干燥技術(shù)第三節(jié)噴霧干燥塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸估算

1、3 3. .3 3 噴霧干燥塔的噴霧干燥塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸估算結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸估算 在這一節(jié)內(nèi)，主要討論塔內(nèi)空氣一霧滴的 流動方向，流動方向， 熱風(fēng)分布裝置，熱風(fēng)分布裝置， 空氣進(jìn)、出干燥塔的方式，空氣進(jìn)、出干燥塔的方式， 粘壁問題，粘壁問題， 干燥塔直徑與高度的估算干燥塔直徑與高度的估算, 行業(yè)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。行業(yè)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。3.3.1塔內(nèi)空氣一霧滴的流動方向塔內(nèi)空氣一霧滴的流動方向 在噴霧干燥塔內(nèi)，空氣(即熱風(fēng))和霧滴的運(yùn)動方向及混合情況，直接影響到干燥時間和產(chǎn)品質(zhì)量。應(yīng)根據(jù)具體的工藝要求(如物料熱敏性問題、低熔點(diǎn)問題、產(chǎn)品濕含量要求等)，正確選擇適宜的空氣一霧滴的運(yùn)動方向。 空氣霧滴的運(yùn)動

2、方向，取決于空氣入口和霧化器的相對位置，據(jù)此，可分為三大類：并流、逆并流、逆流和混合流流和混合流運(yùn)動。由于空氣霧滴的運(yùn)動方向不同，塔內(nèi)溫度分布也不同。三種情況：向下并流、向上并流及臥式水平并流。3.3.1.1 空氣一霧滴并流空氣一霧滴并流運(yùn)動運(yùn)動 所謂并流運(yùn)動，是指空氣和霧滴在塔內(nèi)均為相同方向運(yùn)動。并流又分為 (1) 空氣霧滴向下并流空氣霧滴向下并流的噴霧干燥的噴霧干燥 如圖5-72所示。噴嘴安裝在塔的頂部，熱空氣也從頂部加入?？諝忪F滴首先在塔頂高溫區(qū)接觸，水分迅速蒸發(fā)，空氣溫度急劇下降，當(dāng)顆料運(yùn)動到塔的下部時，產(chǎn)品已干燥完畢。如圖5-73所示，在并流情況下，塔內(nèi)溫度是較低的，適用于熱敏性物料

3、適用于熱敏性物料的干燥。 旋轉(zhuǎn)式霧化器的噴霧干燥是并流向下的另一種形式 其空氣一霧滴的運(yùn)動比較復(fù)雜，既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，又有錯流和并流運(yùn)動的組合。 塔內(nèi)空氣的流動狀態(tài)，見圖5-74。 霧滴主要是沿水平方向飛出的，故此類塔型為直徑大而高度小的形式 由圖5-75可見，塔內(nèi)溫度分布是相當(dāng)均勻的，盡管空氣入口溫度是450，但與霧滴接觸后，就迅速下降到接近于出口溫度。這說明霧滴一空氣之間的熱、質(zhì)交換過程進(jìn)行得很迅速。同時，對塔壁的結(jié)構(gòu)材料不必有過高的耐熱要求。 在并流干燥情況下，熱風(fēng)入口可以具有相當(dāng)高的溫度，因為高溫氣流與液滴接觸的瞬間，液滴保持濕球溫度，故熱風(fēng)人口溫度可以高于產(chǎn)品的允許溫度，而關(guān)鍵在于嚴(yán)格控

4、制空氣出口溫度。 此類干燥塔的操作空塔氣速一般控制在0.20.5ms之間。 由于霧化器安裝在塔的頂部，不便于它的更換和檢修，這是該流向的缺點(diǎn)。 (2) 空氣一霧滴向上并流的空氣一霧滴向上并流的噴霧干燥噴霧干燥 噴嘴安裝在塔底，干燥熱空氣也從塔底部進(jìn)入，構(gòu)成空氣霧滴向上并流運(yùn)動；如圖5-76所示。 該流向的特點(diǎn)是：在一定氣速下，塔內(nèi)較大顆粒或粘壁料塊，落入塔底，定期排出，另作處理； 噴嘴安裝在塔的下部，便于操作、維修和清洗。 其缺點(diǎn)為落入塔底物料，易被高溫氣流烤焦而變質(zhì)或變色。 此類流向主要用于氣流式噴嘴。操作空塔氣速一般控制在13ms。 (3) 空氣一霧滴臥式水平并流的噴霧干燥空氣一霧滴臥式水

