一、 载体流化床干燥机
载体喷雾流化床干燥机也称媒体喷雾沸腾干燥机,它是根据喷雾技术、流化技术的原理设计而成,可以连续干燥浆状或糊状物料。主要有空气过滤、加热器、流化床、旋风分离器、布袋除尘器、引风机、输料泵和料槽等组成。流化床内充填着直径为数毫米的可流化惰性载体(多为玻璃珠或瓷珠),故亦称惰性载体流化床干燥机。
载体喷雾流化干燥机的特点是降低了喷雾干燥机的高度,可以对浆状物料和高粘度物料(20Pa·s以上)进行干燥。载体干燥机又分为载体流化干燥机、载体喷雾流化干燥机和振动载体干燥机几种型式。
某厂采用载体喷雾流化干燥机进行荧光增白剂VBL的干燥,取得了满意的效果。生产结果表明,这种干燥机具有很高的生产强度(400～500kg水/m2·h),热效率高,设备规模小,投资费用低。
物料在载体上形成很薄的液膜,而且两面受热,故其干燥过程迅速,物料不易过热,所以部分染料及中间体可以用它干燥。对于难干燥的粘性物料,由于在薄膜化条件下干燥,水分扩散将大大加快,所以同样能达到理想的干燥效果。设备占地面积小,热效率高。同烘箱相比,脱水成本下降4倍,同喷雾干燥相比,设备投资少了许多,可用在喷雾干燥难以进行处理的糊状物料。
二、　桨叶式干燥机
桨叶式干燥机是一种以热传导为主的卧式搅拌型干燥机。因搅拌叶片形似船桨,固人称桨叶式干燥机,也称槽形干燥机或搅拌干燥机。国外对桨叶式干燥机已经开发多年,目前这种机型以日本株式会社奈良机械制作所为代表,现已开发出双轴和4轴两种结构、10多个规格的系列产品。
桨叶式干燥机的搅拌轴和焊接在轴上的桨叶都是空心结构。桨叶的形状为楔形空心半圆形,可以通入传热介质,除了起搅拌作用外,也是设备的传热面。桨叶呈三角形,两个主要传热面的侧面成斜面,当物料与斜面接触时,随着叶面的旋转,物料很快就从斜面滑下,产生自洁效果,使传热面不断更新,从而强化了传热效率。
在桨叶的三角形底部设有刮板,可将沉积于壳底的物料刮起来,防止干燥室内的物料产生死角,使产品水分均匀。干燥加热介质可以用蒸汽,也可以用热油或热水,但使用载热体相态不同,其轴的结构也不同。
干燥所需热量依靠夹套及桨叶壁面进行传导传热,而不是由气体对流直接传递热量,在干燥过程中空气用量很少,所用少部分空气也仅仅是为了带走物料中的水分。桨叶干燥机避免了热量的流失,热效率高达80%～90%。
桨叶式干燥机传热面有叶片、搅拌轴、壁面等几部分组成。而且叶片为主要传热面,所以设备结构紧凑,单位容积传热面积大。另外,搅拌、混合使物料剧烈翻动,从而获得很高的传热系数,一般可以达到120～350W/m2·K。因此占地面积和空间都很小,节省了厂房基建费用。干燥过程气体用量少,流速低,被气体带走的粉尘量少,所以干燥后气体粉尘回收方便,回收设备体积小,可以节省设备投资。对于需要回收溶剂的干燥过程,可以大大提高溶剂浓度,有利于溶剂的回收。由于桨叶结构特殊,物料在干燥过程中交替受到挤压和松弛,强化了干燥过程。干燥室内物料的充满度很高,可以达到80%～90%,物料的停留时间通过调节加料速度、搅拌轴转速、物料充满度等参数完成,从几分钟到几小时内任意调节。另外,物料在干燥机内从加料口向出料口运动基本呈活塞运动,停留时间分布窄,因而产品含水均匀,目前多用于靛蓝的干燥。
