（化学工程专业论文）脉冲式气流干燥器的操作和结构模拟优化研究.pdf

脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 播要 脉冲式气流干燥器作为一种新的高效干燥设备，在工业上已经得到了广泛的 应尉。但由于管内的传质和传热过程比较复杂，理论研究尚不够深入。为了最大 限度的发挥其优点，给设计和优化操作提供理论依据，本文对脉冲式气流干燥器 的操作条件与结构参数进行了模拟优化，准确地描述了单位能耗、压力降损失与 各参数之间的关系。 针对颗粒和空气在干燥管内的相互作用和传质传热机理，首先建立了脉冲式 气流干燥器的能耗数学模型，此模型由颗粒相动量方程、颗粒湿含量分布方程、 气体湿度分布方程、颗粒温度方程、气体温度方程、压力降变化方程、脉冲管管 径渐扩段与渐缩段方程、单位能耗方程等八个方程式组成，主要描述固定尺寸、 固定操作条件下的单位能耗、压力降损失与物料终湿含量，运用四阶龙格一库塔 法对其进行数值求解，模拟结果与实验结果吻合交好。 在能耗数学模型的基础上，以单位能耗为主目标函数，对现有的脉冲式气流 干燥器以空气预热温度、入口气速和固气比作为可变参数进行了模拟优化，得出 了物料终湿含量要求范围内的最佳操作参数，并作出了操作条件关系性能图。 将加速段、减速段高度及其管径比作为可变参数，建立了结构优化数学模型。 对干燥器进行结构优化，得出了物料终湿含量要求范围内，单位能耗值最低时的 最佳结构尺寸与操作条件，并得出了结构尺寸、操作条件与目标函数间的关系。 另外，本文对不同高度、不同脉冲管数的干燥器进行了结构优化模拟，并与 同一高度下的直管干燥器进行了比较，考察了干燥器高度与脉冲管数对单位能 耗、干燥效果的影响。 关键词：脉冲式气流干燥数学模型操作优化管径比结构优化 o p e r a t i o na n ds t r u c t u r eo p t i m i z a - i i o no f i m p u l s ep n e u 【a t i cd r y e rb ys i m u l a t i o n i m p u l s ed r y e ri sak i n do fh i 【g he f f i c i e n c yd r y i n ge q u i p m e n ta n dh a sm o r ea n d m o r ea p p l i c a t i o n si ni n d u s t r i e s s i n c et h ef l u i df l o ws t a n l si ss oc o m p l e xt h a tl i t t l e e f f o r th a sb e e na t t r i b u t e dt ot h er e s e a r c ho ft h em a s sa n dh e a tt r a n s f e ri ni t a si th a s m o r ea n dm o r ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，i ti si m p o r t a n tt os t u d ye f f e c t so fo p e r a t i n g c o n d i t i o n sa n ds t r u c t u r ep a r a r n e t e 巧t os p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o na n dd e v e l o pa c o m p r e h e n s i v em a t h e m a t i cm o d e lf o ri m p u l s ed r y i n gp r o c e s s b a s e d0 1 1t h em e c h a n i s mo fh e a ta n dm a s st r a n s f e r , am a t h e m a t i cm o d e lo f s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o nf o ri m p u l s ed r y e rh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h em o d e lf o r i m p u l s ed r y e ri n c l u d e se i g h td i f f e r e n te q u a t i o n s ，n a m e l yv e l o c i t y , m o i s t u r ec o n t e n t s a n dt e m p e r a t u r eo fp a r t i c l e s ，h u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r eo fa i r , p r e s s u r ed r o p ，t h e v a r i a t i o no fc r o s sa r e ao ft h es t r e a mi ni m p u l s ed r y i n g , a