第七讲-气流干燥系统设计特点

PAGEPAGE28第七讲气流干燥系统设计特点本讲先对气流干燥作一个概述,再着重介绍悬浮速度,直管气流干燥和脉冲式气流干燥。一、气流干燥概述:气流干燥也称“瞬间干燥”,是固体流态化中稀相输送在干燥方面的应用,是一个气固两相流问题。气流干燥是使已加热介质(空气,惰性气体,燃气或过热蒸汽等)与被干燥物料直接接触,并使被干燥物料(固体)均匀地悬浮于流体中,因而两相接触面积大,强化了传热和传质过程。气流干燥是我国在散状物料干燥方面应用得比较早,也较广泛的流态化干燥技术。(一)、气流干燥的特点:1.优点:(1).干燥强度高:固体颗粒在气流中高度分散呈悬浮状,气固两相之间的传热传质面积大大增加;另外,由于采用较高气速,使得气固两相间的相对速度也较高,因此容积传热系数也相当高,达到2000～6000kcal/m3·h·℃,为一般回转干燥器的20～30倍。如以气体与物料之间的传热面积来评估,则气体与物料间的给热系数高达200～1000kcal/m2·h·℃。(2).干燥速度快,干燥时间短,处理量大:由于气流干燥管长一般为15～25m,气流速度一般为20～30m/s,所以干燥时间一般为1～3s。由于气流干燥容积传热系数高,进口与出口的气流温差大,因此在相同的干燥器容(3).结构简单,占地面积小,制造方便:在整个气流干燥系统中,除通风机和加料器外,就没有其他转动部件,设备投资费用较少。(4).操作方便,可实现自动化连续生产:在气流干燥系统中,把干燥,粉碎,筛分,输送等单元过程联合操作,流程简化并易于自动控制。(5).适应性广:对散粒状物料的粒径适用范围较广,物料含水率一般在15～40%之间,干燥时物料的临界含水率低,可以干燥到较低含水率,如1～2%。近年来,在膏状物料和浆状物料干燥方面也有采用气流干燥,但从目前情况来看,用于干燥热敏性散状物料仍是绝大多数。2.缺点:(1).气流干燥系统的流动阻力较大,系统阻力一般为3000～4000Pa,必须选用高压或中压通风机,动力消耗较大。(2).气流干燥所使用的气速高,流量大,经常需要选用尺寸大的旋风分离器和布袋除尘器,会增加投资。(3).气流干燥的操作弹性系数较小,对于干燥载荷很敏感,固体物料输送量过大时,气流输送就不能正常进行。(4).由于气流速度较高,颗粒有一定的磨损,因此对晶体形状有一定要求的物料不宜采用;对管壁粘附性很强的物料(如钛白粉,粗制葡萄糖等物料),以及需要干燥到临界含水率以下的物料,也不宜采用气流干燥方法。(二)、气流干燥的适用范围:1.物料状态:气流干燥要求以粉末或颗粒状物料为主,其颗粒粒径一般在0.5～0.7mm以下,至多不超过1mm。对于块状及泥状物料,应选用粉碎机和分散器与气流干燥串联的流程,使湿物料同时进行干燥和粉碎,表面不断更新,以利于干燥过程的连续进行。2.湿分和物料的结合状态:气流干燥采用高温高速的气体作为干燥介质,且气固两相间的接触时间短。因此气流干燥仅适用于物料湿分进行表面蒸发的恒速干燥过程;需干燥的物料中所含湿分应以润湿水,孔隙水或较粗管径的毛细管水为主。此时,可获得湿分低达0.3～0.5%的干物料。对于吸附性或细胞质物料,若采用气流干燥,一般只能干燥到含水率为2～3%。(三)、气流干燥器的主要类型(结构示意图见金陵样本第一册第14～16页):在这里,我们仅作简单介绍,详细内容可查阅《流态化干燥工艺和设备》一书。1.直管气流干燥器:直管气流干燥器的气流管的高度一般为10～20m。根据脱水的难易程度,可分别采用一级直管气流干燥器或二级及多级直管气流干燥器。在二级气流干燥器中,有一种正负压气流干燥器,有节约能源的效果。直管气流干燥器是最早使用的,目前还大量使用的气流干燥器。2.脉冲气流干燥器:为了充分利用气流干燥管中颗粒在加速段所具有的高传热传质效果,而采用管径交替缩小和扩大的脉冲气流干燥器。脉冲气流干燥的原理是气体和颗粒遵循不同的运动规律。加入的物料先进入小直径干燥管内,由于小直径管内气流速度较高,使静止或速度较小的颗粒产生一个加速运动,但颗粒速度总是小于气流速度。当加速运动终了时,干燥管直径突然扩大,对于颗粒运动,由于惯性作用,在扩大管内从较高速度慢慢减速;对于气体运动,遵循气体连续性方程,即气体流速与流通面积成反比,气体流速突然降低,并低于颗粒速度,对颗粒起减速作用,但气固之间会有较大的速度差。当颗粒减速终了时,干燥管再行突然缩小,气体流速又突然加大,大于颗粒速度,又对颗粒加速。如此反复交替地使管径缩小和扩大,使颗粒运动处在加速和减速的交替过程中.始终达不到等速运动,造成气流和颗粒间的相对速度及传热传质面积均比较大,从而强化了传热传质速度。另外,在扩大段中气流速度下降的结果,增加了物料的干燥时间。脉冲气流干燥器已广泛地应用于各种物料的干燥中。3.套管式气流干燥器(见图1):套管式气流干燥器的气流管有内管和外管之分,物料与气流同时由内管下部进入,颗粒在内管作加速运动,到终了时由顶部导入内外管的环隙内,在环隙内以较小的速度下降,然后排出。