（环境工程专业论文）适合高湿高粘物料的干燥设备的研究与开发.pdf

适合高湿高粘物料的 干燥设备的研究与开发 s t u d y a n dd e v e l o p m e n to fd r y i n g s y s t e mf o rw a t e r i s ha n ds t i c k ym a t e r i a l 领 域：丕撞王摆 作者姓名：倪壹盐 指导导师：由世俊熬援 企业导师：至选直受宣虽 天津大学环境科学与工程学院 2 0 0 8 年2 月 中文摘要 近年来，随着化工、酿造、食品、医药等行业的发展，产品种类也随之增多， 生产规模越来越大，产生的固体废弃物也迅速增多，其中具有回收价值的高湿、 高粘性废渣的年产量更加可观，越来越多的工业废渣和生活垃圾对生态环境造成 极大污染。越来越严格的环境要求，迫使产生废弃物的企业设法对废弃物进行资 源化处理。目前任何单一干燥设备很难解决量大、高湿高粘物料的干燥处理。将 两种或两种以上的干燥主机联接起来，或者在机械方面增加某些特殊装置，使新 装置在干燥过程中，兼有不同型式干燥机的性能，达到原先任何单一干燥机不能 达到的干燥目的，是解决上述问题的最佳方案之一，组合干燥就这样应运而生。 打散转筒干燥机就是在普通转筒内部增加了一套破碎装置，使湿物料迅速破 碎成小颗粒，并使表面形成一层“硬壳”。它已经成功地应用于滤饼状物料的干燥， 本论文的研究目的是将其使用范围扩大，使其扩展到对高湿高粘的膏浆状物料的 干燥处理上。通过研究打散装置中破碎齿的结构参数和装置的运行参数对干燥过 程的影响，对其结构参数和运行参数进行了优化处理，有效地防止了颗粒再次结 团。为自动清理粘附在筒壁和抄板装置上的物料，我们还设计了链条、抄板组合扬 料装置，并比较了链条长度和抄板角度等不同的结构参数对转筒壁面清理及抄板 自清理的效果，获得了比较理想的结构参数，为以后的设计提供了强有力的依据。 流态化干燥技术对粉、粒状物料进行干燥时有其独到的优势，振动流化床正 是利用振动流态化原理进行物料的干燥，且适用范围比普通的流化床干燥机广， 能够很好地将粒级分布范围宽的物料成功地干燥，不会出现死床、流化死角引起 的着火等现象，况且振动流化床的流化速度要比普通的流化床要低，大大降低了 风机的压头和功耗。 所以，我们把打散转筒干燥机和振动流化床组合起来，是处理高湿高粘物料 的最佳组合干燥机之一。 关键词：干燥设备、打散转筒干燥机、振动流化床、高湿高粘 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fc h e m i c a li n d u s t r y , b r e w i n g ，f o o da n dm e d i c i n ee t c ，t h er a n g e o f p r o d u c t ，a sw e l la st h es c a l eo fp r o d u c t i o ni si n c r e a s i n g l yg r o w i n gi nr e c e n ty e a r s s o l i dw a s t ei sa l s or a p i d l yi n c r e a s i n gb e c a u s et h ea m o u n to fs l a gw i t hh i g hh u m i d i t y a n dh i g hv i s c o u sa n dw o r t hr e c y c l i n gh a sac o n s i d e r a b l ea n n u a lo u t p u t t h e r ea r em o r e a n dm o r ew a s t eb o t hf r o mi n d u s t r ya n dd a i l yl i f et h r e a t e n i n gt h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t h o w e v e r , a tp r e s e n t ，t h e r e sr i os i n g l ed r y i n ge q u i p m e n tw h i c hc o u l dd e a l w i t ht h el a r g ea m o u n to fm a t e r i a l sw i t hh i g hh u m i d i t ya n dh i g hv i s c o u s o n eo ft h eb e s t r e s o l u t i o n si st oc o m b i n et w oo rm o r ed r y i n gm a c h i n e so r , a d ds o m es p e c i a ld e v i c e m e c h a n i c a l l y a f t e rt h i s ，c o m b i n a t i o nd r y i n gc o m e so u t ，w h i c h ，i nf a c tc o m b i n e st h e q u a l i t yo fd i f