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过热蒸汽流化床干燥装置开发
肖志锋1，蔡亚军2，杜克镛2，刘相东1
(1 中国农业大学工学院农业工程系， 北京100083；2杭州钱江干燥设备有限公司，浙江 杭州310020)
摘 要：结合过热蒸汽干燥和流化床干燥的各自特性，开发出一种新型的过热蒸汽流化床干燥装置，阐述了其工作原理。以卧式多室过热蒸汽流化床干燥装置干燥酒糟为例进行了工艺设计和计算，保证在稳定工作条件下，干燥室内绝对压力为0.3MPa，工作介质温度为180℃，最佳操作流化速度为2.6m/s。试验结果表明：该卧式多室过热蒸汽流化床干燥装置具有干燥速率快、能源效率高、产品质量好和干燥操作成本低等优点，特别适宜初始湿分高而加工附加值低的农产物料的干燥。
关键词：流化床干燥；过热蒸汽；农产物料
Development of a Superheated Steam Fluidized Bed Dryer
Z. F. Xiao1 Y. J .Cai2 K. Y. Du2 X. D. Liu1
(College of Engineering, China Agricultural University)
Abstract：A new type of superheated steam fluidized bed dryer was developed at the basis of superheated steam drying and fluidized bed drying. Its work principle was elaborated. The study effort was emphasized on designing and computing of a lees dryer. In steady superheated steam drying, the conditions were set up as follows: superheated steam temperature of 180℃ at a fixed superficial velocity of 2.6 m/s, the absolute pressure of drying room is 0.3MPa. The results indicate that the dryer have many strongpoints as quick drying velocity, lower cost, and good quality. It is very suit for many agricultural products that has high original humid and has low processing add-ons value.
Keywords：Fluidized bed drying；Superheated steam；Agricultural products
0 引言
过热蒸汽干燥（Superheated Steam Drying）是一项近来应用在工业领域的较新技术，是利用过热蒸汽直接与被干燥物料接触而去除其水分的一种干燥方式[1]，被 A.S. Mujumda称其为一种很有发展前景的干燥新技术[2]。与传统的热风干燥相比，过热蒸汽干燥在干燥效率、产品质量改善和节能环保等方面都具有明显的优势，采用过热蒸汽干燥取代现有的传统热风干燥将是当今乃至今后十几年的一个趋势。近几年，曹崇文教授[3]等从热力学观点对过热蒸汽干燥基础理论进行了研究，并研制出了小型的过热蒸汽干燥试验台，对酒糟、玉米等农产物料进行了过热蒸汽干燥动力学试验研究，本文参考了他们的一些基础试验数据。
流化床干燥具有热容量系数大、热效率高、密封性能好和停留时间可任意调节等特点，传统的以热空气为干燥介质的卧式多室流化床干燥器是流化床干燥器中发展最快和工业化应用最广泛的一种，这种设备结构简单、操作方便，适用于干燥各种难于干燥的粒状物料和热敏性物料，并逐渐推广到粉状、片状等物料的干燥领域[4]。考虑到过热蒸汽的基本热力学性质与热空气不一样和过热蒸汽干燥的特点，在传统的卧式多室流化床干燥器结构基础上，我们通过改造原有的结构型式和尺寸，研制了卧式过热蒸汽流化床干燥装置。
1干燥装置工作原理
图1所示为卧式过热蒸汽流化床干燥流程示意图，整套装置主要由换热器、干燥室、冷凝器、进料机构、排料机构、旋风分离器、循环风机和安全阀组成。干燥装置刚开始工作时，由于没有预先加入蒸汽，为闭式循环的热空气干燥，随着干燥过程中物料水分的快速蒸发到热空气中，系统内压力将不断增大，约10分钟后干燥室绝对压力将达到0.3MPa，此后系统将通过在干燥室顶端的安全阀排出多余的湿蒸汽，维持干燥室操作压力在0.3MPa，再经过大约5分钟，原来系统内的绝大部分空气将被过热蒸汽所置换，开始进行稳定的过热蒸汽流化干燥状态。这段时间相对于实际工业化大批量干燥过程是短暂的一段时间，因此本文主要是以一刻钟后的过热蒸汽干燥稳态过程为研究对象。