噴霧干燥熱風(fēng)分布器的設(shè)計(jì)方案原則

1、噴霧干燥熱風(fēng)分布器的設(shè)計(jì)原則王宗濂 ,韓 磊,唐金鑫 ,黃春明（ 中國(guó)林業(yè)院林產(chǎn)化工研究所，中國(guó)南京 210042）摘要：噴霧干燥裝置中的熱風(fēng)分布器與干燥的傳熱傳質(zhì)密切相關(guān)。指出，干燥的傳熱傳質(zhì)系數(shù)與 Re 數(shù)有關(guān)并呈 0.8 次方關(guān)系。文中列出了工業(yè)中常見的三種不正確的分布形式，并提出三條設(shè)計(jì)熱風(fēng)分布器 的原則。關(guān)鍵詞：噴霧干燥；熱風(fēng)；分布器由于噴霧干燥具有流程簡(jiǎn)短、 可處理熱敏性物料、 易大型化等優(yōu)越性， 已經(jīng)在許多領(lǐng)域 得到應(yīng)用。 改革開放以后， 我國(guó)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(zhǎng)足進(jìn)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(guó)內(nèi)輕化工、

2、環(huán)保 行業(yè)的需要，而且已向國(guó)外市場(chǎng)拓展。長(zhǎng)期以來，對(duì)噴霧干燥裝置的注意，一般著力于： 霧化器（機(jī)）的選擇； 足夠風(fēng)量和熱量的配置； 粉末回收及排放。王喜忠等指出： “一個(gè)成功的噴霧干燥器的設(shè)計(jì)，應(yīng)包括與霧化器相適應(yīng)的熱風(fēng)進(jìn)出口 的方式和熱風(fēng)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(fēng)的 相對(duì)速度增加而增加 2 。唐金鑫等在熱風(fēng)分布器設(shè)計(jì)要求中，提出三條重要的原則 3，都強(qiáng)調(diào)了熱風(fēng)分布對(duì)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(shí)質(zhì)仍未掌握，以致出現(xiàn)以下情況： 在塔內(nèi)同一截面上溫度

3、差較大，導(dǎo)致物料局部粘壁； 由于氣液兩相接觸不合理，使干燥強(qiáng)度大為下降，于是干燥塔的體積越做越大； 在一臺(tái)比原設(shè)計(jì)處理量大為減小的干燥塔中，未注意熱風(fēng)分布的流速范圍，降低了 干燥強(qiáng)度，物料仍然大量粘壁； 熱效率很低，出塔風(fēng)溫難以下降。因此，我們認(rèn)為熱風(fēng)分布器的設(shè)計(jì)正確與否， 直接影響到干燥系統(tǒng)運(yùn)行的成敗。 本文擬 在以前知識(shí)的基礎(chǔ)上， 提出氣液兩相接觸的合理方式， 以求對(duì)熱風(fēng)分布器設(shè)計(jì)有正確的分析和指導(dǎo)。作者簡(jiǎn)介：王宗濂，男，研究員。1理論依據(jù)K.Masters 2提出在有相對(duì)速度下霧滴的蒸發(fā)存在以下關(guān)系式：傳質(zhì)Sh=2+KR6Scy( 1)傳熱NiF2+K2ReT Pry'( 2)式

4、中：謝伍德數(shù) Sh=KD/D，努塞特?cái)?shù)Nu=hcD/Kd,施密特?cái)?shù)Sc = a/D p a,普朗特?cái)?shù)Pr =G 卩a/Kd,雷諾數(shù) Re= Dvp a/卩a。D為液滴直徑，p a為干燥介質(zhì)密度，卩a為粘度，G為定壓 比熱容，K為液滴周圍氣態(tài)膜的平均熱傳導(dǎo)率，hc為對(duì)流熱傳導(dǎo)系數(shù)， K為傳質(zhì)系數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)。(1)、( 2)式中的x，y，x' ， y '和K，K尚有爭(zhēng)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(shí)，x從0.4增加到0.6。遺 憾的是式(1 )(4)的試驗(yàn)范圍其

5、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(shí)，Re起著重要的影響。而對(duì) Re起直接影響的，可認(rèn)為是相對(duì)速度V。在傳統(tǒng)的液體無相變對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算中，普遍應(yīng)用Dittus和Boelter關(guān)聯(lián)式，Nj=0.023 滄0.8片0.4(5)或:= 0.023J V ： )0.8 (-Cp j.4(6)d 卩Xa 給熱系數(shù)；入一液體熱導(dǎo)率；d粒徑；V氣液相對(duì)流速；液體動(dòng)力粘度；G定壓比熱容；p 液體密度。式中的 Re值10000，0.7 v Pr v 120。式(1)與式 相比較可以看出，F(xiàn)e數(shù)湍流層范圍內(nèi)的幕值增加可以從

