喷雾干燥设备的原理技术

第一节概述定义：凡是使物料（溶液、悬浮液及浆液）所含水分由物料向气相转移，从而变物料为固体制品的操作，统称干燥。根据这一定义，干燥的含义显然与过滤、压榨等滤干、榨干以及浓缩均有区别。要使水分从物料转移到气相，物料必须受热，水分吸收热量才能汽化。物料受热的方式仍然就是三种基本传热方式，即对流、传导和辐射。因此根据传热方式的不同，干燥分热风干燥、接触干燥和辐射干燥。物料中水分的汽化可以在不同的状态下进行，水分是在液态下汽化的，倘若预先将物料中水分冻结成冰，而后在极低的压力下，使之直接升华而转入气相，这种干燥称为冷冻干燥或冷冻升华干燥。干燥的推动力：水分在气相传递的推动力为物料表面附近的一层气膜的蒸气分压与气相主体中蒸汽分压之差。由于物料水分汽化是在表面进行，故逐渐形成从物料内部到表面的湿度梯度，此湿度梯度即为干燥的推动力。温度梯度也可以使物料内部水分传递，称为热传递。水分将从温度高处向低温处转移。对于任一种干燥方法，上述两梯度均存在于物料内部。干燥的方法热风干燥---空气干燥法此法直接以高温的空气作热源，籍对流传热，将热量传给物料，使水分汽化同时被空气带走。接触干燥法：此法是间接靠间壁的导热，将热量传给与间壁接触的物料。热源可为水蒸气、热水、燃气、热空气等。辐射法：此法是利用红外线、远红外线、微波或介电等能源将热量产给物料。应用：干燥在国民经济各部门都有着重要意义。食品工业中干燥操作是一项最基本的单元操作，对于干燥食品它是一项主要的单元操作。例如：果蔬的干制，奶粉和蛋黄粉的制造，面包饼干的焙烤和淀粉的制造等等。另外发酵食品，味精，柠檬酸，酶制剂等等。啤酒生产中麦芽干燥，制糖生产中砂糖的干燥等。目的：食品干燥目的是去除物料中的水分，减少其体积和重量，便于产品的储存和运输；可防止微生物在成品中繁殖。干燥通常是产品生产过程中最后一道工序，因此与产品质量，最终产品有着重要关系。如果干燥过程控制不好，会使产品变质而受到损失。食品多为热敏性物料，在干燥过程中如果控制不好导致变质，破坏其色、香、味，影响产品质量。干燥方法和干燥设备的选择，应根据产品的特点、产量、经济性等综合考虑。目前食品产品的干燥广泛采用的是空气干燥法。空气干燥设备按工作原理分为：气流干燥、沸腾干燥和喷雾干燥。气流干燥：高速热气流将颗粒悬浮于气流中，一边与热气流并流输送，一边进行干燥。沸腾干燥：颗粒呈悬浮状态。本章主要介绍喷雾干燥设备。第二节喷雾干燥技术装备一.、喷雾干燥原理及特性二、喷雾干燥器的分类三、雾化器的结构和雾化机理四、喷雾干燥器及系统五、喷雾干燥器的设计与计算六、喷雾干燥的特点一、喷雾干燥原理及特性（一）喷雾干燥原理利用不同的喷雾器（机械），将需干燥的物料喷成雾状，形成具有较大的表面积的分散微粒（10-200um），同热空气发生强烈的热交换，迅速排除本身的水分，在几秒至几时秒内获得干燥。如与高温400-500℃的热风接触需0.01-0.04秒内就完成干燥，与100-150℃的热风接触需1-3秒就完成干燥。成品以粉末状态沉降于干燥器的底部排出。（二）液滴的干燥特性在喷雾干燥过程中，即使初速度很高，但由于液滴很小，其雷诺准数Re一般都是很低的，约在1/10-1/100范围以内。小于50µm的液滴，遂以100-150m/s的相对速度运动，但Re也不超过200。当液滴速度很快衰减到与气流的速度相等时，其Re小于2。传热膜系数：当纯液滴在空气流中的运动的Re2时可按传热方程式计算：式中:h--传热膜系数，w/m2.k,Dρ--液滴直径，mλ--热空气热导率，w/m.k，ρg--气体的密度，Kg/m3µg--气体的粘度，Kg/m.s，Cg--气体的比热，J/Kg.kv--液滴与空气的相对速度，m/s])3600()(3.01[23/12/1ggggpCDhDp在喷雾干燥过程中，空气膜的平均温度约为100℃，即可将Cg,ρg,µg,λ等值代入上式，并以Dρ换成µm单位，则上式可转化为:传热膜系数与液滴直径成反比，与气体相对速度（V）的平方根成正比。