第七講-氣流干燥系統(tǒng)設計特點

PAGEPAGE28第七講氣流干燥系統(tǒng)設計特點本講先對氣流干燥作一個概述,再著重介紹懸浮速度,直管氣流干燥和脈沖式氣流干燥。一、氣流干燥概述:氣流干燥也稱“瞬間干燥”,是固體流態(tài)化中稀相輸送在干燥方面的應用,是一個氣固兩相流問題。氣流干燥是使已加熱介質(空氣,惰性氣體,燃氣或過熱蒸汽等)與被干燥物料直接接觸,并使被干燥物料(固體)均勻地懸浮于流體中,因而兩相接觸面積大,強化了傳熱和傳質過程。氣流干燥是我國在散狀物料干燥方面應用得比較早,也較廣泛的流態(tài)化干燥技術。(一)、氣流干燥的特點:1.優(yōu)點:(1).干燥強度高:固體顆粒在氣流中高度分散呈懸浮狀,氣固兩相之間的傳熱傳質面積大大增加;另外,由于采用較高氣速,使得氣固兩相間的相對速度也較高,因此容積傳熱系數(shù)也相當高,達到2000～6000kcal/m3·h·℃,為一般回轉干燥器的20～30倍。如以氣體與物料之間的傳熱面積來評估,則氣體與物料間的給熱系數(shù)高達200～1000kcal/m2·h·℃。(2).干燥速度快,干燥時間短,處理量大:由于氣流干燥管長一般為15～25m,氣流速度一般為20～30m/s,所以干燥時間一般為1～3s。由于氣流干燥容積傳熱系數(shù)高,進口與出口的氣流溫差大,因此在相同的干燥器容(3).結構簡單,占地面積小,制造方便:在整個氣流干燥系統(tǒng)中,除通風機和加料器外,就沒有其他轉動部件,設備投資費用較少。(4).操作方便,可實現(xiàn)自動化連續(xù)生產:在氣流干燥系統(tǒng)中,把干燥,粉碎,篩分,輸送等單元過程聯(lián)合操作,流程簡化并易于自動控制。(5).適應性廣:對散粒狀物料的粒徑適用范圍較廣,物料含水率一般在15～40%之間,干燥時物料的臨界含水率低,可以干燥到較低含水率,如1～2%。近年來,在膏狀物料和漿狀物料干燥方面也有采用氣流干燥,但從目前情況來看,用于干燥熱敏性散狀物料仍是絕大多數(shù)。2.缺點:(1).氣流干燥系統(tǒng)的流動阻力較大,系統(tǒng)阻力一般為3000～4000Pa,必須選用高壓或中壓通風機,動力消耗較大。(2).氣流干燥所使用的氣速高,流量大,經(jīng)常需要選用尺寸大的旋風分離器和布袋除塵器,會增加投資。(3).氣流干燥的操作彈性系數(shù)較小,對于干燥載荷很敏感,固體物料輸送量過大時,氣流輸送就不能正常進行。(4).由于氣流速度較高,顆粒有一定的磨損,因此對晶體形狀有一定要求的物料不宜采用;對管壁粘附性很強的物料(如鈦白粉,粗制葡萄糖等物料),以及需要干燥到臨界含水率以下的物料,也不宜采用氣流干燥方法。(二)、氣流干燥的適用范圍:1.物料狀態(tài):氣流干燥要求以粉末或顆粒狀物料為主,其顆粒粒徑一般在0.5～0.7mm以下,至多不超過1mm。對于塊狀及泥狀物料,應選用粉碎機和分散器與氣流干燥串聯(lián)的流程,使?jié)裎锪贤瑫r進行干燥和粉碎,表面不斷更新,以利于干燥過程的連續(xù)進行。2.濕分和物料的結合狀態(tài):氣流干燥采用高溫高速的氣體作為干燥介質,且氣固兩相間的接觸時間短。因此氣流干燥僅適用于物料濕分進行表面蒸發(fā)的恒速干燥過程;需干燥的物料中所含濕分應以潤濕水,孔隙水或較粗管徑的毛細管水為主。此時,可獲得濕分低達0.3～0.5%的干物料。對于吸附性或細胞質物料,若采用氣流干燥,一般只能干燥到含水率為2～3%。(三)、氣流干燥器的主要類型(結構示意圖見金陵樣本第一冊第14～16頁):在這里,我們僅作簡單介紹,詳細內容可查閱《流態(tài)化干燥工藝和設備》一書。1.直管氣流干燥器:直管氣流干燥器的氣流管的高度一般為10～20m。根據(jù)脫水的難易程度,可分別采用一級直管氣流干燥器或二級及多級直管氣流干燥器。在二級氣流干燥器中,有一種正負壓氣流干燥器,有節(jié)約能源的效果。直管氣流干燥器是最早使用的,目前還大量使用的氣流干燥器。2.脈沖氣流干燥器:為了充分利用氣流干燥管中顆粒在加速段所具有的高傳熱傳質效果,而采用管徑交替縮小和擴大的脈沖氣流干燥器。脈沖氣流干燥的原理是氣體和顆粒遵循不同的運動規(guī)律。加入的物料先進入小直徑干燥管內,由于小直徑管內氣流速度較高,使靜止或速度較小的顆粒產生一個加速運動,但顆粒速度總是小于氣流速度。當加速運動終了時,干燥管直徑突然擴大,對于顆粒運動,由于慣性作用,在擴大管內從較高速度慢慢減速;對于氣體運動,遵循氣體連續(xù)性方程,即氣體流速與流通面積成反比,氣體流速突然降低,并低于顆粒速度,對顆粒起減速作用,但氣固之間會有較大的速度差。當顆粒減速終了時,干燥管再行突然縮小,氣體流速又突然加大,大于顆粒速度,又對顆粒加速。如此反復交替地使管徑縮小和擴大,使顆粒運動處在加速和減速的交替過程中.