6、 0.4提高到0.8。 這就可以理解K.Master ' s等強(qiáng)調(diào)的“水份蒸發(fā)率隨霧滴與空氣的相對(duì)速度增加而增加”了。在Re值處于湍流范圍時(shí)，大約呈 0.8次方關(guān)系。2 常見的熱風(fēng)分布器的性能比較在噴霧干燥所選用的熱風(fēng)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(rèn)為只要均勻地進(jìn)風(fēng)， 有足夠的熱量就能達(dá)到干燥的目的， 干燥塔的空塔速率 只有0.50.8m/s,即使塔頂縮小，出口風(fēng)速也只有10m/s，大體處于層流狀態(tài)。 熱風(fēng)與霧化 液滴沒有直接的聯(lián)系。這種形式不僅國(guó)內(nèi)有，在許多進(jìn)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(fēng)分為 2

7、股或 3股設(shè)計(jì)者認(rèn)為只要在塔壁上有熱風(fēng)流動(dòng)， 就可以防止未干液滴撞壁而出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象。 實(shí)際 上，邊緣熱風(fēng)流速是不可能大的， 而且液滴達(dá)到塔壁上的流速也不會(huì)太大， 因此這兩股流體 的相對(duì)速度是非常低的， 故而難以實(shí)現(xiàn)快速干燥， 粘壁仍會(huì)出現(xiàn)。 塔壁的熱風(fēng)形同虛設(shè)，或 者作用不大。著名的MD型塔采用了冷風(fēng)吹塔， 對(duì)保證物料質(zhì)量有利。 實(shí)際上，這時(shí)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(dāng)然粘壁的形式還要聯(lián)系到霧化機(jī)的噴距、干燥塔的設(shè)計(jì)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(xì)的介紹。將熱風(fēng)分散處理會(huì)減少中央?yún)^(qū)的熱風(fēng)量，從而降低 流速，導(dǎo)致

8、熱風(fēng)的利用率降低。（3） 熱風(fēng)分布器與霧化器不配套在噴嘴式霧化器上配旋轉(zhuǎn)風(fēng)， 而在旋轉(zhuǎn)式霧化器上配直流風(fēng)。 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(cuò)誤的。3 塔頂中央熱風(fēng)的重要性在所有的霧化器工作時(shí)， 液滴剛剛離開霧化器出口時(shí)的流速是最高的， 隨著液滴在空氣 中的流動(dòng)，由于空氣的阻力，液滴流速迅速衰減，初速能達(dá)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(zhǔn)確掌握熱風(fēng)應(yīng)當(dāng)在何處與液滴接觸，從而可以得到 最佳的傳質(zhì)、傳熱速率。既然霧化器 （大多數(shù)）是設(shè)計(jì)在塔頂?shù)闹醒胩幍模?就應(yīng)當(dāng)將熱風(fēng)集中到中央，以相當(dāng)于 湍流形式的氣流向液滴

9、群急速?zèng)_擊；其風(fēng)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(shí)， 也應(yīng)同時(shí) 考慮阻力降與流速平方成正比的關(guān)系， 并非風(fēng)速越高就越好。 況且風(fēng)速越高， 會(huì)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(shì)是利用氣液兩相的高速區(qū)，迅速干燥液滴表面，從而實(shí)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(shì)。4 良好的熱風(fēng)分布器的要素 使氣液兩相接觸，混合良好，首先應(yīng)當(dāng)使氣體分布均

10、勻。為使分布均勻，已經(jīng)有人介紹過兩種方法：在旋轉(zhuǎn)霧化器的配套設(shè)計(jì)中，必須用對(duì)數(shù)螺旋蝸殼3，使一邊進(jìn)入蝸殼的熱風(fēng)經(jīng)蝸殼及內(nèi)部的導(dǎo)風(fēng)板均勻地進(jìn)入塔內(nèi)。直流霧化器中的熱風(fēng)分布可采用各種導(dǎo)向直流板 1 ，但必須配置噴嘴直流式霧化器。 熱風(fēng)分布器出口與霧化器噴液出口盡量靠近，并在兩個(gè)方向夾角接近90°，以加大剪切力。應(yīng)利用湍流階段的優(yōu)勢(shì)，縮短干燥時(shí)間。 當(dāng)熱風(fēng)分布器出口流速過大時(shí)，阻力會(huì)呈平方關(guān)系增加，故應(yīng)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(jì)和制造上， 發(fā)現(xiàn)有盲目加大干燥塔體積的趨勢(shì)， 這不僅會(huì) 失去噴霧干燥時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，而且還增加了造價(jià)和設(shè)備占用的廠房面積（或體