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1、致谢 33摘 要圆锥型气流流化干燥机作为一种历史相当悠久的工业生产设备，在化工、食品、医药等工业生产中有着十分广泛的实际应用。针对圆锥型气流流化干燥机，运用计算流体力学理论及相应的经典商用软件，借助均匀设计的试验计划安排法，开展了干燥机流化室的结构尺寸优化与设计，以确保在设备流场充分流化的前提下，进一步减小操作的风动力操作损耗。结果表明，对于釜体中部圆筒直径为300 mm的圆锥型气流流化床，当釜的中部圆筒高度设计为75 mm、釜的上下接口直径设计为60 mm、且上、下两锥形体的锥角分别设计为50和55时，设备正常操作时的风阻压降将可降至最低。关键词：流化床，干燥机，流场模拟，结构设计Abstr

2、actLayered conical fluidized air dryer as a historical quite a long industrial production equipment, and chemical industry, food, medicine and other industrial production has a wide range of application.For layered conical fluidized air dryer, using computational fluid mechanics theory and the corre

3、sponding classic by uniform design, commercial software test plan method, and carried out the dryer fluidization room structure size optimization and design, to ensure that equipment flow field under the premise of fully fluidized, further reduce operating wind power operation loss. The results show

4、 that, for axe body for 300 mm in diameter central cylinder of layered conical airflow fluidized bed, when autoclave central cylinder height for 75 mm, kettle design the fluctuation interface design for 60 mm in diameter, and two cone-shaped body cone angle of 50 respectively design, equipment and 5

5、5 normal pressure drops the air resistance can be reduced to the minimum.Keywords： Fluidized bed; Drier; Flow field simulation; Structure design第1章 绪论第1.1节 研究背景与意义干燥是现代工业中运用极为广泛的一种操作技术，其技术水平及相应设备的先进与否，直接影响着生产企业的经济效益和产品竞争力。近代干燥器开始使用的是间歇操作的固定床式干燥器。19世纪中叶，洞道式干燥器的使用，标志着干燥器由间歇操作向连续操作方向的发展。20世纪初期，乳品生产开始应用

6、喷雾干燥器，为大规模干燥液态物料提供了有力的工具。40年代开始，随着流化技术的发展，高强度、高生产率的沸腾床和气流式干燥器相继出现。而冷冻升华、辐射和介电式干燥器则为满足特殊要求提供了新的手段。60年代开始发展了远红外和微波干燥器。经过近几十年的快速发展与追赶，我国的干燥设备虽然已经结束了完全依赖进口的被动局面，自行制造的干燥设备目前可基本满足国内市场的一般生产要求，甚至还有个别机种出口到国外。但总体而言，与国外的同类设备相比，国内的干燥设备制造水平仍处于积累发展阶段，尚不能较好满足当前如制药与催化剂制造等新兴行业中的高精技术要求，亟待进一步地改进与研发。可见，运用新兴的CFD理论及其商业应用

7、软件，开展干燥器的流场模拟及其结构设计是一项极具意义且高效的研究工作。第1.2节 课题研究进展1.2.1 工业干燥技术1.2.1.1 技术简介干燥就是利用热能使湿物料中的湿分（水分或其他溶剂）汽化,水汽或蒸汽经气流带走或由真空泵将其抽出除去,而获得固体产品的操作过程。工业上，干燥操作不仅影响着产品的生产效率与操作能耗，且通常作为产品加工的最后一道工序，对产品的最终质量起着重要的保证作用。因此，干燥操作的技术水平将直接影响到生产企业的经济效率与市场竞争力，譬如我国有许多的工业出口产品，单就纯度而言，已经达到或超过了国外的同类产品，但只因干燥技术的落后，致使产品的粒度、色泽和堆积密度等物性指标偏低