始終達不到等速運動,造成氣流和顆粒間的相對速度及傳熱傳質面積均比較大,從而強化了傳熱傳質速度。另外,在擴大段中氣流速度下降的結果,增加了物料的干燥時間。脈沖氣流干燥器已廣泛地應用于各種物料的干燥中。3.套管式氣流干燥器(見圖1):套管式氣流干燥器的氣流管有內管和外管之分,物料與氣流同時由內管下部進入,顆粒在內管作加速運動,到終了時由頂部導入內外管的環(huán)隙內,在環(huán)隙內以較小的速度下降,然后排出。此種干燥器可以節(jié)約熱量,但必須注意物料排出口不被堵塞。4.旋風氣流干燥器(見圖2):這是一種利用流態(tài)化及管壁傳熱原理進行物料干燥的設備,本身就是將對流干燥與傳導干燥相結合的設備。氣流攜帶物料顆粒從切線方向進入夾層外壁旋風干燥器,沿熱壁旋轉(夾層內有熱介質)。進入干燥室的物料呈懸浮及旋轉運動狀態(tài),因此,即使軸向流動雷諾數(shù)較低,但氣固兩相的相對速度也是很大的。此外,由于旋轉的作用,造成顆粒不斷發(fā)生粉碎現(xiàn)象,也促使氣固兩相接觸面增加,強化了干燥過程。這種干燥器具有結構簡單,體積小等優(yōu)點,它對憎水性強,不怕粉碎的熱敏性散粒狀物料尤其適用,目前多用在制藥工業(yè)中。但對于含水率高,粘性大,熔點低,以及易升華,易爆炸,易產生靜電作用的物料不太適用。5.其他氣流干燥器:在實際使用中,也開發(fā)了其他形式的氣流干燥器,例如:文丘里管型氣流干燥器,渦旋流氣流干燥器,噴氣式氣流干燥器,環(huán)形氣流干燥器,閉路循環(huán)氣流干燥器等,不再一一介紹,可參閱《流態(tài)化干燥工藝與設備》。二、顆粒物料在氣流干燥器上升管內的流動:顆粒物料在氣流干燥管內的流動是氣固兩相流,為了使數(shù)學處理變得簡單一些,我們做一些簡化處理:a.假設顆粒物料是球形的,密度是均勻的;b.僅討論顆粒物料在向上氣流干燥管中的運動。(一).固體顆粒懸浮速度(也稱沉降速度或帶出速度)的引入:在氣固兩相流中,固體顆粒懸浮速度是一個最基本的重要概念,也是一個較為抽象的概念,我們將稍為用一點篇幅,來逐步理解它。1.固體顆粒靜止,氣體從零開始,逐漸增加氣流向上的速度,觀察固體顆粒的運動變化(見圖3):設:顆粒速度用up(m/s)表示;氣流速度用ug(m/s)表示。(1).固體顆粒靜止不動,氣體靜止:up=0,ug=0,ug-up=0(2).氣流速度開始增加,固體顆粒仍然靜止不動:up=0,ug＞0,ug-up=ug(3).氣流速度再增加,固體顆粒之間開始松動和飄浮,而且間隙越來越大,此時稱作固體顆粒開始流化,up≈0,ug＞0,ug-up=ug,ug可以稱作固體顆粒的流化速度uL(m/s),且有uL=ug(4).當氣流速度增加到某一速度時,固體顆粒的流化飄浮的高度增高,但顆粒還不能隨氣流一起流出,飄浮到某一高度還要落下,形成懸浮狀態(tài)。但只要氣流速度再增加一個微量,固體顆粒將隨氣流一起流出。此時的氣流速度稱為該固體顆粒的懸浮速度,用ut(m/s)表示,并有:up≈0,ug＞0,ug-up=ut,氣流速度和固體顆粒的速度差為懸浮速度ut。(5).當氣流速度大于懸浮速度時,固體顆粒將以某一速度流出;氣流速度越大,固體顆粒的流動速度也越大,但兩者的速度差始終保持為固體顆粒的懸浮速度,即:ug＞ut,up＞0,ug-up=ut,對于氣流與固體顆粒之間的相對運動來說,相對速度(即速度差)為一不變的值,可以稱之為等速運動,并不是氣流速度和固體顆粒速度不變。氣流與固體顆粒之間的給熱系數(shù),就是僅和它們之間的相對速度有關,而和氣流與固體顆粒的絕對速度無關,相對速度越大,給熱系數(shù)也就越大。懸浮速度主要和固體顆粒的粒徑及密度有關,也和氣體的溫度,密度及粘度有關。2.固體顆粒以靜止狀態(tài)加入到大于固體顆粒懸浮速度的向上熱風氣流管中:(1).顆粒最初進入干燥管時,上升速度up=0,之后,因其與熱風相遇而得到向上的速度,并不斷被上升氣流所加速,稱為加速段。當氣流和顆粒間的相對速度等于顆粒在熱風中的懸浮速度ut時,顆粒的上升速度up=ug-ut,并保持不變,直到出口,此段稱為等速運動段。(2).在顆粒的加速階段,由于顆粒運動速度up較低,氣流與顆粒之間的相對速度大,所以氣流與顆粒之間的給熱系數(shù)大,再加上采用并流操作,氣固兩相之間的傳熱溫差又較大。因此,顆粒的加速階段有很高的傳熱速率及干燥強度,可以這樣認為,顆粒的干燥大部分在此階段進行。(3).在顆粒等速運動階段,由于氣固之間的相對速度不變,即等于顆粒在熱風中的懸浮速度。在氣流干燥中,被干燥的顆粒,其粒徑一般比較細小,因此其懸浮速度也很小。所以在等速階段的氣固之間的給熱系數(shù)是不大的,傳熱和傳質速率是比較小的,體積傳熱系數(shù)也最小。(二)、固體顆粒在等速階段的基本方程式:1.