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干燥设备:喷雾反应干燥技术

时间:2021-06-19 17:11:32 来源:互联网

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在喷雾干燥过程中,雾化液滴内部若同时发生着化学反应,此种技术称为喷雾反应干燥:eactive SprayDrying,RSD)⑴,可以看作是传统喷雾干燥在功能上的进一步扩展,它将干燥和化学反应两个单元操作结合在一个多功能反应器中。喷雾反应干燥除了需要考虑动量、热量和质量传递方面的因素外,还必须考虑化学反应动力学的影响,通过控制工艺条件,如反应温度、喷雾速度和溶剂等,可以得到各种不同形态和性能的微粒产品。

喷雾反应干燥在很多工业领域具有潜在的应用价值,与由反应、干燥和研磨组成的工艺比较,在投资和运行成本方面可能会有较大的降低,产品的质量也会得到提高。

原理与传统的喷雾干燥类似,喷雾反应干燥通过一个或多个喷嘴将溶液或悬浮液喷成粒径为毫米或微米级的液滴。这些液滴与从反应干燥塔顶部导入的温度为50~250C的干燥热风混合接触,在液滴内部发生化学反应的同时,其中的溶剂被迅速蒸发。液滴在。这种反应类型适合于催化剂粉末的生产。

高温喷雾反应干燥在高温喷雾反应干燥中,液滴分散在火焰中,由于溶剂被瞬时蒸发,不会因溶解度的差异而发生偏析,在固相中含量分布均匀的各组分间发生相应的化学反应。目前,高温喷雾干燥主要用在特殊陶瓷的生产过程中,该过程也叫做“容液的蒸发分解”。利用该工艺能够生产出0.1A10可调粒径的高质量产品,不必再进行研磨,粒度越细,烧结后得到的陶瓷产品质量越好。

低温喷雾反应干燥为了阻止在储槽或喷嘴发生早期反应,低温喷雾反应干燥通常先将离析物放在一些在溶剂中暂时冷冻起来。物料雾化后,晶体在液相中融化并且发生化学反应。反应必须足够快,以确保在干燥完成时反应完全。和常温喷雾反应干燥相比,低温喷雾反应干燥的反应和干燥通过调节周围空气的性质和操作条件来控制。

吸收型喷雾反应干燥加热气体中的一种或多种组分与液滴颗粒中的反应物发生化学反应。加热气体既是干燥介质,又含有与液滴反应的组分。在喷雾干燥烟气脱硫操作,即‘半干法烟气脱硫“中,将未经除尘或已经除尘的烟气与喷成雾状的石灰乳液逆向混合,烟气中的S2与石灰乳在干燥室内发生强烈的热交换和化学反应,生成CaS4和CaS03的粉状颗粒。液滴中的水分蒸发基本完成后,液相反应停止,但气、固反应仍继续进行,未反应的石灰在残余水分作用下继续与S2反应,甚至在除尘器内仍在进行。

微波下的喷雾反应干燥与其他喷雾反应干燥不同,微波喷雾反应干燥时,颗粒吸收频率为2.25GHz的电磁能,电磁场的极化作用导致离子或偶极子改变它们的方向。内部摩擦力的作用导致物体温度的升高。如果存在偶极子,湿物料和干物料能同时吸收微波,这有利于得到含水量低的产品,或进一步发生固态反应,例如热分解的反应。微波喷雾反应干燥对于粒径在几百微米的颗粒非常适合,它可以降低产品的湿含量、减小颗粒,降低费用。

模拟研究需要从4个方面来建立完整的数学模型。

雾化过程液滴雾化主要与液滴破裂的过程密切联系。目前液滴破裂的数学模型需要大量的参数,并且这些参数还没有被运用到模型中来预测颗粒分裂后的不同颗粒尺寸分布。因此对于喷雾反应干燥液体边界层条件还只适用于可测颗粒尺寸大小的颗粒。

气相的三维湍流模型湍流模型理论是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础,理论与经验相结合,引进一系列模型假设,建立一组描写湍流平均量的封闭方程组的理论计算方法。*为典型的有Launder和Spalding提出的!-!湍流模型和Reynolds应力模型。!-!模型广泛应用于喷雾干燥的模拟,它在平均运动方程外再加湍流动能!和耗散速率!

