【文章內(nèi)容簡介】 率，同時(shí)整個(gè) 床層亦可維持于一個(gè)可控的溫度范圍內(nèi)操作 ， 這對于熱敏性物料的干燥尤為有利。 （ 3）防垢效果明顯 由于床層內(nèi)處于流化狀態(tài)的 惰性粒子對垢層的剪切力要大于污垢在傳熱壁面上的附著力 ，故可 使垢層很容易地從傳熱壁面上脫離 ，從而 起到防垢除垢的效果。研究表明 ，在正常的操作條件下， 即使不能完全防止污垢的 產(chǎn)生 ， 也能將污垢的厚度控制于較低的水平。 工業(yè)應(yīng)用 （ 1）在天然食品干燥方面的應(yīng)用 Souraki等在惰性粒子流化床體系中加入振動(dòng)與微波裝置，對伊朗產(chǎn)大蒜和青豆進(jìn)行干燥脫水，研究了風(fēng)速、溫度、振動(dòng)頻率以及微波強(qiáng)度等因素對脫水效果的影響，獲得了優(yōu)化工藝條件，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可較好地吻合。 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徑、種類和數(shù)量以及氣速和溫度等因素對干燥效果的影響，并建立了相應(yīng)的半經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，干燥效 率與溫度和惰性粒子的熱導(dǎo)率成正比，而與氣速、惰性粒子的種類無明顯關(guān)系，且所建立的半經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型可很好地?cái)M合傳熱數(shù)據(jù)。 （ 2）在膏狀物料干燥方面的應(yīng)用 在干燥工業(yè)中，膏狀物料是比較難處理的物料之一。由于膏狀物料具有黏度高、密度大等特點(diǎn)，故傳統(tǒng)的流化床干燥機(jī)較難適用，此時(shí)可采用惰性粒子流化床干燥機(jī)。 劉玲等采用惰性粒子流化床干燥了食品物料納豆和其他幾種高黏度物料。結(jié)果表明，惰性粒子在床層內(nèi)的激烈運(yùn)動(dòng)，可有效提高操作的傳熱與傳質(zhì)效率，同時(shí)還可于干燥過程中對干品進(jìn)行粉碎，實(shí)現(xiàn)流程的簡化。魯林平等亦對上述干燥過程進(jìn)行 了研究，結(jié)果還表明該工藝產(chǎn)品的含水率較低，成分損失較小 。 朱學(xué)軍等采用帶浸沒加熱管的惰性粒子流化床對膏狀物料進(jìn)行干燥，重點(diǎn)考察了加料速率、振動(dòng)條件、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)速率、加熱管功率等因素對干燥過程的影響，并借用體積傳熱系數(shù)對干燥器的傳熱性能進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明，增設(shè)加熱管裝置可顯著強(qiáng)化操作的傳熱與傳質(zhì)效果，其中熱效率高達(dá) 66%、干燥強(qiáng)度超過 300 kg/(m3h )、體積傳熱系數(shù)亦可達(dá) 25 kW/(m3K) 。 （ 3）在無機(jī)鹽干燥方面的應(yīng)用 11 郭英凱等以黏度高、且脫濕過程中結(jié)垢嚴(yán)重的氯化鎂溶液為體系， 采用自然 循環(huán)的惰性粒子流化床對其進(jìn)行了干燥實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的干燥手段進(jìn)行了數(shù)據(jù)對比。結(jié)果表明，雖然自然循環(huán)的液流速度不及傳統(tǒng)的強(qiáng)制循環(huán) ， 但前者的傳熱系數(shù)卻大于兩相流強(qiáng)制循環(huán)條件下的蒸發(fā)傳熱系數(shù)，且當(dāng)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行 2500 h后，傳熱壁面上仍未發(fā)生結(jié)垢。 王曉靜等用惰性粒子流化床干燥硫酸鎂溶液， 考察了分布板開孔率、惰性粒子直徑、質(zhì)量以及進(jìn)料量、進(jìn)風(fēng)量、熱空氣入口溫度等因素對干燥性能的影響。