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1、目 录摘要1Abstract2第1章 绪论31.1 研究背景与意义31.2 课题研究进展31.2.1工业干燥技术31.2.2 惰性粒子流化床干燥器71.2.3 流化干燥模型111.2.4 干燥器应用及发展趋势141.3 课题的研究重点18第2章 设备传热过程分析与建模研究192.1 引言192.2 传热性能测定192.2.1 装置流程图192.2.2 结果初步分析202.3 建模假设222.4 体积传热系数模型的建立22第3章 结论26参考文献27致谢31摘 要惰性粒子流化床干燥器作为一种新近发展起来的工业干燥设备，在化工、医药与食品等众多生产领域中有着重要的应用。针对惰性粒子流化床干燥器，结
2、合文献报道的常用假设，以洗衣粉悬浮液为对象，基于理论分析和相应实验的研究结果，运用量纲分析法构建得到了新型波纹板操作时的体积传热系数关联模型。依据其模型参数拟合时的置信区间及相应的回归系数值，分析可知该模型表达式的可靠性较高，从而为相近的工业生产提供了初步的理论指导。关键词：惰性粒子，流化床，干燥传热，数学建模AbstractInert particle fluidized bed drier as a newly developed industrial drying equipment, chemical industry, medicine and food in many fields
3、 such as production has an important application.According to inert particle fluidized bed drier, combined with the common assumption, reported in the literature to washing powder suspending liquid as the object of study, based on the theoretical analysis and the corresponding experimental results u
4、sing dimensional analysis method, a new building get the volume of corrugating plate when operating heat transfer coefficient of correlation model. According to the model parameters and the confidence interval of timeliness and the corresponding regression coefficient values, the analysis of the mod
5、el expression that, and high reliability for similar industrial production provides preliminary theoretical guidance.Keywords： Inert particle; Fluidized bed; Heat transfer of drying; Mathematical modeling第1章 绪论第1.1节 研究背景与意义干燥是工业耗能相当大的一个单元操作，发达国家工业耗能的14%被用于干燥，有的行业甚至达到35%且数字不断增长。几乎所有工业都离不开干燥操作，所以正确的了解
6、干燥的技术原理有助于我们更加合理的分配人力物力资源，提高生产的效率。在20世纪70年代早期的能源危机使人们认识到干燥是一个值得研究的领域。1978年8月在加拿大蒙特利尔召开了第一届国际干燥学术研讨会，并且发表论文集。现在国际的研究方向是：更加向专业化发展，干燥设备更加大型、系列、自动，干燥的过程不断加以强化，采用新的干燥方法及组合干燥法，降低干燥过程的能量损耗。我国自从加入WTO以来，在这一领域也在不断的进步发展。我国的研究方向是要实施高效与绿色干燥的发展战略，走资源节约型发展道路，变单一干燥为组合、智能型干燥。不仅从工艺上进行改造，还更加注重多层次的节能技术改造。近些年来，国内外兴起了一种高
