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中国干燥机干燥设备及除湿机

喷雾干燥器

一、前言
(一)喷雾干燥技术简介
出于不同的需要,喷雾干燥器也有许多分类方法,如按气液流向分有并流式(顺流式)、逆流式和混流式;按雾化器的安装方式分有上喷下式、下喷上式;按系统分有开放式,部分循环式和密闭式等等。众所周知,喷雾干燥的雾分器有多种,但按其雾化基理,雾化器分为离心式、压力式和气流式三种。习惯上,人们对喷雾干燥器按雾化方式进行分类,也就是按雾化器的结构分类。将喷雾干燥分为转盘式(离心式)、压力式(机械式)、气流式等三种型式。大量使用喷雾干燥器是近二十年的事,我国最早工业化的应是气流式喷雾干燥器。但随着离心式、压力式喷雾干燥器的成功开发,气流式喷雾干燥器能量消耗大的缺点就显现出来(雾化器消耗的能量是另两种的4~8倍)。最近几年,这种机型在大工业生产中逐渐被其它两种机型所取代,但由于制药行业的特殊需要仍在使用。离心式喷雾干燥器的高速雾化器是关键设备,放大问题具有很高的技术要求,我国目前不但具备生产气流、机械及机电一体的离心雾化器的能力,而且可以达到每小时处理量45t水。在杭州、西宁、无锡、靖江等地有专业的雾化器制造厂。目前离心式喷雾干燥器从每小时处理量几千克到几十吨已经形成了系列化机型。生产制造技术基本成熟。压力式喷雾干燥器所得产品为微粒状,在合成洗涤剂、染料、水处理剂等方面都有大量应用。目前,我国自行设计制造的压力式喷雾干燥器直径可达8m,总高达50多米,蒸发能力达每小时几吨水之多。
目前,在众多的干燥设备中,喷雾干燥器是产值较高的干燥器之一,每台套从几十万到几百万之间。在温州、上海、无锡、江阴、西宁等地有多家喷雾干燥器的专业制造厂,每年向用户提供上百套喷雾干燥设备。从研究方面,每次全国干燥会的学术论文中,喷雾干燥技术的研究内容占各机型之首,理论的不完善性和应用的广泛性始终吸引着大批研究人员的目光。
丹麦Niro公司开发的离心雾化器以高精度、高转速和节能著称,不仅可达到均匀和可控粒度的雾化,而且最大的单机处理能力已达到200t/h。这为大型喷雾干燥器的发展提供了强有力的雾化手段。Anhydro公司的离心雾化器采用皮带传动并改进了润滑系统,也取得很好的效果。这些成就是离心雾化的应用迅速增长的重要原因之一。我国已开发到每小时蒸发几十吨,与国外水平仍有不小的差距。
喷雾干燥器是处理溶液、悬浮液或泥浆状物料的干燥设备。它是用喷雾的方法,使物料成为雾滴分散在热空气中,物料与热空气呈并流、逆流或混流的方式互相接触,使水分迅速蒸发,达到干燥目的。采用这种干燥方法,可以省去浓缩、过滤、粉碎等单元操作,可以获得30~500μm的粒状产品。而干燥时间极短,一般干燥时间为5~30s。适用于高热敏性物料和料液浓缩过程中易分散的物料的干燥,产品流动性和速溶性好。
喷雾干燥器中气固两相接触表面积大,但是气固两相呈稀相流动,故容积传热系数小,一般为20~100kcal/m3?h?℃,热空气进口温度在并流操作时为260~500℃,逆流操作时为200~300℃。工业规模的喷雾干燥器,热效率一般为30~50%。国外带有废热回收的喷雾干燥,热效率可达到70%,但这种设备只有在大于100kg(水)/h的生产能力时才有经济意义。
