喷雾干燥设备的原理技术.ppt

第八章干燥设备 第一节概述 第一节概述 定义 凡是使物料 溶液 悬浮液及浆液 所含水分由物料向气相转移 从而变物料为固体制品的操作 统称干燥 根据这一定义 干燥的含义显然与过滤 压榨等滤干 榨干以及浓缩均有区别 要使水分从物料转移到气相 物料必须受热 水分吸收热量才能汽化 物料受热的方式仍然就是三种基本传热方式 即对流 传导和辐射 因此根据传热方式的不同 干燥分热风干燥 接触干燥和辐射干燥 物料中水分的汽化可以在不同的状态下进行 水分是在液态下汽化的 倘若预先将物料中水分冻结成冰 而后在极低的压力下 使之直接升华而转入气相 这种干燥称为冷冻干燥或冷冻升华干燥 干燥的推动力 水分在气相传递的推动力为物料表面附近的一层气膜的蒸气分压与气相主体中蒸汽分压之差 由于物料水分汽化是在表面进行 故逐渐形成从物料内部到表面的湿度梯度 此湿度梯度即为干燥的推动力 温度梯度也可以使物料内部水分传递 称为热传递 水分将从温度高处向低温处转移 对于任一种干燥方法 上述两梯度均存在于物料内部 干燥的方法 热风干燥 空气干燥法此法直接以高温的空气作热源 籍对流传热 将热量传给物料 使水分汽化同时被空气带走 接触干燥法 此法是间接靠间壁的导热 将热量传给与间壁接触的物料 热源可为水蒸气 热水 燃气 热空气等 辐射法 此法是利用红外线 远红外线 微波或介电等能源将热量产给物料 应用 干燥在国民经济各部门都有着重要意义 食品工业中干燥操作是一项最基本的单元操作 对于干燥食品它是一项主要的单元操作 例如 果蔬的干制 奶粉和蛋黄粉的制造 面包饼干的焙烤和淀粉的制造等等 另外发酵食品 味精 柠檬酸 酶制剂等等 啤酒生产中麦芽干燥 制糖生产中砂糖的干燥等 目的 食品干燥目的是去除物料中的水分 减少其体积和重量 便于产品的储存和运输 可防止微生物在成品中繁殖 干燥通常是产品生产过程中最后一道工序 因此与产品质量 最终产品有着重要关系 如果干燥过程控制不好 会使产品变质而受到损失 食品多为热敏性物料 在干燥过程中如果控制不好导致变质 破坏其色 香 味 影响产品质量 干燥方法和干燥设备的选择 应根据产品的特点 产量 经济性等综合考虑 目前食品产品的干燥广泛采用的是空气干燥法 空气干燥设备按工作原理分为 气流干燥 沸腾干燥和喷雾干燥 气流干燥 高速热气流将颗粒悬浮于气流中 一边与热气流并流输送 一边进行干燥 沸腾干燥 颗粒呈悬浮状态 本章主要介绍喷雾干燥设备 第二节喷雾干燥技术装备 一 喷雾干燥原理及特性二 喷雾干燥器的分类三 雾化器的结构和雾化机理四 喷雾干燥器及系统五 喷雾干燥器的设计与计算六 喷雾干燥的特点 一 喷雾干燥原理及特性 一 喷雾干燥原理利用不同的喷雾器 机械 将需干燥的物料喷成雾状 形成具有较大的表面积的分散微粒 10 200um 同热空气发生强烈的热交换 迅速排除本身的水分 在几秒至几时秒内获得干燥 如与高温400 500 的热风接触需0 01 0 04秒内就完成干燥 与100 150 的热风接触需1 3秒就完成干燥 成品以粉末状态沉降于干燥器的底部排出 二 液滴的干燥特性 在喷雾干燥过程中 即使初速度很高 但由于液滴很小 其雷诺准数Re一般都是很低的 约在1 10 1 100范围以内 小于50 m的液滴 遂以100 150m s的相对速度运动 但Re也不超过200 当液滴速度很快衰减到与气流的速度相等时 其Re小于2 传热膜系数 当纯液滴在空气流中的运动的Re 2时可按传热方程式计算 式中 h 传热膜系数 w m2 k D 液滴直径 m 热空气热导率 w m k g 气体的密度 Kg m3 g 气体的粘度 Kg m s Cg 气体的比热 J Kg kv 液滴与空气的相对速度 m s 在喷雾干燥过程中 空气膜的平均温度约为100 即可将Cg g g 等值代入上式 并以D 换成 m单位 则上式可转化为 传热膜系数与液滴直径成反比 与气体相对速度 V 的平方根成正比 三 喷雾干燥对设备的要求 1 食品在干燥过程中 凡与产品性接触的部位 必须便于清洗灭菌 2 应采取措施防止焦粉 防止热空气产生涡流与逆流 满足工艺要求 3 产品中杂质的增加应特别注意 保证热风清洁 由于空气过滤器效果不好 风管及加热器中心中的铁锈以及保温层中材料的泄漏所造成的 4 为了便于检查生产运行情况 应配置温度 压力指示记录仪 灯孔等 5 具有高回收率的粉尘回收装置 6 为了提高产品的溶解性 速溶性 干燥的产品应迅速从干燥室取出冷却 连续出粉 7 干燥室内温度及排风温度不许超过100 它不仅是保证质量 而且是安全问题 因为气体中粉浓度达到一定值 温度大于160 若遇闪火 爆炸 8 提高干燥室的热效率 必须使喷雾时浓料液滴和热空气均匀接触 其次 加热器 干燥室 风管等应予以保温 9 对于粘性物料应尽量减少粘壁现象 二 喷雾干燥器的分类 一 按生产流程分类 二 按喷雾和气体流动方向分类 