7、效低耗的新型流化床干燥器，即惰性粒子流化床干燥器，它与传统流化床干燥器的不同主要在于其内部填充有某种惰性粒子。操作时，物料被输送至床内并覆盖在惰性粒子的表面，跟随粒子一起翻滚，并通过与热气流的相际接触，达到物料除湿的目的。当物料在床内干燥后，弹塑性料膜将转化为弹脆性，且在粒子彼此间碰撞力的作用下，自粒子的表面呈片状或粉状脱落，随后由尾气带出干燥器。由于惰性粒子彼此间的连续碰撞，不断破坏了物料变干后的料膜，使得干燥过程多数维持在恒速干燥阶段操作。此外，因惰性粒子的存在，也显著增大了干燥传热与传质的表面积，故与传统的流化床干燥器相比，该类干燥器的操作性能较为优异。本课题针对惰性粒子流化床干燥过程，
8、拟基于因次分析法，结合传热过程机理的分析，构建体积传热系数的准数关联模型，以为后续的设备节能开发及相应的结构优化提供初步依据。第1.2节 课题研究进展1.2.1 工业干燥技术1.2.1.1 引言干燥就是利用热能使湿物料中的湿分(水分或其他溶剂)汽化,水汽或蒸汽经气流带走或由真空泵将其抽出除去,而获得固体产品的操作过程。工业上，干燥操作不仅影响着产品的生产效率与操作能耗，且通常作为产品加工的最后一道工序，对产品的最终质量起着重要的保证作用。因此，干燥操作的技术水平将直接影响到生产企业的经济效率与市场竞争力，譬如我国有许多的工业出口产品，单就纯度而言，已经达到或超过了国外的同类产品，但只因干燥技术
9、的落后，致使产品的粒度、色泽和堆积密度等物性指标偏低，从而在国际市场竞争中常处于劣势，如白炭黑、轻质碳酸钙等。为此近年来，国内的有关单位或部门正着力加大对干燥技术的研究力度，先后成立了各级干燥技术研究中心，组织召开了多届干燥技术交流会，并取得了阶段性的研究成果，目前已涌现出了一批专业的新型干燥设备生产与制造厂商，进而有力推动了国内干燥技术由传统的粮食、肥料、饲料、燃料、陶瓷、织物和矿物等生产领域向新兴的生物化工、高分子材料、催化剂制造、印染、食品与制药等高科技领域中的应用拓展，初步显示出良好的发展势头和广阔的应用前景。干燥单元的重要性不仅在于它对产品生产过程的效率和总能耗有较大的影响，还在于它
10、往往是生产过程的最后工序，操作的好坏直接影响产品质量，从而影响市场竞争能力和经济效益。我国有许多产品，就纯度而言已经达到甚至超过国外产品；然而就是由于干燥技术不如国外技术，堆积密度、粒度、色泽等物性指标上不去。在国际市场竞争中处于劣势，有的甚至售价仅为国外同种产品的1/3。目前我国某些大型石化干燥装备还依赖进口。根据粗略估计，我国生产的干燥设备种类仅为国外30-40。因此进行干燥技术研究的任务迫切。第一届全国干燥会议干1975年6月23日在南京召开，至今已经30年了。30多年来，我国干燥技术研究队伍不断壮大。目前我国从事干燥技术研究的大专院校、科研院所、研究单位大约有50多家，领域涉及化工、医
11、药、染料、轻工、林业、食品、粮食、造纸、硅酸盐、水产业、渔业等行业，全国共有设备制造厂600多家，已形成了一支强有力的干燥科研开发队伍，广泛开展干燥技术的基础研究、工艺研究及工业化研究，使我国干燥技术研究正向世界水平迈进，某些技术领域达到了国际先进水平。30年来，中国对许多干燥技术实现了工业化。其中喷雾干燥机，旋转快速干燥机，振动流化床干燥机，蒸汽管(管壁导热的)回转干燥机，双锥回转真空干燥机，粮食干燥机等，均接近或达到国际先进水平，这对我们中国来说，是一个伟大的转折。中国有许多干燥设备制造厂，他们制造的常用干燥设备，基本上满足了国内市场的需要，并有个别机种出口到国外。1.2.1.2 传统的流
12、化干燥操作流化干燥是一种典型的流态化操作过程，属于流态化技术范畴。流态化技术是指利用流动流体的作用，促使大量固体颗粒悬浮于流体介质中，从而使得固体颗粒呈现出类似于流体的某些表观特性的过程操作。流态化技术自1921年发明以来，干燥是应用最早的领域之一。世界上第一套工业化的流化床干燥装置于1948年在美国出现，设计用于白云石的干燥处理。此后，针对该类型的操作过程，各国学者相继开展了大量的实验与理论研究，我国学者也于20世纪60年代开始了相关的研发工作，当时的华东化工学院、浙江大学、成都工学院等科研单位在流化操作、流化机理及理论计算等方面均进行了不同深度地探索，并形成和积累了大量珍贵的基础文献资料，