f e r e n tt y p e so fd r y i n gd e v i c e sa n dd om o r ea n db e t t e rt h a ne a c ho ft h e m r o t a r yd r y e rw i t hs c a t t e ri so n et h a tac r u s h e ri sa d d e dw i t h i nac o m m o nr o t o rd r u m t h ew e tm a t e r i a l sa r er a p i d l yc r u s h e di n t os m a l lp a r t i c l e s ，t h e na ”h a r ds h e l l ”f o r m s o n t h es u r f a c e r o t a r yd r y e rw i t hs c a t t e rh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nd r y i n gt h e c a k e - l i k em a t e r i a l s t h ea i mf o rt h i st h e s i si sb r o a d e n i n gi t sr a n # i nu s et ot h ed r y i n g o fp a s t e l i k em a t e r i a l sw i t hh i g hh u m i d i t ya n dh i g hv i s c o u s i nr e s e a r c h i n gt h ee f f e c to f t h ed e v i c e so p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dt h ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r so fi t ss t i f fa p p l yt o s c a r e rd u r i n gt h ed r y i n gp r o c e s s ，t h e np r o m o t i n gt h e m ，t h ep a r t i c l e sa r ee f f e c t i v e l y p r e v e n t e dt og e tt o g e t h e r a g a i n ad e v i c ei sd e s i g n e dt oc o m b i n ec h a i nt os h e d d e rf o ri t t oa u t o - c l e a nt h em a t e r i a l sa d h e r e dt ot h ec y l i n d e ra n d s h e d d e 7 m o r e o v e r , a c c o r d i n gt o t h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n ta u t o c l e a n i n ge f f e c tu n d e rd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s s u c ha st h el e n g t ho fc h a i na n dt h ea n g l eo fs h e d d e r , w ea l s og o ts o m ei d e a lc o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r sw h i c hp l a c es t r o n gb a s i sf o rf u t u r ed e s i g n f lu i dd r y i n gt e c h n i q u eo w n si t su n i q u ea d v a n t a g ei nt h ed r y i n go fp o w d e ra n d p a r t i c l em a t e r i a l s v i b r a t e df l u i d i z e db e dj u s tt a k e sa d v a n t a g eo ff l u i d i z e de l e m e n t st o d r yt h em a t e r i a l s w i t haw i d e rr a n g et h a nac o m m o nd r y e r , i tc a ns u c c e s s f u l l yd r yt h e m a t e r i a l sr a n g e dw i d e l yw i t h o u tg e r i n gf i r ec a u s e db yb a df l u i d i z a t i o n o nt h eo t h e r h a n d ，w i t hal o w e