固體顆粒在上升熱風氣流中的受力狀況(見圖4):(1).上升熱風氣流對顆粒的作用力:它在數(shù)值上等于顆粒對上升氣流的阻力,僅方向相反,即是向上的。其計算式如下:Fs=ξ×Ap×γg×(ug-up)2/2g上式中:Fs上升氣流對顆粒的作用力,kgf;ξ顆粒與氣流間的阻力系數(shù),,是顆粒雷諾數(shù)(Re)t的函數(shù),應要說明,這里的(Re)t是區(qū)別于管內氣體流動給熱系數(shù)計算時的管流雷諾數(shù)Re;γg氣體的重度(也稱比重),kgf/m3;Ap顆粒垂直于氣流方向的最大截面積,對于球形顆粒有,Ap=π×dp2/4(m2),(dp是球體直徑,m);ug氣流速度,m/s;up顆粒上升速度,m/s;g重力加速度,m/s2。實際上,氣流對顆粒的作用力方向取決于氣流速度和顆粒速度的差值。如氣流速度大于顆粒速度,即ug＞up,氣流對顆粒的作用力方向與氣流方向相同;如氣流速度小于顆粒速度,即ug＜up,氣流對顆粒的作用力方向與氣流方向相反;如氣流速度等于顆粒速度,即ug=up,顆粒不受氣流的作用力。(2).顆粒的重力:Fp=V×γp顆粒的重力作用方向總是向下的。上式中:Fp顆粒的重力,kgf;V球形顆粒的體積,V=π×dp3/6,m3;γp顆粒的重度,kgf/m3。(3).氣流對顆粒的浮力:Fg=V×γg氣流對顆粒的浮力作用方向總是向上的。上式中:Fg氣流對顆粒的浮力,kgf。(4).顆粒在氣流方向上的合力:F=Fs＋Fg-Fp=ξ×Ap×γg×(ug-up)2/2g＋V×(γg－γp)=02.顆粒等速運動時的運動方程顆粒懸浮速度求解:顆粒在等速運動時,加速度為零,而且有ug-up=ut,ut是顆粒的懸浮速度,則有:ξ×Ap×γg×ut2/2g=V×(γp－γg)將Ap及V代入上式,可得到顆粒懸浮速度計算式:／41g×dp×(γp-γg)ut=／××√3ξγg在上式中,顆粒與氣流間的阻力系數(shù)ξ是未知的,它與顆粒雷諾數(shù)(Re)t相關,當(Re)t在不同區(qū)間時,已通過實驗得到不同的計算式,在下面內容中要專門講述(Re)t和ut的求法。3.求解顆粒懸浮速度ut的意義:(1).只有氣流速度ug＞ut,在上升氣流管中,氣流才可將顆粒帶出,所以ug＞ut是氣流干燥的必要條件。(2).已知ut后,可確定直管氣流干燥管中進口氣流速度和出口氣流速度,也可對脈沖氣流干燥器的加速管和擴大管參數(shù)進行定量討論。(3).求出ut后,就可由計算式(Re)t=ut×dp×ρg/μg求出(Re)t,并可進一步求出氣流干燥中氣流與顆粒之間的給熱系數(shù)。式中,μg是氣體的動力粘度系數(shù)(Pa·s),ut是顆粒的懸浮速度(m/s),dp是顆粒的直徑(m),ρg是氣體的密度(kg/m3)。(二)、固體顆粒在加速階段的基本方程式:1.顆粒所受到的氣流方向上的合力:F=Fs＋Fg-Fp=ξ×Ap×γg×(ug-up)2/2g-V×(γp－γg)2.顆粒的運動方程式:dupF=Mp×a=Mp×dτ在上式中,Mp顆粒的質量,kg;τ時間,s;另有:密度與重度的關系式:γ=g×ρg為重力加速度,m/s2,ρ為密度,kg/m3;另還有:ρ=M/V,對于顆粒,有:ρp=Mp/V。一般ρP＞＞ρg,所以ρp-ρg≈ρp,顆粒加速度為:dupξ×Ap×ρg×(ug-up)2=-gdτ2Mp對于球形顆粒,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經(jīng)變換,可得到:3×ρg×ξ(ug-up)2-d(ug-up)=｛-g｝dτ4×dp×ρp在初始條件:τ=0,up=0;和終了條件:當dup/dτ=0時,顆粒與氣流相對速度為ut,絕對運動速度為(up)max=ug-ut,解上述微分方程,可計算出加速段時間。顆粒在加速段的上升距離(即加速段所需的高度)為:τH=∫updτ0(三)、三個區(qū)域阻力特性,球體懸浮速度計算式及其適用粒徑范圍:1.根據(jù)顆粒雷諾數(shù)的不同,可分為三個阻力特性區(qū)域:(1).粘性摩擦阻力區(qū)(或斯托克斯Stokes區(qū)):小(Re)t數(shù)區(qū),當顆粒較小,速度較低時,(Re)t≤1(或5.8)。(2).過渡區(qū)(或阿連Allen區(qū)):當顆粒體積大于粉料體積,且速度也稍大些時,1(或5.8)≤(Re)t≤500。(3).渦流壓差阻力區(qū)(或牛頓Newton區(qū)):當顆粒體積較大,速度較高時,500≤(Re)t≤2×1052.