浮集法干燥固體顆粒性能

孫 昊 牛紅軍 孫 波

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350）

固體顆?；蚍哿系母稍锲毡椴捎昧鲬B(tài)化或移動床空氣干燥技術(shù)[1]。但是傳統(tǒng)的干燥技術(shù)也普遍存在能耗大、干燥效果差的問題，脫除每千克水的能耗均在8 MJ 以上，是水的汽化熱3～5 倍[2]。能耗高的主要原因在于熱空氣的利用效率低，且為一次性利用。能耗高已成為固體顆粒干燥技術(shù)亟待解決的問題。

本研究在氣固流化床內(nèi)，使用浮集法干燥固體顆粒的過程。并通過監(jiān)測操作過程中水的質(zhì)量損失，描述出顆粒中水分變化過程和傳質(zhì)系數(shù)kg的變化過程，推導該方法的擴散系數(shù)D[3]。擴散系數(shù)是衡量干燥效率的重要指標，本研究希望為該方法干燥提供參考依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

選用氣固流化床，其流程如圖1 所示。實驗所使用的空氣儲存在氣罐中，并使用減壓閥保持壓力為50 kPa，以控制空氣流量。床料顆粒采用氧化鋁球，平均直徑0.106 mm，密度為3 000 kg/m3。

圖1 實驗裝置Fig 1 The experimental setup

1.2 理論基礎(chǔ)

實驗的目的是干燥流化床內(nèi)床料顆粒，這項技術(shù)稱為浮集法，其基本原理就是通入熱空氣來去除顆粒中的水分。通過測量空氣中的濕度，來確定在一定時間t 內(nèi)通過流化床的水的質(zhì)量，進而可以推論出傳質(zhì)系數(shù)kg。

被干燥的水質(zhì)量依據(jù)實驗裝置內(nèi)水的物料平衡求得。在本實驗中，認為進口的空氣濕度為0（Ye=0），也就是說進入實驗裝置的空氣為干燥的。故方程（1）為流出床體的水的質(zhì)量流量：

式中，qm為空氣的質(zhì)量流量，Y 為出口的空氣濕度（水的質(zhì)量/空氣的質(zhì)量）。

使用方程（2）來計算除去的水質(zhì)量m：

式中，m0為進口空氣中水的質(zhì)量，Δt 為干燥持續(xù)時間。

依據(jù)方程（3）將流出床體的水的質(zhì)量流量與kg建立函數(shù)關(guān)系[3]：

式中，αp為體積傳質(zhì)因子，ΔY=Y*-Y，Y* 為空氣的濕度。

依據(jù)方程（4），可以求得kg：

式中，V空氣為熱空氣的體積。

2 結(jié)果與討論

固體顆粒水分和kg的變化過程結(jié)果如圖2。

圖2 流化床干燥過程的結(jié)果Fig 2 Results of drying process in fluidized-bed

2.1 固體顆粒水分的變化過程

從圖2 可知，隨著時間的進行，除去的水分逐漸減少；當顆粒被完全干燥時，m 為0。

干燥過程分為2 個階段：第1 階段中，熱空氣以恒定的速率除去顆粒表面的水分，干燥效率是恒定，表現(xiàn)為m-t 近似為直線關(guān)系，這一階段持續(xù)大約1 000 s。第2 階段，熱空氣干燥顆粒內(nèi)部的水分，水分首先從顆粒內(nèi)部擴散到表面，然后才被熱空氣干燥，因此干燥的速率會放緩。

2.2 kg的變化過程

如圖2 所示，kg的變化過程與顆粒中水分的變化過程的曲線形狀不同。但它也分為2 個階段，對應(yīng)顆粒中水分變化過程的2 個階段。第1 階段中，kg變化較小，這是顆粒表面的水分通過熱傳導作用以恒定的速度除去。當開始干燥顆粒中的水分時，干燥速度減小，相對應(yīng)的kg也減?。划攌g趨近于0 的時候，顆粒中的水分也趨近于0。

2.3 擴散系數(shù)的計算

通過計算顆粒中水的擴散系數(shù)D 可以表征干燥的擴散階段。依據(jù)總體考量和半經(jīng)驗法，可用如下方程計算[4-5]：

式中，K1=Dp2/r2。wt、we、w0分別為在一定時間t時、平衡時、燥的擴散階段顆粒中水的質(zhì)量分數(shù)，r為顆粒的平均直徑（0.106 mm）。

式（5）的導數(shù)形式為：

圖3 為依據(jù)方程（6）描繪的曲線。

圖3 K1的測定Fig 3 Determination of K1

圖3 回歸線的斜率即為K1，等于0.004 2，據(jù)此推導出擴散系數(shù)D=4.8×10-12m2/s。

3 結(jié)論

在氣固流化床內(nèi)，使用浮集法來干燥固體顆粒。依據(jù)實驗結(jié)果繪制顆粒中水分變化曲線，傳質(zhì)系數(shù)kg的變化曲線。顆粒中水分干燥的演變過程分為顆粒表面水分熱傳導干燥，和顆粒內(nèi)部水分擴散干燥。推導出擴散系數(shù)D=4.8×10-12m2/s。

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