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无锡志邦资讯:喷雾干燥热风分布器的设计原则

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由于喷雾干燥具有流程简短、可处理热敏性物料、易大型化等优越性,已经在许多领域得到应用。改革开放以后,我国出现了一大批专业化的干燥设备企业。近十年内喷雾干燥技术已取得了长足进步,产品质量已可与世界著名厂商相媲美,不仅满足了国内轻化工、环保行业的需要,而且已向国外市场拓展。

⑴ 雾化器(机)的选择;

⑵ 足够风量和热量的配置;

⑶ 粉末回收及排放。

唐金鑫等在热风分布器设计要求中,提出三条重要的原则[3],都强调了热风分布对喷雾干燥的重要性。在随后出现的装置中,发现大多数企业仍然没有给予足够的重视,只是从结构上做到“形似”而实质仍未掌握,以致出现以下情况:

⑴ 在塔内同一截面上温度差较大,导致物料局部粘壁;

⑵ 由于气液两相接触不合理,使干燥强度大为下降,于是干燥塔的体积越做越大;

⑶ 在一台比原设计处理量大为减小的干燥塔中,未注意热风分布的流速范围,降低了干燥强度,物料仍然大量粘壁;

⑷ 热效率很低,出塔风温难以下降。

因此,我们认为热风分布器的设计正确与否,直接影响到干燥系统运行的成败。本文拟在以前知识的基础上,提出气液两相接触的合理方式,以求对热风分布器设计有正确的分析和指导。

1 理论依据

传质 Sh=2 K1RexScy (1)

传热 Nu=2 K2ReX’Pry’ (2)

式中:谢伍德数Sh =KgD/Dv,努塞特数Nu =hcD/Kd,施密特数Sc =μa/Dvρa,普朗特数Pr =Cpμa/Kd,雷诺数Re =Dvρa/μa。D为液滴直径,ρa为干燥介质密度,μa为粘度,Cp为定压比热容,Kd为液滴周围气态膜的平均热传导率,hc为对流热传导系数,Kg为传质系数,Dv为扩散系数。(1)、(2)式中的x,y,x’,y’和K1,K2尚有争论,多数人趋向于:

x=x’=0.5 (3)

y=y’=0.33 (4)

式(3)中的x为平均值,随Re增加而增加;Re由1增至104时,x从0.4增加到0.6。遗憾的是式(1)~(4)的试验范围其Re值均不超过1000。但从中已经可以看出,干燥的传质和传热系数随Re的增大而增大,即假设干燥介质和被干燥物料的性质不变时,Re起着重要的影响。而对Re起直接影响的,可认为是相对速度v。在传统的液体无相变对流传热系数计算中,普遍应用Dittus和Boelter关联式[4],

Nu=0.023Re0.8Pr0.4 (5)

或 (6)

α—给热系数;

λ—液体热导率;

d—粒径;

v—气液相对流速;

μ—液体动力粘度;

Cp—定压比热容;

ρ—液体密度。

式中的Re值≥10000, 0.7<Pr<120。

式(1)与式(5)相比较可以看出,Re数湍流层范围内的幂值增加可以从0.4提高到0.8。这就可以理解K.Master’s等强调的“水份蒸发率随雾滴与空气的相对速度增加而增加”了。在 Re值处于湍流范围时,大约呈0.8次方关系。

(1)平均地自塔顶天花板分布向下流

这种形式认为只要均匀地进风,有足够的热量就能达到干燥的目的,干燥塔的空塔速率只有0.5~0.8m/s,即使塔顶缩小,出口风速也只有10m/s,大体处于层流状态。热风与雾化液滴没有直接的联系。这种形式不仅国内有,在许多进口装置中也有。其结果是塔体庞大,效率降低。

(2)为了防止粘壁,将热风分为2股或3股

设计者认为只要在塔壁上有热风流动,就可以防止未干液滴撞壁而出现粘壁现象。实际上,边缘热风流速是不可能大的,而且液滴达到塔壁上的流速也不会太大,因此这两股流体的相对速度是非常低的,故而难以实现快速干燥,粘壁仍会出现。塔壁的热风形同虚设,或者作用不大。

著名的MD型塔采用了冷风吹塔,对保证物料质量有利。实际上,这时液滴已经完成“恒速段”干燥(至少颗粒表面已经干燥),这与粘壁并无直接的联系[5]。

当然粘壁的形式还要联系到雾化机的喷距、干燥塔的设计以及物料的玻璃态转变温度等。这些问题已在[1]中有详细的介绍。将热风分散处理会减少中央区的热风量,从而降低流速,导致热风的利用率降低。

(3)热风分布器与雾化器不配套

在喷嘴式雾化器上配旋转风,而在旋转式雾化器上配直流风。这两种形式在生产中都有看到,其结果只能是出现粘壁或者热效率大幅度下降,这显然是错误的。

3 塔顶中央热风的重要性

在所有的雾化器工作时,液滴刚刚离开雾化器出口时的流速是最高的,随着液滴在空气中的流动,由于空气的阻力,液滴流速迅速衰减,初速能达到130m/s,而终速可接近于零,这就要求我们从式(1)到式(4)中去准确掌握热风应当在何处与液滴接触,从而可以得到最佳的传质、传热速率。

既然雾化器(大多数)是设计在塔顶的中央处的,就应当将热风集中到中央,以相当于湍流形式的气流向液滴群急速冲击;其风量和热量依可干燥颗粒表面水分所需的数量而定。其余部分可以在塔内均匀分布,以完成其它降速段的干燥。只要颗粒表面的水分能够快速干燥,就能够在很大程度上防止塔的粘壁。

高速气流与雾化器喷出口越接近,其干燥效率就越高。但在考虑气流流速时,也应同时考虑阻力降与流速平方成正比的关系,并非风速越高就越好。况且风速越高,会使雾滴群向下降,丧失了部分有效的干燥空间。

具体的参数涉及各种物料的特性。但总的趋势是利用气液两相的高速区,迅速干燥液滴表面,从而实现大部分水分的蒸发,这才是真正发挥喷雾干燥的优势。

4 良好的热风分布器的要素

⑴ 使气液两相接触,混合良好,首先应当使气体分布均匀。为使分布均匀,已经有人介绍过两种方法:①在旋转雾化器的配套设计中,必须用对数螺旋蜗壳[3],使一边进入蜗壳的热风经蜗壳及内部的导风板均匀地进入塔内。② 直流雾化器中的热风分布可采用各种导向直流板 [1],但必须配置喷嘴直流式雾化器。

⑵ 热风分布器出口与雾化器喷液出口尽量靠近,并在两个方向夹角接近90°,以加大剪切力。应利用湍流阶段的优势,缩短干燥时间。

⑶ 当热风分布器出口流速过大时,阻力会呈平方关系增加,故应考虑“系统内的阻力降”,气速选择要慎重。

5 结束语

近年来在喷雾干燥装置的设计和制造上,发现有盲目加大干燥塔体积的趋势,这不仅会失去喷雾干燥时间短的优势,而且还增加了造价和设备占用的厂房面积(或体积),对用户不利。

当热风分布器和雾化器合理配置时,干燥塔的体积应当有一个合理的范围,不会相差很大。大的不一定好。随着科技的进步和各种强化措施的应用,干燥塔势必会越做越小。

热风分配器是一个重要的方面,并不代表全部。所以在喷雾干燥器的设计中,选型要根据各种物料的特性,综合各种参数,以期获得一个系统的最佳状态。