喷雾干燥的基本流程如下,料液通过雾化器,喷成雾滴分散在热气流中。空气经鼓风机送入空气加热器加热,然后进入喷雾干燥器,与雾滴接触干燥。产品部分落入塔底,部分由一级引风机吸入一级旋风分离器,经分离后,将尾气放空。塔底的产品和旋风分离器收集的产品,由二级抽风机抽出,经二级旋风分离器分离后包装。
喷雾干燥的产品为细粒子,为了适应环境保护的要求,喷雾干燥系统只用旋风分离器分离产品、净化尾气还是不够的,一般还要用袋式除尘器净化。使尾气中的含尘量低于50mg/Nm3气体,或用湿式洗涤器,可将尾气含尘量降到15~35mg/Nm3气体。
(二)喷雾干燥技术进展
喷雾干燥因其可直接由溶液或悬浮体制得成分均匀的粉状产品的特殊优点,目前在化工、轻工、食品等工业中仍有广泛的应用,化学工业中以染料行业应用最为普遍。经过近年来广大工程技术人员的努力,喷雾干燥技术已比较成熟,塔尺寸的确定也有成功的计算方法。采用的雾化器仍然是压力式、离心式和气流式三种,但近几年来离心喷雾干燥器的应用呈上升趋势。对于真溶液喷雾干燥,值得注意的是,不同亲水性溶质要求的干燥介质温度不同。如无机盐类强亲水性物质,其水溶液蒸发脱水主要在溶液沸点下进行,出塔气体温度低于130℃就难以操作。我国虽然和国外相比还有明显的差距,但喷雾干燥装置的制造和操作水平也都有较大幅度的提高。近20年来喷雾干燥技术和设备的改进和革新主要有以下几个方面:
(1)解决粘壁问题
粘壁现象迄今仍然是妨碍喷雾干燥器正常操作的一个突出问题。一般说来,增大直径可以减轻粘壁;但为此目的而采用非常大的设备直径显然也不经济。国外专家研究了干燥过程中的粘壁和结块问题,认为造成粘壁的主要宏观因素是壁温。在关于橙汁喷雾干燥的专利中提出的解决办法是使塔壁冷却至已干产品的温度以下,并在进料液中加入助干剂。Masters提出了防止粘壁的三种可能途径:
①采用夹壁干燥塔,其间用空气冷却,使壁温保持在50℃以下,粘结性特别强的物料宜采用平底塔;
②通过塔壁旋气片切向引入二次空气冷却塔壁;
③塔内近壁处安装由一排喷嘴组成的气扫帚,并使之沿壁缓慢转动。
显然,这些措施试图达到的基本效果是相同的,即冷却塔壁。这些方法在中药浸膏的干燥中已经应用了,有一定效果。另外,塔内壁抛光也可以减轻粘壁。
(2)改善产品物性
科学技术发展和生活水平的提高对喷雾干燥产品的物理性质提出了越来越高的要求。例如,有的要求堆密度特别大(≥1.0)或特别小(≤0.6),一些有复水性的粉体如食品、中药冲剂等则往往要求速溶性。一般说来,改变雾化的分散度以及适当改变操作条件以控制干燥速率,可以制得具有不同堆密度的产品,但变化的幅度是有限的。在改善物性方面值得一提的是泡沫喷雾干燥,即将进料液体先泡沫化后再行喷雾干燥。该方法最初是为提高热效率而提出的,后来用以调整产品的物性。现已证明,泡沫喷雾干燥制得的奶粉等产品粒径大、多孔、多凹陷、表面粗糙,具有良好的速溶性。80年代以来,该技术已用于工业生产。
(3)开发多目标过程
