干燥技术第三节 喷雾干燥塔的结构设计和尺寸估算.

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1、3.3 喷雾干燥塔的 结构设计和尺寸估算 在这一节内，主要讨论塔内空气一雾滴的 流动方向， 热风分布装置， 空气进、出干燥塔的方式， 粘壁问题， 干燥塔直径与高度的估算, 行业及企业标准等。 3.3.1塔内空气一雾滴的流动方向 在喷雾干燥塔内，空气(即热风)和雾滴的运动 方向及混合情况，直接影响到干燥时间和产品质量 。应根据具体的工艺要求(如物料热敏性问题、低熔 点问题、产品湿含量要求等)，正确选择适宜的空气 一雾滴的运动方向。 空气雾滴的运动方向，取决于空气入口和雾 化器的相对位置，据此，可分为三大类：并流、逆 流和混合流运动。由于空气雾滴的运动方向不同 ，塔内温度分布也不同。三种情况：向下

2、并流、向 上并流及卧式水平并流。 3.3.1.1 空气一雾滴并流 运动 所谓并流运动，是指空气和雾滴 在塔内均为相同方向运动。并流 又分为 (1) 空气雾滴向下并流 的喷雾干燥 如图5-72所示。喷嘴安装在塔的 顶部，热空气也从顶部加入。空 气雾滴首先在塔顶高温区接触 ，水分迅速蒸发，空气温度急剧 下降，当颗料运动到塔的下部时 ，产品已干燥完毕。 如图5-73所示，在并流情况下，塔内温度是较低的， 适用于热敏性物料的干燥。 旋转式雾化器的喷雾干燥 是并流向下的另一种形式 其空气一雾滴的运动比较 复杂，既有旋转运动，又 有错流和并流运动的组合 。 塔内空气的流动状态，见 图5-74。 雾滴主要是

3、沿水平方向飞 出的，故此类塔型为直径 大而高度小的形式 由图5-75可见，塔内温度分布是相当均匀的，尽管空气入口 温度是450，但与雾滴接触后，就迅速下降到接近于出口温 度。这说明雾滴一空气之间的热、质交换过程进行得很迅速 。同时，对塔壁的结构材料不必有过高的耐热要求。 在并流干燥情况下，热风入口可以具有相当 高的温度，因为高温气流与液滴接触的瞬间 ，液滴保持湿球温度，故热风人口温度可以 高于产品的允许温度，而关键在于严格控制 空气出口温度。 此类干燥塔的操作空塔气速一般控制在0.2 0.5ms之间。 由于雾化器安装在塔的顶部，不便于它的 更换和检修，这是该流向的缺点。 (2) 空气一雾滴向上

4、并流的 喷雾干燥 喷嘴安装在塔底，干燥热空气也从 塔底部进入，构成空气雾滴向上 并流运动；如图5-76所示。 该流向的特点是：在一定气速下 ，塔内较大颗粒或粘壁料块，落入 塔底，定期排出，另作处理； 喷嘴安装在塔的下部，便于操作 、维修和清洗。 其缺点为落入塔底物料，易被高温 气流烤焦而变质或变色。 此类流向主要用于气流式喷嘴。操 作空塔气速一般控制在13ms。 (3) 空气一雾滴卧式水平并流的喷雾干燥 料液经干燥塔侧面的若干个喷嘴喷出，热风也由侧面围绕每 个喷嘴旋转地喷出，二者形成并流运动，如图5-77所示， 这种流向的优点是设备高度低，适合安装于单层楼房内。 其缺点是空气一雾滴 混合不太好

5、，大颗粒 可能未达到干燥要求， 就落入干燥塔底面上， 因而影响干燥产品质量。 其温度分布见图5-78。干燥产品的绝大部分落入塔底，间 歇或连续排出。一小部分被气流夹带的产品经气一固分离 器回收下来。 3.3.1.2 空气一雾滴逆流 运动 热风从塔底进入，由塔顶排出， 料液从塔顶向下喷出，产品由塔 底排出，空气一雾滴在塔内形成 逆向运动。 特点是热利用率较高。 因为传热传质的推动力较大，将 含水较少的物料与进口的高温空 气接触，可以最大限度地除掉产 品中的水分； 由于气流与雾滴逆向运动，延长 了雾滴的停留时间。 见图5-80，产品与高温气体接触，它只适用于非热敏性物料 的干燥。热风的入口温度受产

