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东北大学硕士论文 颗粒物料对撞流干燥的试验研究 摘要 对撞流是一种较新的技术方法，它是使两股或多股高速的气体一颗粒或液滴 两相流在一定的容器内迎面对撞。由于惯性作用颗粒或液滴穿过撞击面渗入反向 流，来回做减幅振荡，结果颗粒经历相间相对速度极高的条件，并延长了在气流 中停留的时间。这种方法对于强化热、质传递尤其是外扩散控制的传递过程非常 有效。在化工工业中，相间热、质传递是一个重要的问题，因此研究能够有效强 化热、质传递的对撞流方法就变得比较重要。 本文研究的课题来源于广东省农业机械研究所干燥设备中心。为了有效的干 燥商湿含量的渣料，该中心研制开发出了滚筒对撞流干燥机，用于广州市大田 马蹄粉厂马蹄渣的干燥，并测定了马蹄渣的热物理性质。为了详细研究对撞流的 性质该中心研制了垂直对撞流试验样机，进行对撞流的试验研究。在该试验机上 进行了一系列试验，研究了不同结构的对撞室、对撞距离和不同物料对干燥效果 的影响。为了得到比较理想的工艺条件，采用三因素的六水平试验方案进行试验， 根据所得的数据用s p s s 进行回归分析，得到了较优的工艺条件。 干燥过程是一个很复杂的物理过程，耦合了传热、传质等多种物理现象，所 以对干燥过程进行精确的描述甚是不易。对攮流干燥过程是一个复杂气一固两相 流流动过程。由于流动过程的复杂性，先建立最简单的模型单颗粒模型，并 用数值方法求解颗粒运动方程，得到颗粒往复运动过程的时间、速度、路程等。 单颗粒模型是一种极端简化的模型，它不考虑气相和颗粒相的相互作用，因此也 就无法研究对撞流干燥过程的传热、传质现象，因此有必要对该模型进行深化。 基于这个原因建立了流体动力学模型。对应于对撞流于燥机的空载和负载两种工 况，流体动力学模型可分为单相流动模型和两相流动模型。单相流动模型不但有 助于了解对撞室中气流的流场分布，而且也有一些设备应用单相对撞流，所以进 行单相对撞流的研究是有必要的。最后采用两相流模型，考虑相间的互相作用计 i l 东北大学硕士论文 a b s t r a c t 算干燥过程的传热系数。由于对撞流干燥的时间很短，所以一般都处在恒速干燥 阶段，这个阶段是外部条件控制阶段，提高传热系数可以提高干燥速率，所以传 热问题比较重要。用通用c f d 软件对单相和两相流模型求解，给出可视化的计算 结果。 分析影响热、质传递的因素。关于对撞流强化传热的机理研究首先采用单颗 粒模型在有振荡和无振荡运动下求出各种情况下的换热量进行比较，然后根据两 相流模型和影响传热、传质的因素进行虚拟试验，可以得出不同操作参数对撞流 干燥效果的影响。 关键词：对撞流，干燥。两相流，c f d ，传热、传质，回归分析 i 东北大学硕士论文 a b s t r a c t i m p i n g i n gs t r e a mi nd r y i n ge x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a b s t r a c t i m p i n g i n gs t r e a m si san e wc l a s so ff l o wc o n f i g u r a t i o n s ，t h eo p p o s i t eg a sf l o w i m p i n g ea g a i n s ta n dt h ep a r t i c l e sh a sr e c i p r o c a t i n gm o v e m e n t t h e r ei sq u i c kr e l a t i v e v e l o c i t yb e t w e e ng a sa n dp a r t i c l e sp h a s e t h ec h a r a c t e r i s t i ci sp r o p i t i o u st ot h e s i t u a t i o nt h a ti n t e n s i f i e sh e a ta n dm a s st r a n s f e r i nc h e m i c a lp r o c e s si n d u s t r y , t h e a g g r a n d i z e m e n to fh e a ta n dm a s st r a n s f e ri sv e r yi m p o r t a n t s ot h er e s e a r c ha b o u t i m p i n g i n gs t r e a m si sn e c e s s a r y t h er e s e a r c hp r o j e e to r i g i nf o r mg u a n g d o n gp r o v i n c ea g r i c u l t u r a lm a c h i n e r y i n s t i t u t e u t i l i z i n gt h ei m p i n g i n gs t r e a md r y e rd e v e l o p e db