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

3.3噴霧干燥塔的

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)方向，熱風(fēng)分布裝置，空氣進(jìn)、出干燥塔的方式，粘壁問(wèn)題，干燥塔直徑與高度的估算,行業(yè)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。1編輯ppt3.3.1塔內(nèi)空氣一霧滴的流動(dòng)方向

在噴霧干燥塔內(nèi)，空氣(即熱風(fēng))和霧滴的運(yùn)動(dòng)方向及混合情況，直接影響到干燥時(shí)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(wèn)題、低熔點(diǎn)問(wèn)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(dòng)方向?？諝猓F滴的運(yùn)動(dòng)方向，取決于空氣入口和霧化器的相對(duì)位置，據(jù)此，可分為三大類：并流、逆流和混合流運(yùn)動(dòng)。由于空氣－霧滴的運(yùn)動(dòng)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。2編輯ppt3.3.1.1空氣一霧滴并流運(yùn)動(dòng)

所謂并流運(yùn)動(dòng)，是指空氣和霧滴在塔內(nèi)均為相同方向運(yùn)動(dòng)。并流又分為(1)空氣－霧滴向下并流的噴霧干燥

如圖5-72所示。噴嘴安裝在塔的頂部，熱空氣也從頂部加入?？諝猓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(dòng)到塔的下部時(shí)，產(chǎn)品已干燥完畢。3編輯ppt如圖5-73所示，在并流情況下，塔內(nèi)溫度是較低的，適用于熱敏性物料的干燥。4編輯ppt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(dòng)比較復(fù)雜，既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又有錯(cuò)流和并流運(yùn)動(dòng)的組合。塔內(nèi)空氣的流動(dòng)狀態(tài)，見(jiàn)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5編輯ppt由圖5-75可見(jiàn)，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(shuō)明霧滴一空氣之間的熱、質(zhì)交換過(guò)程進(jìn)行得很迅速。同時(shí)，對(duì)塔壁的結(jié)構(gòu)材料不必有過(guò)高的耐熱要求。6編輯ppt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?yàn)楦邷貧饬髋c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0.2～0.5m／s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)。7編輯ppt

(2)空氣一霧滴向上并流的噴霧干燥

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(dòng)；如圖5-76所示。該流向的特點(diǎn)是：①在一定氣速下，塔內(nèi)較大顆?；蛘潮诹蠅K，落入塔底，定期排出，另作處理；②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1～3m／s。8編輯ppt9編輯ppt

(3)空氣一霧滴臥式水平并流的噴霧干燥

料液經(jīng)干燥塔側(cè)面的若干個(gè)噴嘴噴出，熱風(fēng)也由側(cè)面圍繞每個(gè)噴嘴旋轉(zhuǎn)地噴出，二者形成并流運(yùn)動(dòng)，如圖5-77所示，這種流向的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備高度低，適合安裝于單層樓房?jī)?nèi)。其缺點(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。10編輯ppt其溫度分布見(jiàn)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(lái)。11編輯ppt3.3.1.2空氣一霧滴逆流運(yùn)動(dòng)

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(dòng)。

特點(diǎn)是熱利用率較高。因?yàn)閭鳠醾髻|(zhì)的推動(dòng)力較大，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(dòng)，延長(zhǎng)了霧滴的停留時(shí)間。12編輯ppt

見(jiàn)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。13編輯ppt3.3.1.3空氣一霧滴混合流運(yùn)動(dòng)混合流是既有逆流又有并流的運(yùn)動(dòng)。可分為三種情況：

(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(dòng)，達(dá)到一定高度后，又與空氣并流向下運(yùn)動(dòng)，最后物料從底部排出，空氣從底部的側(cè)面排出。

14編輯ppt(2)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(gè)內(nèi)流化床，兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，一個(gè)排風(fēng)口，一個(gè)出料口，見(jiàn)圖見(jiàn)圖5-82。15編輯ppt

(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(dòng)，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(guò)熱變質(zhì)，具有并流的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)與操作時(shí)，要防止在顆粒返回區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的粘壁現(xiàn)象。16編輯ppt3.3.2空氣(熱風(fēng))分布器能夠預(yù)測(cè)和控制噴霧干燥塔內(nèi)的霧滴一空氣的運(yùn)動(dòng)，對(duì)干燥塔的設(shè)計(jì)是非常重要的。離開(kāi)霧化器的霧滴及干燥空氣的運(yùn)動(dòng)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(dòng)的結(jié)果決定著液滴在干燥塔中的停留時(shí)間。關(guān)于霧滴一空氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有如下共同的結(jié)論。17編輯ppt①可以認(rèn)為細(xì)霧滴的運(yùn)動(dòng)，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(kāi)霧化器，它們便獲得霧化器附近的周圍空氣的速度。②粗霧滴和空氣流動(dòng)關(guān)系不大。③在并流流動(dòng)的情況下，離開(kāi)旋轉(zhuǎn)霧化器的霧滴傾斜地去和引入的干燥空氣接觸。④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(dòng)。⑤空氣一霧滴的運(yùn)動(dòng)，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(shí)的霧滴行為、干燥塔的尺寸、粉體一空氣排出的方式所控制。⑥在液滴干燥的關(guān)鍵的第一階段中，空氣分布器決定著霧滴一空氣運(yùn)動(dòng)。18編輯ppt3.3.3干燥塔錐形底出料和排氣方式的組合