2/1)(320053600ppDDh（三）喷雾干燥对设备的要求1.食品在干燥过程中，凡与产品性接触的部位，必须便于清洗灭菌；2.应采取措施防止焦粉，防止热空气产生涡流与逆流，满足工艺要求；3.产品中杂质的增加应特别注意，保证热风清洁。由于空气过滤器效果不好，风管及加热器中心中的铁锈以及保温层中材料的泄漏所造成的；4.为了便于检查生产运行情况，应配置温度、压力指示记录仪、灯孔等；5.具有高回收率的粉尘回收装置；6.为了提高产品的溶解性、速溶性，干燥的产品应迅速从干燥室取出冷却（连续出粉）；7.干燥室内温度及排风温度不许超过100℃，它不仅是保证质量，而且是安全问题（因为气体中粉浓度达到一定值，温度大于160℃，若遇闪火，爆炸）；8.提高干燥室的热效率，必须使喷雾时浓料液滴和热空气均匀接触，其次，加热器、干燥室、风管等应予以保温。9.对于粘性物料应尽量减少粘壁现象。二.喷雾干燥器的分类（一）按生产流程分类（二）按喷雾和气体流动方向分类（三）按雾化方法分类（一）按生产流程分类1.开放式喷雾干燥系统如图.特点：载热体在系统中只使用一次就排入大气中，不再循环使用，结构简单，适用于废气中湿含量较高，无毒无臭气体。缺点：载热体消耗量大。简述流程：压力喷雾，离心喷雾，气流喷雾都可以按照开放式系统设计。2.封闭循环是喷雾干燥系统特点：载热体在系统中组成一个封闭的循环回路，有利于节约载体热。回收有机溶剂，防止污染大气，载热体大多使用惰性气体（如N2,CO2等）。流程：从干燥塔排除的废气，经旋风除尘器除去微细粒子，然后进入冷凝器。冷凝器的作用:是将废气中的溶剂（或水分）冷凝下来，除湿后的尾气经鼓风机升压，进入一个间接式加热器后又变为热风，如此往复循环使用。适用于：可燃性溶剂系统，溶剂需回收，产生有污染的臭气。粉料与空气混合爆炸等。特点：载热体在系统中组成一个封闭的循环回路，有利于节约载体热。回收有机溶剂，防止污染大气，载热体大多使用惰性气体（如N2,CO2等）。流程：从干燥塔排除的废气，经旋风除尘器除去微细粒子，然后进入冷凝器。冷凝器的作用:是将废气中的溶剂（或水分）冷凝下来，除湿后的尾气经鼓风机升压，进入一个间接式加热器后又变为热风，如此往复循环使用。适用于：可燃性溶剂系统，溶剂需回收，产生有污染的臭气。粉料与空气混合爆炸等。3.自惰循环是喷雾干燥系统自惰就是指系统中有一个自制惰性气体的装置。在这个装置中，引入空气和可燃性气体进行燃烧，将空气中的氧气烧掉，剩下氮气和二氧化碳（惰性气体）作为干燥介质。为使系统中气体压力平衡，在鼓风机出口处安装一个放气减压装置，部分空气可排放到大气中。适用于：有臭气发出，产品有高度爆炸性，着火危险，通过燃烧消除掉臭气和产品粉末。自惰就是指系统中有一个自制惰性气体的装置。在这个装置中，引入空气和可燃性气体进行燃烧，将空气中的氧气烧掉，剩下氮气和二氧化碳作为干燥介质。为使系统中气体压力平衡，在鼓风机出口处安装一个放气减压装置，部分空气可排放到大气中。适用于：有臭气发出，产品有高度爆炸性，着火危险，通过燃烧消除掉臭气和产品粉末。4.半封闭循环是喷雾干燥系统系统中有一燃烧器。半封闭在于干燥介质燃烧去臭气后一部分排入大气，另一部分燃烧后循环使用.（二）按喷雾和气体流动方向分类并流，逆流和混合型三种1.并流：在喷雾干燥室内，液滴与热风呈同方向流动.常用的基本形式：垂直下降并流、垂直上升并流行型、水平并流型垂直下降并流特点是塔壁粘粉比较少。垂直上升并流行型要求干燥塔截面风速要大于干燥物料的悬浮速度，以保证物料能被带走。由于在干燥室内细粉干燥时间短，粗粒干燥时间长，产品具有均匀干燥的特点。但动力消耗大。）水平并流型热风在干燥室内呈螺旋状运动，以便与液滴均匀混合，并能延长干燥时间。液滴水平喷出（压力喷雾）。缺点是处理量增加时，需增加压力喷枪数目，但由喷雾距离小，喷雾角度受一定限制，在清扫产品时存在问题不小。