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1、第 11 章 流化床干燥1流态化技术基础1.1 流态化现象设有一圆筒形容器，在容器下部安装一块筛板，称为气体分布板，在分布板上堆积一层固体颗粒（图 111） 。当气速较小时，固体颗粒处于静止状态，气体通过颗粒间隙流过床层，此床称为固定床，此时床层压降随气速的增加而加大。当气速增加到压降刚好平衡床层颗粒的重力时，床层开始膨胀而流化，此时的气速称为初始流化速度。当再增大流速时，床层总压降不再变化，此流化状态称为散式流化。当进一步提高气速时开始出现鼓泡，压强波动明显（如图 112） ，此称鼓泡床，并称为聚式流化。对于细长的流化床，进一步提高气速，导致气泡在上升过程中进一步长大而接近床截面尺寸，形成气
2、栓，此气栓像活塞一样向上移动，直至表面气栓破裂，此时压降出现有规律的脉动，此现象称为腾涌或节涌流态化。随着气速进一步提高，床层湍动加剧，气泡尺寸变小，床层表面变得比较模糊，此称湍动流态化。再继续提高气速，颗粒挟带随之增加，至某一临界速度，这时在没有颗粒补充的情况下，床层颗粒很快被吹空。如果有新的颗粒不断补充进入床层底部，这种操作可以不断维持下去，这种流化状态称为快速流态化，又称循环床或快床。再继续提高气速，流态化将进入稀相气力输送区域。图 112 气固流态化中各种流体力学流型的特征示意图气 流分 布 板流 化颗 粒容 器图 111 流化床示意图1上述随气速的提高出现不同流态化状态并非所有不同颗
3、粒都会发生，对于工业流化床而言，通常在散式流态化区操作，腾涌和节涌在工业操作中被视为非正常现象。颗粒性质对流化行为的影响，由 Geldart 对颗粒的分类可作说明：（图 113）图 113 Geldart 颗粒分类法C 类颗粒属粘性颗粒或超细颗粒，一般平均粒度在 20m 以下。这类颗粒由于粒径很小，极易导致颗粒的团聚，极难流化。A 类颗粒为细颗粒，具有较小粒度（30100m） ，表观密度也较小（ 1000 时， fspf.24)(式中 dp颗粒直径，m；流体密度，kg/m 3； s颗粒密度，kg/m 3；f气体密度，kg/m 3； 气体粘度，cp。挟带速度 ugt10颗粒被从流化床中带出的气体
4、速度称为挟带速度，可用颗粒沉降速度来确定 4.0Re 18)(2fspgtdu（1121）5. 5e)(5.0fspgt g0Re 43.0)(fspgtdu操作流化速度实际流化床中的操作流化速度介于最小流化速度 umf 和挟带速度 ugt 之间，两种速度之比为： ， 适 于 非 常 小 的 颗 粒4.0Re 6.91/mfgtu适 于 大 颗 粒287ft操作气速常可按下式计算（1123）mfuK式中 Kf 称为流化数，通常取 36，或者（1124）gt)6.02(操作气速应根据系统阻力损耗和传热传质强度综合考虑确定。流化床的压力降流化床的压力降由试验确定比较方便，大多数流化床中的雷诺数小于
5、 20，对此可用下式计算压力降（1125）322)/(180pgdHuP式中 H床层高度，m；空隙率；球形度；d p颗粒直径，m；u g气速，m/s床层的压力降为物料层、气体分布板压降之和。2.1.3 湿物料流化床对于易吸水物料，如多孔毛细管物料，即使湿含量很高，也不会改变它们的流化性能，如某些含有 50%水分的离子交换树脂，仍具有和干树脂一样的流化性能。但是，即使是这些物料，超过某湿含量后也会使流化困难（图 119） 。（1122）11图 119 湿物料的流化速度对于不易吸水的物料，如玻璃珠和砂子，甚至在很低的湿含量时就会提高起始流化速度。如初始湿含量为 4%的细盐，即使在振动流化床中也不会
