振動(dòng)流化床干燥專利技術(shù)綜述

吳雪晴 王馨

摘要：振動(dòng)流化床干燥技術(shù)的研發(fā)，擴(kuò)大了流態(tài)化干燥的范圍，改善了流化質(zhì)量，提高了熱質(zhì)傳遞的強(qiáng)度，已廣泛用于化工、食品、陶瓷、醫(yī)藥、聚合物等行業(yè)的干燥。本文通過研究目前世界上關(guān)于振動(dòng)流化床干燥技術(shù)的專利文獻(xiàn)，將有助于振動(dòng)流化床干燥技術(shù)的應(yīng)用以及改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)流化床;干燥;專利

中圖分類號(hào)：TQ174.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）09-0059-03

Abstract： The research and development of vibrating fluidized bed drying technology has expanded the scope of fluidized bed drying， improved the fluidized quality， enhanced the intensity of heat and mass transfer， and has been widely used in the drying of chemical， food， ceramics， medicine， polymer and other industries. It will be helpful to the application and improvement of VFB drying technology by studying the patent literature on VFB drying technology in the world.

Key words： vibrating fluidized bed; dry; patent

1 振動(dòng)流化床干燥原理

振動(dòng)流化床干燥是在普遍流化床干燥技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是通過在床體的側(cè)面施加振動(dòng)源從而把振動(dòng)能量引入普通流化床的一種氣固流態(tài)化技術(shù)，物料在床內(nèi)的流化是由振動(dòng)和氣流的綜合作用產(chǎn)生的，即床層除受干燥氣流外，再附以振動(dòng)作用使之于流化狀態(tài)下進(jìn)行干燥[1]。由于引入了振動(dòng)使得干燥過程中顆粒的化沖跳動(dòng)更加活躍，氣固兩相、固固相之間的接觸機(jī)會(huì)增加，粘結(jié)機(jī)會(huì)降低，從而有助于床層形成充分的流態(tài)化，提高傳熱傳質(zhì)傳遞效率，強(qiáng)化生產(chǎn)過程，最終達(dá)到節(jié)約流化介質(zhì)消耗量和降低粉塵夾帶的目的。它避免了普通流化床的缺點(diǎn)，而且可強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)過程。振動(dòng)流化床目前已廣泛用于化工、食品、陶瓷、醫(yī)藥、聚合物等行業(yè)。

2 振動(dòng)流化床干燥的發(fā)展?fàn)顩r

在振動(dòng)流化床干燥領(lǐng)域中，其主要分為裝置、操作、應(yīng)用三大部分，其中結(jié)構(gòu)上主要是對(duì)進(jìn)氣以及振動(dòng)方式的改進(jìn)，其目的是增強(qiáng)物料的流化效果，以及減小裝置的能耗，以提高系統(tǒng)干燥物料的能力以及減少能效損耗;而操作上主要是對(duì)根據(jù)干燥物料以及干燥的需求對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行控制，其目的是在保證裝置干燥能力的同時(shí)提高裝置干燥效果的能效和可靠性;而在應(yīng)用上主要是在化工、食品、陶瓷、醫(yī)藥、聚合物等行業(yè)。

2.1 申請(qǐng)量年度分布

從圖1中可以看出，振動(dòng)流化床干燥技術(shù)的專利申請(qǐng)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代初期，但是在進(jìn)入21世紀(jì)之后才取得快速的發(fā)展，我國(guó)的專利申請(qǐng)最早出現(xiàn)在1986年以后，主要是由于引入了振動(dòng)技術(shù)，增加了設(shè)備的復(fù)雜性，再加上國(guó)內(nèi)缺乏這方面的技術(shù)資料，使得國(guó)內(nèi)對(duì)振動(dòng)流化床技術(shù)的研究一直都落后于國(guó)外。1986年在上海召開的全國(guó)第二次干燥技術(shù)交流會(huì)才揭開了對(duì)振動(dòng)流化床理論方面研究的序幕。進(jìn)入90年代后，國(guó)內(nèi)的學(xué)者才開始對(duì)振動(dòng)流化床技術(shù)展開了深入的研究。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于我國(guó)于2001年底正式加入WTO，從此實(shí)施了保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TPIPS協(xié)議，我國(guó)涉及振動(dòng)流化床干燥技術(shù)的申請(qǐng)數(shù)量開始逐步增長(zhǎng)，雖然我國(guó)在這一領(lǐng)域起步較晚，然而近年來，特別是2006年以后發(fā)展異常迅速，自2009年起，我國(guó)的申請(qǐng)量已連續(xù)多年占到全球申請(qǐng)總量的八成以上，需要指出的是，圖中顯示2016年申請(qǐng)量出現(xiàn)下降，主要是因?yàn)?016下半年之后申請(qǐng)的專利申請(qǐng)部分尚未公開，無法納入統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并不能說明專利申請(qǐng)量在下降。

