（化工过程机械专业论文）射流喷动流化床（jsfb）流动特性研究.pdf

天津科技大学坝! i = _ 毕业论义 摘要 射流喷动流化床，是在喷动床的基础上，通过通入流化气，降低喷 动床柱体部分高度，增加喷动速度的方法得到；作为一种新型流态化装置， 主要可用于颗粒物料的干燥和包衣，粉状物料的造粒，悬浮液、溶液和膏状 物料的干燥，固态物料的加热与冷却、煤的低温焦化等。 本实验以对虾饵料、谷物、芝麻籽、白菜籽为实验物料，以提高对虾饵 料的耐水性为出发点，研究了用射流喷动流化床对对虾饵料进行涂敷造粒时 的流体力学特性：中心喷泉高度h ，、喷射区压降p 。和环隙区压降卸。、最小 喷动速度“。与床层高度h i , 、物料粒径d 一操作压力、p 、导向管安装高度x 等 因素的相互关系，并提出了射流喷动流化床用于颗粒状物料涂敷造粒时的最 小喷动速度关联式和最大唼液量的计算公式，可为射流喷动流化床的工业化 应用提供参考。 关键词：射流喷动喷动速度喷液量 天律科技人学坝i 。毕! i t 论业 a b s t r a c t a sak i n do fm o d i f i c a t i o no f s p o u t e db e d ，j e t s p o u t e df l u i d i z e db e d o s f b ， i sa c h i e v e d b ya d d i n gf l u i dg a s ，r e d u c i n gt h eh e i g h t o ft h ec y l i n d r i c a l p a r to f s p o u t e d b e da n d i n c r e a s i n gt h es p o u t i n gv e l o c i t y i ti sm a i n l y u s e df o rc o a t i n ga n d d r y i n go fp a r t i c l em a t e r i a l ，g r a n u l a t i n go fp o w d e r y d r y i n go fs u s p e n s i o n ，s o l u t i o n a n dp a s t e ，h e a t i n ga n dc o o l i n go fs o l i dm a t e r i a l ，l o wt e m p e r a t u r ec h a r r i n go fc o a l ， e t c i naj s f b ，c o a t i n gs o l u t i o ni ss p o u t e do nt h es u r f a c eo f p r a w n s b a i ts oa st o i m p r o v et h e s t a b l e p e r f o r m a n c ei n w a t e r t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fj s f bi s s t u d i e dw h e np r a w n s b a i ti sc o a t e da n dg r a n u l a t e d ，s u c h a st h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nc e n t e rf o u n t a i nh e i g h t ( 矗，) ，t h ep r e s s u r ed r o pi na n n u l u sr e g i o n ( 卸“) ，t h e p r e s s u r ed r o pi ns p o u t i n gr e g i o n ( p 。) ，t h em i n i m u ms p o u t i n gv e l o c i t y ( “。) a n d t h eh e i g h to fb e dl a y e r ( h ) ，t h ep a r t i c l ed i a m e t e r ( d 。) ，o p e r a t i n gp r e s s u r e ( p ) ，t h e i n s t a l l i n gh e i g h t ( x ) o fd r a f t t u b e t h ec o r r e l a t i o nf o rt h em i n i m u ms p o u t i n g v e l o c i t y ( u 。