【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 作設(shè)備。 氣流 流化床干燥過(guò)程屬于對(duì)流傳熱操作類(lèi)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(guò)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(guò)程 工藝 與 影響因素 氣流干燥機(jī)主要是通過(guò)熱空氣與物料表面的直接接觸，從而在短時(shí)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(shí)間短，熱效率高，處理量大，應(yīng)用廣泛，設(shè)備簡(jiǎn)單以及操作容易的優(yōu)點(diǎn)，尤其在氣流干燥過(guò)程中，物料升溫不高，一般不存在過(guò)熱等問(wèn)題；并且營(yíng)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(lèi)型 干燥機(jī)即便有這么多優(yōu)點(diǎn)，氣流干燥機(jī)還是有它的局限性所在的，比如說(shuō)它對(duì)潔凈的要求比較高，除塵能力要強(qiáng)，因?yàn)槠渲械牧黧w阻力大；又如它的干燥管的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以它對(duì)干燥廠(chǎng)房的要求也比較高等。同時(shí)氣流干燥中牽 扯到一個(gè)湍流流動(dòng)的問(wèn)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(dòng)，在湍流過(guò)程中，流體的各種物理因素，如速度，溫度，壓力等都隨時(shí)間和空間隨機(jī)變化，因此給研究和生產(chǎn)帶來(lái)了一點(diǎn)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(duì)干燥機(jī)性能影響不同。不同干燥機(jī)類(lèi)型對(duì)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(shí)間一般不超過(guò) 10 s，除此以外還具 有與物料輸送和結(jié)合的優(yōu)點(diǎn) 。 氣流干燥在如此短的時(shí)間之內(nèi)完成，主要取決于兩個(gè)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(guò)來(lái)說(shuō)，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(guò)程中氣體與顆粒間的相對(duì)速度基本上等于有 stocks定律決定的沉降速度。從傳遞的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，并不是很有限的，物料停留時(shí)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(gè)方面 : a)提高傳遞速度 ； b)增加停留時(shí)間。 總的來(lái)說(shuō)，對(duì)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(shí)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(lái)講，影響氣流干燥器干燥效果的因素主要有以下幾點(diǎn) : (1)熱風(fēng)溫度 對(duì)整個(gè)熱風(fēng)干燥過(guò)程來(lái)說(shuō)，熱風(fēng)溫度不僅決定著整個(gè)干燥過(guò)程的干燥速度，而且對(duì)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(shí)，單位熱耗低，汽化強(qiáng)度高，但溫度過(guò)高易發(fā)生“灼傷”物料的現(xiàn)象；溫度過(guò)低，又會(huì)使干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而耗費(fèi)能源。 (2)氣流流速 氣流流化床干燥技術(shù)的特 點(diǎn)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(shí)，就會(huì)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(duì)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(shì)。 (3)干燥時(shí)間 干燥時(shí)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(shí)間控制在極短的時(shí)間內(nèi)，那么熱風(fēng)溫度即使很高也不會(huì)損傷物料；反之，如果干燥時(shí)間很長(zhǎng)，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(shí)間的長(zhǎng)短直接影響著干燥 產(chǎn)品的最終品質(zhì)以及整個(gè)干燥過(guò)程的能源消耗。 (4)噴嘴結(jié)構(gòu) 噴嘴從開(kāi)孔的幾何形狀上可分為圓形和條形兩大類(lèi)。氣流入口和出口的幾何形狀有平滑過(guò)渡和非平滑過(guò)渡兩種；噴嘴有入口與出口直徑一致的長(zhǎng)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(lái)看，在開(kāi)孔率相同時(shí)（ 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(huì)使物料產(chǎn)生類(lèi)似流化狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)，而物料的運(yùn)動(dòng)就是干燥 與加熱的過(guò)程。物料的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，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(shí)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(gè)噴嘴排列時(shí)的一個(gè)重要計(jì)算指標(biāo)。因?yàn)楫?dāng)氣流從噴嘴噴出時(shí)，噴出氣流將不斷與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生質(zhì)量和動(dòng)量的交換，帶動(dòng)周?chē)橘|(zhì)流動(dòng)，使11 噴射出的流體質(zhì)量增加動(dòng)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(chēng)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(shí)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(duì)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(huì)對(duì)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(dòng)，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(duì)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(duì)不同的物料傾角取不同的噴嘴傾角時(shí)，干燥效果也會(huì)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(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)國(guó)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(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和使用等方面還存在著一定的問(wèn)題 ， 它們危害是不容忽視的。在開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中 ， 我國(guó)目前眾多的干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)和研制大多是對(duì)國(guó)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(jì)中就存在著不少的問(wèn)題：許多設(shè)備的設(shè)計(jì)大都采用模擬設(shè)計(jì)或相似設(shè)計(jì)的方法 ， 通常是繪制樣機(jī) ， 然后對(duì)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(jì)具有一定的盲目性和風(fēng)險(xiǎn)性 ， 其效果只有在樣機(jī)生產(chǎn)出來(lái)以后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jí)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(lái) ， 對(duì)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(dòng)性。干燥設(shè)備所需配套不見(jiàn)特別多 ， 這些部件的結(jié)構(gòu)形式 ， 作業(yè)參數(shù)等均對(duì)干燥質(zhì)量造成一定的影響。安裝用戶(hù)若缺乏理論上的了解 ， 就不能對(duì)操作系數(shù)進(jìn)行調(diào)整 ，而對(duì)于使用單位而言 ， 這又是最 不利的因素 ， 因?yàn)榘惭b調(diào)試均以實(shí)際對(duì)象的真實(shí)條件為準(zhǔn) ， 而不是實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 氣流流化 干燥類(lèi)型 氣流干燥機(jī)有很多種，現(xiàn)在簡(jiǎn)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(jí)室組成，濕粉狀或?yàn)V餅狀物料由螺旋輸送器輸入 ,泥漿或液態(tài)類(lèi)由高精度泥漿泵輸入，未干燥完全的物料可以再次通過(guò)循環(huán)段進(jìn)入干燥室干燥。