（化学工程专业论文）气固搅拌流化床的干燥特性实验研究.pdf

四川人学硕| 擘位论文 气固搅拌流化床的干燥特性实验研究 专业：化学工程 研究生：高华指导教师：叶世超教授 普通流化床以其良好的传热传质性能被广泛应用于颗粒物料的干燥操作， 但其自身存在的一些缺点，如沟流、死床等，使它的应用范围受到了限制。搅 拌流化床有效地避免了这些缺点，它提高了热质传递的强度，同时由于搅拌器 破碎和分散团块状物料的作用，使得它的应用范围更广，在制药、食品和化工 等领域均具有广阔的应用前景。因此，对搅拌流化床的研究具有较好的学术和 经济价值。 本文对气固搅拌流化床的流化和干燥传热特性进行了实验研究。实验共分 为三部分：第一部分，考察了d 类物料( 玉米碎粒、聚丙稀颗粒) 在搅拌流化 床中的流化特性，研究了搅拌对床层压降的影响以及搅拌转速、装料高度、颗 粒粒径等参数对临界流化速度的影响，通过线性回归得到了l 临界流化速度关联 式；第二部分，以玻璃珠为物料考察了各操作参数，如进口温度、操作气速、 搅拌转速对恒速干燥段传热膜系数的影响。通过因次分析和数据回归得出了传 热膜系数的关联式；第三部分，以玉米碎粒为物料，考察了搅拌对床层干燥性 能的影响以及搅拌转速、操作气速对干燥速率的影响。 实验结果表明：搅拌降低了流化床的床层压降，改善了床层的仞始流化状 况。搅拌对临界流化速度的影响较为复杂，一般当转速较大时，临界流化速度 随转速的增大而增大，与颗粒粒径基本呈线性关系，随装料高度的增加，搅拌 对临界流化速度的影响变得不明显。在恒速干燥阶段，气体进口温度对传热膜 系数的影响并不明显，传热膜系数随操作气速的增大而近似线性地增大，存在 四川大学硕士学位论文 一个最佳搅拌转速使传热膜系数取得最大值。在一定转速范围内，搅拌改善了 流化床的干燥性能，干燥速率随搅拌转速的增大而增大，但转速过高干燥速率 反而会降低，气速对干燥速率的影响主要体现在恒速干燥段，干燥速率随气速 的增大而增大。 关键词：搅拌流态化传热干燥 四川大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o n d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so f g a s s o l i ds t i r r e df l u i d i z e db e d m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g a oh u as u p e r v i s o r ：p r o f y es h i c h a o c o n v e n t i o n a lf l u i d i z e db e di sw i d e l ya p p l i e dt od r y i n go p e r a t i o no fg r a n u l e m a t e r i a l sf o ri t ss a t i s f a c t o r ym a s sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s b u ti th a ss o m e f l a w ss u c ha sc h a n n e l i n ga n dd e a db e da n ds oo n , w h i c hc o n f i n ei t sr a n g eo f a p p l i c a t i o n a g i t a t e df l u i d i z e db e d ( a f b ) e f f e c t i v e l ya v o i d s t h e s ef l a w sa n d e n h a n c 铬t h ei n t e n s i t yo fm a s sa n dh e a tt r a n s f e r i t sr a n g eo fa p p l i c a t i o nb e 咖e s w i d e rf o rt h ef u n c t i o no fc r a s h i n ga n dd i s p e r s i n gn u b b ym a t e r i a l s ，w h i c hm a k e si t h a v ew i d ep r o s p e c t so fa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fp h a r m a c y , f o o da n dc h e m i s t r y i n d u s t r y s ot h i sp a p e ro n a f bh a sg o o da c a d e m i ca n de c o n o m i cv a l u e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o nf l u i d i z a t i o n ，d r y i n ga