6、品的允许温度所限制。逆流操 作，要保持适宜的气体空塔速度。 否则，将引起严重的颗粒夹带，给回收系统增加负荷。 3.3.1.3 空气一雾滴混合流运动 混合流是既有逆流又有并流的运动。可分为三种情况： (1) 喷嘴安在干燥塔底部，向上喷雾，热风从顶部进入，雾滴 先与空气逆流向上运动，达到一定高度后，又与空气并流向 下运动，最 后物料从底 部排出，空 气从底部的 侧面排出。 (2) 设置内流化床的喷雾干燥塔 喷嘴安装在塔的顶部，塔底部是一个内流化床，两个进风口 ，一个排风口，一个出料口，见图见图5-82。 (3) 喷嘴安装在塔 的中上部 如图5-83所示，物料向上喷 雾，与塔顶进入的高温空 气接触，

7、使水分迅速蒸发 ，具有逆流热利用高的特 点。物料已干燥到一定程 度后，又与已经降低了许 多温度的空气并流向下运 动，干燥的物料和已经降 到出口温度的空气接触， 避免了物料的过热变质， 具有并流的特点。在设计 与操作时，要防止在颗粒 返回区域产生严重的粘壁 现象。 3.3.2空气(热风)分布器 能够预测和控制喷雾干燥塔内的雾滴一空 气的运动，对干燥塔的设计是非常重要的。 离开雾化器的雾滴及干燥空气的运动组合方 式决定着干燥速度及干燥程度。雾滴一空气 运动的结果决定着液滴在干燥塔中的停留时 间。 关于雾滴一空气运动状态，有如下共同的 结论。 可以认为细雾滴的运动，在大部分干燥塔体积中， 受到空气流

8、的完全影响。一旦小液滴离开雾化器， 它们便获得雾化器附近的周围空气的速度。 粗雾滴和空气流动关系不大。 在并流流动的情况下，离开旋转雾化器的雾滴倾斜 地去和引入的干燥空气接触。 在干燥塔内的空气分布器的周围，以及在壁上的这 些涡流，建立起局部范围的雾滴一空气的逆流流动 。 空气一雾滴的运动，由空气分布器的位置和结构、 雾化器的位置和操作、在干燥时的雾滴行为、干燥 塔的尺寸、粉体一空气排出的方式所控制。 在液滴干燥的关键的第一阶段中，空气分布器决定 着雾滴一空气运动。 3.3.3 干燥塔锥形底出料和排气方式的组合 图596示出的组合方式，基本上概括了常用的 方法。可根据工艺要求，选择其中某一种形

9、式。 3.3.4喷雾干燥操作中的粘壁问题 粘壁现象是指被干燥的物料黏附在干燥塔的内壁上。粘壁现 象是喷雾干燥的一个重要问题。这是因为： 粘壁后的物料，由于长时间停留在内壁上，有可能被烧焦或 变质，影响产品质量； 粘壁后的物料，时常结块落人塔底的产品中(指塔底出产品的 操作)，使产品有时不能达到所规定的湿含量； 由于粘壁物料结块落入产品中，使有些产品(如染料等)不得 不增加粉碎过程，以达到一定的细度； 许多喷雾干燥设备，为了清除粘壁物料，不得不中途停止喷 雾，这就缩短了喷雾干燥的有效操作时间； 因设计或操作不当而产生的严重粘壁现象，甚至使喷雾干燥 器不能投入生产。 物料粘壁可粗略地分为三种类型：

