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惰性粒子流态化技术
潘永康，李建国，赵丽娟
（天津科技大学机械工程学院过程装备与控制工程系，天津，300222）
摘 要：本文介绍了惰性粒子流态化技术在干燥技术和蒸发操作中的应用，对干燥液态物料的惰性粒子流化床作了较全面的论述。从操作原理、惰性粒子特性、流体力学和传热传质性能、干燥曲线、设备类型、工业应用方面作了介绍，并对蒸发中应用的三相流技术作了扼要介绍。
关键词：惰性粒子，传热传质，干燥
Fluidized Technology of Inert Particles
Pan Yongkang, Li Jianguo, Zhao Lijuan
（Department of Process Equipment and Control Engineering, College of Mechanical
Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin, 300222）
Abstract: This paper introduces the application of fluidized bed with inert particles technology in drying and evaporation. The operation principle, inert particles, hydromechanical characteristic, heat and mass transfer, drying curve, equipment type and industrial application are introduced in detail. The three-phase technology in evaporation is only introduced in brief.
Keywords: inert particle, heat and mass transfer, drying
1．概述
惰性粒子流态化技术是指利用固体粒子在传热传质过程中无物性变化，但由于其在流化床中处于强烈的湍动，而促使床中其它被处理物料加速传热传质的技术。
最常见的该技术是用于干燥液态物料的惰性粒子流化床。但在流化床中被流化的惰性粒子也可作为固体载热体，在热风和惰性粒子载热体的共同作用下，干燥浸没在流化床中的幅状物料，如皮革和布匹。采用有吸附作用的惰性粒子（如硅胶），可吸附干燥流化床中的湿固体物料，如粮食等。
与惰性粒子流化床的作用原理类似，在床中充填细粉底料，还可进行造粒及涂层加工。
近年来惰性粒子流态化技术已用于蒸发，称之为惰性粒子三相流技术。试验证明：在蒸发中应用惰性粒子三相流技术不但可以增强传热，而且可以防止管壁结垢及除垢。本文将主要介绍干燥液态物料的惰性粒子流化床，其它应用只作简单介绍。
2．惰性粒子流化床―用于液态物料的干燥
2.1工作原理
液状物料喷洒在床内形成流化层的惰性粒子上，在粒子表面形成薄的液膜，在热粒子和热风的共同作用下，液膜脱水后变成固态膜。由于流化粒子的不断碰撞，固态膜被撞击脱落形成粉状。此粉状物料在流化床中被继续干燥，并随后被气流带出，经分离而得到粉状干产品。此干燥过程如图1所示。
在惰性粒子流化床中干燥的液状物料，可以是溶液、悬浮液、乳浊液等较稀薄的液状物，也可以是糊状、膏状等含湿量较低的稠厚物料。
2.2惰性粒子
玻璃珠、聚四氟乙烯颗粒、陶粒、石英砂、氧化铝小球等均可作为惰性粒子应用于惰性粒子流化床中。
惰性粒子在流化床中由于热流体的作用处于流化状态，其流化性能随粒子的形状、大小及密度而异。密度和粒度较大的惰性粒子要求较大的流化速度，但易于将粒子表面的干燥膜碰碎。而小颗粒则因其单位体积的比表面较大，传热性能较好，但因其质量小使碰撞力较小，粒子易粘结在一起。惰性粒子流化床的工作性能由传热和碰撞作用所控制，因此在选择惰性粒子时应从多方面考虑，特别是不同材料的粒子和不同性质的料液的粘结力也不同，因此，粒子―料液的匹配是否得当，常由试验观察确定，惰性粒子的一些性能见表1和表2。
惰性粒子流化床的操作气速和床层压降比常规流化床增加30～120%。为兼顾干燥速度和粉碎能力，将大小载体粒子混合使用，可提高干燥能力。在惰性粒子流化床中，若采用升举式桨叶，由于机械搅拌作用可提高干燥强度30～50%。
2.3惰性粒子流化床操作性能的影响因素
惰性粒子流化床的操作性能受诸多因素的影响，如进风温度、进风速度、床层高度、粒子种类、进料量、物料浓度、多孔板开孔类型、搅拌转速等。而在操作结果上，则反映为床层压降、床层体积传热系数、干燥强度、处理量、滞留率、热效率和产品终含水量等。不同类型的惰性粒子流化床的流体力学特性和传热传质规律是相类似的，以下按斜孔板惰性粒子流化床为例，予以说明。
2.3.1实验装置及斜孔分布板
实验装置如图2所示，斜孔分布板如图3所示，斜切分布板的开孔率为8.2%。
2.3.2各种影响因素
2.3.2.1惰性粒子的流体力学特性，如图4、图5和图6所示
2.3.2.2体积传热系数
体积传热系数是以惰性粒子所占静床体积计算的，表示惰性粒子流化床的传热性能，它与进料量、进风温度、进风速度、粒子的静床高和料液浓度等有关。.