球體懸浮速度計算式及其適用粒徑范圍結果列表:區(qū)域項目斯托克斯區(qū)(Re)t≤1(或5.8)阿連區(qū)1(或5.8)≤(Re)t≤500牛頓區(qū)500≤(Re)t≤2×105阻力系數(shù)ξ=24/(Re)tξ=10/【(Re)t】0.5ξ=0.44懸浮速度公式dp2×(ρp-ρg)×gut=18μg(ρp-ρg)2ut=1.195dp【】1/3μg×ρg／dp×(ρp-ρg)ut=5.45／√ρg適用粒徑范圍(粒徑判斷式)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鐵丸ρp=7000kg/m3dp≤0.042mm或dp≤0.0755mm0.0314≤dp≤0.70mm0.07550.700≤dp≤37.3mm(四)、有關物料的實測懸浮速度參考數(shù)據(jù):在上述顆粒懸浮速度的計算式有單個球形顆粒的假設,與實際的懸浮速度會有差別,我們在下面再列舉有關物料的實測懸浮速度參考數(shù)據(jù),供使用參考。序號物料名稱真實密度ρP(kg/m3)堆積密度ρP′(kg/m3)粒徑dp(mm)實測懸浮速度ut(m/s)1小麥1270～1490650～8104～4.59.8～112大麥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長徑3.5～10107油菜籽10406401.3～2.27.6～8.88砂糖1580720～8800.51～1.58.7～129干細鹽2200900～1300＜1.09.8～10粗鹽粒10907207～7.214.8～15.511面粉14106100.163～0.1971.5～212洗衣粉1270480＜0.5213蘇打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濕砂(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硫酸銨17709951.510.1～13.126炭黑3603.427磷礦粉25801467＜3.24.1～11.228爐渣粉、粒狀5～17.729鑄鐵丸70000.3～0.58.5～11.730鑄鐵丸70001～1.215.531鑄鐵丸70002～2.524.832鑄鐵丸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輝鋅礦4300228017.738礦石d當=3.810.2～15.539礦石d當=16.518.9～22.5三、顆粒物料在氣流干燥器上升管內的傳熱:物料顆粒在氣流干燥管中的傳熱量,與氣流管道的幾何形狀,直徑.以及顆粒的形狀,大小,密度和顆粒物料與氣體的重量比等因素有關。(一)、單一球形顆粒與氣流之間等速段的給熱系數(shù):1.在已知顆粒直徑dp(m),真實密度ρp(kg/m3),氣流溫度tg(℃)條件下求出顆粒的懸浮速度ut(m/s):(1).由氣流溫度tg,查空氣熱工性能表,可得到氣流的密度ρg(kg/m3)和氣流的動力粘度系數(shù)μg(Pa·s)。由ρp,ρg和μg可以通粒徑判斷式確定顆粒的在氣流中的運動處于哪一個阻力特性區(qū)域。(2).在已知dp,ρp,ρg和μg的條件下,采用該阻力特性區(qū)域的懸浮速度計算式,可得到懸浮速度ut。2.顆粒雷諾數(shù)(Re)t的計算:由計算式(Re)t=ut×dp×ρp/μg可得到(Re)t。3.由(Re)t可計算得到努謝爾特數(shù)Nu:對于空氣—水體系,有以下計算式成立:Nu=2＋0.54×(Re)t0.5,可求出Nu數(shù)。4.由顆粒直徑dp,氣流導熱系數(shù)λg(已知溫度即可查表得到,kcal/m·h·℃)和努謝爾特數(shù)Nu就可計算單一球形顆粒與氣流之間的給熱系數(shù)α(kcal/m2·h·℃):α=Nu×λg/dp,Kcal/m2·h·℃。(二)、顆粒群與氣流之間的給熱系數(shù):1.等速段顆粒群與氣流之間的給熱系數(shù):當物料投入干燥管后,受到熱風氣流沖擊,分散成一顆顆的散粒狀懸浮于氣流中。在等速段,由于顆粒濃度低,因此仍然可用單一顆粒與熱風氣流之間的給熱系數(shù)計算式。2.加速段顆粒群與氣流之間的給熱系數(shù):在加速段,由于顆粒濃度較高,就不能用單一顆粒與氣流之間的給熱系數(shù)計算式。日本學者桐榮良三對于顆粒直徑大于100μm的物料做了研究,給出Nu和Re的關系式。當400＜(Re)r＜1300時,Numax=0.95×10-4×(Re)r當30＜(Re)r＜400時,Numax=0.76×(Re)r式中,(Re)r=dp×(ug-up)×ρg/μg,為相對雷諾準數(shù),(ug-up)＞ut。經(jīng)過對比計算可知,加速段的Nu數(shù)要大于等速段的Nu數(shù),因此顆粒與氣流之間的給熱系數(shù)也要大。但是加速段的距離(高度)較短,很快就進入到等速段。對于直管氣流干燥器來說,大部分干燥還是在等速段完成。