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噴霧干燥熱風分布器的設計原則

  由于噴霧干燥具有流程簡短、可處理熱敏性物料、易大型化等優越性,已經在許多領域得到應用。改革開放以后,我國出現了一大批專業化的干燥設備企業。近十年內噴霧干燥技術已取得了長足進步,產品質量已可與世界著名廠商相媲美,不僅滿足了國內輕化工、環保行業的需要,而且已向國外市場拓展。

長期以來,對噴霧干燥裝置的注意,一般著力于:
⑴ 霧化器(機)的選擇;
⑵ 足夠風量和熱量的配置;
⑶ 粉末回收及排放。
  王喜忠等指出:“一個成功的噴霧干燥器的設計,應包括與霧化器相適應的熱風進出口的方式和熱風分布裝置”[1]。K.Master’s也提到在干燥塔內水分蒸發速率隨著霧滴與熱風的相對速度增加而增加[2]。
  唐金鑫等在熱風分布器設計要求中,提出三條重要的原則[3],都強調了熱風分布對噴霧干燥的重要性。在隨后出現的裝置中,發現大多數企業仍然沒有給予足夠的重視,只是從結構上做到“形似”而實質仍未掌握,以致出現以下情況:
⑴ 在塔內同一截面上溫度差較大,導致物料局部粘壁;
⑵ 由于氣液兩相接觸不合理,使干燥強度大為下降,于是干燥塔的體積越做越大;
⑶ 在一臺比原設計處理量大為減小的干燥塔中,未注意熱風分布的流速范圍,降低了干燥強度,物料仍然大量粘壁;
⑷ 熱效率很低,出塔風溫難以下降。
  因此,我們認為熱風分布器的設計正確與否,直接影響到干燥系統運行的成敗。本文擬在以前知識的基礎上,提出氣液兩相接觸的合理方式,以求對熱風分布器設計有正確的分析和指導。
1 理論依據
K.Masters[2]提出在有相對速度下霧滴的蒸發存在以下關系式:
傳質 Sh=2+K1RexScy (1)
傳熱 Nu=2+K2ReX’Pry’ (2)
式中:謝伍德數Sh =KgD/Dv,努塞特數Nu =hcD/Kd,施密特數Sc =μa/Dvρa,普朗特數Pr =Cpμa/Kd,雷諾數Re =Dvρa/μa。D為液滴直徑,ρa為干燥介質密度,μa為粘度,Cp為定壓比熱容,Kd為液滴周圍氣態膜的平均熱傳導率,hc為對流熱傳導系數,Kg為傳質系數,Dv為擴散系數。(1)、(2)式中的x,y,x’,y’和K1,K2尚有爭論,多數人趨向于:
x=x’=0.5 (3)
y=y’=0.33 (4)
式(3)中的x為平均值,隨Re增加而增加;Re由1增至104時,x從0.4增加到0.6。遺憾的是式(1)~(4)的試驗范圍其Re值均不超過1000。但從中已經可以看出,干燥的傳質和傳熱系數隨Re的增大而增大,即假設干燥介質和被干燥物料的性質不變時,Re起著重要的影響。而對Re起直接影響的,可認為是相對速度v。在傳統的液體無相變對流傳熱系數計算中,普遍應用Dittus和Boelter關聯式[4],
Nu=0.023Re0.8Pr0.4 (5)
或 (6)
α—給熱系數;
λ—液體熱導率;
d—粒徑;
v—氣液相對流速;
μ—液體動力粘度;
Cp—定壓比熱容;
ρ—液體密度。
式中的Re值≥10000, 0.7<Pr<120。
式(1)與式(5)相比較可以看出,Re數湍流層范圍內的冪值增加可以從0.4提高到0.8。這就可以理解K.Master’s等強調的“水份蒸發率隨霧滴與空氣的相對速度增加而增加”了。在 Re值處于湍流范圍時,大約呈0.8次方關系。
2 常見的熱風分布器的性能比較在噴霧干燥所選用的熱風分布器形式中,曾經出現過以下形式:
(1)平均地自塔頂天花板分布向下流
