發(fā)布時(shí)間：2010年03月18 摘要：噴霧烘干機設備中的熱風(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)系數與Re數有關(guān)并呈0.8次方關(guān)系。文中列出了工業(yè)中常見(jiàn)的三種不正確的分布形式，并提出三條設計熱風(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)域得到應用。改革開(kāi)放以后，我國出現了一大批專(zhuān)業(yè)化的干燥設備企業(yè)。近十年內噴霧干燥技術(shù)已取得了長(cháng)足進(jìn)步，產(chǎn)品質(zhì)量已可與世界著(zhù)名廠(chǎng)商相媲美，不僅滿(mǎn)足了國內輕化工、環(huán)保行業(yè)的需要，而且已向國外市場(chǎng)拓展。
長(cháng)期以來(lái)，對噴霧干燥裝置的注意，一般著(zhù)力于：
⑴ 霧化器（機）的選擇；
⑵ 足夠風(fēng)量和熱量的配置；
⑶ 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計，應包括與霧化器相適應的熱風(fēng)進(jìn)出口的方式和熱風(fēng)分布裝置”[1]。K.Master’s也提到在干燥塔內水分蒸發(fā)速率隨著(zhù)霧滴與熱風(fēng)的相對速度增加而增加[2]。
唐金鑫等在熱風(fēng)分布器設計要求中，提出三條重要的原則[3]，都強調了熱風(fēng)分布對噴霧干燥的重要性。
在隨后出現的裝置中，發(fā)現大多數企業(yè)仍然沒(méi)有給予足夠的重視，只是從結構上做到“形似”而
實(shí)質(zhì)仍未掌握，以致出現以下情況：
⑴ 在塔內同一截面上溫度差較大，導致物料局部粘壁；
⑵ 由于氣液兩相接觸不合理，使干燥強度大為下降，于是干燥塔的體積越做越大；
⑶ 在一臺比原設計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，降低了干燥強度，物料仍然大量粘壁；
⑷ 熱效率很低，出塔風(fēng)溫難以下降。
因此，我們認為熱風(fēng)分布器的設計正確與否，直接影響到干燥系統運行的成敗。本文擬在以前知識的基礎上，提出氣液兩相接觸的合理方式，以求對熱風(fēng)分布器設計有正確的分析和指導。
作者簡(jiǎn)介：王宗濂，男，研究員。
1 理論依據
K.Masters[2]提出在有相對速度下霧滴的蒸發(fā)存在以下關(guān)系式：
傳質(zhì) Sh=2+K1RexScy （1）
傳熱 Nu=2+K2ReX’Pry’ （2）
式中：謝伍德數Sh =KgD/Dv，努塞特數Nu =hcD/Kd，施密特數Sc =μa/Dvρa，普朗特數Pr =Cpμa/Kd，雷諾數Re =Dvρa/μa。D為液滴直徑，ρa為干燥介質(zhì)密度，μa為粘度，Cp為定壓比熱容，Kd為液滴周?chē)鷼鈶B(tài)膜的平均熱傳導率，hc為對流熱傳導系數，Kg為傳質(zhì)系數，Dv為擴散系數。
（1）、（2）式中的x，y，x’，y’和K1，K2尚有爭論，多數人趨向于：
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）的試驗范圍其Re值均不超過(guò)1000。但從中已經(jīng)可以看出，干燥的傳質(zhì)和傳熱系數隨Re的增大而增大，即假設干燥介質(zhì)和被干燥物料的性質(zhì)不變時(shí)，Re起著(zhù)重要的影響。而對Re起直接影響的，可認為是相對速度v。
在傳統的液體無(wú)相變對流傳熱系數計算中，普遍應用Dittus和Boelter關(guān)聯(lián)式[4],
Nu=0.023Re0.8Pr0.4 （5）
或 （6）
α—給熱系數；
λ—液體熱導率；
d—粒徑；
v—氣液相對流速；
μ—液體動(dòng)力粘度；
Cp—定壓比熱容；
ρ—液體密度。
式中的Re值≥10000，　0.7＜Pr＜120。
式（1）與式(5)相比較可以看出，Re數湍流層范圍內的冪值增加可以從0.4提高到0.8。這就可以理解K.Master’s等強調的“水份蒸發(fā)率隨霧滴與空氣的相對速度增加而增加”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(jiàn)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)出現過(guò)以下形式：
（1）平均地自塔頂天花板分布向下流
這種形式認為只要均勻地進(jìn)風(fēng)，有足夠的熱量就能達到干燥的目的，干燥塔的空塔速率只有0.5～0.8m/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(méi)有直接的聯(lián)系。這種形式不僅國內有，在許多進(jìn)口裝置中也有。其結果是塔體龐大，效率降低。
（2）為了防止粘壁，將熱風(fēng)分為2股或3股