三 按雾化方法分类 一 按生产流程分类 1 开放式喷雾干燥系统如图 特点 载热体在系统中只使用一次就排入大气中 不再循环使用 结构简单 适用于废气中湿含量较高 无毒无臭气体 缺点 载热体消耗量大 简述流程 压力喷雾 离心喷雾 气流喷雾都可以按照开放式系统设计 2 封闭循环是喷雾干燥系统 特点 载热体在系统中组成一个封闭的循环回路 有利于节约载体热 回收有机溶剂 防止污染大气 载热体大多使用惰性气体 如N2 CO2等 流程 从干燥塔排除的废气 经旋风除尘器除去微细粒子 然后进入冷凝器 冷凝器的作用 是将废气中的溶剂 或水分 冷凝下来 除湿后的尾气经鼓风机升压 进入一个间接式加热器后又变为热风 如此往复循环使用 适用于 可燃性溶剂系统 溶剂需回收 产生有污染的臭气 粉料与空气混合爆炸等 特点 载热体在系统中组成一个封闭的循环回路 有利于节约载体热 回收有机溶剂 防止污染大气 载热体大多使用惰性气体 如N2 CO2等 流程 从干燥塔排除的废气 经旋风除尘器除去微细粒子 然后进入冷凝器 冷凝器的作用 是将废气中的溶剂 或水分 冷凝下来 除湿后的尾气经鼓风机升压 进入一个间接式加热器后又变为热风 如此往复循环使用 适用于 可燃性溶剂系统 溶剂需回收 产生有污染的臭气 粉料与空气混合爆炸等 3 自惰循环是喷雾干燥系统 自惰就是指系统中有一个自制惰性气体的装置 在这个装置中 引入空气和可燃性气体进行燃烧 将空气中的氧气烧掉 剩下氮气和二氧化碳 惰性气体 作为干燥介质 为使系统中气体压力平衡 在鼓风机出口处安装一个放气减压装置 部分空气可排放到大气中 适用于 有臭气发出 产品有高度爆炸性 着火危险 通过燃烧消除掉臭气和产品粉末 自惰就是指系统中有一个自制惰性气体的装置 在这个装置中 引入空气和可燃性气体进行燃烧 将空气中的氧气烧掉 剩下氮气和二氧化碳作为干燥介质 为使系统中气体压力平衡 在鼓风机出口处安装一个放气减压装置 部分空气可排放到大气中 适用于 有臭气发出 产品有高度爆炸性 着火危险 通过燃烧消除掉臭气和产品粉末 4 半封闭循环是喷雾干燥系统 系统中有一燃烧器 半封闭在于干燥介质燃烧去臭气后一部分排入大气 另一部分燃烧后循环使用 二 按喷雾和气体流动方向分类 并流 逆流和混合型三种1 并流 在喷雾干燥室内 液滴与热风呈同方向流动 常用的基本形式 垂直下降并流 垂直上升并流行型 水平并流型 垂直下降并流特点是塔壁粘粉比较少 垂直上升并流行型要求干燥塔截面风速要大于干燥物料的悬浮速度 以保证物料能被带走 由于在干燥室内细粉干燥时间短 粗粒干燥时间长 产品具有均匀干燥的特点 但动力消耗大 水平并流型热风在干燥室内呈螺旋状运动 以便与液滴均匀混合 并能延长干燥时间 液滴水平喷出 压力喷雾 缺点是处理量增加时 需增加压力喷枪数目 但由喷雾距离小 喷雾角度受一定限制 在清扫产品时存在问题不小 渐渐被淘汰 由于高温热风进入干燥室立即与 含水多的物料 喷雾液滴接触 室内温度急降 不会使干燥的物料受热过度 料温升高较小 因此适宜于热敏性物料的干燥 风与物料接触不充分 越到底部 传热温差小 传热速率小 在并流系统中 最热的干燥空气与水分含量最大的液滴接触 因而迅速蒸发 液滴表面温度接近于空气的湿球温度 同时空气的温度也随着降低 因此 从液滴到干燥成品的整个过程中 物料的温度不高 这对于热性物料的干燥是特别有利的 这时 由于蒸发速度快 液滴膨胀甚至破裂 因此并流操作时所得产品常为非球形的多孔颗粒 具有较低的视密度 在食品工业中 如牛奶 果汁 鸡蛋液物料的干燥 绝大多数采用并流喷雾干燥 2 逆流是喷雾干燥器 在喷雾干燥器内 热风与液滴呈反方向流动 特点 高温热风进入干燥器内首先与要干燥的粒子接触 使内部水分含量达到较低的程度 物料在干燥器内悬浮时间长 适于含水量高的物料干燥 设计时应注意气流速度小于成品粉粒悬浮速度 以防粉粒被废气夹带 常用于压力喷雾 对于逆流操作系统中 在塔顶 喷出的雾滴与塔底上来的热空气相接触 因此 蒸发速度较并流的慢 在塔底 最热的干燥空气与最干的颗粒接触 物料易过热 若干燥产品能经受高温 需要较高的视密度时 则用逆流系统最合适 逆流过程中 平均温度差和分压差较大 停留时间较长 有利于传质和传热 热的利用率也高 3 混合型喷雾干燥器 气流从上向下 有一个方向 雾滴有两个方向 从下向上 从上向下 特点 气流与产品较充分接触 并起骚动 脱水效率较高 耗热量较少 但产品有时与湿的热空气流接触 故干燥不均匀 三 按雾化方法分类 1 压力是喷雾干燥器2 离心式喷雾干燥器3 气流使喷雾干燥器食品工业上应用以压力式和离心式为主 气流式应用范围较小 这是由于动力消耗大 经济上不合理 1 压力是喷雾干燥器 2 离心式喷雾干燥器 三 雾化器的结构和雾化机理 喷雾干燥要求雾滴的平均直径一般为20 60um 因此将溶液分散成的雾滴是喷雾干燥的一个关键 