（食品科学专业论文）新型喷动床干燥油菜籽技术的研究.pdf

p f 本人 独立进行 本论文不 对本文的 标明 本 学位论文作者签名 教膨经 日期 卿 月i t h k k 卜 一 7 一 江苏大学硕士学位论文 摘要 干燥器的发展方向是大型化和新型化 喷动床由于具有传递效率高 适用于热 敏性物料 可用于多种单元操作的优点 引起了国内外学者的广泛关注 到目前为 止 喷动床已经具有多种结构形式 但是传统的柱锥型喷动床用于粮食干燥器在大 型化和提出新结构形式方面仍有许多问题值得研究 导向管喷动床是传统喷动床的发展 具有消除喷动区和环形区交互流 颗粒适 应性提高 压降减小 最大床层高增加等优点 但在导向管喷动床放大过程中 受 喷泉布洒区域的限制 柱体直径难放大 为解决此类问题 提出了旋转导向管喷动 床和支管式旋转导向管喷动床的新型结构 以油菜籽为原料 研究其流体力学特性 干燥动力学性能和优化的干燥工艺 主要研究内容和结论如下 1 设计制造了油菜籽旋转导向管喷动床干燥器 喷动床的内径为4 0 0 m m 高 为7 0 0 m m 锥体部分锥角为6 0 气体入口管内径为4 0 m m 所用导向管的内径为 4 0 m m 机械驱动的导向管横梁的转速为1 6 r m i n 为揭示此床中的气固相运动规律 以油菜籽为试验物料 进行了流体力学性能试验 考察了风速 0 一2 6 m s 和床层 压降的关系 导喷距 4 0 8 0 m m 和起喷压降的关系 导喷距对喷动量与表观风速 关系的影响 导喷距对加料量与喷动量及压降关系的影响 得到了相应的关系曲线 和规律 导喷距在4 5 7 5 m m 范围内变化时 起喷压降依次由1 5 k p a 变化到1 4 4 k p a 风量在5 7 1 0 5 m 3 标态 后同 h 范围内 固体喷动量为5 2 1 一1 0 3 k g m i n 2 研究了新型旋转导向管喷动床油菜籽干燥的动力学过程 测定了新型喷动 床中油菜籽干燥的粮温一时间和水分一时问两种干燥曲线 分别研究了风量 风温 导喷距 加料量等对干燥曲线的影响 研究表明 以上四个因素对干燥速率和粮温 有显著影响 3 在旋转导向管喷动床上进行油菜籽的恒温干燥试验 选取风量 加料量 风温和导喷距等因素 范围分别为5 1 8 8 n m 3 h 1 0 1 3 k p a 0 c 1 0 3 0 k g 8 0 1 1 0 和4 5 8 0 m m 以单位质量水分能耗为指标进行试验 根据单因素试验的结果 固定导喷距 按b 3 4 正交试验方案进行优化试验 试验结果表明 优化工艺参 数为空气流量5 8 n r n 3 h 热空气温度8 0 c 菜籽装量2 0 k g 优化工艺下的能耗为 3 0 1 8 8 k j 堍水 只有风量财能耗有显著影响 用s p s s 软件处理正交试验数据 得到 干燥能耗与风温 风量及加料量问的回归方程为 e 0 9 5 6 5 8 0 7 a 4 9 9 2 8 b 2 4 5 7 7 c 江苏大学硕士学位论文 r 2 0 7 3 1 f 4 5 2 5 p 0 0 6 9 a 取0 1 a b c 系数的t 值分别为0 4 2 3 6 1 2 0 5 9 3 4 设计制造了支管式旋转导向管新型喷动床 与导向管相连的支管共四层 每层三支 相邻两层支管的垂直距离为1 5 r a m 且相邻两层支管在水平面上投影的夹 角为6 0 0 支管内径为2 0 m m 支管水平方向上按2 0 表面积两侧对开了一排内径为 4 m m 的小孔 喷动床其余结构同 1 以油菜籽为试验物料 进行了流体力学性能 试验 考察了不同导喷距下不同支管开孔率 此指孔的开放率 时风速和床层压降 的关系 不同导喷距下的起喷压降 不同导喷距下最小喷动速度 不同导喷距对风 速和固体循环量关系的影响 正常喷动时不同导喷距下的风量与压降关系 导喷距 在4 5 8 0 m m 范围内变化时 起喷压降依次由0 9 0 3 k p a 变化到5 0 2 k p a 风量在5 7 1 0 5 m 3 标态 后同 h 范围内 固体喷动量为1 1 4 一7 0 9 k g m i n 5 以油菜籽为试验物料 选择风温6 0 1 4 0 风量5 8 8 8 n m 3 h 导喷距 5 0 8 0 m m 及开孔率0 1 分别进行了单因素试验 分别以单位质量水的能耗 干燥 终了时油菜籽的最高温度和干燥过程中油菜籽在喷动床柱体中的平均温度为试验指 标 对支管式旋转导向管按l l 4 5 正交试验设计方法进行了风温 风量 导喷距及 支管开孔率四因素四水平的正交试验 得到最优能耗干燥工艺为 风温1 3 0 c 标态 风量为8 8 n m a h 导喷距7 5 m m 开孔率2 届 最优能耗低于2 8 7 1 2 k j k g 水 分析表 明 在试验范围内 因素风温和导喷距对能耗的影响高度显著 其他因素对能耗的 影响不显著 以菜籽的温度监控干燥品质 试验表明在最低能耗情况下 菜籽最高 温度低于5 0 3 对比 3 的能耗3 0 1 8 8 k j l g 水结论 带支管的旋转导向管喷动床 的能耗要小 预示支管的引入能够降低干燥能耗 可考虑用于放大柱锥形喷动床 关键词 喷动床 放大 干燥 旋转导向管 带支管旋转导向管 油菜籽 江苏大学硕士学位论丈 t h eg o a lo f d e v e l o p m e n to fd r y e r si st ol a r g e s c a l ea n