n ds p e c i f i c e n e r g y c o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e le q u a t i o n s ，t h ef o u r - o r d e r r u n g e - k u t t ai n t e g r a t i o nm e t h o dw a su s e dt os o l v et h e m c o m p a r e dt oe x p e r i m e n t a l d a t a ，t h em o d e lw e r ev e r i f i e df e a s i b l e t h em a t h e m a t i cm o d e lo fo p e r a t i o no p t i m i z a t i o nf o r i m p u l s ed r y e rw i t h m i n i m u ms p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o na so b j e c t i v ef u n c t i o nw a se s t a b l i s h e d as e r i e s o fo p e r a t i o nc o n d i t i o nf i g u r ea n do p t i m a ls i m u l a t i o np a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d e da i r p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，a i r - v e l o c i t ya n ds o l i d - g a sr a t i ow e r eo b t a i n e di nt h er e q u i r e r a n g eo f m o i s t u r ec o n t e n t so f p a r t i c l e s s e tt h eh e i g h to fa c c e l e r a t i n gs e c t i o na n dd e c e l e r a t i n gs e c t i o n ，r a t i oo f p i p e d i a m e t e ra sa l t e r a b l ep a r a m e t e r , t h em a t h e m a t i cm o d e lo fs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n w a se s t a b l i s h e d as e r i e so fs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n do p e r a t i o np a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e d ，a n dt h er e l a t i o n so fs t r u c t u r es i z e s ，o p e r a t i o nc o n d i t i o n sw i 1o b j e c t i v e f u n c t i o nw e r ef o u n d b e s i d e s ，d i f f e r e n th e i g h t sa n dd i f f e r e n td e c e l e r a t o r si m p u l s ed r y e r sw e r e s i m u l a t e dw i t hs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i cm o d e la n dw e r ec o m p a r e dw i t ht h e s a m eh e i g h tp n e u m a t i cd r y e r , r e l a t i o n so fd r y e rh e i g h t ，d e c e l e r a t o rn u m b e ra n d s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o nw e r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：i m p u l s ed r y i n g ，m a t l l e m a f i cm o d e l ，o p a r e t i o no p t i m i z a t i o n ， r a t i oo f p i p e - c f i a m e t e r , s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 青岛科技大学研究生学位论文 a 4 a p 既 g 符号说明 管口截面积，n 1 2 入管口截面积，m 2 颗粒垂直于气流方向的最大截面积，i l l 2 干燥每千克水能耗， 1 0 3 k j k g - 1 s 绝干物料的平均比热，k j k g 1 0 c 1 水的平均比热，k j k g 1 c 4 水蒸气的平均比热，k j k g - 1 o c - 1 湿气体的比热容，k j k f l 。