。 ( 2 ) 被干燥物料湿度的在线监测问题 干燥过程中物料的湿度在线监测比较困难也是流化干燥的过程中存在的一大问题。 k s e p p a u m l 及l a u m l 1 3 】等人解决了这一难题。他们通过在线测量被干燥物料的电导率来 随时检测物料的当前湿度，使得整个流化干燥过程都处于可调控的状态。 ( 3 ) 干燥结果存在差异 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 目前，流化床干燥后的干燥结果差异较大的问题还普遍存在。即同一种物料，当投 料量不同时，其干燥结果存在差异；不同种类物料，当投料量相同时，干燥结果存在差 异。针对以上普遍存在的两个问题，目前最常用的方法就是对流化床的结构进行改进并 且优化，从而使其结构设计更加的合理。这样，既可以增加被干燥物料的种类，而且还 可提高干燥过程的效率，使干燥结果存在差异这一问题得以有效的解决【1 4 】。 ( 4 ) 特殊物料的干燥稳定性 在现代干燥工业生产中，人们对热敏感物料、氧敏感物料以及含溶剂易燃物料的干 燥环境要求是比较高的，一旦某些干燥条件不合理，就会导致被干燥物料的降解或者变 质。而针对这一问题，美国的b e p e x 公司【1 5 1 专门设计了新型的固定式流化床干燥器，这 一新型干燥设备恰恰适用于热敏感物料、氧敏感物料及含溶剂易燃物料的流化干燥。 ( 5 ) 冷却系统 现代干燥行业中的流化床干燥设备有的还缺少冷却系统【1 6 1 。目前，针对这一现象， 国内外的研究人员及生产厂家在设计和制造流化床干燥器时，均考虑并设计并采用更为 合理而且高效的冷却系统，以保证干燥后的物料能够迅速得到降温冷却，以此达到简化 生产过程，提高生产效率的目的。 目前，由于拥有较先进的科学技术作为支持，国外公司生产的流化床干燥设备一般 都具有比较好的质量，而我国由于该项技术的起步较晚，所以与国际先进水平相比，流 化床干燥设备的生产质量及其应用都存在着一定的差距。但是随着我国食品行业、制药 行业的不断扩大发展，我们在学习国外先进技术和积累实践经验的基础上，如果能够选 择好恰当的突破点，并且努力加大自主创新的力度，一定可以缩小与国际先进水平之间 的差距【1 7 1 。因此，继续加强干燥理论的研究，更快速的发展干燥测试技术，就成为我国 科研工作者今后面临的一项非常重要基础工作。 2 3 振动流化床干燥技术 在干燥粉末状物料时，普通的流化床干燥器具有一定的局限性。例如：当物料的颗 粒较小时，其与干燥器的传动机械容易发生接触，从而造成沟流或是死床，而当颗粒的 分布范围较大时，夹带的现象又会比较的严重；而且由于干燥器内还存在有颗粒返混的 现象，所以如果物料在流化床内的停留时间不同，则会导致干燥后的物料的含水量也不 同；当流化床干燥湿度较大的物料时，容易发生物料团聚或是物料结块的现象，导致流 化过程更加不畅等【1 8 1 。 针对以上存在的各种问题，各国技术人员通过研究，推出了振动流化床干燥设备。 7 第二章粉末干燥技术研究 振动流化床干燥器适用于颗粒粗或者颗粒较细的物料干燥，且对于易粘合及流动性差的 物料也较为适用。振动流化床干燥的全过程，就是将机械振动施加于流化床上，并通过 适当调整机械振动的参数，使得在连续作业时内部返混比较严重的普通流化床，能够得 到相对较为理想的活塞流状态【1 9 1 。干燥时将粉末状的物料颗粒放置于多孔介质的( 如筛 网) 表面上，而热气流则通过多孔介质的下部，由下向上不断进行输送，从而使物料颗 粒在整个干燥过程中始终呈现于悬浮的状态，这一有点状态类似于液体的沸腾，这样有 利于物料的颗粒与气体更加充分的进行接触，从而使热量及水量的传输更加迅速【2 0 】，提 高了干燥效率。振动流化床干燥器由于拥有传热的效果比较好、温度的分布更加均匀、 操作形式的多样化，且物料的滞留时间可调、投资成本较低及方便进行维修保养等的特 点，所以它在当代的工业生产中得到了非常广泛的发展和应用。它也是在普通流化床的 基础上进行的一次比较成功的改型。 