yt h ei n s t i t u t e ，s o m e e x p e r i m e n th a sb e e nd o n ec o n s i s t i n go ft h et h e r m a lp h y s i c sp a r a m e t e ro fd r y i n g m a t e r i a la n dd r y i n ge f f e c ta b o u td i f f e r e n ts t r u c t u r eo ft h ei m p i n g i n gs t r e a md r y e r i n o r d e rt og e tg o o dp r o c e s sc o n d i t i o n ，t h er e g r e s s i o nm e t h o di su s e d d r y i n gi sac o m p l i c a t e dc o u r s e ，t h ef l o wi nt h ei m p i n g i n gc h a m b e ri sc o u p l e d ， w h i c hi n c l u d e sh e a t 、m a s sa n dm o m e n t u mt r a n s f e rb e t w e e nt h et w op h a s e t og e t a c c u r a t ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，m o d e l sa r ea d o p t e di n c l u d i n gs i n g l ep a r t i c l em o d e l 、 s i n g l ep h a s ef l o wm o d e la n d t w op h a s ef l o wm o d e l n u m e r i c a lm e t h o di se m p l o y e dt o r e s o l v et h em o v e m e n t e q u a t i o n s ，c a l c u l a t i n gg a sf l o wa n dg a s - p a r t i c l et w op h a s ef l o w r e s p e c t i v e l y t h eg a sf l o wc a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a te d d i e sa r cf o r m e di nt h e i m p i n g p i n gc h a m b e r i te x p a n d st h em o t i o nt i m eo fg a si nt h ec h a m b e r , w h i c hr e s u l t s t h a tp a r t i c l e sl o a d e db yg a sc a nb ek e p ti nt h ec h a m b e rm o r et i m ea n d s t r e n g t h e n st h e h e a ta n dm a s st r a n s f e rb e t w e e nt h et w op h a s e b a s e do nt h ed a t af r o mt h e g a s p a r t i c l e t w o p h a s ef l o w , t h ec o n t o u ro fv e l o c i t y 、t e m p e r a t u r ea n dt h en u s s e l tn u m b e rc a nb e d r a w n t h ec o n t o u r sb r i n gu sa no v e r a l la n dd e t a i l e dd a t ao f t h ec h a m b e r a n a l y s h a gt h ef a c t o ro fs t r e n g t h e n i n gh e a ta n dm a s st r a n s f e r b a s e do nt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s o m ev i r t u a le x p e r i m e n t sa r em a d e t h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e r i ni m p i n g i n gs t r e a n ld r y i n gi se x p a t i a t e du s i n gs i n g l ep a r t i c l em o d e l i n f l u e n c eo f 1 v 东北大学硕士论文 a b s t r a c t d i f