2.2 申請(qǐng)?jiān)瓌?chuàng)國(guó)分布

由圖2可知，中國(guó)、歐盟、美國(guó)是專利申請(qǐng)的主要原創(chuàng)國(guó)家/地區(qū)，其申請(qǐng)量占到了全球申請(qǐng)總量的九成，其中中國(guó)占全球申請(qǐng)總量的約61%，是申請(qǐng)量最大的國(guó)家，由于振動(dòng)流化床干燥主要應(yīng)用在化工、食品、陶瓷、醫(yī)藥、聚合物等行業(yè)中，工業(yè)化的快速發(fā)展會(huì)對(duì)輕型輸送帶產(chǎn)生巨大的使用需求，而我國(guó)的申請(qǐng)量較大主要是由于近十年來我國(guó)在工業(yè)化進(jìn)程中取得了飛速的發(fā)展。

2.3 專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

早期的專利申請(qǐng)主要是涉及采用電機(jī)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、整床都參振以及空氣自下而上穿過布風(fēng)板的振動(dòng)流化床干燥裝置。1980年以后，才開始出現(xiàn)關(guān)于真空振動(dòng)流化床干燥裝置以及從布風(fēng)板上方進(jìn)氣的振動(dòng)流化床干燥裝置的研究。同時(shí)，由于將振動(dòng)增加到流化床干燥裝置上，必將會(huì)引起能耗的增加以及裝置運(yùn)行的不穩(wěn)，因此，就有了關(guān)于減少振動(dòng)流化床裝置能耗以及增強(qiáng)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性的研究，即在同一時(shí)期出現(xiàn)的關(guān)于只讓振動(dòng)流化床裝置的部分裝置參與振動(dòng)的專利申請(qǐng)，而關(guān)于振動(dòng)流化床裝置的振動(dòng)源，從最開始的采用電機(jī)和彈簧，發(fā)展到后面的電磁感應(yīng)、曲軸、液壓，以及偏心輪的多振源的研究，而且，在振動(dòng)流化床的應(yīng)用方面也取得了重大突破，從最初的用于對(duì)煤粉的干燥，到1980年后，用于對(duì)食品、礦物等的干燥分選，以及2000年以后的對(duì)陶瓷粉以及對(duì)振動(dòng)流化床裝置的余熱的回收利用。由此可見，對(duì)于振動(dòng)流化床裝置的應(yīng)用范圍越來越廣。

3 振動(dòng)流化床干燥技術(shù)專利分析

3.1 振動(dòng)流化床的節(jié)能技術(shù)

3.1.1 上蓋不參與振動(dòng)的振動(dòng)流化床技術(shù)。中國(guó)鐵嶺精工機(jī)器廠在1989年提出了使振動(dòng)流化床干燥裝置的上蓋不參與振動(dòng)的專利申請(qǐng)，該專利號(hào)為：CN2077531，該專利主要涉及通過減少振動(dòng)流化床參振的部分，以達(dá)到節(jié)能的目的。CN2077531公開了一種上蓋不參振的振動(dòng)流化床干燥機(jī)，其主要由上蓋、流化床板、下箱體風(fēng)室，軟連接，振動(dòng)電機(jī)，隔振簧等組成。上蓋通過支架座在基礎(chǔ)上，下箱體上裝有振動(dòng)電機(jī)，上蓋與下箱體之間由軟連接。由于上蓋不參振，可大幅度節(jié)省原材料，降低功耗，并使振動(dòng)更趨平穩(wěn)。適用于粉、粒、片、塊狀物料的干燥，尤其適用于分離段高度較大的物料。