它不仅对经济技术指标而且对产品质量均有较大的影响 特别是对热敏性物料的干燥更为重要 实现物料雾化的雾化器目前有如下三种 1 压力喷雾器 压力喷嘴 系利用高压泵 70 200大气压 强制液体通过小孔 孔径为0 5 1 5mm 使之分散成雾滴 2 气流式喷雾器利用压缩空气或过热蒸汽 一般为2 5 6大气压表压 的高速流动 将溶液分散成雾滴 3 离心室喷雾器利用高速旋转 75 150m s圆周速度 的圆盘 使液体受离心力的作用而分散成雾滴 三种雾化方法各有其优缺点 压力喷雾器 机械式 适用于一般粘度的料液 动力消耗最少 大约每吨溶液所需耗能为4 10kw h 其缺点是必须要有高压泵 喷嘴小易堵塞 操作弹性小 产生调节范围窄 气流式的动力消耗最大 每 料液约需0 4 0 8 压缩空气 但其结构简单容易制造 适用于任何粘度或稍有固体的料液 离心式的动力消耗介于上述两种之间 适用于高粘度或带有固体的料液 而且转盘雾化操作弹性宽 可在设计生产能力的 25 范围内调节产量 而不影响产品的质量 其缺点是机械加工要求高 制造费用大 雾滴较粗 喷嘴较大 因此塔的直径也相应的比其他的喷雾器的塔大的多 一 机械式喷雾器 目前较为常用的有M型和S型两种 喷嘴一般均有使液体产生旋转运动的特点 1 S型喷嘴 结构 喷嘴 喷芯 喷嘴座 管接头 旋转室 导流沟槽等 喷芯及喷嘴必须用耐磨材料制造 常用的为硬质合金钢 粉末冶金 炭化钨 人造宝石 陶瓷等 在乳品生产中现多为不锈钢喷嘴 喷头小孔为0 5 1 4mm 工作原理 液体从任意角度进入喷芯的沟槽 由于沟槽与轴线倾斜成一定角度 液流是螺旋状进入旋室 产生离心力 在喷嘴出口处喷雾 喷芯的沟槽一般为2 6条 喷芯在喷嘴座里不固定 经高压推动力 压紧在喷嘴锥面上 高压液体必须流进沟槽 进入旋室从喷嘴喷出 2 M型喷嘴 结构 喷嘴 分配孔板 多孔板 喷嘴座 管接头 旋转室 导流沟槽 环形和切线 喷头孔较大 并用人造宝石制成 采用激光钻孔 孔径为0 8 2 对于一般物料 其使用寿命可达一年之久 大大超过不锈钢 钨钢制的寿命 工作原理 由喷嘴上面套入多孔板 是液流进入漩涡室时 呈均匀状态通过切线沟槽 小孔进入环形导流沟 再经导流槽使物料切线方向进入旋转室 喷入喷头孔 并自喷孔喷出 从而产生雾状 此型喷嘴流量大 适用于生产能力较大的设备 3 雾化机理 经过高压泵加压后的料液以一定的速度 沿切线放下进入喷嘴的旋室 这时液体的部分静压能将转化为动能 形成液体的旋转运动 根据自由旋涡动量矩守恒定律 旋转速度与旋涡半径成反比 因此越靠近轴心 旋转速度越大 其静压力越小 结果在喷嘴中央 形成一股压力等于大气压的空气旋流 而液体则变成绕空气旋转的环形液膜 从喷嘴喷出后 在料液物理性的影响及介质的摩擦作用下 液膜伸长变薄 并撕裂成细丝 最后细丝断裂为液滴 4 压力喷雾器的特性 1 喷雾器的流量 2 喷雾角度 离心喷嘴的锥状雾型的锥角 其大小关系到塔的尺寸 角大 塔径大 tg 2 ux uy 的大小与喷嘴的结构有关 见图 喷雾角一般不受料液的表面张力的影响 但随料液黏度增加而变化 黏度大 角小 以至于无法造成雾化 3 液滴大小 各种参数对液滴尺寸的影响 流量的影响 在喷嘴额定进料速率范围内 流量越大 大液滴越多 雾化角的影响 雾化角越大 减小喷嘴流量系数 从而流量越小 因而在恒压下减小液滴尺寸 粘度的影响 粘度越大 液膜越厚 液滴直径越大 压力的影响 在进料速度固定时 压力增加将使平均液滴直径减小 表面张力的影响 表面张力大的液滴难雾化 但其对液滴的大小影响不大 喷嘴孔径的影响 在其喷嘴参数保持不变时 液滴尺寸随着嘴孔径的平方而增加 5 压力雾化器的计算 1 通过喷嘴流量 2 喷雾液滴直径 雾滴和颗粒的形状和大小都是各不相同的 其变化直接影响到产品质量 如颜色 容重 溶解度 扩散性等物理性 通常用平均直径表示 喷雾液滴直径大小可用下列经验公式计算 3 压力喷雾用高压泵所需功率 N V1 1H 102 kw 式中 V1 料液流量m3 sH 总压头m液柱 泵效率一般为 0 7 0 8 1 料液密度 m s 4 特点 优点 1 结构简单 操作时无噪音 制造成本低 维修方便 动力消耗较小 2 改变了喷嘴的内部结构 容易得到所需要的喷矩形状 3 大规模生产时可以采用多喷嘴喷雾 采用多喷嘴时 必须注意喷头分布的距离 相邻喷嘴距离过近 导致粒度不均 4 适于逆流操作 5 产品粒度粗大 缺点 1 生产过程中流量无法调节 喷嘴的喷雾量取决于喷嘴出口孔径和操作压力 而操作压力的改变会影响产品粒度 因此 即使在喷嘴前的管道中装有调节阀也无法达到目的 当阀门关小时 压力显著降低 喷雾的分散度受到影响 要调节流量 必须更换不同孔径的喷嘴 操作弹性很小 2 喷孔在1mm以下的喷嘴 易堵塞 3 不适宜用于黏度高的胶状料液及有固相分界面的悬浮液的喷雾 4 喷嘴易磨损 需经常调换 二 离心式喷雾器 