f e r e n to p e r a t i n gp a r a m e t e ra b o u ti m p i n g i n gs t r e a md r y i n gi sc l e a r k e y w o r d s ：i m p i n g i n gs t r e a m ，d r y i n g ，g a s p a r t i c l et w o p h a s ef l o w , c f d ，h e a t a n dm a s st r a n s f e r , r e g r e s s i o n v 东北大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 对撞流干燥的特点 干燥是最古老的单元操作之一，在我国每年用于干燥作业的能耗约占全国总 能耗的1 0 一1 5 ，而干燥作业的平均能量利用率只有1 0 - 2 0 ，我国的平均能源 利用率也只有3 0 ，而发达国家已达到6 0 “2 1 。因此，提高能源利用率，降低能 耗，提高干燥过程的热效率具有很大的经济效益和社会效益，这在干燥领域显得 非常重要。 目前现有的干燥技术和干燥设备普遍存在的问题是设备投资高、能耗大、热 效率低、作业成本高、设备庞大、结构复杂和工艺流程不合理等。通常所使用的 干燥设备有固定床、流化床、喷动床、滚筒式干燥机、喷雾干燥机、旋流以及气 流干燥机等。上述干燥方式和干燥设备的不足有以下几个方面： ( 1 ) 就流化床或喷动床而论，由于夹带小颗粒的问题，气流的速度比较低， 这就限制了传热传质系数的最大值； ( 2 ) 流化床、喷动床和旋流干燥机中的压力降相当高，因此输送物料通过干 燥机所需的风机能耗较高； ( 3 ) 由于颗粒之间的相互接触，干燥机中的颗粒滞留量相当大，导致传热传 质的有效表面积减小。 除了上述的不足以外，还存在许多其它方面的弱点。例如：振动流化床干燥 机的构造较复杂、制造成本高、干燥量有限和干燥成本高；滚筒式干燥机设备庞 大、投资大、其最大的弱点是热效率低、作业成本高、干燥质量差、耗电量大、 装机容量大和安装运输困难；气流式于燥机和旋流喷动式干燥机都存在着能耗 大、降水幅度有限、成本高的弱点；对于气流式干燥机要达到所要求的降水幅度 就要很长的于燥管，这就造成安装维修不便同时管路热损失大。尽管在工业应用 中使用了脉冲管、倒锥管、双套管等作为干燥管，在较大的程度上缩短了干燥管 的长度，但结构变的复杂胄4 造困难：旋流闪蒸干燥结构复杂、投资大、作业成本 高。 东北大学硕士论文第一章绪论 然而本文所要研究的对撞流干燥方式由于利用了两股气流对撞的独一无二 流动特性，使进入对撞流中的固体颗粒在对撞面附近振荡，而克服了上述的某些 不足，对撞流的本质在于引导两股相向气流对撞，两股气流中或一股气流中含有 颗粒，使一股气流在同轴方向上与另一股气流相向流动并对撞。逆流结构促使进 入对撞流干燥机中的颗粒从一股气流渗入另一股气流中，由于下面的特征而使其 提高传热传质速率的条件得到了改善： ( 1 ) 在对撞流中，一股气流中的颗粒速度“。与相反方向的气流速度“。之间 的相对速度“为： h = “，一( 心) ( 1 1 ) 在极端条件下，颗粒的最大速度“。= 。因此，颗粒与气流之间的相对速度可以 是气流速度的两倍即u = 2 u 。所以取决于颗粒与气流之间相对速度的传热传 质速率比目前所使用的许多设备高得多，这样在受到外部阻力控制的干燥系统中 气体边缘的传热传质阻力被减小了。 ( 2 ) 由于在对撞流中颗粒从一股气流渗入另一股气流中的振荡运动和两股气 流的相向运动，使颗粒在对撞流中的平均滞留时间比颗粒不从一股气流渗入另一 股气流的非振荡运动的情况长。 ( 3 ) 在对撞区中两股高温气流之间充分混合，混合作用还因颗粒在浓度最高 的对撞区中多次往返渗透而得到加强。充分混合的结果是使高温气流发生温度和 浓度变化，这就进一步强化了热、质的传递过程。 ( 4 ) 由于颗粒在对撞流中独特的运动方式，使进入对撞流中的颗粒与高温气 体充分混合，颗粒分散在气流中彼此之间互不接触，因而热、质传递过程的有效 面积实际上是颗粒的表面积。在固定床和流化床中，由于颗粒的互相接触所以传 热传质过程的有效面积比颗粒的表面积小。 对撞流的主要特征直接由其特定的流体动力学所确定，对撞流的主要特点有 以下几个方面： ( 1 ) 容积蒸发量大、干燥强度高；尤其是当去除物料的表面水或结合水时。 ( 2 ) 加工后的产品质量好。 ( 3 ) 设备的结构和操作简单，一般没有运动部件和转动部件。 东北大学硕士论文第一章绪论 ( 4 ) 设备的结构紧凑、尺寸小、制造成本低。 ( 5 ) 能耗小、传热传质效率高。 ( 6 ) 可以与其它的加工过程结合在一起，例如：造粒、粉碎、加热、冷却、 化学反应、吸收作用、燃烧和混合等。 在对撞流中由气体到颗粒的平均传热系数比在相同流体动力学条件下工作 的传统干燥机大的多。例如：当同轴对撞流的传热系数是8 5 0 w ( m 3 k ) 时，在相同 工作条件下，传统气流干燥机的值在3 0 0 5 2 0w ( m k ) 的范围内，同轴对撞流的 传热系数比在相同工作条件下几何形状相同的喷动床高1 卜1 8 倍( s t r u m i l l o 和 k u d r a1 9 8 7 ) ，对撞流的容积传热系数还要高达到1 2 5 ，0 0 0w ( m 3 k ) ，比喷动床干 燥机的值高2 5 - 3 倍，比喷雾干燥机的值高1 5 - 1 0 0 倍f3 1 。