此种干燥器可以节约热量,但必须注意物料排出口不被堵塞。4.旋风气流干燥器(见图2):这是一种利用流态化及管壁传热原理进行物料干燥的设备,本身就是将对流干燥与传导干燥相结合的设备。气流携带物料颗粒从切线方向进入夹层外壁旋风干燥器,沿热壁旋转(夹层内有热介质)。进入干燥室的物料呈悬浮及旋转运动状态,因此,即使轴向流动雷诺数较低,但气固两相的相对速度也是很大的。此外,由于旋转的作用,造成颗粒不断发生粉碎现象,也促使气固两相接触面增加,强化了干燥过程。这种干燥器具有结构简单,体积小等优点,它对憎水性强,不怕粉碎的热敏性散粒状物料尤其适用,目前多用在制药工业中。但对于含水率高,粘性大,熔点低,以及易升华,易爆炸,易产生静电作用的物料不太适用。5.其他气流干燥器:在实际使用中,也开发了其他形式的气流干燥器,例如:文丘里管型气流干燥器,涡旋流气流干燥器,喷气式气流干燥器,环形气流干燥器,闭路循环气流干燥器等,不再一一介绍,可参阅《流态化干燥工艺与设备》。二、颗粒物料在气流干燥器上升管内的流动:颗粒物料在气流干燥管内的流动是气固两相流,为了使数学处理变得简单一些,我们做一些简化处理:a.假设颗粒物料是球形的,密度是均匀的;b.仅讨论颗粒物料在向上气流干燥管中的运动。(一).固体颗粒悬浮速度(也称沉降速度或带出速度)的引入:在气固两相流中,固体颗粒悬浮速度是一个最基本的重要概念,也是一个较为抽象的概念,我们将稍为用一点篇幅,来逐步理解它。1.固体颗粒静止,气体从零开始,逐渐增加气流向上的速度,观察固体颗粒的运动变化(见图3):设:颗粒速度用up(m/s)表示;气流速度用ug(m/s)表示。(1).固体颗粒静止不动,气体静止:up=0,ug=0,ug-up=0(2).气流速度开始增加,固体颗粒仍然静止不动:up=0,ug＞0,ug-up=ug(3).气流速度再增加,固体颗粒之间开始松动和飘浮,而且间隙越来越大,此时称作固体颗粒开始流化,up≈0,ug＞0,ug-up=ug,ug可以称作固体颗粒的流化速度uL(m/s),且有uL=ug(4).当气流速度增加到某一速度时,固体颗粒的流化飘浮的高度增高,但颗粒还不能随气流一起流出,飘浮到某一高度还要落下,形成悬浮状态。但只要气流速度再增加一个微量,固体颗粒将随气流一起流出。此时的气流速度称为该固体颗粒的悬浮速度,用ut(m/s)表示,并有:up≈0,ug＞0,ug-up=ut,气流速度和固体颗粒的速度差为悬浮速度ut。(5).当气流速度大于悬浮速度时,固体颗粒将以某一速度流出;气流速度越大,固体颗粒的流动速度也越大,但两者的速度差始终保持为固体颗粒的悬浮速度,即:ug＞ut,up＞0,ug-up=ut,对于气流与固体颗粒之间的相对运动来说,相对速度(即速度差)为一不变的值,可以称之为等速运动,并不是气流速度和固体颗粒速度不变。气流与固体颗粒之间的给热系数,就是仅和它们之间的相对速度有关,而和气流与固体颗粒的绝对速度无关,相对速度越大,给热系数也就越大。悬浮速度主要和固体颗粒的粒径及密度有关,也和气体的温度,密度及粘度有关。2.固体颗粒以静止状态加入到大于固体颗粒悬浮速度的向上热风气流管中:(1).颗粒最初进入干燥管时,上升速度up=0,之后,因其与热风相遇而得到向上的速度,并不断被上升气流所加速,称为加速段。当气流和颗粒间的相对速度等于颗粒在热风中的悬浮速度ut时,颗粒的上升速度up=ug-ut,并保持不变,直到出口,此段称为等速运动段。(2).在颗粒的加速阶段,由于颗粒运动速度up较低,气流与颗粒之间的相对速度大,所以气流与颗粒之间的给热系数大,再加上采用并流操作,气固两相之间的传热温差又较大。因此,颗粒的加速阶段有很高的传热速率及干燥强度,可以这样认为,颗粒的干燥大部分在此阶段进行。(3).在颗粒等速运动阶段,由于气固之间的相对速度不变,即等于颗粒在热风中的悬浮速度。在气流干燥中,被干燥的颗粒,其粒径一般比较细小,因此其悬浮速度也很小。所以在等速阶段的气固之间的给热系数是不大的,传热和传质速率是比较小的,体积传热系数也最小。(二)、固体颗粒在等速阶段的基本方程式:1.固体颗粒在上升热风气流中的受力状况(见图4):(1).上升热风气流对颗粒的作用力:它在数值上等于颗粒对上升气流的阻力,仅方向相反,即是向上的。其计算式如下:Fs=ξ×Ap×γg×(ug-up)2/2g上式中:Fs上升气流对颗粒的作用力,kgf;ξ颗粒与气流间的阻力系数,,是颗粒雷诺数(Re)t的函数,应要说明,这里的(Re)t是区别于管内气体流动给热系数计算时的管流雷诺数Re;γg气体的重度(也称比重),kgf/m3;Ap颗粒垂直于气流方向的最大截面积,对于球形颗粒有,Ap=π×dp2/4(m2),(dp是球体直径,m);ug气流速度,m/s;up颗粒上升速度,m/s;g重力加速度,m/s2。