5、平并流的噴霧干燥 料液經(jīng)干燥塔側(cè)面的若干個噴嘴噴出，熱風(fēng)也由側(cè)面圍繞每個噴嘴旋轉(zhuǎn)地噴出，二者形成并流運(yùn)動，如圖5-77所示， 這種流向的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備高度低，適合安裝于單層樓房內(nèi)。 其缺點(diǎn)缺點(diǎn)是空氣一霧滴混合不太好，大顆?？赡芪催_(dá)到干燥要求，就落入干燥塔底面上，因而影響干燥產(chǎn)品質(zhì)量。其溫度分布見圖5-78。干燥產(chǎn)品的絕大部分落入塔底，間歇或連續(xù)排出。一小部分被氣流夾帶的產(chǎn)品經(jīng)氣一固分離器回收下來。3.3.1.2 空氣一霧滴逆流空氣一霧滴逆流運(yùn)動運(yùn)動 熱風(fēng)從塔底進(jìn)入，由塔頂排出，料液從塔頂向下噴出，產(chǎn)品由塔底排出，空氣一霧滴在塔內(nèi)形成逆向運(yùn)動。 特點(diǎn)是特點(diǎn)是熱利用率較高。 因為傳熱傳質(zhì)的推動力較

6、大，將含水較少的物料與進(jìn)口的高溫空氣接觸，可以最大限度地除掉產(chǎn)品中的水分； 由于氣流與霧滴逆向運(yùn)動，延長了霧滴的停留時間。 見圖5-80，產(chǎn)品與高溫氣體接觸，它只適用于非熱敏性物料的干燥。熱風(fēng)的入口溫度受產(chǎn)品的允許溫度所限制。逆流操作，要保持適宜的氣體空塔速度。 否則，將引起嚴(yán)重的顆粒夾帶，給回收系統(tǒng)增加負(fù)荷。3.3.1.3 空氣一霧滴混合流運(yùn)動空氣一霧滴混合流運(yùn)動 混合流是既有逆流又有并流的運(yùn)動?？煞譃槿N情況： (1) 噴嘴安在干燥塔底部，向上噴霧，熱風(fēng)從頂部進(jìn)入，霧滴先與空氣逆流向上運(yùn)動，達(dá)到一定高度后，又與空氣并流向下運(yùn)動，最后物料從底部排出，空氣從底部的側(cè)面排出。 (2) 設(shè)置內(nèi)流化

7、床的噴霧干燥塔設(shè)置內(nèi)流化床的噴霧干燥塔 噴嘴安裝在塔的頂部，塔底部是一個內(nèi)流化床，兩個進(jìn)風(fēng)口，一個排風(fēng)口，一個出料口，見圖見圖5-82。 (3) 噴嘴安裝在塔的中上部 如圖5-83所示，物料向上噴霧，與塔頂進(jìn)入的高溫空氣接觸，使水分迅速蒸發(fā)，具有逆流熱利用高的特點(diǎn)。物料已干燥到一定程度后，又與已經(jīng)降低了許多溫度的空氣并流向下運(yùn)動，干燥的物料和已經(jīng)降到出口溫度的空氣接觸，避免了物料的過熱變質(zhì)，具有并流的特點(diǎn)。在設(shè)計與操作時，要防止在顆粒返回區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的粘壁現(xiàn)象。3.3.2空氣空氣(熱風(fēng)熱風(fēng))分布器分布器 能夠預(yù)測和控制噴霧干燥塔內(nèi)的霧滴一空氣的運(yùn)動，對干燥塔的設(shè)計是非常重要的。離開霧化器的霧滴