3.1.2 外殼全不參振的振動(dòng)流化床技術(shù)。專利權(quán)人趙金兆在1994年提出了使振動(dòng)流化床干燥裝置的外殼全不參與振動(dòng)的專利申請(qǐng)，該專利號(hào)為：CN2220623，該專利主要涉及通過使振動(dòng)流化床參振的部分進(jìn)一步減少，以達(dá)到節(jié)能的目的。CN2220623公開了一種外殼全不參振的振動(dòng)流化床干燥機(jī)，其主要包括振動(dòng)電機(jī)、電機(jī)支座、振動(dòng)彈簧、流化床、振動(dòng)架、基座，流化床由振動(dòng)架支承，振動(dòng)彈簧由基座支承，安裝在外殼內(nèi)，外殼配有保溫層，與基座連為一體。由于該振動(dòng)流化床干燥機(jī)的外殼全不參振，因此從根本上減輕整機(jī)參振負(fù)荷，提高振動(dòng)電機(jī)的效率，優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)，滿足制作超大超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的流化床干燥設(shè)備的要求。

3.1.3 僅布風(fēng)板振動(dòng)的振動(dòng)流化床技術(shù)。中國(guó)成都工業(yè)科技開發(fā)公司在1988年提出了僅驅(qū)使振動(dòng)流化床干燥裝置的布風(fēng)板參與振動(dòng)的專利申請(qǐng)，該專利號(hào)為：CN2042584，該專利主要涉及通過減少振動(dòng)流化床參振的部分，以達(dá)到節(jié)能的目的。CN2042584公開了一種振動(dòng)流化床干燥機(jī)，主要由分布板、振源、角形密封、環(huán)形密封、軸密封、板密封、側(cè)密封以及機(jī)座、機(jī)體、機(jī)蓋組成，其特點(diǎn)主要是在保證流態(tài)化產(chǎn)生條件得到滿足的前提下，將分布板與其他裝置分離，即振源只驅(qū)動(dòng)分布板而不驅(qū)動(dòng)其他裝置，以達(dá)到節(jié)能和改善環(huán)境品質(zhì)的目的。

專利文獻(xiàn)CN203586679公開了一種風(fēng)室不參振的多層振動(dòng)流化床干燥機(jī)，其主要包括設(shè)有進(jìn)料口和排風(fēng)口的上蓋、至少兩層振動(dòng)流化床、風(fēng)室和出料口，振動(dòng)流化床設(shè)有激振器、床體、彈性支撐裝置、布風(fēng)孔板和下料口，出料口的進(jìn)料端與最底層振動(dòng)流化床的下料口連通，上蓋與振動(dòng)流化床之間通過軟連接相連接，振動(dòng)流化床與風(fēng)室之間通過軟連接相連接。由于上蓋、各層振動(dòng)流化床及風(fēng)室之間均采用軟連接，各層振動(dòng)流化床獨(dú)立振動(dòng)，互不干擾，物料依次流過各層振動(dòng)流化床，最后通過出料口排出，排出的物料即為被干燥好了的物料。由于本實(shí)用新型風(fēng)室不參振，降低了參振質(zhì)量，降低了機(jī)器成本，也降低了對(duì)地基和廠房的要求。

3.2 振動(dòng)流化床干燥裝置振源分析

3.2.1 振動(dòng)源為活塞。專利GB937461公開了一種以活塞為振動(dòng)源的振動(dòng)流化床干燥裝置，其包括進(jìn)料口4、卸料口5、帶孔的篩板1、活塞泵8和兩個(gè)振動(dòng)活塞單元7，熱空氣從進(jìn)氣口14進(jìn)入，穿過篩板1對(duì)其上的待干燥物料進(jìn)行干燥，同時(shí)，篩板1在活塞泵8與振動(dòng)活塞單元7的作用下進(jìn)行振動(dòng)，使待干燥物料在流化狀態(tài)下進(jìn)行干燥。

3.2.2 振動(dòng)源為電機(jī)。電機(jī)為振動(dòng)流化床領(lǐng)域最常見的振源，CN2324509公開了一種內(nèi)熱式振動(dòng)流化床干燥器，主要由支架、彈簧、床體、多孔氣體分布板、振動(dòng)電機(jī)和內(nèi)加熱構(gòu)件組成。工作時(shí)，物料在氣流和振激力的雙重作用下處于流化狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的干燥。因此，此種干燥器熱效率高、能耗低、適用范圍廣。

3.2.3 振動(dòng)源為磁鐵。電磁感應(yīng)被用于作為振動(dòng)流化床的振源是在專利文獻(xiàn)：CN203824231中，其公開了一種用于制備微丸的流化床，其在布風(fēng)板底部設(shè)置銜鐵，銜鐵下方設(shè)置電磁鐵，通過電磁鐵和銜鐵來實(shí)現(xiàn)布風(fēng)板的快速小幅度振動(dòng)。