設計者認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粘壁現象。實(shí)際上，邊緣熱風(fēng)流速是不可能大的，而且液滴達到塔壁上的流速也不會(huì )太大，因此這兩股流體的相對速度是非常低的，故而難以實(shí)現快速干燥，粘壁仍會(huì )出現。塔壁的熱風(fēng)形同虛設，或者作用不大。
著(zhù)名的MD型塔采用了冷風(fēng)吹塔，對保證物料質(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(wú)直接的聯(lián)系[5]。
當然粘壁的形式還要聯(lián)系到霧化機的噴距、干燥塔的設計以及物料的玻璃態(tài)轉變溫度等。這些問(wèn)題已在[1]中有詳細的介紹。將熱風(fēng)分散處理會(huì )減少中央區的熱風(fēng)量，從而降低流速，導致熱風(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風(fēng)，而在旋轉式霧化器上配直流風(fēng)。這兩種形式在生產(chǎn)中都有看到，其結果只能是出現粘壁或者熱效率大幅度下降，這顯然是錯誤的。
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(kāi)霧化器出口時(shí)的流速是最高的，隨著(zhù)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）中去準確掌握熱風(fēng)應當在何處與液滴接觸，從而可以得到最佳的傳質(zhì)、傳熱速率。
既然霧化器（大多數）是設計在塔頂的中央處的，就應當將熱風(fēng)集中到中央，以相當于湍流形式的氣流向液滴群急速沖擊；其風(fēng)量和熱量依可干燥顆粒表面水分所需的數量而定。其余部分可以在塔內均勻分布，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。
具體的參數涉及各種物料的特性。但總的趨勢是利用氣液兩相的高速區，迅速干燥液滴表面，從而實(shí)現大部分水分的蒸發(fā)，這才是真正發(fā)揮噴霧干燥的優(yōu)勢。
4 良好的熱風(fēng)分布器的要素
⑴ 使氣液兩相接觸，混合良好，首先應當使氣體分布均勻。為使分布均勻，已經(jīng)有人介紹過(guò)兩種方法：①在旋轉霧化器的配套設計中，必須用對數螺旋蝸殼[3]，使一邊進(jìn)入蝸殼的熱風(fēng)經(jīng)蝸殼及內部的導風(fēng)板均勻地進(jìn)入塔內。② 直流霧化器中的熱風(fēng)分布可采用各種導向直流板 [1]，但必須配置噴嘴直流式霧化器。
⑵ 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。應利用湍流階段的優(yōu)勢，縮短干燥時(shí)間。
⑶ 當熱風(fēng)分布器出口流速過(guò)大時(shí)，阻力會(huì )呈平方關(guān)系增加，故應考慮“系統內的阻力降”，氣速選擇要慎重。
5 結束語(yǔ)
近年來(lái)在噴霧干燥裝置的設計和制造上，發(fā)現有盲目加大干燥塔體積的趨勢，這不僅會(huì )失去噴霧干燥時(shí)間短的優(yōu)勢，而且還增加了造價(jià)和設備占用的廠(chǎng)房面積（或體積），對用戶(hù)不利。
當熱風(fēng)分布器和霧化器合理配置時(shí)，干燥塔的體積應當有一個(gè)合理的范圍，不會(huì )相差很大。大的不一定好。隨著(zhù)科技的進(jìn)步和各種強化措施的應用，干燥塔勢必會(huì )越做越小。
熱風(fēng)分配器是一個(gè)重要的方面，并不代表全部。所以在噴霧干燥器的設計中，選型要根據各種物料的特性，綜合各種參數，以期獲得一個(gè)系統的最佳狀態(tài)。
參考文獻：
[1] 王喜忠，等.現代干燥技術(shù).噴霧干燥章[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998，326-342.
[2] K.Master’s.spray drying handbook[M].Longman Scientific and Technial Copublished in the United States with John Wiley and sons,lnc.,New Youk.1991.311-326.
[3] 唐金鑫,等.噴霧干燥工程的研究進(jìn)展及應用[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,第21卷增刊,1997.
[4] 天津大學(xué)化工原理教研組.化工原理[M].天津：天津科學(xué)出版社.1989,300-305.
[5] 持田隆,等.噴霧干燥（譯文集）[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.392-982.
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