（农产品加工及贮藏工程专业论文）喷动床粮食干燥技术的研究.pdf

缸苏大学硕士学位论文 摘要 喷动床粮食干燥器具有气固接触状态优于固定床，环形区可用于缓苏，喷动 区对物料加热时间短，可以干燥热敏性物料等优点，因而喷动床的研究引起了越 来越多学者的注意。不仅如此，近年来在粉碎、造粒、悬浮液的干燥、铁矿石还 原、石油热裂解等领域也多见有研究喷动床的论文发表。但是喷动床特有的结构 原理，决定了喷动床不能被简单的放大，因此目前喷动床在工业领域的应用仍然 很少。 本文为了探索喷动床粮食干燥器的放大问题以及喷动床应用于小麦和麦芽 干燥的可能性，在自行设计的喷动床干燥系统上，进行了小麦喷动干燥工艺优化 试验和麦芽喷动干燥试验。 对小麦干燥优化工艺而言，设计了小麦喷动床干燥三因素三水平正交试验， 并以去除每千克水的能耗为评价指标。试验表明：( 1 ) 所用喷动床设计合理；( 2 ) 最优工艺为空气流量取4 2m h ，热空气温度取7 5 1 2 ，湿麦装量为3 8 k g ，优化 工艺的热耗为5 5 8 8 k j k g 水，在各因素中热空气温度对指标有显著影响；( 3 ) 喷 动床作为粮食干燥器时其结构特点有别予固定床、移动床和流化床，值得进一步 进行放大研究。 对麦芽喷动干燥而言，本文根据现有麦芽干燥工艺结合喷动床干燥的特点， 研究并试验了九种麦芽喷动干燥的工艺。这九种工艺试验的麦芽质量分析检验表 明：较好的麦芽喷动干燥工艺为6 0 热空气干燥5 h 后，8 5 热空气加热麦芽使 其升温至8 0 ，最后再使用8 5 热空气焙焦2 5 h 。 本文还对麦芽喷动干燥的传热和传质的模型进行了研究。对传热过程作了合 理的假设，建立了传热的数学模型，并用实验进行了验证，确定了模型参数q 。 对传质模型而言，根据“半透膜理论”，得到了干燥速率k 的表达式，通过实验， 求出了有别于文献值的模型参数r 和x 的数值。传热传质模型的建立为麦芽喷 动干燥的设计提供了理论依据。 关键词：喷动床，干燥，小麦，麦芽，工艺，传热传质模型 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r es c h o l a ra n ds p e c i a l i s tp u tt h e i ra t t e n t i o ni n t ot h es t u d yo ft h e s p o u t e db e d ，j u s tf o ri t sl e s sm a t e r i e l - h e a t - u pt i m ea n di t sc a p a b i l i t yo fd e a l i n gw i t h h e a t - s e n s i t i v es o l i d sa n ds oo n f u r t h e r m o r e ，i nm a n yp a p e r s ，t h es p o u t e db e dh a v e b e e n u s e ds u c c e s s f u l l yt od r yp a s t e sa n ds l u r r i e s ，c r u s h ，m a k eg r a n u l e ，d r ys u s p e n d i n g l i q u i d ，d e o x i d i z ei r o n s t o n ea n db r e a ku pp e t r o l e u me t e w h i l ef o rt h eu n i q u es t r u c t u r e o fs p o u t e db e d ，s p o u t e db e dc a n tl e to u ts i m p l y c o n s e q u e n t l y , s p o u t e db e dh a v e n t c o s m i c a l l yu s e di nt h e f i e l do f i n d u s t r ya tp r e s e n t t h ep a p e rc a r r i e dt h r o u g ht h ed r y i n go r t h o g o n a lt e s to fw h e a ta n dm a t td r y i n g e x p e r i m e n t , u s i n gt h es e l f - d e s i g n e ds p o u t e db e dd r y e r , f o rs t u d y i n gt h ep r o b l e mo f s p o u t e db e d sm a g n i f y i n ga n dt h ed r y i n go f m a l t t h ed r y i n go r t h o g o n a lt e s to fw h e a th a dt h r e ef a c m r sa n dt h r e el e v e l s ，i nt