气流式喷雾干燥的现状及展望_张敏

气 流 式 喷 嘴 雾 化 是 利 用 高 速 气 流 使 液 膜 产 生 分 裂 ，当 压缩空气或其它气体以很高的环隙速度从喷嘴喷出时， 液 体的 流 速很 低 ，因 此 两 者 存 在 着 很 高 的 相 对 速 度 ，速 度 差 的 存 在 使 气 液 之 间 产 生 相 当 大 摩 擦 力 ，将 液 料 雾 化 。 1.1 气流式喷雾干燥的过程阶段[1]
根 据 气 流 式 喷 嘴 的 流 体 通 道 数 目 及 布 局 ，可 分 为 二 流 体 内 混合 式 、二 流 体 外 混 合 式 、三 流 体 内 混 合 式 等 。 阎 红 [13]等 以 气 流 式 喷 嘴 为研 究 对 象 ，选 择 液 气 质 量 流 量 比 ，ML/ MG 料 液 密 度 ρL（kg/m3），气 体 密 度 ρG（kg/m3），料 液 喷 嘴 孔 径 DL（m），气 体 出 口 面 积 AG（m2）为 影 响 喷 嘴 雾 化 性 能 的主要因素，在大量实验的基础上整理并推算出液滴直 径尺寸准数的关联式：
关键词：气流式喷雾干燥 雾化机理 应用
喷雾干燥是将原料液用雾化器 分 散成 雾 滴，并用 热 空 气（或 其 他气 体）与 雾 滴 直 接 接 触 的 方 式 而 获 得 粉 粒 状 产 品的一种干燥过程。常用喷雾干燥装置的雾化形式可分 为离 心式、压力式和气流式。离心式喷雾干燥装置生产的 干 燥产 品 的粒 度 较细 ，生 产 规 模 可 调 性 强 ，但 是 其 结 构 比 较复杂，仅适用于顺流型干燥 。压力喷雾干燥装置结构简 单 ，易 于 操 作 ，在 工 业 应 用 中 比 较 广 泛 ，但 是 对 于 一 些 高 粘度的物料，压力喷嘴难以雾化 。气流式喷雾干燥装置结 构 简 单 ，雾 化 性 能 比 较 高 。 1 气流式喷雾干燥的研究进展
（2）气 流 式 喷 雾 干 燥 的 第 二 阶 段 — —— 雾 滴 与 干 燥 介 质 接 触（混 合、流动）。雾 滴 和空 气 的接 触 、混 合 及 流 动 是 同 时 进行 的 传热 传 质过 程，即 干 燥过 程 , 此 过 程 在 干 燥 塔 内 进 行 。雾 滴 和 空 气 的 接 触 方 式 、混 合 与 流 动 状 态 决 定 于 热 风分布器的结构型式、雾化器在塔内的安装位置及废气 排出方式等。在干燥塔内，雾滴 - 空气的流向有并流、逆 流 及 混 合 流 。雾 滴 与 空 气 的 接 触 方 式 不 同 ，对 干 燥 塔 内 的 温 度 分 布 、雾 滴（或 颗 粒） 的 运 动 轨 迹 、颗 粒 在 塔 内 的 停 留 时间及产品性质等均有很大影响。雾滴的干燥过程也经 历 着 恒 速 和 降 速 阶 段 。研 究 雾 滴 的 运 动 及 干 燥 过 程 ，主 要
CFD 技 术 ，建 立 了适 合 气流 式 喷嘴 的 气 体 - 颗 粒 两 相 运 动及液滴雾化干燥的完整模型，得到了干燥过程中干燥 室内气体流场和颗粒运动轨迹、气体局部湿度和温度变 化及不同初始直径液滴在干燥室内的干燥情况。任兰学 [19]等 为 解 决一 般 气 流 式 喷 嘴并 不 能 雾 化 气液 混 合 物，而 压 力 式喷 嘴 相比 气 流式 喷 嘴，存 在着 易 磨 损 , 雾 化 效 果 差 等 问 题 ，自 行 设 计 了 一 种 新 型 的 气 流 式 喷 嘴 , 该 喷 嘴 该 型 喷 嘴 在 试 验 条 件 下 雾 化 粒 度 小 于 50, 雾 化 效 果 优 于 一 般 的 气流 式喷嘴。该型喷嘴能够对气液混合物进行雾化，并可 应用于石化领域中 分离 塔 的碱 液 分离 , 压 缩（ 气）机 注水 降 温 中 水 的 雾 化 等 。 王 少 云 [20]等 研 究 了 粘 性 流 体 在 三 通 道 气流 式 喷嘴 的 雾 化 过 程 ，考 察 了 于 粘 度 、液 体 流 量 及 气 体分配比等因素对三通道喷嘴雾化性能的影响因素。 2 气流式喷雾干燥的应用
是确定干燥时间及干燥塔的主要尺寸。 （3）气流式喷雾干燥的第三阶段— ——干燥产品 与空 气
分 离 。喷 雾 干 燥 的 产 品 大 多 采 用 塔 底 出 料 ，部 分 细 粉 夹 带 在排放的废气中, 废气在排放前必须将这些细粉收集下 来，以提 高 产品 收 率 ，降 低 生 产 成 本 。 排 放 的 废 气 必 须 符 合 环 境 保 护 的 排 放 标 准 ，以 防 止 环 境 污 染 。 1.2 气流式喷雾雾化机理的研究