rs p e e d ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dh e a dp r e s s u r ec a nb er e d u c e d i naw o r d ，t h ec o m b i n a t i o no f r o t a r yd r y e rw i t hs c a r e ra n dv i b r a t e df l u i d i z e db e di s c o n s i d e r e dt ob ew o r t hp o p u l a r i z e d k e yw o r d ：d r y i n ge q u i p m e n t ，r o t a r yd r y e rw i t hs c a t t e r , v i b r a t e df l u i d i z e db e d ， w a t e r i s ha n ds t i c k y 独创寸生声嗲； 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外。论文由不包禽其他入已经发表 三览撰写过的研究成果，也不包含为获得玉奎盔二鲎或其他教育机构的学位或证 一二孝而使用过的材料。与我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。 ：学位论文作者虢 啡签字嗍 如彦年 2 - - j 弓易日 学位论文版权使用授权书 ：本学位论文作者完全了解墨鲞蠢茎二苇关保留、使用学位论文的l j c 定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同薏学校 f ，0 雪家有关部门或机构送交论文的复印件和磁撰。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授葛：说巧) 学位论文作者签名：啡 签字f 二i 期：五哟年二月6 日 师魏嘣一 签字f 龊：，j 加8 年弘月，黟f 第一章绪论 1 1 干燥技术概述 1 1 1 干燥概要 第一章绪论 干燥是利用加热的方法脱除物料中水分或其他挥发成分的操作，涉及面很 广。随着生产的发展，对干燥技术、干燥装备的需求有了更高的要求。由于原有 工业基础较薄弱，产量小，大多数用电烘箱、蒸汽烘箱等干燥物料。为适应工农 业生产的需要，开展了对喷雾、气流、流化等干燥装置的开发以及对农产品、! 食 品、药品、生物制品等的干燥过程及装置的研究开发工作。干燥的目的是除去原 料、半成品中的水分或溶剂，就化学工业而言，干燥是为了使物料便于包装、运 输、储藏、加工和使用。 1 1 2 干燥技术的发展现状 干燥技术的应用，在我国具有十分悠久的历史，闻名于世的造纸术，就显示 了当初干燥技术的应用。在解放前，干燥技术的应用还是停留在手工作坊的阶段。 解放后，随着干燥技术应用需求不断地增加，干燥技术的应用发展得很快，并逐 步应用在工业上。有关干燥技术的研究工作也逐渐展开，随着工业现代化的进展， 作为化工单元的操作设备之一的干燥器也随着迅速发展起来瞳1 。 我国从1 9 7 5 年至今3 0 多年来，已经举办了1 0 次全国干燥会议，经过全国 学者和企业家们的共同研究和不懈努力，我国干燥事业取得了可观的进步1 。迄 今为止，常用的干燥设备，如气流干燥、喷雾干燥、流化床干燥、旋转闪蒸干燥、 回转圆筒干燥、红外干燥、微波干燥、冷冻干燥等设备，我国均能生产，并满足 市场需求，对一些比较新的干燥技术如冲击干燥、对撞流干燥、过热蒸汽干燥、 脉动燃烧干燥、热泵干燥等等，也都已经开发研究，有些已经投入工业化应用h 1 。 化学工业中的干燥方法有三类：机械除湿法、加热干燥法、化学除湿法。 机械除湿法，是用压榨机对湿物料加压，将其中一部分水分挤出，物料中除去的 水分量主要决定施加压力的大小。物料经机械除湿后仍保留很高的水分，一般为 ( 4 0 一- - 6 0 ) 左右。粒状物料或不许受压的物料可用离心机脱水，经过离心机除去 水分后，残留在物料中的水分为5 1 0 左右。其他，还有各种类型的过滤机， 第一章绪论 也是机械除湿法常用的设备。机械除湿法只能除去物料中部分自由水分，结合水 分仍残留在物料中。因此，物料经过机械除湿后含水量仍然较高，一般不能达到 化工工艺要求的较低的含水量。加热干燥法，是化学工业中常用的干燥方法，它 借助热能加热物料、气化物料中的水分。除去计l k g 的水分，需要消耗一定的热 量。例如用空气来干燥物料时，空气预先被加热送入干燥器，将热量传给物料， 同时气化物料中的水分，形成水蒸气，并随空气带出干燥器。物料经过加热干燥， 能够除去物料中的结合水分，达到化工工艺上所要求的含水量。化学除湿法，是 利用吸湿剂除去气体、液体和固体物料中少量的水分。由于吸湿剂的除湿能力有 限，仅用于除去物料中的微量水分，化工生产中应用极少陌1 。 化学工业中固体物料的干燥，一般是先用机械除湿法，除去物料中大量的非 结合水分，再用加热干燥法除去残留的部分水分( 包括非结合水分和结合水分) 。 近年来，人们生活水平提高了，对生活质量要求越来越高，整个社会对环境 的要求也越来越严格了，对于正在发展中的干燥技术的有所期待，全国学者们一 直认为以下几个方面是最重要的： ( 1 ) 干燥操作要保证产品的质量； ( 2 ) 干燥工程不能对环境造成污染； ( 3 ) 干燥系统一定要做到节能晦1 。 