干燥技术第二节 雾化器

雾化机理和喷雾角有关。一般来说，膜状分裂时的 喷雾角要比单纯丝状分裂大一些。喷雾角取决于气 液间的相对速度、喷嘴结构及物料性质。 当液体流量很小时，喷雾角与气流速度无关。当气 流速度超过300m/s时，喷雾角则与液体流量无关。 一般而言，气流式喷嘴的喷雾角通常为20～30°。 液体喷嘴与气体喷嘴的环形通道必须是同心的。若 喷嘴结构设计正确时，雾滴应均匀地分布在喷雾锥 中，喷雾锥是对称的。 如二者不同心时，雾化角就偏离中心线而不对称， 有时出现液线，这时喷雾锥包含部分大雾滴，这是 由于雾化空气分配不均匀的缘故。
(2) 离心型压力喷嘴
此型结构的特点是在喷嘴内安装一个内部构件，称内插头， 液体通过内插头变成旋转运动，然后由喷嘴喷出。具有使液体 旋转的内插头喷嘴统称为离心型压力喷嘴。 旋转型和离心型压力喷嘴，在雾化机理方面，基本上无差别。 离心型压力喷嘴的内插头结构类型如图5-43所示。
(3) 压力－气流型喷嘴
(4) 四流式喷嘴
它特别适用于高粘度 物料的雾化。 料液被旋转喷出的一次 压缩空气初次雾化，形 成气－雾混合物，此混 合物在出口处又被干燥 热风及旋转喷出二次压 缩空气雾化一次，此混 合物受两面摩擦，雾化 效果较好。 热风的引用还有利于 干燥。
(5) 喷嘴的设计、制造及操作应注意的问题
①用于工业生产的气流式喷嘴，液体出口管径（内径）应尽 量大一些，这样能增加气－液接触周边，使液膜变薄，更有 利于雾化。 在气－液质量比相同的条件下，液体喷嘴内径越大（以不产 生液体脉冲现象为极限），雾滴越细。若雾滴大小保持一定， 则液体喷嘴内径越大，越省压缩空气。 大喷嘴另一个突出优点是不易被料块或杂质堵塞。小喷嘴(喷 嘴直径3～5mm)由于经常堵塞，给操作者带来许多麻烦，并 影响产品质量及产量。目前采用的喷嘴内径可达二十多毫米， 只用粗过滤即可，几乎不存在堵塞问题，操作比较稳定。因 此，设计工业用喷嘴时，采用大直径为宜。
图5-16所示为喷雾干燥链霉素用的喷嘴，气体经旋 转叶片后旋转喷出，其喷雾炬比较短。 图5-17所示为实验室用的气流式喷嘴。
图5-18所示为雾化糊状物或滤饼的喷嘴及输料系统。
图5-20所示 是一个特殊结构 的雾化器，它 是利用高温气 流将料液雾化。 进料管设置夹 套，用水或空 气冷却。从扩 散器的周围吹 入空气或烟道 气。
根据旋转动量矩守恒定律，旋 转速度与旋涡半径成反比， 因此，愈靠近轴心，旋转速 度愈大，其静压力亦愈小 (见图5-37)， 结果在喷嘴中央形成一股压力等 于大气压的空气旋流，而液 体则形成绕空气心旋转的环 形薄膜，液体静压能转变为 向前运动的液膜的动能，从 喷嘴高速喷出。 液膜伸长变薄，最后分裂为小雾 滴。这样形成的雾滴群的形 状为空心圆锥形，又称空心 锥喷雾。
离 心 转 盘
② 旋转式雾化器的优缺点 优点： a．塔内只安装一个雾化器便可完成生产任 务， 最小喷雾量为6kg/h以下，最大喷雾量 为200t/h； b．在一定范围内，可以调节雾滴尺寸； c．生产能力调节范围大。 缺点：雾化器结构较为复杂，需要传动装置、 液体分布装置及雾化轮，对加工制造技术要 求甚高。结构复杂，检修不便。
压力式喷嘴大致可分为三种类型： 旋转型、离心型、压力-气流型 喷嘴。
(1) 旋转型压力喷嘴 此型的雾化原理见图5-36、图5-37。这种结 构有两个特点： 一是有一个液体旋转室，二是有液体进入旋 转室的切线入口。 凡是液体经过旋转室喷出的结构形式，一般 称为旋转型压力喷嘴。
图5-39所示为镶人造宝石的喷嘴。 图5-40所示为镶碳化钨的喷嘴。
缺点：
①需要一台高压计量泵； ②因为喷嘴孔径很小，必须严格地过滤，防止堵塞喷嘴； ③喷嘴磨损大，要采用耐磨材料制造； ④一个喷嘴的最佳操作范围较窄(即弹性小)，大产量时需多个喷 嘴； ⑤高黏度物料不易雾化。