干燥室底端和顶端的过热蒸汽温度由温度传感器测定，底端进口过热蒸汽温度可通过调节热交换器的功率获得，范围为150～190℃，顶端出口蒸汽温度为140℃，弱高于对应压力下的饱和蒸汽温度（134℃）。流化床操作流化速度范围为2.0～4.0m/s，通过调节循环风机功率和各进气支管阀门获得。物料通过进料机构连续定量加入到干燥室中，在给定的操作流化速度下,干燥室内物料产生稳定的流态化,并在过热蒸汽与湿物料接触中进行传热和传质，物料所含湿分不断蒸发,产品也随之干燥至规定的含湿率，通过排料机构连续排出。在循环风机的引力下，干燥室上端的接近饱和的蒸汽和干燥操作中扬起的细粉通过旋风分离器，细粉将被旋风分离器收集，蒸汽再通过热交换器加热成为过热蒸汽，进行循环工作。多余的湿蒸汽通过安全阀排出，实际应用中可由冷凝器回收其潜热或另做它用。
2 进料和排料机构型式选择
由于采用过热蒸汽干燥，不能有气体泄漏，喂料和缷料不能有空气渗入和蒸汽排出，因此合适的进料和排料机构对于干燥过程的有效进行非常关键。经查阅文献，存在压差情况下，干燥机常用于颗粒状物料的供料机构有弹式叶轮供料器、螺旋供料器、锁气料斗式供料器和双级串联供料器。在长期实际使用过程中，众多使用厂家一致反应上述供料机构在密封及防堵性能方面仍存在诸多不足，密封和防堵性能对工艺的影响非常突出，稍不严密，都会产生较大漏风，严重影响工作效率。本文研究的过热蒸汽流化床干燥装置干燥室内操作压力为0.3MPa，内外压差接近0.2MPa，要求的密封和防堵性能要求严格，利用了螺旋体、压力门、料封三重关风原理的LXGF螺旋关风器[5]能保证工艺性能，真正达到既闭风又输送物料的目的。结构如图2所示，整体由进料口、传动装置、螺旋输送体、筒体、弹簧压力门和出料斗等部件组成。
3设计实例（以干燥酒糟为例）
3.1已知的设计条件和物理参数
每小时获得干料产量G2为400kg；酒糟初始湿含量w1为60％， 终了湿含量w2为10％；酒糟颗粒当量直径de为3.5mm，球形度 为0.7；干料比热Cs为1.3kJ/(kg.K)，密度ρs为800kg/m3，初始温度θ1为20℃, 出料温度θ2为140℃。干燥介质为过热蒸汽，稳态工作时干燥室操作压力P维持为0.3MPa（饱和温度Ts=133.6℃），温度T1为180℃的过热蒸汽（ 比容 1＝0.823m3/kg，焓h1＝2824.0kJ/kg，运动粘度 1＝12.5×10－6m2/s）进入干燥室底端，从干燥室顶端流出的过热蒸汽温度T2为140℃（ 比容 2＝0.624 m3/kg，焓h2＝2738.8 kJ/kg，运动粘度 2＝8.8×10－6 m2/s）[6]。根据经验：静止床层高度H0取150mm，空隙率ε0取0.4；临界床层空隙率εmf取0.6；流化床层高度H取300mm，流化床层空隙率ε取0.7；孔板开孔率取5%，孔径取2mm。
3.2主要工艺计算 
由过热蒸汽流体力学性质知，当固定床演变到流化床临界时刻，气体介质表观速度达到临界流化速度，固定床中床层压降与气体速度的关系，可以由Ergun方程准确表示，合并Ergun方程和流化床层受力平衡方程有[7]：
代入各参数，解未知数为umf的一元二次方程，可解得：umf≈1.3 m/s。在相同条件下用热空气作为流化床干燥介质的临界流化速度为0.9 m/s，这是由于相对于空气，过热蒸汽的密度和动力粘度更小的原因所致。由多次实验观察知最佳流化速度u为2倍的临界流化速度，即为2.6 m/s。
6）床层截面积A
4 结语
本干燥装置在杭州钱江干燥设备有限公司设计制成，采用循环闭式操作，整个干燥过程都不需要附加的蒸汽发生器，还能减少过热蒸汽干燥初始加热阶段物料表面冷凝现象的发生。进料和排料机构是整个装置系统设计的重要部分,密封效果和输送物料能力将直接影响干燥装置的流化效果和干燥性能。通过与传统热空气流化床干燥进行对比，采用此装置干燥酒糟等农产物料在干燥速率、能源效率、操作成本和产品质量等方面具有明显优势，适宜初始湿分高而加工附加值低的农产物料的大批量干燥。
进一步的研究将通过理论与试验相结合的方式，对具有最佳干燥动力学表现的蒸汽压强、流化速度，以及合适的多余排放蒸汽的利用方式等问题进行探索。
参考文献
[1] Mujumdar A S. Drying technologies in the future. Drying of Solid，1992
[2] Mujumdar A S. Superheated steam drying. Handbook of Industrial Drying，1995
[3] 曹崇文，连政国. 过热蒸汽干燥的机理与特性. 南京林业大学学报，1997，21（增）
[4] 潘永康，王喜忠主编. 现代干燥技术. 北京：化学工业出版社，1998
[5] 杨友文，周尚明. LXGF螺旋关风器的介绍. 粮油食品科技，1999，3
[6] E.斯米特， U.格里古尔著，赵兆颐译. 国际单位制的水和水蒸汽性质. 北京：水利电力出版社，1983
[7] 黎强，邱宽嵘，丁玉. 流态化原理及其应用. 北京：中国矿业大学出版社，1994
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