專利文獻(xiàn)CN106643091公開了一種低能耗的磁性礦紅外線干燥器，其在布風(fēng)板底部設(shè)置銜鐵，銜鐵下方設(shè)置電磁鐵，通過電磁鐵和銜鐵來實(shí)現(xiàn)布風(fēng)板的快速小幅度振動(dòng)。

3.2.4 振動(dòng)源為空氣脈動(dòng)。專利文獻(xiàn)CN101468329公開了一種空氣脈動(dòng)重介流化床及其分選方法，在按某一規(guī)律周期交替變化的非恒定上升垂直氣流中混入微細(xì)顆粒的固相加重質(zhì)，形成一個(gè)在一定密度范圍內(nèi)波動(dòng)的氣固流化床層，不同密度組成的被分離礦物進(jìn)入流化床層后，輕者上浮，重者下沉，并在脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)中更好的實(shí)現(xiàn)了按密度分層，從而實(shí)現(xiàn)分選的。工作中所述非恒定氣流還可以是不間斷的脈動(dòng)氣流，也可以是不間斷的其他周期氣流，同樣還可以是間斷的脈沖氣流，也還可以是間斷的其他周期氣流，甚至還可以是與跳汰選煤脈動(dòng)相似的脈動(dòng)氣流等等。工作中所述非恒定氣流的頻率可按需要調(diào)節(jié)，根據(jù)對(duì)象的變化，找到需要的最佳脈動(dòng)頻率，不同情況下均保持高效工作。工作中所述非恒定氣流的上升時(shí)間、頂部穩(wěn)定時(shí)間、下降時(shí)間、底部穩(wěn)定時(shí)間的長(zhǎng)短可按需要調(diào)節(jié)，針對(duì)千變?nèi)f化的對(duì)象，找到其最適宜的脈動(dòng)波形，保持高效工作。

3.3 多層振動(dòng)流化床干燥

專利文獻(xiàn)CN2359644公開了一種多層振動(dòng)流化床干燥機(jī)，其主要由上床罩、中床體、下床體、篩板及加料裝置組成，它們之間是通過法蘭連接，中床體與下床體之間設(shè)多層篩板，上、下層篩板之間通過落料閥組連接，下床體的側(cè)面安裝熱風(fēng)進(jìn)口，兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)安裝在下床體中部對(duì)稱部位或其下部或干燥機(jī)的其他部位，加料裝置設(shè)在料斗的下部，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能，熱效率提高15%～20%，設(shè)備占地面積可減少25%～30%。

專利文獻(xiàn)CN203857774公開了一種蔗渣振動(dòng)篩分流化干燥裝置，其包括進(jìn)料皮帶、蔗渣入料口、筒體、煙氣排氣口、一級(jí)振動(dòng)流化床、二級(jí)振動(dòng)流化床、三級(jí)振動(dòng)流化床、四級(jí)振動(dòng)流化床、五級(jí)振動(dòng)流化床、蔗渣出料口以及煙氣進(jìn)氣口。所述的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)振動(dòng)流化床由激振電機(jī)、彈簧減振裝置、支架、流化床體所組成。在筒體內(nèi)安裝至少一級(jí)振動(dòng)流化床，在振動(dòng)流化床上方安裝有蔗渣疏松裝置。該裝置采用振動(dòng)流化床與蔗渣疏松裝置相結(jié)合的方式，對(duì)蔗渣進(jìn)行振松和疏松及分類，可根據(jù)蔗渣大小控制干燥時(shí)間，高效的利用鍋爐煙道廢氣進(jìn)行干燥;利用機(jī)械攪拌與直筒懸浮式干燥相結(jié)合的方式，能夠有效地解決蔗渣結(jié)團(tuán)、堵塞、出料不順，鍋爐熱效率低下等問題。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)梳理了振動(dòng)流化床干燥技術(shù)的分類，對(duì)振動(dòng)流化床干燥技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量隨年度的變化、技術(shù)來源國(guó)以及核心專利進(jìn)行分析。振動(dòng)流化床干燥技術(shù)的專利申請(qǐng)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代初期，在最近幾年才進(jìn)入飛速發(fā)展階段，而我國(guó)的申請(qǐng)量已經(jīng)達(dá)到了第一位，說明我國(guó)關(guān)于振動(dòng)流化床干燥技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)入了重要階段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于春生.振動(dòng)流化床干燥機(jī)的基礎(chǔ)特性研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1996（4）：3.