f 1 干空气的比热容，k j k g - i 。c 。1 气体定压比热容，k j k g 1 0 c 。 管径，m 气体扩散系数 在干燥管微元体积内物料颗粒的表面积，2 颗粒粒径，m 气体对颗粒的浮力，n m - 3 g j g g 艮 勺 d 巩刎 砟 e 脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 屯 m g 上升气流对单位干燥管体积内颗粒的曳力，n m - 3 单位干燥管体积内颗粒的重力，n m 单位干燥管体积内颗粒与管壁间的摩擦力，n m 七 摩擦因子 重力加速度，m s 1 绝干物料的质量流率，k g s 1 绝干空气的质量流率，k g s 。1 格拉斯霍夫准数 对流传热系数，w ，m - 2 。c 一1 迭代步长 出口焓值，k j k g 1 含l k g 绝干物料中的湿料焓值，k j k g d 含l k g 绝干气中的湿料焓值，k j k g 1 减速段与加速段管径比 最大管径比 传质系数，k g m - 2 s 1 系数 渐扩段、渐缩段的倾斜角度修正系数 气体的摩尔质量，k g k m o l d 2 c 一 ，o q 哝毋 o l l 足 k 巧七 青岛科技大学研究生学位论文 m 努塞尔准数 饱和蒸气压，p a l 标准大气压，p a 普兰德准数 湿空气的压力，p a 供给物料的热流率，k j s 一 热损失，k j k g 固气比 0 。c 下湿分的气化潜热，k j k g 。c 1 雷诺准数 气体进入干燥器前的温度，。c 。 气体进入加热器前的温度，c 气体出干燥器后的温度，。c 颗粒温度，。c 气体温度，_ c 颗粒速度。m s 1 气体速度，m i $ 1 传质速率，k g m - 2 - c 1 s 1 物料的湿含量，k g 水k g 一绝干气 匕 r 阶 p g 吼r ， 鼬 0 脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 y w y z 希腊字母 口 口w p ； f g 彘 占 玑 r d 以 心 副 芦” 空气的饱和湿含量 空气的绝对湿度，k g 水k g 一绝干气 管长，m 渐扩段、渐缩段管壁夹角 水的活度因子 压损比系数 曳力系数 气流阻力系数 局部阻力系数 空隙率 湿空气中干空气的体积分数 电机效率 热效率 干燥效率 空气的导热系数，j m 1 s 。c 湿气体的粘度，p a s 干空气的粘度，p a s 水蒸气的粘度，p a s 4 青岛科技大学研究生学位论文 气固混相密度，k g m _ 3 湿物料的密度，k g m 3 湿空气的密度，k g 一 绝干物料的密度，k g m 3 湿空气的比容，m 3 湿空气k g _ 1 绝干空气 如 辟 岛 风 ， 脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 前言 干燥是许多工业生产的重要过程之一，不论是农业、食品、化工、陶瓷，还是 医院、矿业、造纸、木材加工等都离不开干燥技术，它直接影响到产品的性能、形 态、质量以及过程的能耗等。干燥能耗从4 ( 化学工业) 到3 5 ( 造纸工业) ， 其技术的覆盖面较广，既涉及复杂的热、质传递机理，又与物系的特性、处理规模 等密切相关，最后体现在各种不同的设备结构及工艺上。 气流干燥是使加热介质( 空气、惰性气体、燃气或其他热气体) 和待干燥固体 颗粒直接接触，并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，由于两相接触面积大，从而强 化了传热传质过程，在短时间内达到干燥目的。因其具有干燥时间短，处理量大， 适用性广，结构简单，制造方便等优点，被广泛应用于各个领域。 脉冲式气流干燥器是近年来研制成功的一种新型高效的气流干燥设备之一，它 为了充分利用物料在加速段所具有的高传热、传质效果，采用管径交替的缩小和扩 大，从而加大了固气间的相对速度和传热传质面积，强化了传热传质作用，增加了 物料干燥时间。由于气固相流体的复杂性，目前对于脉冲式气流干燥器的理论和实 验研究都非常少，相比其在工业上得到的广泛应用，理论研究明显滞后。 本文在对脉冲式气流干燥器的实验与模拟研究的基础上，建立了描述脉冲式气 流干燥过程能耗数学模型，进行了数值模拟，其模拟结果和相应的实验值吻合较好， 并以此模型为基础，对脉冲式气流干燥器的操作和结构优化进行了研究，分别建立 了操作与结构优化模型，得出了不同参数与目标函数间的关系以及最佳操作参数和 结构尺寸。 青岛科技大学研究生学位论文 第1 章绪论 1 1 千燥技术的特点、革新及未来趋势 1 1 1 千燥技术的特点 干燥通常是指利用热能使物料中的湿份汽化，并将产生的蒸汽排除的过程。 其本质为除去固相湿份，固相为被干燥的物料，气相为干燥介质。干燥【u 是最古 老的单元操作之一，广泛地运用于各行各业中，几乎涉及国民经济的每个部分。 同时干燥过程亦十分复杂，因为它同时涉及到热量、质量和动量传递过程，用数 学描述常存在困难性和无效性。