离心式喷雾器液是一种应用较广泛的喷雾器 它使将料液送到高速旋转的转盘上 由于离心力的作用 料液被甩成薄膜 由喷雾盘的边缘甩出同时受空气的摩擦以及本身表面张力作用而成雾滴 1 离心喷雾盘的结构 周边有喷嘴 叶片 沟槽 离心喷雾盘的型式很多 常见的有喷枪式和圆盘式两大类 喷雾器型式的选择主要取决于被干燥物料的性质 如粘度较小的料液可采用喷枪式和多叶片式 对粘度大的料液可采用光滑盘 如碟式 碟式 碗式 僧帽式表面平滑 有较长的润湿周边 使溶液形成扁平的薄膜 有利于雾化 结构也较简单 但缺点是 表面平滑 溶液在盘内产生较大的滑动 使之不能得到较高的喷雾速度 另外 碟式离心盘在加料时 易发生液滴飞溅 碗式离心盘上的铆钉易脱落 造成危险 为了防止上述各缺点 在设计中有许多改进 如防止滑动就设计成沟槽式 叶板式以及喷枪式等离心盘 沟槽式离心盘虽然可以保证溶液能达到离心盘的转速 但喷射出来的溶液呈现单独的细流 液膜较厚 雾化不均匀 液滴分散度较小 成品颗粒粗 若喷出孔改小 遇有污垢有堵塞的可能 改进新型 喷枪式离心盘较沟槽式离心盘又有了改进 但若要提高处理量 则要增加喷枪数 才可能使液膜减薄 调节不方便 目前这类设备多用于中小型工厂 叶板式离心盘具有较好的润湿周边 当溶液在离心盘的中心较近的地方 运动速度不大 因此滑动不大 在离心盘的中心较远的地方 适当增加一些叶板 就可以在同样大小的离心盘和在同样的旋转速度下 增加润湿表面的周边 溶液薄膜沿叶板的垂直面移动 因此 可以在不改变离心盘的直径而增加叶板的高度来提高生产率 并能得到相同的喷雾分散度和喷矩直径 可见叶板式离心盘结构较合理 其缺点就是需消耗较多的循环空气的功率 多层式离心盘 可在喷距直径较小的情况下 得到较高的生产率 由于圆盘直径不大 易于取得较高的转速 多层式离心盘还可作两种以上的料液同时进行喷雾而混合 工业用离心盘的直径通常为160 500mm 转速约为3000 20000转 分 直至高达20000以上 相应的圆盘圆周速度为75 170m s 为了达到产品均匀 分散以及小喷矩等的要求 在设计离心喷雾盘时 其圆周速度最小不低于60m s 因为实践证明 如果圆周速度小不60m s 得到的雾滴不均匀 盘近处液滴细小 远处粗液滴 2 离心喷雾的雾化机理 离心喷雾是利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予溶液以离心力 使其以高速甩出 形成薄膜 由喷雾盘的边缘甩出同时受空气的摩擦以及本身表面张力作用而成细丝或液滴 从离心盘甩出的液体被分散为液滴的现象 受下列因素的支配 1 液体的粘度 表面张力 2 液体在离心盘边缘的惯性力 离心力 3 液体甩出点周围空气的摩擦力 当离心盘转速很低并且液量很小时 则粘度和表面张力起决定因素 此时雾化机理为物性控制 当离心盘的转速越来越高 液量也越来越大时 则离心力和摩擦力起决定因素 此时雾化机理液就从物性控制过渡到离心力和摩擦控制 成为速度雾化机理 在工业生产条件下 大多采用高速转盘和大流量下操作 所以雾化主要是速度雾化 速度雾化所得喷雾具有很宽的滴径分布 为了提高喷雾的均匀性 可在低液量的情况下 提高转盘的速度 在喷雾干燥的操作条件下 想利用调节料液粘度和表面张力来获得均匀的液滴是不可能的 因此料液量一定时 为了保证液滴的均匀性 必须注意以下几点 离心盘必须无震动运转 转盘速度要高 转盘上的叶片的沟槽表面必须平滑 转盘上叶片表面完全为料液所润湿 进料量要稳定而且均匀总之 液滴大小和喷雾的均匀性 与物料的性质 处理量 盘的结构 转速等有密切关系 3 离心喷雾器的特性 1 喷雾角 液体离开转盘的速度与圆周速度的夹角叫喷射角 生产实际中一般为5 6 因为液体在盘上的径向速度比圆周速度小的多 雾化器的雾化程度取决于液体释出速度u 由图可知 u ut2 ur2 1 2 tg 1ur ut 液体离心盘边缘的径向速度ur与转盘的型式 尺寸 转速 进料量以及流体物理性质有关 可用下式计算 对于光滑盘 ur 0 0377 pn2Q2 D u 1 3 m s p 物料密度kg m3n 转盘的转数转 minQ 盘上物料量m3 minD 盘直径mu 物料的粘度厘泊 对于带喷嘴盘 ur w0 8R0 4 A0 4 1 0 35 A0 95w0 42R1 34 0 4 m s w 盘的角速度弧度 秒R 转盘半径米A 系数考虑摩擦关系的一个系数是一变量A 0 09r0 35v0 25 Q z 0 8r 喷嘴半径 v 物料运动粘度 Q 物料量 z 喷嘴个数根据A的值 计算出径向速度一般为 0 3 0 85倍的圆周速度 即 0 3 0 85 wR 对于具有浅槽或叶片的离心盘 ur 0 885 p 2n2DQ2 uZ2h2 1 3 m s 式中 p 液体密度kg m3n 盘的转速转 sD 盘的直径mQ 料液量m3 su 料液粘度帕 秒Z 叶片板h 浅槽深度m 