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虞 子 云 [14]通 过 对 二 流 体 外 混 、二 流 体 内 混 、三 流 体 内 混 和 三流体内外组合混等四种形式的气流喷嘴在不同尺寸、 料 液 物性 、操作 条 件 下 的 雾 化 实 验 研 究 ，讨 论 了 不 同 变 化 参数对雾化性能的影响，并得出了液滴平均直径尺寸准 数 的 关 联 式 。 陈 国 桓 [15]通 过 对 现 有 的 外 混 合 二 流 式 喷 嘴 现有的设计计算公式进行评述和研究，得到了一种新的 计 算 公 式 ，并 对 其 适 用 范 围 加 以 明 确 。 杨 庆 贤 [16-17] 通 过 对 气流式喷嘴及气流式喷雾干燥设计实验研究计算，得到 了简单的设计方法。赵忠祥等以适用于小型设备的小流 量气流式雾化器为研究对象，对六种具有不同气体出口 长径比的喷嘴分别进行试验，通过讨论其在不同操作参 数下的雾场特性得出计算雾滴平均直径的关联方程式。 张 丽 丽 [18]等 针 对 冲 击 式 气 流 喷 嘴 的雾 化 特 点，考 虑气 流 的 冲击作用及表面张力对雾化过程的影响，从液膜受力平 衡 角 度出 发 ，建 立 了冲 击 式 气 流 喷 嘴 的 分 阶 段 雾 化 模 型 。 并且为了准确地描述气流喷嘴的雾化干燥过程，利用
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现代制造技术与装备
2013 第 4 期 总第 215 期
来 越 短 ，直 到 微 米 量 级 ，于 是 射 流 散 布 成 雾 状 。 1.3 气流式喷雾喷雾干燥的数学模型
由 于 喷 雾 干 燥 塔 内 液 滴 的 运 动 状 态 、风 场 的 流 动 特 性 以 及 液 滴 与 干 燥 介 质 之 间 的 传 热 传 质 过 程 非 常 复 杂 ，因 此在干燥塔内直接测量及其困难，而大型工业装置无法 直 接 制 作 成 实 验 装 置 ，以 供 试 验 用 。实 验 研 究 是 一 种 直 接 有效的方法，然而实验研究方法通常需要昂贵的测试设 备和实验费用，同时有些微观量在当前技术条件下仍然 很难测量。而目前气流式喷雾干燥的设计是根据小型实 验 装 置的 结 果进 行 放大 ，并 且 依 据 设 计 人 员 的 工 作 经 验 ， 使得设计出来的喷雾干燥总有很多种问题。近年来随着 计算机技术的发展，计算流体 动 力学（CFD）方法 成 为解 决 这一问题的有效途径，使气流式喷雾干燥的数学模拟得 进行变成了可能或者可行，并且取得了 很多成果。
Crower [10]等 首 先 提 出 了 利 用 PSI-CELL 的 模 型 来 研 究 喷 雾 干 燥 过 程 中 雾 滴 和 气 相 接 触 的 干 燥 过 程 。Papadakis [ 11] 等运用了 Crower 的 PSI-CELL 模型模拟实验室的小型喷雾 干 燥 装 置 , 并 与 简 单 的测 量 数 据 进 行 了比 较。张 丽 丽 [12]等 运 用 Fluent 软 件 准 确 地 描 述 气 流 喷 嘴 的 雾 化 干 燥 过 程 建 立了适合气流式喷嘴的气体 - 颗粒两相运动及液滴雾化 干燥的完整模型。 1.4 气流式喷雾喷雾干燥的研究现状
设计与研究
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气流式喷雾干燥的现状及展望
张 敏 张丽丽 王仁人 孙磊博
（山 东 轻 工 业 学 院，济 南 250353）
摘 要 ：分 析了 气 流式 喷 雾干 燥 干燥 过 程 阶段 和 喷雾 雾 化 机 理 ，综 述 了 气 流 式 喷 雾 干 燥 技 术 的 研 究 进 展 ， 介绍了气流式喷雾干燥的应用及发展趋势。
气流式喷雾干燥系统根据其干燥过程可分为三个基 本 过 程 阶 段 ：料 液 雾 化 为 液 滴 ；雾 滴 与 干 燥 介 质 接 触 、混 合 及 流 动 ，即 进 行 干 燥 ；干 燥 产 品 与 空 气 分 离 。
