振动流化床干燥器的设计.docx

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振动流化床干燥器的设计

学位论文

振动流化床干燥器的设计

Designofvibratingfuidizedbed

作者姓名：

学科、专业：

学号：

指导教师：

完成日期：

太原工业学院

TaiyuanInstituteofTechnolog

摘要

干燥技术广泛应用于国民经济的众多产业部门。

其中振动流化床干燥是一种比较新型的干燥技术，它可以使物料更有效的流化，克服了一些易结块、难以流化物质的流化问题，解决了普通流化床存在的缺点。

另外，它还提高了热能的利用效率，在传热传质方面收到了很好的效果。

开展本课题，目的在于更好的了解振动流化床的运行过程，掌握一些小的技术，进而为以后的工作学习打好基础。

本文给出了氟硅酸钠简单的热量衡算，以氟硅酸钠的一些生产数据为计算标准，重点在热风进量和进风口大小设计计算上。

此外，对布风板也进行了着重介绍。

以参考文献为参照标准，在绪论中介绍了现代干燥技术中的各种干燥设备及其使用方法，并对国内干燥设备的研究进展做了简单说明。

最后总结出我国干燥设备存在的问题和面临的挑战。

本文只在流化床干燥器方面做了简要介绍，在小的部件上做了简单计算，还达不到按特定物料进行流化床干燥器设计的程度，工程经验在设计中仍然占有重要地位，本文力求在这方面起到抛砖引玉的作用。

关键词：

流化床，干燥器，振动

Abstract：

ThedrytechnologywidelyappliesinthenationaleconomynumerousIndustrialDepartment,Andthevibratefluidizedbeddryisonekindofquitenewdrytechnology,Itmaycauseamaterialmoreeffectivefluidization,overcamesomeeasilytoagglomerate,tofluidizematerialwithdifficultythefluidizationquestion,hassolvedtheordinaryfluidbedexistenceshortcoming.Moreover,italsoraisedtheheatenergyuseefficiency,hasreceivedtheverygoodeffectintheheattransfermasstransferaspect.Developsthistopic,thegoalliesinabetterunderstandingtovibratefluidbed'smovementprocess,masterssomesmalltechnologies,thenbuildsthefoundationforthelaterworkstudy.

Thisarticlegavethesodiumfluosilicatesimplehotquantitygraduatedarmtocalculatethattakethesodiumfluosilicatesomeproductiondataasthebasisofcalculation,key,inthehotwindenteredthequantityandinthetuyeresizedesigncalculation.Inaddition,alsocarriedontotheclothairdeflectorintroducedemphatically.Takethereferenceasthereferencestandard,introducedinmoderndrytechnology'seachkindofdryingequipmentandtheapplicationmethod,andhasgiventhesimpledeclarationtothedomesticdryingequipment'sresearchdevelopment.Finallysummarizesthechallengewhichourcountrydryingequipmentexistence'squestionandfaces.

Thisarticleonlydidinthefluidbedwaterextractoraspectintroducedbrieflythathasmadethesimplearithmeticonthesmallpart,butcouldalsonotachieveaccordingtothespecificmaterialcarriesonthefluidbedwaterextractordesignthedegree,theprojectexperiencestillheldtheimportantpositioninthedesign,thisarticlemakeseveryefforttherolewhichplayedinthisaspectoffersafewordinaryintroductoryremarkssothatothersmayoffertheirvaluableideas.