三、顆粒物料在氣流干燥器下降管和脈沖氣流干燥管中的運動和傳熱分析:在有關干燥技術的資料中還沒有見到對顆粒物料在直管氣流干燥器的下降管中的運動和傳熱分析,還有在設計脈沖氣流干燥器擴大管管徑時帶有經(jīng)驗性和隨意性。為此,我們將對比上升管中的運動和傳熱情況,來分析一下在下降管和脈沖氣流干燥管中顆粒的運動及傳熱情況。(一)、顆粒物料在直管氣流干燥器下降管中的運動和傳熱分析(見圖5):1.假設顆粒物料是以直管氣流管的等速段狀態(tài)進入下降管的,即ug＞up,而且有下式成立:2×g×V×(γp-γg)(ug-up)2=ξ×A×γg并假設進入下降管后,顆粒的A和V,以及γP都沒有變化,氣流的γg和ξ都沒有變化。顆粒在上升管中的運動方程式為:F1=Fs＋Fg-Fp=m×a1Fs=ξ×A×γg×(ug-up)2/2g顆粒向上運動,則向上為坐標的正方向,氣流對顆粒的作用力和顆粒在氣流中的浮力始終指著正方向,顆粒的重力始終指著負方向,加速度a的方向也始終知著正方向。2.顆粒和氣流進入下降管后,設顆粒運動方向是坐標的正方向,即向下是正方向。顆粒的重力Fp始終向下指著正方向,顆粒在氣流中受到的浮力Fg始終向上指著負方向。而氣流對顆粒作用力Fs的方向是變化的,當ug＞up時,Fs指向下,為正方向;當ug=up時,Fs=0;當ug＜up時,Fs指向上,為負方向。3.顆粒和氣流剛進入下降管時,ug和up還來不及變化,但顆粒的受力狀況馬上變化,Fs還是正方向,Fp由負方向轉為正方向,Fg由正方向轉為負方向,所受到的合力為F2=Fs＋Fp－Fg。由于γp＞＞γg,所以Fp＞＞Fg;由于ug和up還來不及變化,所以Fs暫時保持不變。在這么一個短暫的時間內,有以下運動方程式成立:F2=Fs＋Fp－Fg=m×a2很顯然,F2＞F1,所以a2＞a1,對顆粒的加速作用變大,使up加大,同時使(ug-up)的值減小,(Re)r數(shù)和Nu數(shù)也隨著變小,顆粒和氣流之間的給熱系數(shù)α變小,傳熱過程減弱。4.顆粒和氣流繼續(xù)向下運動時,由于ug＞up,運動方程式形式繼續(xù)成立,即:F3=Fs＋Fp－Fg=m×a3但是,由于(ug-up)的減小,使的Fs減小。因此,F3＜F2,所以,a3＜a2,對顆粒的加速度減小,但仍在加速,使up→ug,(ug-up)的值繼續(xù)減小,傳熱過程繼續(xù)減弱。氣流下降管出口一般連結旋風分離器,由于旋風分離器的高度較高,所以氣流下降管的長度不會象氣流上升管那樣長。一般情況下,氣流下降管中的運動就到此為止?？傊?在氣流下降管中的傳熱過程是減弱的。前面關于物料進入加速管的討論中,我們已知在加速管的傳熱過程要強于等速段,但長度也較短,一般為2～2.5m。綜觀全局,將加速管和下降管的傳熱過程平均一下,接近等速管的傳熱過程,所以在直管氣流干燥器的設計中,將加速管,等速段和下降管一併作為等速管來計算總長。(二)、顆粒在脈沖氣流干燥器中的運動和傳熱分析:1.脈沖氣流干燥器的設計思想:在第一加速段(ug＞up)后期顆粒與氣流之間的相對速度(ug-up)接近顆粒的沉降速度(也是懸浮速度)時,顆粒靠慣性進入擴大管。由于氣流受到流體連續(xù)方程的制約,氣流速度突然下降很多,這時顆粒速度大于擴大管中的氣流速度（ug＜up）,顆粒因受到阻力而逐漸減速,然后在顆粒與氣流之間的相對速度(up-ug)接近顆粒的沉降速度時,再使顆粒進入縮小管內,從而又被第二次加速……不斷如此反復進行,直至離開脈沖氣流干燥管。2.使用脈沖氣流干燥器的必要條件(見圖6):根據(jù)上述的設計思想,則顆粒速度與氣流速度之間的相互關系應當滿足下述二個必要條件:(Ug1-Ut)-Ug2＞Ut(1)Ug2＞Ut(2)式中,Ug1氣流在加速段(細管)中的平均速度,m/s;Ug2氣流在減速段(粗管)中的平均速度,m/s;Ut顆粒沉降速度(懸浮速度),m/s。式(1)中,(Ug1-Ut)即為顆粒離開加速段時的速度Up。此式表示當顆粒進入減速段時,顆粒與氣流之間的相對速度只有大于沉積速度,減速才有意義。式(2)表示減速段氣流速度只有大于顆粒的沉降速度才能將顆粒帶出減速段。將式(1)和式(2)相加,可得:Ug1＞3Ut(3)該式表明,只有加速段的氣流速度大于沉降速度3倍時,采用脈沖氣流干燥器才有意義。這時,顆粒在剛進入減速段時,Up1至少＞2Ut,則Up1-Ug2至少＞Ut,顆粒不斷減速后,到減速段終了時,還要保證Up2-Ug2＞Ut,只有這樣,才能保證在減速段的傳熱效果不會低于直管氣流管中等速段的傳熱效果。在加速段,Ug1-Up＞Ut,也保證傳熱效果不會低于直管氣流干燥管中等速段的傳熱效果。因為在直管氣流干燥器中,只有在物料進口處很短的加速段中才有Ug-Up＞Ut,在其他等速管段均為Ug-Up=Ut。