，。) a n dt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l af o rt h em a x i m u ms p o u t i n gl i q u i d ( u 卅，) a r ef i r s to f f e r e df o rp a r t i c l em a t e r i a l sc o a l i n ga n dg r a n u l a t i n gi naj s f b ，a n dc a n b eu s e da sr e f e r e n c ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：j e t - s p o u t i n g ，s p o u t i n gv e l o c i t y , s p o u t i n gl i q u i d 2 天津科技大学颂j 毕业论史 第1 章前言 喷动床技术作为流态化技术的一个新兴分支，是2 0 世纪5 0 年代出现 的一项新技术；随着对其研究的不断深入，喷动床已经从最初传统形的柱 锥形喷动床发展到喷动流化床【2 1 、带导向管的喷动床3 1 、多维喷动床 4 】以 及射流喷动床p 1 等。 虽然喷动床对大颗粒物料的处理与流化床相比，有很多优点，例如不 仅降低了流化气量，而且使颗粒的流动更有规律性。但是，由于传统柱锥 形喷动床自身的特点，较低的循环速率使得物料需要较长的停留时间，影 响了干燥传热、传质效率，尤其对于热敏性物料来说，容易失去生物活性， 有时还会发生死床等现象。近年来，对喷动床技术的研究不断深入，例如 降低喷动床床高至柱体部分直径d 。的2 倍1 6 j ，提高喷动气体速度至u s 1 7 u 。【7 【8 1 ，这种浅喷动床就称为射流喷动床。射流喷动床在一个较高的喷 动气体速度范围内使物料在喷射区、喷泉区、环隙区做快速循环，床层空 隙率e 即物料体积与喷动床柱体体积之比，可达到0 8 0 0 9 5 ( 传统喷动床 的床层空隙率e 只有0 1 0 0 2 5 左右) 9 1 ；尤其在环隙区下降段可得到更好 的循环，而不会发生死床，大大提高了物料与喷动介质之间的传热传质系 数( 可由干燥强度n 体现出来) ，提高了热效率。 本文首次比较系统地研究了射流喷动流化床用于颗粒状物料涂敷造粒 时的流动特性，提出了最小喷动速度关联式和最大喷液量的计算公式。射 流喷动流化床作为喷动床的一种改型，在射流喷动技术的基础上，在喷动 床底部加入气体分布板，引入流化气，使环隙区底部物料湍动起来，从而 较好地解决了喷动床底部的死区问题。 文献综述 第2 章文献综述 2 1 流态化造粒技术简介 任何把小颗粒聚集成大团粒的过程定义为造粒，其目的在于改善起始 物料的一个或多个性质，如流动性、可加工性、起尘性、强度、外观、溶 解性、抗离祈性等。目前造粒操作被j “泛应用于化肥、矿冶、陶瓷、燃料、 医药及食品等相当多的工业中。常用的造粒方法主要有烧结造粒、转鼓造 粒、搅拌造粒、喷雾造粒和流态化造粒等。流态化造粒作为一项新型的化 工单元操作，是以水溶液或熔融物作为进料，将小颗粒涂层或粘结成较大 颗粒的过程，适用于多种化工产品的大规模工业应用。流态化造粒采用的 流态化设备通常有流化床、喷动床、喷动流化床等i k o 。 2 1 1 流态化造粒过程的生长机理 流态化造粒是将溶液或熔融液经喷嘴雾化后涂敷于在床层中激烈运动 的颗粒表面，在流化气的作用下，经蒸发、冷却、固化，使颗粒逐步长大。 一般认为有两种使颗粒粒度增大的方式，即层式生长和团聚式生长，而在 许多实际操作过程中，几种生长方式同时存在。 层式生长又可分为涂层式和喷涂式两种。涂层式生长是液体以液膜形 式涂敷于颗粒表面，在颗粒表面首先形成一层薄的液膜，然后经蒸发、冷 却、固化，形成一层新的涂层，如此在颗粒表面层反复涂敷，使颗粒逐渐 长大，形成“洋葱”式结构。喷涂式生长是喷入床层的液体被喷嘴雾化成 为微细液滴，喷涂于颗粒表面，经快速蒸发、冷却、固化后，在颗粒表面 堆积而形成一层不连续的薄膜。因此，喷涂式生长形成的涂敷颗粒，表面 比较粗糙。 颗粒以涂层式或喷涂式生长，粒径变化缓慢，易于实现稳定操作，所 得颗粒球形度好，强度大，是一般流化床造粒所希望采用的颗粒生长方式。 当溶液或熔融液喷入流化床层涂敷于颗粒表面时，如果不能及时蒸发、 冷却、固化，由于颗粒问的相互碰撞，会通过“液桥”而粘结在一起。如 果液桥提供的粘着力大于由于重力、气流冲击作用引起的分散力，则液桥 干燥或冷却固化，形成不易破碎的固桥，从而将若干个初始粒子粘在一起 形成大的颗粒，这种生长方式即为团聚式生长。 颗粒以团聚式生长，粒径变化快，造成流化床内品种数目急剧减少， 不利于实现稳定操作，而且所得颗粒球形度差，表面粗糙，强度差，是一 般流化床造粒应避免的颗粒生长方式。 2 灭津科挫人学顺i 毕业论史 2 1 2 流态化造粒工艺流程 无论造粒器中采用何种具体流态化形式，其连续生产过程的工艺流程都 大致相似，一个简化了的喷动床造粒流程如图2 1 所示。热的料液由设在床 底的喷嘴唢入床中，形成喷雾区，循环的颗粒经过喷雾区时便会被涂敷， 随后在运动过程中被干燥或冷却。如此被多次涂敷和干燥后由床的溢流口 排出。排出床体的颗粒被筛分后，达到要求粒度范围的颗粒成为合格的产 品：大于要求粒度的颗粒被粉碎后和小于要求粒度的颗粒一起作为种核返 回造粒器中。保持一定比例和粒度分布的物料返回造粒器中是连续造粒过 程稳定操作的必要条件。 