 
此方程与实验数据吻合较好，但尚未得到工业生产的广泛印证。
2.3.2.3热效率
2.3.2.4滞留率
2.3.3不同类型惰性粒子流化床的比较
2.3.3.1流化曲线的比较
从图19可见，斜孔板（旋流）振动、斜孔板不振动和直孔板振动三种情况的流化曲线相当接近，斜孔板（旋流）促进粒子流化的作用与振动的影响基本相同，但斜孔板（旋流）惰性粒子流化床不需外加动力。
2.3.3.2体积传热系数的比较
图20为三种惰性粒子流化床在相同条件下体积传热系数的比较，从图中曲线可见，斜孔板形成的旋流惰性粒子流化床的体积传热系数最大，而且此时是否施加振动效果不显著。
值得说明的是，我们试验中采用的是小型斜孔板惰性粒子流化床，而且床层高度不大，可以设想，对大型深床层惰性粒子流化床，可能不能仅靠斜孔多孔板来造成旋流，在床层中部还要附加环向气流。如果在旋流中加入几股直孔板形成的直流，造成一定的“乱”流可能效果更佳。
2.3.3.3惰性粒子流化床操作参数对其性能的影响
表3定性地给出了各种操作参数对其操作性能的影响。表中用向上的箭头和向下的箭头分别表示提高和降低。某参数对某指标的影响是指其它参数为固定时作出的。此外，此表所示的变化趋势均是指操作参数在一定范围内变动而言的，超出一定范围可能会出现异常现象。
＊1 表中箭头符号↑表示提高，↓表示下降
＊2 表中所标示的变化趋势表示一般情况，某些资料反映的数字与此不同
＊3 通常床层高度不应大于设备直径
2.4惰性粒子流化床的干燥曲线
惰性粒子流化床的干燥曲线在文献中较少报导。Kudra书中引用的Leontiva等人的文献中报导了这种曲线，这是在8mm的陶瓷颗粒涂覆了0.6～0.8μm膏状颜料的对流干燥试验得到的，如图21所示。图中曲线显示，在干燥时物料的温度在湿球温度和排气温度之间，这是因为热粒子的传导作用补充了对流传热，因而物料温度超过了湿球温度。 
图22表示物料和排气温度及进气温度的关系。从图中曲线可见，在一定的进气温度下（图中用方框表示的温度），出口温度越高，则物料温度也越高。因此在干燥热敏性物料时，可采用较低的进气温度，甚至间断的吹入冷空气，以降低物料的温度。
通常物料的干燥时间为60～90s，物料在床内的停留时间为200～400s。血和鸡蛋干燥的停留时间为30～85s，物料层厚为60～200μm。低温进风可处理生物物料，如表4所示。
惰性粒子流化床干燥曲线的测定，在喷涂、涂层干燥、干燥后涂层脱落几个阶段处于流化床的不同区域时比较理想，如多层圆形振动流化床。如在通常的圆筒形惰性粒子流化床中，因上述几个阶段重叠进行，较难测定。如果一次喷涂后不再连续喷涂，则在随后的时间内也可测定不同阶段的物料参数。
2.5惰性粒子流化床装置
最常见的惰性粒子流化床装置是锥形－圆筒形的，其流程如图23所示。目前，流化床底部直径从300mm到1600mm不等，最大蒸发量从5kg/h到640kg/h不等，其平均最大干燥强度可达400kgH2O/m3·h（m3是指惰性粒子体积），搅拌轴转速为40～100rpm（可调），压力降为～1600mmH2O/m床高，热效率为60～70%，产品粒度为80目。
此外，如图24所示，除流化床外，喷动床、旋流床、回转圆筒、气流干燥器及冲击流干燥器均可作为惰性粒子干燥装置。
2.6惰性粒子流化床的工业应用
目前在各行业均有大量的溶液、悬浮液、滤饼及膏糊状物料需脱水干燥，以前多采用喷雾干燥、转鼓干燥甚至烘箱干燥，而滤饼及膏糊状物料若采用喷雾干燥往往需要在干燥前打浆稀释，增大了脱水量。喷雾干燥及转鼓干燥均存在干燥强度低、投资较多、设备庞大、能耗高等缺点。而旋转闪蒸干燥器，如果物料水分偏大，如浆状物料也不适用。而惰性粒子流化床则不受物料水份波动的影响，可处理从液状到浆状、膏糊状、滤饼等各种形式的物料，而且具有干燥强度大、设备体积小、投资少、运行费用低、操作连续、产品质量稳定等优点。
我国有几个企业已成功地将此技术推广应用于工业，如山东天力干燥设备厂、上海大川原干燥设备有限公司、常州长江干燥设备厂及杭州钱江干燥设备厂等。所处理的液态物料有染料中间体、农药、建材、添加剂、食品保鲜剂等。但纵观全国，应用尚不够广泛。
对于惰性粒子流化床的研究，国内外已有诸多报导，开发较早者还属前苏联的研究者。国内诸多高等院校的有关研究也已见诸报导。
惰性粒子流化床在应用于某种液状物料干燥时，事先也需进行试验，以获取适宜的操作参数。试验主要根据处理量和产品最终含水量要求，调节空床气速、加料速度及最大床层负荷；风温应根据产品的耐热温度来确定，即与风温对应的湿球温度应大于物料的耐热温度，而事先应根据物料粘接特性选择惰性粒子的种类（可简单试验一下，粒子涂上物料后进行烘干，检测一下可否剥落），床体大小应根据最大床层负荷确定。
3．惰性粒子流态化技术的其它应用
3.1接触吸附干燥