8、，从而在国际市场竞争中常处于劣势，如白炭黑、轻质碳酸钙等。为此近年来，国内的有关单位或部门正着力加大对干燥技术的研究力度，先后成立了各级干燥技术研究中心，组织召开了多届干燥技术交流会，并取得了阶段性的研究成果，目前已涌现出了一批专业的新型干燥设备生产与制造厂商，进而有力推动了国内干燥技术由传统的粮食、肥料、饲料、燃料、陶瓷、织物和矿物等生产领域向新兴的生物化工、高分子材料、催化剂制造、印染、食品与制药等高科技领域中的应用拓展，初步显示出良好的发展势头和广阔的应用前景。干燥单元的重要性不仅在于它对产品生产过程的效率和总能耗有较大的影响，还在于它往往是生产过程的最后工序，操作的好坏直接影响产品质量

9、，从而影响市场竞争能力和经济效益。我国有许多产品，就纯度而言已经达到甚至超过国外产品；然而就是由于干燥技术不如国外技术，堆积密度、粒度、色泽等物性指标上不去。在国际市场竞争中处于劣势，有的甚至售价仅为国外同种产品的1/3。目前我国某些大型石化干燥装备还依赖进口。根据粗略估计，我国生产的干燥设备种类仅为国外30-40。因此进行干燥技术研究的任务迫切。第一届全国干燥会议干1975年6月23日在南京召开，至今已经30余年了。30多年来，我国干燥技术研究队伍不断壮大。目前我国从事干燥技术研究的大专院校、科研院所、研究单位大约有50多家，领域涉及化工、医药、染料、轻工、林业、食品、粮食、造纸、硅酸盐、水

10、产业、渔业等行业，全国共有设备制造厂600多家，已形成了一支强有力的干燥科研开发队伍，广泛开展干燥技术的基础研究、工艺研究及工业化研究，使我国干燥技术研究正向世界水平迈进，某些技术领域达到了国际先进水平。30年来，中国对许多干燥技术实现了工业化。其中喷雾干燥机，旋转快速干燥机，振动流化床干燥机，蒸汽管（管壁导热的）回转干燥机，双锥回转真空干燥机，粮食干燥机等，均接近或达到国际先进水平，这对我们中国来说，是一个伟大的转折。中国有许多干燥设备制造厂，他们制造的常用干燥设备，基本上满足了国内市场的需要，并有个别机种出口到国外。1.2.1.2 操作过程原理物料的干燥过程一般可大致分为三个阶段，物料预热

11、阶段，恒速干燥阶段，降速预热阶段。物料预热阶段，顾名思义，就是将湿料进行预热，在此同时也用一些湿的水分汽化；恒速干燥阶段主要是将物料表面所有湿的水分汽化，而物料表面的温度保持不变，使含水量降到一个程度；降速预热阶段主要是深入到物料内部，热空气主要是加热物料，只有一小部分是汽化湿分，这时干燥率下降，直到含水率达到要求的范围。通常所了解的干燥就是将一个使物料脱水到一定程度，即将湿料变成干料的过程，看似非常简单。然而事实上考虑到不同物料的要求以及各种因素，这其实是个比较复杂的过程。从最基本的讲，既然脱水，那么就要考虑采用哪种方式脱水，机械脱水即是其中一种。机械脱水又可以分为电渗析脱水、间断式电渗析脱

12、水、组合场能脱水以及辅以振动的微滤。这几种方式虽然有的已经付诸于工程运作，但还有发挥的余地。在脱水的过程中温度一定会升高，因为在干燥的过程中一般是不停通空气的，它有个空气加热的过程，而水分不断减少的话，物料便会越来越容易受热，温度就会随之升高。在物料干燥的过程中，随着水分的散失，物料的温度逐渐升高，在一定的温度范围内，这并不会有什么影响，但是当温度升高一定程度时，就会对物料的干燥效果有影响，所以必须在干燥的过程中必须控制温度的高低，使它在一定范围内浮动。并且要保证物料的均匀，使物料的失水量也均匀，这样就不会使得局部物料的温度过高，而导致生产率下降。因此，从一方面来讲，干燥有等温干燥和变温干燥两