2个方程就能构成一组封闭方程式组,大大减少方程数量。

-!湍流模型假设湍流为各向同性,它对于复杂的流动如内旋流、涡流、内部剪应力突然改变)的描述不精确。Reynolds针对湍流剪应力不同方向分别得出6个方程,再加上1个连续方程和3个动量方程,构成大量相关联的微分方程式组,但这导致了积分时间的增加和方程稳定性减小。Reynolds应力模型对于描述喷雾干燥复杂多相的流动能给出很好的结果。

颗粒轨道方程模拟在喷雾反应干燥器中,液滴和颗粒的总数达到几百万,甚至几千万。对于颗粒分散相可以在拉格朗日坐标下分别得到速度、温度、组成、停留时间等的轨道方程式。每一次轨道方程的计算都涉及到*初的有关位置、质量分量、动量、焓的全部计算。为了满足喷雾反应干燥的特殊要求,应结合一些不同数学处理手段来处理方程。例如提出当气相中颗粒的体积分数低于0.1A,在描述颗粒轨道方程时,颗粒间的相互作用力和颗粒与壁面间的作用力可以忽略,而颗粒的振动和内循环对小液滴的影响也可忽略不计。

液滴颗粒中反应和干燥的模拟液滴干燥主要有2种方式,颗粒内的水分通过表面张力的作用转移到颗粒的表面,或者是液滴膜向颗粒中心移动。后一种情况干燥的更快,因为透过多孔体系的水溶液的流速更快。干燥过程中液体内部溶解或分散的固体颗粒对蒸发的影响不能忽略,AEramzon和Airignano对此又提出了新的质量传递模型。而蒸发对传热的影响,可以采用RenksizEulut的方法。

应用进展3.1超微粉体的制备3.1.1高温喷雾反应干燥和Al2(S4)3的混合盐溶液雾化成10 ~20或更细的球状液滴,在800~1000N的条件下,经过瞬时干燥可得到均匀的金属盐微晶沉淀,继而反应得到MgAUO"微粒产品。MgAUO"主要用于超导体及某些航空、电子工业材料的制备。

Meyer提出了一种新的钨酸锆OrW28)制备方法。将钨酸铵、硝酸锆、次氯化锆溶液混合后,放进一个密封的石英管中,在117 8下进行雾化干燥,钨酸铵、硝酸锆和次氯化锆反应生成钨酸锆颗粒。将钨酸锆颗粒压模烧结,即可得到陶瓷产品。这种方法生成的钨酸锆,比用氧化锆9r2)和氧化钨;03)反应直接制得的钨酸锆具有更高纯度和密度。钨酸锆是一种逆热胀冷缩材料,具有较高的负膨胀系数、广泛的线性负热膨胀效应和受热等向性收缩等的特点,被广泛用于精密电子工业,印刷电路板的材料、高密光电机基材和生医材料等。

吸收型的喷雾反应干燥MVisca反应和HFYu反应,也属于此类,Vica以醇化物和氯化物的混合物作为喷雾液,在落膜发生器中,将喷雾液在氯化银的表面冷凝形成粒度均一的液滴,液滴遇到水蒸气后发生水解反应,生-Al!03粒子。氯化银在反应过程中作为成核剂,使得*终的颗粒为实心粒子。HFYu采用硝酸镍和硝酸铁作为混合物,以氨气为反应气体,得到了实心的球状Ni2Fe204粒子。

烟气脱硫的应用喷雾干燥烟气脱硫,*先由美国J0Y公司和丹麦NiroAtomier公司共同开发的脱硫工艺,20世纪70年代中期得到发展,并在电力工业迅速推广应用。我国1984年曾在四川白马电厂建成烟气处理量50~70km3/h的喷雾干燥示范工程。1994年在山东黄岛电厂建成烟气处理量300km3/h的喷雾干燥脱硫装置,脱硫率可达70O.和湿法烟气脱硫相比,喷雾干燥法投资低、能耗小、腐蚀小,系统简单、运行可靠性高,脱硫产物呈干粉状,无废水排放。

结论喷雾反应干燥将反应和干燥汇集于一体,能够简化工艺,提高效率。

对喷雾反应干燥建立理论模型,需要同时考虑反应和干燥动力学。针对物系的特点和工艺要求,反应器的结构和操作方式也应随之改变。就目前的研究情况看,喷雾反应干燥更适合于无机反应,主要原因是无机反应速率相对较快,能保证在干燥完成时,反应基本完全转化。喷雾反应干燥在有机合成、高分子聚合、药物制备、化肥生产和其他材料制备领域的应用还有待进一步研究。

在多种相互作用的多相流体中,如何建立一个湍流模型,怎样测量这些模型的相关参数,在液相中建立化学反应的条件,以及如何确定蒸发、反应、停留时间的大小等等都值得做深入的研究。


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