物料的含水量越高，干燥時(shí)間越短。比如蒸發(fā) 98%的水只需要 ，剩余水的蒸發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)。該裝置高溫高壓的氣流噴嘴可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)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(diǎn)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(dú)立循環(huán)，部分尾氣由專(zhuān)門(mén)的排濕口排出，熱氣的傳輸過(guò)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(guò)熱交換達(dá)到使物料水分散失的目的，這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，效率高，缺點(diǎn)是流動(dòng)阻力大，動(dòng)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(lèi)型的物料。 由于 流化干燥是一種典型的 流態(tài)化 操作過(guò)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(dòng)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(lèi)似于流體 的 某些表觀(guān)特性的過(guò)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(lèi)干燥機(jī)設(shè)計(jì)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(jí)用空氣、空氣加熱器、過(guò)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(guò)換熱提供大部分的熱量，而不是通過(guò)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(huì)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^(guò)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?chē)鷾囟冗m中，不至于過(guò)冷或過(guò)熱。該裝置體積小，生產(chǎn)能力大，值得推廣，有利于將來(lái)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(lèi)型的干燥機(jī)，如在螺旋出料器中設(shè)置流化分級(jí)裝置，或在中心出料管中通入分級(jí)空氣等。 e）對(duì)撞流干燥。通過(guò)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(shí)間很短。高度湍流、顆粒的懸浮流動(dòng)、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(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能與技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開(kāi)始采用高速計(jì)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(jì)中的成功應(yīng)用，很大程度上要得益于計(jì)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(gè)重要的研究分支，同時(shí)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(shuō)， CFD 是一門(mén)對(duì)工程中流體流動(dòng)、傳熱、燃燒、化學(xué)反應(yīng)、多相流等進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)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(guò)程現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，然后依據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算數(shù)學(xué)理論進(jìn)行求解，求解值即為對(duì)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)結(jié)果。 因此，利用 CFD 軟件，研究者可通過(guò)調(diào)整模型中的變量，在較短時(shí)間內(nèi)搜索得到最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果，從而確定出模型變量的最佳取值。 13 CFD 是在計(jì)算機(jī)上求解描述流體運(yùn)動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)的偏微分方程組，并且對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)程模擬。 CFD 可用來(lái)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究，復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)，了解在燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。其主要優(yōu)點(diǎn)是能以較少的費(fèi)用和較短的時(shí)間獲得大量有價(jià)值的研究結(jié)果，對(duì)投資大、周期長(zhǎng)、難度高的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)說(shuō)，CFD 的有點(diǎn)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(jì)的改進(jìn)，而且能 減少實(shí)驗(yàn)的工作量。可以說(shuō)， 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(guò)計(jì)算機(jī)生成數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的技術(shù)。它是把一些在空間和時(shí)間上連續(xù)的物理量的場(chǎng)用一些離散點(diǎn)的變量集合來(lái)代替，通過(guò)一定的方式來(lái)建立關(guān)于這些離散點(diǎn)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(chǎng)的近似值的過(guò)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(duì)流動(dòng)的模擬，在氣流干燥方面，就是對(duì)氣流和物料流動(dòng)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(jiǎn)言之， CFD 方 法是近代流體力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物 , 是利用高速計(jì)算機(jī)求解控制流體流動(dòng)的偏微分方程組，定量求取流體流動(dòng)狀態(tài)的方法，也就是對(duì)流場(chǎng)的控制方程用計(jì)算數(shù)學(xué)的算法將其離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上求其離散的數(shù)值解的一種方法。控制所有流體流動(dòng)的基本定律有：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)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(dòng)量方程（又稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng) NS 方程組。 NS 方程組是流體流動(dòng)所需遵守的普遍規(guī)律，可精確描述了自 然界流體流動(dòng)現(xiàn)象。但由于絕大多數(shù)工程上流體都屬于高度非線(xiàn)性的，無(wú)法通過(guò)求解此微分方程得到解析解。隨著計(jì)算科學(xué)工程 (Computational Science and Engineering，簡(jiǎn)稱(chēng) CSE)的日益發(fā)展，人們?cè)噲D通過(guò)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(guò)程的設(shè)計(jì)與模擬，從而形成和發(fā)展了計(jì)算流體力學(xué)這一學(xué)科分支。 將 CFD用于化工過(guò)程的建模、化學(xué)反應(yīng)器和結(jié)晶器的設(shè)計(jì)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(guò)程的建模方式，用詳盡、真實(shí)和生動(dòng)再現(xiàn)的方 式來(lái)描述化工過(guò)程，因而被稱(chēng)之為 “虛擬真實(shí) ”(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(jì)算流體力學(xué)和相關(guān)的計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線(xiàn)性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、組分、動(dòng)量和自定義的標(biāo)量的微分方程組。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)日益成熟，一個(gè)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(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)分析、流場(chǎng)計(jì)算、流場(chǎng)預(yù)測(cè)。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)