【文章內(nèi)容簡介】 作設(shè)備。 氣流 流化床干燥過程屬于對流傳熱操作類型，因物料處于懸浮狀態(tài)，故氣固兩相可充分接觸，從而可強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞過程，即操作的熱效率高、效果好、干燥強(qiáng)度大，較適于一些難處理物料的批量處理，如膏狀物料等。目前，圓筒型氣流流化床干燥機(jī)已廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中。 過程 工藝 與 影響因素 氣流干燥機(jī)主要是通過熱空氣與物料表面的直接接觸，從而在短時間內(nèi)達(dá)到干燥效果的一種裝置 。 它具有干燥強(qiáng)度大，干燥時間短，熱效率高，處理量大，應(yīng)用廣泛，設(shè)備簡單以及操作容易的優(yōu)點，尤其在氣流干燥過程中，物料升溫不高，一般不存在過熱等問題；并且營養(yǎng)物質(zhì)損失量低，因而非常適合一些熱敏性產(chǎn)品的干燥加工。然而 該類型 干燥機(jī)即便有這么多優(yōu)點，氣流干燥機(jī)還是有它的局限性所在的，比如說它對潔凈的要求比較高，除塵能力要強(qiáng)，因為其中的流體阻力大；又如它的干燥管的長度較長，所以它對干燥廠房的要求也比較高等。同時氣流干燥中牽 扯到一個湍流流動的問題，我們需要非常注意。 我們知道， 湍流是一種非常復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)流動，在湍流過程中，流體的各種物理因素，如速度，溫度，壓力等都隨時間和空間隨機(jī)變化，因此給研究和生產(chǎn)帶來了一點困擾。 影響氣流干燥機(jī)性能的主要操作參數(shù)有熱風(fēng)強(qiáng)度，熱風(fēng)量，還有物料的喂入量等，提高熱風(fēng)的溫度能夠提高提高降水幅度和干燥強(qiáng)度；物料的喂入量增大，降水幅度下降；不同風(fēng)量區(qū)對干燥機(jī)性能影響不同。不同干燥機(jī)類型對這些操作參數(shù)的要求也不一樣。10 氣流干燥是一種極其快速的干燥方式，傳統(tǒng)氣流干燥機(jī)的干燥時間一般不超過 10 s，除此以外還具 有與物料輸送和結(jié)合的優(yōu)點 。 氣流干燥在如此短的時間之內(nèi)完成，主要取決于兩個因素： a)物料粒徑小，且高度分散，接觸面積大 ； b)脫除的水分一般是表面水。反過來說，大顆粒物料，以及含有難脫除的微孔水或結(jié)合水的物料通常不宜采用氣流干燥。氣流干燥過程中氣體與顆粒間的相對速度基本上等于有 stocks定律決定的沉降速度。從傳遞的觀點來看，并不是很有限的，物料停留時間也限制了它的應(yīng)用。因此，氣流干燥的改進(jìn)就主要集中在兩個方面 : a)提高傳遞速度 ； b)增加停留時間。 總的來說，對于氣流流化干燥機(jī)工藝，射流沖擊噴嘴的結(jié)構(gòu)、外形尺 寸、噴嘴高度、噴嘴間距以及噴嘴排列形式、氣流沖擊的輻射距離等是氣體射流沖擊物料時影響傳熱傳質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)因素，而氣流的沖擊速度及氣體的狀態(tài)參數(shù)則是影響其傳熱傳質(zhì)的工藝因素。概括來講，影響氣流干燥器干燥效果的因素主要有以下幾點 : (1)熱風(fēng)溫度 對整個熱風(fēng)干燥過程來說，熱風(fēng)溫度不僅決定著整個干燥過程的干燥速度，而且對產(chǎn)品的最終干燥質(zhì)量也有著很大的影響。沖擊氣流溫度高時，單位熱耗低，汽化強(qiáng)度高，但溫度過高易發(fā)生“灼傷”物料的現(xiàn)象；溫度過低，又會使干燥時間過長而耗費(fèi)能源。 (2)氣流流速 氣流流化床干燥技術(shù)的特 點之一是從噴嘴噴出的氣流具有較高的速度（與常規(guī)熱風(fēng)干燥技術(shù)相比）。