dn e w s t y l e dd r y e r s f o ri t s a d v a n t a g e so fh i g h e rt h e r m a l e f f i c i e n c y c a p a b i l i t yo fd e a l i n gw i t hh e a t s e n s i t i v em a t e r i e l a n dc a l lb eu s e di nm a n yc h e m i c a lo p e r a t i o n s s p o u t e db e dh a sb e i n gs t u d i e de x t e n s i v e l y f o rm a n yy e a r s u pt on o w t h e r ea r em a n yk i n d so fs p o u t e db e d sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e s b u ts t i l lt h e r ea r em a n yp r o b l e m st os t u d yf o rp u t t i n gf o r w a r dt h en e w s t y l e da n d s c a l i n g u pc o n v e n t i o n a ls p o u t e db e d c s b s p o u t e db e d 谢t hd r a f tt u b ei sag o o dt y p eo fs p o u t e db e d i t ss p o u t i n gr e g i o na n d a n n u l a rr e g i o ni ss e p a r a t e db yd r a f tt u b et ov o i dp e r c o l a t i n gf r o me a c ho t h e r i tc a l ld e a l w i t i ls m a l l e ro rl a r g e rp a r t i c l e s i n c r e a s et h em a xh e i g h to fl o a d i n g d e c r e a s ep r e s s u r e d r o p i ti sd i f f i c u l tt os c a l e u pt h es p o u t e db e di nd i a m e t e rb e c a u s et h el i m i t a t i o no fs p r i n g d i s t r i b u t i n g t h u sw ep u tf o r w a r dak i n do fr o t a t i n gd r a f tt u b es p o u t eb e d r d t s b a n d r o t a t i n gd r a f tt u b es p o u t e db e dw i t ha c c e s s o r yt u b e s r d t s b a t t h ef e a s i b i l i t yo ft h e t w on o v e ls t r u c t u r e sh a sb e e ns t u d i e di nt h et h e s i s t a k i n gr a p e s e e da se x p e r i m e n t a l m a t e r i a l t h eh y d r o m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s d r yd y n a m i c sa n dd r y i n gt e c h n o l o g yo f b o t ht h et w ok i n d ss p o u t e db e dw e r er e s e a r c h e di nt h et h e s i s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s a r ea s f o l l o w s 1 d e s i g n e da n dt r i e dt h er d t s bd r y e rw i t hac o l u m no f4 0 0 r a m i n n e rd i a m e t e r a n d7 0 0 m mh e i g h t ac o n eo f6 0 c o n i ca n g l e ag a si n l e to f4 0 m mi n n e rd i a m e t e r ar o t a t i n gd r a f tt u b eo f4 0 m mi n n e rd i a m e t e r a n dt h ed r a f tt u b ec r o s s b e a ma c t u a t e d b y m o t o rr o t a t i n gv e l o c i t yi s1 6 r m i n f o rr e s e