把喷雾干燥与其它单元过程结合方面,已成功地开发应用的主要有两类。一类是喷雾干燥-反应过程,人们熟知的喷雾干燥-聚合一步法制取三聚磷酸钠就是典型实例之一。但从能耗的观点来看,它不是一个成功的例子,单位产品能耗比二步法高。看来,要经济地实现这种结合,必要的条件之一是干燥和反应要求的物料温度基本相同或相近。另一类已开发,并较成功地应用的多目标过程是喷雾造粒-干燥,即把溶液或悬浮液在细粒物料上喷雾涂布造粒与颗粒的干燥结合起来。颗粒的干燥通常在流化床中进行(也有的采用转鼓),根据粒度要求不同,溶液雾化器可置于颗粒床层的内部或上方。喷雾造粒-干燥技术出现和应用都比较早,并已做过大量的基础研究。由于有许多产品,如肥料、染料等,制成颗粒状对贮存、运输和使用都更为有利,这些年来对这类技术的兴趣正在增长。根据已掌握的技术,床层直径在1m以内的装置设计和操作都容易解决,但对很大的装置,看来放大问题还需要进一步研究。
(4)开发组合干燥装置
能从液体直接干燥成粉体,这是喷雾干燥的最大优点。但喷雾干燥热效率低、体积庞大、生产能力低、投资高也是最大缺点,近年来,中外干燥专家对以喷雾干燥为第一级的多级组合干燥进行了大量的研究。利用它将液体干燥成固体后再进入下一级干燥器进一步干燥。这样克服了喷雾干燥器的缺点,有关这方面的情况将在后面的内容中介绍。
(三)三种喷雾干燥装置简介
1.气流式喷雾干燥器
由于气流式雾化器的动力(压缩空气)消耗比压力式和旋转式大,故一般用于干燥小批量的产品。气流式喷嘴能很方便地产生极细的或较大的雾滴,雾化器用压力为0.2~0.5Mpa的压缩空气或过热蒸汽,通过喷嘴将料液喷成雾滴,是实验室或中间工厂的一种较为理想的干燥设备。对非牛顿型料液的雾化,气流式优于其他型式。三流体雾化器用于雾化高粘度的糊状物或滤饼等非常有效。
我国的喷雾干燥始于气流式,对于气流式喷嘴的设计、制造和操作积累了较丰富的经验。
2.压力式雾干燥器
由于颗粒状产品如速溶奶粉、空心颗粒染料、球状催化剂、白炭黑、颗粒状铁氧体等需要量日益增多,促使压力式喷雾干燥装置也随之发展。我国已设计、制造出多台各种规格的压力喷雾干燥装置,现已掌握了此种型式的设计、制造和操作技术。压力式雾化是用高压泵将料液加压到2~20Mpa,送入雾化器将料液喷成雾状。小时喷雾量可达几吨至十几吨,能够满足各行业的需要。在工业生产上,一个塔内可装入几个乃至十几个喷嘴,可保持与实验条件完全相符,基本上不存在放大问题。
3.离心式喷雾干燥器
离心式喷雾干燥器是依靠雾化盘的高速旋转产生的离心力,离心式雾化器其回转速度一般为4000~20000r/min,最高可达50000r/min。将料液水平甩出而雾化,故此种雾化器的喷雾干燥器外形为短而粗(L/D=1.5~2,L为塔高,D为塔径),旋转盘的圆周速度是雾化好坏的主要参数,设计的圆周速度为90~160m/s。
雾化盘除了直接加工成圆形孔和矩形通道外,为了抗磨损,将通道衬上耐磨材料,如陶瓷、硬质合金等。对大喷雾量(每小时几吨至百吨)的工业喷雾干燥,如火力发电厂的烟道气脱硫等,可采用旋转雾化器,通常只需要一个雾化器便可完成。
(四)喷雾干燥的工业产品
1.聚合物和树脂制品