3.2.2.2 压力式喷嘴的结构 压力式喷嘴在结构上的共同点是使液体获 得旋转运动，即液体获得离心惯性力，然后 由喷嘴孔高速喷出。因此，通常把压力式喷 嘴统称为离心压力喷嘴。
旋转式雾化器的液滴大小和喷雾的均匀性，主要取
决于旋转盘的圆周速度和液膜厚度，而液膜厚度又 与溶液的处理量有关。 当盘的圆周速度小于50m/s时，得到的雾滴很不均 匀。喷雾的不均匀性，随盘的转速增加而减小。 当盘的圆周速度为60m/s时，就不会出现上述不均 匀现象。所以，这一圆周速度可以作为设计的最小 值。通常采用的旋转盘的圆周速度为90～160m/s。
②喷嘴的结构 有的喷嘴出口壁太厚，约4～5mm，影响气 －液接触，进而影响雾化。同时，在出口管厚 壁的端面上，黏附湿物料，产生湿料块脱落， 影响产品质量。


适宜的壁厚为0.5～0.6mm。
若气体和液体喷嘴的同心度偏差较大时，会 出现大雾滴，严重时会产生局部粘壁现象。因 此，在加工制造时，必须保证同心度要求。
(2) 旋转式雾化器的类型及优缺点 ① 旋转式雾化器的类型
主要类型有光滑盘(无叶片盘)、叶片盘(雾化轮)及旋 转一气流杯雾化器。 工业生产上，通常采用雾化轮(叶片盘)。 熔融液造粒通常Baidu Nhomakorabea用光滑盘(无叶片盘)，可以制造 大颗粒产品(喷雾冷却)。 旋转式雾化器和压力式雾化器一样，被广泛地应用 在工业生产上。
内混合与外混合的雾化原理是相同的。它们的主要区别有两点： ①内混合喷嘴要求在气一液接触的平面处，气体必须保持足够大 的速度，以形成负压，将液体吸人，否则液体要加压输入； ②和外混合比，内混合能较好地利用气体能量来雾化液体。
下面介绍一些实际使用的二流体喷嘴结构类型， 供设计、研究及实验者参考。 图5-14所示为用螺纹直接连接而固定的用于干燥 活性黄K-6G的喷嘴，这种喷嘴，因经常拆卸，螺 纹变松而偏心。 图5-15所示为螺帽压紧式的用于干燥士林蓝的气流 式喷嘴，可以克服图5-14所示结构上的缺点。
压力式喷嘴的雾化机理，也是滴状、丝状及膜状分 裂，工业生产用的压力式喷嘴，通常是在膜状分裂 条件下操作。 压力式喷嘴所形成的液膜厚度范围大致是0.5～ 4μm。 压力式喷嘴的雾滴(或颗粒)的尺寸范围(低黏度、牛 顿型流体)如表5-5所示。
(2)压力式喷嘴的优点
①结构简单，制造成本低； ②全部零件，维修简单，拆装方便(图5-38所示为喷嘴在塔侧面 的一种安装方法)； ③与气流式喷嘴相比，大大节省雾化用动力。
3.2.2压力式雾化器 利用高压泵强制使物 料通过特制的喷嘴， 使之分散成雾滴。
3.2.2.1 压力式雾化器的 操作原理及其优缺点
(1) 操作原理
是广泛应用的雾化器 形式之一。 它主要由液体切线入 口、液体旋转室、 喷嘴孔等组成，如 图5-36所示。 利用高压泵使液体获得 很高的压力(2～ 20MPa)，液体在 旋转室获得旋转运 动
(2) 雾化机理
气流式喷嘴的雾化机理有三种类 型：滴状、丝状和膜状分裂。 在一般情况下，气流式喷嘴属膜 状雾化，这种膜的形成方式如图 5-11所示。 当雾滴群离开喷嘴时，其形状是 一个被空气心充满的锥形薄膜， 因而也称空心锥喷雾。 空心锥的锥角θ，一般称为喷雾 角或雾化角（20-30°）。此锥 形薄膜雾滴群称为雾炬或喷雾锥。
(3) 三流式喷嘴 图5-25所示为先内混合 而后外混,内混、外混结 合式三流式喷嘴原理示 意图。 物料在内混合室被一次 空气雾化，当气－液混 合物离开混合室出口时， 又被二次气体雾化，二 次气体是旋转的。 此型是国内应用较多的 一种形式。
图5-27所示为先内混后外混的三流式喷嘴结构。
3.2 雾化器
前已指出，雾化器是喷雾干燥装置的关键部件，常 用的雾化器有气流式、压力式和旋转式。
3.2.1气流式雾化器 3.2.1.1 气流式雾化器的操作原理 气流式雾化器通常称气流式喷嘴，是实验室和中间
工厂常用的一种形式。 气流式喷嘴主要用于雾化高黏度料液。流化床喷雾 造粒干燥中，主要用气流喷嘴雾化料液，如尿素、药 品等。