Keyword:

Fluidbed;Dry;Vibrates

引言

干燥是将物料去除水分或其他挥发成分的操作，涉及面很广。

随着生产的发展，对干燥技术、干燥装备的需求有了更高的要求。

由于原有工业基础较薄弱，产量小，大多数用电烘箱、蒸汽烘箱等干燥物料，为适应工农业生产的需要，开展了对喷雾、气流、流化等干燥装置的开发以及对农产品、食品、药品、生物制品等的干燥过程及装置的研究开发工作。

基于对干燥理论、技术、装置的关心，在干燥领域迄今已举行了不少有关学术会议。

早在1965年6月上海市化学化工学会就组织了华东六省一市干燥—过滤技术会议。

1975年5月在南京原化学工业部组织并召开了全国第一届干燥技术会议；1986年10月，中国化工学会组织了全国第二届干燥技术会议，迄今已5届。

1994年10月辽宁省干燥技术学会于沈阳组织了“94’全国干燥技术研讨会”。

1996年4月国家自然科学基金委员会材料与工程科学部于北京召开了“96’干燥技术研讨会”。

还有“全国冷冻干燥会”、“全国农副产品干燥学术会”、“木材干燥技术交流会”以及中国农机学会收获加工机械专业委员会和全国农产品干燥情报网也组织过几次干燥技术学术讨论会等等[1]。

这些会议都集中交流研讨了有关干燥问题。

另外，化学工程、化工机械、工程热力学、红外线加热技术等专业会议，也都有不少干燥方面的论文发表。

我国学者除了在国内会议刊物上发表论文以外，在国际干燥会议上也有不少论文。

目前，国内的干燥装置，主要有气流干燥、沸腾干燥、喷雾干燥、振动流化床、惰性离子流化床，强化干燥，旋转闪蒸干燥，制药用的无菌喷干及迥回真空干燥、混流干燥、粉碎干燥联合机、胶塞灭菌—干燥联合机、热泵干燥、冷冻干燥、多层流化床干燥等，还有红外干燥、远红外干燥、静电干燥、微波干燥、对撞流干燥等。

可以说中国的干燥技术取得了突飞猛进的发展。

本文简介了一些常见的干燥设备，主要对振动流化床干燥器做出了介绍，从其基本参数的计算到结构的设计，结合国内的一些参考文献，总结出了比较详细的计算公式。

第1章绪论

干燥设备是国民经济各部门应用十分广泛的设备,同时又是耗能极大的设备。

随着科学技术的进步,传统的干燥设备在不断改进、提高。

同时,新的干技术及设备在不断涌现,它们追求的目标是一致的:

高效;节能;可靠;廉价。

本章通过介绍国内的一些流化床的发展和应用，指出我国干燥器的发展和存在的欠缺。

第1.1节课题的提出和意义

我国的现代干燥技术是从20世纪50年代逐渐发展起来的，经过半个世纪的发展，已经发生了根本性的变化。

目前，我国已经有数百家干燥器生产厂家，还成立了干燥行业协会，很多先进的干燥设备都能应用于各行各业，其中某些型号的干燥器还出口到国外，其中喷雾干燥装置、旋转快速干燥装置、振动流化床干燥器、用蒸汽管传热的圆筒干燥器和粮食干燥器等，国内都能掌握了其生产技术，均能够达到或接近世界先进水平。

但是在很多干燥器上，中国的自主研发能力远远落后于国外，比如流化床干燥器还主要是模仿国外的先进技术，照猫画虎，这使得流化床干燥在很多技术方面还是赶不上国外，，加之国内多数的药厂对流化床的认识存有误区，使其无法得以正确使用，往往将造粒机当着干燥机使用，造成极大的浪费。

而且该机能耗高，以FL—200沸腾干燥制粒机为例，其生产能力是100～240kg/批，装机总功率为30.75kW，每批需时间3h，电的单耗为1.08～2.6kg/kWh，蒸汽耗量240kg/h，平均蒸汽耗量为0.139～0.33kg/h[2]。

所以，国内的干燥器与国际先进水平相比，无论在用材、结构、性能，测控技术等还是在使用方面都存在一定的差距[2]。

1.1.1我国干燥行业的发展和面临的挑战

我国的干燥技术与装备，经过二十年的发展，已经发生了根本性的变化，迄今对于常用的干燥设备，如气流干燥、喷雾干燥、流化床干燥、旋转闪蒸干燥、红外干燥、微波干燥、冷冻干燥等设备，我国均能生产供应市场，对于一些较新型的干燥技术如冲击干燥、对撞流干燥、过热干燥、脉动燃烧干燥、热泵干燥等也都已开发研究，有的已工业化应用。