n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fg a s s o l i ds t i r r e df l u i d i z e db e dw a sd o n e t h ee x p e r i m e n tw a s d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s i nt h ef i r s tp a r t , t h ef l u i d i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f d c a t e g o r ym a t e r i a l ( b r o k e nc o r n , p o l y p r o p y l e n eg r a n u l e s ) i na f b w e r ed i s c u s s e d 皿ei n f l u e n c eo fa g i t a t i o nt op r e s s u r ed r o po fb e da n dt h ei n t l u e n e e so fv a r i a b l e s s u c ha sa g i t a t o rr o t a t i o n a ls p e e d , h e i g h to f b e d ，p a r t i c l es i z et o w e 豫a l s os t u d i e d a c o r r e l a t i o n o f w a sa c q u i r e d b y l i n e a r r e g r e s s i o n i n t h es e c o n d p a r t ，t h e e f f e c t s o f v a r i a b l e ss u c ha sa i rt e m p e r a t u r e , a i rv e l o c i t ya n da g i t a t o rr o t a t i o n a ls p e e d ( 3 1 1h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti nt h ec o n s t a n td r y i n gp e r i o dw e r es t u d i e dw i t hb e a d i n ga s m a t e r i a l ac o r r e l a t i o no fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a sa t t a i n e db yd i m e n s i o n a l a n a l y s i sa n dd a t ar e g r e s s i o n i nt h et h i r dp a r t ，t h ei n f l u e n c eo fa g i t a t i o nt od r y i n g 四川大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c so fb e da n dt h ee f f e c to fa g i t a t o rr o t a t i o n a ls p e e da n da i rv e l o c i t yo n d r y i n gr a t ew e r es t u d i e dw i t hb r o k e n c o r na sm a t e r i a l 1 1 1 er e s u r ss h o wt h a ta g i t a t i o nr e d u c e sp r e s s u r ed r o po fb e da n di m p r o v e s i n i t i a lf l u i d i z e ds t a t eo fb e d i ti sf o u n dt h a tt h ei n f l u e n c eo fa g i t a t i o nt o i s c o m p l e x ，g e n e r a l l ys p e a k i n g , w h e na g i t a t o rr o t a t i o n a ls p e e di sh i g h , i n c r e a s e s 研也t h ei n c r e a s eo f r o t a t i o n a ls p e e d i sb a s i c a l l yl i n e a rt op a r t i c l es i z e w i t ht h e i n c r o a s eo fb e d 总t h ei n f l u e n c eo fa g i t a t i o nt o b e c o m e su n o b v i o n s ht h e c o n s t a l l td r y i