在干燥技术的许多方面还存在“知其然而不知其 所以然”的状况。对这一过程研究尚不成熟，正如a s m u j u m d a r f 2 在他的著作前 言中所说的那样：干燥是科学、技术和艺术的一种混合物，至少在可以预见的将 来，干燥大概仍然如此。 面对众多的产业对于理化性质各不相同的物料、产品质量及其他方面干差万 别的要求，干燥发展成为了一门跨行业、跨学科、具有实验科学性质的技术。其 技术开发及应用中需要具备三个方面的知识和技术。第一是需要了解被干燥物料 的理化性质和产品的使用特点。第二是要熟悉传递工程的原理，即传质、传热、 流体力学和空气动力学等传递原理。第三要有实施的手段，即能够进行干燥流程、 主要设备、电气仪表控制等方面的工程设计。显然，这三方面的知识和技术不属 于一个学科领域。而在实践中，这三方面的知识和技术又缺不可。所以干燥技 术是一门跨行业、跨学科的技术。此外，种类繁多、各具用途也是干燥技术的一 个特点，每一种技术都有自己适宜应用的领域。在工程实践中，要根据具体情况 选择适用的干燥技术种类p 】。 1 1 2 - 干燥技术的革新 干燥是最古老的单元操作之一，然而它也是最复杂、人们了解最浅的技术， 在干燥技术的许多方面存在着“知其然而不知其所以然”韵状况，因此大多数干 燥器的设计仍然依赖于小规模试验及操作经验。随着全球经济、技术的竞争日趋 激烈，人们对有效利用能源、实现对环境友好的操作以及提高产品质量的意识在 逐步增强。干燥技术的发展，必须通过革新的方式，迸一步地进行开拓性研究， 以迎接时代的挑战。 脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 为了打入市场，革新必须有经济效益。对于干燥技术而言，刺激革新的因素 有以下几项： i 至今尚未生产或发明的新产品或过程。 i i 较现代技术有更高的产量。 i 、在质量与质量控制方面比现有的更好。 减少对环境的污染。 v 操作更安全。 效率更高( 导致成本降低) 。 成本降低( 总体上 。 在现代的工业生产中，尤其是在化工生产过程中，干燥是最常见和耗能最大 的单元操作之一，在过去相当长的时间里，人们对于这项技术一直没有给予足够 的重视，干燥技术发展很缓慢。二十世纪七十年代后，干燥理论、技术和实验研 究均获得了很大的进展。 ( 1 ) 干燥理论 r e a y 4 媲出：对一台干燥机的描述需要两个理论模型 一原料模型和设备模型。 原料模型独立于干燥机，用于描述物料的干燥特性。它不但与物料在干燥过程中 的物理性质改变有关，而且与干燥动力学、干燥平衡密切相关。设备模型用于描 述干燥机特性，它包含气相到物料的传递过程，干燥系统的流体动力学特征、固 体传递机理以及它们对干燥机设计的影响。 ( 2 ) 干燥技术 经过近3 0 年的发展，一些新的干燥技术【5 l 正展露头脚。其中有些已付诸工业 应用；有些还处于不同的研究和开发阶段，但已显示出重要的应用潜力。代表 技术有：适合淤泥状废料脱水干燥的c a r v e r 一6 r e e f i e l d 法、过热蒸汽、声波和 脉冲燃烧、纸张高强度干燥、撞击流干燥机、根据产品质量要求涂加非水溶剂或 聚合物的冷冻喷雾干燥、雾粒群在热表面上的冲击干燥、微波场中干燥雾粒群、 分散固体节能和减少热敏性物料损坏的间歇干燥等。预计今后相当长的时间内， 该过程仍为化学工程专业的研究热点之一，更新的干燥技术革新和干燥概念还会 不断涌现，并不断付诸应用。 ( 3 ) 实验技术 如果要分析湿物料的干燥机理，最简单的方法是记录样品在实验条件下的干 燥速率。新兴实验技术的出现拓展了人们的认识领域。例如： ( 1 ) 电子显微镜的应用使我们能够细查材料的结构，使人们更好地了解湿份在 物料中运动的机理。 ( 2 ) 热重分析将样本的湿度与其温降相关联，提供一个崭新的记录干燥过程的 青岛科技大学研究生学位论文 方法【6 】。 ( 3 ) 局部温度分析技术可记录受控温升( 温降) 过程中，样本温度与惰性参考 物料温度的差异，记录的曲线( d t a 线) 显示了干燥过程与能耗的关系【7 】。 ( 4 ) 核磁共振技术测量湿份中水分子质子层的自旋松驰时间。它可以用来判断 物料中的可除去结合水、自由水、不可除去结合水的比例【引。 1 1 3 干燥技术未来发展趋势 一般干燥技术的发展趋势仍将沿着实现：有效利用能源、提高产品质量及 产量、减少环境影响、安全操作、易于控制、一机多用等方向发展。 具体讲，干燥技术的未来发展将着重于： ( 1 ) 在直接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质。 ( 2 ) 大量使用间接加热( 传导) 方式。 ( 3 ) 采用组合式传热方式( 对流、传导与介电或热辐射的组合) 。 ( 4 ) 在特殊情况下，使用容积式加热( 微波或高频场) 。 ( 5 ) 组合使用不同类型的干燥器或常规干燥技术。 ( 6 ) 采用间断传热方式。 ( 7 ) 运用新型或更为有效的供热方法( 如脉冲燃烧，感应加热等) 。 ( 8 ) 运用新型气固接触技术( 如二维喷动床、旋转喷动床等) 。 ( 9 ) 设计灵活、多用途的干燥器。 ( 1 0 ) 使用模糊逻辑、神经网络、专家系统等实现过程的控制。 ( 1 1 ) 在线测量含湿量及产品质量等。 