當(dāng)高速氣流近距離沖擊物料時，就會在物料表面產(chǎn)生非常薄的氣體邊界層，因而具有較高的傳熱系數(shù)。噴嘴出口氣流速度對汽化強(qiáng)度的影響總體不大，但汽化強(qiáng)度隨噴嘴出口氣流速度增加而呈微弱增加的趨勢。 (3)干燥時間 干燥時間與熱風(fēng)溫度密切相關(guān)。干燥初期，物料的含水量較高，如果將干燥時間控制在極短的時間內(nèi)，那么熱風(fēng)溫度即使很高也不會損傷物料；反之，如果干燥時間很長，那么即使熱風(fēng)溫度較低，物料也可能受損傷，造成品質(zhì)發(fā)生較大的變化。干燥時間的長短直接影響著干燥 產(chǎn)品的最終品質(zhì)以及整個干燥過程的能源消耗。 (4)噴嘴結(jié)構(gòu) 噴嘴從開孔的幾何形狀上可分為圓形和條形兩大類。氣流入口和出口的幾何形狀有平滑過渡和非平滑過渡兩種；噴嘴有入口與出口直徑一致的長管式噴嘴和直接沖孔或鉆孔的噴嘴兩種。圓形噴嘴與條形噴嘴的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用目的各不相同，但從傳熱系數(shù)來看，在開孔率相同時（ 1%～ 4%），矩陣排列的圓形噴嘴的傳熱系數(shù)要比矩陣排列的條形噴嘴高 50%～ 100%。 (5)噴嘴直徑 顆粒物料受到加熱氣流的沖擊作用后，在一定力的作用下會使物料產(chǎn)生類似流化狀態(tài)的運(yùn)動，而物料的運(yùn)動就是干燥 與加熱的過程。物料的運(yùn)動不僅使其保持了氣體射流沖擊技術(shù)高傳熱系數(shù)的特點，而且還消除了傳熱不均的弊病。以圓形噴嘴為例，噴嘴直徑 D 越大，物料在氣流沖擊作用下產(chǎn)生流態(tài)化狀態(tài)所需的噴嘴出口風(fēng)速就越低，但物料流化時的風(fēng)量比也隨噴嘴直徑的增加而增加 . (6)噴嘴間距 噴嘴間距是多個噴嘴排列時的一個重要計算指標(biāo)。因為當(dāng)氣流從噴嘴噴出時，噴出氣流將不斷與周圍介質(zhì)發(fā)生質(zhì)量和動量的交換，帶動周圍介質(zhì)流動，使11 噴射出的流體質(zhì)量增加動量降低，并隨著氣流噴射距離的增加，流體的橫斷面不斷增加。這種現(xiàn)象在噴射沖擊中稱為挾帶。由氣流噴射 的特征知，挾帶的主要影響因素是噴嘴出口的直徑、兩噴嘴間距和噴嘴高度。 (7)噴嘴高度 噴嘴高度是指氣流噴射時的氣流出口沿噴嘴方向到滾筒最底端的距離。噴嘴高度不僅直接影響風(fēng)量比的變化，而且還對隨流化程度變化的風(fēng)量比有著一定的間接影響。此外，噴嘴高度還會對滾筒的填充率有一定的影響。 (8)噴嘴傾角 由于滾筒的轉(zhuǎn)動，使得整體物料表面與水平面之間存在著一定的物料傾角 β 。滾筒轉(zhuǎn)速不同， β 值也不同。對噴嘴傾角 θ 的定義為： 3排噴管中中間一排噴管與鉛垂方向所夾的角度。對不同的物料傾角取不同的噴嘴傾角時，干燥效果也會有所不同。 以上是影響氣流干燥機(jī)的主要因素 ， 干燥設(shè)備與技術(shù)先進(jìn)與否將直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及產(chǎn)品的競爭力。近年來國內(nèi)的干燥技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展速度是異常迅猛的 ， 但在開發(fā)、設(shè)計和使用等方面還存在著一定的問題 ， 它們危害是不容忽視的。在開發(fā)和設(shè)計中 ， 我國目前眾多的干燥設(shè)備的設(shè)計和研制大多是對國外先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的消化吸收的基礎(chǔ)上完成的 ， 這之中就存在這消化吸收不徹底的情況。