所以,若要使用脈沖氣流干燥器,其必要條件是Ug1＞3Ut,Ug1與Ut的比值越大,則強化傳熱和傳質的效果越明顯。3.管徑擴大倍數(shù)最大值nmax和最小值nmin:在擴大管段,在氣流速度Ug2＞Ut的前提下,Ug2越小或顆粒速度Um1越大,則顆粒速度Um1與氣流速度Ug2的差值越大,在擴大管中的強化傳熱和傳質的效果越明顯。由流體連續(xù)性方程可知:Ug1×A1=Ug2×A2∴Ug2=Ug1×(A1/A2)而A1D1=()2式中:D1縮小管直徑,m;A2D2D2擴大管直徑,m?！郩g2=Ug1×(D1/D2)2令n=D2/D1,則Ug2=(1/n)2×Ug1要使擴大段氣流速度Ug2的值小,則要增加n的值,即要使擴大段管徑擴大的倍數(shù)較大。這樣就提出了一個n的極大值和極小值的問題:n增加是受到其他因素的限制的,在一定條件下,n的極大值和極小值是多少?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)聯(lián)立,可得:／Ug1／Ug1／＞n＞／(6)√Ut√Ug1-2Ut分析式(6)可知,當Ug1＞3Ut時,下列不等式成立:／Ug1／Ug1／＞／√Ut√Ug1-2Ut現(xiàn)將Ug1=(3～4)Ut時的nmax,nmin及相應的Um1和Ug2計算值列表如下: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從上表數(shù)據(jù)分析,可以的出一下兩點結論:(1).如以nmax來設計擴大管,隨著Ug1的增大,在擴大管里Up1-Ug2之差為1Ut～2Ut,在初始階段的傳熱和傳質效果比直管的等速段好,隨后慢慢減弱,但不會比直管的等速段差,總體傳熱和傳質比直管的等速段強。如以nmin來設計擴大管,隨著Ug1增大,在擴大管里Up1-Ug2之差總為1Ut,初始階段的傳熱傳質效果與直管的等速段一樣,隨后傳熱傳質效果減弱,比直管的等速段差,總體傳熱傳質比直管差,所以在確定了Ug1后,不能按nmin來設計擴大管。如當Ug1=3.5Ut時,n可取1.633,而不是1.558(nmin)則初始時的Up1-Ug2=1.2Ut,大于直管的等速段的Ut。(2).不管擴大管按哪個n值來設計,只要Ug1確定,在縮小管出口,顆粒被加速到同一個Up1,且Ug1-Up1=Ut;而在擴大管中的減速效果不一樣,n大,Ug2小,減速效果好,擴大管出口的Up2小,如再進入下一節(jié)縮小管時,初始的Ug1-Up2差值大,傳熱傳質效果好。從這個角度分析,也不能按nmin來設計擴大管。四、氣流干燥器的設計:(一)、已知設計參數(shù):1.物料參數(shù):原料含水率ω1,產品含水率ω2,物料的平均粒徑dp,物料的真實密度ρp,如能知道物料的粒徑分布和最大粒徑更好,絕干物料的比熱Cs,原料的單位時間處理量Gp,原料溫度θ1,產品溫度θ2。2.氣流參數(shù):熱風進風溫度t1,排風溫度t2,空氣的密度,粘度和導熱系數(shù)可根據(jù)氣流的平均溫度從有關熱物性表中查到,通過熱量衡算可的到氣流的質量流量Gg。3.通過熱量衡算可得到水分蒸發(fā)所需熱量Q1,產品升溫所需熱量Q2。4.物料量與氣體量之比為Gp/Gg=0.2～1.0,物料含水率高時取低值,含水率低時取高值,這是檢驗物料量和氣體量是否合理的一個條件。(二)、直管氣流干燥器的設計:1.計算或查閱資料得到最大粒徑或平均粒徑的顆粒懸浮速度Ut:(1).由氣流的平均密度ρg和平均動力粘度μg,及物料的平均真實密度ρp,判斷最大粒徑或平均粒徑的顆粒處于哪個阻力特性區(qū)。(2).根據(jù)所在阻力特性區(qū)的懸浮速度計算式,計算出最大粒徑或平均粒徑顆粒的懸浮速度Ut。(3).查閱有關資料得到最大粒徑或平均粒徑的顆粒懸浮速度Ut2.等直徑管的管徑計算:從氣流輸送角度來看,只要氣流速度大于最大顆粒的懸浮速度,則全部物料便可由干燥管被夾帶出去。但為了操作安全起見,通常取出口氣速為最大顆粒懸浮速度的2倍,或比最大顆粒的懸浮速度大3m/s。但從干燥角度出發(fā),在上述氣速下,顆粒在氣流中的分散性和湍流程度均較差,干燥強度也較小。所以根據(jù)經(jīng)驗,一般氣流平均速度取為Ugm=10～20m/s。管徑計算式:D=【4Vm/(3600×π×Ugm)】0.5(m)上式中:Vm為每小時所需氣體的平均體積流量,(m3/h);且有:Vm=Gg/ρg3.計算顆粒雷諾數(shù)(Re)t,Nu和氣流與顆粒之間的給熱系數(shù)α:由物料的dp和Ut,及氣流的ρg和μg,用下式計算(Re)t:(Re)t=dp×Ut×ρg/μg(無量綱)對于空氣和水體系,用下式計算Nu:Nu=2＋0.54×(Re)t0.5(無量綱)由Nu,dp,和λg,用下式計算α:α=λg×Nu/dp(Kcal/m2·h·℃)4.