h et e s t , t h ep a p e rd i s c u s s e dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r si n f l u e n c eo f t h ep r o c e s so f d r y n e s s t h e e x p e r i m e n tt e s t i f i e d ：( 1 ) t h ed e s i g no ft h es p o u t e db e di si nr e a s o n ；( 2 ) t h eo p t i m u m t e c h n o l o g y i s a i r f l u x 4 2 m h ，a i r t e m p e r a t u r e 7 5 ( 2 ，m a l t w e i g h t 3 8 k g ，h e a tc o n s u m e 5 5 8 8 k j k g ，t h ea i rt e m p e r a t u r ei n f l u e n tt h er e s u l to b v i o u s l y ( 3 ) a st h eg r a i nd r y e r , s p o u t e db e di sg o o df o rm a g n i f y i n g m a k i n gu s e do fe x i s t i n gm a l td r y i n gt e c h n i q u ea n dt h ed r y i n gc h a r a c t e ro fs p o u t e d b e d ，t h ep a p e rg r o p ef o rt h en e wm a l td r y i n gt e c h n i q u ei ns p o u t e db e d b ym e a n so f t h e9e x p e r i m e n t s ，t h eq u a l i t ya n a l y s i so fm a l tt e s t i f i e d ：t h eo p t i m u mt e c h n o l o g y w h i c hw eg o ti st h a tm a l tw a sh e a t e di n6 0 ca i rb y5 ha tf i r s t t h e n8 5 cu n t i lt h e m a l tr e a c h e d8 0 c ，a tl a s ti n8 5 ca i rb y2 5 h a tt h es a m et i m e ，w es e a r c h e df o rt h eb e s th e a ta n dm a t t e r st r a n s f e r r i n gm o d e l so f m a l t b yt h er a t i o n a lh y p o t h e s i s ah e a tn a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e lw a ss e tu p t h e e x p e r i m e n tv a l i d a t e dt h em o d ea n dc o n f i r m e dt h ep a r a m e t e rn f u r t h e r m o r e ，t h e p a p e rc o n f i r m e dt h ee x p r e s s i o no ft h ed r y i n gv e l o c i t yk w i t ht h es e m i p e r m e a b l e m e m b r a n e a n dt h ep a p e rb yt h ee x p e r i m e n to b t a i n e dt h ep a r a m e t e rra n dx ，w h i c h w a sd i f f e r e df r o mt h er e f e r e n c e s t h eh e a ta n dm a t t e r st r a n s f e r r i n gm a t h e m a t i c a l m o d e l sp r o v i d et h ea c a d e m i cb a s ef o rt h ed e s i g no f m a i td r y i n gi ns p o u t e db e dd r y e r i l 江苏大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：s p o u t e db e d ，d r y i n g ，w h e a t ，m a l t ，t e c h n o l o g y , h e a ta n dm a t t e r s t r a n s f e r r i n gm o d e l s - i l l 江苏大学硕士学位论文 主要符号表 九：床身横截面积，时 g i ：空气比热，k j ( k g k ) c i ：干空气比热，k j ( 蚝k ) g ：水汽比熟，k j ( k g k ) c 。