渐渐被淘汰。由于高温热风进入干燥室立即与（含水多的物料）喷雾液滴接触，室内温度急降，不会使干燥的物料受热过度，料温升高较小，因此适宜于热敏性物料的干燥。风与物料接触不充分，越到底部，传热温差小，传热速率小。在并流系统中，最热的干燥空气与水分含量最大的液滴接触，因而迅速蒸发，液滴表面温度接近于空气的湿球温度，同时空气的温度也随着降低，因此，从液滴到干燥成品的整个过程中，物料的温度不高，这对于热性物料的干燥是特别有利的。这时，由于蒸发速度快，液滴膨胀甚至破裂，因此并流操作时所得产品常为非球形的多孔颗粒，具有较低的视密度。在食品工业中，如牛奶，果汁，鸡蛋液物料的干燥，绝大多数采用并流喷雾干燥.2.逆流是喷雾干燥器在喷雾干燥器内，热风与液滴呈反方向流动。特点：高温热风进入干燥器内首先与要干燥的粒子接触，使内部水分含量达到较低的程度，物料在干燥器内悬浮时间长.适于含水量高的物料干燥.设计时应注意气流速度小于成品粉粒悬浮速度，以防粉粒被废气夹带。常用于压力喷雾。对于逆流操作系统中，在塔顶，喷出的雾滴与塔底上来的热空气相接触，因此，蒸发速度较并流的慢。在塔底，最热的干燥空气与最干的颗粒接触，物料易过热.若干燥产品能经受高温，需要较高的视密度时，则用逆流系统最合适。逆流过程中，平均温度差和分压差较大，停留时间较长，有利于传质和传热，热的利用率也高。3.混合型喷雾干燥器气流从上向下（有一个方向），雾滴有两个方向（从下向上，从上向下）。特点：气流与产品较充分接触，并起骚动，脱水效率较高，耗热量较少。但产品有时与湿的热空气流接触，故干燥不均匀。（三）按雾化方法分类1.压力是喷雾干燥器2.离心式喷雾干燥器3.气流使喷雾干燥器食品工业上应用以压力式和离心式为主，气流式应用范围较小，这是由于动力消耗大，经济上不合理。1.压力是喷雾干燥器2.离心式喷雾干燥器三、雾化器的结构和雾化机理喷雾干燥要求雾滴的平均直径一般为20-60um,因此将溶液分散成的雾滴是喷雾干燥的一个关键。它不仅对经济技术指标而且对产品质量均有较大的影响，特别是对热敏性物料的干燥更为重要。实现物料雾化的雾化器目前有如下三种：1、压力喷雾器（压力喷嘴）系利用高压泵（70-200大气压）强制液体通过小孔（孔径为0.5-1.5mm）使之分散成雾滴；2、气流式喷雾器利用压缩空气或过热蒸汽（一般为2.5-6大气压表压）的高速流动，将溶液分散成雾滴；3、离心室喷雾器利用高速旋转（75-150m/s圆周速度）的圆盘，使液体受离心力的作用而分散成雾滴。三种雾化方法各有其优缺点压力喷雾器（机械式）适用于一般粘度的料液，动力消耗最少，大约每吨溶液所需耗能为4-10kw.h,其缺点是必须要有高压泵，喷嘴小易堵塞，操作弹性小，产生调节范围窄。气流式的动力消耗最大，每㎏料液约需0.4-0.8㎏压缩空气。但其结构简单容易制造，适用于任何粘度或稍有固体的料液。离心式的动力消耗介于上述两种之间，适用于高粘度或带有固体的料液，而且转盘雾化操作弹性宽，可在设计生产能力的±25％范围内调节产量，而不影响产品的质量。其缺点是机械加工要求高，制造费用大，雾滴较粗，喷嘴较大，因此塔的直径也相应的比其他的喷雾器的塔大的多。（一）机械式喷雾器目前较为常用的有M型和S型两种。喷嘴一般均有使液体产生旋转运动的特点。1.S型喷嘴结构：喷嘴、喷芯、喷嘴座、管接头、旋转室、导流沟槽等。喷芯及喷嘴必须用耐磨材料制造。常用的为硬质合金钢，粉末冶金、炭化钨、人造宝石、陶瓷等。在乳品生产中现多为不锈钢喷嘴。喷头小孔为0.5-1.4mm.工作原理：液体从任意角度进入喷芯的沟槽。由于沟槽与轴线倾斜成一定角度，液流是螺旋状进入旋室，产生离心力，在喷嘴出口处喷雾。喷芯的沟槽一般为2-6条，喷芯在喷嘴座里不固定，经高压推动力，压紧在喷嘴锥面上，高压液体必须流进沟槽，进入旋室从喷嘴喷出。2.M型喷嘴结构：喷嘴、分配孔板（多孔板）、喷嘴座、管接头、旋转室、导流沟槽（环形