13、从而为国内后期的流化干燥研究奠定了基础。在气固流化干燥过程中，由于待干燥物料被悬浮于介质气流之中，故物料与气流间可保持充分地接触，两者的相际接触面积甚大，故干燥的热容系数较高。又由于物料在流化过程中呈沸腾状翻滚，即物料自身的运动十分剧烈，传热的气膜阻力也较小，故流化干燥的热效率也较高。与其他的干燥装置相比，流化干燥装置的密封性能通常也十分优异，其传动机械一般并不与物料直接接触，故杂质不易掺入和污染被处理的物料，这一特性对于纯度要求较高的制药生产尤为实用。此外，流化干燥还普遍具有操作温度低、设备结构简单、维护及检修方便等诸多优点，但传统的流化干燥技术也仍存有一些自身的不足之处，主要表现为：(1)
14、物料的停留时间不一致，难以获取湿含量均匀的干燥产品，部分产品可能会因过度干燥而变质；（2）动力和热能消耗较大；（3）气泡现象使得固体流化不均匀，相间接触效率下降，工程放大困难；（4）要求被干燥物料在气流的作用下必须能够易于流态化，故干燥对象多仅限于低含水量（一般低于0.30.5）且较松散的物料，如制药工业中的粉状料、化学工业中的晶状料、农业中的谷物等，而对于溶液和悬浮液等物料，传统的流化床干燥器一般将难以适用。1.2.1.3 改进的流化干燥操作针对传统流化床干燥器的不足，各国学者开展了大量艰苦而细致的改进研究。其中卧式流化床干燥器的推出，就极大改善了物料的停留时间分布，使得产品的湿含量可相对均
15、匀。卧式流化床干燥器操作时，物料由流化床的一端加入，另一端卸出，此时干燥器可看作由多个方形截面流化床串联而成的操作系统。此外，若在相邻床室之间再装设若干块挡板，则产品的湿含量还可得以进一步地均匀。同样，若在干燥器的进料端增设一预流化室并安装搅拌装置，用以破碎团状或块状进料，则亦可改善床内的固相流化效果。目前，此类干燥装置已见多家企业生产，如日本同上公司、Kurimoto公司和Kansorn公司等。由于卧式流化床干燥器的操作性能尚好，故工业应用已十分普遍，如农药固体草甘膦、草酸、柠檬酸、氯化橡胶，以及PP，PE，PVC等树脂类产品的干燥生产中就多采用此中类型的干燥器。若在传统流化床干燥器的底部装
16、设搅拌装置，即成为搅拌式流化床干燥器。搅拌式流化床干燥器作为传统流化床干燥器的一种改进形式，与后者相比，不仅可明显减少介质气体的需求量和气流阻力，且因搅拌破碎了团块状物料而更加有助于床内的流化与干燥，通常可有效抑制操作的死床或沟流等现象，故此类干燥器的传热与传质性能相对较高。为适应不同种类物料的干燥要求，搅拌式流化床目前已发展有卧式搅拌流化床、回转式搅拌流化床和内热式搅拌流化床等多种型式，其中内热式搅拌流化床因装设有可旋转的换热管，可起到了搅拌和节能的双重作用，故受到工业界的广泛青睐。搅拌式流化床干燥器适于进料或脱水过程中易结块的粉状或粒状物料的干燥处理，如日本Okawara公司生产的FB型漩
17、涡流化床干燥器即可干燥类似高级电磁材料和生物制品等细粉状的物料，再如国内钱江食品机械厂生产的搅拌式干燥器也已成功运用于碳酸钾等产品的干燥生产等。在传统流化床干燥器的基础上，工业上还开发出离心式流化床干燥器。该类干燥器的转鼓内壁上开有大量小孔，其上铺设有金属丝网。操作时，被干燥物料在离心力场的作用下，均匀地分布在内壁丝网上。当气流高速穿过内壁丝网孔道时，床内的物料即被吹起，呈现流态化。对于某些低密度的物料，由于物料的起流速率与吹出速率较为接近，故一般不能直接置于重力场流化床中进行干燥，而适宜采用离心式流化床干燥器进行处理。离心式流化床干燥器自20世纪60年代初由前苏联学者提出以来，发展迄今已有近
18、40年的历史。其间，美国学者D.F.Farkas和P.F.Hanni、中国学者王喜忠和阎红、德国学者F.Alstetter和德国Krauss-Maffei公司等均分别针对不同类型的干燥对象，先后设计出可连续操作的卧式或立式离心流化床，从而为该类流化床的工业应用做出了卓越贡献。离心式流化床干燥器由于具有卓越而独特的操作性能，且集成离心、流化及干燥过程于一体，故在洗涤剂、核反应、保鲜、燃烧、除尘、塑料、细粒结晶、食品与制药等领域均有着良好的应用前景。目前，工业上还有一种应用极为广泛的流化床干燥装置即振动式流化床干燥器，该类干燥器的一个显著特点就是床体可跟随支撑弹簧一起振动。在振动式流化床干燥器中，