：水的比热，k j ( k g k ) 巴：物料比热，k j ( k g k ) c s ：干物料比热，k j ( k g k ) d t ：床身圆柱直径，r a i n d 。：进气口直径，m m d ：空气中水分扩散系数，m s d 口：颗粒直径，m m h ：排放气体湿度，k g k g 干气 h 。：大气湿度，k g 水k g 干气 h ：最大喷动床高，咖 g 。：干物料重，k g k 。：气固间传质系数，m s l i l b ：床层内物料重，k g l i l b o ：物料初始重量，k g p ：压力降，p a p m ：最大压力降 凡：稳定喷动时的压力降 p 。：干燥器水汽分压，p a 艮：干燥器水蒸气压力，p a p ，：t 、下的水汽压力，p a r ：通过半透膜的传质阻力，p a r ：蒸发潜热，k j k g t 。：床层物料温度， k ：t 。的初始值， t ：气流温度， t 。：进气温度， t ：排气温度， t 。：空气温度， t i ：颗粒表面温度， t ：湿球温度， u a ：环形区气流速度，m s u l ：进气口的气流速度，m s u - r ：流态化时最低速度，m s u m ：最低喷动速度，m s u 。：喷动气体空床速度，m m v ：气流量，m 3 h v 6 ：气流质量，k g w ：含水率( 湿基) ，k g , k g 物料 w e 物料初始含水率，k g k g 物科 x ：变量 x ：含水率( 干基) ，k g , k g 干料 x ：排放含水率( 干基) ，k g 水k g 干辩 】( o ：初始含水率( 干基) ，k g k g 干料 z ：排气温度修正系数 a 。：环形区气固传热系数，w ( 肝k ) a 。：喷动区气固传热系数，w ( n r k ) e ：空隙率 e ：时间，h y ：锥底角，。 ：导热系数，w ( k ) 江苏大学硕士学位论文 。：床层导热系数，w ( m k ) 。：气体导热系数，w ( m k ) x 。：颗粒导热系数，w ( m k ) i i ：气体粘度，p a s p 。：物料实际容重，k g 矿 p 。：气流密度，k g m 3 p ：物料密度，l ( g 一 西：颗粒球形系数 r l ：升温比例系数 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名 1 1 龟 指导教师签名； 年月日驯年g 月q r a 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：聪，苦匕 日期：2 0 0 4 年月c ? o 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 喷动床的由来及喷动床干燥的优点 1 1 1 喷动床的由来 喷动床( s p o u t e db e d ) 是流化床的一个分支，起步于2 0 世纪5 0 年代。加 拿大自然研究院( n a t u r a lr e s e a r c hc o u n c i l 即n r c ) 的g i s h e r 和m a t h u r 为了 解决小麦等颗粒状谷物的快速干燥问题，而设计了喷动床。喷动床是对传统流化 床的革新和改造，不仅克服了粗大颗粒不易流化的困难，而且在干燥热敏性物料 方面较流化床有明显的优势，具有结构简单、处理量大、操作方便等特点，基本 结构如图1 1 所示。 尽管喷动床技术原来是一种干燥小麦等粗大、窄的筛分颗粒( 粒径d , ) l m m ) 的流态化技术，但随着对该技术研究的逐渐深入和人们对利用喷动床干燥特点兴 趣的不断提高，喷动床的应用研究领域不断拓展，目前已有文章报道喷动床应用 于粘性强或粗块状颗粒的表面涂层、涂料、悬浮液及溶液的干燥，也应用于粉碎、 造粒、煤燃烧和气化、铁矿石还原、油页岩热解、焦炭活化、石油热裂解以及废 弃物处理、生物质热解等。作为干燥器喷动床不仅可以干燥粒状、糊状、浆状等 各种微粒大小的物料，而且能够干燥湿 含量较大的物料和热敏形物料，如种 子、粮食、药品及各种化学产品等。i l l 【2 l 【3 】【4 】【5 1 1 6 】1 7 1 【研 1 1 2 喷动床干燥器的优点 喷动床干燥器是一种动态干燥设 备，具有以下特点： ( 1 ) 颗粒在床内有规律的循环运动使 图1 1 典型喷动床基本结构示意图 喷动床造粒可以得到具有高强度和高 9 i g l ls c h e m a t i c d i a g r a m o f a t y p i c a l s p o u t e db e d 江苏大学硕士学位论文 球形度的粒状产物，但也使得床内物料受到磨损。 ( 2 ) 操作压降比流化床要低，喷动的颗粒只占床层颗粒中很少的一部分，所以 鼓风机的风压与风量要低得多。 ( 3 ) 气流的喷动加热为瞬时加热，因此温度控制相对容易，可以处理热敏性物 料；另外，用喷动床干燥可以做到加热均匀，避免了传统静态干燥传热不均、影 响总体质量的弊病。 ( 4 ) 结构简单无提升斗等移动部件，无分布板，占地面积小，设备成本低。 1 2 小麦及麦芽的干燥 1 2 1 小麦的干燥 小麦作为世界上产粮最大、应用最广的粮食种类，小麦的干燥是必须解决的 问题，有关小麦干燥的研究得到了广泛的重视。由于喷动床固有的特点适合作为 粮食干燥器，因此，研究人员在小麦的干燥中试图应用喷动床作为干燥器，以发 挥其易于喷动、结构简单和操作方便的特点，从而实现小麦干燥经济和技术的指 标。本文研究小麦喷动干燥的意义也在于此。 1 2 2 麦芽的干燥 ( 1 ) 麦芽干燥的意义 根据国家轻工业局的统计，2 0 0 2 年我国啤酒产量2 2 8 9 万吨，比上一年增长 9 以上，位居世界第一。按吨酒粮耗0 2 吨，辅料与麦芽以3 ：7 计算，估计2 0 0 2 年麦芽的用量约3 0 0 万吨左右。分析中国的市场行情，啤酒的消费潜力巨大，对 麦芽仍将保持着旺盛的需求。 麦芽质量将直接影响酿造工艺和成品啤酒的质量。制取麦芽时将会产生多种 水解酶类，以便后续糖化，使大分子淀粉和蛋白质得以分解溶出。麦芽生产工艺 流程如图1 2 所示。麦芽只有经过干燥，使水分降至5 ( 湿基，后同此) 以下， 终止酶作用，除去生青味，才能产生特定的麦芽的色、香、味，达到啤酒生产的 要求。如果能够改进干燥工艺，对麦芽的生产将产生积极的影响。因此，本文将 麦芽干燥作为研究重点之一。试验所用洪源麦芽如图1 3 所示。 9 1 p o 第一章绪论 琢辩大麦一硬浸一授麦一澎大麦一一发芽 禽承3 幅l 空气 一绿麦芽- - 千m 一豫嘏一成晶麦芽 i 麦根、破皮 图1 2 制麦工艺流程 f i g 1 2s k e t c ho f m a k i n gm a l t 图1 3 洪源麦芽特写 f i g 1 3f e a t u r eo f h o n g y u a nm a l t ( 2 ) 传统麦芽干燥方法 传统麦芽干燥采用间接加热方式，用烧煤的烟道气通过热交换器加热空气进 入麦层，也可以用锅炉蒸汽加热空气送入麦层。以逐步升温方式，将麦芽干燥至 预定的水分。国内常见的干燥炉有双层和三层水平式干燥炉、单层高效干燥炉、 发芽干燥两用箱等。这些传统的麦芽干燥装备，大多数属于静态干燥，不仅干燥 时间长( 设计良好的干燥炉，干燥堆积厚0 5 m 的绿麦芽大约需要2 0 个小时) ， 设备占用面积也大，而且传热不均匀，影响总体质量，耗时耗能效率低。 ( 3 ) 麦芽干燥的创新 如果引进喷动床这种有特点的干燥设备，将会使麦芽干燥过程得到革新。运 用传统静态干燥方法，大约需要干燥2 0 小时。而根据预演试验估计，采用喷动 十燥，在麦芽质量相近的情况下，干燥时间可以缩短为8 小时左右。 麦芽干燥引进喷动床技术，在国内未见报导，在国外到目前为止也只检索到 一篇探讨麦芽喷动干燥机理的论文】本文研究麦芽喷动干燥工艺将是一种创 新，是对国内这一技术空白的填补。 1 3 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容有： 蛊，_ 。垒热 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 对喷动床干燥技术在国内外研究以及使用的情况进行综述。 ( 2 ) 设计制造喷动床干燥系统以及试验装置。 ( 3 ) 对小麦喷动床干燥工艺进行优化，考察空气流量、热空气温度和湿麦 装料量三个因素对小麦干燥热耗指标的影响。另外还探索喷动床应用于粮食干燥 的工业用途，指出喷动床放大的前景。， ( 4 ) 研究麦芽的喷动床干燥技术。如前所述，麦芽干燥引进喷动床技术， 具有现实的经济利益和创新价值。本文将结合麦芽厂麦芽干燥的实际经验，以及 喷动床干燥自身的特点，制定初步的麦芽喷动干燥工艺流程。在现有的仪器设备 条件下，进行了各种变温干燥试验。经过麦芽的感官特征、物理检验和化学检验 等的分析，对照麦芽质量标准，明确麦芽喷动床干燥的工艺条件，为进一步研究 提供基础。 ( 5 ) 在间歇式喷动干燥中，应用三种空气入口温度( 6 6 、7 8 、8 5 ) ，并以 这三种入口温度进行三次恒温干燥试验。运用这三次试验的数据建立麦芽干燥的 传热传质模型，最后对这个模型进行分析。 第二章喷动床干燥技术的发展 第二章喷动床干燥技术的发展 2 1 喷动床千燥技术原理 2 1 1 典型喷动床 经过近5 0 年的发展，喷动床已经具有许多种形式，但最典型的喷动床是柱 锥形喷动床。图1 1 是其示意图。喷动床主要是由圆柱主体，底部倒锥及入口喷 嘴三大部分组成。流体( 通常是气体) 由喷嘴垂直向上射入，当流体速率足够高 时，将穿透颗粒床层而在床层内产生一个近似的圆柱形通道称为喷射区( 或称喷 动区) 。当颗粒再升至高过床层表面某一高度时，颗粒便会像喷泉一样因重力而 回落到四周，形成喷泉区，并缓慢向下移动，进入环隙区( 或称环形区) 。物料 在环隙区缓慢向下运动直至床层底部倒锥区，最后又被卷吸入喷射区。