圖5—96示出的組合方式，基本上概括了常用的方法。可根據(jù)工藝要求，選擇其中某一種形式。19編輯ppt3.3.4噴霧干燥操作中的粘壁問(wèn)題

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(gè)重要問(wèn)題。這是因?yàn)椋孩僬潮诤蟮奈锪?，由于長(zhǎng)時(shí)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；②粘壁后的物料，時(shí)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(shí)不能達(dá)到所規(guī)定的濕含量；③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(guò)程，以達(dá)到一定的細(xì)度；④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(shí)間；⑤因設(shè)計(jì)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)。20編輯ppt物料粘壁可粗略地分為三種類型：

①半濕物料粘壁；

②低熔點(diǎn)物料的熱熔性粘壁；

③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。

21編輯ppt半濕物料粘壁的原因是噴出的霧滴在沒(méi)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(guò)高。粘壁的位置通常是在對(duì)著霧化器噴出的霧滴運(yùn)動(dòng)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)；霧化器結(jié)構(gòu)、安裝和操作；熱風(fēng)在塔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(lái)判斷。22編輯ppt

對(duì)熱熔性粘壁情況，可采用下列方法解決。①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(guò)物料的熔點(diǎn)。這種情況采用氣固并流操作為宜。對(duì)于熔點(diǎn)很低的物料，又要采用噴霧干燥法時(shí)，可考慮采用低溫噴霧干燥法。②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。

③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。23編輯ppt24編輯ppt清除粘壁物料常用的方法有：

①振動(dòng)法(間歇手動(dòng)，間歇或連續(xù)電動(dòng)、氣動(dòng))；

②空氣吹掃法；

③轉(zhuǎn)動(dòng)刮刀連續(xù)清除法；

④轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條連續(xù)清除法；

⑤針對(duì)粘壁部位，特別設(shè)置電動(dòng)或氣動(dòng)刷子間歇清除法。25編輯ppt

3.3.5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

干燥強(qiáng)度是單位干燥塔容積單位時(shí)間的蒸發(fā)能力，用qA表示，干燥塔的容積用下式計(jì)算

(5—27)式中V——干燥塔容積，m3；

WA——濕分蒸發(fā)量，kg／h；qA——干燥強(qiáng)度，kg／(m3·h)，(m3－干燥塔容積)。qA是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)，可參考表5-9、表5-10進(jìn)行選擇。26編輯ppt27編輯ppt對(duì)于牛奶，熱風(fēng)進(jìn)口溫度為130～150℃時(shí)，qA＝2～4kg／(m3·h)。

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。28編輯ppt

(2)用體積給熱系數(shù)法估算干燥塔容積按照傳熱方程式

Q＝aVV?tm(5—28)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(shí)，aV＝10(大粒)～30(微粒)W／(m3·℃)；

?tm——對(duì)數(shù)平均溫度差，℃。29編輯ppt

(3)旋轉(zhuǎn)霧化器的噴霧干燥塔直徑的確定

對(duì)于一般情況，塔徑D按下式計(jì)算

D＝(2～2.8)R99(5—29)

式中R99——旋轉(zhuǎn)霧化器噴霧炬半徑。

對(duì)于熱敏性物料，推薦用下式計(jì)算

D＝(3～3.4)R99(5—30)30編輯ppt下面介紹兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。

(R99)0.9＝3.46d0.3G0.25n－0.16(5—31)式中(R99)0.9——在圓盤下0.9m處測(cè)得的霧滴占全部噴霧量99％時(shí)的液滴的飛翔距離半徑，m；

d——霧化盤直徑，m；

G——噴霧量，kg／h；

n——霧化器轉(zhuǎn)速，r／min。

(R99)2.04＝4.33d0.2G0.25n－0.16(5—32)式中(R99)2.04——在圓盤下2.04m處測(cè)得的霧滴占全噴霧量99％時(shí)的霧滴飛翔距離半徑，m。31編輯ppt(4)噴霧干燥塔的某些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

①干燥塔直徑D和圓柱體高度H的比值，見(jiàn)表5-11。

②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