目前的工业生产中，振动流化床的应用已经越来越广泛，它适用的行业包括： 食品建材行业：酒糟、味精、砂糖、食盐、粒状鸡精、矿渣、豆瓣种籽等。 医药化工行业：各种打片颗粒，硼酸、硼砂、苯二酚各种添加剂等。 振动流化床干燥设备的优点有很多，总结如下： 被干燥物料在流化床内部受热均匀，且热量交换充分，干燥的强度较高。 干燥器的振源来自振动电机驱动，电机的运转平衡，且维修方便。 流化床内部的流态化较均匀，且无死空隙和吹穿等现象，可获得非常均匀的 干燥、冷却及增湿产品，干燥的效率更高。 该设备的可调性较好，并且适应面较广，物料层的厚度和在干燥器内部的移 动速度及全振幅变等均可实现无级调控。 相对其它干燥设备，振动流化床干燥器更可适用于易碎物料的干燥，当物料 颗粒不规则时，也不会影响其干燥效率。 振动流化床干燥器可有效的减少流态化过程中易产生的沟流现象，其操作的 稳定性更好。其内部的气流返混现象较之普通流化床则更少，从而有效减少了对物 料颗粒的损伤。 振动流化床干燥器采用了全封闭式框架结构，有效的防止了被干燥物料与外 界的空气发生交叉反应，且它的操作环境相对于其它干燥设备刚加优越。 目前，工业上比较常见的振动流化床干燥器的长度范围约为3 m - - 8 m 。而为了 使其床层的流态化更加均匀，相应的给风段也划分为2 - 5 段1 2 1 1 。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 振动流化床干燥器从结构上可区分为两大类。一类是卧式矩形振动流化床，它 的振动电机直接安装在床体上，可直接对流化床进行驱动，改类型目前应用较为普 遍。另外一类则是立式圆形振动流化床干燥器。本论文设计的干燥工艺中采用的干 燥器是第一种，如图2 1 。 图2 - 1 振动流化床结构 f i 9 2 - lv i b r a t i o nf l u i d i z e db e ds t r u c t u r e 我国的振动流化床干燥行业从形成、发展一直到逐步走向成熟，总共经历了2 0 多年 的历史。自上世纪8 0 年代起，我国的振动流化床干燥事业得到了非常快速的发展，在这 一时期，我国有许多大规模的振动流化床生产厂家逐步发展发展起来。我国从上世纪的 8 0 年代初至今，平均每年都会有不少于约2 0 0 台的振动流化干燥设备推向社会。且振动 流化床应用的行业也越来越广泛，由最早期的制药、乳制品等行业逐步发展到今天的轻 工业、化工、冶金、饮料、食品、种籽、化肥及饲料等行业圈。 目前，研究振动流化床的干燥技术的方法有很多，主要可分为试验研究和模拟研究 两大类。近些年，在工程技术人员的共同努力下，我国的振动流化床干燥设备有了巨大 的进步。1 9 7 6 年，上海市第六制药厂自主试制成功了用于糖精纳的振动流化床干燥器， 从而生产能力提高了7 8 倍。同期，广州广利糖厂和黑龙江乳制品研究所也试制成功了 不同结构的振动流化床干燥设备【2 3 1 。尽管试验研究的方法快速直观，但它还是具有一定 的局限性，由于需要较大的试验费用，且振动流化床的制造也需要较长的周期，所以研 究的过程相对较慢，成本较高。目前，随着计算机技术的不断发展，数值模拟的方法在 振动流化床的研究领域已经越来越为人们所重视。数值模拟的研究成本较低，且花费的 时间较短。国内外的研究者，通过数值模拟对振动流化床的研究也取得了很多的成果。 2 4 数值模拟在振动干燥行业中的应用 数值模拟，又被称为计算机模拟。它是通过电子计算机为手段，运用图形显示和数 值计算的方法，达到对工程和物理问题及自然界中存在的各类问题研究的目的。 9 第二章粉末干燥技术研究 上世纪5 0 年代，数值模拟技术诞生。最早的数值模拟技术应用是由p e a c e m a nd w 和b r u c eg h 模拟计算了一维气相的不稳定径向流动和线形流动 2 4 1 。9 0 年代数值模 拟主要在粗化技术、f e b i 网格及并行计算等方面有了比较突出的发展。 目前，数值模拟技术在干燥行业中得到了非常广泛的应用。