1 1 3 干燥技术的发展趋势 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， 所以有很多干燥器的设计仍然依赖于小型实验和实际经验的操作，尤其是要求适 用于新物料的干燥器。对于原来比较成熟的干燥器，人们也不断在原有的基础上 进行推进。对原有干燥技术的提高，主要把握以下几条原则： ( 1 ) 较现代干燥技术有更高的产量； ( 2 ) 在质量控制方面比原有的干燥技术突出； ( 3 ) 减少对生态环境的污染； ( 4 ) 操作更加安全、更； ( 5 ) 干燥效率更高； ( 6 ) 成本降低。 结合社会发展的需要，干燥技术的发展趋势将本着上述几个原则，着重朝以 下几个方面发展： ( 1 ) 在直接干燥的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； 2 第一章绪论 ( 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 ) 组合使用不同类型的干燥器或常规干燥技术； ( 5 ) 采用间断传热方式； ( 6 ) 运用新型或更为有效的供热方法( 如脉冲燃烧、感应加热等) ； ( 7 ) 运用新型气固结技术( 如二维喷动床、旋转喷动床等) ； ( 8 ) 设计灵活、多用途的干燥器p 1 。 1 2 国内外干燥设备 随着国民经济的发展，化工、酿造、食品、医药等行业产品的种类越来越多， 规模越来越大，给国家和企业带来巨大的经济效益和社会效益，在生产过程中产 生的固体废弃物也逐年增多。近几年，我国工业固体废弃物的产生量均在6 亿吨 年以上，其中具有回收价值的高湿粘性废渣的年产生量近亿吨。未经处理的工 厂废物废渣和生活垃圾如果简单露天堆放，不但占用土地、破坏景观，而且废物 中的有害成分通过刮风进行空气传播，经过下雨进入土壤、河流或地下水源，对 整个生态环境造成极大污染随】。 大量工业、生活废渣的产生，不仅对环境造成了巨大压力，而且也限制了地 区经济的发展和人民生活水平的进一步提高，其中有大量废渣可以通过现代干燥 技术使其成为可利用的饲料、肥料、工业原料、建材原料或燃料等，这些废弃物 多为滤饼状及膏状粘稠物料，我们迫切需要合适的处理设备与之相匹配。 目前国内外用于膏状、浆状、滤饼状物料干燥的干燥设备主要有旋转闪蒸干 燥机、载体流化床干燥机、搅拌型干燥机( 浆叶式干燥机、管束干燥机，圆盘干 燥机等) 、气流式喷雾干燥机、转筒干燥机一1 。对这些干燥设备的应用情况分述 如下。 1 2 1 旋转闪蒸干燥机 其特征是在设备内部设有一立式搅拌粉碎机构，在粉碎机和旋转气流的影响 下对物料进行粉碎和干燥。该机一般来说适用于不溶于水或其他溶剂且原始粒度 很小的物料形成的淤渣、膏、饼和半干燥粉末的连续干燥。其特点是干燥强度高， 布置紧凑，体积小，集干燥粉碎于一体，可以获得与物料原始粒度相当的粉末状 产品。缺点是系统阻力大，粉碎功率高，系统电耗较高。由于物料停留时间较短 ( 一般在0 1 0 秒左右) ，不适用于颗粒较大的物料的干燥；当物料中杂质较大、 较多时，容易出现卡死现象。目前最先进的机型是由a p va n h y d r o 公司于八十年 第一章绪论 代末发展起来的，其最大机型直径由1 6 m ，脱水能力在1 5 0 0 k g h 左右。我国于 九十年代初对国外设备消化吸收后形成了自己的系列产品，目前国内使用的最大 机型直径由1 8 m ，脱水能力在1 5 0 0 k g h 左右川。 1 2 2 载体流化床干燥机 原理是将惰性载体加入流化床内，膏浆状物料在载体表面分散后迅速干燥， 与处于流化状态的载体球粒之间相互接触、摩擦，使得干燥膜从其表面剥离，随 干燥介质进入收尘装置回收得到干燥成品。载体流化床干燥机的主要优点是物料 不必喷雾，便可以得到与料浆粒子直径相同的粉末产品，且热容量系数大，热效 率也较高。其主要缺点是动力消耗大，收尘要求高。因此很少用于低附加值物料 的处理上。近年来日本等国对载体流化床干燥机的研究和应用较多，主要用于微 米或亚微米浆料等的干燥上。日本大传原公司已形成系列产品，最大床层面积 1 5 m 2 ，脱水能力1 2 0 0 k g h 。国内大连理工大学，天津轻工学院等都对载体流化 床干燥机的干燥机理做了研究。我所于1 9 9 6 2 0 0 0 年间对带搅拌装置的载体流化 床干燥机进行了工业规模装置的研制，并形成了系列产品，最大床层面积2 m 2 ， 脱水能力达8 0 0 k g h ，目前已用于农药、亚硝酸钠等产品的干燥上，规模在 5 0 0 0 t a 以下。 1 2 3 搅拌型干燥机 该型干燥机的共同特征是采用不同形式的结构搅拌物料，加热介质一般为低 压蒸汽、导热油、热水，通过搅拌装置的内部通道将热量传递给物料。主要机型 有浆叶式干燥机、圆盘式干燥机、管束式干燥机等，其主要特点是热利用率高， 气体用量少，节省设备投资。近来国内外由发展出一种热风式槽型浆叶式干燥机， 用热风直接接触物料加热，可以处理含湿量较高的物料。然而，以上机型在处理 高含湿量和粘性大的膏、浆状物料是容易在传热表面或壁面形成附着层，很大程 度上降低了传热效率，当物料有较大粘性时搅拌装置操作十分困难，甚至不能工 作。