13、种，在干燥过程中，并非仅仅等温干燥就能解决问题的，等温干燥会导致物料过热，损伤产品质量，故采用变温干燥是必要的。变温干燥有极限变温法和周期变温法等几种方法，极限变温法就是当物料的温度趋近于耐热的极限温度时，立刻降低加热介质的温度，使其在极限温下干燥，达到最终要求的含水量而又保证产品的质量；而周期变温法就是周期性地通入热空气和冷空气，在一定的范围内，通过冷热空气气压的相对挤压，使物料的温度不超过允许值，同时又保证物料的脱水率，排除了湿料中的水分。同样的，热空气干燥时，脉冲气流比连续的高速气流更有利于形成较大的物料与气流间的相对速度。从而有利于干燥，并节省能量。仔细选择气温和脉冲气流频率也可防止物

14、料的过热。在干燥过程中温度的控制有很多的方法，可以灵活地加以运用，并不需要局限一种，但是要保证一个前提，要保证物料的温度不超过它耐热的极限值。当然保证干燥温度的同时，也要保证干燥速率。也可以这样说，保证干燥速率首先要保证干燥温度和湿度这些外部条件的要求。然而保证干燥速率并不是衡量干燥过程优劣的唯一因素，降低干燥的能量消耗，保证产品的纯度也是不可忽视的。评价一个干燥过程的优劣要从好几方面来衡量，除了干燥设备还有干燥的策略，以及整个系统的整体优化，产品的出产质量等，其中每个细节都是不可忽视的。1.2.1.3 技术分类及典型设备干燥技术及其设备发展到现在，已经经过了较长的阶段。当前，干燥设备有好多种

15、，按操作压力可以分为常压式和真空式两类；按操作方式可分为间歇操作和连续操作两类；按传热原理可分为传导加热式、对流加热式、喷雾加热式、辐射传热式和高频加热式等几类；按加热方式可分为直接加热式和间接加热式两类；按构造可以分为喷雾干燥器、流化床干燥器、气流干燥器、桨式干燥器、箱式干燥器及旋转闪蒸干燥器等。我们现在暂且将它笼统地分为传统干燥器和新型干燥器两方面。传统干燥器的特点是稳定的热能输入，恒定的气流，热单一输入模式单一的干燥器，空气燃气作为干燥介质，常压操作;而新型干燥器的特点是能量间歇输入，变化的气流，热组合输入模式，多级干燥器（每级可以用不同类型的干燥器），过热蒸汽作为介质，低压和高压操作。

16、从这两个对比可以看出，新型干燥机已经可以适合各种形态的物料生产，操作起来更灵活。当前，又发展了一些新类型的干燥器，如喷动床干燥器，冲击流干燥器，转筒干燥器，过热蒸汽干燥器等等。喷动床干燥器，具有内部循环运动和在顶层自由运动的喷动，适宜大颗粒物料的干燥，同时也可以干燥浆糊状的物料，对一些内部传热的颗粒，可以采用间歇喷动或对喷动的空气进行间歇加热，这样可以节约能量，提高产品的质量。冲击流干燥器可以用于纸张、胶片、纺织品等的表面干燥，因此，对于这种物料，选择正确的喷嘴尺寸是非常重要的，要使得喷出的热空气起到传热效应。转筒干燥器这是在日本发展起来的一种干燥器，它是将干燥空气通过许多干燥管喷射到需要干燥

17、物料表层的，它具有体积小，成本低，传热效率高的特点。过热蒸汽干燥器，它早有发明，但具体使用，也是近二十几年才兴起的，它具有操作安全、效率高、快速干燥、产品质量好的特点。从既定的分类来看，干燥形式主要可概括分为：喷雾干燥、闪蒸干燥、气流干燥、流化床干燥、间接加热干燥、真空干燥和真空冷冻干燥等。其中低粘度液体，可采用喷雾干燥；粘性体滤饼、粒状或粉状物料可采用闪蒸干燥；非粘性体滤饼、粒状或粉状物可用气流干燥。当然有时候，不同物料所适宜采用的干燥方式并不是规定的，这一般可根据经验而定，同时还要视情况适当变动。以下简要介绍几种常见的干燥形式及设备。（1）喷雾干燥机 喷雾干燥是干燥设备中进展最快的设备之一