a r c h i n gt h em o v i n gr u l e so fs o l i d sa n dg a si n t h eb e d t a k e d r a p e s e e d sa sm a t e r i a la n dp e r f o r m e da e r o d y n a m i c se x p e r i m e n t s t h e r e s e a r c h i n gc o n t e n t si n c l u d e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na i rs u p e r f i c i a lv e l o c i t y a s v 0 7 2 6 m s a n dp r e s s u r ed r o p s t a r t i n gp r e s s u r ed r o pa n dt h ed i s t a n c eo fd r a f tt u b ej e t d i s t a n c e d t j d s o l i d sc i r c u l a t i n gv e l o c i t y s c v a n da s v a td i f f e r e n td t j d a n dt h e c u r v e so ft h e i rr e l a t i o n s h i pw e r eg o t t e n t h es t a r t i n gp r e s s u r ed r o pv a r i e df r o m2 4 k p at o 1 6 k p aw h e nd t j di nt h er a n g eo f4 5 7 5 m m a n ds c vv a r i e df r o m5 2 1t o1 0 3 k g s w i t ha s vi nt h er a n g eo f 5 7 1 0 5 m oo c t h es a m ea sb e l l o w h 2 s t u d i e dt h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i co fr a p e s e e di nr d t s b d e t e r m i n a t e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a p e s e e d st e m p e r a t u r ea n dt i m e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o i s t u r e c o n t e n ta n dt i m e a n ds t u d i e dt h ei n f l u n c e so fs c v a i rt e m p e r a t u r e d t j da n dl o a do n m 江苏大学硕士学位论文 d r y m gc u r v e s t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a te v e r yf a c t o ra b o v eh a sr e m a r k a b l ei n f l u e n c eo n r a p e s e e dt e m p e r a t u r e 3 c a r r i e do u tc o n s t a n tt e m p e r a t u r ed r y i n gt e s t i nt h er d t s b t a k i n gt h eh e a t c o n s u m p t i o np e rk i l o g r a mw a t e r a st h ec r i t e r i o n t h e51 8 8n m ha i rf l o wr a t e 8 0 11 0 h o ta i rt e m p e r a t u r e 1 0 3 0 k g r a p e s e e dl o a dq u a n t i t ya n d4 0 8 0 m md i s t a n c eo f d t j dw e r et e s t e dr e s p e c t i v e l y o nt h eb a s i so ft h e s et e s tr e s u l t sa n dt h ep r a c t i c a l c o n d i t i o n s as c h e m eo fo r t h o g o n a lt e s tw i t h3 f a c t o r sa n d3l e v e l sw a sd e s i g n e d t h e o p t i m u mt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so nt h ep r e s e n ta p p a r a t u s w e r e a i rf l o wr a t ea t 5 8 n m 3 h h o ta i