盘的切线速度与盘的结构型式及转速有关 对于具有浅槽式或叶片式的转盘 由于浅槽和叶片限制液体的滑动 所以切线速度就等于盘缘的圆周速度 即 ut D n wR m s 对于光滑盘 由于物料在盘上产生滑动 则切向速度小于圆周速度 所以合速度小 雾化不好 工业上采用带叶片或沟槽的盘以防止滑动 关于光滑盘的切向速度计算 由弗雷泽提出判断滑动程度的数群A G Du 式中 G 物料流量m3 hD 盘直径m u 物料粘度厘泊当A 2140时 ut 0 5 D n m s A 1490时 ut 0 6 D n m s A 745时 ut 0 8 D nm s 2 液滴大小 影响离心喷雾液滴的直径大小的因素有转速 盘径 盘型 进料量 流体密度 粘度和表面张力 通常将归纳为如下方程 对于具有浅槽或叶板的离心盘 可用下式计算 d平均 kR Mp pnr2 0 6 u Mp 0 2 pZh Mp 0 1 m 式中 Mp 叶板周边润湿率 kg m s R 转盘半径 m N 盘转速 转 分 u 液体粘度 pa s 液体表面张 N m p 液体密度kg m3 Z 叶板数 h 叶板高度 m k 系数 其值为 0 37 0 40与Mp有关 当Mp0 33时 取K 0 4上式适用于溶液粘度1 9000厘泊 表面张力74 100达因 比重为1 1 41 对于带喷嘴的离心转盘 用于雾化牛奶时 滴径可用下式计算 d平均 98 5 1 n Rp 1 2 m 其中 n 盘转速 转 分 牛奶表面张力 mR 盘半径 m p 牛奶密度 m3 3 喷距半径 在回转圆盘喷雾时 喷距的直径很重要的数据 因为干燥式的直径是根据喷距直径大小而选定 在实际中干燥室的直径稍大于喷距直径 这样极为有效 否则会有一部分液滴直接喷到塔壁上 就会使产品质量恶化 喷出来的液滴小 喷的近 喷距小 因为与空气摩擦其动能降的快 喷出来的液滴越大 越不均匀 喷距直径大 所以 当其它条件不变时 提高生产能力 液滴越大 喷距直径增加 所以为了提高生产能力 又不使干燥室过大 往往采用多层盘 这样 雾滴分散更好 而且又是缩小喷距直径的良好办法 喷距的最大直径是S 是99 的雾滴降落至离心喷雾器下方3英尺处的雾矩截面半径 可用下式计算 S 3 3D0 21G0 2 n0 16 m 式中 D 转盘直径 m G 进料量 kg h N 盘转速 转 分 喷距的最大半径对喷雾干燥塔直径的确定有重要意义 特别是离心喷雾场合 因为它不象用机械喷嘴或气流喷嘴时 把小零件更换就可调节雾矩大小 则不致引起粘壁 但对离心喷雾却很难借着改变雾化器的结构来改变雾矩 所以对喷雾距直径必须预先精确计算 才能确定塔直径 4 离心喷雾盘所消耗的功率 主要包括三方面 供给料液雾化所需功率N1 使料液产生相应动能 克服转盘表面和空气摩擦需功率N2盘内空气循环所消耗功率总功率为 N N1 N2 N3 kw 盘内空气循环所消耗的功率 因盘的结构不同而异 通常因盘内空气量不大 所以其消耗的功率可忽略 料液雾化所需功率可用下式计算 N1 1 095 10 5Gn2 R2 0 5R02 Kw 式中 G 料液量 Kg h n 盘的转速 转 秒 R 盘半径 m R0 从入料口到盘中心的距离 m 克服盘与空气摩擦所消耗功率 可用下式计算 N2 4R2 Va UT 100 3 Kw 式中 R 盘半径 m Va 空气比容 m3 Kg UT 盘圆周速度 m s 4 特点 优点 1 液料通道大 不易堵塞 2 对料液的适应性强 高黏度 高浓度的料液均可 3 操作弹性大 进料量变化 25 时 对产品质量无大影响 4 可同时雾化两种以上物料 5 产品粒度均匀 缺点 1 结构复杂 造价高 维修工作复杂 2 动力消耗比压力式大 3 只适于顺流 立式喷雾设备 三 气流式喷雾器由于他的动力消耗太大 故食品工业很少应用 它是用于试验用小型设备和小批量生产 在此不作介绍 可参阅有关资料 四 离心喷雾与压力喷雾的比较压力喷雾和离心喷雾在国内外食品工业上都用于大规模的生产中 目前国内外以压力喷雾为主 如蛋 乳粉生产中压力喷雾占75 而离心喷雾占24 国外欧洲以离心喷雾为主 美 日 丹麦等国以压力喷雾为主 四 喷雾干燥器及系统 组成 干燥室 喷雾器 热空气分配装置 进风机 空气过滤器 空气加热器 进料装置 粉尘回收装置及排风机 一 喷雾干燥室 多为厢式和塔式两大类 由于处理物料不同 受热温度不同 以及热风进入和进料方式不同 其结构型式也很多 干燥室所用材料不同 可分为金属结构的 钢筋水泥结构的及有衬里 瓷砖 结构的 目前普遍用金属结构 1 厢式 卧式 用于水平方向的压力喷雾干燥 其底有平底的和斜底的 前者用于处理量不大的场合 结构简单 用于食品干燥其内衬不锈钢板 底部有良好的保温层 以免干燥积露回潮 干燥室外壁用绝热材料保温 常用的保温材料有 玻璃丝棉 砂渣棉 轻质石棉砖 蛭石 泡沫塑料等 2 塔室干燥室 干燥塔 