于是 ， 在設(shè)備的生產(chǎn)、設(shè)計中就存在著不少的問題：許多設(shè)備的設(shè)計大都采用模擬設(shè)計或相似設(shè)計的方法 ， 通常是繪制樣機(jī) ， 然后對各部分進(jìn)行比例放大或縮小 ， 部分結(jié)構(gòu)進(jìn) 行消弱或加強(qiáng)或略有改進(jìn) ， 以適應(yīng)自己的生產(chǎn)條件或能力。這樣的設(shè)計具有一定的盲目性和風(fēng)險性 ， 其效果只有在樣機(jī)生產(chǎn)出來以后進(jìn)行實驗才能知道 ， 很難預(yù)知產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理 ， 總體參數(shù)、各零部件參數(shù)一級作業(yè)參數(shù)選擇是否合理、是否達(dá)到最佳。在生產(chǎn)單位中 ， 干燥設(shè)備一般都屬于大型設(shè)備 ， 這樣以來 ， 對資金是極大的浪費(fèi)。在干燥設(shè)備的使用方面 ， 存在著很大的盲目性和被動性。干燥設(shè)備所需配套不見特別多 ， 這些部件的結(jié)構(gòu)形式 ， 作業(yè)參數(shù)等均對干燥質(zhì)量造成一定的影響。安裝用戶若缺乏理論上的了解 ， 就不能對操作系數(shù)進(jìn)行調(diào)整 ，而對于使用單位而言 ， 這又是最 不利的因素 ， 因為安裝調(diào)試均以實際對象的真實條件為準(zhǔn) ， 而不是實驗室的實驗結(jié)果。 氣流流化 干燥類型 氣流干燥機(jī)有很多種，現(xiàn)在簡要介紹幾種： a）環(huán)形噴射氣流干燥機(jī)。該裝置由干燥段， 輸送段，循環(huán)段，分級室組成，濕粉狀或濾餅狀物料由螺旋輸送器輸入 ,泥漿或液態(tài)類由高精度泥漿泵輸入，未干燥完全的物料可以再次通過循環(huán)段進(jìn)入干燥室干燥。物料的含水量越高，干燥時間越短。比如蒸發(fā) 98%的水只需要 ，剩余水的蒸發(fā)時間較長。該裝置高溫高壓的氣流噴嘴可以實現(xiàn)瞬時氣流干燥，干燥效率高，可用于泥狀物的干燥。而且產(chǎn)品溫 度幾乎不升高，所以可干燥熱敏性物料和低熔點物料。 b）帶式穿流干燥機(jī)。該裝置由若干單組成，每一單元熱風(fēng)獨立循環(huán)，部分尾氣由專門的排濕口排出，熱氣的傳輸過程中可以帶走物料表面的水分。該裝置的速度可以根據(jù)物料的濕度自行調(diào)節(jié)，操作非常方便。 c）脈沖氣流干燥機(jī)。使用高速熱氣流使得物料懸浮在其中，12 通過熱交換達(dá)到使物料水分散失的目的，這種裝置的優(yōu)點是運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，效率高，缺點是流動阻力大，動力耗能也大。 流化干燥可以節(jié)約能耗，并且可以干燥大量不同類型的物料。 由于 流化干燥是一種典型的 流態(tài)化 操作過程 ， 屬于流態(tài)化技術(shù)范疇。 所謂 流 態(tài)化技術(shù) 即 是指利用流動流體的作用 ， 促使 大量固體顆粒懸浮于流體介質(zhì)中 ， 從而使得固體顆粒呈現(xiàn)出類似于流體 的 某些表觀特性的過程操作 。因此，圍繞著設(shè)備內(nèi)部物料的更好流化，目前該類干燥機(jī)設(shè)計有多種機(jī)型，總 體有如下幾種： a)帶攪拌流化床干燥器。該裝置由干燥器、排風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)分離器、攪拌器、粗細(xì)顆粒分級用空氣、空氣加熱器、過濾機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)組成，該裝置可以防止因流化不良導(dǎo)致死床。 b）內(nèi)熱式流化床干燥器。跟一般的干燥器相比，也就是在裝置里面加入了換熱器或旋轉(zhuǎn)式換熱器，它通過換熱提供大部分的熱量，而不是通過輸入熱風(fēng)的方式。