实际上,气流对颗粒的作用力方向取决于气流速度和颗粒速度的差值。如气流速度大于颗粒速度,即ug＞up,气流对颗粒的作用力方向与气流方向相同;如气流速度小于颗粒速度,即ug＜up,气流对颗粒的作用力方向与气流方向相反;如气流速度等于颗粒速度,即ug=up,颗粒不受气流的作用力。(2).颗粒的重力:Fp=V×γp颗粒的重力作用方向总是向下的。上式中:Fp颗粒的重力,kgf;V球形颗粒的体积,V=π×dp3/6,m3;γp颗粒的重度,kgf/m3。(3).气流对颗粒的浮力:Fg=V×γg气流对颗粒的浮力作用方向总是向上的。上式中:Fg气流对颗粒的浮力,kgf。(4).颗粒在气流方向上的合力:F=Fs＋Fg-Fp=ξ×Ap×γg×(ug-up)2/2g＋V×(γg－γp)=02.颗粒等速运动时的运动方程颗粒悬浮速度求解:颗粒在等速运动时,加速度为零,而且有ug-up=ut,ut是颗粒的悬浮速度,则有:ξ×Ap×γg×ut2/2g=V×(γp－γg)将Ap及V代入上式,可得到颗粒悬浮速度计算式:／41g×dp×(γp-γg)ut=／××√3ξγg在上式中,颗粒与气流间的阻力系数ξ是未知的,它与颗粒雷诺数(Re)t相关,当(Re)t在不同区间时,已通过实验得到不同的计算式,在下面内容中要专门讲述(Re)t和ut的求法。3.求解颗粒悬浮速度ut的意义:(1).只有气流速度ug＞ut,在上升气流管中,气流才可将颗粒带出,所以ug＞ut是气流干燥的必要条件。(2).已知ut后,可确定直管气流干燥管中进口气流速度和出口气流速度,也可对脉冲气流干燥器的加速管和扩大管参数进行定量讨论。(3).求出ut后,就可由计算式(Re)t=ut×dp×ρg/μg求出(Re)t,并可进一步求出气流干燥中气流与颗粒之间的给热系数。式中,μg是气体的动力粘度系数(Pa·s),ut是颗粒的悬浮速度(m/s),dp是颗粒的直径(m),ρg是气体的密度(kg/m3)。(二)、固体颗粒在加速阶段的基本方程式:1.颗粒所受到的气流方向上的合力:F=Fs＋Fg-Fp=ξ×Ap×γg×(ug-up)2/2g-V×(γp－γg)2.颗粒的运动方程式:dupF=Mp×a=Mp×dτ在上式中,Mp颗粒的质量,kg;τ时间,s;另有:密度与重度的关系式:γ=g×ρg为重力加速度,m/s2,ρ为密度,kg/m3;另还有:ρ=M/V,对于颗粒,有:ρp=Mp/V。一般ρP＞＞ρg,所以ρp-ρg≈ρp,颗粒加速度为:dupξ×Ap×ρg×(ug-up)2=-gdτ2Mp对于球形颗粒,Ap=π×dp2/4及Mp=π×dp3×ρp/6,代入上式可得:dup3×ρg×ξ(ug-up)2=-gdτ4×dp×ρp经变换,可得到:3×ρg×ξ(ug-up)2-d(ug-up)=｛-g｝dτ4×dp×ρp在初始条件:τ=0,up=0;和终了条件:当dup/dτ=0时,颗粒与气流相对速度为ut,绝对运动速度为(up)max=ug-ut,解上述微分方程,可计算出加速段时间。颗粒在加速段的上升距离(即加速段所需的高度)为:τH=∫updτ0(三)、三个区域阻力特性,球体悬浮速度计算式及其适用粒径范围:1.根据颗粒雷诺数的不同,可分为三个阻力特性区域:(1).粘性摩擦阻力区(或斯托克斯Stokes区):小(Re)t数区,当颗粒较小,速度较低时,(Re)t≤1(或5.8)。(2).过渡区(或阿连Allen区):当颗粒体积大于粉料体积,且速度也稍大些时,1(或5.8)≤(Re)t≤500。(3).涡流压差阻力区(或牛顿Newton区):当颗粒体积较大,速度较高时,500≤(Re)t≤2×1052.球体悬浮速度计算式及其适用粒径范围结果列表:区域项目斯托克斯区(Re)t≤1(或5.8)阿连区1(或5.8)≤(Re)t≤500牛顿区500≤(Re)t≤2×105阻力系数ξ=24/(Re)tξ=10/【(Re)t】0.5ξ=0.44悬浮速度公式dp2×(ρp-ρg)×gut=18μg(ρp-ρg)2ut=1.195dp【】1/3μg×ρg／dp×(ρp-ρg)ut=5.45／√ρg适用粒径范围(粒径判断式)μg2dp≤1.225｛｝1/3ρg(ρp-ρg)或μg2dp≤2.2｛｝1/3ρg(ρp-ρg)μg20.915｛｝1/3ρg(ρp-ρg)≤dp≤μg220.4｛｝1/3ρg(ρp-ρg)或μg22.2｛｝1/3ρg(ρp-ρg)≤dp≤μg220.4｛｝1/3ρg(ρp-ρg)μg220.4｛｝1/3ρg(ρp-ρg)≤dp≤μg21100｛｝1/3ρg(ρp-ρg)煤粉ρp=1500kg/m3dp≤0.07mm或dp≤0.125mm0.0522≤dp≤1.165mm0.1251.165≤dp≤62.8mm粘土ρp=2400kg/m3dp≤0.06mm或dp≤0.108mm0.0448≤dp≤1.00mm0.1081.00≤dp≤53.8mm石英砂ρp=2650kg/m3dp≤0.058mm或dp≤0.104mm0.0434≤dp≤0.965mm0.1040.965≤dp≤52.1mm铁丸ρp=7000kg/m3dp≤0.042mm或dp≤0.0755mm0.0314≤dp≤0.70mm0.07550.700≤dp≤37.3mm(四)、有关物料的实测悬浮速度参考数据:在上述颗粒悬浮速度的计算式有单个球形颗粒的假设,与实际的悬浮速度会有差别,我们在下面再列举有关物料的实测悬浮速度参考数据,供使用参考。