这是将湿物料和加热的惰性粒子直接接触，颗粒的传热导致湿物料中的水分蒸发并随之干燥。如果这种加热了的惰性粒子具有很高的吸水性，如硅胶，则导致传质，使水分较快的从湿物料中排除，干燥时间可减少20%，节能80%，如图25所示。
另一种称之为活性流化床的接触吸附干燥器可用来干燥大型幅状物料（织物、皮革、胶合板），如图26所示。 3.2汽液固三相流蒸发技术 在蒸发管中加入惰性粒子，形成汽液固三相流（其中汽体是蒸发逸出的）不但可以强化传热，并且由于惰性粒子不断撞击管壁，故可防止垢层形成。常用的惰性粒子有玻璃珠和陶粒，但在研究中也有用聚丙烯颗粒和金刚砂、金属丝网的。如图27所示，惰性粒子三相流可提高传热系数。 参考文献 1. Ormos Z and Szentmarjay T. Economic Considerations in Fluidized Bed Drying of Pastes Using Inert Particles. Drying Technology, 1987, 5 (4): pp.577-591. 2. Kopee J and Sziaski A. Enhancement of Drying Rates for Slab-Like Materials in A Fluidized Desiccant Drying Medium. Drying Technology, 1985, 3 (3): pp.373-393. 3. Szentmary T, Szalay A and Pallai E. Scale-up Aspects of the Mechanically Spouted Dryer with Inert Particles. Drying Technology, 1994, 12 (1&2). 4. 滨田宪二．新干燥技术——媒体流动干燥装置．化学装置（日），1989，3（15）． 5. 康鹏，高晓峰，刘国权，赵宏程，张惠杰．惰性载体流化床干燥器．铁岭干燥研讨会，1995． 6. 邓伯虎，翁颐庆．振动惰性载体流化干燥器开发及应用．铁岭干燥研讨会，1995． 7. Mousa AHN. Drying by Fluidized Bed That Contains Inert Particles. International Journal of Mineral Processing, 1979, 6: pp.155-163. 8. 陈国桓，李永辉，代建军等．液状物料在惰性粒子流化床干燥器中的试验研究．化工机械，1985，22（6）：5-8． 9. 陈国桓．干燥、粉碎一体化装置．化工进展，1993，31（3）：11-14． 10. 陈国桓，李永辉，赵忠祥，陈江．惰性粒子流化床中的悬浮液干燥．化工学报，1996，47（4）：pp.475-479． 11. Palanc B. A Mathematical Model for Continuous Fluidized Bed. Drying Chemical Engineering Science, 1983, 38 (7): pp.1045-1059. 12. Broadhurst TE and Becker HA. Onset of Fluidization and Slugging in Beds of Uniform Particles. AlChE Journal, 1975, 21 (2): pp.238-247. 13. Tamarin AI, Palchylnok GI and Goryunor KE, Heat and Mass Transfer of Model Particles in a Fluidized Bed of Inert Material. Heat Transfer-Soviet Research, 1985, 17 (2): pp.136-140. 14. 童景山，张克．流态化干燥技术．北京：中国建筑工业出版社，1985． 15. Peron S, Zdrojewski I, Kaminski E, Szarycz M. Simulation of Contact-Convection Drying of Potato on Inert Balls, Drying ’96-Proceedings of the 10th International Drying Symposium, 1996, vol. B: pp.1114-1120. 16. Szentmarjay T, Pallai E and Szalay A. Drying Process on Inert Particles in Mechanically Spouted Bed. Drying ’94, 1994, pp.471-477. 