19、物料的流化主要依靠床体的振动作用来实现，而并非缘于介质气流的冲击或带动作用，故干燥器的进风速率一般无需很高，通常较低，故床内不易发生物料破碎和粉尘夹带等现象。其次，由于物料的脉冲跳动，降低了物料之间相互粘结的几率，故物料与气流间可一直保持较大的接触面积，故振动式流化床干燥器的传热与传质性能也十分良好。此外，由于物料在床内的轴向运动速率与床体的振动频率等因素密切相关，因此该类干燥器的物料停留时间也易于计算和调控。与此同时，振动式流化床干燥器还具有较强的物料适应性，它可处理的物料种类和范围均较广，不仅是颗粒三维尺寸相差较大的片状或条状物料干燥的较佳选择，而且当被处理对象为晶体制品时，所制产品一般可
20、保持完整的晶形和良好的晶体闪光度，这对于制糖工业生产极具实际意义。虽然振动式流化床的出现至今已有近70年的历史，相关的理论研究也早已于20世纪50年代开始，但直到20世纪60年代，该类流化床才真正受到工业界的重视。我国自1985年首次引进振动式流化床以来，迄今已有近千台该类流化床在工业生产中相继使用，被广泛分布于化工、医药、轻工、食品、饲料、矿冶、林产等行业中。随着辐射和对流耦合加热方式的进一步研发与完善，相信振动式流化床干燥器将会受到更多使用者的追捧。近些年来，国内外兴起了一种高效低耗的新型流化床干燥器，即惰性粒子流化床干燥器，它与传统流化床干燥器的不同主要在于其内部填充有某种惰性粒子。操作
21、时，物料被输送至床内并覆盖在惰性粒子的表面，跟随粒子一起翻滚，并通过与热气流的相际接触，达到物料除湿的目的。当物料在床内干燥后，弹塑性料膜将转化为弹脆性，且在粒子彼此间碰撞力的作用下，自粒子的表面呈片状或粉状脱落，随后由尾气带出干燥器。由于惰性粒子彼此间的连续碰撞，不断破坏了物料变干后的料膜，使得干燥过程多数维持在恒速干燥阶段操作。此外，因惰性粒子的存在，也显著增大了干燥传热与传质的表面积，故与传统的流化床干燥器相比，该类干燥器的操作性能较为优异。与其他类型流化床干燥器不同，惰性粒子流化床干燥器较为适合膏状、液状和浆状等物料的干燥。此外，惰性粒子流化床干燥器还具有装置体积小、热效率高、流体力学
22、状况稳定、操作可靠等诸多优点，但同时也存在用气量大、床层压降高、尺寸要求严格、工业放大设计困难等一些缺陷和不足。在惰性粒子流化床干燥器出现以前，有关膏状物料的干燥，多采用厢式干燥、喷雾干燥和旋转闪蒸干燥等，而对于液状和浆状物料的干燥，则多采用喷雾干燥和滚筒干燥等。厢式干燥的缺点主要是干燥周期长，热利用率低，物料在干燥过程中易氧化而使得产品的外观颜色偏深。喷雾干燥技术虽然操作工艺相对成熟，干燥时间短，可得粉状或粒状产品，但其体积传热系数偏小、设备体积庞大，投资费用较高，且当处理膏状物料时，雾化前一般还需另行加水和打浆处理。旋转闪蒸干燥虽可直接处理膏状物料，无需加水打浆，且脱水速率也较快，但操作中
23、极易出现物料挂壁和结疤等问题。此外，喷雾干燥与旋转闪蒸干燥对于膏状物料的粘稠度也均有一定的限制。滚筒干燥虽可用于液状或浆状物料的干燥，热利用率也较高，但因干燥深度有限，同时由于物料在滚筒表面常因过热脱水而焦化，故产品的质量一般很难得以保证。就目前的工业生产状况而言，惰性粒子流化床干燥器的研发与推广，无疑为膏状、液状和浆状等物料的干燥提供了一条新的可靠途径。综上所述，流化床干燥器在结构上的每一次改进，均拓展了干燥器的适用范围或强化了传热与传质等生产操作性能。对于实际的生产操作过程，使用者应根据被干燥物料的具体物性和产品指标等要求，灵活地对干燥器加以选型或设计。1.2.2 惰性粒子流化床干燥器1.
24、2.2.1 干燥操作的分类干燥是利用热能使湿物料中的湿分(水分或其他溶剂)汽化，水汽或蒸汽经气流带走或由真空泵将其抽出除去，而获得固体产品的操作过程。干燥技术广泛应用于化工、建材、食品、药物及生化等行业。干燥设备的分类方式有很多种，其中按其构造可以分为喷雾干燥机、流化床干燥机、气流干燥机、桨式干燥机、箱式干燥机及旋转闪蒸干燥机等。其中，气流流化干燥是指利用高速热气流，使泥状、粉粒状或块状物料悬浮于气流中，一边在流化床中随气流翻滚，一边进行干燥的操作技术。作为工程优势最为显著的高效干燥技术之一，气流流化干燥在工业生产中的应用正日趋广泛，已渐成为诸多产品生产的主要干燥方法，对应的干燥生产设备称为气