这样周而 复始形成了颗粒有规律的内循环运动。这种循环运动不仅引起气流夹带颗粒加剧 了气流与颗粒间的热质交换达到了加速干燥的目的，而且喷射区与环隙区的互相 渗透也促进了颗粒自身间的碰撞混合，有效地避免了局部过热，使产品湿含量保 持一致，而更重要的是颗粒的再循环实现了颗粒与热空气在床层内有规律的间歇 接触。【1 2 j 【1 3 】 2 1 2 喷动状态的影响因素 在喷动床内，维持喷动状态需要一定范围的气流速度，而且，与床身的几何 尺寸以及物料的特性等因素有关。一般来说，喷动床适用于直径d = l 8 唧的颗粒 物料，而均匀的颗粒物料有利于喷动的稳定。当颗粒大小不均匀时，容易产生偏 析。进气口位鹭与进气口直径也会影响喷动稳定性。对于稳定的无脉动喷动床操 作，绝大多数物料要求喷动床锥底角y 要大于4 0 。，最常见的锥底角y = 6 0 。 2 。2 喷动床空气动力学特性 喷动现象在一定的气流速范围内得以实现，即喷动床有一定的操作范围，如 图2 1 定量描述了特定流体、物料及固定结构下的喷动床操作相图。【1 4 j 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 压力降l x p 。与最大压 力降l x p 。 在从固定床到形成喷动需要一个 较大的压差p m 使床层松动，这个压 差远远大于正常喷动时床层的操作 压降p i 。从固定床到喷动床的过渡 可用乐力降速度图描述。如图2 2 。 当气流速度从零开始增加时，首先在 喷射口形成射流区，颗粒在此区内循 环。增加气速，射流区随之扩展直到 e 毯 犍 略 长 表现气迷m # “ 图2 1 喷动床操作相图 f i g 2 1f l o wr e g i m em a po f s p o u t e db e d 穿透固定床层表面。相应的床层压降也从零增至最大。喷动形成后增加气速，压 降相反的随之下降，而在射流区逐渐形成稳定喷射区，床内形成了稳定的三区循 环流动后，压降便不再变化，这时的压降即称作喷动床操作压降p | 。在喷动床 干燥设备设计中，p - 决定了风机 需要的功率型号。 2 2 2 最大喷动床高h 。 当起始静止床层高于某一临 界高度时，无论如何调节气速都无 法形成喷动床，而是直接形成鼓泡 床或腾涌床。这一临晃床层高度就 是最大喷动床高也，它是设计喷动 床的一个重要参数，直接涉及到一 个喷动床所能处理的最大物料量。 2 2 3 最低喷动速度u 。 表西气造m - 图2 2 喷动床表现气速与床层压降的关系 f i g 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e dp r e s s u r e d r o pa n ds u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 小麦，d p _ 3 6 m m ，d ，= 1 5 2 m m d 。= 1 2 7 m m 。y = 6 0 x 3 ( 取自m a t h u r 和e s p e i n1 9 7 4 ) 在不同的起始床高下做实验，通过在喷动状态下逐渐降低流速直至喷射区塌 第二章喷动床干燥技术的发展 陷而得到的各个起始床高下最小喷动速度u 一( 注意：最小喷动速度是起始床高 的函数，区别于流化床) 。 最低喷动速度u _ 不仅和物料及流体的特性有关。还与喷动床设备的几何尺 寸有关。对于圆柱形床身，u 。随着物料高度h 的增加及圆柱直径d 。的减小而增 加，如图2 3 。 2 2 4 喷泉 喷泉高度h f 对干燥过程并无 多大影响，仅仅是影响喷动床的 几何尺寸。喷泉所占面积一般为 原始床层面积的6 ，而且受导向 管影响较大。 2 2 5 物料运动规律 l - i b m 图2 3 最低喷动速度 f i g 2 3t h em i n i m u mv e l o c i t y ( y = 8 5 。，d d d i = 6 空气小麦) ( 1 ) 喷动区内物料的运动规律 喷动区内物料垂直向上运动。根 一 据t h o r l e y 等人的力平衡原理，认为 ；1 6 零 颗粒的加速度仅来自上升气流的空气 毒1 j 嗣 动力，而减速度主要是由重力引起的。 藿0 g 在喷动区内颗粒的径向速度有明显的0 4 差别，在任何高度沿径向速度分布均 呈抛物线，如图2 4 。 f 2 ) 环形区内物料的运动规律 此区内存在着垂直向下的运动与 向着喷动区方向的径向运动。其运动 规律为： ， o 54 3 2lol2345 最轴蛙歪嵩r c m 幽2 4 喷动区内颗粒速度分布 f i g 2 4t h eg r a i n sv e l o c i t yd i s t r i b u t i n gi n s p o u tr e g i o n z e m ：l 一4 2 ：2 5 2 ：3 7 2 ：4 1 0 2 ：5 - 1 3 2 靠侧壁的物料下降速度仅略大于其它部分的下降速度，因而能 用它近似代表颗粒平均下降速度； 由于物料具有向着喷动区的横向速度，因而在圆柱部分物料下 江苏大学硕士学位论文 降速度减小： 试验表明，物料横向流动量近似为常数； 增加床层高度会同时增加物料循环量和物料横向流量； 确定床层高度，增加气流量会同时增加物料循环量和横向流动 量；， 确定气流量，增加进气口直径，只会增加物料横向流动量，对 于循环量影响甚微。 ( 3 ) 物料的循环量和混合 物料循环量的经验公式为：w = o 2 4 ( 吮( 秽 p ，”) )( k g s )此式表明 颗粒大小及密度对物料循环量影响甚小，如果喷动床直径与床高确定，主要影响 因素还是气流量。 ( 4 ) 循环时间e 。与停留时间8 由于喷动区停留时间极短，故只计入环形区的停留时间。计算所用到的经验 公式为：0 。= m b m 和es ，m b m ，。m b 为床层物料量，k g ；m 为床内物料质量循 环率，k g s ；i i l | 为喂入或排出床身的物料量，k g s 。 2 2 6 喷动床内的传递过程 与垂直的气力输送系统相比，喷动床存在进口效应和中心区域的剧烈扰动。 因此，任意引用其他微粒系统( 如垂直气力输送系统) 的关系式来估算喷动床的 7 t 体和颗粒问的传热系数将会导致错误的结论。实验表明，进入喷动床内的热量 主要是用于水分蒸发和提高物料温度，还有一部分热量由容器壁损耗。 气流与床层物料问的传质可能受外部条件控制，也可能受内部条件控制。喷 动床内干燥谷物时一般处于降速阶段，传质由内部条件( 即水分的内部扩散) 所 控制。不过，值得注意的是，由于麦芽的含水率远远高于一般谷物的含水率，所 以喷动床干燥对于一般谷物干燥的假设，即传质由内部条件水分的内部扩散 所控制的假设是不成立的。在本文第五章我们将进一步分析喷动床内的传递过 程，并假设麦芽干燥的阻力来自于一个独特的半透膜，这种理论和实际情况较为 相近。【川 第二章喷动床干燥技术的发展 2 3 喷动床与流化床的对比 2 3 1 相似处 喷动床技术作为流态化技术的一个新应用，保留了流化床的一些特点： ( 1 ) 都有明显的临界气流速，只有达到这个临界值，颗粒床层才分别开始 喷动和流化。 ( 2 ) 形成稳定流化或喷动床后，操作压降维持不变。 ( 3 ) 流化床如运作不当会将形成沟流、腾涌现象，而喷动床如操作不当会 使喷动床死床、鼓泡或腾涌。 ( 4 ) 作为化学反应器，在具有物料可流动性、相对均匀的温度分布以及较 好的传热特性等优点的同时，也存在气体短路、固体返回、颗粒扬析及磨损等缺 点。 2 3 2 不同处 喷动床作为一种新兴的装置，与普通的流化床相比在结构上的主要区别在于 各自的进气口。喷动床进气口直径大，数目少( 一般就一个) 。这个特点使得喷 动床比流化床拥有了无法比拟的优点： ( 1 ) 由于喷动区与环形区之间气流互有渗透，因而喷动区内物料问的磨擦 与碰撞比流化床内激烈，强化了传热与传质，颗粒混合更为均匀。虽然将会导致 喷动床中颗粒磨损严重，但是这个特性却有利于处理粘性强的物料和那些需要去 除表面层的物料。 ( 2 ) 操作压降比流化床低，气体与物料接触时间短，使得喷动床可以采用 比正常许可温度高的气体，故适用于处理热敏性物料。 ( 3 ) 适用于粗大颗粒( d ， l m m ) ，当然如果设计良好，最小颗粒直径也可 小至1 5 0 p i l l ： ( 4 ) 结构简单，无移动部件、无分布板等。床内流型重复性强，流动更简 单、更有规律。 江苏大学硕士学位论文 2 4 喷动床的缺陷及其改进 2 4 i 缺陷 ( 1 ) 气流量是由喷动要求而不是由传热性质要求确定的； ( 2 ) 最大压力降远大于操作压力降； ( 3 ) 喷动床几何尺寸受限，难以实现大型化； ( 4 ) 颗粒磨损严重。 2 4 2 改进 针对以上缺点，喷动床研究人员通过不懈的努力，进行了一些结构改进。主 要的一些改进如下： ( 1 ) 为了减轻喷射区和环形区之间的交互流动并增加床高以提高生产能力，在 传统喷动床内加设一个导向管，称为带导向管的喷动床( s p o u t e db e d sw i t h d r a f t - t u b e ) 。【1 6 】 1 7 1f 1 8 】设置了导向管后，不仅大大增加了床高，还使一些不易 喷动的物料实现了喷动( 如玉米) 。消除交互流动种更好的方法，是采用m i l n e 等人提出的内循环流化床( i n t e r n a l l yc i r c u l a t i n gf l u i d i z e d - b e d 或i c f b ) 。 1 9 j 此外，对导向管的形式也进行了改进，如渗透管式可以使颗粒在环形区停留更 长时问，而气体的流动却不改变。 ( 2 ) 为了提高对物料的处理能力，又不因增加床层高度而影响稳定，于是出现 了多喷头喷动床( m u l t i p l es p o u t e db e d s ) 。【2 0 】 2 1 - - 般的，这种喷动床是平底 的。 ( 3 ) 结合喷动床和流化床的优点，出现了喷动流化床( s p o u t e d - f l u i db e d ) ， 它不仅强化传热而且能有效防止死区。【2 2 2 3 1 ( 4 ) 结合喷动床和振动床的优点，出现了脉动喷动床( p u l s e ds p o u t e db e d ) 它的节能效果明显，适用于干燥粘性物料。