解决的办法是将干料返回与湿料混合，降低湿料水分和粘性，但此举增加了 干燥的能耗。目前日本奈良株式会社已能生产6 0 m 2 的浆叶式干燥机，脱水能力 2 0 0 0 k g h ，国内实用的最大机型为4 0 m 2 ，脱水能力达1 2 0 0 k g h ，管束式干燥机 的传热面积最大为9 0 0 8 2 左右，当用于啤酒糟干燥时脱水能力为2 8 0 0 4 0 0 0k g h 。 4 第一章绪论 1 2 4 喷雾干燥机 其原理是将溶液、乳浊液、悬浊液或浆料在热风中喷雾成细小的液滴，在它 下落的过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品。三流体或四流体气流 式喷嘴能够雾化成比较粘稠的液体或半膏状物料，固含量可达4 0 5 0 9 6 ( 如啤酒 酵母) ，国外报道可见处理粘度达2 0 0 0 0 c p 物料的装置。国内也有处理1 0 0 0 0 c p 物料报道，但是在一般工业应用中离心式和压力式喷雾干燥机只能处理5 0 0 c p 以 下的溶液和悬浊液。气流式喷雾也在5 0 0 0 c p 以下。对于粘性很大的膏状物、滤 饼状物料等需加水稀释到合适的水分，因此浪费了能源。喷雾干燥的处理量可以 达l o t h 以上，然而对物料的杂质含量，粒度要求很高，而且设备投资较高，对 于处理低附加值的工业废弃物来说不是理想的选择。 1 2 5 转筒干燥机 转筒干燥机是一个与水平线略呈倾斜的旋转圆筒，物料从高端加入，载热体 从( 高端) 低端加入，与物料成( 并流) 逆流接触，随着圆筒的转动，物料受重 力作用从高端运行到低端，湿物料在转筒内前行的过程中直接与载热体进行热量 交换，湿物料得以干燥。 在转筒干燥机的内壁上，装有抄板，它的作用是把物料抄起来又洒下，增大 物料与气流的接触面积，提高干燥速率并促进物料前进。普通结构形式的抄板对 干燥块状或粗粒状的物料是能够满足的，但物料有粘性时最好采用直型板而少用 弧型抄板，以防止物料过多的粘附在抄板上。近些年来，国外对活动结构的抄板 的研究和使用逐渐增多，而且已取得了很好的效果。例如日本和法国等就采用一 种能够活动的羽状抄板，这种抄板能够搅动料层且击碎料团，并且还能相互清理： 美国采用一种环状扇形挡板，这种挡板既能纵向安装作扬料板用，又能横向安装 作挡板用，既增加物料停留时间，又提高填充系数”。以上改进主要是从提高干 燥效率和产品质量方面进行的。日本o k a w a r a 公司开发的高湿物料干燥机 ( s i u d g ed r y e r ) ，在普通转筒干燥机内部增加了一种搅拌破碎装置，将含水高 达8 2 的膏状物或滤饼加入，可直接干燥成成品。该型干燥机是比较理想的大规 模处理膏奖状物料的设备，尤其适合于处理各种工业，生活废弃物的设备。目前 该公司已形成了系列产品，脱水能力达5 0 0 0k g h ，热源为燃油炉。国内普通转 筒干燥机主要用于矿山、化肥等行业，用于矿山、煤、化肥等大容量、低水分的 松散物料的干燥处理。少数几家公司生产的内置破碎装置的干燥机，用于干燥鸡 粪、酒糟。 第一章绪论 1 3 高湿高粘物料干燥处理工艺的综述 市场调查和大量的文献检索表明，社会的发展对环境的要求与日俱增，国内 外对此类设备的研究也不断深入。国内尚无生产专门用于高湿高粘性物料干燥脱 6 第一章绪论 水的大容量干燥装置，国外干燥这类废弃物最成功的设备为瑞士苏尔寿公司的低 温流化床技术，因为各种原因，在国内也很难推广。因此，开发出一种适合于中 国国情的、处理量大的、系统热效率高的适合于高湿高粘性的滤饼状和膏、浆状 物料干燥的设备成为当务之急。在单一干燥机不能解决高湿高粘物料干燥的情况 下，我们试想如果把几种干燥器组合在一起，针对物料不同水分、不同特性的情 况，分段对物料进行脱水，避开物料在某温度段容易粘壁、成团等不良现象，这 就是组合干燥。组合干燥是近二十年发展起来的较新的技术，组合干燥是将两种 或两种以上的干燥主机联接起来，或者在机械方面增加特殊装置，使新装置在干 燥过程中，兼有不同型式干燥器的性能，达到原先任何单一干燥器不能达到的干 燥目的，从而达到干燥某些特定物料的目的。目前组合干燥机有气流一卧式多室 流化床干燥机、气流锥形流化床干燥机、喷雾一流化干燥机、喷雾一气流干燥机、 流化一移动床干燥机、喷雾一带式干燥机、粉碎气流一流化床干燥机等。 1 4 本文主要的研究内容 针对高湿高粘物料的特性，利用单一的干燥机不能达到很好的处理效果。：综 合各单一干燥器的特点及其实际应用分析，首先选择打散转筒一振动流化床组合 干燥机对高湿、高粘物料进行干燥试验研究。究其分析原因如下： ( 1 ) 打散转筒干燥机适用于滤饼状物料的干燥，该机在处理滤饼状物料方 面有独特的优势，能够将滤饼状物料干燥成粉状物料，而且已经成功地应用在许 多工程上。由于种种原因，筒体不宜过长，导致了物料停留时间受限，不适用于 物料的深度干燥。单机的处理能力有限。鉴于打散转筒干燥机已经成功地应用于 滤饼状物料的干燥，在此试图将其适用范围进一步扩大，使其扩展到高湿高粘的 膏浆状物料的干燥处理上。打散转筒干燥机通常采用顺流的干燥方式来处理物 料。