25、流流化干燥机。经过近几十年的快速发展，我国的干燥技术及设备虽然已经结束了完全依赖进口的被动局面，但总体而言，与国外的同行业相比，国内的干燥设备设计技术目前仍不够成熟，多数仍是在借鉴国外同类技术的基础上小幅改进而成。在设计过程中，通常均采用模拟设计和相似设计的办法，绘制样机，然后按照约定比例进行放大或缩小，其间再对部分不完善的地方进行改进和革新，以此适应自身的生产条件或扩展生产能力。显然，诸如此类的设计流程和方法势必将存在较大的先天不足或缺陷，不仅具有较高的盲目性和风险性，如只有待样机制造出来后方可验证设备是否符合要求，另一方面也极大延长着设计周期，导致生产产品的更新换代滞后，成本攀高。此外，自
26、动化程度低、适应范围窄、能耗高亦是我国干燥设备普遍存在的特点，故而也严重制约着国内干燥技术的快速发展，亟待进一步解决。干燥单元的重要性不仅在于它对产品生产过程的效率和总能耗有较大的影响，还在于它往往是生产过程的最后工序，操作的好坏直接影响产品质量，从而影响市场竞争能力和经济效益。我国有许多产品，就纯度而言已经达到甚至超过国外产品；然而就是由于干燥技术不如国外技术，堆积密度、粒度、色泽等物性指标上不去。在国际市场竞争中处于劣势，有的甚至售价仅为国外同种产品的1/3。目前我国某些大型石化干燥装备还依赖进口。根据粗略估计，我国生产的干燥设备种类仅为国外30-40。因此进行干燥技术研究的任务迫切。第一
27、届全国干燥会议干1975年6月23日在南京召开，至今已经30多年了。30多年来，我国干燥技术研究队伍不断壮大。目前我国从事干燥技术研究的大专院校、科研院所、研究单位大约有50多家，领域涉及化工、医药、染料、轻工、林业、食品、粮食、造纸、硅酸盐、水产业、渔业等行业，全国共有设备制造厂600多家，已形成了一支强有力的干燥科研开发队伍，广泛开展干燥技术的基础研究、工艺研究及工业化研究，使我国干燥技术研究正向世界水平迈进，某些技术领域达到了国际先进水平。30年来，中国对许多干燥技术实现了工业化。其中喷雾干燥机，旋转快速干燥机，振动流化床干燥机，蒸汽管(管壁导热的)回转干燥机，双锥回转真空干燥机，粮食干
28、燥机等，均接近或达到国际先进水平，这对我们中国来说，是一个伟大的转折。中国有许多干燥设备制造厂，他们制造的常用干燥设备，基本上满足了国内市场的需要，并有个别机种出口到国外。目前，国内外已实现工业化生产的干燥技术主要有：喷雾干燥，气流干燥，流化（含振动流化床、流化床造粒）干燥，回转圆筒干燥，旋流闪蒸干燥，圆盘干燥，带式干燥，双锥回转真空干燥，桨叶式干燥，微波真空干燥和冷冻干燥等。其中，流化干燥作为工程优势最为显著的高效干燥技术之一，在工业上的应用正日趋广泛，已渐成为诸多产品生产的主要干燥方法。与此同时，作为一种相对新型的流化干燥技术，惰性粒子流化干燥的应用也日趋广泛。1.2.2.2 基本操作原理
29、惰性粒子流化床干燥器与传统的流化床干燥器不同，其床体中加入了某种易于流化的固态粒子，操作时待处理的物料被喷洒并附着于这些粒子的表面，据此加大了物料与热气流间的接触面积，进而可提高操作效率。此外，由于惰性粒子本身具有一定的储热功能，可与热气流一起从内部和外部同时对物料进行传热，如此便加快了传热的速率，使得热利用率得以显著提高。目前惰性粒子流化床干燥器已成功应用于化工、食品和医药等诸多领域，可适于液状、浆状和膏状等较难干燥物料的生产处理。惰性粒子流化床干燥器要根据待处理物料的不同物化特性而在干燥器内加入适宜的惰性粒子。如图1-1所示，工作时，热气流经气体分布板均匀分布后进入床层，使得惰性粒子于床内
30、不断翻腾，其间可通过调节热气流的进风速率使粒子维持正常的流化状态；料液则由加料器输送至床内，并喷洒在粒子的表面形成一层液膜，随即粒子内部储存的热量将瞬时传递给物料，完成部分的传热操作。此后，料液随着粒子在床内一起流化，并与气流间发生热质交换，热量由气流传至料液，而料液中的湿分则转移至气流。待料液干燥至一定程度后，料膜将由弹塑性转变为弹脆性，并在粒子间碰撞与摩擦等外图1-1 惰性粒子流化干燥原理示意1-气体分布板；2-惰性粒子；3-加料器力作用下，自粒子的表面自行剥落，并由气流带离流化床进行收集，至此完成一个干燥周期。1.2.2.3 主要操作特点（1）强化传热效果在流化过程中，当粒子间的间距小到