对于任何对撞流系统： 传热系数、颗粒的滞留时间和总平均滞留时间随气流速度增大而增大、温度对传 热效果的影响不仅随气流的性质变化，而且随流体动力学条件显著变化，即随气 力温度增高、颗粒渗入相间气流中的深度增大和随颗粒运动的不稳定周期增加， 总传热增强。 由于对撞区中气流速度很高、固体颗粒的浓度较高以及由此而造成的动量损 失较大，使得对撞流中的压力降比气流干燥机大，而与流化床干燥机和喷动床干 燥机相当。尽管如此，对撞流结构与其它各种用于干燥颗粒物料和浆状物料的传 统干燥方式相比仍有突出的竞争力。 例如，同样是干燥颗粒直径为d 。= o 6 5 2 m m 的铝合金粉：初水分为m 。= 1 7 ， 终水分达到m 。= 1 ，处理量为2 5 0 k g h 。对撞漉干燥机与流化床干燥机和振动流 化床干燥机在技术性能上的比较如表1 1 所示【4 】： 表1 1 对撞流干燥机与流化床干燥机和振动流化床干燥机性能对比 t a b l e1 1t h ec o n t r a s tb e t w e e ni m p i n g i n gs t r e a md r y e r 、f l u i d i z e d b e dd r y e r a n dv i b r a t i n gf l u i d i z e d b e dd r y e r 参数振动流化床气动流化床对撞流 干燥时间( s ) 3 0 0 “4 8 06 0 01 2 0 单位气耗量( n m 3 k g ) 81 31 2 2 单位能耗( k j k g ) 1 3 8 0 3 2 4 08 5 0 产品质量下降下降不变 东北大学硕士论文 第一章绪论 由上述的比较可以看到对撞流干燥技术在许多方面优于现有的干燥设备，它 强化了物料干燥中的传热传质过程，提高了传热传质速率。因此对撞流干燥技术 是一种高效而先进的干燥技术。 1 2 研究的目的和意义 广东省是个盛产水果的省份，水果加工业比较发达。但在深加工的同时也 生产出了大量的废料，如果任其排放不但浪费了资源也造成了环境污染。根据广 东省畜、禽饲料研究室的检测报告，一些废料如马蹄渣中含有一定的蛋白质和纤 维素，基于这个原因有必要对这些废料进行干燥，可以作为饲料的添加剂和造纸 等等。这样就达到对资源的完全利用，不但增加了果农的经济效益，保护了环境 而且为其他产业提供了原材料。 由于水果中含有大量的水分，不可避免废料的湿含量也比较大，根据表1 1 中对撞流干燥的特点，选用对撞流干燥来干燥废料。 1 3 国内外研究的现状 在2 0 世纪6 0 年代，对撞流的研究主要集中在前苏联，首倡者e l p e r i n 5 增 先提出将对撞流技术用于传热、传质和干燥过程以后。对撞流技术的研究工作才 开始起步。e l p e r i n l 9 7 2 年发表的专著“对撞流中的传递过程”很有价值，是有 关对撞流领域的第一本书，e l p e r i n 的研究工作推动了对撞流技术的发展。到了 8 0 年代，国外许多学者对对撞流技术进行了广泛的研究和试验，使对撞流技术 的研究工作和工业运用日益活跃起来。其中以以色列学者t a m i r 、加拿大学者 m u j u m d a r 和k u d r a 以及白俄罗斯学者m e l s t e r 的研究工作较为系统和深入【5 1 。 对撞流装置的改进和在该领域中的进一步研究是由e l p e r i n 和t a m i r 开始 的，研究了切向气流的流体动力学和颗粒滞留时间的分布、固体颗粒的干燥、混 合、粉碎以及燃烧等方面，除此之外对多级对撞流装置以及对具有初次和二次空 气进入的对撞流装置进行了全面的研究。 为了使各相与对撞流装置壁面的接触减至最小，同轴结构的对撞流被应用于 乳剂的生产过程中、煤的燃烧过程中。e n y a k i n ( 1 9 7 2 ) 研究和分析了同轴、同 管径、气流速度相同的对撞流装置中单个球形颗粒的运动情况，并且得出了固体 东北大学硕士论文 第一章绪论 颗粒在不同的运动状态下渗入反向气流中的最大深度和振荡时间的关系式1 6 】。 k i t r o n 和t a m i r ( 1 9 8 8 ) 分析了对撞流系统满载时与空载时的压力降特性及其相 互之间的关系。m e l t s e r ( 1 9 8 5 ) 等人对附有一层薄表面水的l 硼铝球的干燥特 性进行了实验研究【7 1 。 k i t r o n 和t a m i r ( 1 9 8 8 ) 较为系统地研究了同轴结构的对撞流特性，主要研 究了同轴对撞流的流体动力、颗粒平均滞留时间、滞留时间的分布以及干燥中的 传热【8 】，所得到的最重要的结论如下： ( 1 ) 在气流速度一定时，颗粒在对撞流中的滞留量随颗粒流量的增大而逐 渐增大，达到最大值后开始下降： ( 2 ) 在对撞室内，两进气管端面之间的距离和对撞室的容积对颗粒的平均 滞留时间没有任何影响； ( 3 ) 传热系数随颗粒流量或颗粒滞留量的增加而增大，传热系数与对撞室 的容积以及两进气管之间的距离无关。 