結(jié)果表明，惰性粒子流化床干燥器具有干燥速率快、體積傳熱系數(shù)大、干燥強(qiáng)度高、干燥時(shí)間短、干燥產(chǎn)品粉粒細(xì)等優(yōu)點(diǎn)。 （ 4）在漿狀物料干燥方面 的應(yīng)用 Cabral等將糊精 麥芽糖復(fù)合劑混入石榴漿中，之后采用振動(dòng)惰性粒子流化床對其進(jìn)行了濃縮處理，結(jié)果表明，石榴漿的黏度會(huì)使體系的壓強(qiáng)增大，此時(shí)宜通過增大振動(dòng)頻率的方法來加以克服。 啤酒生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的酵母廢液是一種漿狀物料，其內(nèi)富含蛋白質(zhì)。然而，當(dāng)溫度超過一定限度后酵母廢液中的蛋白質(zhì)即會(huì)變性水解，且干燥后的成品含水率又不得超過 10%，故對于普通的干燥機(jī)而言，其操作溫度及操作時(shí)間的控制將難以滿足生產(chǎn)要求。江濤等則改用惰性粒子流化床，對含水量超過 50%的啤酒酵母廢液實(shí)施了干燥處理，并取得了成功，期間還考 察了槳葉、霧化器、氣流氣速等因素對干燥效果的影響。這一研究為設(shè)備的選型及操作的進(jìn)一步優(yōu)化均提供了良好依據(jù)。 李佑楚等用惰性粒子流化床對超微鈦白粉和磁記錄用鋇鐵氧體磁粉黏性懸浮液混合漿料進(jìn)行脫水干燥，考察了熱空氣入口溫度、操作氣速、惰性粒子添加量等參數(shù)對干燥過程的影響，并建立了傳熱、傳質(zhì)與操作參數(shù)之間的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)模型，從而為該類干燥器的工程設(shè)計(jì)提供了較好的參考依據(jù)。 惰性粒子流化干燥技術(shù)，具有傳熱和傳質(zhì)效率高、防垢除垢效果好等優(yōu)點(diǎn)，且可簡化產(chǎn)品的干燥工藝流程，易于實(shí)現(xiàn)操作的自動(dòng)化，其工業(yè)應(yīng)用前景十分廣闊。然而， 就目前而言，我國在惰性粒子流化干燥技術(shù)方面的理論研究尚比較薄弱，工業(yè)應(yīng)用也仍比較局限，與國外還存在一定的水平差距，還有待今后的進(jìn)一步研究。 流化干燥模型 與流態(tài)化過程一樣，流化干燥的過程規(guī)律也極其復(fù)雜，迄今也尚未能建立完整的系統(tǒng)理論對其進(jìn)行全面的機(jī)理認(rèn)識，有關(guān)流化干燥現(xiàn)象的一些基本過程還多只能依靠大量實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行描述。 如前所述， 由于流化干燥 過程 的熱質(zhì)傳遞性能很大程度上 要 受制于床內(nèi)分散相和連續(xù)相的流化行為，因此床內(nèi)流體力學(xué)特性的模擬 是 流化干燥模化 研究的一個(gè) 重 要內(nèi)容 。對于氣固流化 床，其流體力學(xué)理論主要包括初始化條件和床層壓降兩方面內(nèi)容， 同時(shí)它們 也是氣固流化床理論研究和工程應(yīng)用中 需要考慮 的 兩個(gè) 基本問題。在流化 床 操作中，當(dāng)氣流速率超過某一限度后，床內(nèi)的固 相 便開始流 態(tài) 化，床層即由固定床轉(zhuǎn)變?yōu)榱骰?，12 此 氣流速率的限度值稱為 臨界 流化速率 或最小 流化速率。臨界流化速率是流化床設(shè)計(jì)和操作的重要依據(jù)之一，但 由于 流 態(tài) 化過程本身的復(fù)雜性，導(dǎo)致了對臨界流化速率的模型預(yù)測還存在 著 諸多的困難或不確定性。研究表明，臨界流化速率主要是受制于固體顆粒的物性、力的平衡和床層壓降等因素，相關(guān)的模型研究也都側(cè)重于 對 這些因 素的考察。Kmiec、 Sombreiro、 Wen、 Agarwal、 Olowson、 Hilal 及 Bernard 等 均 進(jìn)行了臨界流化速率的 建 模研究，分別從不同角度計(jì)算了臨界流化速率的變化，或分析了臨界流化速率對床內(nèi)流化狀態(tài)的影響。床層壓降作為流化床設(shè)計(jì)和操作的另一重要參數(shù)，其模 化 研究 亦較為復(fù)雜。 