【2 4 】 ( j ) 针对浆状物料、悬浮液和乳浊液物料，射流喷动床【2 5 】 2 6 1 ( j e t s p o u t e db e d 或j s b ) 和旋转射流式喷动床f 2 7 】( s w i r l - j e ts p o u t e db e dd r y e rw i t hp a r t i c l e s ) 是很好的选择。经过实践证明，他们对一些物料干燥的效果远比喷雾干燥要好得 第二章喷动床干燥技术的发展 多。 t ( 6 ) 由于一些特殊需要而提出的喷动床；长槽式喷动床i 蚓( s l o t r e c t a n g u l a r s p o u t e db e d ) 侧壁可做热源，压力降低，可以串联操作；半喷动床例 ( s e m i c y l i n d r i c a ls p o u t e db e d ) 挡板可做辅助热源，容易大型化，适用于粗 颗粒；锥形喷动床嗍【3 1 1 【3 2 1 ( c o n i c a ls p o u t e db e d ) 压降低可干燥粘性物料； 还有微波喷动干燥( m i c r o w a v es p o u t e db e d ) 等等。 ( 7 ) 新型喷动床如旋转喷口喷动床【3 3 】刚1 3 5 1 1 3 6 1 3 7 1 ( n o v e lr o t a t i n gj e ts p o u t e d b e d ) 。 更是有人提出了喷动床发展应该分为两个阶段：传统的和革新的。 3 s l 表2 1 列出了新一代喷动床干燥器相对传统喷动床在干燥小麦时所具有的不同特征。 表2 1 传统的与革新的喷动床干燥器的比较 t a b l e 2 1c o n v e n t i o n a la n di n n o v a t o r ys p o u t e db e d 传统喷动床新型喷动床 气体喷动 干燥颗粒物料 轴对称 整个床连续喷动 同定喷动 机械喷动( 开式螺旋输送器) 干燥浆料( 使用惰性载体) 二维 间歇喷动 移动喷动 2 5 喷动床模型的研究及其进展 喷动床是在二十世纪五十年代提出，但是关于喷动床模型的研究和报导却是 在二十世纪七十年代才逐渐出现。可见，对喷动床的研究有个逐渐认识的过程， 并力图上升到理论的高度。 喷动床一开始是作为谷物干燥机提出来的，因此在了解喷动床干燥模型之 前，有必要了解一下静态谷物干燥机和流化床干燥机的模型。 2 5 1 静态谷物干燥模型的研究和进展 所谓干燥模拟就是利用一系列的数学模型描述谷物的干燥过程，并通过计算 机求解过程方程，从而预测各种谷物干燥机的性能，确定最佳参数，为谷物干燥 机的设计和改进提供依据。因此，谷物干燥的数学模拟有两个任务。首先，要在 江苏大学硕士学位论文 建立模型过程中更加深入的理解谷物干燥的机理，并掌握热质交换的规律；其次， 利用数学模拟预测谷物干燥机的性能，如干燥效率、干燥时间、谷物含水率和温 度的变化规律等，分析各主要参数对干燥机性能的影响，从而改进谷物干燥机的 设计或改善谷物干燥系统的操作和管理方法。口9 】 4 0 i 4 t l 4 2 l 【4 3 lm l 4 5 1 4 6 1 4 7 1 【4 8 】【4 9 】 目前为止，静态谷物干燥模型主要分为两大类型：薄层干燥模型和深层干燥 模型( 从严格意义上来讲，半透膜理论也是深层干燥模型的一种) 一般来说， 在生产上使用的谷物干燥机都属于深层干燥，深层干燥模型分为平衡模型，偏微 分模型和对数模型三种。 5 0 i 2 5 2 流化床干燥模型的研究和进展 喷动床作为流化床的一个分支，不可避免的两者具有许多相同的地方( 参见 2 3 1 ) 。最重要的是，喷动床和流化床在作为干燥机时，一样是属于动态干燥， 而且，许多喷动床研究人员就是从流化床的研究中转换过来的，因此对于喷动床 的研究来说就和流化床的研究具有许多共同点，认识流化床干燥模型的研究和进 展对了解喷动床干燥模型的研究和进展非常重要。 由于是动态干燥，以及流化床特殊的结构，所以流化床中有许多重要现象， 如鼓泡和腾涌等，这些现象使得数学模型的描述带来难度，并使其放大发生困难。 从而，早期模型建立一般都局限于某一类型或某些现象进行数学描述。在众多流 化床研究者的努力下，以及计算机技术的迅速发展下，流化床模型的研究取得了 很大的成绩。以下就三个基本的流化床模型进行说明。 s t l l 5 2 】【5 3 1 ( 1 ) 无量纲模型 应用因次分析方法使得变量数减少从而可以简化试验，减少工作量，不过其 必要的前提是正确地列出有关的变量。试验之前进行的因次分析只是对物理方程 作形式上的处理，并不需要对试验过程机理有深刻的理解，所以这种方法得到了 广泛的应用。另一方面，无量纲模型只是由纯形式的处理得到的，并不有助于过 程本质的深入理解，还停留在经验基础上，所得无量纲数群的物理意义也不一定 明确。而且，由于无量纲数组仍较多。所以试验的工作量还是很大的。在表2 2 中列出了部分有代表性的应用无量纲模型做出的研究工作。 