目前，国内的干燥装置，从其类型看主要分为单层、多层、卧室和喷雾流化床、喷动流化床等，从被干燥的物料看，大多数的产品为粉末状（如氨基匹林、乌洛托品等）、颗粒状（如各种片剂、谷物等）、晶状（如氯化铵、涤纶、硫胺等），被干燥物料的湿含量一般为10%-30%，物料颗粒度为120目以内。

而国外的干燥设备无论是从类型上还是从干燥的物料性质上还是热量传导上都远远超过国内的干燥设备，所以，自主研究新型，高效，节能的干燥设备势在必行！

1.1.2我国现代干燥技术

在我国，干燥技术突飞猛进，所开发研究的内容陆续有气流干燥、沸腾干燥、振动流化床干燥、惰性离子流化床干燥、强化干燥、旋转闪蒸干燥，制药用的无菌喷干及迥转真空干燥，混流干燥，粉碎干燥联合机、胶塞灭菌—干燥联合机，热泵干燥，冷冻干燥，多层流化床，多层振动流化床干燥、多室流化床、离心流化床、螺旋板干燥、流化床喷雾造粒干燥、木材真空干燥、搅拌干燥、红外干燥、远红外干燥、静电干燥、微波干燥、对撞流干燥、多段换向穿流干燥，立式及卧式盘式干燥机，浆液螺旋叶干燥机等等！

在应用基础方面也结合或联系物料的干燥过程，开展了上述各类干燥方式中不同物料的关键参数的研究，如流化速度、雾化程度、干燥强度与各项操作指标的关系、能量的节约等。

干燥技术随着有关产业的发展有着比较大的进展，因为干燥涉及不同品类产品的品质、性状、干燥前后的不同物态。

而干燥的能耗在工业发达国家也必然促使干燥装置制造业的发展。

其中机电一体化、加工制造标准化、调控水平等也都是体现干燥装置水平的内涵。

由此认为我国目前干燥技术的发展方兴未艾。

随着干燥有关产品的发展，对其品质的提高、能量单位的降低、操作的可靠程度，都会对干燥技术及装置提出更高的要求，对于干燥装置制造业来说，满足上述要求，乃至逐步形成具有当代世界水平或领先水平的产品及企业也是必要的。