18、，常用的雾化方法为3种：旋转式、压力式及气流式。旋转雾化器的喷雾干燥的特点是单机生产能力大（喷雾量可达200 t/h），进料量容易调节，操作弹性大，塔直径大但高度小。目前，我国已掌握其设计方法，能够提供10 t/h喷雾量的产品，且喷雾量45 t/h的也已试制出来了，其工业应用比较广泛。压力式雾化器的喷雾干燥特点可简要概括如下：a）可以制造粗粒子。大生产能力时，可采用多个喷嘴，其雾化性能不变；b）喷嘴结构简单，维修方便；c）由于喷嘴孔径很小，易堵塞，故料液必须严格过滤。喷嘴孔易磨损，须用耐磨材料制造。此型喷嘴也是工业应用比较广泛的型式之一，目前我国已掌握其设计与制造技术，可以设计任意尺寸的装置。

19、此外，压力式喷嘴还有一种新型结构，称为压力-气流式喷嘴，其结构是中央为压力喷嘴，周围的环隙为气流式喷嘴。该喷嘴的雾化过程可分为两个阶段，即压力喷嘴首先形成液膜，然而此液膜再被第二次雾化，使雾滴更细。此型喷嘴的优点是：a）调节压缩空气压力，便可调节液滴直径，操作简单；b）大产量，高粘度的料液，也能够雾化为细雾滴；c）如果停用压缩空气，原来的压力式喷嘴也能够单独使用。.压力式喷嘴的喷雾干燥塔尺寸与旋转式喷嘴的干燥塔相反，即直径小而高度大。气流式雾化器的喷雾干燥在工业上也较为常见。生产中某些料液，当采用前两种雾化器都不能雾化时，采用气流式喷嘴有可能将其雾化。这里介绍一种新结构的气流式喷嘴刀刃喷嘴，该

20、喷嘴的中间是一个长条形的刀刃，在刀刃的左侧，有一个液体通道和一个压缩空气通道，在右侧，也有一个液体通道和一个压缩空气通道，液体在喷嘴出口处被雾化。由于有4个通道，也称4流体喷嘴。此雾化器的特征是雾滴很细，分布又很窄（5-10 um），是目前可提供蒸发量200 kg/h以下的喷雾干燥装置。由于气流式喷嘴雾化用的动力消耗较大，约为前二者的5-8倍，故多用于实验室及中间工厂。（2）带式干燥机 带式干燥机是成批生产用的连续式干燥设备，用于透气性较好的片状、条状、颗粒状物料的干燥，对于脱水蔬菜、中药饮片等类含水率高、而物料呈热敏性的尤为合适。干燥机具有干燥速度快、蒸发强度高、产品质量好的优点。对脱水滤饼

21、类的膏状物料，需经造粒或制成棒状后亦可干燥。此外，针对化工生产中有些物料含有机溶剂，干燥后需回收的特点，又开发出以传导传热为主的带式干燥机，可以连续生产并回收湿份。带式干燥机主要有穿流气流带式干燥机和多层带式干燥机，相应的生产厂家较多，有6-7个型号，广泛用于化工、食品、医药等行业。设备的大型化开发是该类干燥机今后的主要任务，国外已见240 m的大型带式干燥机，我国在这方面也已有一定的进展，目前已能制造出干燥面积大于100 m的大型带式干燥机。（3）厢式干燥机 厢式干燥器特别适用于多品种、小批量生产的场合。往往其他干燥器不能处理的物料，厢式干燥器都能处理。虽然厢式干燥是比较原始的设备，但对物料

22、状态广泛的适应性决定它仍有很强的生命力，在可以预见的时期内，仍不会退出应用。目前厢式干燥器也有一定改进，厢内各点的温度控制在2 0C之内，而且厢式干燥器在行业内部已形成了系列化。厢式干燥器的种类较多，特点各不相同。穿流式厢式干燥器不同于平行流式，其差别在于料盘底部为金属网。热风通过金属网穿过物料层，可大大提高传热传质效率，但物料必需有一定的形状以防漏料。真空厢式干燥器传热方式大多用间接加热、辐射加热、红外加热或感应加热等。厢体密闭在减压状态下工作，以热源和物料表面之间温差计算的面积传热系数。真空厢式干燥的运转时强制热气流均匀地穿过堆积的料层。一般物料以片状、颗粒状，短纤维状为主。如细粉状物料则