顺流是指干燥介质( 高温烟气) 与物料在设备内部沿着同一方向向出料口( 出 风口) 方向运动，由于进口的高温烟气开始是与高湿的物料表面接触的，物料基 本上处于湿球温度以下，后续干燥过程中，烟气温度将逐渐降低。相对逆流的干 燥方式而言，顺流的干燥方式更有利于保证产品的质量，不会超温糊化。本论文 所涉及的物料中，大部分属于有机物，高温时易变性，所以，本论文的研究侧重 于顺流干燥方式。 ( 2 ) 由于高温热烟气和高湿的物料直接接触，转筒干燥机内的蒸发强度非 常大，而且物料温度始终在湿球温度以下，物料沿干燥机轴线方向上不断被转筒 内的抄板抛起，下落的过程中被破碎装置击打，逐渐由团块变成细小颗粒状，因 此，能够将滤饼状物料干燥成粉状物料。然而，对于已经成粉状或无法进一步破 7 第一章绪论 碎的物料，粉碎装置则无法发挥其优势，反而造成不必要的能量消耗。而流态化 干燥技术在对粉粒状物料进行干燥时有其独到的优势，振动流化床正是利用振动 流态化原理进行物料的干燥，且适用范围比普通的流化床干燥机大，能够很好地 将粒级分布范围宽的物料成功地干燥，不会出现死床现象，不会出现流化死角引 起的着火现象，况且振动流化床的流化速度要比普通的流化床干燥机要低，大大 降低了风机的压头和功耗。 因此，对于本论文所涉及到的高湿、高粘性的膏浆状物料的干燥处理，带自 清理结构的回转圆筒干燥机与振动流化床干燥机冷却机组合在一起是最佳组 合。首先利用带自清理结构的打散转筒干燥机将物料当中大量的水和粘性脱除变 成颗粒状和粉状，再利用振动流化床干燥机将颗粒状和粉状的物料进一步深度干 燥，处理到符合要求的水分和料温。带自清理结构的打散转筒干燥机作为第j 级 干燥，振动流化床干燥机作为第二级干燥，第一级干燥的尾气进入振动流化床干 燥机进一步和一级干燥机出来的物料进行传热和传质，使物料脱水到要求的水 分。利用第一级尾气中的余热将物料中的水分继续脱除，使系统的热耗大大降低， 提高了热效率。所以，本文从优化干燥设备结构参数和系统运行出发，来研究两 者之间的结合和适 第二章干燥技术理论基础 第二章干燥技术理论基础 2 1 湿物料水分存在的状态 根据前述水分和物料结合的方式可将其中的水分分为吸附结合水、毛细管 水、渗透压结合水、化学结合水以及机械物理结合水等多种类型，自然各部分 水的性质也就因结合方式而异。但实际上，物料里的水分其结合方式很难准确 确定，所以在干燥中就有必要利用吸附等温线及解吸等温曲线图对物料中的水 分按性质重新进行区分，或按状态的变化给予图示。 在解吸平衡水分图上，按物料中水的性质( 实际指水分与物料结合力的状 况) 一般仅把这部分水分为结合水与非结合水两类。这里的结合水其实就是包 括了我们前面所提到的吸附结合水、渗透压结合水以及毛细管水，它们与物料 的结合力较强；而所划分的非结合水也其实就是物料较大孔隙中的水和它粘附 的水分，这些水分与物料属于机械结合，结合力较弱，在干燥中极易除去。结 合水和非结合水虽然很难用实验方法直接测定，但根据它们的特点，却可以在 等温平衡湿度图上很简明地表示出来，见图2 1 。把图中的平衡曲线延长( 曲线 的虚线部分) 与- - 1 0 0 的直线相交，在交点以下的物料水分即为物料的结合水 分。因为此种水分所产生的蒸汽压与妒 p 燕，就要产生蒸发过程( 解吸作用) ； ( 2 ) 当p 钧 p 蒸的条件，那么就产生吸 附作用；相反，如果降低9 值，造成p 物 解吸时空气9 。 ，) 图2 - 4 淀粉的吸附与解吸等温线 有关吸附滞后现象迄今还没有个合理圆满的解释，。较为认同的看法是： 农产品和食品大多为毛细管多孔体，在干燥过程中随着毛细管水的脱出，空气 进入了毛细管内，且被吸附在管壁之上。当干燥物发生吸湿时，要发生不完全 的润湿作用( c o s 8 1 ，8 为接触角) ，而为了克服空气的阻力，就必须增加蒸汽 分压，即增加相对湿度9 。 如果滞后回线具有很明显的特征，那么滞后现象就有一定的实际应用意义。 例如，由图线可以看出，在某一空气相对湿度够下吸平 处温度曲线 图2 9 两种物料温度曲线 2 1 第二章干燥技术理论基础 2 4 干燥过程分析 2 4 1 恒速干燥阶段 此阶段的干燥速率如图2 7 中影段所示的那样是恒定的。由前述物料所含 水分的介绍可知，不论物料中非结合水其数量如何，此时物料表面的状况与温 球温度计很温润的纱布表面状况很相似，气体与物料的接触也相当于大量热空 气与少量水的接触一样，经过短时间之后，物料的表面温度即等于空气的湿球 温度，且维持不变。而当温球温度厶。为定值时，物料表面处空气的饱和湿度 h w 也为定值。于是按照湿球温度计湿纱布与空气间的传热、传质速率公式： 三= h 。( n t u h ) ( 6 ) s d r ”、一 瓦d q = 口( f - t w ) ( 7 ) 就不难看出，在恒定空气条件下所进行的干燥，由于丘、尼以及( 届一仂、( 右) 均为恒值，湿物料的传热速率和传质速率就一定保持恒速不变。由于试样在刚 移入干燥介质中时的初始温度一般不会恰好等于空气的湿球温度，所以干燥曲 线和速率曲线上表现为有一不长的预热阶段。 需要指出，在整个恒速干燥阶段中，要求物料内部的水分向其表面转移的 速率能够与水分从物料表面汽化的速率相适应，借以使物料表面能始终维持润 湿状态。一般来说此阶段被汽化的水分为非结合水，与从自由液面的蒸发汽化 无异。