  這種形式認為只要均勻地進風,有足夠的熱量就能達到干燥的目的,干燥塔的空塔速率只有0.5~0.8m/s,即使塔頂縮小,出口風速也只有10m/s,大體處于層流狀態。熱風與霧化液滴沒有直接的聯系。這種形式不僅國內有,在許多進口裝置中也有。其結果是塔體龐大,效率降低。
(2)為了防止粘壁,將熱風分為2股或3股
  設計者認為只要在塔壁上有熱風流動,就可以防止未干液滴撞壁而出現粘壁現象。實際上,邊緣熱風流速是不可能大的,而且液滴達到塔壁上的流速也不會太大,因此這兩股流體的相對速度是非常低的,故而難以實現快速干燥,粘壁仍會出現。塔壁的熱風形同虛設,或者作用不大。
著名的MD型塔采用了冷風吹塔,對保證物料質量有利。實際上,這時液滴已經完成“恒速段”干燥(至少顆粒表面已經干燥),這與粘壁并無直接的聯系[5]。
  當然粘壁的形式還要聯系到霧化機的噴距、干燥塔的設計以及物料的玻璃態轉變溫度等。這些問題已在[1]中有詳細的介紹。將熱風分散處理會減少中央區的熱風量,從而降低流速,導致熱風的利用率降低。
(3)熱風分布器與霧化器不配套
  在噴嘴式霧化器上配旋轉風,而在旋轉式霧化器上配直流風。這兩種形式在生產中都有看到,其結果只能是出現粘壁或者熱效率大幅度下降,這顯然是錯誤的。
3 塔頂中央熱風的重要性
在所有的霧化器工作時,液滴剛剛離開霧化器出口時的流速是^高的,隨著液滴在空氣中的流動,由于空氣的阻力,液滴流速迅速衰減,初速能達到130m/s,而終速可接近于零,這就要求我們從式(1)到式(4)中去準確掌握熱風應當在何處與液滴接觸,從而可以得到^佳的傳質、傳熱速率。
既然霧化器(大多數)是設計在塔頂的中央處的,就應當將熱風集中到中央,以相當于湍流形式的氣流向液滴群急速沖擊;其風量和熱量依可干燥顆粒表面水分所需的數量而定。其余部分可以在塔內均勻分布,以完成其它降速段的干燥。只要顆粒表面的水分能夠快速干燥,就能夠在很大程度上防止塔的粘壁。
  高速氣流與霧化器噴出口越接近,其干燥效率就越高。但在考慮氣流流速時,也應同時考慮阻力降與流速平方成正比的關系,并非風速越高就越好。況且風速越高,會使霧滴群向下降,喪失了部分有效的干燥空間。
  具體的參數涉及各種物料的特性。但總的趨勢是利用氣液兩相的高速區,迅速干燥液滴表面,從而實現大部分水分的蒸發,這才是真正發揮噴霧干燥的優勢。
4 良好的熱風分布器的要素
⑴ 使氣液兩相接觸,混合良好,首先應當使氣體分布均勻。為使分布均勻,已經有人介紹過兩種方法:①在旋轉霧化器的配套設計中,必須用對數螺旋蝸殼[3],使一邊進入蝸殼的熱風經蝸殼及內部的導風板均勻地進入塔內。② 直流霧化器中的熱風分布可采用各種導向直流板 [1],但必須配置噴嘴直流式霧化器。
⑵ 熱風分布器出口與霧化器噴液出口盡量靠近,并在兩個方向夾角接近90°,以加大剪切力。應利用湍流階段的優勢,縮短干燥時間。
⑶ 當熱風分布器出口流速過大時,阻力會呈平方關系增加,故應考慮“系統內的阻力降”,氣速選擇要慎重。
5 結束語
  近年來在噴霧干燥裝置的設計和制造上,發現有盲目加大干燥塔體積的趨勢,這不僅會失去噴霧干燥時間短的優勢,而且還增加了造價和設備占用的廠房面積(或體積),對用戶不利。
當熱風分布器和霧化器合理配置時,干燥塔的體積應當有一個合理的范圍,不會相差很大。大的不一定好。隨著科技的進步和各種強化措施的應用,干燥塔勢必會越做越小。
熱風分配器是一個重要的方面,并不代表全部。所以在噴霧干燥器的設計中,選型要根據各種物料的特性,綜合各種參數,以期獲得一個系統的^佳狀態。
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