干燥技术第三节喷雾干燥塔的结构设计和尺寸估算

10(大粒)～30(微粒)W／ (m3·℃)； ∆tm——对数平均温度差，℃。
(3)旋转雾化器的喷雾干燥塔直径的确定
对于一般情况，塔径D按下式计算
D＝(2～2.8)R99
(5—29)
式中R99——旋转雾化器喷雾炬半径。
对于热敏性物料，推荐用下式计算
D＝(3～3.4)R99
(5—30)
下面介绍两个经验公式。 (R99)0.9＝3.46d0.3 G0.25n－0.16 (5—31)
②喷嘴安装在塔的下部，便于操作、 维修和清洗。
其缺点为落入塔底物料，易被高温 气流烤焦而变质或变色。
此类流向主要用于气流式喷嘴。操 作空塔气速一般控制在1～3m／s。
(3) 空气一雾滴卧式水平并流的喷雾干燥
料液经干燥塔侧面的若干个喷嘴喷出，热风也由侧面围绕每 个喷嘴旋转地喷出，二者形成并流运动，如图5-77所示， 这种流向的优点是设备高度低，适合安装于单层楼房内。
粘壁的位置通常是在对着雾化器喷出的雾滴运动轨 迹的平面上。此类粘壁的原因，与下列因素有关： 喷雾干燥塔结构；雾化器结构、安装和操作；热风 在塔内的运动状态。
热熔性粘壁决定于在干燥温度下颗粒的性质。颗粒 在一定温度(熔点温度)下熔融而发黏，黏附在热壁 上。该类粘壁可跟据被干燥物料的熔点来判断。
(2) 设置内流化床的喷雾干燥塔 喷嘴安装在塔的顶部，塔底部是一个内流化床，两个进风口， 一个排风口，一个出料口，见图见图5-82。
(3) 喷嘴安装在塔 的中上部
如图5-83所示，物料向上喷 雾，与塔顶进入的高温空 气接触，使水分迅速蒸发， 具有逆流热利用高的特点。 物料已干燥到一定程度后， 又与已经降低了许多温度 的空气并流向下运动，干 燥的物料和已经降到出口 温度的空气接触，避免了 物料的过热变质，具有并 流的特点。在设计与操作 时，要防止在颗粒返回区 域产生严重的粘壁现象。
(1) 用干燥强度法估算干燥塔容积
干燥强度是单位干燥塔容积单位时间的蒸发能
力，用qA表示，干燥塔的容积用下式计算
V WA qA
(5—27)
式中V ——干燥塔容积，m3；
WA——湿分蒸发量，kg／h； qA——干燥强度，kg／(m3·h)，(m3－干燥塔容积)。 qA是一个经验数据，在无数据时， 可参考表5-9、表5-10进 行选择。
式中 (R99)0.9——在圆盘下0.9m处测得的雾滴占全部喷雾量99％ 时的液滴的飞翔距离半径，m；
d——雾化盘直径，m； G——喷雾量，kg／h； n——雾化器转速，r／min。
(R99)2.04＝4.33d0.2G0.25n－0.16 (5—32)
式中 (R99)2.04——在圆盘下2.04m处测得的雾滴占全喷雾量99 ％ 时的雾滴飞翔距离半径，m。
此类干燥塔的操作空塔气速一般控制在 0.2～0.5m／s之间。
由于雾化器安装在塔的顶部，不便于它的 更换和检修，这是该流向的缺点。
(2) 空气一雾滴向上并流的 喷雾干燥
喷嘴安装在塔底，干燥热空气也从 塔底部进入，构成空气－雾滴向上 并流运动；如图5-76所示。
该流向的特点是：①在一定气速下， 塔内较大颗粒或粘壁料块，落入塔 底，定期排出，另作处理；
对于牛奶，热风进口温度为130～150℃时， qA＝2～4kg／(m3·h)。
V值求出以后，先选定直径，然后求出圆柱体 高度。
干燥强度经常作为干燥塔能力的比较数据， 此值愈大愈好。
(2) 用体积给热系数法估算干燥塔容积
按照传热方程式
Q＝aVV∆tm
(5—28)
式中 Q ——干燥所需的热量，W； aV——体积给热系数，W／(m3·℃)，喷雾干燥时， aV＝
3.3.2空气(热风)分布器
能够预测和控制喷雾干燥塔内的雾滴一空 气的运动，对干燥塔的设计是非常重要的。 离开雾化器的雾滴及干燥空气的运动组合方 式决定着干燥速度及干燥程度。雾滴一空气 运动的结果决定着液滴在干燥塔中的停留时 间。
关于雾滴一空气运动状态，有如下共同的 结论。
①可以认为细雾滴的运动，在大部分干燥塔体积中， 受到空气流的完全影响。一旦小液滴离开雾化器， 它们便获得雾化器附近的周围空气的速度。
⑥在液滴干燥的关键的第一阶段中，空气分布器决定 着雾滴一空气运动。
3.3.3 干燥塔锥形底出料和排气方式的组合
图5—96示出的组合方式，基本上概括了常用的 方法。可根据工艺要求，选择其中某一种形式。
3.3.4喷雾干燥操作中的粘壁问题
粘壁现象是指被干燥的物料黏附在干燥塔的内壁上。粘壁现 象是喷雾干燥的一个重要问题。这是因为：
对热熔性粘壁情况，可采用下列方法解决。
①控制热风在干燥塔内的温度分布。限制塔内最高温度分布 区不超过物料的熔点。这种情况采用气固并流操作为宜。 对于熔点很低的物料，又要采用喷雾干燥法时，可考虑采 用低温喷雾干燥法。