序号物料名称真实密度ρP(kg/m3)堆积密度ρP′(kg/m3)粒径dp(mm)实测悬浮速度ut(m/s)1小麦1270～1490650～8104～4.59.8～112大麦1230～1300600～7003.5～4.28.7～10.53稻谷10205503.587.54大米1480620～68010×38～8.55玉米1240～1350600～6209×8×69.8～13.56大豆1180～1220560～720长径3.5～10107油菜籽10406401.3～2.27.6～8.88砂糖1580720～8800.51～1.58.7～129干细盐2200900～1300＜1.09.8～10粗盐粒10907207～7.214.8～15.511面粉14106100.163～0.1971.5～212洗衣粉1270480＜0.5213苏打2480530＜0.122.514滑石粉2600～2850560～950＞0.010.5～0.815陶土2200～2600320～4901.8～2.116煤炭1000～1700720～9401～34～5.317煤炭1000～1700720～9403～54.2～6.818煤炭1000～1700720～9405～76～10.219煤炭1000～1700720～94010～1511～13.320砂2600141035～150目6.821干砂(ω=4%)2300～2600141050～100目5.13～5.5322湿砂(ω=10%)50～100目6.5～9.023型砂2400102050～100目8.1～1024尿素7760.82～2.58.7～9.425硫酸铵17709951.510.1～13.126炭黑3603.427磷矿粉25801467＜3.24.1～11.228炉渣粉、粒状5～17.729铸铁丸70000.3～0.58.5～11.730铸铁丸70001～1.215.531铸铁丸70002～2.524.832铸铁丸70002.5～3.327.433聚丙烯粉9103204.3～6.134聚丙烯粒9004602～36.2～6.935聚氯乙烯粒φ40×608.5～9.736聚氯乙烯粒35×25×1007.937辉锌矿4300228017.738矿石d当=3.810.2～15.539矿石d当=16.518.9～22.5三、颗粒物料在气流干燥器上升管内的传热:物料颗粒在气流干燥管中的传热量,与气流管道的几何形状,直径.以及颗粒的形状,大小,密度和颗粒物料与气体的重量比等因素有关。(一)、单一球形颗粒与气流之间等速段的给热系数:1.在已知颗粒直径dp(m),真实密度ρp(kg/m3),气流温度tg(℃)条件下求出颗粒的悬浮速度ut(m/s):(1).由气流温度tg,查空气热工性能表,可得到气流的密度ρg(kg/m3)和气流的动力粘度系数μg(Pa·s)。由ρp,ρg和μg可以通粒径判断式确定颗粒的在气流中的运动处于哪一个阻力特性区域。(2).在已知dp,ρp,ρg和μg的条件下,采用该阻力特性区域的悬浮速度计算式,可得到悬浮速度ut。2.颗粒雷诺数(Re)t的计算:由计算式(Re)t=ut×dp×ρp/μg可得到(Re)t。3.由(Re)t可计算得到努谢尔特数Nu:对于空气—水体系,有以下计算式成立:Nu=2＋0.54×(Re)t0.5,可求出Nu数。4.由颗粒直径dp,气流导热系数λg(已知温度即可查表得到,kcal/m·h·℃)和努谢尔特数Nu就可计算单一球形颗粒与气流之间的给热系数α(kcal/m2·h·℃):α=Nu×λg/dp,Kcal/m2·h·℃。(二)、颗粒群与气流之间的给热系数:1.等速段颗粒群与气流之间的给热系数:当物料投入干燥管后,受到热风气流冲击,分散成一颗颗的散粒状悬浮于气流中。在等速段,由于颗粒浓度低,因此仍然可用单一颗粒与热风气流之间的给热系数计算式。2.加速段颗粒群与气流之间的给热系数:在加速段,由于颗粒浓度较高,就不能用单一颗粒与气流之间的给热系数计算式。日本学者桐荣良三对于颗粒直径大于100μm的物料做了研究,给出Nu和Re的关系式。当400＜(Re)r＜1300时,Numax=0.95×10-4×(Re)r当30＜(Re)r＜400时,Numax=0.76×(Re)r式中,(Re)r=dp×(ug-up)×ρg/μg,为相对雷诺准数,(ug-up)＞ut。