若干干燥工作开展不多的产品，如造纸、食品、冶矿等方面的加强以及干燥基础理论研究，已有机种及新机种的开发。

机电一体化程度的提高、制造标准的接轨等都将是今后的研究。

已有机种及新机种的开发，机电一体化程度的提高、制造标准的接轨等都将是今后的工作内容。

第1.2节干燥器的简介

1.2.1流化床干燥器

（1）普通流化床干燥器

单层或多层圆筒型流化床干燥器最早应用的流化床为单层圆筒型，其材料为普通碳钢内涂环氧酚醛防腐层，气体分布板是多孔筛板，板上小孔半径1.5mm，正六角形排列。

整个干燥过程为：

湿物料由皮带输送机运送到抛料加料机上，然后均匀地抛入流化床内，与热空气充分接触而被干燥，干燥后的物料由溢流口连续溢出。

空气进入鼓风机、加热器后进入筛板底部，向上穿过筛板，使床层内湿物料流化起来形成流化层。

尾气进入旋风分离器组，将所夹带的细粉除下，然后由排气机排到大气中。

此干燥器操作简单、劳动强度低、劳动条件好、运转周期长。

但是由于单层圆筒流化床直径较小，物料停留时间较长，干燥后所得产品湿度不均匀。

因此发展了多层流化床，该流化床不仅可以提高效率，更重要的是能够得到较为均匀的停留分布时间。

为了对物料进行内扩散控制，多层流化床还先后经历了溢流管式、下流管式和穿流板式3个阶段。

多层流化床的物料干燥程度均匀，干燥质量易于控制。

热效率较高，适用于降速干燥阶段较长的物料以及湿含量较高（水分含量＞14%）的物料的干燥。

卧式多室流化床

由于多层流化床还是存在操作困难、床层阻力大和结构复杂等缺点，为克服这些缺点，20世纪60年代末70年代初发展了一种卧式多室流化床。

该设备结构简单、操作方便，适用于各种难干燥的粉粒状物和热敏性物料的干燥。

可以说，卧式多室流化床干燥器相当于多个方形界面流化床串联系统。

其主要特点：

a.在相邻隔室间安装挡板，从而可制得均匀干燥的产品，改善了物料停留时间的分布；

b.物料的冷却和干燥可结合在同一设备中进行，简化了流程和设备；

c.由于分隔成多室，可以调节各室的空气量，增加的挡板可避免物料走短路排出。

该设备在制药工业中推广较快，目前国内有几十个工厂用此设备来干燥各种片剂颗粒药物、粉粒状物料以及片状物料。

如果在操作上对各室的风量、气温加以调节，或将最末几室的热空气二次利用，或在床内添加内加热器等，还可提高热效率。

搅拌流化床

为了使某些湿颗粒物料或已凝聚成团的物料亦能采用流化干燥技术，研究人员在加料口附近装备床内搅拌叶片，使呈团状或块状的物料及时打碎，以利于形成流化，这种装备有搅拌器的流化床称为搅拌流化床。

其优点在于：

a.适合于湿含量较大、在热气流中不易分散的物料或者可能结块的物料的干燥；

b.可以避免沟流、腾涌和死床现象，获得均匀的流化状态，提高热质传递强度。

近年来搅拌流化床在制药工业上得到了相当广泛的应用，其常作为制药过程的后续工艺的干燥装置，以简化设备及工艺，降低成本。

振动流化床

随着多级干燥的发展，振动流化床（vibratefluidizedbed，VFB）得到应用，其基本结构与普通流化床相似，是一种将机械振动加于流化床中的改良产品。

物料依靠机械振动和穿孔气流双重作用流化，并在振动作用下向前作活塞形式的移动，利用对流、传导、辐射向料层供给热量，即可达到干燥的目的。

振动流化床由于物料的输送是由振动来完成的，供给的热风只是用来传热和传质，因此可以明显地降低能量消耗。

另外，由于床层的强烈振动，传热和传质的阻力减小，提高了振动流化床的干燥速率，同时使不易流化或流化时易产生大量夹带的块团性或高分散物料也能顺利干燥，克服了普通流化床易产生返混、沟流、粘壁等现象。

离心式流化床

离心式流化床是在离心力场中进行流化干燥的一种新型干燥设备，其原理是在机械转动造成的离心力场作用下使粒状物料分布在丝网覆盖的圆筒型多孔壁上，热气流穿过多孔壁使之流化干燥。

由于离心力场的存在离心加速度可以是重力加速度的几倍到几十倍，因此与普通重力流化床相比较，强化了湿分在物料内部的迁移过程，干燥时间短，传热传质速率高，能够有效地抑制气泡的生成及物料的夹带，对于在重力流化床中难以干燥的低密度、热敏性、易粘结的固体物料都可以有效地干燥。

脉冲流化床

针对一些不易流动的物料及干燥温度不允许超过50～80℃的结晶药物，发展了脉冲式流化床。

脉冲流化床改变了传统流化床的恒定送风为周期性送风，通过调节气流的脉冲频率或脉冲气流导通率，使通过孔板的气体流量或流化区发生周期性变化，对物料进行干燥。

其主要结构特点是在干燥湿底部的周围装有几根热空气进口管，在每根热空气管上装有脉冲阀，它们按一定的频率和次序开启，开启时间与床层厚度和物料性能有关，当气体突然引进时，在短时间内形成一个脉冲，使粒子剧烈流化，促使物料之间进行强烈的传热与传质，当阀门关闭时，床层的流化状态逐渐消失，则物料处于静止状态，此时仍通入部分气体通过床层，以便下一个脉冲能有效地在床中传递。