10、 半湿物料粘壁； 低熔点物料的热熔性粘壁； 干粉表面附着(或称表面附灰)。 通常容易发生的是半湿物料粘壁。 半湿物料粘壁的原因是喷出的雾滴在没有达到表面 干燥之前就和器壁接触，因而粘在壁上。粘壁物料 愈积愈厚，达到一定厚度便以块状自由脱落。因此 ，造成产品烧焦、分解或湿含量过高。 粘壁的位置通常是在对着雾化器喷出的雾滴运动轨 迹的平面上。此类粘壁的原因，与下列因素有关： 喷雾干燥塔结构；雾化器结构、安装和操作；热风 在塔内的运动状态。 热熔性粘壁决定于在干燥温度下颗粒的性质。颗粒 在一定温度(熔点温度)下熔融而发黏，黏附在热壁 上。该类粘壁可跟据被干燥物料的熔点来判断。 对热熔性粘壁情况，可采

11、用下列方法解决。 控制热风在干燥塔内的温度分布。限制塔内最高温度分布 区不超过物料的熔点。这种情况采用气固并流操作为宜。 对于熔点很低的物料，又要采用喷雾干燥法时，可考虑采 用低温喷雾干燥法。 采用夹套冷却，用冷空气冷却塔内壁，保持低壁温，如图 5-97(a)所示。 采用冷空气吹扫。切线方向引入冷空气，吹扫易发生粘 壁的部位，如图5-97(b)所示。 采用带有旋转装置的冷空气吹扫塔内壁，一方面冷却，一 方面吹扫粘壁物料，如图5-97(c)所示。 清除粘壁物料常用的方法有： 振动法(间歇手动，间歇或连续电动、气动 )； 空气吹扫法； 转动刮刀连续清除法； 转动链条连续清除法； 针对粘壁部位，特别

12、设置电动或气动刷子 间歇清除法。 3.3.5干燥塔直径和高度的估算 (1) 用干燥强度法估算干燥塔容积 干燥强度是单位干燥塔容积单位时间的蒸发能 力，用qA表示，干燥塔的容积用下式计算 (527) 式中V 干燥塔容积，m3； WA湿分蒸发量，kgh； qA干燥强度，kg(m3h)，(m3干燥塔容积)。 qA是一个经验数据，在无数据时， 可参考表5-9、表5-10进 行选择。 对于牛奶，热风进口温度为130150时 ，qA24kg(m3h)。 V值求出以后，先选定直径，然后求出圆柱体 高度。 干燥强度经常作为干燥塔能力的比较数据， 此值愈大愈好。 (2) 用体积给热系数法估算干燥塔容积 按照传热

13、方程式 QaVVtm (528) 式中 Q 干燥所需的热量，W； aV体积给热系数，W(m3)，喷雾干燥时， aV 10(大粒)30(微粒)W (m3)； tm对数平均温度差，。 (3)旋转雾化器的喷雾干燥塔直径的确定 对于一般情况，塔径D按下式计算 D(22.8)R99 (529) 式中R99旋转雾化器喷雾炬半径。 对于热敏性物料，推荐用下式计算 D(33.4)R99 (530) 下面介绍两个经验公式。 (R99)0.93.46d0.3 G0.25n0.16 (531) 式中 (R99)0.9在圆盘下0.9m处测得的雾滴占全部喷雾量99 时的液滴的飞翔距离半径，m； d雾化盘直径，m； G喷

14、雾量，kgh； n雾化器转速，rmin。 (R99)2.044.33d0.2G0.25n0.16 (532) 式中 (R99)2.04在圆盘下2.04m处测得的雾滴占全喷雾量99 时的雾滴飞翔距离半径，m。 (4) 喷雾干燥塔的某些经验数据 干燥塔直径D和圆柱体高度H的比值，见表5-11。 干燥塔底部锥角和操作的空塔速度。 干燥塔下锥角等于或小于60。喷雾干燥塔的空塔 速度u0.20.5m/s。 喷嘴式雾化器干燥塔细而长，见图5-98 旋转式雾化器干燥塔粗而短，见图5-99 (5) 行业和企业标准 这里摘抄两个标准 一个是中华人民共和国机械行业标准(JBT 8714-1998)离心式喷雾 干燥机关于基本参数(表5-12)及雾化器在干燥塔外单独运行时的噪声值( 表5-13)的规定，供参考。 另一个是江苏省无锡市林洲干燥设备有限 公司的企业标准。