2 0 0 3 年，李阳春等， 通过特定的数学模型，并且通过有限差分的方法对干燥工况下的温度和湿度分布进行了 模拟计算【2 5 1 。2 0 0 6 年，东南大学，通过k 一占模型对气体流动进行了描述，并采用颗粒一 轨道的模型描述，通过f l u e n t 数值模拟软件进行了模拟【2 6 】。在振动流化技术方面，1 9 9 8 年，刘大有和聂永生提出用来计算振动流化床内部压力波动的数学模型，并且在不同操 作条件下，对振动流化床内的内部压力波动进行了模拟计算【2 7 1 。2 0 0 8 年，卢玲对中药 颗粒的干燥特性与振动流化床的干燥模型进行了模拟计算，并详细分析了该实验对振动 流化床流体力学特性的研究实验结果【2 8 】。2 0 1 0 年，西南石油大学的贾敏运用数值模拟 技术对振动流化床内的二元颗粒体系分布进行了研究【2 9 l 。 2 5 研究方法探讨 可应用于研究振动流化床研究的数值模拟软件非常多。由于本课题主要要就的是振 动流化床内流体的流动，所以采用的是p h o e n i c s ( p a r a b o l i ch y p e r b o l i co re l l i p t i c n u m e r i c a li n t e g r a t i o nc o d es e r i e s ) 数值模拟软件。p h o e n i c s 数值模拟软件，是世界 上首个计算流体及传热的商业软件。大部分流体的流动、传热、化学反应及相关现象 都可以通过它来模拟。p h o e n i c s 的网格系统包括了直角、曲面、圆柱、精密网格及 多重网格等【3 0 1 。这一网格系统可以对三维的稳态或非稳态可压以及温度的变化对模拟结 果的影响。p h o e n i c s 软件中，共包含了2 0 多项适合于不同雷诺数场合的湍流模型，其 中包括了多流体的湍流模型、雷诺数应力模型和通量模型以及k 一, f f 模型的不同变异， 总共有2 0 多种湍流模型和1 0 多个相流模型，另外还包括了1 0 多个差分格式等缩流动 及不可压缩流动进行精确的数值模拟计算，并且还可增加密度、粘度。p h o e n i c s 数 值模拟软件的后续计算结果采用t e c p l o t 软件进行分析处理。t e c p l o t 软件属 于一种资料视觉化软件，它通过进行有效的科学计算，并且对电脑计算过的结果资料进 行视觉化的处理，这样便于研究者更加形象化地分析计算出的科学数据，它具有非常强 大的传达分析结果能力【3 l 】。 1 0 中国石油大学( 华东) - i 程硕士学位论文 第三章甲氰菊酸新型干燥工艺设计 3 1 工艺流程 3 1 1 甲氰菊酸简介 ( 1 ) 菊酸的组成与物性介绍 菊酸为生产甲氰菊酸类农药的重要中间体。中间体就是在使用煤焦油或者石油产品 作为基础原料来合成香料、染料、树脂、药物、增塑剂及橡胶促进剂等化工产品的过程 中，所产出的中间产物【3 2 1 。现中间体泛指有机合成过程中所生成的各种中间产物。中间 体所指的是半成品，是生产某些产品时的中间产物，例如要生产一种产品，生产者可以 从中间体环节来进行生产，这样大大节约了成本。而农药中间体指的是由环状化合物， 如：苯、萘、葸等经磺化、碱熔、硝化、还原等反应而生成的中间产物。 甲氰菊酸的化学名称为2 ，2 ，3 ，3 一四甲基环丙烷羧酸；英文名称为2 ，2 ，3 ， 3 - t e 仃a m e t h y l c y c l o p r o p a n e c a r b o x y l i ca c i d ；分子式为c 7 h i a c o o h ；分子量为1 4 2 ；其结构 式如图3 1 所示【3 3 1 。 一 心x l h h a cc h 3 图3 - 1甲氰菊酸结构式 f i g3 - 1 s t r u c t u r e do fa r m o u rc y a n o g e nc h r y s a n t h e m u ma c i d 甲氰菊酸是一种白色粉末状固体，熔点1 2 1 。不溶于水，且难溶于烷烃( c 。、