rt e m p e r a t u r ea t8 0 ca n dw e tr a p e s e e dl o a da t2 0k g t h eo p t i m u m h e a tc o n s u m p t i o np e rk i l o g r a mw a t e rw a s3 0 1 8 8k ja n dt h ef a c t o ro fa i rf l o wr a t ew a s s i g n i f i c a n to n l y b yc a l c u l a t i n gw i t hs p s s t h er e g r e s s i o ne q u a t i o no fh e a tc o n s u m p t i o n p e rk i l o g r a mw a t e r h o ta i rt e m p e r a t u r e a i rf l o wr a t ea n dr a p e s e e dl o a dq u a n t i t yw e r e o b t a i n e d 4 d e s i g n e da n d m a d ear d t s b a t t h e r ew e r et o t a lf o u rl a y e r so fa c c e s s o r yt u b e s a n de a c ht h r e e t h ei n c l u d e da n g l eo fa c c e s s o r yt u b e so fn e i g h b o r i n g l a y e r sp r o j e c t si n t h eh o r i z o n t a lp l a n ei s6 0 0 a n dt h ea c c e s s o r yt u b e s d i a m e t e ri s2 0 m m i nt h ea c c e s s o r y t u b e s t h e r ew e r et w or a n k so fh o l e si nt h eo p p o s i t ei nt h eh o r i r o n t a l a n dt h eo t h e r s t r u c t u r ei st h es a m ew i t h 1 t a k i n gr a p e s e e d sa st e s tm a t e r i a l s s t u d i e dt h ea e r o d y n a m i c s i nt h eb e d i ti n c l u d e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na s va n dp r e s s u r ed r o pa td i f f e r e n td t j d a n dd i f f e r e n tp e r c e n t a g eh o l e so p e n e di na c c e s s o r yt u b e s s t a r t i n gp r e s s u r ed r o pa n d d i f f e r e n td t j d t h em i n i m u ms p o u t i n gv e l o c i t ya n dd i f f e r e n t d t j d s c va n da s va t d i f f e r e n t d t j d s o l i dc i r c u l a t i n gr a t ea n da s v a td i f f e r e n t d t j d t h eo p r a t i n gp r e s s u r e d r o pa n da s vd i f f e r e n t d t j d t h es t a r t i n gp r e s s u r ed r o pv a r i e df r o m0 9 0 3 k p at o 5 0 2 k p aw i t hd t j di nt h er a n g eo f4 5 8 0 m m a n ds c vv a r i e df r o m1 1 4 t o 7 0 9 k g m i nw i t ha s v i nt h er a n g eo f5 7 1 0 5 m 0 0 c m es a m ea sb e l l o w 5 t h e5 8 8 8n m 3 ha i rf l o wr a t e 6 0 1 4 0 c h o ta i rt e m p e r a t u r e 5 0 7 8 0 m m d t j da n d0 l p e r c e n t a g eh o l e so p e n e di na c c e s s o r yt u b e sw e r et e s t e dr e s p e c t i v e l y t a k i n gt h eh e a tc o n s u m p t i o np e rk i l o g r a mw a t e r