经过对比计算可知,加速段的Nu数要大于等速段的Nu数,因此颗粒与气流之间的给热系数也要大。但是加速段的距离(高度)较短,很快就进入到等速段。对于直管气流干燥器来说,大部分干燥还是在等速段完成。三、颗粒物料在气流干燥器下降管和脉冲气流干燥管中的运动和传热分析:在有关干燥技术的资料中还没有见到对颗粒物料在直管气流干燥器的下降管中的运动和传热分析,还有在设计脉冲气流干燥器扩大管管径时带有经验性和随意性。为此,我们将对比上升管中的运动和传热情况,来分析一下在下降管和脉冲气流干燥管中颗粒的运动及传热情况。(一)、颗粒物料在直管气流干燥器下降管中的运动和传热分析(见图5):1.假设颗粒物料是以直管气流管的等速段状态进入下降管的,即ug＞up,而且有下式成立:2×g×V×(γp-γg)(ug-up)2=ξ×A×γg并假设进入下降管后,颗粒的A和V,以及γP都没有变化,气流的γg和ξ都没有变化。颗粒在上升管中的运动方程式为:F1=Fs＋Fg-Fp=m×a1Fs=ξ×A×γg×(ug-up)2/2g颗粒向上运动,则向上为坐标的正方向,气流对颗粒的作用力和颗粒在气流中的浮力始终指着正方向,颗粒的重力始终指着负方向,加速度a的方向也始终知着正方向。2.颗粒和气流进入下降管后,设颗粒运动方向是坐标的正方向,即向下是正方向。颗粒的重力Fp始终向下指着正方向,颗粒在气流中受到的浮力Fg始终向上指着负方向。而气流对颗粒作用力Fs的方向是变化的,当ug＞up时,Fs指向下,为正方向;当ug=up时,Fs=0;当ug＜up时,Fs指向上,为负方向。3.颗粒和气流刚进入下降管时,ug和up还来不及变化,但颗粒的受力状况马上变化,Fs还是正方向,Fp由负方向转为正方向,Fg由正方向转为负方向,所受到的合力为F2=Fs＋Fp－Fg。由于γp＞＞γg,所以Fp＞＞Fg;由于ug和up还来不及变化,所以Fs暂时保持不变。在这么一个短暂的时间内,有以下运动方程式成立:F2=Fs＋Fp－Fg=m×a2很显然,F2＞F1,所以a2＞a1,对颗粒的加速作用变大,使up加大,同时使(ug-up)的值减小,(Re)r数和Nu数也随着变小,颗粒和气流之间的给热系数α变小,传热过程减弱。4.颗粒和气流继续向下运动时,由于ug＞up,运动方程式形式继续成立,即:F3=Fs＋Fp－Fg=m×a3但是,由于(ug-up)的减小,使的Fs减小。因此,F3＜F2,所以,a3＜a2,对颗粒的加速度减小,但仍在加速,使up→ug,(ug-up)的值继续减小,传热过程继续减弱。气流下降管出口一般连结旋风分离器,由于旋风分离器的高度较高,所以气流下降管的长度不会象气流上升管那样长。一般情况下,气流下降管中的运动就到此为止。总之,在气流下降管中的传热过程是减弱的。前面关于物料进入加速管的讨论中,我们已知在加速管的传热过程要强于等速段,但长度也较短,一般为2～2.5m。综观全局,将加速管和下降管的传热过程平均一下,接近等速管的传热过程,所以在直管气流干燥器的设计中,将加速管,等速段和下降管一併作为等速管来计算总长。(二)、颗粒在脉冲气流干燥器中的运动和传热分析:1.脉冲气流干燥器的设计思想:在第一加速段(ug＞up)后期颗粒与气流之间的相对速度(ug-up)接近颗粒的沉降速度(也是悬浮速度)时,颗粒靠惯性进入扩大管。由于气流受到流体连续方程的制约,气流速度突然下降很多,这时颗粒速度大于扩大管中的气流速度（ug＜up）,颗粒因受到阻力而逐渐减速,然后在颗粒与气流之间的相对速度(up-ug)接近颗粒的沉降速度时,再使颗粒进入缩小管内,从而又被第二次加速……不断如此反复进行,直至离开脉冲气流干燥管。2.使用脉冲气流干燥器的必要条件(见图6):根据上述的设计思想,则颗粒速度与气流速度之间的相互关系应当满足下述二个必要条件:(Ug1-Ut)-Ug2＞Ut(1)Ug2＞Ut(2)式中,Ug1气流在加速段(细管)中的平均速度,m/s;Ug2气流在减速段(粗管)中的平均速度,m/s;Ut颗粒沉降速度(悬浮速度),m/s。式(1)中,(Ug1-Ut)即为颗粒离开加速段时的速度Up。此式表示当颗粒进入减速段时,颗粒与气流之间的相对速度只有大于沉积速度,减速才有意义。式(2)表示减速段气流速度只有大于颗粒的沉降速度才能将颗粒带出减速段。将式(1)和式(2)相加,可得:Ug1＞3Ut(3)该式表明,只有加速段的气流速度大于沉降速度3倍时,采用脉冲气流干燥器才有意义。这时,颗粒在刚进入减速段时,Up1至少＞2Ut,则Up1-Ug2至少＞Ut,颗粒不断减速后,到减速段终了时,还要保证Up2-Ug2＞Ut,只有这样,才能保证在减速段的传热效果不会低于直管气流管中等速段的传热效果。在加速段,Ug1-Up＞Ut,也保证传热效果不会低于直管气流干燥管中等速段的传热效果。因为在直管气流干燥器中,只有在物料进口处很短的加速段中才有Ug-Up＞Ut,在其他等速管段均为Ug-Up=Ut。