n gp e r i o d ，d r y i n gr a t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fa i rv e l o c i t y , h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw i t ha i rv e l o c i t ya l m o s tl i n e a r l y t h e r ei sa no p t i m u m r o t a t i o n a ls p e e d , a tw h i c hm a x i m u mh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sa c h i e v e d i na c e r t a i nr o t a t i o n a ls p e e dr a n g e , a g i t a t i o nc a ni m p r o v e , l y i n gc a p a b i l i t yo ff l u i d i z e d b e d d r y i n gr a t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f r o t a t i o n a ls p e e d , b u t i tw i l ld e c r e a s e w h e nr o t a t i o n a ls p e e di so v e r l yh i g h k e y w e r 由：a g i t a t i o n , f l u i d i z a t i o n , h e a tt r a n s f e r , d r y i n g i v 四川大学硕士学位论文 英文字母： 4 4 d c h d 西 西 g 1 ，g 3 g 4 ，倪 g 2 g c 铅 g h 月0 玩月。 月0 k k 七 三 觚必 符号说明 床层截面积 颗粒总表面积 单位床层高度的颗粒表面积 气体比热容 有效扩散系数 颗粒粒径 物料平均粒径 放入干燥箱前的烧杯质量 放入干燥箱干燥过后的烧杯质量 干燥完成后的物料总质量 绝干物料总质量 流体临界质量流率 重力加速度 床层高度 临界床层高度 空气进出口湿度 空气湿度 传热膜系数 常数 气体导热系数 床层高度 颗粒质量 干空气质量流量 湿空气质量流量 m 2 m 2 【 m k 3 ( k g - ) 叠，暑 m m m 蚝 l 【g k g k g 蛔m n 2 s ) m s 2 m m w ( m 2 ) w l ( m - 1 m k g k g s k 咖 四川大学硕士学位论文 搅拌转速 颗粒数日 床层压降 分布器压降 分压 空气体积流量 传熟速率 颗粒半径 气体千球温度 气体湿球温度 物料温度 干燥速率 空气流速 起始流化速度 临界鼓泡速度 临界流化速度 带出速度 一 完全流化速度 颗粒总体积 颗粒堆积体积 临界流化因子 空气体积流量 物料初始湿含量 物料平衡湿含量 物料干基湿含量 j 时刻物料干基湿含量 j + l 时刻物料干基湿含量 p a f a p a 矗纽 w m m k ( m 2 s ) m s m s m s 劬 m s m s m ， 加i m 3 s k s 水 ( g 绝干物料 k g 水，k g 绝干物料 i 唔水 【g 绝干物料 k s 水她绝干物料 蚝水恕绝干物料 。 屑肚以凡q础，。矿啪职阮矿巧吒凰五z萄如 四川大学硬士学位论文 希腊字母： 口 p 8 缸 移弛 f f 掌 p v 伟p l p s 肛a s 对流传热系数 床层空隙率 床层临界空隙率 颗粒球形度 时间 汽化潜热 阻力系数 固体颗粒堆积密度 固体颗粒表观密度 气体密度 气体粘度 尢因次准毂： r e 一雷诺数，r e ：鲤 以 f r 一搅拌佛鲁德数，f ，：! d 兰 g a r 一阿基米德数，加；篓垒f 垒：垒! 兰 心 胁一努塞特数，h ：_ h g - d p 石 w ( m 2 1 s 地 k # m 3 w k g m 3 p a s 四川大学硕士学位论文 声明 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及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所作的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 研究生：壶垒幽刍导师：! ：丘兰毪 一7 。占 四川大学硕士学位论文 前言 随着流态化技术的深入发展，各种形式的流化床设备相继出现，搅拌流化 床就是其中的一类。搅拌流化床是指在普通流化床中装有特殊搅拌装置，使得 床层在搅拌力存在下进行流态化操作的流化床。 早在上个世纪5 0 年代，人们就发现，在流化床中加入搅拌有利于床层中固 体组分的混合，并将搅拌流化床应用到水泥的生产处理过程中。6 0 年代中期， 人们发现搅拌作用能够使传热系数( 床层与壁面间) 大大增加，这一发现引起 了人们的关注，对搅拌流化床的研究也开始逐渐增多。