6、流化，待湿含量降到 2.3%才可流化。对于流化床中干燥初始湿含量较高不易流化的物料，应采用特殊的甩料或搅拌装置。2.2 流化床中的传热和传质正常操作的流化床中，床层内颗粒温度是均匀的，颗粒之间的传热一般可忽略，流化床中的传热主要发生在气体和颗粒之间，或者床层颗粒和内浸表面之间。这两种情况下均应用著名的牛顿方程计算传热量：（1126）ThAQ式中 Q传热量，W ；A 传热面积（取总的颗粒表面积或内浸加热面面积） ，m 2；h传热系数，W/m 2K； 平均温度差，（K ）2.2.1 气体和床层间的传热传热系数常由实验关联式计算，Syromyatnikov 等人把众多作者的数据关联为下述方程（112
7、7）1.60.3ReNu 80Re（1128）50.8Kunii 和 Levenspiel 提出一个活塞流通用关系式（1129）70Pr81.e3.1Re.u流体均为空气，流化床中的传热传质强度是很高的，数厘米高的床层，气体离开床层时的温度已接近床层温度，因此不建议采用厚床层。流化床中对流传热系数为 130W/m 2K。122.2.2 床层和内浸加热面之间的传热传热系数在很大程度上取决于系统的流体力学，如图 1110 所示：图 1110 接触传热系数和流化数的关系Zabrodskii 绘出了近似计算 hk 最大值的关系（1130）2.036.0max248mpgd式中 g气体的导热系数，d p
8、颗粒直径， m颗粒密度Richardson 和 Shakiri 提出适用于 Ar1220 （1131）4.02.maxPrA3.0Nu接触传热系数在 200800W/m 2K 范围内，工业上通常取较小值估算。3流化床干燥设备流化床干燥器的型式很多，根据通过干燥器的物流型式，有活塞流型（槽型）和完全混合型（筒型） 。根据供热方式，可分为对流型，接触型远红外及介电等，如图 1111 所示。也可分为单级和多级干燥，如图 1112 所示。此外，根据物料的性态，还常常设计一些特殊结构的流化床。流化床 喷动床 脉冲流化床 振动流化床绝热对流13接触非绝热远红外空气 物料 加热介质图 1111 各种流化床的
9、供热方法单级干燥器 单级槽型干燥器 两级垂直干燥器，空气一次利用多级卧式干燥器两级逆流干燥器，物料为脉冲流两级逆流箱式干燥器空气 物料图 1112 流化干燥器的各种结构143.1 单级圆筒型流化床干燥器图 1113 为一台 3000mm的氯化铵流化床干燥装置。湿物料由皮带输送机运送到抛料机加料斗上，然后均匀地抛入流化床内，与热空气充分接触而被干燥。干燥后的物料由溢流口连续溢出。空气经鼓风机、加热器后进入筛板底部，并向上穿过筛板使床层内湿物料流化起来形成沸腾层。尾气进入 4 个旋风分离器并联组成的旋风分离器组，将所夹带的细粉除下，然后由排气机排到大气。在该流程中，主要设备为单层圆筒形流化床，设备
10、材料为普通碳钢内涂以环氧酚醛防腐层。气体分布板是多孔筛板，板上钻有 1.5mm 的小孔，正六角形排列，开孔率为 7.2%。与回转干燥器相比，流化床操作简单，劳动强度低，劳动条件好，检修方便，运转周期长。生产能力由回转干燥器的 200t/d，提高到 310t/d。建造每台干燥器需用钢材，也由回转式的 30 多吨降低到流化床的 56 吨。设备运转率提高 35%，电力消耗也降低许多，由于床层温度平稳，干燥效果也比较好。主要操作数据，技术经济指标如下：物料名称 氯化铵（农用） 操作气速，m/s 1.2产量，t/h 350 料层高度，mm 300400湿含量，% 沸腾高度，mm 1000进口 7 停留时