Kmiec、張瑞英、 Biswal、 Agarwal、 Miura 和 Singh 等 均 開展了相關(guān)課題的研究，分別建立了針對快速流化床或床內(nèi)雷諾數(shù)較低等不同情況下的床層壓降模型，并提出了在床層壓降模型中宜引入顆粒球形度等參數(shù)的 科學(xué)提 議 。在 有關(guān) 氣固流化床臨界流化速率和床層壓降的 眾多 模 型方程中 ， Agarwal 等構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型相對 突出 ，在氣固流化床 的 無 量綱 設(shè)計(jì) 與 計(jì)算中應(yīng)用 較 多 。 Agarwal 模型的方程 形式較為復(fù)雜，其 表達(dá)式可寫 為 11mf 2 )4( A CABBu ???? （ 11） )2ta n2(4π03021 aHDHDBA??； 4π 2021 HDAB ?； 3 ])[( 3030c1 hhHKC ??? （ 12） 20 sk20c 4 ))(1(π hgDK ??? ??? （ 13） 30 mf3030020mf02mf )(3 ])[( hH uhhHhBhH uHhAp ? ?????? ? （ 14） 23k2ic2k2 )1(150 ?? ??dgA ??；?? ?? 3kic k2 )1( dgB ?? （ 15） 式 11 至 15 中 umf 為基于流化床直徑的床入口處的臨界流化速率 （ ms1）， A B CA B2和 Kc 均為模型中的過渡變量 ， D0為床 體 入口 處 截面直徑 （ m） ， H 為靜止床高 （ m） ，a 為錐體的角度 ， h0為流化床細(xì)長 俯 部到最高點(diǎn)距離 （ m） ， g 為重力加速度 （ ms2） ， εk為空隙率 （無因次） ， ρs 為粒 子 密度 （ kgm3） ， ρ 為 氣 流密度 （ kgm3） ， Δpmf 為臨界流化速率下的床層壓降 （ Pa）， μ 為 氣 流黏度 （ kgm1s 1） ， gc 為牛頓常數(shù) （ kgmkg1s 2） ，di為粒 子 直徑 （ m） ， φ 為粒 子 球形度 （無因次） 。 隨著氣固流化床流體力學(xué)模型研究的逐步深入， 惰性粒子 流化床干燥器的傳熱與傳質(zhì)模型也得到了長足地發(fā)展，但同樣以經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型為主導(dǎo)。 天津大學(xué)陳國桓等分別以玻璃球和陶瓷球?yàn)槎栊粤Ｗ?，在惰性粒子流化?內(nèi) 進(jìn)行了13 混凝土外加劑等五種物料的流化干燥實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn) 通過 假 定 惰性粒子與物料之間理想混合 、 物料均勻涂敷 于 粒子表面并形成 薄層 、 物料薄層的厚度 相比 粒子 的 直徑可忽略 等條件， 結(jié)合量綱分析法， 擬合 得到了 計(jì)算 體積傳熱系數(shù)的無量綱關(guān)聯(lián) 模型。該模型是國內(nèi)建立較早的惰性粒子流化床干燥器的傳熱模型，包含變量較多，其模型 表達(dá)式為 wiisbv )( Dd HqPrKRedK ??? ?? ??? （ 16） 式 16 中 Kv 為體積傳熱系數(shù)（ Wm3K 1）， ρb 為流化密度（ kgm3）， ρs 為惰性粒子密度（ kgm3）， λ 為干燥氣體導(dǎo)熱系數(shù)（ Wm1K 1）， di為惰性粒子直徑（ m）， Re 為雷諾數(shù)（無因次）， KD為考慮溶劑有相變對傳熱影響的數(shù)（ 無因次）， Pr 為普蘭特?cái)?shù)（無因次），qv 為 進(jìn) 料 體積流 量（ m3s 1）， ρw為料液密度（ kgm3）， H 為惰性粒子靜止床層高度（ m），μw為料液黏度（ Pas）， D 為分布板處床 體的 截面直徑（ m）。 天津科技大學(xué)李建國等采用聚四氟乙烯為惰性粒子，在振動(dòng)式惰性粒子流化床干燥器中，以新鮮豆?jié){液為原料，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了用于計(jì)算體積傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，即 )( HuTGK ?? ???? （ 17） 式 17 中 Kv 為體積傳熱系數(shù)（ Wm3℃ 1）， qv 為 進(jìn) 料 體積流 量（ m3s1）， Tin 為進(jìn) 風(fēng) 溫度（ K）， ug 為進(jìn)風(fēng)速率（ ms1）， H 為靜床高（ m）。 