归结起来，前人对搅拌 流化床的研究主要集中在两个方面：一是床体流化特性的研究，主要包括搅拌 桨( 搅拌桨形式、搅拌所需功率，搅拌桨的安装高度等) 对床层流化状况的影 响以及操作参数( 气速、搅拌转速等) 对床层压降和床层特性的影响；二是传 热干燥研究，主要研究搅拌对干燥速率和床层与壁面之间传热性能的影响。 但是，前人的研究大多是在自己的实验设备中，利用少数几种相关的物料， 对搅拌流化床中的某些因素进行考察，不能得到有指导性的结论，使人们能够 预测、估计某些物料在搅拌流化床中的流化行为。另外，虽然很多研究者都得 出结论，认为搅拌对流化床的床层压降以及物料的临界流化速度会产生一定的 影响，但对物料在搅拌流化床中的临界流化速度，还没有通用的计算式，对这 一方面的研究还很薄弱，有待于进一步补充。 针对普通流化床干燥器的一些缺点，如由于气泡现象，使流化不均匀；由 于物料的停留时间分布不均匀所获产品的湿含量也不够均匀，有时会有产品 因过度干燥而变质等，人们想到了在流化床中引入搅拌器的办法。搅拌器的加 入，可以避免沟流和死床，提高热质传递的强度，同时搅拌器能够打碎床层中 的气泡，使流化更均匀，此外，利用搅拌器的机械搅拌作用可破碎和分散团块 状物料，这使得搅拌流化床在制药、食品和化工等领域得到广泛应用。9 0 年代 以来，随着搅拌流化床在造粒、涂层等领域里的应用，人们更加关注搅拌流化 床作为一种粒子干燥系统的性能。它如果应用于干燥系统，可以使一系列操作， 如混合、造粒、涂层以及干燥过程等在一个操作单元里进行，大大节省了过程 四川大学硕士学位论文 的时间、空间和成本，同时也防止了污染。 与搅拌流化床干燥器广阔韵应用前景相比，目前对这一领域的研究还很薄 弱，尤其对干燥过程中决定水分蒸发、影响干燥速率的核心内容气固相间的 传热，研究得还很少，还没有公认的气固相间的传热的计算式，还不能很好的 指导工业设计和生产。 本文对搅拌流化床的研究，主要集中在流体力学、传热和干燥三个方面。 作为流态化技术的一个具体应用，流态化干燥一个重要的任务仍然是确定固体 流态化的存在区域，因此流体力学研究的重要性不言而喻；同时为了实现对物 料干燥过程及产品质量的预测和控制，对干燥过程中气固间传热系数以及干燥 速率的变化规律的了解也是必不可少的。 本文研究的开展，借鉴了前人在这三个方面进行的广泛而又有成效的研究， 同时对前人工作中的一些不足作了补充，本文工作的完成，将为搅拌流化床的 工业应用提供更全面的指导和更深入的理论依据。 四川大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 流态化领域的研究状况 从广义上讲，流态化是一种使微粒固体通过与气体或液体接触而转变成类 似流体状态的操作【i 】。由于流态化几乎所有重要的工业应用都与气固流化系统 有关，所以对流态化的研究多为气固流化系统，本文亦主要讨论气固流化系统。 流态化技术是化学工程领域的一个重要分支。自1 9 2 1 年出现以来，流态化 技术以其无可取代的大量处理颗粒物料的能力和极高的传热传质效率迅速在工 业生产中得到了广泛应用。尤其从5 0 年代以来，随着流态化在化工、石油加工、 能源、环境保护、食品加工、药品生产等领域的广泛应用，与工业实践密切相 关的科研工作也因此非常活跃，新的研究成果不断涌现。 1 1 1 流态化过程的基本概念 图1 1 为气固流化床的典型装置，此装置是由一段玻璃圆筒组成，筒下端有 一多孔的气体分布板，用以支撑颗粒物料，并使流体在整个圆筒截面上均匀分 布，分布板上的物料层称为“床层”。在“床层”下部与圆筒体上部间装有一个 u 形管压差计以测量床层阻力。 7 1 调节阀 2 转子流量计 3 下锥体 4 分布板 5 颗粒床层 6 筒体 7 压差计 图1 1 气固流化床装置 四川大学硕士学位论文 设u 为空床速度( 或表观速度) ，则 ”= 笔鬈熹豢 籼 m ， 舻1 磊丽戛面面矿l 利秽j u 咀j 床层阻力是指流体通过床层的压力降a p 。 当流体自下而上通过床层时，可以看到，随流速的逐渐增加，将出现三莉卜一 基本状况【2 】： ( 1 ) 固定床阶段 当流体流速嗽低时，物料颗粒静止不动，床层高度日不变。而压降却则 随u 韵增加而增大。若将相应的数据标绘在对数( 1 9 卸- l g u ) 坐标图上，则得到 一条直线。此时床层整体并无明显的运动，床层表现为固定床。 ( 2 ) 流态化阶段 进一步提高流速，当流体流速u 增大到某一数值时，压降近似等于单位面 积床层上物料的实际重量，当流速继续增加时，床层将继续膨胀，床层空隙率s 也随之增加，所以导致床层中空床流速增加，但床层中实际气流流速则保持不 变，流体的压降只是消耗在托起固体颗粒的重量上，所以此时的4 “与床层颗 粒重量h a o - 8 ) m g 及流体对颗粒的浮力h a ( i 6 ) p g z 达到平衡，即 卸a = h - a ( 1 - s ) p , g - h a ( 1 - g ) p s g ( 1 - 2 ) 或卸= 日( 1 一占) ( b 一以) g ( 1 3 ) 式中，日一床层高度，m l p 一床层压降，p a ； s 一床层空隙率； 彳一床层截面积，n 1 2 ； pg ，p 。