图2 1 喷动床造粒的简易流程示意图 2 1 3 流态化造粒技术实验研究与应用 1 9 7 4 年，荷兰氮素工业( n s m ) 公司在喷动床基础上进行了有关尿素 的造粒实验，生产能力为7 吨天【川；1 9 7 6 年完成了1 0 0 吨天的工业实验。 目前运行着的十多套n s m 专利技术的流化床造粒装置中，最大规模己达到 了2 0 0 0 吨天的生产能力【幢】。用射流喷动流化床对颗粒状物料进行涂敷造粒 的实验，还未曾见过相关报道。 2 2 对虾饵料进行涂敷造粒的目的和意义 近年来，养殖对虾业在全世界得到了迅速发展，究其原因很多，其中 对虾饵料的解决是一个非常重要的因素i ” 。从天然饵料发展到配合饵料的 过程中，对虾养殖业进入了指数增长阶段；然而随之而来的虾病，又使对 虾养殖业进入了相对的滑坡阶段。为了解决这一问题，大量的科研工作者 文献综述 从饵料入手，研究对虾的抗病机理：有的学者提出了人工鲜活饵料( 如蚕 丝、蛤、蝇蛆等) 能提高对虾的抗病能力，延缓病程，但是投喂鲜活饵料 成本较高，而且营养成分不完全。 对虾饵料在水中的稳定性，是衡量对虾饵料质量的一个重要指标，关 系到对虾的喂养效果，在一定程度上关系到饵料的饲料系数”】，甚至威胁 到对虾的正常生存。对虾饵料的水中稳定性差，会增加饵料的需求量，影 响养殖对虾的效益以及养殖水质的污染，使养殖水域营养化，造成水质污 染。近年来，对虾养殖出现了严重的虾病，与大量使用低质饵料，特别是 对虾饵料的水中稳定性差不无关系。因此，虾农需要水中稳定性好的饵料， 科研人员和饵料生产单位都对此进行了大量研究。 提高对虾饵料而j 水性，已成为饵料生产科研中的主要课题。目前，国 内生产的对虾饵料，般通过添加粘合剂来提高耐水性【】。使用海藻酸钠 作粘合剂，价格偏高，粘合力也不太强；使用动物胶( 骨胶、明胶) 作粘 合剂，粘接效果好，但价格高，工艺复杂；使用化学合成的粘合剂虽然具 有添加量小、保形时阊长、耐水性好的优点，但在对虾体内不能被消化分 解，造成饵料的消化率下降，甚至会粘阻肠内容物，对虾死亡，造成经济 损失。 鉴于上述情况，人们逐渐认识到用涂敷造粒法对对虾饵料进行薄膜包 衣，即喂养对虾包膜饲料，来提高耐水性，并取得了很好的效果。现在， 包膜饲料的生产就是通过选用优质的饲料原料，采用先进的饲料配方，对 饲料原料预粉碎和混合加工，进行颗粒包膜处理丽成。中国水产科学院黄 海水产研究所陈四清【哺】同志等曾用体长? m m 8 m m 、暂养处理5 天的对虾仔 虾进彳亍了分组实验，实验用饲料分别为卤虫、小杂鱼、商品饲料和包膜饲 料，结果如表2 1 、2 2 所示。 出表2 1 可以看出： 1 、生长情况以卤虫组最好，其次是包膜饲料组，商品饲料组好于小杂鱼组。 究其原因主要是饲料引起水质恶化程度对对虾摄食、生长产生了抑制； 2 、对虾成活率也以卤虫组最高，包膜饲料组次之，商品饲料组好于小杂鱼 组：观察认为主要是饲料溶于水后，引起水质恶化，出现病害造成的 表2 ，l 对虾的生长情况 包膜颗商品颗 饲料卤虫小杂鱼 粒饲料粒饲料 初长e m 0 9o 9o 9o 9 终长c m6 86 25 55 ，2 4 元津科技人学碗：【毕业论文 l = = l 增长率1 1 71 0 59 18 4 初重g 0 0 0 90 0 0 90 0 0 90 0 0 9 终重g 3 8 2 52 8 l1 ，8 9 51 5 3 日增重率7 5 7 1 55 5 5 7 53 7 4 23 0 1 7 5 饲料系数5 8 5 1 4 52 05 4 5 成活率 9 0 2 58 9 7 57 7 2 56 7 1 3 、包膜饲料组的饲料系数最小，商品饲料稍大，小杂鱼组更大，卤虫组最 大。包膜饲料和商品饲料的饲料系数明显低，主要是因为其水分含量低， 营养配比平衡；小杂鱼低于卤虫，主要是因为小杂鱼组对虾摄食量小， 生长慢死亡率高，相对地讲饲料系数降低了，卤虫组的饲料系数基本 正常。 表2 2 养殖过程中水质条件的变化 时间温度透明度c o dn h 4 - n 组别 p h ( 天)cc m ( m s 1 )( r a g 1 ) 自然海水 11 88 0 l 9 0o 8o o o 52 08 1 65 25 60 0 5 小杂鱼l o2 38 2 83 l1 4 4 1o 2 6 1 52 68 3 41 68 1o 4 9 52 08 1 54 l5 20 0 4 商品饲料 l o2 38 2 52 51 0 5o 2 l 1 52 68 3 l1 l1 5 30 4 1 52 08 1 45 84 6o 0 2 包膜饲料 1 02 38 2 03 69 10 1 l 1 52 68 2 42 81 3 70 2 8 52 08 1 07 54 10 0 1 - 卤虫l o2 38 1 55 68 7o 0 8 1 52 68 1 93 91 2 8o 2 1 从表2 2 可以看出，在1 5 天仅仅吸底，补充海水的实验条件下，各组 水体的透明度在逐渐下降，水体的p h 值在逐渐增加，这种变化对对虾饵料 不利，有的都达到了有害的程度。