所以,若要使用脉冲气流干燥器,其必要条件是Ug1＞3Ut,Ug1与Ut的比值越大,则强化传热和传质的效果越明显。3.管径扩大倍数最大值nmax和最小值nmin:在扩大管段,在气流速度Ug2＞Ut的前提下,Ug2越小或颗粒速度Um1越大,则颗粒速度Um1与气流速度Ug2的差值越大,在扩大管中的强化传热和传质的效果越明显。由流体连续性方程可知:Ug1×A1=Ug2×A2∴Ug2=Ug1×(A1/A2)而A1D1=()2式中:D1缩小管直径,m;A2D2D2扩大管直径,m。∴Ug2=Ug1×(D1/D2)2令n=D2/D1,则Ug2=(1/n)2×Ug1要使扩大段气流速度Ug2的值小,则要增加n的值,即要使扩大段管径扩大的倍数较大。这样就提出了一个n的极大值和极小值的问题:n增加是受到其他因素的限制的,在一定条件下,n的极大值和极小值是多少?由Ug2=(1/n2)×Ug1代入(1)和(2)可得:∵(Ug1-Ut)-(1/n2)×Ug1＞Ut∴／Ug1n＞／(4)√Ug1-2Ut又∵(1/n2)×Ug1＞Ut∴／Ug1n＜／(5)√Ut由式(4)和(5)联立,可得:／Ug1／Ug1／＞n＞／(6)√Ut√Ug1-2Ut分析式(6)可知,当Ug1＞3Ut时,下列不等式成立:／Ug1／Ug1／＞／√Ut√Ug1-2Ut现将Ug1=(3～4)Ut时的nmax,nmin及相应的Um1和Ug2计算值列表如下:Ug1/Utnmax=(Ug1/Ut)0.5nmin=【Ug1/(Ug1-2Ut)】0.5nmaxUp1/UtUg2/UtnminUp1/UtUg2/Ut3.01.7322.01.0001.7322.01.0003.11.7612.11.0001.6782.11.0653.21.7892.21.0001.6332.21.2003.31.8172.31.0001.5932.31.3003.41.8442.41.0001.5582.41.4423.51.8712.51.0001.5282.51.4993.61.8972.61.0001.5002.61.6003.71.9242.71.0001.4752.71.6553.81.9492.81.0001.4532.81.8003.91.9752.91.0001.4332.91.8994.02.0003.01.0001.4143.02.000从上表数据分析,可以的出一下两点结论:(1).如以nmax来设计扩大管,随着Ug1的增大,在扩大管里Up1-Ug2之差为1Ut～2Ut,在初始阶段的传热和传质效果比直管的等速段好,随后慢慢减弱,但不会比直管的等速段差,总体传热和传质比直管的等速段强。如以nmin来设计扩大管,随着Ug1增大,在扩大管里Up1-Ug2之差总为1Ut,初始阶段的传热传质效果与直管的等速段一样,随后传热传质效果减弱,比直管的等速段差,总体传热传质比直管差,所以在确定了Ug1后,不能按nmin来设计扩大管。如当Ug1=3.5Ut时,n可取1.633,而不是1.558(nmin)则初始时的Up1-Ug2=1.2Ut,大于直管的等速段的Ut。(2).不管扩大管按哪个n值来设计,只要Ug1确定,在缩小管出口,颗粒被加速到同一个Up1,且Ug1-Up1=Ut;而在扩大管中的减速效果不一样,n大,Ug2小,减速效果好,扩大管出口的Up2小,如再进入下一节缩小管时,初始的Ug1-Up2差值大,传热传质效果好。从这个角度分析,也不能按nmin来设计扩大管。四、气流干燥器的设计:(一)、已知设计参数:1.物料参数:原料含水率ω1,产品含水率ω2,物料的平均粒径dp,物料的真实密度ρp,如能知道物料的粒径分布和最大粒径更好,绝干物料的比热Cs,原料的单位时间处理量Gp,原料温度θ1,产品温度θ2。2.气流参数:热风进风温度t1,排风温度t2,空气的密度,粘度和导热系数可根据气流的平均温度从有关热物性表中查到,通过热量衡算可的到气流的质量流量Gg。3.通过热量衡算可得到水分蒸发所需热量Q1,产品升温所需热量Q2。4.物料量与气体量之比为Gp/Gg=0.2～1.0,物料含水率高时取低值,含水率低时取高值,这是检验物料量和气体量是否合理的一个条件。(二)、直管气流干燥器的设计:1.计算或查阅资料得到最大粒径或平均粒径的颗粒悬浮速度Ut:(1).由气流的平均密度ρg和平均动力粘度μg,及物料的平均真实密度ρp,判断最大粒径或平均粒径的颗粒处于哪个阻力特性区。(2).根据所在阻力特性区的悬浮速度计算式,计算出最大粒径或平均粒径颗粒的悬浮速度Ut。(3).查阅有关资料得到最大粒径或平均粒径的颗粒悬浮速度Ut2.等直径管的管径计算:从气流输送角度来看,只要气流速度大于最大颗粒的悬浮速度,则全部物料便可由干燥管被夹带出去。但为了操作安全起见,通常取出口气速为最大颗粒悬浮速度的2倍,或比最大颗粒的悬浮速度大3m/s。但从干燥角度出发,在上述气速下,颗粒在气流中的分散性和湍流程度均较差,干燥强度也较小。