23、应先挤制成形后方可使用。减压后使湿分沸点降低，适用于热敏性物料的干燥。厢式干燥器的生产厂家也较多，国内即有热风循环、药用GMP烘箱和隧道式热风烘厢，三类烘厢型号有20多种。（4）回转干燥机 带水蒸气加热管的回转圆筒干燥器这类干燥器是在普通回转圆筒干燥器的基础上发展起来的。在回转壳体的内部，以同心圆方式排列24圈的加热管，管内通入水蒸气或其他热载体，以热传导的方式加热被干燥物料。在石油化工中，干燥聚乙烯及对苯二甲酸时已成功使用。当除掉的湿份为有机蒸汽时，采用氮气闭路循环系统。热量主要是由加热管供给，故属于节能型的设备。过去，石油化工厂全部是进口。目前，我国已能制造此型设备，运转性能良好。穿流回转

24、干燥器穿流回转干燥器也称旋转通风式干燥器，按其结构特点和工作原理，称之为卧式回转流化床，亦可称为回转干燥机。它是回转干燥机和流化床干燥机相结合的产物。水平安装的长圆筒体壁上开有许多的孔，筒体内壁沿圆周等距离装有许多抄板，抄板端部从入口侧向出口侧倾斜。抄板上也开有许多小孔。筒体上装有滚轮，分别由支承托轮支承。电动机通过减速后由小齿轮驱动大齿轮带动简体回转，回转筒体与物料进口端及出口端均设置密封结构。在回转筒体外设有外壳，在外壳内沿着轴向设有隔板，它将干燥器隔成几个独立的加热室。每个室有热空气进、出口，并在筒体与外壳间设有动密封，防止热空气未进筒体料层而短路。在外壳下安装有细粉接收斗及螺旋输送器。

25、由于热空气仅从滞留有物料层的部分抄板的下部吹入，故从入口直至出口的热空气全部由物料的侧下端处吹入筒体，装有动密封结构，热空气不会短路。因干燥器内物料借转动向前移动，接近活塞流，故停留时间分布很窄。当干燥时间需要延长时，在干燥器内的停留时间可由出口调节挡板调节，这时由连续出料变为间歇出料。尾风夹带的细粉颗粒由旋风分离器捕集后，由引风机排空。回转筒体外壳沿长度方向被分成几个独立的箱形壳体，每个壳体内设置鼓风机、空气加热器、进气口及排气口。物体在第1室进行表面脱水以及部分内部水分的脱除，干燥后尾气的相对湿度较高，降温也较多，因此将尾气排弃。而第2室主要是脱除部分内部水分，进行第2阶段的干燥，水的蒸发

26、量小。因此，尾风的温度较高，相对湿度也很低，将这部分尾气循环使用，以作为第1室的进气。这样，尾气排弃的热损失比一般对流式干燥器要少得多，热效率可达75左右。（5）桨叶式干燥机 桨叶式干燥机早在20世纪70年代国内就有单位进行了开发，限于当时技术条件和所设计的热轴结构过分复杂，因此中途停止。随着我国的改革开放，国外设备不断引进，国内这方面资料的不断增多，于是国内又有单位对其进行了开发，目前已形成系列化机型。桨叶式干燥机是一种以热传导为主的卧式搅拌型干燥机。因搅拌叶片形似船桨，故人称桨叶式干燥机，国外也称槽形干燥机或搅拌干燥机。桨叶式干燥机国外已经开发多年，目前这种机型以日本株式会社奈良机械制作所

27、为代表，现已开发出双轴和四轴两种结构、10多个规格的系列产品。桨叶式干燥机是一种双轴（或四轴）卧式搅拌干燥设备。最早由由前联邦德国开发成功，之后日本引进了该项技术，并进行了改进，开发了双轴和四轴两种结构、十多种规格的系列产品。该设备干燥所需热量依靠热传导间接加热，因此干燥过程不需或只需少量气体以带走湿分。这就极大地减少了被气体带走的这部分热量损失，提高了热量利用率，是一种节能型干燥设备。它适合颗粒状及粉末物料的干燥，对膏状物料也能进行干燥。我国近年有许多厂掌握了制造技术并已形成系列机型。（6）盘式干燥机 20世纪80年代初期，由上海市化工装备所开始开发此项技术，近几年国内多家干燥企业开始开发此