三、　旋风干燥机
旋风干燥机由德国赫斯特公司(Hoechst)首先开发成功,它独特的原理,改正了气流干燥机和流化床干燥机的不足。
①旋风干燥机的工作原理。旋风干燥机由带有加热夹套的筒体和干燥室内数个环状挡板构成,干燥室内被环状挡板分成几个小的干燥室。热空气和湿物料从干燥机底部进入干燥室,在与热空气传质传热的同时又受旋转气流的作用进行螺旋上升运,从干燥机中央开口处向干燥室上方移动。
另一方面,粉体环状的旋转流从下部干燥室开始旋转,由于连续不断加入新物料,干燥机很快被流化状态的物料充满,上部干燥室开始过量,小的粒子不断溢出,按顺序大粒子也不断上升补充位置。大粒子在上升的同时受到相互间的碰撞和摩擦,颗粒不断减小。当减小到一定尺寸,水分蒸发到一定程度后溢出。还有一种动态现象,由于离心力的作用粒子不断接触器壁,在这里,粒子转动速度下降,甚至停止转动。由于重力作用,返回中央挡板开口处,再一次随旋转气流运动。这样,每个小干燥室达到相同粒子浓度,物料就从干燥机上部排出。
旋风干燥机有两种传热方式,一种是来自热空气的对流传热,另一种是来自夹套的辐射传热。热气体与粒子的分离、分散所造成的速度差,在粒子表面强化了传热过程,干燥机也起到了分级作用,微小的粒子容易被热气流夹带,所以停留时间短,被反复强烈地进行分散、分级的大粒子停留时间相对延长。粒子越大,在干燥机内停留的时间就越长,能够保证产品含水率的一致性。
②旋风干燥机的特点。物料在干燥机内的停留时间可以由物料的加入量控制,一般停留时间在15～30s之间,对于粉体,这样的时间足够了。
旋风干燥机干燥以热气体与被干燥的物料以高速切向进入干燥机产生旋转运动为特色,气体和物料在干燥机内向上运动。由于经过数个挡板而发生压力损失,从而使角速度下降,结果就会造成系统产生较大压力降。轴向流的压力损失随所含物料量的增加而增加,在旋转流情况下随着粉体量的增加压力损失增大。
四、　耙式干燥机
耙式干燥机在化工生产中应用已有80多年的历史,耙式干燥机适合在真空条件下干燥热敏性、含有机溶剂的物料。它的特点是能耗小,热效率高,可以达到80%。操作方便,适应范围广。虽然耙式干燥机是一种比较古老的机型,但结构和功能不断开发,至今仍是染料厂主要干燥设备之一。在国外许多大染料厂,如卜内门、拜尔、赫斯特、巴斯夫、汽巴-嘉基公司等仍有大量的耙式干燥机在使用。
在我国的染料干燥设备中,除烘箱以外耙式干燥机是使用^早的干燥设备,现在仍占干燥设备的30%～40%。过去耙式干燥机主要从前苏联进口,几十年后,这种现象早已不复存在,不但已经国产化,而且可以制成许多型式、不同规格的耙式干燥机。
五、　旋转闪蒸干燥机
为解决化学工业中高粘性膏糊状物料的干燥问题,1970年研制成功了旋转闪蒸干燥机。但是,“70”型旋转闪蒸干燥机有许多不足之处,主要是粉末容易进入高温区,造成物料过热凝聚,旋转部件的机械稳定性差。1978年对“70”型进行了改造,“78”型虽然有较大的进步,但也存在粉末床层不稳定,出口温度和产品残余水分波动等缺点。现在我们所见到的结构基本是经过两次大的结构改进以后的机型,称之为“83”型。闪蒸干燥机作为一种新机型,有其他干燥机不能与之比拟的优点。它一出现就引起了各大化学公司的浓厚兴趣,旋转闪蒸干燥机目前以丹麦安海达诺公司为代表,现在已有70多台设备在10多个国家的大公司应用。