(4)气流式喷嘴的主要缺点
用于雾化的压缩空气的动力消耗较大，约为压力式及旋转式 雾化器的5～8倍。
3.2.1.2 气流式喷嘴的结构 (1) 二流体内混合喷嘴
指气一液两相在喷嘴内部的混合室接触、混合(即雾化)，如 图5-12所示。空气经旋转叶片5变成旋转运动进入混合室， 雾化后的雾滴群从喷出口3高速喷出。实践证明，旋转的气 体与液体接触有利于雾化。
(3) 三流式喷嘴
也称三流体喷嘴，有三个
流体通道，即一个液体通 道，两个气体通道。 当某种高黏度料液,二流 体喷嘴不能雾化时，采用 三流式喷嘴就有可能使料 液雾化。 如图5-23所示。物料在第 一混合室与一次气体接触， 初步被雾化，雾化后的雾 滴再进入第二混合室，与 二次气体接触，被第二次 雾化。
(2) 二流体外混合喷嘴
指气一液两相在喷嘴出口外部接触、混合，液体被雾化为小 雾滴。其结构如图5-10所示，此种结构是气体和液体喷嘴出 口在同一水平面上。图5-13所示为液体喷嘴高出气体喷嘴 1～2mm，此处接近气体流的缩径，气体速度最大，静压最 小(一般情况，此处为负压，其值大小决定于气体喷射速度)， 使液体获得较大的吸力。
3.2.3旋转式雾化器 3.2.3.1 操作原理、类型及优缺点
(1) 操作原理 当料液被送到高速旋转的盘上时，由于旋转表 面上伸展为薄膜，并以不断增长的速度向盘的边缘运动，离开 盘边缘时，就使液体雾化，如图5-57所示。
(2)雾化机理 也是滴状、丝状及膜状分裂，如图5-58所示。以哪一种分裂状 态为主，则与盘的形状、直径、转速、进料量及料液性质等 因素有关。旋转式雾化器产生的雾滴尺寸范围，见表5-6。
(1) 操作原理
现以二流式喷嘴为例说明其 操作原理。如图所示： 料液 走中心管，液体流出的速 度不大(一般不超过2m/s)； 压缩空气 经气体分布器后从环 隙喷出，速度很高，一般为 200～340m/s，也可以达到 超声速； 当气-液 二流体在喷嘴出口端 面接触时，之间存在着很大 的相对速度，从而产生相当 大的摩擦力，使料液雾化。 喷雾用 压缩空气压力一般为 0.3～0.7MPa。
当气-液两相的相对速度足够大时，一个正常的雾化 状态应是一个充满空气的锥形薄膜，薄膜不断地膨 胀扩大，然后分裂成极细雾滴。如下表所示。 薄膜的残余周边则分裂为较大的雾滴。
(3)气流式喷嘴的优点
①喷嘴结构简单，磨损小； ②对低黏度或高黏度料液(包括膏状物、糊状物及滤饼等)均 可雾化，因此，适用范围很广； ③操作压力低，不需要高压泵； ④此种喷嘴所得雾滴较细，可以获得滴径约为5～ 30μm； ⑤气流式喷嘴操作弹性大，即处理量有一定的伸缩性，调节 气液比也可控制雾滴大小，因而也就控制了产品粒度。
图5-59所示 为用透平盘 带动的雾化 轮(轮式雾化 器)，盘径 50mm。在 350℃时蒸发 纯水5kg／h。 此型号为实 验室常用的 干燥设备之 一。
图5-60所示 为用电动机 经增速器带 动的雾化轮 (轮式雾化器)。 此为工业上 应用的主要 形式。
③喷嘴的保养与维护 在安装和拆卸喷嘴时，必须小心地操作。机械 加工的金属零件，具有较高的加工精度，必 须防止任何轻微的损坏。喷雾操作停止时， 要拆下喷嘴，进行清洗，以备再用。 ④雾化用压缩空气的压力要保持恒定。过大的 波动，会引起雾化不均匀，特别是压力突然 下降时，会产生严重粘壁现象。因此，压缩 空气最好由专门设备供给。
此型喷嘴是压力喷嘴的改进形式。其结构及雾化状 态如图5-47所示。 其中心是压力式喷嘴，在其外部设置一环隙，为气 流式喷嘴，是压力及气流式喷嘴的组合。 主要用于流化床喷雾造粒的雾化及高分子聚合液的 雾化。
此型喷嘴具有如下特点：
a．调节压缩空气的压力，可以调节液滴直径。 b．可以免去压力喷嘴的更换及喷雾压力调节 c．大产量、高黏度的料液，也能够雾化为细雾滴。 d．如果停用压缩空气，原来的压力喷嘴也可以单独 使用。 e．能够使喷雾角变小。