一流体与颗粒的密度，k g m 3 。 此式表明，床层阻力等于单位面积床层的实际重量。 ( 3 ) 输送阶段 若流速继续增高，床层高度大于容器高度，颗粒则被流体带走，床层颗粒 减少，空隙率增加，床层压力减少。当流速增加到某一数值，使流体对颗粒的 阻力和颗粒的实际重量相平衡，此时的流速称为带出速度，或最大流化速度、 4 四川大学硕士学位论文 悬浮速度( 自由沉降速度) 。若流体的速度稍高于带出速度，颗粒则被流体带 走。工业上利用这个原理可将颗粒物料( 如谷物、各种粉粒状物料) 像流体一 样用管道输送，所用流体通常为空气，故多称“气流( 力) 输送”。 以上现象可以说明，固定床层、流化床层、气流输送这些看来不同的过程， 其实质均为流体和颗粒的相互作用。流体运动的推动力是它的压力差，固体颗 粒与流体的相对运动的推动力，是它们密度差所引起的实际重量。运动的阻力 为流体与颗粒床层相互作用的摩擦力。 1 1 2 流态化技术的研究方向 自从1 8 7 9 年世界上公开第一个流态化技术专利以来，经过一百多年的发展， 流态化技术已经成为颗粒和粉体制备、加工、改性和输送以及改善催化反应的 有效手段。总的来说可分为两个发展阶段： 一是1 9 7 0 年以前，以气泡现象为主要特征的鼓泡流态化及液固流态化。 二是近3 0 多年( 1 9 7 0 到现在) ，以颗粒团聚为主要特征的快速流态化，及 气固流态化的散式化，气液固三相流态化，外力场下的流态化。图2 - 2 给出了流 态化体系的分类情况： 围l - 2 流态化体系的分类 流态化技术的工业应用，迄今已有六十余年的历史，技术应用比较成熟， 但是，由于这一过程是在带有化学反应的多分散相体系中进行的。再加上操作 四川大学硕士学位论文 条件( 气速、温度、压力) 千差万别，物性( 如粒度、粒度分布、密度) 相差 悬殊，故迄今还没有形成一套完整的理论。 目前，这个领域中的研究工作相当活跃，每年都有大量资料报道，综观国 内外的情况，目前在流态化领域中的研究主要有以下几个方面p 】： ( 1 ) 过程机理的研究 床内流体颗粒的运动行为与传递过程( 热量及质量传递) 有密切的关系， 如果能从理论上弄清它们的规律，将为流态化反应器的放大研究奠定更坚实的 理论基础。 6 0 年代初，基础研究工作多从研究单一气泡在床内的行为入手，并在初期 取得了一定程度的进展，但发展至今，从工程实践角度检验，流态化的理论探 讨以及对工业生产过程的指导远没有达到预期的水平，这说明流化床中还有许 多内在规律有待于进一步揭示。 发展新的理论来描述床中流体颗粒的行为已势在必行。国内外学者已开 始用流体力学、流变学及统计学的观点研究流化床并取得了可喜的成绩。但由 于采用了过于简化的假设，还没有能使这些理论更广泛地应用。考虑到流态化 行为的复杂性，必须由多学科的交叉和互相渗透来解决，用随机过程的概念， 采用流体力学方法来发展流态化的基本理论是值得探索的，这样在流态化理论 的描述上也许能有新的突破。 ( 2 ) 散式流态化和聚式流态化的散式化 散式流态化是一种平稳的流态化，它具有流态化的许多优点，克服了一般 流态化的某些缺点。大多数的液一固系统都可以形成散式流态化，液一固流态 化在生产中的应用已日益受到重视。如流态化浸取和洗涤已在工业生产中采用； 流态化电解在除去污水中低浓度重金属离子及回收稀有金属方面显示出了优越 性；具有多界面的新型液固流化床可较大幅度地提高设备的处理能力和效率； 液一固流态化在生物化工及污水处理上的应用已日见发展。液一固流态化还将 成为流态化基础理论研究的理想对象和有力的工具。 气一固聚式流态化的散式化已日益受到学者们的重视。采用多种途径，控 制气泡尺寸在尽可能小的范围内，且不断聚并和破碎，使床层特性向散式流化 趋近。这不但改善了气一固间的接触状况和气体在床内的停留时间分布，增加 6 四川大学硕士学位论文 反应产物的转化率和收率，改善产品质量和提高经济效益，而且在对流态化机 理及理论研究上也有重要意义。 流化床中设置内构件有抑制气泡长大，改善气体分布的作用。应该进一步 探索新型结构，改善床中气一固接触，研究内构件对床中气体一颗粒行为的影 响，为内构件的设计提供依据。 由理论分析可知，在重力场作用下的流化床是不稳定的。如果把电场、磁 场或离心力场等加在流化床中，改变颗粒相中的受力状况、提高流化床操作的 稳定性，实验证明是可行的。怎样设计这些力场、寻找其适用的工艺过程及如 何根据具体需求实现这些设计，都是国内外正在研究的课题。 流化床中，粒度分布对床层流变性能影响较大，对改善气一固流化床的聚 式操作也有重要意义，这就产生了对流化床中固体颗粒进行“粒度设计”的概 念。选择合理的粒度分布，可以使气一固聚式流化床接近或达到散式操作。 近年来对高温高压下流态化特性的研究引起了人们的注意，在高温高压下 发现流态化质量有改善趋势。随着温度升高，气泡的数目增加、尺寸减小。加 压流化床对某些工艺过程能加速反应，减小设备尺寸，增加处理能力，同时能 提高流化床操作的稳定性，对加压流化床的研究还可以更好地了解聚式流态化 如何转变成散式流态化，可以为流化床的理论描述提供更多的启示。 