显然恒速干燥阶段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率，：亦 即取决于物料外部的干燥条件，故又被称为表面汽化控制。当干燥速率为表面 汽化所控制时，强化干燥操作时就必须集中在去改善外部传递的因素。在常压 热风干燥情况下，因物料表面保持润湿，物料表面温度可近似认为是空气湿球 温度，水分的汽化也可认为是近似于纯水表面的汽化，因此这时提高空气温度、 降低空气湿度、改善空气与物料之间的接触和流动状况都将有利于提高干燥速 率。 2 。4 2 降速干燥阶段 干燥过程中，当物料的含水量降至临界含水量疋以后，便转入降速干燥阶 段。在此阶段中，干燥速率的变化规律已与物料性质及内部结构有关，总的表 现为水分自物料内部向表面转移的速率低于物料表面向空气的汽化速率，蒸发 已由表面汽化控制转变成内部扩散控制。降速的原因大致是因为：物料表面逐 第二章干燥技术理论基础 渐变干、汽化面逐渐向物料内部移动，使得物料内部传热、传质途径加长( 其 影响表现在于燥曲线上为d e 段，也称第二干燥阶段) ；另外此时物料中的非结 合水已基本除尽，当汽化各种结合水时，平衡蒸汽压将逐渐下降，使传质推动 力减小；对非多孔性物料( 如肥皂、木材、皮革等) 汽化表面只能是物体外表 面，它不可能内移，当表面水分去除之后，干燥速率就取决于物料内部水分的 扩散，而内扩散是个速度极慢的过程，且扩散速度还要随含水量的减少而不断 下降。因此，随着物料内部含水量的减少，其温度会不断上升，干燥速率也就 越来越低。正因为降速干燥阶段干燥速率的大小主要取决于物料本身的结构、 形状和尺寸，而与外部的干燥条件关系不大，故此阶段相对恒速干燥阶段又被 称为物料内部迁移控制阶段。 降速干燥阶段的干燥速率曲线的形状亦会随物料内部结构的不同而异( 可 参见图2 8 ) 。第一类是图中直线1 所表示的干燥速度曲线，具有粗孔隙的物料 如纸张、纸板的干燥属于此；第二类为曲线2 所示干燥速度曲线，遵循它的物 料有织物、皮革等；曲线3 代表的第三类有陶质物料，以上三类干燥速度曲线 虽然在降速干燥阶段形态完全不同，但曲线上均仅有_ 个临界点彤。结构复杂 的物料其干燥速度曲线在降速阶段也相应更复杂，图2 8 中的曲线4 、5 、6 分 别为谷物、面包、泥土的干燥速度曲线，这些曲线均具有两个临界点k 1 和k 2 ， 临界点k 1 和k 2 之间称为第一降速阶段，彤点之后则称为第二降速阶段。第二临 界点即相当于水分在物料内部传递机理发生变化的转折点，就大多数物料而言， 此点即为排除吸附水分的开始，而在此之前主要是排除微毛细管水分。出现第 二临界点的原因有如下解释：第一降速阶段是属于物料在干燥中开始形成干外 皮，直至干外皮全部形成过程的阶段。一旦干外皮完全形成之后，汽化表面即 要全部向物料内部转移，水分汽化就要在物料内部进行j 这便为第二降速阶段。 在第二降速阶段，随着汽化表面逐步深入内层，干燥速度将迅速下降，直到物 料达到平衡湿度，干燥速度即为零。 在农产品和食品干燥加工中，物料降速干燥最为常见，例如新鲜水果、蔬 菜、肉、鱼等的加工制品以及果胶、明胶、酪蛋白等一类胶体性物质均是以降 速干燥为主。由于降速干燥阶段的干燥属于水分的内部扩散控制，所以欲强化 此种状态下的干燥就必须着眼于改善内部水分扩散的影响因素才行。 由以上介绍可知，物料的干燥速度曲线的形态与物料结构有着密切的关系， 为此一些学者就试图对物料按干燥速度曲线形式进行适当的分类，通常是将物 料分成多孔性和无孔性两类，但实际上绝大多数物料是介于它们两者间；也有 将物料按吸湿性又分成吸水物料和不吸水物料；但结果均因为物料结构十分复 杂、不同物料干燥机理不同，所以干燥曲线还是需要由实验确定。 第二章干燥技术理论基础 2 5 其他影响因素 2 5 1 临界含水量( 临界湿度) 如前所述，我们把固体物料由恒速干燥阶段即将进入降速干燥阶段时的临 界点含水量称为临界含水量石，临界点的出现表明结合水与非结合水的界限， 表明表面汽化控制向内部扩散控制的转变，若临界含水量石愈大，便会使干燥 较早地转入降速阶段，使干燥需要的时间愈长。确定临界含水量的值，不仅对 干燥速率和干燥时间的计算十分必要，而且由于影响两个干燥阶段速率的因素 不同，所以确定) ( o 值对于如何强化具体的干燥过程也有重要意义。 表2 3 不同物料的临界湿度范围 临界含水量随物料的性质、结构和厚度、分散度的不同而异，例如：无孔 吸水物料的石值比多孔物料的大；在一定干燥条件下，物料层越厚，石值也越 大。了解和掌握影响石值的因素，就便于我们去控制干燥操作，例如，生产中 所见减少料层厚度、加强搅拌翻动的操作，就是为了增大干燥面积，降低石的 值，翻动均匀的物料和静置的物料相比，其临界湿度可能大为降低。物料的临 界含水量通常由实验测定，也可查有关手册获得，表2 3 表示的是一些不同性 质物料的临界湿度情况，可予以参考。 2 5 2 操作方法对物料性状的影响 由于在恒速干燥阶段中，物料的表面温度维持在空气的湿球温度，因此， 即使在高温下易变质、“破坏的物料( 如食品、药物和塑料) 也可以允许在恒速 干燥阶段采用较高的气流温度进行干燥，以提高干燥速率和热利用率，但在降 速阶段，因物料温度将要逐渐升高，故在此阶段须注意防止物料温度过高。 2 4 第二章干燥技术理论基础 物料的性状可能会在干燥中因脱水而发生种种物理、化学以至生物化学的 变化，如木材干燥中的收缩、变形、开裂就是一种很典型的表现。