在众多产品方向中，亟待解决问题和未来的发展趋势主要有： ( 1 ) 采用新的供热方法及组合干燥方式近年来高频干燥、微波干燥、红外 线干燥以及组合干燥发展较快。根据物料的干燥特性和其他物理性质将不同的供 热方式有效组合可以达到比任何单一供热方式更好的效果 9 - 1 0 】。 ( 2 ) 不同类型干燥机的组合当物料的干燥特性允许或必要时，可采用两种 或两种以上的干燥机组合来适合生产多种多样的产品需要。 ( 3 ) 降低干燥过程中能量的消耗干燥操作是耗能很大的单元操作之一。如 何在满足工艺要求的前提下，降低能源利用是亟待解决的问题。 ( 4 ) 干燥设备的大型化、系列化和自动化干燥机的设计和放大在很大程度 上还只能靠经验，控制水平也有待提高。因此开发出能适用多种不同物料的通用 模型和能反映产品质量关系的模型将成为今后一段时间的研究重点。 ( 5 ) 干燥装备的机电一体化技术。如将c a d c a e c a m 技术、模糊逻辑、神 脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 经网络、专家系统等运用到干燥设备中。 1 2 气流干燥的特点及适用范围 1 2 1 气流干燥的特点 气流干燥也称“瞬间干燥”，是固体流态化中稀相输送在干燥方面的应用。该 法是使加热介质( 空气、惰性气体、燃气或其他热气体 和待干燥固体颗粒直接 接触，并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，因而两相接触面积大，强化了传热传 质过程，广泛应用于散状物料的干燥单元操作【n 】。气流干燥的特点有【1 】： ( 1 ) 气固两相间传热传质盼表面积大。固体颗粒在气流中高度分散呈悬浮状 态，由于采用较高气速( 2 0 - 一4 0 m s ) ，使得气固两相间的相对速度也较高，不仅 使气固两相具有较大的传热面积，而且体积传热系数也相当高。 ( 2 ) 热效率高、干燥时间短、处理量大。气流干燥采用两相并流操作，这样 可以使用高温的热介质进行干燥，且物料的湿含量愈大，干燥介质的温度可以愈 高。气流干燥的管长一般为1 0 2 0 m ，管内气速为2 0 - - 4 0 m s ，因此湿物料的干燥 时间仅0 5 也s ，所以物料的干燥时间很短。 ( 3 ) 气流干燥器结构简单、紧凑、体积小，生产能力大。由于气固两相并流， 有些物料的气流干燥进口处气固两相的温差可达4 0 0 5 0 0 0 c ，同时气流干燥的体 积传热系数值也很大，于是在所需求的热量值为某一定值时，气流干燥管体积必 定很小。气流干燥器结构简单，在整个气流干燥系统中，除通风机和加料器以外， 别无其他转动部件，设备投资费用较少。 ( 4 ) 操作方便。在气流干燥系统中，把干燥、粉碎、筛分、输送等单元过程 联合操作，流程简化并易于自动控制。 ( 5 ) 气流干燥的缺点。气流干燥系统的流动阻力降较大，一般为3 0 0 0 - 4 0 0 0 p a ， 必须选用高压或中压通风机，动力消耗较大。气流干燥所使用的气速高，流量大， 经常需要选用尺寸大的旋风分离器和袋式除尘器。气流干燥对于干燥载荷很敏 感，固体物料输送量过大时，气流输送就不能正常操作。 1 2 1 气流干燥的适用范围 ( 1 ) 物料状态气流干燥要求以粉末或颗粒状物料为主，其颗粒粒径一般在 0 5 - 4 ) 7 m m 以下，至多不超过l m m 。对于块状、膏糊状及泥状物料，应选用粉碎 机和分散器与气流干燥串联的流程，使湿物料同时进行干燥和粉碎，表面不断更 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 新，以利于干燥过程的连续进行，或者采用将一部分干燥合格的产品返回喂料口 与漫物料相混合，使湿膏状物料、泥状物料分散成粉状物料后进行气流干燥。 气流干燥中的高速气流易使物料破碎，故高速气流干燥不适用于需要保持完 整的结晶形状和结晶光泽的物料。极易粘附在干燥管的物料如钛白粉、粗制葡萄 糖等物料不宜采用气流干燥。如果物料粒度过小，或钧料本身有毒，很难进行气 固分离，也不宜采用气流干燥。 ( 2 ) 湿分和物料的结合状态气流干燥采用高温高速的气体作为干燥介质， 且气固两相间的接触时间很短。因此气流干燥仅适用子物料湿分进行表面蒸发的 恒速干燥过程i 待干燥物料中所含湿分应以润湿水、孔隙水或较粗管径的毛细管 水为主。此时，可获得湿分低达o 3 5 的干物料。对于吸附性或细胞质物料， 若采用气流干燥，一般只能干燥到含湿分2 e e 3 。 1 3 气流干燥器的分类 ( 1 ) 根据湿物料的加入方式【1 2 】，可分为： 直接加入型将湿物料直接从料槽中加入到热风管内。热风以3 0 4 0 m s 的速度在管中流动，热气流与物料相冲击，使物料分散。它适用于湿物料分散性 良好和只除去表面水分的场合，如干燥合成树脂、某些药品、有机化学产品、煤、 淀粉和面粉等。 带分散器型有些物料在高速热气流中不易分散，需在干燥管下面装一台 鼠笼式分散器打散物料。它适合于含水量较低、松散性尚好的块状物料，如离心 机、过滤机的滤饼，以及磷石膏、碳酸钙、氟硅酸钠、粘土、咖啡渣、污泥渣、 玉米渣等。 带粉碎机型指在气流干燥管下装有一台冲击式锤磨机用以粉碎湿物料， 减小粒径，增加物料表面积，强化干燥。因此，大量的水分在粉碎过程中得到蒸 发，在一般情况下，可完成汽化水分的8 嘴。这样，便于采用较高的进气温度， 以获得大的生产能力和高的传热效率，它适合予热敏性的物料。 ( 2 ) 根据干燥管的形式分为： 简单点管式 1 3 - 1 5 1 这是最早也是目前气流千燥串使用最广泛的一种，其结 构简单、制造容易。为了使物料在管内有较长时闻的停留，管道可高达2 0 m 以上； 或将其制成若于之字形，以降低高度来延长管道的长度：也可将管道制成螺旋形 ( 管长超过1 5 m ) 。称之为螺旋一蜗流气流干燥器，并可将管道收缩到地面。经研 究发现，热质传递最有效的长度是在进料口向上2 3 m 处，故又发展了管高仅4 娟m 的短管干燥器。后者在化工、建材某些物料表面水的蒸发上应用广泛。 脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 脉冲管式【l ，”，1 6 ，1 7 】气流干燥管的管径交替缩小和扩大，颗粒的运动速度 也交替地加速和减速，使得空气和颗粒间相对速度和传热面积均较大，从而强化 传热传质的速率。目前脉冲气流干燥器的型式有三种，直管扩缩型脉冲管、锥形 脉冲管和s 型脉冲管。其中直管扩缩型脉冲管是最先提出的，也是目前应用最广 的，它在扩大段与缩小段的接口处，有一较短的锥形管连接，以减小气体射流时 引起的边界区。而锥形脉冲管，它在某些工厂已有使用，但由于其扩大管与相邻 缩小管截面之比过小，不能充分发挥其效能。s 型脉冲管可在保持原干燥效果的 基础上大幅度降低干燥装置的总高。 倒锥式1 1 13 1 倒锥式气流干燥器采用气流干燥管直径逐渐增加的结构，因 此气速由下向上递减，不同粒度的颗粒分别在管内不同的高度悬浮。湿物料在干 燥过程中湿分逐渐除去变轻，物料即向上浮动，相互撞击直至粒度和干燥程度达 到要求时即被气流带出干燥管，这就增加了颗粒在管内的停留时间，降低气流干 燥管的高度。 套管式【1 1 套管式干燥器的干燥管不是简单的单层直管，而是内外套管组 成的，有单套和双套管之分。单套管的物料与气流同时由内管下部进入，颗粒在 内管作加速运动，到加速终了时，由内管顶端导入内外管的环隙内。在环隙内颗 粒以较小的速度运动，然后排出。采用这种干燥方式可以减小干燥管的高度和提 高热效率。 环形式【l 1 8 1 9 】环形干燥器最初开发于二十世纪4 0 年代，它可以提高气流 干燥器的效率并具有控制产品干燥度的良好性能。环形干燥器具有一个内部离心 分离器( 称为分流管) ，该分流管的内部挡板是可调节的，能够有选择地确定物 料的停留时间，可以使最轻的和晟细的物料只通过一次就成为产品，防止物料过 度干燥。、丽较粗较重的颗粒物料则需继续在气流管路系统中进行两次或三次循 环，直到成为合格产品为止。 喷动式【1 4 】在杯形脉冲管的底部，将下管口气固相速度提得更高一些，就 形成了喷动干燥器，在喷动管下部的周边喷入更高速度的气流，就是喷气式干燥 器了。它们的共同特点都是越往上气速越低，物料上下循环延时好，尤其是对颗 粒不太均匀的物料，可达到均匀干燥的目的。 旋风式f 岫o 】旋风式气流干燥器是利用流态化及管壁传热原理进行干燥的 一种设备。介质与物料切向进入干燥器内，沿内壁形成螺旋运动，且不断加速。 物料在介质中得以均匀分布与旋转扰动，粒子周围边界层处呈高度湍流状态，增 大了气固相的相对速度；旋转运动使粒子受到粉碎而分散，增大了传热面积，因 而强化了干燥过程。最后气流夹带物料由底部从中央管旋出。气固相从顶部或底 部切向旋入的下旋管干燥器和圆盘涡流干燥器均可视为旋风干燥器的变形。 青岛科技大学研究生学位论文 旋转气流式【1 1 2 0 】旋转气流快速干燥器由丹麦h n h y d r o 公司1 9 7 0 年首先研 制投入生产，它是流化床干燥和气流干燥的组合，且在一个干燥装置内实现。其 原理是预热的新鲜空气经气体分布器进入干燥室。热空气旋转向上流动，在下搅 拌器的共同作用下使滤饼( 或其他湿物料) 分散、流态化并干燥，形成粒状或粉 末状产品。通过分级器的筛选，颗粒粒度适宜、湿分合格的物料从干燥室出口由 气体携至气固分离器，收集成为产品。 m s t 旋风式【2 i 】m s t 旋风分离干燥器是中等停留时间旋风分离干燥器的简 称。该干燥器由立式圆筒和几个水平放置的环形挡板组成。环形挡板把圆管分隔 成几个相邻的小室。这就使粒度小和重量轻的固体颗粒随着热气体流动，在设备 中停留时间短，重的大的颗粒经反复分离和再分布，在设备中停留时间较长。这 样就使大小不一的固体颗粒成为干燥程度均匀的产品。 文丘里管式【2 2 0 3 】这是一种特殊结构的气流干燥器，适用于干燥热敏性的 粗细混合物料，湿物料先由热风带入安装在于燥室内的文丘里管，已干燥的物料 被带入旋风分离器进行分离卸料，而未干燥物料再循环回干燥室，再循环的次数 按对物料的质量要求来调节。气流干燥器是一个很好的能量转换器。低压而高速 的热风通过喉管把循环风和湿物料引入文丘里干燥管进行混合和干燥，而不需任 何机械运动部件。 以上各种干燥器各有其优缺点，适用于不同的物料、干燥工艺及生产规模。 1 4 气流干燥的基本原理刎 1 4 1 气流与颗粒的运动特性 ( 1 ) 单一颗粒的运动方程 单一颗粒在加速运动时，主要受到以下几种力的作用： i 上升气流对颗粒的作用力f s ，称为曳力，在数值上等于颗粒对上升气流 的阻力，但方向相反。 f s = 毒4 p p e 掣 ”1 ) i i 颗粒的重力 f g = v 以g ( 卜2 ) i i i 气流对颗粒的浮力 壁进茎皇堕王丝墨堕塑堡量箜塑堕垫垡些堑壅一 f h 2 v p g g 如此，颗粒所受的合力为： f m = f 。