对于超粗粒子( d 类物料) ，在提高流化床操作气速时，可以在乳相气速 超过气泡上升速度的条件下操作，这时气泡仅只作为一个床内的空穴存在，气 流穿过这一空穴而过，这时的气泡已失去经典鼓泡床内气泡的含义，称之为慢 气泡流化床，对于慢气泡床的行为是引起广泛兴趣的研究课题。 ( 3 ) 元气泡的气一固接触 气泡的存在是经典流化床的本征特性，由此限制了气一固间的接触效率和 传递及反应过程的进行。为了更好地发挥流化床的优点，改善流化质量，强化 工艺过程的操作，势必要求发展新型的气一固接触技术。 稀相流态化技术( 包括气一固顺流及逆流操作) 是我国学者早在五十年代 末期提出来的，稀相流态化主要是将固体颗粒以单体弥散、悬浮在气流中的一 种操作，它使固体颗粒与气流充分接触，而大大强化了传递过程由于稀相流 态化采用的操作气速高，所以单位设备截面的处理能力高，气、固返混小，易 四川大学硕士学位论文 建立温度、浓度梯度，以提高反应转化率。另外床内气、固相停留时间都很短， 适于快速加工工艺，如石油的催化裂化过程。 稀相流态化根据其操作气速的不同，可分为快速床( 如对催化裂化催化剂， 操作气速为4 - - 5 m s 左右) 和输送床( 操作气速为l o 1 3 m s 左右) 两类。快速床 中床层空隙率沿轴向有显著改变，而输送床则在横截面上颗粒密度显示出很大 的不均匀性。出于颗粒之间接触概率低，这对处理粘性颗粒的操作过程提供了 一种新的途径。 为了增加颗粒在稀相流化床的停留时间，使从床中排出的物料重新返回床 中，形成颗粒的循环，这就出现了循环流化床，它已成功地用于氧化铝锻烧中， 并将在煤的燃烧与气化工艺过程中展现出美好的前景。 鼓泡流化床的稀相扬析区也属于稀相流态化操作。在一定的动力学条件下， 反应气体通过扬析区转化率也可能有显著改变，这对许多工艺过程而言是不容 忽视的。 漂浮、跳汰及振动流化床可在很低的流化气速下形成均匀的流化床。由于 颗粒处于剧烈地跳动中，加强了气一固或固一固之间的接触，增加了传递速率， 强化了反应过程。 浅床流态化是一种新床型，在逐步减少床内颗粒存留量的条件下( 特别是 当静床高下降到l o m m 左右) ，颗粒运动速度及运动范围明显地增加了，浓相 床层膨胀，更多的颗粒被抛射到稀相中去，使稀相区颗粒浓度显著增加。这种 由分布板区和稀相区两部分组成的化学反应器，由于气泡尚未形成或虽己形成 但很小，接触时间短，副反应少，而受到人们的注意。为了增加气一固之间的 有效接触时间，多层浅床也是一项重要的研究课题。 脉冲送入流化介质，可使气泡分批地处于相同的水平面上，利用左右相邻 的气泡不易合并的特点，改善流化床的流化质量，这对于处理难以流化的固体 颗粒也是较有希望的。 超声波可以加快化学反应速度，在流化床中加入不同强度的超声波，研究 对流化床性能和传递及反应速度的变化是值得进行探索的。 ( 4 ) 流化床反应器的放大问题 流化床反应器的放大是人们最关心的闯题。过去，学者们提出了许多关于 四川大学硕士学位论文 放大问题的数学模型，但是到目前为止，放大问题仍未解决。追其原因，可能 是由于数学模型中含有数量不等的模型参数，这些参数均与床中流体颗粒的 运动有关，然而流体一颗粒的运动规律多是在小尺寸实验室装置中得到的，随 着设备规模的变化，这些规律亦随之变化，就是说，模型参数本身也是具有放 大效应的变数。 为了解决流化床反应器的放大问题，与开发其它类型化学反应器一样，应 该在重视宏观反应动力学的同时，发展大型冷模的实验研究。 大型冷模实验是指实验的规模尺寸已经大到其中测得的模型参数已无明显 放大效应。许多文献报道，对细粒床设备的临界直径在0 5 m 左右。但在更广泛 的条件下情况就比较复杂，故有直径大于2 m 的冷模实验装置出现。这种实验比 大型热态化学反应试验要经济很多，技术上也简单很多，而且也比较容易控制 实验条件。 为了综合小型热态实验和大型冷模实验的结果，对建立与开发有关流态化 反应器放大问题的计算机软件系统，也是应该研究的课题。 ( 5 ) 流态化测试方法的研究 测试技术是揭示流态化内部机理的一把钥匙，它可以帮助人们对流化床的 认识更加深化。随着流态化研究工作的开展，许多测试方法已经建立起来。但 是，由于流体中存在着运动的颗粒，给测试工作带来许多困难，造成较大误差。 因此，不同的作者对同一问题用不同测试手段进行研究，会得出差别很大的结 果，流化床传热系数的研究就是一例。 目前需要解决的测试方法有：无接触的测试；运动着的团体颗粒与气体间 传质系数的测试；运动着的固体颗粒湿度的测试；床中不同粒度颗粒空隙度的 测试；颗粒速度的测试：取样技术( 包括流体与固体颗粒) ；床中颗粒粒度测 试等。 1 1 3 临界流化速度关联式 当气体流速u 增大到某一数值时，床层压降刚好近似等于单位面积床层上 物料的实际重量，此时的气体流速称为临界流化速度，也称最小流化速度，用 【k 表示。 9 四川大学硕士学位论文 对于流化床，其操作速度必须大于临界流化速度，并且常以操作速度是i 临 界流化速度的若干倍来表示操作条件，因此确定临界流化速度的大小就显得比 较重要。 。 在实验室中，临界流化速度可由流速与床层压降的关系确定。将流速与压 降在双对数坐标上作图，通过固定床区( 降速法) 和流化床区的点各自画线， 并撇开中间区的数据，这两条直线的交点对应的气速即临界流化速度。 