②采用夹套冷却，用冷空气冷却塔内壁，保持低壁温，如图 5-97(a)所示。
③采用冷空气吹扫。切线方向引入冷空气，吹扫易发生粘 壁的部位，如图5-97(b)所示。
特点是热利用率较高。
因为传热传质的推动力较大，将 含水较少的物料与进口的高温空 气接触，可以最大限度地除掉产 品中的水分；
由于气流与雾滴逆向运动，延长 了雾滴的停留时间。
见图5-80，产品与高温气体接触，它只适用于非热敏性物料 的干燥。热风的入口温度受产品的允许温度所限制。逆流操 作，要保持适宜的气体空塔速度。
采用带有旋转装置的冷空气吹扫塔内壁，一方面冷却，一 方面吹扫粘壁物料，如图5-97(c)所示。
清除粘壁物料常用的方法有：
①振动法(间歇手动，间歇或连续电动、气 动)； ②空气吹扫法； ③转动刮刀连续清除法； ④转动链条连续清除法； ⑤针对粘壁部位，特别设置电动或气动刷子 间歇清除法。
3.3.5干燥塔直径和高度的估算
①粘壁后的物料，由于长时间停留在内壁上，有可能被烧焦或 变质，影响产品质量；
②粘壁后的物料，时常结块落人塔底的产品中(指塔底出产品的 操作)，使产品有时不能达到所规定的湿含量；
③由于粘壁物料结块落入产品中，使有些产品(如染料等)不得 不增加粉碎过程，以达到一定的细度；
④许多喷雾干燥设备，为了清除粘壁物料，不得不中途停止喷 雾，这就缩短了喷雾干燥的有效操作时间；
3.3.1.1 空气一雾滴并流 运动
所谓并流运动，是指空气和雾滴 在塔内均为相同方向运动。并流 又分为
(1) 空气－雾滴向下并流 的喷雾干燥
如图5-72所示。喷嘴安装在塔的 顶部，热空气也从顶部加入。空 气－雾滴首先在塔顶高温区接触， 水分迅速蒸发，空气温度急剧下 降，当颗料运动到塔的下部时， 产品已干燥完毕。
⑤因设计或操作不当而产生的严重粘壁现象，甚至使喷雾干燥 器不能投入生产。
物料粘壁可粗略地分为三种类型： ①半湿物料粘壁； ②低熔点物料的热熔性粘壁； ③干粉表面附着(或称表面附灰)。 通常容易发生的是半湿物料粘壁。
半湿物料粘壁的原因是喷出的雾滴在没有达到表面 干燥之前就和器壁接触，因而粘在壁上。粘壁物料 愈积愈厚，达到一定厚度便以块状自由脱落。因此， 造成产品烧焦、分解或湿含量过高。
应根据具体的工艺要求(如物料热敏性问题、低熔点
问题、产品湿含量要求等)，正确选择适宜的空气一
雾滴的运动方向。
空气－雾滴的运动方向，取决于空气入口和雾 化器的相对位置，据此，可分为三大类：并流、逆 流和混合流运动。由于空气－雾滴的运动方向不同， 塔内温度分布也不同。三种情况：向下并流、向上 并流及卧式水平并流。
3.3 喷雾干燥塔的 结构设计和尺寸估算
在这一节内，主要讨论塔内空气一雾滴的 流动方向， 热风分布装置， 空气进、出干燥塔的方式， 粘壁问题， 干燥塔直径与高度的估算, 行业及企业标准等。
3.3.1塔内空气一雾滴的流动方向

在喷雾干燥塔内，空气(即热风)和雾滴的运动
方向及混合情况，直接影响到干燥时间和产品质量。
一个是中华人民共和国机械行业标准(JB／T 8714-1998)《离心式喷雾 干燥机》关于基本参数(表5-12)及雾化器在干燥塔外单独运行时的噪声值 (表5-13)的规定，供参考。
另一个是江苏省无锡市林洲干燥设备有限 公司的企业标准。
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由图5-75可见，塔内温度分布是相当均匀的，尽管空气入口 温度是450℃，但与雾滴接触后，就迅速下降到接近于出口温 度。这说明雾滴一空气之间的热、质交换过程进行得很迅速。 同时，对塔壁的结构材料不必有过高的耐热要求。
在并流干燥情况下，热风入口可以具有相当 高的温度，因为高温气流与液滴接触的瞬间， 液滴保持湿球温度，故热风人口温度可以高 于产品的允许温度，而关键在于严格控制空 气出口温度。
(4) 喷雾干燥塔的某些经验数据
①干燥塔直径D和圆柱体高度H的比值，见表5-11。
②干燥塔底部锥角和操作的空塔速度。 干燥塔下锥角等于或小于60°。喷雾干燥塔的空
塔速度u＝0.2～0.5m/s。
喷嘴式雾化器干燥塔细而长，见图5-98 旋转式雾化器干燥塔粗而短，见图5-99
(5) 行业和企业标准 这里摘抄两个标准
如图5-73所示，在并流情况下，塔内温度是较低的， 适用于热敏性物料的干燥。
旋转式雾化器的喷雾干燥 是并流向下的另一种形式
其空气一雾滴的运动比较 复杂，既有旋转运动，又 有错流和并流运动的组合。
塔内空气的流动状态，见 图5-74。
雾滴主要是ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ水平方向飞 出的，故此类塔型为直径 大而高度小的形式