t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ea n dt h e a v e r a g er a p e s e e d s t e m p e r a t u r ea st h ec r i t e r i o n as c h e m eo fo r t h o g o n a lt e s tw i t h4f a c t o r s a n d4l e v e l sw a sd e s i g n e d t h eo p t i m u m t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so nt h ep r e s e n t a p p a r a t u s w e r eh o ta i rt e m p e r a t u r ea t1 3 0 c a i rf l o wr a t e a t8 8 n m 3 h d t j da t7 5 r a m a n dp e r c e n t a g eh o l e so p e n e di na c c e s s o r yt u b e sa t2 3 t h eo p t i m u mh e a tc o n s u m p t i o n p e r k i l o g r a mw a t e rw a sl e s st h e n2 8 7 1 2k j i nt h et e s tr a n g e t h er e s u t ss h o w e dt h a tt h e i v f r a p e s e e dt oc o n t r o li t sq u a l i t yw a sl o w e rt h e n5 0 ca tt h el o w e s tc o n s u m p t i o n t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h eu s eo fa c c e s s o r yt u b e sc a nr e d u c ed r y i n gc o n s u m p t i o n a n di ti sac h o i c et o s c a l eu pc o l u m ns p o u t e db e dw i t hc o n eb o t t o m k e yw o r d s s p o u t e db e d s c a l e u p d r y i n g r o t a t i n gd r a f tt u b e r o t a t i n gd r a f tt u b e s p o u t e db e dw i t ha c c e s s o r yt u b e s r a p e s e e d v 第一章 1 1 r 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 传统喷动床的缺点及本研究的创新思路 1 5 论文主要内容 1 6 第二章新型旋转导向管喷动床结构特征及流体力学特性实验研究 1 7 2 1 旋转导向管的结构 1 7 2 2 物料在喷动床内的运动规律 1 8 2 3 实验装置 材料及方法 1 8 2 3 1 实验装置 1 8 2 3 2 实验物料 1 9 2 4 实验方法及流程 1 9 2 4 1压降一风速关系的测定 1 9 2 4 2 风速 导喷距和加料量与喷动量关系的测定 1 9 2 5 实验数据处理和分析 1 9 2 5 1 压降一风速关系 1 9 2 5 2 起喷压降一导喷距关系 2 1 2 5 3 不同导喷距下喷动量一风量关系 2 1 2 5 4 喷动量 压降与导喷距关系 2 2 2 5 5 正常喷动时压降 风量及导喷距关系关系 2 3 2 5 6 喷动量 加料量和压降一加料量关系 2 4 2 6 小结 2 5 第三章新型旋转导向管喷动床的干燥动力学研究 2 6 3 1 旋转导向管的干燥实验 2 6 3 1 1 材料设备 方法与试验设计 2 6 v i 江苏大学硕士学位论丈 3 2 3 3 第四章 4 1 4 2 3 1 2 试验设计 2 6 试验结果及其分析 2 7 3 2 1 风量 2 7 3 2 2 加料量 2 7 3 2 3 风温 2 8 3 2 4 导喷距 2 9 结论 3 0 新型旋转导向管喷动床干燥油菜籽的工艺研究 3 1 i 试验设计 3 1 4 1 1 单因素试验 3 1 4 1 2 正交试验 3 2 试验结果及其分析 3 2 4 2 1 单因素试验结果及分析 3 2 4 2 2 正交试验结果及分析 3 4 4 5 结论 3 7 第五章新型带支管的旋转导向管喷动床结构特征及流体力学特性实验研究 3 8 5 1 带支管的旋转导向管的结构 3 8 5 2 实验装置 材料及方法 3 8 5 3 实验方法及流程 3 8 5 4 实验数据处理和分析 3 9 5 4 1 压降一风速关系 3 9 5 4 2 起喷压降一导喷距关系 4 2 5 4 3 喷动量一风量关系 4 2 5 4 4 开孔率一压降关系 4 4 5 4 5 正常喷动时压降 风量及导喷距关系 4 5 5 5 j 结 4 6 第六章新型支管式旋转导向管喷动床干燥油菜籽的工艺研究 4 7 6 1 试验设计 4 7 6 1 1单因素试验 