新设计的喷雾干燥设备 几乎都采用塔式结构 适用于离心喷雾 压力喷雾和气流喷雾塔的结构 其骨架用型钢 内壁视处理物料可用薄不锈钢板或普通钢板制造 用型钢骨架是为了节省不锈钢 否则需用10mm厚的钢板做塔 材料费用高 型钢价格4000 5000元 吨 不锈钢薄板价格 2 3mm厚 40000 50000元 吨 塔底结构多为锥形底 为了防止物料产生粘壁现象 热塑性制品 高温软化 低温硬化 故具有塔壁冷却措施 常用的冷却方法有三种 1 有塔的圆锥体下部切线方向进入冷空气扫过塔壁 2 具有夹套3 沿塔内壁装有旋转空气清扫器 通冷空气冷却 二 热风盘 1 热风进口位置及热风分配室热风进入干燥室之前 必须通过特殊结构的热风分配室使热风均匀分布 充分与颗粒接触 而且不产生涡流和焦粉现象 热风分配是出口风速一般为 5 12m s 干燥室截面风速0 2 0 54m s 1 压力喷雾热风分配装置 1 均匀板气流形成直流气流呈旋转状流动2 锥形气流调节装置3 多个导风管调节装置 1 均匀板 1 气流形成直流 热风从侧面进入 通过一块垂直和一块水平孔板分布均 匀 热风垂直向下进入 经三块水平孔板分布均匀 2 气流呈旋转状流动 调节旋风板的叶片角度 调节气流旋转程度 用于卧式压力喷雾 目的增加热风与雾滴接触时间 也适用于立式顺流 2 锥形气流调节装置 在热风导管中装有一上下具有锥形增速套 在锥形套的中心安装喷枪 压力喷雾器 气流以每秒15米的速度从套筒与导管间的环隙通过 使气流垂直进入塔内 不形成旋转 故避免在进风口处产生粘壁现象 3 多个导风管调节装置 四个导风管总截面积 进风管面积 四个导风管的风速要想保持相等 进风管处的导风管应调高一些 离总管远的导风管装的低一些 2 离心式喷雾干燥热风分配装置 1 其构造由热风盘 锥形支座 导风板 空气分散器 冷却风圈 细粉回收管 离心盘 均风板 组成 1 热风分配盘 图为由一个进风口进入 为了使热风均匀入塔 故盘的风道截面越来越小 因风量逐渐减小 内外壁为不锈钢造 中间是保温层 2 锥形支座 3 空气分散器 它由三个挂钩支架 用三个S型不锈钢挂钩悬挂在锥形导板上 上下可调节 4 冷却风圈 因塔顶出进风温度高 以产生焦粉 故在热风出口周围装有冷却风圈 室内的冷空气从进风口进入冷却进风圈 绕行一周后沿中间隔板上的孔入锥体上的风圈 再绕到一周后由排风口经排分机排出室外 2 离心式喷雾干燥热风分配装置工作原理 热风切线方向进入热风盘 通过多孔板 在锥形导风板和空气分散器的作用下 就能均匀的进入塔内 其调节 锥形导板能使热风形成圆形转动 螺旋式沿锥体下吹 在空气分散器的作用下均匀进塔 导板与锥体轴线成25 30 夹角太小旋流差 夹角太大 旋流急剧 易使塔顶粘粉 空气分散器调节 其向上调 雾滴至塔顶距离小 雾滴平甩出 雾滴向外旋转 往下调 雾滴距塔顶距离大 雾滴垂直甩出 雾滴向下旋转 其最佳位置是上缘位于锥形风道的1 2处 三 空气过滤器 加热器 风机及粉尘回收装置 1 空气过滤器2 空气加热器 略 3 风机的选择4 粉尘分离装置 3 风机的选择 喷雾干燥系统所用的进风机和排风机均为离心式鼓风机 其性能曲线在产品样本均有说明 选择风机时 风量要根据计算值 再加上一定裕量 如进风机加10 20 排风机加15 30 一般情况下 排风机的风量比进风机要大20 40 使干燥塔内保持微负压 以避免粉尘跑向车间 在奶粉喷雾干燥中 一般要用进风机的风压为120 160mmH2O柱 排风机的风压为180 240mmH2O柱 进风机风压 空气过滤阻力 加热器阻力 管道阻力排风机风压 干燥室阻力 粉尘过滤器阻力 排风系统管路阻力 干燥室内保持负压根据经验 进风管风速为6 10m s 排风管风速为5 8m s为宜 故其管路直径可用流量公式计算 4 粉尘分离装置 目的 回收物料 防止浪废 及防止对环境的污染 常用的为先用旋风分离器分离 再用袋滤器 或者单独使用旋风分离器 或单独使用袋滤器 1 袋滤器2 旋风分离器 1 袋滤器 袋滤器是一种有效的除尘装置 其回收效率可达100 常直接安装在喷雾干燥器之后作为产品回收装置 1 袋滤器的构造和操作袋滤器主要是由许多个长约2 3 5米 直径为0 15 0 20米的滤袋垂直地安装在外壳内 滤袋是用天然纤维或合成纤维为原料的纺织品制成的 大多不耐高温 图7 10是一种半连续式清扫积尘的袋滤器 附有机械振动和压缩空气倒吹的装置 通常袋滤器并联若干单元 每个单元有许多滤袋 图7 10是其中一个单元的剖视图 这个单元正处在操作中 含尘气体通过滤袋 粉尘积留在袋中 气体则透过滤袋排出去 粉尘积留到一定程度时 表现在压力降增高上 可达200 240毫米水柱 这个单元就停止除尘操作 同时倒吹压缩空气并通过机械振动把积留的粉尘从袋中清除到锥底 然后由螺旋输送器排出去 如此循环不已 当一个单元在清扫时 其余各单元则处理全部含尘气体进行过滤 