t 锄i r 和k i t r o n ( 1 9 8 9 ) 对垂直对撞流干燥器和喷动床干燥器进行了性能对 比试验，两种干燥器的结构非常相似，而且试验是在相同的操作条件下进行的【9 1 。 通过试验所得到的最重要的结论如下： ( 1 ) 对于容积传热系数与颗粒滞留量和干燥器容积比值的关系曲线：对撞 流干燥器比喷动床高，两种干燥器的容积传热系数与颗粒流量的关系曲线基本上 相同。 ( 2 ) 颗粒在对撞流干燥器中的平均滞留时间较短，大约比颗粒在喷动床中 的平均滞留时间减少3 0 。 ( 3 ) 对撞流干燥器的传热系数明显高于喷动床。 ( 4 ) 对于干燥作业，对撞流干燥器是一种有效的装置。 t a m i r 、e l p e r i n 和l u z a t t o 研究了一种使气流以切线方式进入对撞室的对 撞流结构，并将对撞流干燥器与其它常用的干燥设备：如喷雾干燥机、喷动床干 燥机、气流干燥机和流化床干燥机进行了比较 1 0 1 ，所得的结论是：用热气流干 燥湿颗粒时，对撞流干燥器的效率最高，此外用气流给每公斤固体颗粒通过干燥 器的风机能耗对撞流干燥器比流化床低的多。 传热传质的研究对于干燥过程是非常重要的，其直接影响到物料干燥过程中 东北大学硕士论文 第一章绪论 的能耗、干燥效率和产品质量。俄罗斯、白俄罗斯和以色列的学者在这方面作了 比较系统深入的研究：鉴于对撞流中传热传质的复杂性，其理论分析非常困难， 所以传热传质的研究主要一试验为主。e l p e r i n 、m e l s t e r 和p i s a r i k 用硅胶颗 粒作了传热传质的研究，获得的结果表明努塞尔数n u 仅与雷诺数r e 相关联，而 与颗粒浓度无关【5 1 。以色列学者研究了几何尺寸不同的干燥器的传热系数h 与颗 粒流量w 。之间的关系，并得到传热系数的放大准则。针对对撞流反应器在工业 中的应用，1 9 8 8 年t a m i r 和s h a l m o n 发表论文“对撞流( t i s ) 反应器的放大” 较全面的研究了对撞流反应器的放大准则。这篇论文的目的是研究和验证放大准 则，这是在理论模型和无因次分析基础上进行的。所进行的放大分析是关于下面 对撞流反应器的几个方面：流体动力学、平均滞留量、滞留量、颗粒滞留时间的 分布曲线的确定。 研究颗粒在对撞流中的运动状态对传热传质和对撞流干燥器的设计是非常 重要的，因此t a m i r 、e l p e r i n 、k i t r o n 和m e l s t e r 对颗粒在对撞流中的运动状 态进行了分析研究，主要研究了单颗粒的运动规律【5 1 ，为对撞流干燥器的结构设 计提供了依据。e l p e r i n 在水平同轴对撞流实验装置上进行了颗粒浓度分布的试 验。主要研究了气流对撞和装料方式对颗粒浓度的轴向分布和径向分布的影响 f5 1 。为了研究颗粒群在对撞流中的运动状态，c u l i c k ( 1 9 6 4 ) 和p a l ( 1 9 7 4 ) 首 先提出了对于固体颗粒可以使用气体分子运动理论中分子碰撞的b o l t z m a n n 方 程模拟悬浮流中颗粒之间的碰撞问题。k i t r o n 、e l p e r i n 和t a m i r ( 1 9 9 0 ) 在 b o l t z m a n n 方程的基础上提出了气固悬浮流的随机模型，并用m o n t e c a r l o 法解 决了非线形微分方程组的问题。对撞流反应器中颗粒浓度分布的模拟结果与试验 结果非常吻合【“】。马尔科夫链也被用于颗粒群的分析与研究中，主要是用来分析 颗粒在对撞流中的平均滞留时间和滞留时间的分布，研究结果的正确性已被试验 所证实【5 1 ，这些研究工作有效地推动了对撞流干燥技术的工业应用。 ta i i l i r 和k i t r o n 对对撞流领域的研究和发展作了些总结，1 9 9 5 年t a m i r 编著了i m p i n g i n g s t r e a mr e a c t o r s f u n d a m e n t a l sa n da p p l i c a t i o n 一 书，总结了对撞流领域的研究、应用和发展状况，详细的论述了对撞流反应器的 原理、结构和应用情况。加拿大学者k u d r a 和m u j u m d a r 根据对撞流的数目、气 流运动的方向、气流运动特性和管道形状将对撞流进行了分类，并提出其中某些 东北大学硕士论文 第一章绪论 机型具有很好的工业应用前景。白俄罗斯已有了一些对撞流干燥的工业设备，白 俄罗斯学者m e l t s e r 对对撞流干燥技术进行了大量的研究，并将对撞流技术用于 谷物的高温热处理。在俄罗斯对撞流技术已成功的用于干燥结晶赖氨酸、医用药 品、生物制品和城市污泥等方面，对于赖氨酸、医用药品、生物制品等高热敏性 和活性物料来说，热接触时间短对于保证产品质量是非常重要的。 国内对对撞流的研究较少，还处于初步的探索阶段，目前只有中国科学院工 程热物理研究所【1 2 】、东北大学、中国农业大学和武汉化工学院等单位从事有关 的研究。中国科学院工程热物理研究所研制了第一台垂直气流对撞干燥机试验装 置，进行了垂直气流对撞干燥机流体动力特性【b l 、对撞腔内颗粒速度分布的试 验研究。