4 7 6 1 2 正交试验 4 7 6 2 试验结果及其分析 4 9 6 2 1 单凶素结果及分析 4 9 6 2 1 1 干燥动力学 4 9 6 2 1 2 单凶素能耗数据及分析 5 2 6 2 2 正交试验结果及分析 5 4 6 3 结论 5 8 第七章结论 存在的问题及展望与建议 5 9 7 1 结论 5 9 v 一 i 一 t 一 卜 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 1 1 1 喷动床的起源及发展 喷动床是流态化技术的一个分支 由流化床发展而来的 它始于2 0 世纪5 0 年 代初期的加拿大 是加拿大国家自然研究院 n a t u r alr e s e a r c hc o u n c i l 或简写为n r c 的g i s h e r 和m a t h u r 在开发一种可移动的体积小且能解决小麦等颗粒状谷物的快速干 燥问题的时候发明了喷动床 由于喷动床的传热效率很高 结构简单 并能干燥热敏 性物质 所以人们很重视对它的研究及应用 1 9 6 7 年加拿大英属哥伦比亚大学 u b c 的n o r m a ne p s t e i n 教授和m a t h u r 合作在u b c 建立了世界上最大的喷动床研究中心 美国r e n s s e l a e rp o l yt e c h n i ci n s t i t u t e 的h o w a r d l i r r m a n 教授领导的研究小组 从2 0 世 纪6 0 年代末起就与前南斯拉夫贝尔格莱德大学 u n i v e r s i t yo f b e l g r a d e 的v u k o v i c d v 教授的科研组合作进行喷动床基础理论的研究 对推动喷动床技术的发展也做出了很 大贡献 i j f 苏联的学者们 包括列宁格勒的r o m a n k o v p g 教授等人和明斯克的z a b r o d s k y s s 等人 也对喷动床的发 展做了很多的工作1 1 4 2 4 以加拿大英属哥伦比亚大学 m a r t h u r e p s t e i n g r a c e l i m w u k r a y k a n s k i h e 和b i 等 美国r e n s s e l e a r 理工学院 l i t t m a n m o r g a n 和 d a y 等 西班牙u n i v e r s i d a d d e l p a i s v a s c o o l a z a r 和 s a n j o s e 等 为代表的研究小组对喷动床进行了系统研究 具体涉及表征床体运动行为的各特征参数 如工作相图 最小喷动速度u m s 最大喷动床高h m 喷射区直径d s 空隙率或颗粒浓度 颗粒流动特性 5 16 1 我国对喷动床的研究起步较晚 现在国内也有一些高 校和科研单位对喷动床内流体的运动状况 喷动床的改进 及其应用方面的论文发表 1 7 卜 2 5 1 2 8 3 0 3 8 1 1 4 1 5 5 1 1 1 2 喷动床的工作原理 图1 1 柱锥喷动床结构 f i g 1 1 s t r u c t u r eo f c s b 到目前为止 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 c o n v e n t i o n a ls p o u t e db e d c s b 图1 1 是其示意图 喷动床主要是由圆柱主体 l 江苏大学硕士学位论文 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倒锥形底部 最后又渗入喷射区被重新夹带上来 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央带颗 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问的碰撞混合 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 卜 4 1 1 1 3 喷动床与流化床的对比 1 1 3 1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 1 2 形成稳定流化或喷动床后 操作压降维持不变 2 4 3 运作不当 包括物料尺寸分布过广或床层高度过高 如大于最大喷动床高 时 流化床会将形成沟流 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 2 1 4 1 2 2 1 4 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 卜 4 1 1 3 2 喷动床的优点 喷动床是由流化床发展而来的 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 与流化床相比 喷动 床有如下优点 2 1 4 1 1 3 4 1 1 4 0 1 1 1 2 2 1 床内流型重复性强且流型变化比流化床少 其流动比流化床相对更简单和 有规律 2 热质交换主要发生在喷动区内 良好的气固接触 较高的传热效率及粒子 的快速搅动 可采用比正常许可温度更高的温度加热 而且避免了传统静态干燥传 