8、及干燥空氣的運(yùn)動組合方式?jīng)Q定著干燥速度及干燥程度。霧滴一空氣運(yùn)動的結(jié)果決定著液滴在干燥塔中的停留時間。 關(guān)于霧滴一空氣運(yùn)動狀態(tài)，有如下共同的結(jié)論?？梢哉J(rèn)為細(xì)霧滴的運(yùn)動，在大部分干燥塔體積中，受到空氣流的完全影響。一旦小液滴離開霧化器，它們便獲得霧化器附近的周圍空氣的速度。粗霧滴和空氣流動關(guān)系不大。在并流流動的情況下，離開旋轉(zhuǎn)霧化器的霧滴傾斜地去和引入的干燥空氣接觸。在干燥塔內(nèi)的空氣分布器的周圍，以及在壁上的這些渦流，建立起局部范圍的霧滴一空氣的逆流流動?？諝庖混F滴的運(yùn)動，由空氣分布器的位置和結(jié)構(gòu)、霧化器的位置和操作、在干燥時的霧滴行為、干燥塔的尺寸、粉體一空氣排出的方式所控制。在液滴干燥的關(guān)鍵

9、的第一階段中，空氣分布器決定著霧滴一空氣運(yùn)動。3.3.3 干燥塔錐形底出料和排氣方式的組合干燥塔錐形底出料和排氣方式的組合 圖596示出的組合方式，基本上概括了常用的方法?？筛鶕?jù)工藝要求，選擇其中某一種形式。3.3.4噴霧干燥操作中的粘壁問題噴霧干燥操作中的粘壁問題 粘壁現(xiàn)象粘壁現(xiàn)象是指被干燥的物料黏附在干燥塔的內(nèi)壁上。粘壁現(xiàn)象是噴霧干燥的一個重要問題。這是因為：粘壁后的物料，由于長時間停留在內(nèi)壁上，有可能被燒焦或變質(zhì)，影響產(chǎn)品質(zhì)量；粘壁后的物料，時常結(jié)塊落人塔底的產(chǎn)品中(指塔底出產(chǎn)品的操作)，使產(chǎn)品有時不能達(dá)到所規(guī)定的濕含量；由于粘壁物料結(jié)塊落入產(chǎn)品中，使有些產(chǎn)品(如染料等)不得不增加粉碎過

10、程，以達(dá)到一定的細(xì)度；許多噴霧干燥設(shè)備，為了清除粘壁物料，不得不中途停止噴霧，這就縮短了噴霧干燥的有效操作時間；因設(shè)計或操作不當(dāng)而產(chǎn)生的嚴(yán)重粘壁現(xiàn)象，甚至使噴霧干燥器不能投入生產(chǎn)。物料粘壁可粗略地分為三種類型三種類型： 半濕物料粘壁； 低熔點(diǎn)物料的熱熔性粘壁； 干粉表面附著(或稱表面附灰)。 通常容易發(fā)生的是半濕物料粘壁。 半濕物料粘壁的原因是噴出的霧滴在沒有達(dá)到表面干燥之前就和器壁接觸，因而粘在壁上。粘壁物料愈積愈厚，達(dá)到一定厚度便以塊狀自由脫落。因此，造成產(chǎn)品燒焦、分解或濕含量過高。 粘壁的位置通常是在對著霧化器噴出的霧滴運(yùn)動軌跡的平面上。此類粘壁的原因，與下列因素有關(guān)：噴霧干燥塔結(jié)構(gòu)；霧