由以上人们得出以下结论： 】、实验中对虾生长的差别，主要是由饲料营养质量和饲料对水体环境的影 响决定的； 2 、包膜饲料和商品饲料营养全面配比平衡，其饲料系数远低于卤虫和小 杂鱼： 文献综述 3 、卤虫活体对水体污染小，最有利于水体环境稳定，是导致对虾生长最好 的主要原因。包膜饲料由于包膜的处理，大大提高了水中稳定性，相对 于商品饲料和小杂鱼，对水体污染小，不易引起病害发生，是其生长结 果仅次于卤虫的直接原因。 4 、由于包膜饲料可以稳定供应，价格波动不大，使用效果接近于活饵，建 议在对虾幼苗高密度暂养和水泥池密度高密度养成前期使用包膜饲料， 有利于保持水体环境，预防疾病发生。 综上所述，包膜对虾饵料的耐水性在价格波动不大的情况下得到了大 大改善，对虾饵料加工工艺、加工设备的重要性日益突出，人们越来越倾 向于利用加工工艺、加工设备的改善来解决对虾饵料的耐水性问题【l ”。 2 3 射流喷动流化床简介 射流喷动流化床技术是在喷动床技术的基础上，通过加入气体分布板， 参考气一液一固三相流的原理，在较高喷动速度的条件下，对颗粒状、粉 状物料进行包衣或涂敖造粒等操作的方法。 2 3 1 喷动床 喷动床( s p o u t e db e d ) i g l 1 9 1 作为流态化技术的一个分支，始于2 0 世纪 5 0 年代初期的加拿大，其主要特征如图2 。2 所示。喷动床内装有相对粗大 的颗粒( 一般粒径 l m m ) ，流体( 通常是气体) 经由位于圆锥形底部中一t l , 处的一个小孔( 喷嘴或孔板) 垂直向上射入，形成一个随流体流速的增加 而逐渐向上延伸的射流区。当流体喷射速率足够高时，该射流区将穿透床 层而在颗粒床层内产生个迅速穿过床层中心向上运动的稀相气固流栓 ( 称为喷射区) 。当这些被流体射流夹带而高速向上运动的粒子，通常环 绕其四周缓慢向下移动的颗粒床层( 称之为环隙区) ，升至超过床层表面 一定高度时，由于流体速度的骤然降低，颗粒会像喷泉一样因重力而回落 到环隙区表面，形成喷泉区【2 0 1 1 2 ”。这些回落的颗粒沿环隙区缓慢向下移动 至床层下部，然后，又渗入喷射区被重新夹带上来，从而形成颗粒的极有 规律的内循环。具体表现为： 1 、喷射区内物料的轴向高速运动，该区域就如同固体物料的稀相输送； 2 、喷泉区内物料的减速运动，就如同常见的喷泉； 3 、环隙区内密相物料的低速运动，就如移动床一般，但其中既有轴向运动， 又有径向运动。 6 天津科技大学硕十毕业论文 气体出口 气体运动轨迹 ，物料运动轨迹 图2 2 喷动床的物料运动示意图 喷动床作为一项近几十年发展起来的新技术，已经广泛用于许多固体 物料的处理，如大颗粒物料的干燥、造粒、涂敷、非均相反应、煤的碳化 和汽化、加热或冷却等领域。随着对喷动床技术研究的不断深入，一些特 殊的应用己在实验室中或中试规模下进行，例如，干燥和涂敷药片、在高 温下对核燃料微粒涂敷、热解碳或碳化硅，在尿素颗粒上涂硫磺以降解其 水溶性等，应用范围越来越广泛。 2 3 2 喷动流化床 喷动流化床作为喷动床的一种改进类型，是通过平板或倒锥分布器向 喷动床环隙区通入气体，经喷管喷入床中的喷动气和由分布板进入床中的 流化气两股气体共同作用，使环隙区颗粒流态化，形成喷动流化床。喷动 气和流化气需在一定的配比范围内才能形成良好的喷动流化现象( 如图2 3 所示) 。这样，喷动流化床克服了流化床只能处理颗粒物料的局限性，能处 理大颗粒物料；同时，它又获得了比标准喷动床更有效的气凰接触和混合， 不会出现平底喷动床底部存在的局部“死区”。目前，喷动流化床技术在谷 物及浆状物的干燥、离子交换吸附、无机颗粒的烧结、颗粒涂层、造粒等 2 2 1 2 3 】【2 4 许多方面都获得了日益广泛的实际应用。 文献综述 气体出口 板 一 气体运动轨迹 一 物料运动轨迹 图2 3 喷动流化床的物料运动示意图 2 3 3 射流喷动床 射流，作为一个技术用语，用于干燥业是指在高速气流的作用下( 低 于声速) ，气固两相或气液固三相发生的强烈混合f 2 5 】【2 6 】；同时，在整个床内， 中等的表面气速可能低于刚出现流化时的最小流化速度。在最小流化时， 重力作用要大于此时气流产生的压力梯度的作用。射流床的特性主要取决 于气体分布板上开孔和喷嘴的位置，只要有j f 确的结构参数和操作参数， 就不会发生腾涌、沟流现象，也不会出现“死区”和“聚集”。 射流喷动床正是射流原理在喷动床基础上的一个具体应用，其结构与 工作原理与喷动床相似；它是在喷动床的基础上，增加喷动气速，同时降 低喷动床的高度，增强传热传质系数，提高能量的利用率。一般情况下， 射流喷动床的喷动气速是最小喷动速度的1 7 倍左右，床层空隙率高达 0 7 5 0 9 。射流喷动床尤其适用于悬浮液的干燥【2 7 1 1 2 8 1 1 2 9 1 ，具有不同与喷动 床的流体力学特性，对于一个锥体部分较浅的系统，需考虑物料的稳定性、 进料系统的影响等。射流喷动床曾成功用于抗菌药悬浮液的干燥，有关文 献【3 0 】【3 l 】 3 2 l 介绍，对z n 抗菌药的干燥，用喷雾干燥器和射流喷动床干燥器 进行比较，结果发现，射流喷动床有更高的体积利用率，因此减少了设备 投资，同时产品质量更可靠，也克服了喷动床只能干燥化学物质和食品的 局限性，用于涂敷造粒有着广泛的应用前景。 