所以根据经验,一般气流平均速度取为Ugm=10～20m/s。管径计算式:D=【4Vm/(3600×π×Ugm)】0.5(m)上式中:Vm为每小时所需气体的平均体积流量,(m3/h);且有:Vm=Gg/ρg3.计算颗粒雷诺数(Re)t,Nu和气流与颗粒之间的给热系数α:由物料的dp和Ut,及气流的ρg和μg,用下式计算(Re)t:(Re)t=dp×Ut×ρg/μg(无量纲)对于空气和水体系,用下式计算Nu:Nu=2＋0.54×(Re)t0.5(无量纲)由Nu,dp,和λg,用下式计算α:α=λg×Nu/dp(Kcal/m2·h·℃)4.计算干燥面积A:由dp计算颗粒体积,每个颗粒的质量和表面积:颗粒体积:V=π×dp3/6(m3)每个颗粒的质量:gp=V×ρp=π×dp3×ρp/6(kg)颗粒表面积:S=π×dp2(m2)由原料处理量Gp,gp,和S,计算传热面积:Gp×π×dp26GpA=Gp×S/gp==(m2/h)π×dp3×ρp/6dp×ρp5.计算对数平均传热温差Δt:由于气流和物料是并流的,可用下式计算对数平均温差:Δt=【(t1-θ1)-(t2-θ2)】/｛2.3×lg【(t1-θ1)/(t2-θ2)】｝(℃)6.计算干燥时间τ:在干燥管内气流与物料交换的热量为:Q干=Q1＋Q2(kcal/h)在干燥管内的干燥时间为:τ=3600×Q干/(α×S×Δt)(S)7.干燥管长度L:L=τ×(Ugm-Ut)(m)8.物料进料处加速管的气流速度,加速管直径和长度:根据经验,进料处加速管的气流速度取:Uj=30m/s,加速管直径为:Dj=【4Vj/(3600×π×Uj)】0.5(m)上式中:Vj进风温度下的气流的体积流量(m3/h)且有:Vj=Gp/ρj上式中:ρj进风温度下的气流密度,可查表求得,(kg/m3)。根据经验,进料处加速管的长度一般为2m左右,即Lj=2m。(三)、脉冲气流干燥器的设计:1.计算最大粒径或平均粒径的颗粒悬浮速度Ut:计算方法与直管气流干燥器相同。2.加速管(缩小管)直径D1计算:(1).先确定加速管内的气流速度Ug1,取下列两者的较大值:Ug1=(3.5～4)Ut或根据经验来适当加大Ug1,一般Ug1=15～25m/s之间。(2).加速管直径D1计算:D1=【4Vm/(3600×π×Ug1)】0.5(m)3.减速管(扩大管)直径D2计算:(1).D2=n×D1=(1.55～1.65)×D1(m)n=1.55～1.65(2).加减速管内气流速度Ug2的计算:Ug2=4Vm/(3600×πD22)(m/s)4.加速管和减速管内气流与颗粒相对速度的计算:这里有二个假设:在加速管终了时,气流与颗粒的速度差为颗粒的悬浮速度,即Up1=Ug1-Ut,并且颗粒带着这个速度进入减速管;在减速管终了时,颗粒的速度与气流速度相等,即Up2=Ug2,并带着这个速度进入加速管。在加速管中,气流与颗粒的平均相对速度为:ΔU1=Ug1-(Up1＋Up2)/2;在减速管中,颗粒与气流的平均相对速度为:ΔU2=(Up1＋Up2)/2-Ug25.加速管和减速管内颗粒雷诺数计算:(1).加速管内颗粒雷诺数(Re)1的计算:加速管内的颗粒雷诺数为:(Re)1=dP×ΔU1×ρg/μg(2).减速管内颗粒雷诺数(Re)2的计算:减速管内的颗粒雷诺数为:(Re)2=dP×ΔU2×ρg/μg5.加速管和减速管内气流与颗粒之间的给热系数α1和α2:与直管等速管内求气流与颗粒之间给热系数方法相同计算α1和α2。6.干燥面积A和对数平均传热温差Δt计算与直管气流干燥管相同。7.加速管内和减速管内干燥时间(τ1和τ2)和管长(L1和L2)计算:由于在加速管内干燥强度比减速管内干燥强度大,所以可以假设:在加速管内完成60%的传热量,即QⅠ=0.60×(Q1＋Q2);在减速管内完成40%的传热量,即QⅡ=0.40×(Q1＋Q2)。加速管内:τ1=3600×QⅠ/(α1×S×Δt)(S)L1=τ1×Up(m)减速管内:τ2=3600×QⅡ/(α2×S×Δt)(S)L2=τ2×Up(m)(四).气流干燥管的压力损失:干燥管的压力损失包括以下几部分:摩擦损失,位头,粒子加速和加速所引起的压力损失,其他压力损失(如扩大,缩小,弯头等局部损失)则与气流输送装置类似。一般情况下,气流干燥管的总压力损失大约为1000～1500Pa。五、气流干燥器设计实例:直管气流干燥器的设计实例”(一)、基本数据:颗粒平均直径dp=0.23mm,进料温度θ1=15℃,出料温度θ2=50℃,初始含水率ω1=17%,终了含水率ω2=0.02%,物料密度ρp=1544kg/m3,物料绝干比热Cs=1.255kj/kg·℃,物料处理量G=150kg/h,热风温度t1=90℃,排风温度t2=65℃。