+ f b f g = 参a ，p 。! ! 旦。= ；i 芝+ v ( p 。一p ，) s 一般p ，”& ，可以认为p p - & “岛，于是 ( 卜3 ) ( 卜4 ) f m - 弘，& ；：墨二- v b g ( 1 5 ) 颗粒的加速度为： 。d 。t 。- a p 魏与竽一g ( 1 - 6 ) 对于球形颗粒，4 2 三昨2 ，_ 詈d ，3 砟，代入上式，得 ! 生：! 丝吆二生g ( 1 7 ) 一 x， d f 4 d p p p 。 为了便于积分，令d ，：k y ，d o p = d o ，代入上式并化筒，可得下列圆球形 在气流干燥管中运动的基本方程式： 兰丝挚：_ 4 9 p r p s d p 3 _ 毒r e ，( 1 - 8 ) 3 1 1 d t 3 p g 。 以上诸式中亭是颗粒与气流间的阻力系数，是r e 的函数，善与r e 关系如表1 所 表卜l 善与r e 关系 t a b l ei - ir e l a t i o nb e t w e e n 掌a n dr e ( 2 ) 颗粒运动方程中参数的变化 气流干燥的实际操作中，固体颗粒以粒子群的状态运动，由于颗粒间的相互 青岛科技大学研究生学位论文 作用、颗粒的形状不规则及大小的变化，所以需要对单个颗粒运动作一定的校正。 i 对粒子形状的校正 非球形粒子的直径可用球形粒子的当量直径表示。 当量直径是取物料粒度分布的中径。体积系数b v 值一般比球形的丌6 小得多。 i i 对粒予群的校正物料在进入干燥管时，颗粒的浓度很大，阻力系数f 也很大。善值约为单一球体的2 5 倍。粒子在加速后，由于在一般气流干燥中， 物料质量与气体质量之比很小，所以其浓度是很低的。因此，随着速度的增大， 掌值很快就接近单一球体的数值。 i i i 对颗粒直径和密度的校正在干燥过程中，颗粒的直径和密度随着颗 粒中的湿份蒸发而变化，在含水率较小时，变化不大。在含水率较大时。需作校 正。 对于非结合水有下列关系： p 一啪= ) 3 p ，( 1 - 9 ) 式中：d td 一干燥前后的粒子直径，m ； p p 。、p 。干燥前后的粒子密度，k g 一； i v 对气速的校正在干燥过程中，气体的温度逐渐下降，气体的体积因温 度下降而减小，因此，气体在气流干燥管内的速度也降低。在设计计算时，可进 行分段计算，可取上下两端的速度平均值为定值。 1 4 2 气流与颗粒间的传热 气流干燥的主要传热形式为对流传热( 即运动着的微团以内能形式携带着能 量，由一处移向另一处而进行热量传递的过程) 。在对流传热过程中，除了热量 的流动，还涉及到流体运动、水分迁移、温度场与速度场之间的相互作用等。这 些因素共同决定了气流干燥的干燥过程。因此，研究气流与颗粒间的传热，必须 注意以下问题： i 气流性质：如温度、密度、湿度、粘度、比热及导热系数等。 2 气体的流动状态：是层流还是湍流，是自然对流还是强制湍流。 3 颗粒的性质：如密度、大小、形状、粒度分布与气流的质量比等等。 4 设备因素：如几何形状、大小与位置等。 由于气流干燥通常是在湍流状态下进行，是一种复杂的传热过程，所涉及的 1 5 脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 因素极多，因此很难建立一个统一通用的公式来表达各种条件下的对流传热。目 前工程上一般根据实验来确定各种条件下的对流传热系数。常用方法是将众多物 理量组合成若干准数，然后用实验来确定这些准数间的关系，并建立不同情况下 的对流传热系数关联式。 f r o e s s li n g 1 5 1 根据球形颗粒在静止流体中的热传导及在流动流体中的对流 传热可以加和的特性，结合实验数据得到单个颗粒传热系数关联式： 强制对流传热 m ：警：2 o + k ，) ，：( p r ) 1 ，( 1 - i o ) 、 自流对流传热n u = 2 o + 墨( g ，) “4 “3( 1 - 1 1 ) 式中：墨一系数： 疗，一格枷斯震安准粒g 譬箬z 垃r =g r 一格拉斯霍夫准数，一p “； p r 普兰德准数，p r = ：! 奠： 血湿度差，。c ； 口一气体的体积膨胀系数； r a n z 与m a r s h a l l 口5 1 对毛细玻璃管滴下的液滴进行传热实验，得出下列传热 关系式： 空气一水体系： n u = 2 o + 0 5 4 r e “2( 卜1 2 ) 液滴在自然对流情况下的传热，r a n z 综合各组实验数据后可得下歹o 关联式： n u = 2 0 + 0 6 ( g r ) 17 4 f p r ) 1 7 3 ( 卜1 3 ) 在加速运动段，由于颗粒的浓度较大，所以不能使用单颗粒的传热系数关联 式。桐荣良三【2 日根据实验的结果，总结出了颗粒群在不同条件下r 的准数关联式： 4 0 0 r e 1 3 0 0 椭m = 0 9 5 x1 0 。r e 2 _ ” 3 0 r e 4 0 0 m 。= 0 7 6 r e “ 1 6 ( 1 - 1 4 ) ( 1 - 1 5 ) 青岛科技大学研究生学位论文 1 5 脉冲式气流干燥器 脉冲式气流干燥器的主要特征是气流干燥管的管径交替缩小和扩大，是本课 题的主要实验装置。 