悬浮烘干机干燥系统设计的初步研究

摘 要：悬浮烘干技术与喷动床烘干技术原理相象，都是用于粗大颗粒物料干燥的一种新型流化技术。本文采用内部加热和普通喷动床相结合的方式设计了悬浮干燥系统，物料在烘干过程中处于悬浮状态，实现了在烘干过程中以每颗被烘干物料个体为脱水量检测因子控制烘干质量和烘干时间，与传统喷动床相比，强化了传热传质，提高了热效率，减少了空气用量，降低了能量消耗。

关键词：喷动床 内加热 干燥 流化床

1 引言

喷动床技术是20世纪50年代由加拿大研究工作者Mathur和Gishler开发的用于小麦等粗大颗粒物料干燥的一种新型流化技术。与传统干燥技术相比，具有干燥时间短、温度低等优点，因此，喷动床还可以用来干燥热敏性的物料，如食品、药品和塑料等。如果加入惰性粒子，喷动床也可用于干燥粉状和糊状的物料。随着对该技术研究的逐渐深入，其应用领域不断拓展，目前还被用于许多固体物料的处理，如大颗粒物料的造粒、涂敷、非均相反应、煤的碳化和气化、加热或冷却、原油的热裂解以及化学反应器等领域[1-5]。

目前，关于喷动床内颗粒流动特性的研究较多，但是针对具体实际应用的研究还是很少，企业家们对喷动床的发展和现状也缺乏全面的了解，工业上的应用还很少[6,7]。另外，喷动床气流量决定于喷动要求而不是传热、传质要求[8]，而提供干燥所需热量，需要大量空气。同时，为保证合理的干燥速度，空气冷却后温度还很高就作为废气排放，因此，能耗较高，热效率较低[9,10]。

因此，本文设计了一种内加热喷动床干燥系统，弥补了现有喷动床的缺陷，为喷动床的应用提供一种新途径。

2 内加热喷动式流化床干燥系统

喷动式干燥系统设计思路如下：（1）采用内部加热和普通喷动床相结合的方式，强化了传热传质，提高热效率，减少了空气用量，降低动力消耗；（2）从烘干室分离出来的热气流通过余热回收管道回到热风炉进行加热利用，降低能耗；（3）对风速进行严格控制，使被烘干湿料悬浮一定高度随强气流减弱，在重力的作用下回落到烘干室底部遇强气流后再次悬浮；已被烘干的物料随相对弱气流通过输料管进入物料分离器及时排出，不再被加热干燥，达到干燥一致，节约能耗的目的；（4）通过冷热气流进气方式，调节冷热气流的比例，以此调节进入喷动流化床热风的温度，达到针对不同物料需要不同干燥温度的目的。

内加热喷动床干燥系统示意图如图1所示：

工艺流程如下：热风炉转换的热气流在热风炉鼓风机的作用下通过热风管道进入烘干室，被烘干物料通过进料口进入烘干室，在冷热混合强气流的作用下物料在悬浮状态下烘干，被烘干湿料悬浮一定高度随强气流减弱，在重力的作用下回落到烘干室底部遇强气流后再次悬浮；已被烘干的物料随相对弱气流通过输料管进入物料分离器，空气和烘干的物料分离后水蒸气由物料分离器排风口排出，烘干合格物料由物料分离器出料口排出。不需要冷气流时，冷气流阀门关闭；不需要热气流时，热气流阀门关闭。冷气流鼓风机和热风炉鼓风机均用电源调频方法调节气流强度或调节冷热气流比例控制烘干室温度。特殊被烘干物料需要较高温度烘干技术处理时，加电启用电能发热体。从烘干室分离出来的热气流通过余热回收管道回到热风炉进行加热利用。

3 内加热喷动床干燥系统的设计[11]

3.1 工艺设计

3.1.1干燥能力

（1）

式中： ——湿料量，kg/h

——干料量，kg/h

——喂入物料含湿量，kg/kg

——排料含湿量，kg/kg

3.1.2水分蒸发量

（2）

式中： ——水分蒸发量，kg/h

3.1.3干燥消耗热量

1.蒸发水分耗热量

（3）

式中： ——蒸发水分耗热量，kJ/h

——蒸发潜热，kJ/kg

——水蒸气比热容，kJ/(kg·K)

——排气温度，℃

——水比热容，kJ/(kg·K)

——进料温度，℃

2.加热物料的耗热量

（4）

（5）

式中： ——加热物料的耗热量，kJ/h

——出料温度，℃

——进料温度，℃

——干物料比热容，kJ/(kg·K)