其优点在于：

传热系数高，干燥时间短，空气耗量减少，电能耗量低。

脉冲流化床能有效克服沟流、死区和局部过热等传统流化床常见的弊端，因而可用于处理黏性强、易结团和热敏性物料，如四环素类的抗生素。

惰性粒子流化床

惰性粒子流化床干燥器具有将物料蒸发、结晶、干燥和粉碎在同一设备中完成的特点。

此干燥器中预先装有直径为1～2mm的玻璃珠，其在热空气的作用下呈流化状态，物料进入流化床内，在玻璃珠相互球磨的作用下，迅速被粉碎、干燥。

目前，此类流化床干燥器在制药工业中的应用较少。

1.2.2其它种类干燥器

（1）喷雾干燥

按雾化器不同可将喷雾干燥分为三种类型：

旋转式，压力式及气流式。

就是由雾化头将物料雾化，然后穿过热风层而干燥。

该类装置在国内已经普及，塔径10m以下的我国已能自行设计，并掌握了制造技术，该装置对热敏性物料，如奶粉、染料、药品等一般采用并流操作。

（2）气流干燥

气流干燥作为成熟技术。

只要有操作数据，就可以直接设计。

现阶段有一种新型式，称为环形喷射气流干燥器，其高温高压的气流喷嘴，可实现瞬间气流干燥，有很高的干燥效率（60%～90%），适用于干燥液态、泥状物料，可替代喷雾干燥。

由于是瞬间干燥，产品温度几乎不上升，因而可干燥热敏性的低熔点物料。

（3）旋转快速干燥机

旋转快速干燥机，也称旋转闪蒸干燥机，其操作原理可以认为是带搅拌的锥型流化床。

这种干燥机的主要特点有：

（1）内设搅拌装置，是糊状物、膏状物及滤饼等均可流化，器内温度分布均匀；

（2）主体下部为锥型床，下部速度大，上部速度小，大小颗粒均可流化；（3）在与物料接触的高温区的壁面上，设置空气冷却夹套，防止湿物料过热；（4）上部设分级装置，可控制粒度分布。

该设备体积小、生产能力大，是一种值得推广的干燥设备。

国产的此类干燥机已获得广泛应用，效果良好。

（4）对撞流干燥

对撞流干燥是一种新的干燥方式，目前还处于研究阶段，，对撞流干燥的最突出优点是干燥强度大，在1～20s短时间内即可完成干燥。

这种干燥方式效果好的原因主要是，高度湍流、颗粒的悬浮流动、颗粒震荡与穿透在机内综合作用的效果。

（5）竖式（移动床）干燥器

竖式（移动床）干燥器是一种利用被干燥物料的自重，在干燥器中垂直向下运动的干燥器，称为竖式干燥器或移动床干燥器。

外壳为直立的通道，内部安装有减慢物料向下运动的横向栅板和纵向栅，物料连续地从干燥器上部加入，被栅板分散在竖式干燥器的整个截面，并且不断地向下运动。

热空气从燃烧室向下流动，从顶部排除，干燥产品从干燥器底部卸出。

如果在竖直的干燥器中填满了物料，连续而密集地向下移动，则干燥时间可以任意调节。

这种干燥器在谷物干燥方面应用较多，还用于煤球干燥，树脂干燥也是可行的。

竖式干燥器的特点如下：

①结构简单，管理方便，运转噪音小；

②干燥介质流速低，一般采用0.2～0.3m/s（以设备空截面计算）。

穿过物料层的阻力小，动能消耗低；

③排除的尾气在大多数情况下，都可以接近饱和程度。

热能消耗较少，热效率较高；

④物料停留时间可以任意控制，因此，对产品含水率可以控制很低；

⑤竖式干燥器仅适用于散粒物料的干燥，例如矿石、粒状树脂、谷物等；

⑥竖式干燥器金属耗量较大，但也可以采用钢筋混凝土或其他合适的建筑材料建造；

⑦采用的气速较低，不易产生粉尘带出，因此，不需要除尘设备。

除此之外，还有真空耙式干燥机，盘式连续干燥器、带式干燥器、太阳能干燥机、微波干燥器、红外、远红外干燥机，还有最新研究的脉冲冲击波干燥机，过热蒸汽干燥机，微波-对流干燥机等等！