①闪蒸干燥机的结构。闪蒸干燥是一种带有旋转粉碎装置的竖式流化床干燥机,能同时完成物料的干燥、粉碎、分级等操作。设备主体为圆筒形干燥室,由底部的粉碎流化段、中部干燥段、顶部分级段组成。底部粉碎段装有搅拌器,搅拌器转速通过外部电机进行无级调节。搅拌器有两个作用,带动从分配室进入干燥室的热空气产生高速旋转的气流形成流化床层。另外,对物料产生强烈的搅拌和粉碎作用,强化了传质传热,加快物料的干燥速率。在干燥机底部设有蜗壳式空气分配室,使切向送入的热空气通过环状导向缝隙均匀进入干燥室。在干燥段设有螺旋加料器,加料器由调速电机拖动,通过变频器调节转速,顶部分级段有一个分级环,根据产品的粒度要求更换相应的分级环通径。
②闪蒸干燥工作原理。根据闪蒸干燥机的结构,可以把工作过程分为破碎、气固接触、干燥、分级等四个阶段,这四个工作过程也是其他干燥机所不能同时具备的。
③破碎。由于闪蒸干燥机主要用于膏糊状物料的干燥,物料进入干燥机后立即受到搅拌桨叶和高速气流的破碎,以^大限度地增加物料的分散度和单位体积湿物料的比表面积。
④气固混合干燥。闪蒸干燥机一般以湿空气为载热体,能否有效达到气固混合是影响干燥速率的主要因素。闪蒸干燥机的搅拌桨把物料破碎并产生弥散作用,同时进入干燥机的空气也处于高度湍动状态,很快达到气固混合。同时,块状物料在重力作用下向下堕落,由于干燥机底部为倒锥结构,气流的速度很高,^高可达60m/s,能保证块状物料处于良好的流化状态而被热空气包围。
物料粉碎后,被来自底部高速旋转的热气流吹起,在干燥室内形成了一个相对稳定的流化层,物料与热空气之间进行传质传热的干燥过程中,大部分水分在这一阶段蒸发掉。含水率高,表面积小的物料密度大,在干燥室内向下堕落,由于底部的气速高,下落到一定距离后下落速度为零,此时重力与浮力平衡。物料受到进一步破碎和水分蒸发后浮力大于重力,物料开始向上运动,通过分级后排出干燥机。
⑤分级阶段。分级器是装在干燥机顶部的环形挡板,物料随气流上升,由于受到离心力的作用,大块、未干的物料受离心力作用旋转半径增大,当旋转半径大于分级环半径时被挡在干燥室内,直至满足要求才能通过分级器排出干燥机。当物料加入到干燥机后,物料处于旋转的流态化状态。团块受到粉碎后直径迅速减小,水分被蒸发。物料在气体的夹带下作螺旋上升运动,粒径较小较干的物料在内环,较大较湿的物料产生的离心力大在外层靠近器壁。但外层的大颗粒在不断被粉碎干燥,离心力变小后也在向内环运动,当水分满足要求后被气体带出,在干燥室内任一截面的压力变化。
旋转半径r和压力p之间的关系是旋转半径越小,压力越低。在干燥室中心处r=0,压力p也^低。在器壁附近压力^大。对于直径一定的小颗粒,由于压力随半径的增大而增大,径向压力分配不均,小颗粒向中心处运动,大颗粒由内向干燥机边缘运动,因此干燥后的小颗粒被气流从干燥室中心处带出。大颗粒沿边缘向上运动后被分级环挡住不能逸出,从而保证产品质量。
在干燥机工作过程中,上述四个阶段并不是独立进行,主要是为研究方便和叙述需要把几个过程分别介绍。