17. Beran Z. Industrial Drying of Pasty and Plastic Materials in a Fluidized Bed. Drying ’92, 1992, pp.1303-1310. 18. Szentmarjay T, Szalay A, Zagrouba F and Rouques MA. Drying of Heat Sensitive Materials on Inert Particles with Combined (Convective and Microwave) Heat Transfer. Drying ’92, 1992, pp.650-655. 19. Reyes A, Diaz G and Blasco R. Experimental Study of Slurries Drying on Inert Particles in Spouted Bed and Fluidized Bed Dryers. Drying ’96-Proceedings of the 10th International Drying Symposium, 1996, vol. A: pp.605-612. 20. Zekjko B, Grbavcic, Zorana L, Arsenijevic, Fedor K Zdanski, Drying of Suspensions in Fluidized Bed of Inert Particles. Drying ’98-Proceedings of the 11th International Symposium, 1998, vol. C: pp.2090-2097. 21. Szentmarjay T, Szalay A, Pallai E and Ormos Z. Study of Drying Process on Inert Particles in a Mechanically Spouted Bed Drier. Drying ’91, 1991. 22. Szentmarjay T and Pallai E. Drying of Suspensions in a Modified Spouted Bed Drier with Inert Packing. Drying Technology, 1989, 7 (3): pp.523-536. 23. Alves-Filho O, Strommen I, Aasprong A, Torsveit AK, Boman HC, Hovin W, Heat Pump Fluidized Bed Drying for Lactic Acid Suspension Using Inert Particles and Freeze Drying. Drying ’98-Proceedings of the 11th International Drying Symposium, 1998, vol. C: pp.1833-1840. 24. Sotocinal SA and Raghavan GSV. Heated Particulate Medium for Soybean Processing. Drying ’98-Proceedings of the 11th International Drying Symposium, 1998, vol. B: pp.1367-1372. 25. Filka P, Filkova I. Industrial Drying of Difficult Materials in Fluidized Bed Dryers. Drying ’98-Proceedings of the 11th International Drying Symposium, 1998, vol. A: pp.1-10. 26. Kudra T and Mujumdar AS. Advanced Drying Technologies. 2002. 27. 刘巍，李建国，赵丽娟，叶京生，潘永康．惰性粒子流化床流体力学传热传质的研究．第七届全国干燥会议论文集，1999，pp.150-157． 28. 李建国，赵丽娟，叶文华，潘永康．液状物料在振动惰性粒子流化床中干燥的研究．化工装备技术，2000，21（1）：pp.20-25． 29. 赵丽娟，叶文华，李建国，潘永康．旋流惰性粒子流化床干燥的研究．化工进展，2000，第19卷增刊：29-32． 30. 李修伦，闻建平．垂直管内三相流化床沸腾传特性．化学工程，1995，23（4）：50-54． 31. 宋继田，刘振义，李丁，叶京生．惰性粒子对沸腾传热性能影响的研究．化工装备技术，2004，25（1）：13-15．
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