3.总消耗热量

按10%损耗热量计算：

（6）

式中： ——总消耗热量，kJ/h

3.1.4空气消耗量

（7）

式中： ——空气消耗量，kg/h（干空气）

——进气含湿量，kg/kg（干空气）

——排气含湿量，kg/kg（干空气）

3.2 喷动床结构设计

喷动床式流化床干燥物料的操作仅发生在一定的气流速度范围内，并与床身几何尺寸、物料特性等因素有关。

3.2.1床身结构设计

目前，喷动床应用最广、最典型的结构形式是柱锥型锥。主要由喷动气入口、底部倒锥及圆柱主体三部分组成。

进气口直径会影响喷动稳定性。随进气口直径增加最大喷动高度Hm将下降，当进气口直径超过某极限会使喷动消失。进气口直径Di与床身直径Dc之间的关系为：Dc/Di≥3[12]；床身直径Dc除与进气口直径Di有关外，还与颗粒直径dp有关，一般认为25≤Dc/dp≤200[13]。

锥底角θ太小容易引起喷动不稳定，一般θ=30°～70°，常用60°。

3.2.2物料装填高度

1.最大喷动床高

当物料装填高度高于某一临界高度时，无论如何调节气流速度都无法形成喷动床。这一临界床层高度就是最大喷动床高。对常温下不规则颗粒的气固喷动床的最大喷动床高，McNab和Bridgwater[14]提出了以下关联式：

（8）

式中：b=1.11

（9）

式中：

——物料密度，kg/m3

——气流密度，kg/m3

——气流粘度，Pa·s

2.物料装填高[15]

(10)

式中： ——物料装填高度，m，2Di≤H≤Hm

——物料空隙率

——锥底角

3.2.3最小喷动速度Ums

最小喷动速度是喷动床操作的一个关键参数。最小喷动速度不仅与流体和固体颗粒的性质有关，还与起始喷动床高度有关，与喷动床的几何结构也有一定关系。对柱体直径小于0.5m的喷动床，无论有无底部倒锥，一般认为Mathur和Gishler[1]于1955年提出的经验关联式是最简单但应用范围最广的：

(11)

对柱体直径大于0.5m的喷动床，使用上式计算，最小喷动速度会偏小。此时一个近似的方法是把由式(11)计算的最小喷动速度乘以2Dc倍(单位为m)。

合理的气流速度 为：1.1 ≤ ≤1.2 。

3.2.4喷泉高度

<0.15， =0.25 ；>0.15， =0.5

3.2.5喷动床身高度

本干燥器利用已达干燥要求物料与未达干燥要求的质量差进行干燥物料的分离，在一定质量差值范围内，利用旋风分离器和热风炉鼓风机的吸力将被干燥物料吸出并排出。达到物料的连续干燥处理，因此，喷动床身顶端与喷泉高度距离为5mm，喷动床身高度（单位：m）为：

(12)

4 结论

本干燥系统在普通喷动床的基础上，与内加热方式相结合，强化了传热传质，提高热效率，减少了空气用量，降低动力消耗，弥补了现有喷动床存在的一些不足。但是内加热喷动床干燥系统还处于初步研究阶段，其中一些方面还存在许多不足，有待进一步改进。

参考文献

[1] Mathur K.B, Gisher P E.A Study of the Application of the Spouted Bed Technique to Wheat Drying[J].J.Appl.Chem.,1955,5:624-636.

[2] 张翠宣,叶京生,宋继田.喷动床研究与进展[J].化工进展,2002,21(9):630-634.

[3] 叶为标.谷物干燥方法的研究[J].粮食加工,2009,34(1):69-72.

[4] 祝京旭,洪江.喷动床发展与现状[J].化学反应工程与工艺,1997,13(2):207-222.

[5] 李文曲,叶京生.喷动床干燥工艺综述[J].医药工程设计杂志,2001,22(5):45-48.

[6] 李文曲,叶京生,朱贵凤.喷动床干燥工艺综述[J].化工装备技术,2000,21(3):10-15.

[7] 卜伟,程榕,郑燕萍.喷动流化床的研究进展及其在造粒方面的应用[J].

浙江化工,2008,39(5):15-18.

[8] 赵杏新,刘伟民,罗惕乾等.喷动床技术研究进展[J].农业机械学报,2006,37(7):189-193.

[9] 刘华彦,杨阿三,伍沅等.带水平传热管束的组合加热流化床传热及干燥特性[J].

浙江工业大学学报,2002,30(2):8-11.

[10] 杨阿三,程榕,孙勤等.内加热流化床在草甘膦干燥中的应用[J].

浙江化工,2003,34(10):18-20.

[11] 潘永康,王喜忠.现代干燥技术[M].化学工业出版社,2001.

[12] Mathur K B, Pstein N E.Spouted Bed. New York: Academic Press,1974,47-95.

[13] 徐圣言.喷动床干燥机物料运动规律的研究进展[J].农业工程学报,1996,12(4):66-70.

[14] McNab G S, Bridgwater J. The Application of Soil Mechanics to Spouted Bed Design[J].Can.J.Chem.Eng,1974,52(2):162-169.

[15] 刘文武,徐庆,安峰等.喷动床装置的设计研究[J].化工装备技术,2007,28(6):11-14.