东北大学李成植、徐成海等进行了对撞流干燥过程的两相流动力学模拟。 广东省农业机械研究所研制开发了垂直同轴对撞流试验样机和用于大田马蹄粉 厂的对撞流一滚筒联合干燥装置。张进疆、胡光华等在试验机上做了一定的试验 研究。 1 4 本课题研究的工业应用 目前国内外学者在对撞流方面的研究工作尚处于基础理论方面的实验研究， 大部分的研究工作仍然处在实验室阶段，只有俄罗斯在工业应用方面取得了一些 成果。介绍对撞流技术工业应用的目的是为了展示对撞流技术的工业应用前景， 以促进我国加快对撞流技术的研究和开发工作，使对撞流技术早日在我国的工业 中得到应用。 1 4 1 用同轴对撞流干燥机处理城市污泥 俄罗斯学者研制了工业对撞流干燥机，这种干燥机实际上是同轴对撞流干燥 与气流干燥机组合的一种机型口】。第一级是同轴对撞流干燥，在同轴对撞流中输 入的污泥被分解，而且大部分表面水被除去。第二级是由气流干燥和在离心分离 器的旋流干燥所组成的，空气与液体燃料或气体燃料燃烧的炉气混合后作为干燥 介质输入干燥器中，干燥机的入口温度为5 6 0 7 0 0 。c ，出口的气流温度为9 0 1 4 0 。对撞流加速管中和气流干燥管中的气流速度在2 5 5 0 m s 的范围内，以保证 稳定的输送，被分解的污泥不沉降或粘附在管壁上。进料口侧边喷嘴的气流速度 东北大学硕士论文第一章绪论 为2 0 0 2 5 0 m s ，以满足螺旋喂料器的卸料、分解团块和在进料处很好的分散污 泥。这种对撞流干燥机如图1 1 所示，其结构比较简单，性能可靠。 图1 1 城市污泥两级对撞流干燥机 f i g1 1m u n i c i p a ls l u d g et w o s t a g ei m p i n g i n gs t r e a md r y e r 1 4 2 用可移对擅区的同轴对擅流干爆机干爆赖氨酸 结晶赖氨酸的干燥是一个非常棘手的课题，这是由于结晶赖氨酸为高热敏性 物料，不耐热、易团聚、结晶水分高以及颗粒粒径分布较宽，再加上要求最终水 分低于1 - 1 5 干燥后结晶体的粒径小于o 5 0 6 m m 。因此，若不预先经过其它的 一些加工处理，用传统的干燥方法很难达到要求。但是具有可移动对撞面的同轴 对撞流，而且在对撞室出口装有限制网的干燥机成功的解决了这一问题。这种类 型的对撞流干燥机在干燥的同时伴随着研磨。其结构如图1 , 2 所示【4 1 东北大学硕士论文 第一章绪论 图1 2 赖氨酸双对撞室干燥机 f i g1 2l y s i n ed u a lc h a m b e ri m p i n g i n gs t r e a md r y e r 1 4 3 用于谷物热处理的多级半圆形对擅流干燥机 图1 3 为由乌克兰和白俄罗斯研制的用于谷物热处理的具有半圆形对撞管 的工业设备f7 1 。在这种设备中高温气流被用作载体和干燥介质，多级半圆形对撞 管被安置在具有圆锥形底的圆柱体内。干燥后的产品在圆锥形底部收集，而废气 被送到旋风分离器收集净化，一部分废气与新鲜高温气流混合后再循环使用。用 这种方法处理的谷物具有较高的消化率n 1 图1 3 用于谷物处理的半圆形对撞流干燥机 f i g1 3 s e m i - c i r c l ei m p i n g i n gs t r e a md r y e rf o rc o i nd r y i n g 1 4 4 用于悬浮液、浆状和膏状物料的对擅漉喷雾干燥机 图1 4 显示了由白俄罗斯研制的用于悬浮液、浆状和膏状物料的逆向旋转对 撞流喷雾干燥机的示意图 们。这种干燥机实际上是以逆流、逆向旋转工作的对撞 流干燥机。干燥机被制成长4 米、直径为1 2 米的水平放置的圆筒。两个液体喷 嘴装在干燥机的两段，第一股热气流从喷嘴处轴向送入，第二股气流与第一股气 流成切向送入，但方向相反，这就导致第一股气流逆向旋转。这样液体或悬浮液 不仅被雾化，而且还被旋转气流带着作旋转运动。为了避免喷雾微滴沉降到干燥 东北大学硕士论文 第一章绪论 机壁上，使物料产生过热现象，补充气流通过干燥机壁切向送入，干燥机壁的两 端开有格栅。在干燥机的中部被排出的气流直接把干燥后的粉状物料带到分离系 统进行分离，由于对撞区内剧烈的蒸发使大约1 5 0 进口气流温度迅速降低大约 7 0 ，这就允许干燥抗生素或微生物这类热敏性物料。干燥机进口处的容积蒸发 量大约为2 8 k g 水( m 3 h ) ，每小时蒸发大约l o o k g 的水，在相同的条件下与传统 的喷雾干燥机的工作相比对撞流喷雾干燥机的容积蒸发量高7 倍，这主要是由于 对撞区中高度湍流和较高的气流速度所至。 图1 4 热敏性物料的旋流对撞干燥机 f i g1 4r o t a t i o n a lf l o wi m p i n g i n gs t r e a md r y e rf o rh e a ts e n s i t i v i t ym a t e r i a l 1 4 5 对撞流在我国干燥行业中的应用 目前我国的对撞流研究大多处于实验室阶段，应用于实际生产的还不是太 多，其中广东省农业机械研究所研制了对撞流干燥试验样机；并为大田马蹄粉厂 开发了应用于实际生产中的对撞流干燥机，该机是有对撞流装置和滚筒装置两部 分组成，对不同物料的适应性更强。 