28、类产品，到目前已基本成熟，用于化工、医药、食品等干燥。规格有近20种。（7）管束干燥机 该类干燥机的热效率高，总传热效率可达80-90，特别适用于干燥温度在150 以下的物料。国外较有代表性的如日本大川原化机株式会社，国内生产厂家比较多，主要用于槽渣和矿物的干燥，型号约56种。（8）直接换热回转圆筒干燥机 直接换热回转圆筒干燥机是最古老的干燥设备之一，可分为普通回转圆筒干燥机、自清理回转圆筒干燥机、打散回转圆筒干燥机、穿流回转圆筒干燥机等，经过对转圆内抄板形式进行改进，使其具有了更广阔的应用空间，广泛用于化工、建材、饲料和冶金等领域，型号接近20种。（9）蒸汽干燥机 蒸汽干燥机属间接传热式干燥

29、机，与普通回转干燥机的差别在于在筒内安装有贯穿于整个干燥机的蒸汽加热管，适用于大批量、连续干燥的物料，广泛应用于化工、石化、冶金、饲料、环保等行业。该干燥机用于PTA干燥，即是我国重大干燥装备国产化的一个项目。工业上常见的干燥机还有冷冻干燥机、真空干燥机、微波干燥机及组合干燥机等，各有优缺点。其中，组合干燥更容易节约能源和保证产品质量，操作更灵活，因此被广泛应用。常用的组合干燥有气流-流化床干燥系统、转筒-振动流化床干燥系统、双级气流干燥系统、桨叶-闪蒸干燥系统、喷雾-带式干燥系统等十几种组合干燥方式。除了以上类型的干燥机外，人们标新立异，又发明了很多新奇的干燥方式，比如说表面燃烧干燥，声干燥

30、等。总之，各种干燥形式所对应的干燥设备所需的物料形式并不相同，如果混合使用可能会让出产率降低，严重的可能损坏设备。而且多种干燥设备的混合使用，会造成资源、资金的浪费。为此，我们可以努力提高设备的通用性，使得一种规格的干燥机可以适用于不同类型的原材料和不同的干燥方式，同时降低生产设备所需的基本成本，提高设备的利用率。提高设备的通用性也是我国在科研及生产中所需解决的一个问题。机电一体化、制造加工标准化、提高调控水平等成了干燥设备研究发展的方向。与物料类型不同，干燥形式不一样，干燥过程中所发生的变化也不一样，这在生产加工中应引起注意，宜选择合适的干燥形式及干燥设备。当然，干燥技术的发展不仅与干燥形式

31、和干燥设备的结构有关，同样与干燥的理论水平，材料选用以及加工制造的方法都有很大的关系。1.2.2 气流流化干燥气流流化干燥是指利用高速热气流，使泥状、粉粒状或块状物料悬浮于气流中，一边在流化床中随气流翻滚，一边进行干燥的操作技术。作为工程优势最为显著的高效干燥技术之一，气流流化床干燥在工业生产中的应用正日趋广泛，已渐成为诸多产品生产的主要干燥方法，对应的干燥生产设备称为气流流化干燥机。简言之，气流流化干燥机是将湿态时为泥状，粉粒状或块状的物料首先于热气流中分散，然后在流化床中随气流翻滚，同时进行干燥的操作设备。气流流化床干燥过程属于对流传热操作类型，因物料处于悬浮状态，故气固两相可充分接触，从而可强化热质传递过程，即操作的热效率高、效果好、干燥强度大，较适于一些难处理物料的批量处理，如膏状物料等。目前，圆筒型气流流化床干燥机已广泛应用于化工、食品、医药等工业生产中。1.2.2.1 过程工艺与影响因素气流干燥机主要是通过热空气与物料表面的直接接触，从而在短时间内达到干燥效果的一种装置。它具有干燥强度大，干燥时间短，热效率高，处理量大，应用广泛，设备简单以及操作容易的优点，尤其在气流干燥过程中，物料升温不高，一般不存在过热等问题；并且营养物质损失量低，因而非常适合一些热敏性产品的干燥