丙烯腈丁二烯树脂、丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚甲醛、苯酚甲醛树脂、聚丙烯酸脂、聚丙烯腈、聚碳酸脂、聚乙烯、聚醛、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇缩(乙)醛、聚乙烯醇、聚乙烯醇丁酸盐、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯乙烯乳剂、聚氯乙烯悬浮胶体、浸渍纤维素、苯乙烯丙烯腈树脂、苯乙烯丁二烯树脂、尿素甲醛树脂、聚氯乙烯醋酸脂、聚乙烯醇。
2.催化剂的干燥
如丙烯腈催化剂、轻油转化催化剂、中温变换催化剂、高压甲醇催化剂及低压甲醇催化剂等。
3.染料、颜料、色料
碱性染料、硫化镉、陶瓷色、铬黄、氧化铜、快速染料、食品色、靛蓝染料、氧化铁、高岭土、锌钡白、米洛丽兰、有机颜料、油漆、酞菁、二氧化钛、水彩、铬酸锌、铬酸锌钾、铬酸四氧化锌、活性翠蓝、咔叽绿B、增白剂。
4.陶瓷制品、玻璃、瓷器
氧化铝、皂土、氧化铍、电石、碳化硅、水泥、电瓷、搪瓷、铁氧体、地砖材料、玻璃砂、砂轮材料、绝缘材料、氧化铁、高岭土、砂、氧化硅、火花塞材料、皂石、钛酸盐、碳化钨、氧化铀、墙砖材料、氧化锌、硅化锆。
5.碳水化合物类似产品
玉蜀黍酒、葡萄糖、阿拉伯树胶、乳糖、果糖、山梨糖醇、淀粉、全糖、小麦面粉。
6.除莠剂、杀真菌剂、杀虫药
砷酸钙、氯氧化铜、氧化亚铜、2,4-二氯-苯氧醋酸、2,4-二氯-苯氧丙酸单甲胺盐、二氯-苯氧丙酸、二氯-丙酸钠盐、砷酸铅、甲基-氯-苯氧醋酸、甲基-氯-苯氧醋酸钠盐、甲基-氯-苯氧丁酸钠盐、甲基-氯-苯氧丙酸、钠-铝-氟化物、钠-甲基-砷酸盐、钠-五-氯酚醛、硫化胶体、锌-二乙基-连二硫氨基甲酸酯、锌-二甲基-连二硫氨基甲酸酯、除草剂、杀虫剂、杀菌剂。
7.奶制品和蛋类
婴儿食品、酸奶、酪蛋白、酪朊酸盐、乳酪、白糖椰子汁、鲜奶油、蛋类:蛋清、蛋黄、全蛋、冰淇淋混合物、奶代用品、混合乳制品、脱脂乳、乳清、乳清母液、全脂奶。
8.食品和食品提炼品
洋蓟、蛋糕混合物、菊花茶、椰子混合物、咖啡精、代咖啡精、去咖啡因的咖啡精、含脂面粉混合物、调味品、有搀入物的果汁、蒜、蔷薇果汁、甘草流膏、麦精、牛奶咖啡混合物、西班齿甘椒、植物蛋白、水解蛋白质、粗制凝乳酶、汤混合物、茶精、西红柿、菌丝体维生素B12、烟酸、蛋白酶、水解蛋白、山梨糖醇、缬草、可溶性鱼粉、鱼浆、鱼蛋白质。
9.药品和生化制品
氢氧氯化铝、硫酸铝蔗糖酯、链霉素硫酸盐、维生素A、维生素E、璜胺噻唑、四环素、氨苄青霉素、芦丁衍生物、阿摩西林、氧四环素、青霉素、安比西林、淀粉酶、阿司匹林、血清、乳酸钙、泛酸钙、琥氯霉素、右旋糖酐、氟邻氯青霉素、泻鼠李皮、荷尔蒙、右旋糖酐铁、葡聚糖铁、甘草、肝精、左旋赖氨酸、氢氧化镁、维生素、抗菌素、酶、糊精、肝精、培养基及中草药植物抽取液。
10.屠宰场的副产品、血和鱼制品
动物蛋白、动物血、深色白蛋白、浅色白蛋白、脑、鱼白蛋白、鱼粉、鱼浆、鱼露、胶与水解胶、肝、鲸露
11.洗涤剂和表面活性剂
烷基-仿基璜酸盐、洗涤酶、分散剂、乳化剂、脂肪硫酸乙醇、重洗涤剂、轻洗涤剂、邻磷酸钾和邻磷酸二钾、邻磷酸钙和邻磷酸二钙、腈三醋酸盐、光学仪器光亮剂、磷酸酯、皂草甙、肥皂、多磷酸四钾、合成洗衣粉、十二醇硫酸钠及皂基。