⑥闪蒸干燥机的结构特点。干燥室底部设有倒锥形结构,使热空气的流通截面自下而上不断扩大,底部气速大,上部气速小,从而下部大颗粒与上部小颗粒都能处于良好的流化状态。倒锥结构还缩小了搅拌轴悬臂的长度,增加运行的可靠性。轴承设在机外,避免轴承在高温区长期工作,延长了轴承的使用寿命。
湿物料在被搅拌齿粉碎的同时,又被甩向器壁,粘结在内壁上,如不及时刮下会影响产品质量,所以搅拌齿顶端设有刮板,能及时刮掉粘结在器壁上的物料以防过热。
干燥室上部设有分级环,其作用主要是颗粒较大,或没干燥的物料与产品分离被挡在干燥室内,能有效保证产品粒度和水分要求。
锥底热风入口处设有冷风保护,防止物料与高温空气接触产生过热变质。
物料在热空气中高速分散,干燥时间短,特别适用于热敏性物料的干燥。
连续化操作,加料量、热风温度、产品粒度可以在一定范围内自行控制,从而保证干燥产品的各项指标。
干燥系统为封闭式,而且在负压下操作,粉尘不外泄,保护生产环境,安全卫生。
设备结构紧凑,占地面积小,集干燥、粉碎、分级为一体。是流化技术、旋流技术、喷动技术及对流传热技术的优化组合,大大简化了生产工艺流程,节省了设备投资和运转费用。浆状染料经螺旋加料器定量加入干燥机,干燥机顶部安装有转速为350r/min的甩盘,物料落到转盘上被甩到有蒸汽夹套的器壁上,安装在搅拌轴上的刮刀刮成薄膜状。高温器壁向薄膜物料传导热量,使其在很短的时间里干燥至水分含量为15%左右,然后被刮刀刮下,降落到底部料斗中。利用热空气通过收缩管产生的负压将物料吸入流化床干燥机。在流化床底部有一个粉碎装置,把物料粉碎后在流化床内与热空气充分热交换,使物料含水率达到要求。然后从流化床排出,经扑集后与气体分离。
七、　气流—沸腾干燥机
　　含水率为5%～6%的物料经加料器定量进入气流干燥机中,由于系统为正负压操作,在螺旋加料器末端有一段空螺旋作为料封,并在轴端装一个桨叶搅拌器使物料松散抛入床层。在床层设有不锈钢丝网,上面铺有玻璃珠(这里放的玻璃珠的目的与惰性载体干燥机放置的玻璃珠目的不同,载体干燥机作为传热和剥落物料之用,而这里主要起均风作用)。空气经加热后进入加热管把物料预干燥,细粉被吹出后进入第二级锥形沸腾床,干燥后从出料口排出。
八、二级气流干燥机
大多数物料的干燥大体都可以分为恒速干燥和降速干燥两个阶段,大量的水分都在恒速干燥阶段除掉。恒速干燥速率取决于物料表面水的气化速率,用高风速,大风量把干燥汽化的水蒸汽从物料表面带走是提高干燥速率的基本措施,而降速干燥速率则取决物料的性质、传质速率和热推动力。受物料内部水分向外迁移速率的限制,提高热风温度是提高降速阶段干燥速率的重要途径。这样就出现了两种结果,第一阶段尾气是低温高湿气体,接近饱和状态,已无纳湿能力,无干燥推动力,也不能再起干燥作用。而降速干燥阶段尾气是高温低湿气体,如果把这部分气体回收,用来进行第一阶段干燥,仍可起到干燥作用。两级干燥利用这一规律,把物料的两个干燥阶段分别在两个设备中进行。将第一阶段干燥尾气排掉,第二阶段尾气回收,使系统排出的气体接近饱和状态,从而达到节约能源目的。
物料随热空气进入风机,被分散后与空气充分混合后进入第一级干燥机。恒速干燥阶段结束后第一阶段尾气经分离后排出,物料进入二级干燥机。此时恒速干燥结束,降速干燥开始,二级干燥结束后尾气返回风机重新进入第一阶段干燥。系统成正负压操作,据介绍,该系统单耗低于1.32kg蒸汽/kg水,节省热量为20%～40%。