此外，在不易通过实验确定临界流化速度时，也可由经验公式进行近似计 算【卅。处于流态化时，床层压降a p 等于床层内单位截面积上的物料重量，即 a p = h ( 1 - 8 ) ( p p - p = ) g = h 。( 1 一。) ( 岛一岛) g ( 1 - 4 ) 式中，日，上k 一流化床床层高和临界流化床床层高，m l 岛6 m f 一流化床空隙率和临界流化床空隙率； 几，一一气体及固体颗粒密度，k g 衍。 如果将起始流态化看成是固定床的延续，则床层处于临界状态时的床层压 降可按欧根( e r g u n ) 方程计算，即 - 等= 1 5 0 x 掣爵“，s 导x 学 m $ 矗 ( 纯) 2 s 备识 、。 式中，【k 一临界流化速度，m s ； 9 。一球形度( 球形系数) ； 一气体粘度，p a s ； 磊一颗粒粒径，1 1 1 1 1 1 。 令( 1 - 4 ) 与( 1 5 ) 相等，可得到【k 的计算公式为： 1 7 5 ( 华1 2 + 婴止掣垡丛：垒衅( 1 - 6 ) 见。时 p 识2o 12 该公式可简化为： 对于小粒径颗粒 。 = 警础。( 1 - 7 ) 1 0 四川大学硕士学位论文 对于大颗粒 = r e = f 1 0 0 0 ( 1 8 ) 式中，r e 耐一r e y n o l d s 黻，r ：业 以上求取临界流化速度的公式是基于联用固定床与流化床的压降关联式。 这个方法可能是计算【k 最简单常用的方法。计算【k 的经验、半经验公式很 多，但他们都有各自的使用范围，超出其使用范围，就可能会导致较大的误差。 现综合现有的文献( 一，将一些重要的求取临界流化速度的关联式列于表1 1 。 表1 1 临界流化速度的关联式 作者关联式使用范围 l e v a 砧= o 0 0 5 2 2 9 珐( 岛一鹿) o ( 卜) r e m l o 【钟a g o = o 0 1 6 8 岛( 反一屏) o ”嘴 r e m , l o e r g u n 加= 1 5 0 ( 1 一缸) 3 簖+ 1 7 5 r e 缸钰3 纯 w e n & ， = ( 3 3 7 2 + o 0 4 8 a r ) 0 5 - 3 3 7 纷幻& y 厂 程a r = 1 8 r + 2 7 露“r e p i l l a i & r a j a r a o 铅= o 0 0 0 7 0 1 d ：瞳以一所) g ， r e m f 2 0 & t g m s c n g 0 = o o 0 0 9 。 a ( 见一所) 。棚u 哪 4 , 1 0 0 1 n n r i c h a r d s o n & j e r o n i m o = ( 2 5 7 2 + o 0 3 6 5 g , m , ) o s - 2 5 7 d o i c h e v & k h m a k o v r e f = 1 0 8 x 1 0 4 ( q m ，) “” 四川大学硕士学位论文 1 2 流态化干燥 1 2 1 流态化干燥简介 流态化技术自1 9 2 1 年发明以来，干燥是其应用最早的领域之一。世界上应 用的第一台流态化干燥器为1 9 4 8 年美国用于干燥白云石的干燥器【9 】。 我国在化工生产中应用流化床干燥器始于六十年代初期，至1 9 6 5 年，已有 硫酸胺、碳酸氢氨、碳酸钙、氨基匹林、对苯二甲酸等无机盐和有机湿物料的 干燥应用流化床干燥器。到八十年代中期，据不完全统计，全国己有3 0 0 多个 品种的物料应用流化床进行干燥生产【1 0 1 ，其类型主要分为单层、多层、卧式、 喷雾流化床、喷动流化床等。 流态化干燥与烘箱干燥等传统的干燥方法相比，突出的优点是其温度均匀 且易于控制，气固两相接触充分和传热传质效率高。由于床层内颗粒的剧烈运 动，导致整个流化床床内是等温的；由于干燥过程中气固两相逆流接触，固体 颗粒悬浮于干燥介质中，因而流体与固体接触面积较大，热容系数可高达 8 4 0 0 , 2 5 0 0 0 k j ( m 3 h 1 ；又由于物料搅动，大大减小了气膜阻力，传热效率较 高，可达6 0 0 * 8 0 ( 干燥结合水时为3 0 0 , - 4 0 ) h i 。 但普通流化床( 指早期的单层圆筒流化床) 也存在较严重的缺点：a ) 由于 气泡现象，使流化不均匀，相间接触效率不高且工程放大较困难；b ) 物料停留 时间分布极不均匀，难以获得湿含量均一的产品，甚至可能有产品因过度干燥 而变质；c ) 动力和热能消耗大；d ) 只能处理松散的粉状和粒状物料，对于初 始湿含量大的物料，必须经过预干燥之后才能用普通流化床进行干燥。为解决 这些问题，在流态化基本构思的基础上，前人对流化床进行了一系列改革和发 展【1 2 1 。 卧式流化床干燥机可能是最早的改进，6 0 年代就已广泛的应用。它使物料 从一端加入，另一端卸出，对物料而言，相当于多个方形截面流化床串联系统。 其主要特点是改善了物料停留时间分布，从而制得均匀干燥的产品。另一优点 是很容易使物料的冷却和干燥结合在同一设备中进行，简化流程和设备。这类 干燥机目前在工业上应用相当普遍。 离心流化床干燥机也是流态化干燥的重大改进之一。