12.肥料
磷酸氨、硫酸氨、混合肥料、超级磷肥、尿素、氮磷钾复合肥料
13.有机化合物
己二酸、甲酸酯铝、硬酯酸铝、氨基苯酚二磺酸、阿司匹林、铋化合物、醋酸钙、丁酸钙、葡萄糖酸钙、乳酸钙、丙酸钙、糖质酸钙、硬脂酸钙、醋酸纤维素、CMC、磷酸甲基吗啡、依地酸盐、络镁盐、谷氨酸、甘油酯、乙二醛、乳糖、赖氨酸、缩苹果酸、巯基噻唑悬浮液、金属硬脂酸盐、草酸、p-氨基水杨酸、酞酸钾、山梨酸酯钾、橡胶催化剂、水杨酸、醋酸钠、苯甲酸钠、二甲基连二硫氨基甲酸酯钠、乙基黄原酸钠、石碳酸钠、索氏体钠、硬脂酸、蜡、硬脂酸锌。
14.无机化合物
氯化铝、氢氧化铝、氧化铝、磷酸铝、硅酸铝、硫酸铝、氯化铵、钼酸铵、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、ANC催化剂、硫化锑、氧化砷、氯化钡、氢氧化钡、硫酸钡、铝矾土废液、碳酸铋、硼砂、硼酸、碳酸钙、氯化钙、氢氧化钙、磷酸钙、丙酸钙、硅酸钙、硫酸钙、催化剂、水泥(生料)、二氧化铬、硫酸铬、硫化钴、氯氧化铜、硫酸铜、硫化铜、冰晶石、氧化铜、砂浆浮选矿、石墨、氧化铁、高岭土、氯化锂、锌钡白、硅酸铝镁、氢氧化镁、碳酸锰、氧化锰、二硫化钼、碳酸镍、氢氧化镍、硫化镍、碳酸氢钾、碳酸钾、氯酸钾、过氧化镁、硝酸钾、高锰酸钾、过硫酸钾、磷酸钾、硅胶、锑酸钠、碳酸氢钠、重铬酸钠、氯酸钠、铬酸钠、氰化钠、硫酸氢钠、亚硫氢钠、次氯酸钠、磷酸钠、硅酸钠、硅铝酸钠、氟硅酸钠、硫酸钠、三硫酸钠、碳酸钍、四氯化钛、二氯化铀、碳酸锌、硫酸锌。
15.矿物的干燥
如铜精矿、镍精矿、铂精矿、氧化精矿、铝精矿、锌精矿、锡精矿、沉淀铜、沉淀氢氧化铝、沉淀碳酸镍,贵重金属泥、皂土、冰晶石、高岭土及磷酸盐等。
16.纤维素
机碎浆、其他浆料、次级纤维、半化学与机械化学浆料、硫酸盐、亚硫酸盐、亚硫酸盐废液
17.副产品和其他物料
沥青橡胶、皂土、煤、软木、硅藻土、渣滓、榨取后的咖啡豆、酵母原料、玉蜀黍麸质、塑胶粉、果胶废物、海水、污水、下水道污水沉积物、小麦麸质、木粉。
二、离心式喷雾干燥
离心式喷雾干燥器配备有离心式雾化器,因此而得名。离心式喷雾干燥器是目前工业生产中使用最广泛的干燥器之一,通过高速旋转的分散盘上加入料液,液体受离心力作用被甩成雾滴后在干燥器中干燥。在分散盘的表面,液体呈薄膜状扩散,并且在圆周处以高速甩出,雾化效果取决于圆周线速度和加料速率,还与料液的某些物理特性等因素有关。
离心式喷雾干燥器的特点基本是由雾化器的特点决定的:
⑴离心式喷雾干燥不需要严格的过滤设备,料液中如无纤维状液体基本不堵塞料液通道;
⑵可以适应较高粘度的料液(与压力式喷雾干燥相比);
⑶因雾化器的转速很容易调节,所以比较容易空制产品粒度,粒度分布也较窄;
⑷在调节处理量时,不需要改变雾化器的工作状态,对进料率在±25%的变动可以获得相同的产品;
⑸因离心式雾化器产生的雾群基本在同一水平面上,雾滴沿径向和切向的合成方向运动,几乎没有轴向的初速度,所以干燥器的直径相对较大。径、长比较小,可以最大限度地利用干燥室的空间;
离心式喷雾干燥器有如下缺点:
⑴雾滴与气体的接触方式基本属于并流形式,分散盘不能垂直放置;