清扫次序和时间由一时控装置来控制 通常 每个单元滤袋的清扫时间与总循环时间相比是很小的 例如一个三单元的袋滤器 每个总循环时间约为30 45分钟 而袋子的清扫时间只有1 2分钟 还有一种半连续式操作的袋滤器 称为脉冲袋滤器 是近年来发展的除尘效率较好的袋滤器 如图7 11所示 用一脉冲控制仪来控制每一滤袋的脉冲阀并准确地执行各滤袋喷吹清扫的程序切换 图上右侧一滤袋 内有框架支持 正在用压力为6公斤 厘米2 表压 的压缩空气喷吹 喷吹时间极短 通常只有0 1 0 2秒 具有脉冲特征 故称脉冲袋滤器 喷吹时滤袋突然膨胀 引起一次冲击振动 在瞬时间产生由内向外的逆向气流 故滤袋上的粉尘被吹落至袋滤器底部排出 此袋喷吹清扫后 就自动切换至另一滤袋喷吹 而此袋则进行过滤 每过滤15秒钟又切换至本袋喷吹 由此可见 脉冲袋滤器与上述机械振劝和倒吹的袋滤器相比 在清扫时不需要关闭袋滤器中任何一个部分 而且每个滤袋的清扫时间与过滤时间相比不过1 100左右 因此脉冲袋滤器实际上可以看成是一个连续式清扫的袋滤器 由于一个操作循环的时间短 因此在滤袋上积留的粉尘也较薄 压力降较低 或容许通过滤袋的空气速度较大 也即单位时间内通过单位过滤面积的气体体积较大 约为3 4 5米3空气 米2过滤面积 分钟 通过袋滤器的压力降与所用的滤袋材料 粉尘性质 清扫方法和一个操作循环所需的时间有关 通常由实验测得 用于喷雾干燥的袋滤器压力降一般在40 200毫米水柱之间 2 滤袋材料滤袋材料是根据粉尘性质 空气温度和材料本身 织成滤布 的价格来选择的 用于喷雾干燥的袋滤器 大多不超过130 但是冶炼厂所用的袋滤器 则要求耐高温至250 300 还要求耐酸 除了耐高温 耐酸碱这些特殊要求外 一般还要求粉尘的回收效率高 寿命长和积灰后阻力小 滤袋的主要材料及其性能见表7 4 一般采用涤纶绒布和毛毡 具有处理能力大 阻力低 除尘效率高的优点 操作温度一般为100 左右 玻璃纤维织成的布袋虽能耐高温 耐酸 但强度不够 容易损坏 我国某冶炼厂经过研究改为用单丝浸石墨加聚乙烯织成的布袋 使其寿命延长3 4个月 取得良好效果 在制作布袋时 不宜用布折叠缝制 因为连线容易折断而造成滤袋漏尘 所以布袋最好直接织成圆筒形 我国某些工厂和研究所共同研究制成尼毛特2号和尼棉特4A滤袋 已成批生产 其特点是 直接织成圆筒 没有拼迭缝 都是双层织物 经线是尼龙线 耐磨性好 纬线是羊毛或棉纱 纬线起绒 滤尘性好 织成斜纹 透气性好且耐用 2 旋风分离器 1 旋风分离器的操作原理旋风分离器是利用离心沉降原理 从气流中分离出颗粒的设备 其主体的上部为圆筒形 下部为锥形 含尘气体从圆筒的上部以切线方向进入 获得旋转运动 分离出粉尘后 从器的顶部排气管排出 粉尘从锥底排出 2 结构 进气管 中央排气管 圆柱体 圆锥体 3 旋风分离器的形式 工业上用的旋风分离器有含尘气体切线进入和蜗卷式进入两种 切线入口 进口处阻力很大 效果差 蜗卷式入口此种入口式汗尘气体均匀螺旋流动 因而比切线入口具有较高的回收率 当两种尺寸相同时 它处理气体是比切线入口大 有旋涡存在 气不往下走 改进型 扩散式 可防止上升流将尘粒重新卷起 粉尘回收高 能除去10 m粉尘 但构造复杂 反射屏使大部分气体被反射 经中心管排出 粉尘在器壁上撞击坠落 进入受尘斗 气流从反射屏透气孔上升到中心排气管排出 到锥体使气体速度下降 大部分气体反射回排气口 4 旋风分离器的选型 由于对旋风分离器的内部气流运动规律还没有充分的认识 关于它的设计 目前还是根据生产的数据 进行选用为主 且选用的方法也不统一 常用的方法为 选定型式 根据粉尘的性质 分离程度 允许的阻力和制造条件等因素 全面分析 合理地选择旋风分离器的型式 从各类旋风分离器的结构特点分析 一般说 1 粗短形的除尘效果低 阻力小 适用于大风量 低阻力粗净化 2 细长的除尘效率高 阻力大 操作费用增加 五 喷雾干燥器的设计与计算 首先掌握已知条件干燥室热工计算干燥器的设计计算 1 干燥室尺寸及喷嘴位置的确定1 干燥室有效容积计算的 有效容积 决定于水分蒸发量及蒸发强度Ve W g m3 式中 W 水分蒸发量 kg h Ve 干燥室有效容积g 容积干燥强度 Kg m3h 是经验值 其与温度有关 g 0 03tB 1tB 进入干燥室的热风温度 2 干燥室截面积 1 压力喷雾干燥室截面积a 选截面风速0 2 0 5m s根据蒸发水量求出热风量 计算截面积 F 说明 关于截面风速的选择问题很重要 当风速过大 粉粒不易沉降 增加了废气的含尘量及回收设备的负担 而且也缩短了微粒的干燥时间 影响干燥效果 易造成粘壁现象 反之 虽克服了上进缺点 但增加了设备投资 为了生产大颗粒产品 对立式顺流干燥设备而言 截面风速宜选小一些为好 喷嘴孔大 大颗粒产品易冲调 b 根据喷嘴数量的布置确定塔截面 喷嘴数量的计算 选喷嘴孔径0 8 1 5mm 