其原理是在机械转动 造成的离心力场作用下，使粒状物料分布在圆筒多孔壁上，热气流穿过多孔壁 四川大学硕士学位论文 使之流化干燥。它适用于处理大颗粒，小密度物料，如方便米饭等起始流化速 度与吹出速度相接近的一类物料。 流态化干燥最重大的改进当推振动流化床的开发和应用【l ”。振动流化床干 燥机将整个机体通过弹簧支撑在底座上，物料依靠机械振动和气流双重作用流 化，并在振动作用下向前运动。它具有非常突出的优点：在很低的气速下即可 获得均匀的流化，从而大大降低了能耗、颗粒间的磨损和粉尘夹带；物料停留 时间分布均匀且易于调节控制，因此可获得干燥均匀，质量符合要求的产品； 还可以处理形状不规则的物料。我国自1 9 8 5 年引进以来迄今己广泛用于化工、 医药、轻工、食品、饲料、矿冶、林业等行业中的粉状、粒状、条状和片状等 物料的干燥。 1 2 2 流态化干燥过程中的气固传热 由于气固相间传熟数据比较分散，流化床干燥过程的计算一向较困难【1 4 1 。 w c i e s i e l e e z y k 1 习总结了前人的工作，列出了近二十年来不同学者得出的流态化 干燥过程中恒速干燥阶段的传热系数关联式，如表1 - 2 所示。 表1 2 流态化干燥过程中恒速干燥阶段的传热系数关联式 作者关联式适用范围 f e d o r o v n u = i 6 3 x 1 0 2 a r 。埘r e ”( 日o ) “ 2 x 1 0 3 a t 7 5 x 1 0 5 k e t t e n r i n g & n u = 1 3 5 x 1 0 2 r e l ” 9 r e 5 5 m a n d e r f i e l d h e e r t j e s 口= 7 4 2 6 r e 。7 6 9 r e 5 5 s h i - j a n - f o u & r o m a n k o v & n u = 2 5 1 0 + 1 皿池，厂1 5 5 r e 2 8 0 r a s h k o v s k a k u n i i & l e v e n s p i e l n u = 3 x 1 0 - 2 r 3 0 w m t o n & o l s o n n u = 2 8 1 0 - 2 r e l ( d ，广 6 r e 5 0 四川大学硕士学位论文 m l o d z i n s k i n u ：3 x 1 0 。2 r e l ” 5 冠伊：3 0 l y k o v n u = 8 7 x 1 0 4 r 一 z a b r o d s k i n u = 1 9 5 x 1 0 3 r e l “ g a l n s o n s t = 1 5 7 p r - 。船r e ”( 1 一岛广 r e ( 1 - e o ) 1 0 0 n u = 3 4 6 r e 。( 1 一岛广朋 r e o 0 ) 3 0 f r a n t z n u = 1 5 x 1 0 。2 r 6 p r “6 7 8 r e 8 0 l e v a n u = 6 3 x l o 。r e l 8 8 r e 1 0 0 g e l p e r i n n u = 1 6 1 0 2 ( r e ) 13 p r “3 。 r e e o 2 0 0 3 6 1 r e 1 2 5 c i e s i e l c z y k &1 2 4 x 1 0 3 叫一 m r o w i e e n u = o 1 0 6 r e a r 。4 3 7 慨矗广“尹 1 8 7 x 1 0 6 1 1 4 g 1 4 1 1 3 h d 磊 18 5 1 3 搅拌流化床的研究状况 搅拌流化床就是在普通流化床中装有特殊搅拌装置，使得床层在搅拌力存 在下进行流态化操作的流化床。由于搅拌具有显著抑制颗粒聚集的作用，搅拌 流化床在处理制药、食品及某些化学物料时得到了广泛的应用。对一个颗粒间 结合紧密的固定床层，加入搅拌会受到很大的内摩擦力。但当有气体通过床层 时，由于床层膨胀，床层空隙率增大，粒子间的相互作用力被削弱，这时加入 床层的搅拌器所受到的阻力会大大降低。早在五、六十年代，就有学者尝试在 流化床中加入搅拌装置，并在各自的实验条件下对搅拌对流化床的流化特性、 传热效率等方面的影响进行了研究。近年来，日本o s a k ap r e f e c t u r e 大学化工系 的s a t o r uw a t a a o t l 6 1 等人和国内浙江大学、东南大学、大连理工大学等在这一领 域的研究较为活跃，著述较多。 1 4 四川大学硕士学位论文 1 3 1 流体力学研究 k g o d 棚和j f r i c h a r d s o n t 【1 _ 7 】以酚醛树脂等难于流化、沟流严重的物料为对 象研究了搅拌对床层起始流化状态的影响。他们发现，在慢速搅拌条件下，搅 拌能够消除沟流，使不易流化的颗粒获得很好的流化。但这只有当搅拌桨位于 分布板以上大约为或小于l c m 处时才有效。因为在这个高度以上沟流已经充分 发展，不能被搅拌所破坏。实验还发现，一旦良好的流化己经形成，停止搅拌 对床层的流化几乎没有影响。 m a xl e v a 【i s 在自己的实验条件下对搅拌流化床的床