計算干燥面積A:由dp計算顆粒體積,每個顆粒的質量和表面積:顆粒體積:V=π×dp3/6(m3)每個顆粒的質量:gp=V×ρp=π×dp3×ρp/6(kg)顆粒表面積:S=π×dp2(m2)由原料處理量Gp,gp,和S,計算傳熱面積:Gp×π×dp26GpA=Gp×S/gp==(m2/h)π×dp3×ρp/6dp×ρp5.計算對數(shù)平均傳熱溫差Δt:由于氣流和物料是并流的,可用下式計算對數(shù)平均溫差:Δt=【(t1-θ1)-(t2-θ2)】/｛2.3×lg【(t1-θ1)/(t2-θ2)】｝(℃)6.計算干燥時間τ:在干燥管內氣流與物料交換的熱量為:Q干=Q1＋Q2(kcal/h)在干燥管內的干燥時間為:τ=3600×Q干/(α×S×Δt)(S)7.干燥管長度L:L=τ×(Ugm-Ut)(m)8.物料進料處加速管的氣流速度,加速管直徑和長度:根據(jù)經(jīng)驗,進料處加速管的氣流速度取:Uj=30m/s,加速管直徑為:Dj=【4Vj/(3600×π×Uj)】0.5(m)上式中:Vj進風溫度下的氣流的體積流量(m3/h)且有:Vj=Gp/ρj上式中:ρj進風溫度下的氣流密度,可查表求得,(kg/m3)。根據(jù)經(jīng)驗,進料處加速管的長度一般為2m左右,即Lj=2m。(三)、脈沖氣流干燥器的設計:1.計算最大粒徑或平均粒徑的顆粒懸浮速度Ut:計算方法與直管氣流干燥器相同。2.加速管(縮小管)直徑D1計算:(1).先確定加速管內的氣流速度Ug1,取下列兩者的較大值:Ug1=(3.5～4)Ut或根據(jù)經(jīng)驗來適當加大Ug1,一般Ug1=15～25m/s之間。(2).加速管直徑D1計算:D1=【4Vm/(3600×π×Ug1)】0.5(m)3.減速管(擴大管)直徑D2計算:(1).D2=n×D1=(1.55～1.65)×D1(m)n=1.55～1.65(2).加減速管內氣流速度Ug2的計算:Ug2=4Vm/(3600×πD22)(m/s)4.加速管和減速管內氣流與顆粒相對速度的計算:這里有二個假設:在加速管終了時,氣流與顆粒的速度差為顆粒的懸浮速度,即Up1=Ug1-Ut,并且顆粒帶著這個速度進入減速管;在減速管終了時,顆粒的速度與氣流速度相等,即Up2=Ug2,并帶著這個速度進入加速管。在加速管中,氣流與顆粒的平均相對速度為:ΔU1=Ug1-(Up1＋Up2)/2;在減速管中,顆粒與氣流的平均相對速度為:ΔU2=(Up1＋Up2)/2-Ug25.加速管和減速管內顆粒雷諾數(shù)計算:(1).加速管內顆粒雷諾數(shù)(Re)1的計算:加速管內的顆粒雷諾數(shù)為:(Re)1=dP×ΔU1×ρg/μg(2).減速管內顆粒雷諾數(shù)(Re)2的計算:減速管內的顆粒雷諾數(shù)為:(Re)2=dP×ΔU2×ρg/μg5.加速管和減速管內氣流與顆粒之間的給熱系數(shù)α1和α2:與直管等速管內求氣流與顆粒之間給熱系數(shù)方法相同計算α1和α2。6.干燥面積A和對數(shù)平均傳熱溫差Δt計算與直管氣流干燥管相同。7.加速管內和減速管內干燥時間(τ1和τ2)和管長(L1和L2)計算:由于在加速管內干燥強度比減速管內干燥強度大,所以可以假設:在加速管內完成60%的傳熱量,即QⅠ=0.60×(Q1＋Q2);在減速管內完成40%的傳熱量,即QⅡ=0.40×(Q1＋Q2)。加速管內:τ1=3600×QⅠ/(α1×S×Δt)(S)L1=τ1×Up(m)減速管內:τ2=3600×QⅡ/(α2×S×Δt)(S)L2=τ2×Up(m)(四).氣流干燥管的壓力損失:干燥管的壓力損失包括以下幾部分:摩擦損失,位頭,粒子加速和加速所引起的壓力損失,其他壓力損失(如擴大,縮小,彎頭等局部損失)則與氣流輸送裝置類似。一般情況下,氣流干燥管的總壓力損失大約為1000～1500Pa。五、氣流干燥器設計實例:直管氣流干燥器的設計實例”(一)、基本數(shù)據(jù):顆粒平均直徑dp=0.23mm,進料溫度θ1=15℃,出料溫度θ2=50℃,初始含水率ω1=17%,終了含水率ω2=0.02%,物料密度ρp=1544kg/m3,物料絕干比熱Cs=1.255kj/kg·℃,物料處理量G=150kg/h,熱風溫度t1=90℃,排風溫度t2=65℃。(二)、物料衡算和熱量衡算的有關計算結果:所需空氣質量流量Lg=3595kg/h,干燥管內有效傳熱量Q=Q1＋Q2=85353.6kj/h(三)、空氣有關參數(shù)計算:空氣平均溫度tp=(90＋65)/2=77.5℃,相應空氣密度ρg=1.01kg/m3,空氣動力粘度系數(shù)μg=20.2×10-6Pa·s,空氣導熱系數(shù)λg=0.1096kj/m·h·℃(四)、懸浮速度計算:1.