這樣起到 節(jié)能的作用，在崇尚環(huán)保的當(dāng)今社會里比較適用。 c）旋轉(zhuǎn)高速干燥機(jī)。它相當(dāng)于帶攪拌的錐形流化床，它主要是由加熱器、流化床、內(nèi)熱管、旋轉(zhuǎn)分離器、加料器、風(fēng)機(jī)組成，它其中壁層分布著空氣冷卻夾套，防止?jié)窳线^熱，它的主要部位呈錐形，上部速度小，下部速度大，可以使?jié)窳狭髁烤鶆?，而且它可以控制粗?xì)粒度均勻分布。它的攪拌裝置可以使周圍溫度適中，不至于過冷或過熱。該裝置體積小，生產(chǎn)能力大，值得推廣，有利于將來的生產(chǎn)。 d）流化床噴霧造粒干燥。 它 是霧化，液化，干燥三者的結(jié)合，它是由加熱器、排風(fēng)機(jī)、袋濾器、泵等組成，這種設(shè)備體積小， 生產(chǎn)能力大，造粒直徑寬，在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸大量使用。如今流化床噴霧造粒干燥又衍生出好幾種類型的干燥機(jī)，如在螺旋出料器中設(shè)置流化分級裝置，或在中心出料管中通入分級空氣等。 e）對撞流干燥。通過一些資料表明，該裝置是一種新型裝置，目前還處于研究狀態(tài)。該裝置干燥強(qiáng)度大，所以干燥所使用的時間很短。高度湍流、顆粒的懸浮流動、顆粒振蕩與穿透在機(jī)內(nèi)綜合作用導(dǎo)致干燥強(qiáng)度很大。這種裝置主要是由預(yù)干燥器，干燥器、加速管等組成，汽固液三種介質(zhì)在里面混合，劇烈傳熱傳質(zhì)，使物料迅速干燥。 CFD 理論 及其 應(yīng)用 軟件 CFD 技術(shù)方法 近年來，隨著計算機(jī)性能與技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開始采用高速計算機(jī)，結(jié)合先進(jìn)的流體力學(xué)模擬技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的成功應(yīng)用，很大程度上要得益于計算流體力學(xué) CFD方法的建立與發(fā)展，后者既是流體力學(xué)理論中一個重要的研究分支，同時也是我們研究和了解復(fù)雜流體現(xiàn)象的一種有效手段。具體地說， CFD 是一門對工程中流體流動、傳熱、燃燒、化學(xué)反應(yīng)、多相流等進(jìn)行數(shù)值預(yù)測和工程模擬的研究技術(shù)。在相關(guān)的 CFD軟件中，只要我們輸入描述過程現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，然后依據(jù)現(xiàn)有的計算數(shù)學(xué)理論進(jìn)行求解，求解值即為對于實際實驗的預(yù)測結(jié)果。 因此，利用 CFD 軟件，研究者可通過調(diào)整模型中的變量，在較短時間內(nèi)搜索得到最優(yōu)的實驗預(yù)測結(jié)果，從而確定出模型變量的最佳取值。 13 CFD 是在計算機(jī)上求解描述流體運(yùn)動、傳熱和傳質(zhì)的偏微分方程組，并且對上述現(xiàn)象進(jìn)行過程模擬。 CFD 可用來進(jìn)行流體動力學(xué)的基礎(chǔ)研究，復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計，了解在燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)，分析實驗結(jié)果等。其主要優(yōu)點是能以較少的費(fèi)用和較短的時間獲得大量有價值的研究結(jié)果，對投資大、周期長、難度高的實驗研究來說，CFD 的有點就更為突出。