2 3 4 射流喷动流化床 射流喷动流化床是综合了喷动床、喷动流化床、射流喷动床的特点， 尤其适合于粉状物料微胶囊化、颗粒涂敷造粒的一种新型喷动床；与喷动 8 懈川州州v。嗣州n 区射 堕 天津科技大学硕士毕业论文 流化床相比，具有以下三个特征： 1 、喷动气流速较高： 2 、气、液、固三相流相对运动，如包液被压缩空气雾化，涂敷在要包衣或 造粒的固体颗粒表面，颗粒在喷射区、喷泉区、环隙区有规律地循环， 热的流化气给已经包衣的物料湿表层提供热量并将其干燥： 3 、具有比较低的喷动床高h 和较高的固体颗粒空隙率e 。 2 4 射流喷动流化床用于涂敷造粒时的工作原理 尾气 射流空气 料 图2 4 射流喷动流化床涂敷造粒时的工作原理 同喷动床造粒的工艺流程图类似，液态的包液在压缩空气作用下，以 雾状进入处于流态化运动的喷动床中；流化气加热后，真接通过气体分布 板进入喷动床底部的环隙区，使环隙区物料流化起来，如图2 4 所示。较高 的喷动气速u 。，较高的床层空隙率e ，较低的床高h ，较高的传热传质系 数，较高的热效率，是射流喷动流化床的典型特征。由于射流喷动流化床 在一定的操作范围内才能获得稳定操作，所以实际应用过程中必须考虑诸 多方面因素。 2 4 1 影响射流喷动流化床涂敷造粒的主要因素 影响涂敷造粒产品的因素很多，大致可分为物性因素和操作因素两大 类。其中物性因素包括物料特性如粒度分布、密度、附着力、亲液性、保 液性、结合剂量和种类等，以及包液特性如包液量、溶媒种类、包液浓度、 包液粘度、表面活性剂浓度、可塑剂浓度、结合力等。而操作因素包括： 1 、粘合液或涂层液。它包括喷雾速度、喷雾量、喷嘴数、喷雾液压力、喷 雾空气量和喷嘴直径、喷雾距离和角度等。 2 、造粒或涂层装置。它包括气体分布板形状、开孔率、进料量和流动状态 等。 9 史献综述 3 、喷动介质。它包括气体量、入口温度、出口温度、入口湿度、出口湿度 等。 为了制取所需要的涂敷造粒制品，必须对影响产品的物性因素、操作 因素进行相应的选择和控制。 2 4 2 射流喷动流化床用于涂敷造粒时的特点 l 、喷射区物料空隙率大，可以有效减少颗粒团聚： 2 、在喷射区、喷泉区、环隙区内，颗粒进行有规律的循环运动，有利于实 现颗粒的均匀涂层生长； 3 、涂敷造粒过程中，传质和传热过程集中在喷射区内完成，有利于控制操 作参数和调节产量： 4 、本实验添加导向管，可以增加床层高度，减少流化气用量。 2 5 射流喷动流化床的主要技术参数 2 5 1 最小喷动速度 喷动床形成喷动的条件是物料在高速气流的作用下穿过喷射区到达床 面时仍有一定速度，足以形成喷泉f 1 。在喷动床内，喷动仅发生在一定的 气流速度范围内，并与床身几何尺寸、流体和固体颗粒的特性等因素有关。 最小喷动速度“。就是能维持喷动的最小气流速度，因此，研究最小喷动速 度就有非常主要的意义。 - 由于问题的复杂性，目前还缺乏可靠的通用关联式计算最小喷动速度。 对柱体直径小于o 5 m 的喷动床，无论有无倒锥，一般认为m a t h u r 和g i s h l e r 提出的经验关联式【3 4 】是最简单且应用范围最广的： 恻舭陋kp习l ， 其中：d 颗粒直径；( m ) d 一一喷动床柱体部分直径；( m ) d 喷动气或喷嘴入口直径：( m ) h 。一一床层高度；( m ) 凤颗粒密度；( k g m 3 ) p ，喷动介质密度；( k g m 3 ) 适用条件是： 天津科技人学坝f ：毕业沦史 ( 1 ) 空气或水作为喷动介质； ( 2 ) 柱体直径在7 6 m m 3 5 0 m m 之间。 对于直径大于o 5 m 的喷动床，式( 2 一1 ) 就会低估最小喷动速度。此 时，一个近似的方法就是把由此计算的最小喷动速度乘以2 o d 倍( d ，的 单位是m ) 。近年来研究还表明，式( 2 - 1 ) 不能很好地考虑床层温度升高使 流体粘度降低而造成对最小喷动速度的影响。 特定喷动床床型中，某物料在最大床高下的最小喷动速度，称为最小 喷动速度的最大值“。 3 5 】【3 6 】。一般，“。与最小流化速度“，紧密相关。对于特 定物料有：堕b 0 91 5 3 7 】【3 8 】【3 9 】；比值b 取决于物料种类及喷动床的结 “， 构。对于特定的喷动床柱体直径与入口直径之比，随着柱体直径的增加，b 逐渐减至1 ：对特定的柱体直径，随入口直径的增加，b 则逐渐增至1 5 1 4 。 2 5 2 最大喷动压力降 稳定喷动时的压力降卸。决定了风机压头，在实践中有重要作用。喷动 床床层压力降由两方面因素组成：喷射区内物料呈稀相顺流向上运动，环 隙区内物料逆流向下运动。气流进入床层后除向上喷动外还不断地向四周 环隙区扩散，其垂直方向的压力梯度从进口处的零到顶处的最大值。 喷动床开始喷动时，需破坏床身物料的排列及推动在喷口上方的颗粒 向上运动以致形成最大压力降：一旦喷动形成，压力降会突然降低，这也 是喷动形成的标志。计算最大压力降的公式均以实验数据为基础，经验关 联式为： 卸。，= b 挫一px 1= 玩p 佴 ( )t-or)g g 2 - 2 其中，p 。