热不均 影响总体质量的弊病 2 一 气 江苏大学硕士学位论文 3 粒子在床内有规律的循环运动使喷动床造粒可以得到具有高强度和高球形 度的粒状产品 改善产品的某些性能 4 操作压降低于流化床 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 5 适合于处理不规则的粗颗粒和粘性强的物料以及需要去除表面层以促进传 热及传质效率的物料 且其气固接触效率优于流化床 由于喷射区四周的相当大的 剪切作用力 对于物料的破碎非常有效 6 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 7 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 喷动床设计中有关参数的确定 喷动床气固流动特性研究对于反应器研发应用十分关键 已有研究成功之处主 要在于流体动力特性的系统性实验测量方面 2 5 卜 4 5 1 本研究涉及流体力学特性及喷动 床的设计 借鉴此类问题已有的研究成果以指导研究工作出新十分重要 故首先对 此作个总结 1 2 1喷动床的特征参数 1 2 1 1喷动区内物料的运动规律 2 0 喷动区内物料垂直向上运动 根据t h o r l e y 等人的 力平衡原理 认为颗粒的加速度仅来自上升起流的空 墨 fl 膏 气动力 而减速度主要是由重力引起的 在喷动区内 譬 颗粒的径向速度有明显的差别 在任何高度沿径向速譬o j 度分布均呈抛物线 如图l 2 1 2 1 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 环形区 循环喷动流化床中的沉降x e 与中 央喷动区有一过渡区域 因而其空隙率沿径向呈抛物 线形状分布 5 1 而其运动规律为 2l 0i23 5 甄麓线垂冀 嘲 图1 2 喷动区内颗粒速度 分布 f i g 1 2 t h eg r a i n sv e l o c i t y d i s t r i b u t i o ni ns p o u tr e g i o n z c m 1 4 2 2 5 2 3 7 2 4 10 2 江苏大学硕士学位论文 1 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 2 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降速度减小 试验表明 物料横向流动量近似为常数 3 增加床层高度会同时增加物料循环量和物料横向流量 4 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 5 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 1 2 1 3 物料的循环量和混合 物料循环量的经验公式为 刎 w o 4 云u s 芳 蝇 s 1 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 m o r g a n 和d a y 从双流体模型出发建立喷射区的质量和能 量守恒方程 然后对喷射区气固两相总动量方程进行积分 变量分析 得到喷动量 瓢w 万 卜 警 c o 叫 1 2 其中 c o p m s m 且o 5 g o 7 8 5 1 3 乞月一 h o 9 7 3 c 0 日 h o 9 7 3 c o 且h f 可由实验或关联式确定 乜 o s l u o u 恐 1 4 1 2 1 4 最大喷动床高砌 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 这一临界床层高度就是最大喷动床高h m 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 对于不规 则颗粒的气一固喷动床 最大喷动高度可以按下式估算 d 百d 闩5 6 8 6 2 1 丽而一 2 m 5 4 一 产 一 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 5 最低喷动速度u m 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陷 而得到的各个起始床高下最小喷动速度u m i n 最低喷动速度 砌不仅和物料及流体 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 m 加随着物料高度 h 的增加及圆柱直径d 的减小而增加 对于柱体直径小于0 5 m 的喷动床 无论是否倒锥底 一般采用m a r t h e r 和g i s h e r 的经验关联式计算u n s l 2 台 告 1 2 1 6 气流的影响 1 6 气流速度太小不能引起喷动 若气流速度超过最低喷动速度 舢太多会破坏喷 动 使物料变为无规律运动 p a s s o s 推荐 合理的气流速度为 1 1 1 2 1 2 1 7 操作压降的影响 肖屹东 蛔等研究表明随着压力的升高 气体的扩散率下降 气体压力增大导致 中心喷射的气体动量增加 克服床层阻力的能力增强 从而喷射区的气体向环形区 的扩散率相对变小 当喷动气速度相同时颗粒循环速率随压力的增加而增加 气体 压力的升高使气体密度增大是因为当喷动气速度相同时 