1 5 本课题研究的主要内容 对撞流是用来强化传热传质的新技术，国外已进行了一些实验和研究。工业 上也得到了一些应用，僵在国内对撞流技术的研究才b j i j b l i 起步，对对撞流强化传 热传质和干燥过程机理的研究还不够深入。因此对撞流干燥机的研制、开发和设 东北走学硕士论文第一章绪论 计有许多的困难，为了减少不必要的人力、物力和资金浪费，需要在小型的试验 装景上进行实验研究，然后再进行放大，设计出适合于工业应用的对撞流干燥机。 本课题是以粒料的对撞流干燥为研究对象，先测定了粒料的热物理性质，然 后在试验装置上进行粒料的试验，研究不同结构对撞室和不同干燥物料的特性。 分析了同轴对撞流强化传热传质的因素并根据试验验证了结论4 2 1 。研究的结果 对同轴对撞流干燥机的结构设计具有重要的指导意义，并为同轴对撞流技术的工 业应用创造条件。本课题的研究的主要内容如下： ( 1 ) 以颗粒物料小米、大米和马蹄渣为研究对象，测定了它们的热物理性 质。 ( 2 ) 在不同结构的对撞流干燥器中进行颗粒物料的干燥试验，了解结构 参数对干燥性能的影响。 ( 3 ) 研究和分析对撞流强化传热传质的特性，提出强化热、质传递的因 素。 ( 4 ) 研究颗粒物料在对撞流中的运动状态，即研究和分析单一颗粒在对 撞流中的运动。 1 6 本课题试验研究的方法与路线 在不同结构的对撞流试验装置上进行不同颗粒状物料如小米、大米和渣料 的干燥实验，根据实验结果探讨同轴对撞流干燥器的操作参数、结构参数对干燥 效果的影响，研究不同颗粒状物料在对撞流干燥中的适应性，进一步了解对撞流 干燥的特性和机理，为对撞流干燥机的设计和生产应用提供可靠的依据。采用单 因素实验和多因素实验研究在不同的操作参数、结构参数及不同的颗粒状物料时 的干燥效果，并在此基础上采用回归分析的方法得出经验性公式。 为了证明对撞流动有利于强化传热传质，在实验的基础上采用流体动力学模 型进行干燥过程的模拟，对实验结果做出理论上的验证及分析。 东北大学硕士论文第一章绪论 1 7 本章小结 在本章中首先简要叙述了研究对撞流技术的目的和意义，接着介绍了对撞 流技术在国内外工业上的应用，最后确定了本课题试验研究的主要内容和研究的 方法路线。 东北大学硕士论文第二章对撞流干燥设备的特性研究 第二章对撞流干燥设备的特性研究 本文的实验装置为广东省农业机械研究所干燥设备中心研制的垂直同轴对 撞流干燥试验机和江高镇大田马蹄粉厂的水平同轴对撞流干燥机。它们的结构类 似都具有以下几部分组成：( 1 ) 进料储槽；( 2 ) 喂料机；( 3 ) 两根连接对撞腔的加速 管，颗粒在其中被连续加速；( 4 ) 对撞腔，其底部或侧部有物料出口；( 5 ) 分离器， 通常采用旋风分离器回收物料；( 6 ) 成品储仓。 2 1 对撞流干燥试验装置的结构： 2 。1 1 垂直对撞漉千爆装置 广东省农业机械研究所干燥设备中心研制的为垂直同轴对撞流干燥机。其结 构如图2 1 所示： 图2 1 垂直同轴对撞流试验装置示意图 f i g2 1v e r t i c a lc o a x i a le x p e r i m e n t a li m p i n g i n gs t x e a mc i r y e r 该试验机由离心风机、电加热器、加速管道、喂料机、对撞室、旋风分离器 和阀门等部件组成。 其中离心风机采用高压风机，型号为9 - 1 9 - 4 a ，其性能参数为：转速为 东北大学硕士论文 第二章对撞流干燥设备的特性研究 2 9 0 0 r m i n ，风量8 2 4 1 7 0 4 m 3 ，h ，风压3 4 5 8 4 3 2 5 3 p a ，功率3 k w 。 加热采用电加热方式，加热器有3 组发热电阻丝，最大功率为3 6 k w 。根据 不同的工况加热功率分别可以调为1 2k w 、2 4k w 、3 6k w 。 对撞室采用两种方式：平底柱形和锥底柱形，分别开有玻璃观察窗，其结构 分别如图2 2 所示 图2 2 对撞室的结构 f i g2 2t h eu r i p i n g i n gc h a m b e rs t r u c t u r e 其中平底柱型对撞室上下进气管道采用套管装置，其深入对撞室的长度可垂 直调节，从而得到不同的对撞距离，调节过程可在试验中进行。这种对撞室的对 撞体积是随对撞距离的不同而变化的。锥底柱型对撞室是由圆柱和圆锥底组成， 对撞体积是确定的。对撞距离的调节是通过改变上进气口套管的位置而实现的。 调节过程只能在停机状态下进行。 锥底柱型对撞室：对撞距离可调l = 1 0 0 2 2 0 m m 平底柱型对撞室：对撞距离可调l = 5 0 2 5 0 m m 喂料器采用自制的螺旋喂料器，喂料能力取决与物料的种类和状态。 空气经风机进入加热器，被加热成热空气后沿管道进入对撞室。物料经喂料 机进入上加速管道，在气流的加速下同热气流高速进入对撞室与下加速管道进入 的高速高温气流进行撞击。待物料的动能耗尽后经右侧进入旋风分离器，完成干 燥过程。其中在上进气管道的a 处和下进气管道的c 处开孔，可以连接测压管 和测温探头，在上下进气管道的入口d 和e 处装有阀门，可以调节进入上下加 速管道的风量使两管道风速相等。 