（1）气 流 式 喷 雾 干 燥 的 第 一 阶 段 —— — 液 料 的 雾 化 。 料 液 雾化 为 雾滴 和 雾滴 与 热空 气 的接 触、混 合 , 是 喷 雾 干 燥 独有的特征。雾化的目的在于 将料液分散成微细的雾滴, 使其具有很大的表面积, 当其与热空气接触时, 雾滴中水 分迅速汽化而干燥成粉末或颗粒状产品。雾滴的大小及 其均匀程度对产品质量和技术经济指标影响很大, 特别 是对热敏性物料的干燥尤为重要。如果喷出的雾滴其大 小 很不 均 匀, 就 会 出现 大 颗粒 还 没达 到 干 燥 要 求 、小 颗 粒 却已干燥过度而变质的现象。
目前气流式喷雾干燥技术已广泛应用于食品、化工、 医药等行业。与压力式及离心式喷 雾干燥相比，它干燥强 度大，相同处理能力时塔体仅为压力式或离心式喷雾干 燥 机塔 体 的 1/3~1/5，设 备投 资 小，缺点 是 液 体 雾 化 所 需 的 动力能耗较高。王宗濂等通过研究歧化松香皂膏干燥试 验的工艺流程和工艺设备，对气流式雾化器的雾化机理 作了初步探讨，利用三流体气流雾化技术成功地进行了 80%浓度的歧化松香的喷雾干燥，解决 了 高粘 度 物料 长 期 无 法用 喷 雾干 燥制 粉 的 问 题 ，且 可 节 能 ，并 在 国 内 首 次 把 气流雾化技术成功地进行了粉状炸药的喷雾冷却干燥。 孙孝志通过一个橡胶厂为例，研究了了气流式喷雾干燥 技术在橡胶生产行业中应用的可行性。胡云红等通过对 雾化空气压力、进风温度和收集器温度等影响添加剂制 备效果的因素进行试验分析，寻找蛋白酶液喷雾干燥工 艺的最佳参数。该研究为饲料酶添加剂的深入研究提供 了依据。由于气流式喷雾干燥技术具有干燥速度 快、时间 短 、物 料 温 度 低 、易 于 连 续 化 生 产 等 特 点 ，适 合 于 热 敏 性 物 料的 干 燥，有利 于 保 持 板 栗 的 功 能 成 分 ，故 将 其 应 用 到 板 栗 粉 的 生 产 上 ，具 有 广 阔 的 发 展 前 景 。常 学 东 等 通 过 研 究 板栗 粉 得率 随 料 液 浓 度 、进 口 温 度 、出 口 温 度 变 化 的 标 准回归模型，分析影响板栗粉喷雾干燥得率的因素及其 效应并确定了最佳工艺参数。
气 流 式 喷 雾 干 燥 的 核 心 技 术 是 雾 化 技 术 。液 体 的 雾 化 质量直接影响着干燥产品的质量。目前国内外学者已对 雾化 机 理开 展 了广 泛 研 究 ，根 据 对 雾 化 机 理 认 识 的 不 同 ， 建立了考虑各种因素影响的雾化模型。
针对雾化机理这一难题，一百 多 年来 众 多的 学 者提 出 了 各 式 各 样 的 理 论 解 释 。一 是 湍 流 扰 动 理 论 。K . J . Dejuhasz [2]认为 射 流的 分 裂雾 化 过 程发 生 在喷 嘴 内部 ，而 液 体本 身 的湍流度可能起着重要作用。而 Schweitzer[3]认为在喷嘴内 部作湍流运动的液体的径向分速度会在喷嘴出口处立即 引起射流液体的扰动，从而 使射流产生雾化。二是空穴扰 动说。 Bergwerk [4]认 为 在所 研 究 的 雷 诺 数 范 围 内 喷 嘴 内 的 湍流分速不足以引起雾化现象，而喷嘴内空穴现象所产 生的大振幅压力扰动是引起雾化的主要 原 因。 Sadek [5]也 持同样的观点。三是 边界条件突变说。该理论认为液体的 边 界 条 件 发 生 的 突 变 引 起 了 射 流 的 雾 化 。Shkadov [ 6 ] 通 过 研 究气液交界面处边界内切应力的变化得知此处存在着不 稳定的短波长表面波。表面波的增长引起了射流的分裂 雾 化 。Rupe [ 7 ] 认 为 高 速 层 流 液 体 射 流 可 能 比 充 分 发 展 的 湍 流射流更不稳定。在喷嘴出口处的层流射流突然失去了 喷 嘴 壁 面 的 限 制 ，使 得 截 面 内 速 度 分 布 骤 然 改 变 。射 流 内 动能的重新分布产生了一个径向分速，从而成为射流的 扰动源。扰动的发展引起了射流的雾化。四是压力振荡 说。E.Giffen 和 Muraszew[8]等人注意到，液体供给系统产生 的压力振荡对雾化过程有一定的影响。由于一般喷射系 统中普遍存在着压力震荡，因而它可能对雾化起着重要 作 用 。五 是 表 面 不 稳 定 性 理 论 。该 理 论 是 目 前 发 展 得 比 较 充分也是最有发展前途的一种关于雾化机理的假说。 Bracc [9]等 认 为 高 速 射 流 液 面 的 初 始 扰 动 在 某 些 力 的 作 用 下会迅速而有选择性地增长，从而使液柱表面产生不稳 定的波动 。随着射流速度增加，不稳定波所作用的长度越