形成喷动过程中的最大压力降；( p a ) h 床层高度；( i t i ) p 松物料松密度；( k e , m 3 ) p ，喷动介质密度；( k g m 3 ) 占床层空隙率； p a 物料真密度：( k g m “ 鉴于最大喷动压力降的理论公式和大量的实验研究，得出有关最大喷 动压力降的几个经验性结论： 1 、最大压力降主要依赖于最初床层物料紧密程度和迸气口直径： 2 、当床层高度h 大于0 2 m 时1 4 “，最大压力降与气流量无关； 3 、床壁的粗糙程度与锥角大小不影响最大压力降值。 文献综述 2 5 3 最大喷动床高 当床层高度h 。高于最大喷动床高h 。时，无论如何调节喷动气速都无法 形成喷动床，而是直接形成鼓泡床或腾涌床。因此，最大喷动床高是设汁 喷动床的一个重要参数，它直接涉及到一个喷动床所能处理的最大物料质 量。物料高于该高度时，喷动床将不稳定而被破坏，主要原因为： l 、环隙区物料出现流态化，气体由喷射区向坏隙区的渗透，使环隙区 内上升气流的速度随床层高度而增加，当床层高度达到某一上限时，最上 层物料会出现流态化： 2 、喷射区的窒息； 3 、环隙区与喷射区界面处表面不稳定性波的成长。 对常温下不规则颗粒的气固喷动床的最大喷动床高，通常采用的公式 为【4 2 】： 一。= 等乃了5 2 8 b 2 v - 丽一f 沼， 其中，b = 1 1 1 ； a r ：d 如，f k ! ： d 。物料颗粒直径；( m ) p 。物料密度；( k g m “ 矶喷动介质密度；( 堙m 3 ) p 喷动介质动力粘度：( 培m s ) 2 5 4 床层空隙率 喷动流化床从其流体及固体颗粒的运动形式上可划分为中心区域的喷 射区和外层的环隙区。喷射区流体流速相当大，一般在2 0 m s 以上m ”，固 体颗粒以稀相输送状态快速向上运动，固体颗粒含率很小；而环隙区的气 速较小，一般为1 2 州s 【4 ”。固体颗粒一方面在环隙区内部进行着由气泡引 起的上下循环运动，一方面又进行着从环隙区到喷射区的总体循环运动， 所以喷动流化床总体气固形式更接近于喷动床形式，这样造成了床层空隙 率分布的不均匀性，使得空隙率在径向上有较大的梯度 4 5 1 4 “。 对于标准喷动床柬 兑，环隙区空隙率与松装固定床相近，且环隙区空 隙率沿径向分布变化不大，但环隙区空隙率为全床最小的。然而对于喷动 天津科技大学硕j 二毕业论文 流化床，由于流化气的导入，环隙区的空隙率比相应松装床的空隙率要明 显大，环隙区空隙率沿径向的分布曲线不像标准喷动床平稳，而是出项了 一些小的起伏，此时坏隙区空隙率不再是全床最小的。 2 6 本课题研究的主要内容 本文以提高对虾饵料的耐水性为出发点，突破原来的搅拌、加热、f 燥、冷却的繁琐步骤，采取射流喷动流化床一步造粒法，对对虾饵料进行 酸性甲壳素的喷涂和 i 燥实验。在射流喷动流化床中，对对虾饵料进行涂 敷造粒，研究射流喷动流化床的流体力学特性，并通过实验数据回归，得 出最小唼动速度的经验关联式和最大喷液量的计算公式。 运用新型装置将对虾饵料涂敷造粒，不仪是养殖企业对国家水体环境 环保的应诺，同时对水产业来讲具有巨大的经济效益和社会效益。 实验袈置与工艺流程幽 第3 章实验装置与工艺流程图 3 1 工艺流程图 实验工艺流程图如图3 1 所示。喷嘴雾化气由压缩机( 6 ) 提供，经转子流 量计( 8 ) 、汽液分离器( 7 ) 后，经双流体喷嘴( 9 ) 将蠕动泵( 2 ) 提供的包液雾化， 喷射进入射流喷动流化床( 1 2 ) 中；流化气经空气过滤器( 3 ) 过滤、加热器( 4 ) 加热后，由温度控制仪( 5 ) 读取温度，通过气体分布板( 1 0 ) 进入射流喷动流化 床中将环隙区物料流化；物料在喷动床中循环，包液的包衣和热流化气的 干燥同时进行，喷动气、流化气的废空气经过空气滤器( 2 ) 后排放在大气中。 3 2 实验装置 本实验装置出包液系统、热空气流化系统、射流喷动系统组成和气固 分离系统组成，其核心部分是双流体喷嘴。喷嘴和热风进口均设在射流喷 动流化床的底部，雾滴与热风开始接触时，是最湿的物料与最高温度的热 风相接触，包液的干燥速度基本上属于恒速干燥阶段，物料表面的温度等 于热风的湿球温度而低于热风的温度，这样水份迅速被汽化，物料表面被 包敷层薄膜并被快速干燥，同时作从喷射区、喷泉区、环隙区的循环运 动，热风温度也急剧下降：待到物料表层的薄膜被干燥后，热风的温度也 降低了，所以产品的温度较低。 3 2 1 床体 床体由射流喷动室、气体分布板、流化气气室组成，材质为有机玻璃。 床体射流喷动室柱体部分内径由2 3 0 m m ，高度1 6 m ：锥体部分高1 5 0 m m ， 锥角4 6 7 。热空气流化气室为巾9 0 0 m m 、高1 5 0m i l l 的圆柱室。 3 2 2 流化系统 - 流化系统由过滤器、电加热器、温度控制仪、流化室和气体分布板组 成，通过电加热器将空气加热到实验所需温度后，热空气进入流化室，经 气体分布板均匀进入射流喷动流化床的环隙区，将环隙区物料流化起来。 本实验所用气体分布板由厚6 m m 的有机玻璃制作，开孔率8 ，孔径中 1 5 r a m ，按正三角形排列，如图3 2 所示。