噴霧干燥熱風分布器的設(shè)計原則
由于噴霧干燥具有流程簡短、可處理熱敏性物料、易大型化等好性，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到應用。改革開放以后，我國出現(xiàn)了一大批專業(yè)化的干燥設(shè)備企業(yè)。近十年內(nèi)噴霧干燥技術(shù)已取得了長足進步，產(chǎn)品質(zhì)量已可與世界著名廠商相媲美，不僅滿足了國內(nèi)輕化工、環(huán)保行業(yè)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(shè)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(nèi)水分蒸發(fā)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(shè)計要求中，提出三條重要的原則[3]，都強調(diào)了熱風分布對噴霧干燥的重要性。在隨后出現(xiàn)的裝置中，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)企業(yè)仍然沒有給予足夠的重視，只是從結(jié)構(gòu)上做到"形似"而實質(zhì)仍未掌握，以致出現(xiàn)以下情況：
⑴ 在塔內(nèi)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(shè)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(shè)計正確與否，直接影響到干燥系統(tǒng)運行的成敗。本文擬在以前知識的基礎(chǔ)上，提出氣液兩相接觸的合理方式，以求對熱風分布器設(shè)計有正確的分析和指導。
1 理論依據(jù)
K.Masters[2]提出在有相對速度下霧滴的蒸發(fā)存在以下關(guān)系式：
傳質(zhì) Sh=2+K1RexScy （1）
傳熱 Nu=2+K2ReX'Pry' （2）
式中：謝伍德數(shù)Sh =KgD/Dv，努塞特數(shù)Nu =hcD/Kd，施密特數(shù)Sc =μa/Dvρa，普朗特數(shù)Pr =Cpμa/Kd，雷諾數(shù)Re =Dvρa/μa。D為液滴直徑，ρa為干燥介質(zhì)密度，μa為粘度，Cp為定壓比熱容，Kd為液滴周圍氣態(tài)膜的平均熱傳導率，hc為對流熱傳導系數(shù)，Kg為傳質(zhì)系數(shù)，Dv為擴散系數(shù)。（1）、（2）式中的x，y，x'，y'和K1，K2尚有爭論，多數(shù)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(jīng)可以看出，干燥的傳質(zhì)和傳熱系數(shù)隨Re的增大而增大，即假設(shè)干燥介質(zhì)和被干燥物料的性質(zhì)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(tǒng)的液體無相變對流傳熱系數(shù)計算中，普遍應用Dittus和Boelter關(guān)聯(lián)式[4],
Nu=0.023Re0.8Pr0.4 （5）
或 （6）
α—給熱系數(shù)；
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(shù)湍流層范圍內(nèi)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(diào)的"水份蒸發(fā)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(guān)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(jīng)出現(xiàn)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(tài)。熱風與霧化液滴沒有直接的聯(lián)系。這種形式不僅國內(nèi)有，在許多進口裝置中也有。其結(jié)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(shè)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(xiàn)粘壁現(xiàn)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(xiàn)快速干燥，粘壁仍會出現(xiàn)。塔壁的熱風形同虛設(shè)，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(zhì)量有利。實際上，這時液滴已經(jīng)完成"恒速段"干燥（至少顆粒表面已經(jīng)干燥），這與粘壁并無直接的聯(lián)系[5]。
當然粘壁的形式還要聯(lián)系到霧化機的噴距、干燥塔的設(shè)計以及物料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)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?yún)^(qū)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(zhuǎn)風，而在旋轉(zhuǎn)式霧化器上配直流風。這兩種形式在生產(chǎn)中都有看到，其結(jié)果只能是出現(xiàn)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，從而可以得到好的傳質(zhì)、傳熱速率。
既然霧化器（大多數(shù)）是設(shè)計在塔頂?shù)闹醒胩幍模蛻攲犸L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(shù)量而定。其余部分可以在塔內(nèi)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(guān)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(shù)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(qū)，迅速干燥液滴表面，從而實現(xiàn)大部分水分的蒸發(fā)，這才是真正發(fā)揮噴霧干燥的優(yōu)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(jīng)有人介紹過兩種方法：①在旋轉(zhuǎn)霧化器的配套設(shè)計中，必須用對數(shù)螺旋蝸殼[3]，使一邊進入蝸殼的熱風經(jīng)蝸殼及內(nèi)部的導風板均勻地進入塔內(nèi)。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(yōu)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(guān)系增加，故應考慮"系統(tǒng)內(nèi)的阻力降"，氣速選擇要慎重。
5 結(jié)束語
近年來在噴霧干燥裝置的設(shè)計和制造上，發(fā)現(xiàn)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(yōu)勢，而且還增加了造價和設(shè)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(shè)計中，選型要根據(jù)各種物料的特性，綜合各種參數(shù)，以期獲得一個系統(tǒng)的好狀態(tài)。
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