31、一定程度时，会出现所谓的“干涉”效应，即粒子在感应速度场的作用下发生旋转，从而促进气流与料液之间的传热，通常该传热过程可于瞬间达到平衡。对于液体物料的干燥过程，由于惰性粒子的加入，不仅增加了汽化核心，且通过碰撞壁面上正在成长的气泡，使得气泡的跃离直径减小、脱离频率加快，从而加速了汽化过程。此外，当液状物料的黏度较大时，在传统的流化干燥过程中，由于其传热边界层较厚，故热阻较大，传热系数较小，而当加入惰性粒子后，可通过提高物料的湍动程度，使得传热边界层减薄，届时传热效果将得以显著加强。（2）易于控制温度惰性粒子在床层内的激烈运动，可加剧床内的相间混合，从而加快传热速率，提高传热效率，同时整个床层亦
32、可维持于一个可控的温度范围内操作，这对于热敏性物料的干燥尤为有利。（3）防垢效果明显由于床层内处于流化状态的惰性粒子对垢层的剪切力要大于污垢在传热壁面上的附着力，故可使垢层很容易地从传热壁面上脱离，从而起到防垢除垢的效果。研究表明，在正常的操作条件下，即使不能完全防止污垢的产生，也能将污垢的厚度控制于较低的水平。1.2.2.4 工业应用（1）在天然食品干燥方面的应用Souraki等在惰性粒子流化床体系中加入振动与微波装置，对伊朗产大蒜和青豆进行干燥脱水，研究了风速、温度、振动频率以及微波强度等因素对脱水效果的影响，获得了优化工艺条件，并建立了相应的数学模型。结果表明，模型计算值与实验结果可较好
33、地吻合。Hatamipour等用惰性粒子流化床干燥玉米和青豆，考察了惰性粒子的粒径、种类和数量以及气速和温度等因素对干燥效果的影响，并建立了相应的半经验数学模型。结果表明，干燥效率与温度和惰性粒子的热导率成正比，而与气速、惰性粒子的种类无明显关系，且所建立的半经验数学模型可很好地拟合传热数据。（2）在膏状物料干燥方面的应用在干燥工业中，膏状物料是比较难处理的物料之一。由于膏状物料具有黏度高、密度大等特点，故传统的流化床干燥机较难适用，此时可采用惰性粒子流化床干燥机。刘玲等采用惰性粒子流化床干燥了食品物料纳豆和其他几种高黏度物料。结果表明，惰性粒子在床层内的激烈运动，可有效提高操作的传热与传质效
34、率，同时还可于干燥过程中对干品进行粉碎，实现流程的简化。鲁林平等亦对上述干燥过程进行了研究，结果还表明该工艺产品的含水率较低，成分损失较小。朱学军等采用带浸没加热管的惰性粒子流化床对膏状物料进行干燥，重点考察了加料速率、振动条件、进风温度、进风速率、加热管功率等因素对干燥过程的影响，并借用体积传热系数对干燥器的传热性能进行了评价。结果表明，增设加热管装置可显著强化操作的传热与传质效果，其中热效率高达66%、干燥强度超过300 kg/(m3h )、体积传热系数亦可达25 kW/(m3K)。（3）在无机盐干燥方面的应用郭英凯等以黏度高、且脱湿过程中结垢严重的氯化镁溶液为体系，采用自然循环的惰性粒子
35、流化床对其进行了干燥实验，并与传统的干燥手段进行了数据对比。结果表明，虽然自然循环的液流速度不及传统的强制循环，但前者的传热系数却大于两相流强制循环条件下的蒸发传热系数，且当设备连续运行2500 h后，传热壁面上仍未发生结垢。王晓静等用惰性粒子流化床干燥硫酸镁溶液，考察了分布板开孔率、惰性粒子直径、质量以及进料量、进风量、热空气入口温度等因素对干燥性能的影响。结果表明，惰性粒子流化床干燥器具有干燥速率快、体积传热系数大、干燥强度高、干燥时间短、干燥产品粉粒细等优点。（4）在浆状物料干燥方面的应用Cabral等将糊精-麦芽糖复合剂混入石榴浆中，之后采用振动惰性粒子流化床对其进行了浓缩处理，结果表
36、明，石榴浆的黏度会使体系的压强增大，此时宜通过增大振动频率的方法来加以克服。啤酒生产过程中所产生的酵母废液是一种浆状物料，其内富含蛋白质。然而，当温度超过一定限度后酵母废液中的蛋白质即会变性水解，且干燥后的成品含水率又不得超过10%，故对于普通的干燥机而言，其操作温度及操作时间的控制将难以满足生产要求。江涛等则改用惰性粒子流化床，对含水量超过50%的啤酒酵母废液实施了干燥处理，并取得了成功，期间还考察了桨叶、雾化器、气流气速等因素对干燥效果的影响。这一研究为设备的选型及操作的进一步优化均提供了良好依据。李佑楚等用惰性粒子流化床对超微钛白粉和磁记录用钡铁氧体磁粉黏性悬浮液混合浆料进行脱水干燥，考