喷动气射流的动能增加 射流的卷吸能力增强 颗粒循环倍率增加 气体压力对床内颗粒循环速率的影响从 本质上是气体密度的变化 1 2 2 传统柱锥形喷动床的结构设计参数 固态物料特性的影响喷动床适用于粒径l m m 以上的颗粒物料 2 1 徐建和鲍晓军 等人的研究表明 只有当喷嘴直径与颗粒直径的比 d 绋 小于1 9 2 1 时才能获得稳 定喷动 颗粒越细 该值越d d 3 2 j 设计完善时 用于粒径大于1 5 0 p r o 的小颗粒也能 有效地工作 由于更细小的粉粒在喷动床中循环性能差 易产生死角 因而不宜用 喷动床进行干燥 实验表明 颗粒形状 粒径 表面特征等参数对稳定喷动有明显 影响弘1 1 3 9 1 喷泉高度对粒子形状很敏感 3 9 形状不规则颗粒很可能有助于提高环形 区局部的有效压力 反过来导致环形区内较低的粒子速率 粒子内摩擦角能显著影 响喷动床的流体动力学 颗粒大小均匀一致有利于喷动的稳定 对任何物料 若其 粒径差别很大 会产生严重偏析 影响喷动床作业质量 并且 颗粒含水率对喷动 5 江苏大学硕士学位论文 床内的物料循环速度 操作压降及喷泉高度都有较大的影响 4 0 1 g r a c e 和m a t h e r 研 究表明 喷泉高度取决于床表面喷动区的空隙率 喷动床成功的放大不能只通过改 变床的参数获得 还要考虑粒子的尺寸 1 2 2 1 进气口直径d 进口直径会影响喷动稳定性 进气口直径超过某极限值会使喷动消失 m a t h u r 推荐圆柱形喷动床用于小麦干燥时 选用d i 如 3 5 d e d 为床身直径 用于细小颗粒 时 如砂子 粒径d p 0 6 m m j 拥o i 0 1 d 而c h d n a n i 和e p s t e i n 根据在一个小直径 床和细粉及后来l i m 和g r a c e 把床径放大到0 9 1 m 的情况下的实验数据得到 乡乏 d i d 2 i 1 0 m a t h u r e p s t e i n 根据在小直径床内的 实验经验提出 3 1 2 喷口直径与颗粒直径的关系为d i 2 5 d p 而徐建等推荐 d i 1 9 d p 3 2 1 动床的结构对喷动现象的发生有很大的影响 当入口喷嘴直径与喷动床 柱体直径之比 d i d 大于某一 临界值时就不会出现颗粒的喷动 此时床层会随着流速 的增加由固定床直接转变为聚式流化状态 该临界值随粒径的变化而变化 约为 o 3 5 0 1 1 2 2 2 床身直径d 喷动床直径会影响喷动床干燥机的作业质量 若床身直径d 过大 物料从喷泉 区降落后仅散落在靠近喷动区的局部地区 从而造成干燥不均匀 床身直径除与进 气口直径有关外 还与颗粒直径有关 一般为2 5 d d p l m m 插入 导向管后 一些不易喷动的物料实现了喷动 如玉米 超细粉也在导向管喷动床里 实现了稳定流化 1 1 9 1 1 3 2 1 4 最大床层高度增加 生产能力提高 而且操作弹性大 1 卜 5 3 3 1 1 3 6 1 5 压力降减小 喷动所需气流量更少 动力消耗减少 1 卜 5 3 6 1 6 在较高的操作温度下也能正常喷动 2 1 1 2 0 1 1 4 3 1 7 床内固体物料循环速率以及固体物料的混合均大大减小 这些变化对造粒 和粒子涂层尤为有利 2 1 1 6 1 1 3 6 1 1 3 2 带导向管的喷动床的空气动力学特性 1 3 2 1起喷压降p m 罗保林等发现 4 1 l 导流管中的颗粒运动经历了从固定床到流化运动的转变 只 有当气速大到足以使颗粒喷射输送时才会形成喷动和喷泉 因此 当表观气速超过 起始流化速度后 导流管中的颗粒床层即开始鼓泡 压降因而降低 而起始流化速 度是与床高无关 这是因为导流管很长 已伸出到床层以外 气流只需突破喷嘴与 导流管底端之间的物料便可稳定喷动 使得料床高度对喷动的影响不大 所以料层 高度可以高达几米 相同导向管的喷动床在导喷距增加时 环形区的气体通过量增 加 且初始压降急剧增加 臣 i a p m 增大p 们 1 3 3 2 喷动压降p 导喷距k 即导向管下口与进气口间的距离 对床层压降有显著的影响 正常 喷动时的喷动压降为 a p s h o p 0 1 呦 k g m z 王国胜等根据实验结果拟合t a p m 和 p 的关联式 孥 0 0 2 9 7 如九玎 9 易于造成流化气的短路与壁面环形区颗粒间隙的增加 不利于流化气向喷动区的分 散 所以床径愈小 最小喷动流化速度愈大 赵香龙 3 6 在研究导向管喷动床的特性时 根据实验数据回归得到的最小喷动速 度为 o 2 4 爰 爰广型号掣 爰 o 9 孚 0 3 3 m 1 3 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 4 喷泉高度 喷泉高度只对喷动床高度的设计有影响 在实际的工业化设计中 合理地确定导 向喷动流化床床高是一个非常重要的环节 如果床过高 会造成投资的浪费 过低 颗 粒物料会碰撞床顶 从而造成颗粒的破碎和磨损 彭辉和张济宇以气固两相流运动理 论为基础 进行导向喷动流化床颗粒物料抛高估算 确定导向喷动流化床床高m 1 3 2 5 导向管的改进形式 在实壁导向管部分 环形区与喷动区间没有气流与物料的交换 当气体进行反 应或加热时 导向管阻止了气体在喷动区与环形区之间的径向扩散 降低了气固接 触效率 对导向管开孔可减少此种缺陷 所以 对实壁导向管作出一些改进 得到