浮集法干燥固体颗粒性能

2013-10-18牛红军

化工生产与技术 2013年2期

孙昊牛红军孙波

（天津现代职业技术学院，天津 300350）

固体颗粒或粉料的干燥普遍采用流态化或移动床空气干燥技术[1]。但是传统的干燥技术也普遍存在能耗大、干燥效果差的问题，脱除每千克水的能耗均在8 MJ 以上，是水的汽化热3～5 倍[2]。能耗高的主要原因在于热空气的利用效率低，且为一次性利用。能耗高已成为固体颗粒干燥技术亟待解决的问题。

本研究在气固流化床内，使用浮集法干燥固体颗粒的过程。并通过监测操作过程中水的质量损失，描述出颗粒中水分变化过程和传质系数kg的变化过程，推导该方法的扩散系数D[3]。扩散系数是衡量干燥效率的重要指标，本研究希望为该方法干燥提供参考依据和理论基础。

1 实验部分

1.1 实验装置

选用气固流化床，其流程如图1 所示。实验所使用的空气储存在气罐中，并使用减压阀保持压力为50 kPa，以控制空气流量。床料颗粒采用氧化铝球，平均直径0.106 mm，密度为3 000 kg/m3。

图1 实验装置Fig 1 The experimental setup

1.2 理论基础

实验的目的是干燥流化床内床料颗粒，这项技术称为浮集法，其基本原理就是通入热空气来去除颗粒中的水分。通过测量空气中的湿度，来确定在一定时间t 内通过流化床的水的质量，进而可以推论出传质系数kg。

被干燥的水质量依据实验装置内水的物料平衡求得。在本实验中，认为进口的空气湿度为0（Ye=0），也就是说进入实验装置的空气为干燥的。故方程（1）为流出床体的水的质量流量：

式中，qm为空气的质量流量，Y 为出口的空气湿度（水的质量/空气的质量）。

使用方程（2）来计算除去的水质量m：

式中，m0为进口空气中水的质量，Δt 为干燥持续时间。

依据方程（3）将流出床体的水的质量流量与kg建立函数关系[3]：

式中，αp为体积传质因子，ΔY=Y*-Y，Y* 为空气的湿度。

依据方程（4），可以求得kg：

式中，V空气为热空气的体积。

2 结果与讨论

固体颗粒水分和kg的变化过程结果如图2。

图2 流化床干燥过程的结果Fig 2 Results of drying process in fluidized-bed

2.1 固体颗粒水分的变化过程

从图2 可知，随着时间的进行，除去的水分逐渐减少；当颗粒被完全干燥时，m 为0。

干燥过程分为2 个阶段：第1 阶段中，热空气以恒定的速率除去颗粒表面的水分，干燥效率是恒定，表现为m-t 近似为直线关系，这一阶段持续大约1 000 s。第2 阶段，热空气干燥颗粒内部的水分，水分首先从颗粒内部扩散到表面，然后才被热空气干燥，因此干燥的速率会放缓。

2.2 kg的变化过程

如图2 所示，kg的变化过程与颗粒中水分的变化过程的曲线形状不同。但它也分为2 个阶段，对应颗粒中水分变化过程的2 个阶段。第1 阶段中，kg变化较小，这是颗粒表面的水分通过热传导作用以恒定的速度除去。当开始干燥颗粒中的水分时，干燥速度减小，相对应的kg也减小；当kg趋近于0 的时候，颗粒中的水分也趋近于0。