37、察了热空气入口温度、操作气速、惰性粒子添加量等参数对干燥过程的影响，并建立了传热、传质与操作参数之间的准数关联模型，从而为该类干燥器的工程设计提供了较好的参考依据。惰性粒子流化干燥技术，具有传热和传质效率高、防垢除垢效果好等优点，且可简化产品的干燥工艺流程，易于实现操作的自动化，其工业应用前景十分广阔。然而，就目前而言，我国在惰性粒子流化干燥技术方面的理论研究尚比较薄弱，工业应用也仍比较局限，与国外还存在一定的水平差距，还有待今后的进一步研究。1.2.3 流化干燥模型与流态化过程一样，流化干燥的过程规律也极其复杂，迄今也尚未能建立完整的系统理论对其进行全面的机理认识，有关流化干燥现象的一些基本
38、过程还多只能依靠大量实验得出的经验或半经验公式进行描述。如前所述，由于流化干燥过程的热质传递性能很大程度上要受制于床内分散相和连续相的流化行为，因此床内流体力学特性的模拟是流化干燥模化研究的一个重要内容。对于气固流化床，其流体力学理论主要包括初始化条件和床层压降两方面内容，同时它们也是气固流化床理论研究和工程应用中需要考虑的两个基本问题。在流化床操作中，当气流速率超过某一限度后，床内的固相便开始流态化，床层即由固定床转变为流化床，此气流速率的限度值称为临界流化速率或最小流化速率。临界流化速率是流化床设计和操作的重要依据之一，但由于流态化过程本身的复杂性，导致了对临界流化速率的模型预测还存在着诸
39、多的困难或不确定性。研究表明，临界流化速率主要是受制于固体颗粒的物性、力的平衡和床层压降等因素，相关的模型研究也都侧重于对这些因素的考察。Kmiec、Sombreiro、Wen、Agarwal、Olowson、Hilal及Bernard等均进行了临界流化速率的建模研究，分别从不同角度计算了临界流化速率的变化，或分析了临界流化速率对床内流化状态的影响。床层压降作为流化床设计和操作的另一重要参数，其模化研究亦较为复杂。Kmiec、张瑞英、Biswal、Agarwal、Miura和Singh等均开展了相关课题的研究，分别建立了针对快速流化床或床内雷诺数较低等不同情况下的床层压降模型，并提出了在床层压
40、降模型中宜引入颗粒球形度等参数的科学提议。在有关气固流化床临界流化速率和床层压降的众多模型方程中，Agarwal等构建的数学模型相对突出，在气固流化床的无量纲设计与计算中应用较多。Agarwal模型的方程形式较为复杂，其表达式可写为（1-1）；（1-2）（1-3）（1-4）；（1-5）式1-1至1-5中umf为基于流化床直径的床入口处的临界流化速率（ms-1），A1、B1、C1、A2、B2和Kc均为模型中的过渡变量，D0为床体入口处截面直径（m），H为静止床高（m），a为锥体的角度，h0为流化床细长俯部到最高点距离（m），g为重力加速度（ms-2），k为空隙率（无因次），s为粒子密度（kgm-
41、3），为气流密度（kgm-3），pmf为临界流化速率下的床层压降（Pa），为气流黏度（kgm-1s-1），gc为牛顿常数（kgmkg-1s-2），di为粒子直径（m），为粒子球形度（无因次）。随着气固流化床流体力学模型研究的逐步深入，惰性粒子流化床干燥器的传热与传质模型也得到了长足地发展，但同样以经验关联模型为主导。天津大学陈国桓等分别以玻璃球和陶瓷球为惰性粒子，在惰性粒子流化床内进行了混凝土外加剂等五种物料的流化干燥实验。实验通过假定惰性粒子与物料之间理想混合、物料均匀涂敷于粒子表面并形成薄层、物料薄层的厚度相比粒子的直径可忽略等条件，结合量纲分析法，拟合得到了计算体积传热系数的无量纲关联模
42、型。该模型是国内建立较早的惰性粒子流化床干燥器的传热模型，包含变量较多，其模型表达式为（1-6）式1-6中Kv为体积传热系数（Wm-3K-1），b为流化密度（kgm-3），s为惰性粒子密度（kgm-3），为干燥气体导热系数（Wm-1K-1），di为惰性粒子直径（m），Re为雷诺数（无因次），KD为考虑溶剂有相变对传热影响的数（无因次），Pr为普兰特数（无因次），qv为进料体积流量（m3s-1），w为料液密度（kgm-3），H为惰性粒子静止床层高度（m），w为料液黏度（Pas），D为分布板处床体的截面直径（m）。天津科技大学李建国等采用聚四氟乙烯为惰性粒子，在振动式惰性粒子流化床干燥器中，以新鲜