因此，將 CFD 與工程研究相結(jié)合，不僅有助于工程設(shè)計的改進(jìn)，而且能 減少實驗的工作量?？梢哉f， CFD 是一種有效和經(jīng)濟(jì)的研究手段。換言之，CFD 是一種可以通過計算機(jī)生成數(shù)值計算和圖像顯示的技術(shù)。它是把一些在空間和時間上連續(xù)的物理量的場用一些離散點的變量集合來代替，通過一定的方式來建立關(guān)于這些離散點的代數(shù)方程式，然后求解方程式得出這些變量集合，從而得出場的近似值的過程。 CFD 數(shù)值模擬可以看作是在質(zhì)量守恒方程，能量守恒方程等諸如這種平衡方程的控制下對流動的模擬，在氣流干燥方面，就是對氣流和物料流動的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬已經(jīng)成了工程中許多領(lǐng)域的一種較為先進(jìn)的研究方法。 簡言之， CFD 方 法是近代流體力學(xué)、計算數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物 , 是利用高速計算機(jī)求解控制流體流動的偏微分方程組，定量求取流體流動狀態(tài)的方法，也就是對流場的控制方程用計算數(shù)學(xué)的算法將其離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點上求其離散的數(shù)值解的一種方法?？刂扑辛黧w流動的基本定律有：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。由此可以分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動量方程（又稱納維爾 斯托克斯方程）和能量方程，進(jìn)而可聯(lián)立得到納維爾 斯托克斯(NavierStokes)方程組，簡稱 NS 方程組。 NS 方程組是流體流動所需遵守的普遍規(guī)律，可精確描述了自 然界流體流動現(xiàn)象。但由于絕大多數(shù)工程上流體都屬于高度非線性的，無法通過求解此微分方程得到解析解。隨著計算科學(xué)工程 (Computational Science and Engineering，簡稱 CSE)的日益發(fā)展，人們試圖通過數(shù)值方法直接求解各種控制方程，工業(yè)也要求用數(shù)值模擬手段解決各種設(shè)備及過程的設(shè)計與模擬，從而形成和發(fā)展了計算流體力學(xué)這一學(xué)科分支。 將 CFD用于化工過程的建模、化學(xué)反應(yīng)器和結(jié)晶器的設(shè)計與放大是現(xiàn)代高科技與傳統(tǒng)科學(xué)相結(jié)合的典范。 CFD 摒棄傳統(tǒng)化工過程的建模方式，用詳盡、真實和生動再現(xiàn)的方 式來描述化工過程，因而被稱之為 “虛擬真實 ”(virtual reality)之法。此應(yīng)用因其可靠、經(jīng)濟(jì)和快速，已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛重視并成為世界化工新興前沿領(lǐng)域。 計算流體力學(xué)和相關(guān)的計算傳熱學(xué)、計算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、組分、動量和自定義的標(biāo)量的微分方程組。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，計算流體力學(xué)日益成熟，一個主要的標(biāo)志就是各種 CFD 通用商務(wù)軟件陸續(xù)出現(xiàn)，專門用來進(jìn)行流場分析、流場計算、流場預(yù)測。除了應(yīng)用于航空、航天、船舶、水利方面外，應(yīng)用的范圍逐步擴(kuò)大到化工、冶金、建筑、環(huán)