(二)、物料衡算和热量衡算的有关计算结果:所需空气质量流量Lg=3595kg/h,干燥管内有效传热量Q=Q1＋Q2=85353.6kj/h(三)、空气有关参数计算:空气平均温度tp=(90＋65)/2=77.5℃,相应空气密度ρg=1.01kg/m3,空气动力粘度系数μg=20.2×10-6Pa·s,空气导热系数λg=0.1096kj/m·h·℃(四)、悬浮速度计算:1.阻力区域判断:计算M=｛μg2/【ρg×(ρp-ρg)】｝1/3=0.64×10-4现dp=2.3×10-4m,处于0.915M与20.4M之间,即处于过渡区2.悬浮速度:Ut=1.195×2.3×10-4×【(ρp-ρg)2/(μg×ρg)】1/3=1.34m/s(五)、颗粒与气流之间给热系数计算:1.颗粒雷诺数计算:(Re)t=Ut×dp×ρg/μg=1.34×2.3×10-4×1.01/(20.2×10-6)=15.42.Nu数计算:Nu=2＋0.54×(Re)t0.5=4.123.颗粒与气流之间给热系数计算:α=Nu×λg/dp=4.12×0.1096/(2.3×10-4)=1963kj/m2·h·℃4.物料总面积的计算:S=6G/(dp×ρp)=6×150/(2.3×10-4×1544)=2535m2/h5.对数平均温差计算:Δt=【(90-15)-(65-50)】/ln【(90-15)/(65-50)】=37.3℃6.干燥时间计算:τ=3600×Q/(α×S×Δt)=3600×85353.6/(1963×2535×37.3)=1.66s(六)、干燥器主要尺寸计算:1.气流速度的确定:已知Ut=1.34m/s,根据经验选Ug=10m/s。2.干燥管直径计算:空气体积流量:Vg=Lg/ρg=3595/1.01=3559m3/h=0.99m3/s干燥管直径:D=【0.99/(0.7854×10)】0.5=0.35m3.干燥管长度计算:H=τ×(Ug-Ut)=1.66×(10-1.34)=14.4m脉冲气流干燥器的设计实例:物料名称:苯甲酸(一)、基本数据:原料含水率:ω1=25%,产品含水率:ω2=0.5%,产量:W产=75kg/h,产品粒径:dp=80目=1.75×10-4,物料密度:ρp=1060kg/m3,原料温度:θ1=15℃,产品温度:θ2=45℃,绝干物料的比热:Cs=0.4kcal/kg·℃环境空气温度:t0=15℃,环境空气含湿量:d0=0.008kg水/kg干空气热风温度:t1=110℃,假设排风温度:t2=60℃;热源为0.5MPa的饱和蒸汽。(二)物料衡算,热量衡算和热风质量流量计算:1．物料衡算：脱水量计算：W水=W产×（ω1-ω2）/（1-ω2）=75×（0.25-0.005）/(1-O.25)=25kg水/h产量计算:W原=W产-W水=75＋25=100kg/h2、热量衡算和热风质量流量计算:脱水热量:Q1=W水(595+0.45×t2-1×θ1)=25×(595+0.45×60-1×15)=1.52×104kcal/h产品升温热量:Q2=W产×(Cs×(1-ω2)+1×ω2)×(θ2-θ1)=75×(0.4×(1-0.005)+1×0.005)×(45-15)=0.09×104kcal/h设备外围护热损失:Q3=0.10×(Q1+Q2)=0.16×104kcal/hq3=0.16×104/25=64kcal/kg水,在合理范围内。热风质量流量计算:不考虑漏风损失,则有:G=(Q1+Q2+Q3)/(i1-i2′)i1-i2′=(0.24+0.45×0.008)×(110-60)=12.18kcal/kg∴G=1453kg干空气/h排风含湿量验算:d2=0.008+25/1453=0.025kg水/kg干空气,查空气焓湿图可知,排风温度为60℃时,相应的湿球温度为t湿=34℃,t2-t湿=60-34=26℃,在20～50℃(二)、空气有关参数计算:空气平均温度tp=(110＋60)/2=85℃,相应空气密度ρg=0.986kg/m3,空气动力粘度系数μg=21.3×10-6Pa·s,空气导热系数λg=0.027kcal/m·h·℃(三)悬浮速度计算:1、阻力区域判断：计算M=（μg2/（ρg×（ρp-ρg）））1/3=0.76×10-4现dp=1.75×10-4m,处于0.915M＜d＜20.4M,流动处于阿连区,1≤Re≤500。2.物料悬浮速度计算：Ut=1.195dp×((ρp-ρg)2/(μg×ρg))1/3=0.79m/s(四)干燥管直径计算:在加速管中,气流的速度ug1必须大于3Ut以上,现取ug1=5.8m/s热风的平均体积流量为:V=1453/0.986=1474m3/h=0.41m3/s加速管直径为:D1=(V/(ug1×0.7854))1/2=0.30m,减速管直径计算:根据脉冲气流干燥管的优化设计可知:D2/D1=1.55～1.65减速管直径为:D2=1.55D1=0.46m,减速管中热风速度验算:ug2=V/(0.7854D22)=2.47m/s>Ut,可保证在减速管中将物料带出