阻力區(qū)域判斷:計算M=｛μg2/【ρg×(ρp-ρg)】｝1/3=0.64×10-4現(xiàn)dp=2.3×10-4m,處于0.915M與20.4M之間,即處于過渡區(qū)2.懸浮速度:Ut=1.195×2.3×10-4×【(ρp-ρg)2/(μg×ρg)】1/3=1.34m/s(五)、顆粒與氣流之間給熱系數(shù)計算:1.顆粒雷諾數(shù)計算:(Re)t=Ut×dp×ρg/μg=1.34×2.3×10-4×1.01/(20.2×10-6)=15.42.Nu數(shù)計算:Nu=2＋0.54×(Re)t0.5=4.123.顆粒與氣流之間給熱系數(shù)計算:α=Nu×λg/dp=4.12×0.1096/(2.3×10-4)=1963kj/m2·h·℃4.物料總面積的計算:S=6G/(dp×ρp)=6×150/(2.3×10-4×1544)=2535m2/h5.對數(shù)平均溫差計算:Δt=【(90-15)-(65-50)】/ln【(90-15)/(65-50)】=37.3℃6.干燥時間計算:τ=3600×Q/(α×S×Δt)=3600×85353.6/(1963×2535×37.3)=1.66s(六)、干燥器主要尺寸計算:1.氣流速度的確定:已知Ut=1.34m/s,根據(jù)經(jīng)驗選Ug=10m/s。2.干燥管直徑計算:空氣體積流量:Vg=Lg/ρg=3595/1.01=3559m3/h=0.99m3/s干燥管直徑:D=【0.99/(0.7854×10)】0.5=0.35m3.干燥管長度計算:H=τ×(Ug-Ut)=1.66×(10-1.34)=14.4m脈沖氣流干燥器的設計實例:物料名稱:苯甲酸(一)、基本數(shù)據(jù):原料含水率:ω1=25%,產品含水率:ω2=0.5%,產量:W產=75kg/h,產品粒徑:dp=80目=1.75×10-4,物料密度:ρp=1060kg/m3,原料溫度:θ1=15℃,產品溫度:θ2=45℃,絕干物料的比熱:Cs=0.4kcal/kg·℃環(huán)境空氣溫度:t0=15℃,環(huán)境空氣含濕量:d0=0.008kg水/kg干空氣熱風溫度:t1=110℃,假設排風溫度:t2=60℃;熱源為0.5MPa的飽和蒸汽。(二)物料衡算,熱量衡算和熱風質量流量計算:1．物料衡算：脫水量計算：W水=W產×（ω1-ω2）/（1-ω2）=75×（0.25-0.005）/(1-O.25)=25kg水/h產量計算:W原=W產-W水=75＋25=100kg/h2、熱量衡算和熱風質量流量計算:脫水熱量:Q1=W水(595+0.45×t2-1×θ1)=25×(595+0.45×60-1×15)=1.52×104kcal/h產品升溫熱量:Q2=W產×(Cs×(1-ω2)+1×ω2)×(θ2-θ1)=75×(0.4×(1-0.005)+1×0.005)×(45-15)=0.09×104kcal/h設備外圍護熱損失:Q3=0.10×(Q1+Q2)=0.16×104kcal/hq3=0.16×104/25=64kcal/kg水,在合理范圍內。熱風質量流量計算:不考慮漏風損失,則有:G=(Q1+Q2+Q3)/(i1-i2′)i1-i2′=(0.24+0.45×0.008)×(110-60)=12.18kcal/kg∴G=1453kg干空氣/h排風含濕量驗算:d2=0.008+25/1453=0.025kg水/kg干空氣,查空氣焓濕圖可知,排風溫度為60℃時,相應的濕球溫度為t濕=34℃,t2-t濕=60-34=26℃,在20～50℃(二)、空氣有關參數(shù)計算:空氣平均溫度tp=(110＋60)/2=85℃,相應空氣密度ρg=0.986kg/m3,空氣動力粘度系數(shù)μg=21.3×10-6Pa·s,空氣導熱系數(shù)λg=0.027kcal/m·h·℃(三)懸浮速度計算:1、阻力區(qū)域判斷：計算M=（μg2/（ρg×（ρp-ρg）））1/3=0.76×10-4現(xiàn)dp=1.75×10-4m,處于0.915M＜d＜20.4M,流動處于阿連區(qū),1≤Re≤500。2.物料懸浮速度計算：Ut=1.195dp×((ρp-ρg)2/(μg×ρg))1/3=0.79m/s(四)干燥管直徑計算:在加速管中,氣流的速度ug1必須大于3Ut以上,現(xiàn)取ug1=5.8m/s熱風的平均體積流量為:V=1453/0.986=1474m3/h=0.41m3/s加速管直徑為:D1=(V/(ug1×0.7854))1/2=0.30m,減速管直徑計算:根據(jù)脈沖氣流干燥管的優(yōu)化設計可知:D2/D1=1.55～1.65減速管直徑為:D2=1.55D1=0.46m,減速管中熱風速度驗算:ug2=V/(0.7854D22)=2.47m/s>Ut,可保證在減速管中將物料帶出