这些干燥机的出现，都是现代工业发展的结果和要求，以后的干燥机，主要还会向着高效、节能、环保、人为的方向发展，相信在不久的将来，干燥机还会逐渐想着全自动一体化的发展[3]。

第1.3节振动流化床概述

图1是VFB干燥装置工作系统示意图。

VFB是干燥系统的主体设备,主要由以下几部分组成:

①进出风机构（进风口、进风室及气体预分布器、气体分布板及出风口）;②床体（上下壳体之间为软连接,两侧为进出料口）;③振动机构（振动电机、减振器、机架等）见图2。

图1　VFB干燥装置工作系统示意图

图2　VFB设备简图

VFB的干燥原理与CFB相似,处于流化状态的物料与热空气（干燥介质）进行充分的热量和质量传递,逐渐被干燥;而区别在于由安装在主机两侧的振动电机提供振力,电机的安装角度及其上的偏心距离均可调节,从而可方便地改变垂直方向的振动幅度和水平方向的运料速度,振动频率根据需要可由配置的定速交流电机或变频调节器进行传递或调节。

（1）工作原理

振动流化床，就是将机械振动施加于流化床上。

调整振动参数，使返混较严重的普通流化床，在连续操作时能得到较理想的活塞流。

同时，由于振动的导入，普通流化床的上述问题会得到相当大的改善。

振动流化干燥床的干燥原理与其他流化床不同之处是在主机两侧安装有振动电机以提供激振力。

由于振动电机的安装角度及振动电机上的偏心块之间的距离可调,因而可以调节机器运转时的振动幅度和物料停留时间。

与流态化干燥床相比,具有优越的特点:

a降低了流化速度,从而大大降低了能耗,与一般干燥设备相比,可节能30%以上；b颗粒表面损伤小,可用于易碎物料的干燥；c可调性好,适用面宽，料层厚度和在机内的移动速度以及振幅均可调节；适用于要求晶形完整、晶体光亮、物料粒径分布较宽的场合,如癸二酸、柠檬酸、硫脲等,也能胜任易粘结成块的物料如硝铵、白炭系列、PZG系列、LZG系列、WZG系列、ZW系列等。

振槽面积从0.84～23.6㎡,其振动频率一般为16.67Hz,也有25Hz、50Hz工作频率差为±0.3Hz。

振幅有0～3.2mm、0～5mm、1.4～3.2mm（可调）,激振角为0～90°（可调）；（4）流态化均匀稳定，可获得干燥均匀的产品。

（2）研究、生产、及应用现状

振动流化床干燥机，由于其优异的性能，目前已广泛地被应用于国民经济各行各业。

自六十年代以来，原苏联学者已发表了对振动流化床的报导，此后，东欧、加拿大等国学者做了大量探索。

但在理论研究方面则与1986年在上海召开的全国第二次干燥技术交流会开始，国内才陆续有了振动流化床研究的论文发表。

随后，有许多单位建立起来了初具规模的小型或已接近工业振动流化床的实验装置，对该技术的各个方面展开了系统的研究和探讨。

铁岭精工（集团）股份有限公司率先与1983年建起了我国第一套用于实验目的的小型工业试验装置，并随后开发了系列工业用振动流化床干燥机。

几所高等院校及科研单位，如天津轻工业学院、上海化工研究院、中国农业大学等也分别安装了形式各异的的试验装置，对振动流化床的各种参数及其干燥速率的影响进行了实验研究并开发了个具特色的工业振动流化床干燥机。

振动流化床的研究在流体力学、传热、传质方面已有大量报导，但对机械结构、刚度和强度方面的研究仍不充分，此外对