九、桨叶式干燥机串联系统
根据物料干燥的特点,日本^近推出了桨叶式干燥机串联系统。我们都知道,桨叶式干燥机是在耙式干燥机的基础上开发成功。但桨叶式干燥机与耙式干燥机相比,在桨叶、搅拌轴等结构中通入载热体从而增加了传热面积。采取对流和传导两种传热方式,所以它比耙式干燥机有更大的生产能力,用两个干燥机串联使用,使干燥过程更合理。第一级是恒速干燥阶段,物料中的大量水在这一阶段脱掉,等到降速干燥阶段时进入下一级降速干燥机,经过这样的干燥过程使系统操作更灵活。
十、喷雾带式干燥机
喷雾带式干燥机是尼罗公司开发成功的新型干燥机,它综合了喷雾干燥机和带式干燥机的优点,适用于可流动液体物料的干燥。喷雾带式干燥机主要有喷嘴(雾化器)、喷雾干燥室、传送带、传送机构、带式干燥(冷却)室组成。液体在高压泵的作用下进入压力式喷嘴进行雾化,鼓风机吹入的空气经加热后进入干燥室,与雾滴并流向下并进行传热传质。雾滴表面水迅速蒸发并形成半干微粒产品(含水率约20%)落到传送带上,至此第一级干燥结束并开始第二级干燥。传送带的运动带动落在其上的微粒移动,进入二级干燥室,一般经几分钟的时间残余水分在二级干燥阶段被除去。如产品有特殊需要,在出干燥机前还可以进行冷却处理。尾气穿过传送带经除尘器分离后排空,产品经分级后包装或进入下一道工序。传送带的速度可调,可根据产品^终含水率的要求进行控制。
喷雾干燥机同带式干燥机组合在一起后,克服了喷雾干燥机设备高大的缺点,同时也打破了带式干燥机不能处理流动性物料的局限,使它们的长处得以充分发挥。喷雾带式干燥机的特点是体积小,结构紧凑,可以在低温下干燥,防止物料过热,调节传送带的速度可以满足任意含水率的要求。
十一、喷雾流化干燥机
喷雾流化干燥机用在染料上是一种新工艺,在我国使用大约有十几年的时间,目前只有少数染料厂撑握这项技术。喷雾流化干燥机实际是喷雾干燥机和流化干燥机的有机结合,因此在性能上也就具有两种干燥机的特点。
在分布板上放置晶种,空气经加热后进入流化床使晶种呈流化状态,液体物料经过喷嘴在干燥室内雾化。雾滴在下降过程中与晶种粘附在一起,与此同时水分在不断蒸发,物料不断粘附,经过这样的过程使原来的晶种逐渐“长大”,达到一定粒径并干燥后的产品排出干燥机。在干燥过程中破碎的颗粒又作为继续干燥的晶种,所以能保持干燥机连续工作。喷雾流化干燥机在干燥的同时进行造粒,经组合后的干燥机有以下特点：
①喷雾流化干燥机设备容积小,蒸发强度高,真正实现了小设备大生产(一台直径为500mm喷雾流化干燥机的生产能力可与一台直径为2000mm,高为10000mm的喷雾干燥机相当);
②喷雾流化干燥机与喷雾干燥造粒和流化造粒相比,所得产品颗粒均匀,粒径较大。控制操作条件能生产出直径为0.3～0.5mm的颗粒(喷雾干燥产品粒度范围约在0.08～0.2mm的左右),如果增加回粉装置,成粒率大约在90%左右;
③喷雾流化干燥机热效率高,一般在60%以上;
④床层温度比较低而且温度相对稳定,适用于染料的干燥;
⑤颗粒状染料产品的润湿性、溶解性都很好,粉尘少,^;
⑥产品的密度达到0.66g/cm3,具有良好的流动性,节约包装材料。