中心部分是巾2 0 m m 的喷射区， 为喷嘴的雾化包液进口：外围部分为热流化气的分布区，即气体分布板的 核心部分。 射流喷动流化床中，设置气体分布板的主要作用是： 1 、支撑要包农的物料； 2 、分散气流，使热流化气通过气体分布板后得到均匀分布。 天津科技大学硕士毕业论文 i7 2 、亏， n 上j r 世一囟一射流喷动系统 图3 1实验装置流程图 离系统 i 、包液罐；2 、蠕动泵：3 、过滤器；4 、加热器： 5 、温度控制仪：6 、压缩机：7 、气液分离器： 8 、流量计；9 、双流体喷嘴； 1 0 、气体分布板； 1 1 、导向管：1 2 、射流喷动流化床；1 3 、旋风分离器 1 4 、引风机； 实验袈置与工岂流程国 ， 蔼赢蕊三 i ( l 心以_ 图3 2 气体分布板工作区示意图 1 、流化气孔；2 、喷射区：3 、流化区 3 2 3 包液及雾化系统 图3 1 3 双流体喷嘴 1 ，雾化液出口；2 、喷嘴主体； 3 、料液进口；4 、压缩空气入口。 此射流喷动流化床的核心部件是喷嘴即雾化器。本实验根据双流体喷 嘴适于处理粘度较高的物料的特点，采用内混式双流体喷嘴，如图3 3 所示。 其中，有个液体通道和气体通道，压缩空气经压缩机后从喷嘴的中, b , t l 进入，料液经过滤后在蠕动泵的作用下从喷嘴主体一侧的料液接管被吸入， 在喷嘴内部混合室中接触并雾化，雾滴群从喷出i ：1 喷出。 3 3 测试方法及手段 3 3 1 最小喷动速度 、 最小喷动速度u 。是通过测得的最小喷动时压缩空气和流化空气量之 天津科技大学硕士毕业论文 和u 。除以导向管截面积a d 计算得出。即： 铲盎 。 u m = u m s + u m f ( 3 - 2 ) 铲半 ( 3 3 ) u 叫= “彬4 ， ( 3 - 4 ) 式中：u m 。最小喷动速度( m s ) ； u 。最小喷动时压缩气和流化气量之和( m 3 h ) ： u 。最小喷动时压缩空气流量( m 3 1 1 ) ： u 。f 最小喷动时流化空气流量( m 3 h ) ； a d 导向管截面积( m 2 ) ； d d 导向管内径( m ) ；本实验中导向管内径d d = 0 ，0 3 9 m 。 u m f 最小喷动时流化气速度( m s ) ；， a f 流化部分截面积( m 2 ) ； 本实验采用电子微压计测量热空气的流化速度。测定最小喷动气流量 u 。；时，首先固定流化气流量u f ，然后增大喷动气流量u ；，使床中物料达 到喷动状态，接着逐渐减少喷动气流量，当喷动突然塌陷、压降突然增大 时所对应的喷动气流量即为最小喷动气流量u 。 3 3 2 喷泉高度 1l 工f j l ( 酚：环隙区 ：喷动区 ：喷泉区 气体 图3 4 喷泉高度h ，的测量 实验装置j _ t 岂流程图 喷泉高度h ，为环隙区顶部距离喷泉区最高点之间的距离，由喷动床外 壁上的标尺读取。达到稳定喷动时记录环隙区顶部刻度h ，与喷泉区顶部刻 度h 2 ，然后计算其差值( 如图3 4 所示) ，即： h ，2 h i h 2 ( 3 - 5 ) 式中：h ，喷泉高度； ( d i n ) h l 喷泉区顶部刻度：( m m ) h 2 环隙区顶部刻度： ( m m ) 对喷泉高度的测量，采用目测法：当床层高度较低时，目测误差非常 小，在5 m m 以内，而所测量的喷泉高度一般都超过1 0 0 m m ，因此相当误差 较小；当床层高度达到一定高度时，喷泉高度有些不太稳定，有起伏现象， 此时喷泉高度的起伏范围在2 0 0 m m 以内，本文取喷泉起伏范围的中点作为 喷泉高度，减小了误差，测量误差在1 0 以内。 3 3 3 包液的体积流量 包液供给所需动力用蠕动泵提供，调节蠕动泵的流量，保证包液不堵 塞喷嘴，此条件下尽可能增加单位时间的供给量，提高造粒的效率。 3 3 4 物料松密度、真密度、空隙率 用量杯量取一定体积的物料，用天平称取物料质量，即可直接计算得 出物料松密度；用与物料不相溶的溶液测定物料实际体积，即溶液中放入 物料之前和之后的体积差( v l v 2 ) ，物料质量就是溶液放入物料之前和之 后的质量差( g l - g 2 ) ，从而求出其真密度。即： p 桎= ；等 ( 3 6 ) r 1 2 - 肾褊 。 式中： p 。物料松密度；( k g m 3 ) p 盥_ 物料真密度；( k g m 3 ) g 松松散物料的质量：( k g ) 松散物料的体积；( m 3 ) g l 放入物料之后溶液的质量：( k g ) g 2 放入物料之前溶液的质量；( k g v i 放入物料之后溶液的体积；( m ) v 2 一一放入物料之前溶液的体积：( m 3 ) 而物料的空隙率直接由公式( 3 - 8 ) 计算得出： 灭津科技大学颂i 。毕业论史 ：丛 ( 3 - 8 ) 尸n 3 3 5 热效率 。t i 燥操作的热效率表示干燥器的热利用程度，热效率越高，热利用程 度就越好。干燥介质所携带的总热量，只有一部分在于燥器内放出，为物 料下燥所利用，其余部分则被尾气带走。因此，用于水份蒸发和物料升温 的热量与热风所提供的总热量的比值，就是射流喷动流化床的热效率。