1 5 1 脉冲式气流干燥器的工艺流程 空气由鼓风机鼓入加热装置，经加热后直接或间接进入干燥管底侧面，湿物 料由螺旋加料器推入干燥管与热气流相遇，进行质量和热量的传递，水分逐渐除 去，物料得到干燥。尾气在旋风分离器中进行气固分离后，经抽风机将其排到大 气，而产品经旋风除尘器后排入贮槽。 1 5 2 脉冲式气流干燥器的基本原理 脉冲式气流干燥是对流干燥的一种。当湿物料与热空气接触时，干燥介质( 热 空气) 将热能传递至湿物料表面，由表面传递至物料的内部，这是一个热量传递 过程。与此同时，湿物料中的水分从物料内部以液态或气态扩散到物料表面，由 物料表面通过气膜扩散到热空气中去，这是一个传质过程。采用脉冲式气流干燥 管可以充分发挥加速段高的传热和传质作用，以强化干燥过程。加入的物料粒子 首先进入管径小的干燥管内，颗粒得到加速，当加速终了时，干燥管的管径突然 扩大，颗粒依惯性进入管径大的干燥管。颗粒在运动过程中，由于受到阻力而不 断减速，如此重复交替利用管径的缩小和扩大，使颗粒的运动速度也交替地加速 和减速，从而强化了传热传质的速率。同时，在大管径内气流速度的下降也相应 地增加了干燥时间。 1 5 3 脉冲式气流干燥器中的主要技术参数 1 干燥介质的温度 为了强化干燥过程和提高经济性，干燥介质温度应保持在允许的最高温度， 同时应考虑到物料本身的物性不受影响以及热源的供热能力。气体的出口温度尤 为重要：过高，干燥热效率低，且对加热设备材质要求过高；过低，则会在旋风 除尘器内和干燥管内析出冷凝水，影响干燥工艺的正常进行。通常，出口气体温 度比进口气体的露点温度高2 0 5 0 0 c 。通过调节进料量和气体入口温度进行严格 控制。 1 7 脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 2 气体速度 气体速度从气流输送角度考虑，只要超过最大颗粒的沉降速度即可。为了保 证操作的顺利进行，在气流干燥管中，气体速度可取最大颗粒沉降速度的2 倍， 或者比最大颗粒的沉降速度大3 m s 。若气体速度仍较低时，可选取2 0 m s 作为气 体速度。在气流干燥管的加速段，为了强化干燥和提高给热系数，气体速度可取 3 0m s 。由于在气流干燥过程中，气体温度在变化，它的物理性质也随着变化， 导致沉降速度的数值在不同部位不同，一般都用平均温度值作为计算值。 1 6 干燥过程数学模型 1 6 1 干燥过程模型化一般方法州 干燥过程是高能耗操作，包含多种物理化学现象，是热量、质量和动量交互 影响的复杂传递过程，但工业实施常以经验为主，具有相当的盲目性。为了更好 地掌握和分析这一复杂过程，在其开发、设计与控制等方面取得新进展，干燥过 程的数学模型与模拟已受到广泛重视。 干燥过程模拟是建立在表征干燥过程数学模型的基础上，通过计算机预测一 定操作条件下的物料行为，并完成实物实验难以进行的考察，从而确定最适宜的 操作模式与条件。r e a y 2 8 将干燥过程模型分为三种：以经验为基础的放大因子模 型；以实验模拟为基础的输入产出模型和以理论分析为基础的基本模型。后者 比前两者更可靠，其适用范围不受以往经验的限制，可以外推。 建立基本模型必须具有物料和干燥器的基础资料，即要建立物料模型和设备 模型，它们有如下关系，由图l - 1 表示。 图i - i 干燥过程基本模型 丘gi - ib a s i cm o d e lo f d r y i n gp r o c e s s 青岛科技大学研究生学位论文 干燥过程基本模型是以干燥物料表面与干燥介质间同时发生的动量、热量和 质量传递及干燥物料内部的传递为研究对象，具体模型化内容可用图卜2 表示【29 1 。 图1 - 2 传递通用模型 f i g l - 2g e n e r a lm o d e lo f t r a n s t e r 由于实际过程的复杂性，建模时须根据过程的实质作必要的简化与假设，以 便于模型求解，简化与假定的有效性需由实验验证。如对易干燥的多孔物料可忽 略内部扩散等等。 1 6 2 物料模型 干燥过程的物料模型就是用数学表达式描述物料的干燥特性。它与干燥动力 学及相平衡有关，也与物料的表面形状、结构及组成的变化有关。在理想情况下， 物料模型应独立于干燥器类型。其参数由少量的物料小规模实验确定。 物料模型的主要功用除计算任意颗粒湿含量、温度及任意气体温度、湿度及 气固相对速率下的干燥速率外，还可提供颗粒大小、密度和比热随湿含量与温度 变化的关系。 完整的物料模型应该包括下列内容：一定温度、湿度和气速条件下，少量物 料的多个间歇干燥曲线；根据以上数据，预测任意操作条件下的干燥速率；预测 一定温度和湿度下，吸湿性物料的平衡湿含量数据；计算颗粒尺寸、密度和比热 随湿含量降低产生的变化。 1 9 脉冲式气流干燥器的操作与结构模拟优化研究 1 6 3 设备模型 设备模型就是用数学表达式描述干燥器的流体力学、传热传质、压头损失、 能量消耗等性能，它要求物料模型提供有关干燥速率和颗粒特性的基础数据。若 建立设备模型所需的参数无法用理论计算，通常需由中间实验或现场测定及数据 外推获得。 设备模型应包括下列几项内容：流体流动特性，如气体速度分布与压降；颗 粒运动规律；热量质量传递规律及与设备设计变量有关的诸多关系式，如物料在 干燥器中的停留时间、曳力系数、摩擦系数、质热传递系数等。 这些内容彼此关联而不可分。如气流干燥过程中，气体温度沿