干燥如果速 率过快，也会在物料表面结成硬壳，使内部的水分无法逸出，干燥难以继续进 行。为避免干燥产生物料开裂、起皱、表面结壳等不良现象，常需要对降速干 燥阶段的干燥条件严格加以控制，通常采用减缓干燥速度，使物料内部水分分 布比较均匀等措施加。 第三章实验研究 3 1 实验对象 第三章实验研究 本文的研究对象是高湿、高粘物料，其特点： ( 1 ) 粘性膏、浆状物料一般流动性很差，粘附性极强，干燥过程中不易分 散，容易在粘在筒壁和抄板上，产生粘壁、结疤现象。对于一些热敏性物料，如 啤酒稽，可能因此焦糊变质。 ( 2 ) 由于物料原始状态为团块、膏糊状、滤饼状，故水分在物料中的传递 阻力较大。必须设法使物料分散成很小的颗粒，以增大传热传质面积，才能做到 大幅度缩短干燥所需的时间。从理论上讲，小颗粒物料由于体积小，水分从内部 迁移到表面的路程较短，水分较容易从物料中脱出。同时团块、膏糊状、滤饼状 物料被破碎成细小颗粒，增大了物料的比表面积，也能加快物料中的水分被脱除 的速度。 3 2 实验目的 如何将高湿高粘的膏、浆状物料干燥脱水? 如何保证在干燥过程当中物料不 粘壁、不结疤、不变质，解决这两问题的关键在于回转圆筒干燥机内部构件( 如 抄板装置和破碎装置) 的设计，也就是如何将高湿高粘的膏、浆状物料在回转圆 筒干燥机内部快速破碎并脱水，如何使高湿高粘的膏、浆状物料不粘在回转圆筒 干燥机的内壁上，如何使粘在回转圆筒干燥机内壁上的物料在干燥过程中快速剥 落，不致超温糊化变质1 5 1 。所以，本论文的试验研究主要进行回转圆筒干燥机 内部构件抄板的结构优化分析以及回转圆筒干燥机与振动流化床干燥机的匹配 问题。 3 3 实验系统 由于本研究涉及的物料种类繁多且理化特性差异较大，因此，本论文通过有 代表性的几种物料的干燥试验，研究了不同的内部自清理结构、不同的破碎结构 及不同工艺参数对干燥特性的影响。 实验分为两个阶段： 2 6 第三章实验研究 第一阶段在巾1 0 x 5 0 m 的试验台上做不同的自清理结构，对防止物料粘壁 现象和强化传热、传质的过程的研究； 第二阶段是在第一阶段的基础上在由1 0 x5 0 m 的实验台中进行破碎装置强 化传热传质的研究，同时进行各项性能参数的选择和优化，设计出合理的破碎结 构和内部自清理结构。 3 3 1 实验装置 如图3 1 所示，实验系统主要由燃油热风炉、喂料绞龙、由1 0 5 0 m 打散 转筒干燥机、多管旋风除尘器、引风机组成( 系统示意见附图- - ) 。 1 轻油燃烧器2 燃烧炉3 喂料绞龙4 打散转筒干燥机5 出料口 6 多管旋风除尘器7 引风机 图3 1 实验系统 3 3 2 实验流程 物料工作流程：物料由喂料绞龙加入打散转筒干燥机进行干燥，经过破碎装 置、自清理扬料装置的联合作用，块状或膏状湿料被粉碎干燥成细的颗粒状物料 从出料罩上的出料口排出，细粉由多管旋风除尘器收集。 气体工作流程：空气被燃油热风炉加热成8 0 0 - - 1 0 0 0 。c 高温烟气，和补入的 冷风混合降温到合适的温度后进入打散转筒干燥机试验台，与湿物料进行热质交 换后，进入多管旋风除尘器除尘后又经过引风机排空们。 3 4 实验结果分析 对直接加热的转筒干燥机，物料的干燥过程主要是在物料散落过程中与热风 第三章实验研究 接触时完成的，物料散落得越均匀，物料与热风接触的面积就越大。对于松散的 颗粒状物料，在抄板数量一定的情况下，物科散落的均匀度主要是由抄板形式及 物料的休止角决定的。对粘性的物料，普通的抄板结构形式不能使其形成均匀的 料幕在抄板上升阶段与水平面7 0 。夹角内在壁面上不能正常散落，而在其余 的过程中，物料成块状散落。如果加上链条，对弧形抄板底部的物料就会产生分 割、剥落、摩擦、撞击的作用，因此带链条的弧形抄板结构( 自清理组台抄板) 可以克服普通抄板结构的不足，使物料能在抄板升举的过程中均匀地散落，并消 除了壁面死角，从而增加了换热强度提高了干燥效率。 3 4 1 实验结果 费们通过多种物料在巾1 o x 5 钿的打散转筒干燥机试验台上进行了试验， 下图表示出了几种物料在干燥机内用普通升举式抄板和自清理组合抄板处理时 几种物料起始扬落角的对比。 普避球鞠黼 自渭理组自抄啦_ 生 旧 椭自醐删揪瑚赭凇蝌 图3 - 2 物料的起始扬落角 上图可以看出： ( 1 ) 对于含水量为7 嘿的啤酒糟，用普通升举式拶板干燥处理时，物料在 7 0 。左右的角度上开始落下，且成丈团落下物料粘壁现象严重，但用自清理组 合抄板处理时物料随着链条从4 0 。左右的角度上开始落下，且成小团块状落下， 物料无粘壁现象； ( 2 ) 对于含水蕾为7 0 的白酒糟，用普通升举式抄板干燥处理时物料在 7 2 。左右的角度上开始落下，且成大团落下，物料粘壁现象严重，但用自清理组 角度w 第三章实验研究 合抄板处理时物料随着链条从4 2 。左右的角度上开始落下，且成小团块状落下， 物料无粘壁现象； ( 3 ) 对于含水量为8 0 的瓜干酒精糟，用普通升举式抄板干燥处理时，物 料在7 2 。左右的角度上开始落下，且成大团落下，物料粘壁现象严重，但用自 清理组合抄板处理时物料随着链条从4 2 。左右的角度上开始落下，且成小团块 状落下，物料无粘壁现象； ( 4 ) 对于含水量为7 5 的土