东北大学硕士论文第二章对撞流干燥设备的特性研究 2 1 2 水平对擅漉一滚筒联合干爆装置 由于对撞流干燥的物料大多数为粉料或粒料，这些物料同时含有游离水和孔 隙水或结合水。游离水在对撞室中强化传递的情况下几乎可以瞬时去除，而空隙 水或结合水涉及孔隙扩散或尤其是液体的扩散【l “，需要相当长的时间。显然单 独使用对撞流不可能完成干燥任务，设计多级撞击流不但使系统变的非常复杂， 而且又大大增加了动力消耗。基于这个原因，广东省农业机械研究所干燥设备中 心为江高镇大田马蹄粉厂开发了对撞流滚筒联合干燥装置。主要由对撞流干燥 装置和滚筒干燥装置两部分组成，还有一些管道、螺旋喂料器、热风炉、风机、 旋风分离器等辅助部件。不同类型的物料在该装置中的流程是不同的：对于含游 离水分高、结合水分低的物料，由于其流动性能不好，可以先进入滚筒初步去水， 然后进入对撞流装置完成干燥过程。对于含结合水分高的物料，由于物料在对撞 流装置中的停留时间比较短，所以结合水的去除不易，经对撞流系统去除游离水 后进入滚筒去除结合水。 2 1 2 1 联台干燥装置中的对撞流部分 对撞流为水平同轴对撞流如示意图2 3 所示，其中对撞室如照片2 4 所示 酗2 3 大田马蹄粉厂对撞流装置示意圈 f i g2 3 t h es k e t c ho f i m p i n g i n gs t r e a md r y e ro f d a t i a nw a t e rc h e s t n u ts t a r c hf a c t o r y 东北大学硕士论文 第二章对撞流干燥设备的特性研究 图2 a 对撞濂装置的对撞室 f i g2 4 i m p i n g i n gc h a m b e ro f d a t i a n sd r y e r 离心风机采用的高压风机型号为9 - 2 6 - 4 a ，其性能参数为：转速2 9 0 0 r m i n ， 风量2 1 9 8 3 2 1 5m 3 h ，风压3 8 5 2 3 4 0 7 p a ，功率5 5 k w 。 加热采用燃煤热风炉，热风炉如图2 5 所示，采用的高压风机型号同为 9 2 6 4 a 。 图2 5 对搏流干燥装置中的热风炉 f i g2 5t h eh e a t e da i rs t o v eo f i m p i n g i n gs t r e a md r y e r 2 1 2 2 联合干燥装置中的滚筒部分 滚筒干燥装置的主体是略带倾斜并能回转的圆筒体。湿物料从左端上部进 入，经过圆筒内部时，与通过筒内的热风或加热壁面进行有效的接触而被干燥， 干燥后的物料从右端下部收集。在干燥过程中，物料借助于圆筒的缓慢转动，在 重力的作用下从较高一端向较低一端移动。简体内壁上装有顺向抄板它不断的把 物料抄起又撒下，使物料的热接触面积增大，以提高干燥速率并促使物料向前移 动。干燥过程中所用的热载体一般为热空气、烟道气或水蒸气等。如果热载体直 东北大学硕士论文第二章对撞流干燥设备的特性研宄 接与物料接触，则经过干燥器后通常用旋风除尘器将气体中携带的细粒物料捕集 下来，废空气则经旋风除尘器后放空。转筒干燥器与其它干燥设备相比有如下优 点：生产能力大，可连续操作：结构简单，操作方便：故障少，维修费用低等【4 1 。 滚简装置如示意图2 6 和照片2 7 所示： 2 2 本章小结 图2 6 滚筒干燥装置示意图 f i g2 6t h es t r e t c ho f r o l l e rd r y e r 图2 7 滚筒干燥装置 f i g2 7t h ep h o t oo f r o l l e rd r y e r 本章介绍了广东省农业机械研究所干燥设备中心开发的垂直同轴对撞流干 燥机和为大田马蹄粉厂的用于干燥马蹄渣的对撞流滚筒联合干燥机，其中垂直 同轴对撞流干燥机的对装室的进气管道采用套管结构可以方便的调节对撞距离。 垂直同轴对撞流干燥机为试验样机，对撞流滚筒联合干燥机用于大田马蹄粉厂 东北大学硕士论文第二章对撞流干燥设备的特性研究 马蹄渣的干燥。 1 8 - 东北大学硕士论丈 第三章颗粒物料对撞流干燥的试验研究 第三章颗粒物料对撞流干燥的试验研究 根据第2 章中的垂直对撞流干燥机进行试验，先测定物料的热物理性质，然 后改变对撞室的结构和干燥时的操作参数进行对比试验，最后进行不同物料间的 对比试验。 3 1 物料物理性质的测定 选用渣料、小米、大米为试验物料，以下所测数据如不特别声明皆为以渣料 为对象所测得。 3 1 1 物料定压比热容的测定 根据周祖锷，曹崇文【1 5 】，各种农业物料的比热可以取作这些物料中所含水 分比热容以及与水结合在一起的固体比热容之和。可以用下式初步估算比热容 值a 冰点之上c ，= o 0 0 8 m + o 2 ；冰点之下c ，= o , 0 0 3 m + o 2 其中m 是湿基含水 量( ) 。还可以用混合方法测得：混合法是在自制的比热测定仪内进行的，其 结构和保温杯相同，比热测定仪内预先装有已知温度和质量的热水。然后将已知 质量和温度的试样放入比熟测定仪。因为比热测定仪和水温比物料高，则热平衡 方程式可以写成如下形式： 巳。o f t 。) + c 。m ，( f