11、间，s 120出口 0.5 床层压力，kPa（真空度） 89物料颗粒度，目 4060 操作风量，m 3/h 30000风温， 风压，Pa 3900进口 150160出口 5060图 1113 氯化铵流化床干燥器15流化床的床层高度流化床的高度由床层（浓相段）高度 Hf、稀相段 H1（或称分离高度）及扩大段高度 H2确定，如图 1114 所示。床层高度由传热传质和流体力学因素确定，通常取200300mm。工业上可参考表 113。图 1114 流化床设备的主要尺寸表 113 圆筒型流化床干燥器物料名称 颗粒度静止层高mm沸腾层高mm床层尺寸直径高度mm氯化铵 4060（目） 150 360 260
12、06030硫 铵 4060（目） 300400 9203480涂纶、绵纶552（mm）34（mm）100 200300 5303450涤纶 552（mm） 5070 2002300葡萄糖酸钙 04（mm） 400 700 9003170土霉素金霉素四环素粒状 300 600 4001200氯化铵 4060（目） 250300 1000 30070009002700分离段（稀相）高度 H1 由分离被抛出浓相段的粒子确定。图 1115 给出了确定分离高度的参考值，此高度可近似地取为流化层高。16图 1115 分离段高度图U0：10.31；20.45 ；30.61；40.91；51.22；61.52
13、3.2 卧式多室连续流化床干燥器卧式多室连续流化床干燥器为长方形槽型设备，多孔分布板为长方形，物料从一端加入，从长方形的另一端排出，如图 1116 所示。对于中小型设备，为了使气体分布均匀，分布板下部沿长度方向分成若干气体分布室，其间隔与设备宽度相近。物料在床内的停留时间由出口堰的高度及加料量来控制。多孔板上的隔板和下部的隔板相对应，上部隔板的高度和稀相段高度相同。隔板与多孔板之间的间隔可取 3060mm。如果物料比较湿、易结块、不易流化，这时可在加料段设置搅拌装置或甩料轴，用以防止物料堆积在加料口下。图 1117 和图 1118 分别表示立式和卧式搅拌器。堰 板 图 1116 卧式多室流化床
14、干燥器示意图17图 1117 立式局部搅拌流化床干燥器1排料口；2上箱体；3电机；4给料口；5搅拌轴；6耙；7粗粒排口；8给风口；9分布板；10隔板图 1118 卧式局部搅拌流化床干燥器1电机；2给料口；3排风口；4隔板；5溢流堰；6排料口；7分布板；8给风口；9搅拌轴如果干燥后的物料需要冷却，以便于包装，这时可在干燥段后部设置冷却段，如图1117 所示。卧式多室流化床的工业应用举例如表 114 所列。表 114 卧式多室流化床干燥器物料名称 颗粒度静止层高mm沸腾层高mm床层尺寸长宽高mm颗粒状药品 1214（目） 100150 300 20002632828糖 粉 14（目） 100 25
15、0300 14002001500SMP（药）80100（目）200 300350 2000263282818尼龙 1010 632（ mm） 100200 200300 20002632828水杨酸钠 814（目） 150 500 1500200700各种片剂 1214（目） 50100 300400 20005002860合霉素 粒状 400 1000 20002502500氯化钠 粒状 300 800 400020005000生物饲料 20 目 200 500 1000020003000当用于正常流态化的热空气远远不能满足干燥所需的热量时，可加设内置加热器。由内置加热器供给所需的大部分热量，如图 1119 所示。内置加热器通常为数排多程 U 型管，可垂直放置也可水平放置。内置加热面与流化层的传热系数工业设计可取 200W/m2K。图 1119 有内置加热器的流化床3.3 多层流化床干燥器单层流化床通常用作批量间歇操作，当连续生产时，物料在流化床中的停留时间分布不均匀，所以干燥后得到的产品的湿含量不均匀。在