热 效率是把握生产中的经济原则，是降低成本、节约开支的主要依据。本文 中射流喷动流化床的热效率用下式计算： 町2 等枷蝴 式中： n 热效率：( ) t h 室温：( ) t 。热空气进口温度；( ) t 。厂引风机出口温度；( ) 引风机出口温度由数字点温仪测得，热空气温度可从电加热器上的数 显调节仪读取，室温直接测量得到，由此计算得出射流喷动流化床的热效 率为： ”：垒二血1 0 0 ：8 2 - 4 7 1 0 0 ：5 4 6 8 7 ( 3 1 0 ) 。t 。一“ 8 2 1 8 与热效率相配合体现下燥设备生产能力的另一个重要参数为干燥强度 n ，它的计算公式为： ：m 也二蛆( 3 1 1 ) v 式中： n t 燥强度；( k g m 3 s ) m 进料量( 湿料) ；( k g s ) v 下燥器体积；( m 3 ) w 0 初始含水量( 湿基) ；( ) 1 w 。终含水量( 湿基) ；( ) 本实验为间歇式操作，进料量由物料质量与包衣时间之比来计算：干 燥器体积就是射流喷动流化床喷动部分的体积，造粒开始8 分钟时取样的 含湿量作为初始含水量，造粒结束时取样的含湿量作为终含水量。由此计 算所得射流喷动流化床的干燥强度为： 实验装置j t 艺流程蚓 ：m 掣= o 1 0 8 x 0 5 2 7 8 - 0 0 9 8 5 ；o 3 0 4 8 ( 3 - 1 2 ) 矿001662 。 3 4 实验仪器与实验物料特性 表3 1 实验用芋要仪器一览表 仪器名称型号制造厂家 压缩机z b 0 1 2 7上海力霸机械有限公司 转子流量计l z b o 2 5天津市自动化仪表十四厂 蠕动泵r d b 1 2张家港市仪表仪器总厂 光学读数分析天平 t g 3 2 8 b湘仪天平仪器厂 读数显微镜j c d i杭州光学仪器厂 数显调节仪 x m t 浙江余姚长城仪器厂 电子微压计 f l 1 0 0深圳江阳光电有隈公司 风速测定仪翰5 0 0北京双睦和科贸有限公司 台式干燥箱 d ( 2 0 0 0 2重庆实验设备厂 数字点温仪s d w - c天津交通电子仪表实验厂 激光粒度分析仪 h 。9 2 0 0济南微纳仪器有限公司 大型数据记录仪 j g x 2 上海动力机械厂 总之，本实验采用电子微压计测量环隙区和喷射区压降、测量床体内 部风速：采用风速测定仪测量电加热器进口风速、温度和湿含量；用光学 读数分析天平捌量对虾饵料浸泡前后的质量，用读数显微镜测量对虾饵料 包膜前后及包膜过程中的直径变化，根据公式直接计算饵料的溶失率。实 验中所用测试仪器如表3 1 所示。实验物料为对虾饵料、谷物、芝麻籽，其 物理性质如表3 。2 所示。 表3 2 实验物料的物性参数表 实验物料粒径( 等体积球颗粒松密度颗粒真密度 直径) d ( m m )p * ( k g m )p “( k g m 1 ) 对虾饵料 2 6 2 4 5l 。2 1 6 2 82 1 1 5 2 7 谷物 1 5 2 6 7d 9 1 71 3 7 3 6 芝麻籽 l ，2 7 5 90 6 0 8 4 01 1 0 1 4 白菜籽 1 2 6 8o 5 4 2 6 8 1 1 1 7 7 天津科技人学硕上毕业论文 第4 章实验结果与讨论 4 1 射流喷动流化床的流型 射流喷动流化床是在较高的喷动气速条件下，通过降低喷动床柱体部 分高度，同时改变喷动床床型，加入流化气，使其具有与喷动床不同的流 体力学特性。射流喷动流化床与喷动床相比，具有较高的床层空隙率e ， 较高的物料速度，其物料的循环对照表如图4 1 所示。尽管在两个系统中物 料都能获得有规律的循环，但在改型后的射流喷动床中，不仅具有较高的 气固传质速率。物料的循环时间也大大减少，提高了传热传质系数和热量 利用率。 2 i 实验结果与讨论 粒产生位置移动，床层处于静止状态，气流从颗粒的间隙通过床层，即为 固定床阶段。当喷动气流量较小而流化气流量大到一定程度时，床层表现 为流化床现象，一部分气体形成气泡，在床中迅速上升并发生聚并，在床 面处破裂，颗粒处于剧烈的搅动之中，形成流化床。当流化气流量较小而 喷动气流量大到一定程度时，形成喷动床，气体在颗粒中，心穿透床层形成 喷动区，颗粒被喷动区气体夹带抛出床面，随后自由下落，形成稳定的喷 泉，落回床面的颗粒，以自身重力向下移动，形成环形的移动床，环隙区 没有气泡产生，床底局部存在有“死区”。当喷动气流量增大到大约最小喷 动气流量的1 7 倍，而流化气流量增大到足以使环隙区颗粒流化时，便进入 射流喷动流化状态，这时射流喷动流化床中央区域喷动区仍然存在，喷泉 比普通喷动床的喷泉要高，喷射区和环隙区都有很大的颗粒孔隙率，这也 是射流喷动流化床具有较高传热传质系数的主要原因；颗粒在环隙区虽然 受到气泡的搅动与夹带，但总体的运动还如同喷动床的颗粒一样在环隙区 向下移动。当喷动气流量与流化气流量都很大时，由中央喷动区扩散到环 形区的气量增加，且环形区气泡的上升及聚并都加剧，这样，气泡在未上 升到床面时便聚并到整个床径的大小，将床层整体托起而形成腾涌床。 4 2 喷射区与环形区的压降 对于导向管射流喷动流