算出一个喷嘴截面积f 求出单个喷嘴体积流量 式中 g 重力加速度m s2p 压差Kg m3 密度Kg m3c 喷嘴流量系数0 25 0 55根据总的流量求出喷嘴数量 根据喷嘴的布置确定塔截面 喷嘴位置布置的原则 在喷雾时 喷嘴互不干扰 而且颗粒在干燥前不与壁接触 因此要求喷嘴轴间距为1m左右 对卧式距底部不少于1 2 1 5m 距顶及两侧一半为宜 由此可以排出干燥室的截面积 再依此计算出风速 验算是否在0 2 0 5m s间 在荷兰 乳粉生产利用24个喷嘴 直径为9米的干燥塔 其喷嘴的排列方法为 分成8组 每组3个喷嘴 正三角形排列 根据喷嘴的开关控制排风温度 如当关闭时通一两分钟的水降温 同时起到了清洗作用 24小时停机一次 c 根据蒸发强度确定塔径 D 1 05 w g 1 3 m 式中 W 蒸发量 Kg h g 容积干燥强度 Kg m3 h 2 离心喷雾干燥室截面积 a 根据最大喷矩半径确定塔截面积D 2 25Smax m Smax 3 3 D0 21G0 2 n0 16G 进料量 Kg h D 盘直径 m n 盘转速 转 分 B 根据蒸发强度确定塔径D 1 05 W g 1 3 m 3 干燥室长度 高度 的确定 1 压力喷雾干燥室 根据截面积和有效容积求出L H Ve F符号同前 对立式顺流干燥塔高度 H1 8 30m 圆桶部分 H2 D 截锥部分 现在日趋向15 20m 目的是为了满足大流量单嘴产需要 增加干燥室高度或降低截面风速 目的是使大颗粒雾滴有足够的干燥时间 或用低热源也能达到干燥的要求 2 离心喷雾干燥室有效高度的确定 H1 D DH2 D也可以根据塔内截面积气流速度 选取热空气在塔内有效高度流经的时间 求塔高 H W平 8 12S m 2 空气过滤器的计算 计算过滤面积 A V m m2 式中 A 过滤面积 m2 V 通过的空气量 m3 h m 过滤强度 即滤层的单位面积负荷 m3 m2 h 一般为4000 8000 设计时要求小于2 m3 m2 s 即空气速度2 m s 空气通过过滤层的阻力 Hf 0 5Sv1 8 mmH2O 或Hf 0 03m1 282 mmH2O 式中 S 过滤厚度 cm v 过滤速度 m s 经验得知 过滤阻力一般不超过15 20mmH2O柱 采用中孔泡沫跑摸塑料阻力小 不超过8mmH2O柱 可推广使用 3 袋滤器 在设计计算其时 一是考虑阻力 二是计算过滤面积 袋滤器的阻力不应超过100mmH2O柱 其计算较困难 可用近似公式计算 P KZp a qB mmH2O 式中 P 袋滤器阻力 mmH2O 一般为50 80mmH2O柱 Zp 袋沾尘度 g m 奶粉为500g m2 q 净布上的单位负荷 cm m 一般为100 200mmH2O a K B 常数 对棉织布B 1 14 K 2 45 10 4 a 7 56 10 3 过滤面积 A V q m 式中 V 通过的气体量 m h q 布袋单位负荷袋的数量Z Z A dl 式中 d 袋直径 m l 袋长度 m 一般为2 3 5m 4 旋风分离器 1 进气管做成长方形 通常气速为14 25m s 当含尘较多 粉尘较细时 可为18 25m s 气速再高对效果提高不大 可增加了阻力 气速太小 则效率不好 进口的气体流速通常为已知 则选定空气速可移出入口截面 2 中央排气管中央排气管的尺寸和位置高低对除尘效果有很大影响 排气管插入的深度应较小 以增加锥底到排气管之间的距离 因为在这段上升气流也是旋转的利于再除尘 增加旋风分离器的总高 H H 对排气管直径d的比值 可提高除尘效率 据确定 H1 H2 d 10 11为最佳比值 排气管中的气速一般为3 8m s 3 圆柱体根据离心公式C mV R可知 圆柱体直径较小时 离心力较大 有利除尘 直径为150 250mm的旋风分离器可除去10 15 m以下粉尘 但直径不可太小 当小于150mm时 易产生涡流 会将沉降的粉尘重新卷起 但太大时 除尘效率低 目前喷雾干燥所用的d不超过600mm 对较粗颗粒d不超过800mm 对于处理气量大的情况可用几个并联 4 圆锥体近年来出现长锥体旋风分离器 分离效果较好 H 2 5D 因为圆锥体长 有利于下旋气体流将所含尘分离出去 也有利于已被上旋气流卷起的粉尘进行再分离 旋风分离器各部分尺寸的关系 b Dd 2 h Dd D0 2Dd S Dd 4 Ha 4Dd He 4Dd dr Dd 2 六 喷雾干燥的特点 优点 1 干燥过程非常迅速 几秒内结束 2 干燥过程中液滴温度不高 产品质量较好 3 喷雾干燥后产品不需进一步磨碎 简化工序 4 喷雾干燥时 可以调节改变干燥条件而调整产品质量指标 如 粉末的容积密度 粒大小等 5 产品具有良好的分散性 流动性和溶解性 因为干燥在空气中完成 产品基本能保持与液滴相似的中空球状或疏松的粉末状 具有良好的分散性 6 密闭且负压 保证了生产的卫生条件