Tamarin 等以單個(gè)粒子（ di= mm， ρs=11502700 kgm3）為對象，進(jìn)行了惰性粒子流化干燥的傳熱與傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)。 結(jié)果表明 ，室溫下流化床中傳熱系數(shù)由單個(gè)試樣粒子的冷卻速率所決定，其傳熱速率與設(shè)備尺寸的比例大小無關(guān)，且氣速對于傳熱 與傳質(zhì)速率的影響程度有限。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合直徑 di180。= mm 的粗糙粒子干燥實(shí)驗(yàn)，關(guān)聯(lián)得到了 可 描述傳熱 及 傳質(zhì)性能的模型表達(dá)式， 分別為 i a x )()( ???ddArNu ?? （ 18） i31)()( ??ddArScSh ?? （ 19） 式 18 的適用范圍為： 105Ar107， di180。/ di， ρ/ρs， φ。式 19 的適用范圍為： 105Ar106， di180。/ di， ρ/ρs。式 和 中 Nu 為努塞爾數(shù)（無因次）， Ar 為阿基米德數(shù)（無因次）， φ 為粒子球形度（無因次），Sh 為 施伍德數(shù) （無因次） ， Sc 為 施密特?cái)?shù) （無因次）。 Grbavcic 以直徑 mm 的玻璃珠為惰性粒子，對純水、殺菌劑及氫氧化銅溶液分別 進(jìn)行了 惰性粒子 流化干燥實(shí)驗(yàn) 。 實(shí)驗(yàn)研究了帶有攪拌裝置的惰性粒子流化 床 干燥 器的傳質(zhì)過程 ，并 通過對 干燥 系統(tǒng) 的 熱量衡算，建立了可用于求取水分 汽化 速率的模型公14 式 ，即 rTTcTTcww QTTcGAAGW ????? ???? )()(])1([ )(1 a i routOHa i routdmOHOH goutinpvcc OHOH 22222 （ 110） 式 110 中 WH2O 為被干燥水分的比汽化速率（ kgm 2s1）， Gv 和 GH2O 分別為空氣和水分的質(zhì)量流率（ kgs1）， Ac 為流化床筒體的橫截面積（ m2）， cp、 cH2O和 cdm分別為空氣、水和被干燥物料的比熱（ Jkg1K1）， Tin、 Tout 和 Tair 分別為空氣進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)及環(huán)境溫度（ K）， Qg 為熱損失 （ kW）， wH2O 為料液中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（無因次）， r 為水分汽化潛熱（ Jkg1）。 Mousa 以沙子為惰性粒子，對氯化鈉、石灰石、石灰石混合物、粘土及粘土混合物進(jìn)行了流化干燥 實(shí)驗(yàn) 。結(jié)果表明，影響流化干燥速率的因素主要有： a）干燥表面積； b）空氣質(zhì)量流速； c）操作溫度下水的汽化潛熱； d）加入的懸浮液與操作溫度之間的對數(shù)平均溫度差。在此基礎(chǔ)上，通過保持實(shí)驗(yàn)中操作溫度和干燥 表面積恒定，改變熱空氣的進(jìn)口速率，擬合得到了干燥速率的計(jì)算模型。該模型對惰性粒子流化干燥的傳質(zhì)研究具有一定的參 考價(jià)值，其適用性較強(qiáng)，方程形式較為簡潔，即 r TGSL ????? （ 111） 式 111 中 L 為干燥速率（ kgs1）， S 為干燥表面積（ m2）， G 為空氣質(zhì)量流速（ kgm 2s1），ΔTm為傳熱溫度差（ K）， r 為操作溫度下水的汽化潛熱（ Jkg1）。 此外， Peron 等在對馬鈴薯漿汁的惰性粒子流化干燥 實(shí)驗(yàn) 研究中，將覆有馬鈴薯漿膜的惰性粒子置于一個(gè)空 間 時(shí)間坐標(biāo)系中，通過對漿膜進(jìn)行 大量 正方形網(wǎng)絡(luò)的劃分，結(jié)合單元法計(jì)