43、豆浆液为原料，进行了实验研究，得到了用于计算体积传热系数的经验公式，即（1-7）式1-7中Kv为体积传热系数（Wm-3-1），qv为进料体积流量（m3s-1），Tin为进风温度（K），ug为进风速率（ms-1），H为静床高（m）。Tamarin等以单个粒子（di=5.2-16.2 mm，s=1150-2700 kgm-3）为对象，进行了惰性粒子流化干燥的传热与传质性能实验。结果表明，室温下流化床中传热系数由单个试样粒子的冷却速率所决定，其传热速率与设备尺寸的比例大小无关，且气速对于传热与传质速率的影响程度有限。在此基础上，结合直径di=1.2-6.3 mm的粗糙粒子干燥实验，关联得到了可描述传
44、热及传质性能的模型表达式，分别为（1-8）（1-9）式1-8的适用范围为：1.5105Ar2.2107，0.07 di/di1.2，0.44/s2.1，0.71.0。式1-9的适用范围为：1.5105Ar8.6106，0.04di/di1.7，0.48/s7.1。式1.8和1.9中Nu为努塞尔数（无因次），Ar为阿基米德数（无因次），为粒子球形度（无因次），Sh为施伍德数（无因次），Sc为施密特数（无因次）。Grbavcic以直径0.925 mm的玻璃珠为惰性粒子，对纯水、杀菌剂及氢氧化铜溶液分别进行了惰性粒子流化干燥实验。实验研究了带有搅拌装置的惰性粒子流化床干燥器的传质过程，并通过对干燥系
45、统的热量衡算，建立了可用于求取水分汽化速率的模型公式，即（1-10）式1-10中WH2O为被干燥水分的比汽化速率（kgm-2s-1），Gv和GH2O分别为空气和水分的质量流率（kgs-1），Ac为流化床筒体的横截面积（m2），cp、cH2O和cdm分别为空气、水和被干燥物料的比热（Jkg-1K-1），Tin、Tout和Tair分别为空气进风、出风及环境温度（K），Qg为热损失（kW），wH2O为料液中水分质量分数（无因次），r为水分汽化潜热（Jkg-1）。Mousa以沙子为惰性粒子，对氯化钠、石灰石、石灰石混合物、粘土及粘土混合物进行了流化干燥实验。结果表明，影响流化干燥速率的因素主要有：a）
46、干燥表面积；b）空气质量流速；c）操作温度下水的汽化潜热；d）加入的悬浮液与操作温度之间的对数平均温度差。在此基础上，通过保持实验中操作温度和干燥表面积恒定，改变热空气的进口速率，拟合得到了干燥速率的计算模型。该模型对惰性粒子流化干燥的传质研究具有一定的参考价值，其适用性较强，方程形式较为简洁，即（1-11）式1-11中L为干燥速率（kgs-1），S为干燥表面积（m2），G为空气质量流速（kgm-2s-1），Tm为传热温度差（K），r为操作温度下水的汽化潜热（Jkg-1）。此外，Peron等在对马铃薯浆汁的惰性粒子流化干燥实验研究中，将覆有马铃薯浆膜的惰性粒子置于一个空间-时间坐标系中，通过对
47、浆膜进行大量正方形网络的划分，结合单元法计算得到了浆膜内部的温度分布及其物料湿含量的变化关系式。诸如上述的这些模型方程式的建立，不仅为惰性粒子流化干燥的工业生产提供了宝贵的指导依据，同时也为惰性粒子流化干燥理论的进一步研发奠定了良好基础。由于惰性粒子流化干燥操作的不稳定性和过程机理的复杂性，导致了对该操作的模化研究多只是针对某类具体的物系、设备或工艺而展开，而对于不同的模化对象或采取不同的模化手段，所得模型的表达式会存在较大的差别，其预测精度通常也参差不齐。这势必决定了在今后一段时期内，有关惰性粒子流化床干燥器的模化技术研究仍将是一个十分艰苦和繁重的探索课题。1.2.4 干燥器应用及发展趋势1
48、.2.4.1 工业应用干燥技术在化工、石化、医药等众多领域中均有着广泛且重要的应用。化工行业需要处理的物料种类繁多，大量的无机盐、有机物特性各异，达数千种。它们形状差异极大，质量要求各不相同。就形态而言，有溶液、悬浮体、淤浆、粘膏、粉体、颗粒、大块、纤维、不定形状的散乱物料等；就性质而言，有松散的和粘结性的，有耐热的和高热敏性的，受热脱水时有不变形的和易开裂变形的；物料中的水分也有表面水、孔隙水和结晶水等不同的赋存形态。干燥产物的质量除了湿含量这一最基本的要求外，一般还要求化学、生化、甚至电、磁性质保持不变；有许多产品对堆积密度、粒度和色泽等物理性质有特定的要求；某些物料还要求干燥过程中不发生变形、断裂等。显然，不同类型的物料要求有不同的技术和设备来解决其干燥问题。化工生产中，常用的干燥设备有十几种，有近百个规格。常用的干燥机类