第二章喷动床干燥技术的发展 初始流化速度m l e v a 床层压降e r g u n ，s 传热levenspiel 射流高度 b a s o v 迁移填充床的空隙率 k n o w l t o n 非流化流动时固体通过孔口的流率r a u s c h 流化流动时固体通过孔口的流率 j o n e s d a v i d o n 斜立管中固体流率t r e e s 气泡体积m g u y e n l e u n g 临界湍流流化速度k e h o e d a v i d s o n 气泡速度和气泡相乳化相间气体交换系数c h a v a r i e g r a c e 床层膨胀 b l y a k h e rc t c 气泡云相对厚度i c o r c u t t 混合尺寸的粒子沉积速度 f a z e n z ( 2 ) 经典数学模型 当对研究对象有了一定的了解后，在研究对象所显示出的某些现象的基础 上，建立起符合这些现象的物理模型，从而推导出数学关系式。这种方法只能说 在某一些方面抓住了过程的本质，因而在局部上是比较合理的，但在研究对象所 没有表现出的方面来说很可能是不合理的。不过，这种方法贵在方便灵活，能大 幅度简化问题，模型方程较简洁，一般为代数方程或常微分方程，所以在流态化 的研究中占有重要地位。表2 3 列出了主要的一些经典模型。 ( 3 )多相流体力学模型 经典数学模型虽然简洁好用，但是在复杂的模型中对研究对象进行了过多的 假设和简化，使得物理模型忽略了许多重要的流体力学现象，从而与真实过程有 很大的偏差。多相流体力学模型就克服了这些弊病，它在应用三大守恒定律的基 础上再加上少量的较为合理的基本假设，这样模型就没有了“放大效应”。其求 解方法见图2 5 。 但是，多相流体力学模型也存在着一些问题。基本方程的推导还有些争议， 求颗粒相方程存在伪扩散现象，上机时内存占用量大，需用大量机时，特别是颗 9 2 o 9 8 8 5 2 2 l 5 7 4 4m蜥啪螂斯m|虽燃m拼研m研啪 江苏大学硕士学位论文 粒间相互作用很强时，不容易获得收敛解。 这三类模型，各有优缺点。但是随着计算机技术的发展，多相流体力学模型 会更加普及，将成为工程放大和优化设计操作的可靠理论依据。 表2 3 一些经典模型 t a b l e 2 3s o m et y p i c a lm o d e l s 2 5 3 喷动床干燥模型的研究和进展 在1 9 7 4 年，k b m a t h u r 和j c l i m 第一次将喷动床作为一种化学反应器进 行模型研究，揭开了喷动床模型研究的序幕。1 9 7 9 年，n p i c c i n i n i ，j r g r a c e 和k b m a t h u r 通过大量试验，将喷动床定义为一个绝热模型展开研究。g r o v e r o ， n e p s t e i n ，j r g r a c e 和c a s a l e g n o 等人利用气流的变化用不同的方 法进行模型研究，做出了空气动力学特性的描述。考虑热效应，b d h o o k ，h l i t t m a n 和m m m o r g a n 进行了一维模型的设计，而k j s m i t h ，y a r k u n 和h l i t t m a n 用喷动环形区的变化设计了二维模型。 1 9 9 0 年h a t t o i l ，m a t s u s e 和f u k u h a r a 建立了力平衡模型。1 9 9 2 年，g o r s h t e i n , a e 应用动力学模型对喷动床的性能进行预测。1 9 9 5 年，k a w a g u c h i 等人用数学模型 进行了二维模型和三维模型的比较。同年，西班牙的m o l a z a r 等人作了个锥形喷 动床的简化模型。1 9 9 9 年，m a m b o ，g 1 o v e r o 和g b a t d i 进行了气固流化床模型的 第二章喷动床干燥技术的发展 小结。2 0 0 2 年，泰国的1 1 l 彻i d 和s o i n c h a n 等人将模型推广到了连续式干燥的模型。 s 4 11 5 5 1 5 6 1 5 7 1 图2 5 多相流体力学模型的计算步骤 f i g 2 5c a l c u l a t i o n a lp m c so f m u l t i p h a s eh y d r o d y n a m i cm o d e l 2 6 试验用喷动床的设计计算 2 6 1 最大喷动高度h 。 根据m a r k 和l u 的经验方程2 1 ，计算得到最大喷动床高也为6 4 6 栅。 乙d c = 4 1 8 ( d 。也) “”( 阢d 。) 。”( 由”p 。2 ) ( 2 1 ) 式中：喷动床床身直径d c = 1 8 0 衄；进气口直径d 。= 2 5m m ；小麦颗粒球形系 数由= 0 9 ；颗粒密度( 去除水分后) p ，= 1 4 4 5k g f 。 江苏大学硕士学位论文 2 6 2 流态化时压力降ap | 先计算喷动床压力降，据方程2 2 ，得到p - = 3 7 3 1p a 。再根据p a l l a i 和n e m