11、化器結(jié)構(gòu)、安裝和操作；熱風(fēng)在塔內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)。 熱熔性粘壁決定于在干燥溫度下顆粒的性質(zhì)。顆粒在一定溫度(熔點(diǎn)溫度)下熔融而發(fā)黏，黏附在熱壁上。該類粘壁可跟據(jù)被干燥物料的熔點(diǎn)來判斷。 對熱熔性粘壁情況，可采用下列方法解決。對熱熔性粘壁情況，可采用下列方法解決。 控制熱風(fēng)在干燥塔內(nèi)的溫度分布。限制塔內(nèi)最高溫度分布區(qū)不超過物料的熔點(diǎn)。這種情況采用氣固并流操作為宜。 對于熔點(diǎn)很低的物料，又要采用噴霧干燥法時，可考慮采用低溫噴霧干燥法。 采用夾套冷卻，用冷空氣冷卻塔內(nèi)壁，保持低壁溫，如圖5-97(a)所示。 采用冷空氣吹掃。切線方向引入冷空氣，吹掃易發(fā)生粘壁的部位，如圖5-97(b)所示。 采用帶有旋轉(zhuǎn)裝

12、置的冷空氣吹掃塔內(nèi)壁，一方面冷卻，一方面吹掃粘壁物料，如圖5-97(c)所示。清除粘壁物料常用的方法有：清除粘壁物料常用的方法有： 振動法(間歇手動，間歇或連續(xù)電動、氣動)； 空氣吹掃法； 轉(zhuǎn)動刮刀連續(xù)清除法； 轉(zhuǎn)動鏈條連續(xù)清除法； 針對粘壁部位，特別設(shè)置電動或氣動刷子間歇清除法。 3.3.5干燥塔直徑和高度的估算干燥塔直徑和高度的估算 (1) 用干燥強(qiáng)度法估算干燥塔容積用干燥強(qiáng)度法估算干燥塔容積 干燥強(qiáng)度是單位干燥塔容積單位時間的蒸發(fā)能力，用qA表示，干燥塔的容積用下式計算 (527) 式中V 干燥塔容積，m3； WA濕分蒸發(fā)量，kgh； qA干燥強(qiáng)度，kg(m3h)，(m3干燥塔容積)。

13、qA是一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在無數(shù)據(jù)時， 可參考表5-9、表5-10進(jìn)行選擇。AAqWV 對于牛奶，熱風(fēng)進(jìn)口溫度為130150時，qA24kg(m3h)。 V值求出以后，先選定直徑，然后求出圓柱體高度。 干燥強(qiáng)度經(jīng)常作為干燥塔能力的比較數(shù)據(jù)，此值愈大愈好。 (2) 用體積給熱系數(shù)法估算干燥塔容積用體積給熱系數(shù)法估算干燥塔容積按照傳熱方程式 QaVVtm (528)式中 Q 干燥所需的熱量，W； aV體積給熱系數(shù)，W(m3)，噴霧干燥時， aV10(大粒)30(微粒)W (m3)； tm對數(shù)平均溫度差，。 (3)旋轉(zhuǎn)霧化器的噴霧干燥塔直徑的確定旋轉(zhuǎn)霧化器的噴霧干燥塔直徑的確定 對于一般情況，塔徑D按下式

14、計算 D(22.8)R99 (529) 式中R99旋轉(zhuǎn)霧化器噴霧炬半徑。 對于熱敏性物料，推薦用下式計算 D(33.4)R99 (530) 下面介紹兩個經(jīng)驗公式。 (R99)0.93.46d0.3 G0.25n0.16 (531) 式中 (R99)0.9在圓盤下0.9m處測得的霧滴占全部噴霧量99時的液滴的飛翔距離半徑，m； d霧化盤直徑，m； G噴霧量，kgh； n霧化器轉(zhuǎn)速，rmin。 (R99)2.044.33d0.2G0.25n0.16 (532) 式中 (R99)2.04在圓盤下2.04m處測得的霧滴占全噴霧量99 時的霧滴飛翔距離半徑，m。(4) 噴霧干燥塔的某些經(jīng)驗數(shù)據(jù)噴霧干燥塔的某些經(jīng)驗數(shù)據(jù) 干燥塔直徑D和圓柱體高度H的比值，見表5-11。 干燥塔底部錐角和操作的空塔速度。 干燥塔下錐角等于或小于60。噴霧干燥塔的空塔速度u0