⑵分散盘的加工精度要求较高,要有良好的动平衡性能,如平衡状态不佳,主轴及轴承容易被损坏;
⑶产品的堆密度压力式喷雾干燥低一些。
(一)离心式雾化器的雾化机理
当向高速旋转的分散盘上注入液体时,液体受离心力和重力作用,在两种力的作用下得到加速分裂雾化,同时在液体和周围空气的接触面处,由于存在摩擦力也促使形成雾滴。为此,前者称为离心雾化,以离心力起主要作用。后者称为速度雾化,离心力只起给液体加速作用。这两种雾化作用只是在研究雾化基理时有意识分开介绍,实际操作中,两种雾化现象同时存在很难区分。当进料量较小而且转速较低时,以离心雾化为主,采用离心式雾化产生的产品粒度分布要比压力式和气流式都窄一些。
一般情况下,旋转分散盘表面上液滴的形成取决于许多条件,如料液的粘度、表面张力、分散盘上液体的惯性以及液体释放时与空气界面的相互摩擦作用等。分散盘在较低转速的情况下,液体的性质,特别是粘度和表面张力是主要因素。在工业生产中雾化器的转速往往较高,此时的惯性和摩擦作用是形成液滴的主要因素。当料液的粘度和表面张力占主要地位时,液滴会单独形成,并从分散盘边缘释放以产生均匀的雾滴群。因料液的粘度产生较强的内力,而该内力阻止液体在分散盘边缘的破裂,因而需要较大的能量才能获得较高的分散度。较高的表面张力会产生大的颗粒,由分散盘边缘较厚的液膜中产生,低表面张力会使液丝拉长,断裂时产生较小的液滴。对于高粘度、高表面张力料液通常产生球形颗粒,并且通过改变操作条件比较容易控制雾滴直径。离心式雾化器产生的雾群基本在同一水平面上,而不象另外两种雾化器喷出液体时有一定的角度。
离心式雾化基本可以归纳为料液直接分裂成液滴、丝状割裂成液滴和膜状分裂成液滴三种情况。
1.料液直接分裂成液滴
当料液的进料量较少时,料液受离心力作用,迅速向分散盘的边缘移动,分散盘周边上隆起半球状液体环,形状取决于料液的粘度、表面张力、离心力及分散盘的形状和光滑程度。当离心力大于表面张力时,分散盘边缘的球状液滴立即被抛出而分裂雾化,液滴中伴随有少量大液滴。
2.丝状割裂成液滴
当料液流量较大而且转速加快时,半球状料液被拉成许多丝状液体线。流量增加,分散盘周边的液丝数量也在增加。如果达到一定数量后,液丝就会变粗,而液丝的数量不再增加,抛出的液丝也不稳定。液丝运动的波动和不均匀性,在分散盘边缘附近使之断裂,受表面张力的作用收缩成球状。
3.膜状分裂成液滴
当液体的流量继续增加时,液丝数量与丝径都不再增加,液丝间相互粘合形成薄膜。离心力将液膜抛出分散盘周边一定距离后,被分裂成分布较广的液滴。若再进一步提高转速,液膜便向分散盘周边收缩,液膜带变窄。若液体在分散盘表面上的滑动能减到最小,可使液体以高速度喷出,在分散盘周边与空气发生摩擦而分裂雾化。
从上面的分析可以看出,三种雾化机理可能出现在不同的操作阶段,也可能同时出现,但总有一种是主要的雾化形式。以哪一种雾化为主则与分散盘的形状、直径、转速、进料量、料液的表面张力和粘度有关。
(二)雾化器的结构型式
1.气动式
气动式驱动方式主要是在主轴上安装一个透平轮,通过压缩空气驱动透平轮带动主轴转动,以带动雾化分散盘高速旋转。这种雾化器的特点是通过调节压缩空气的压力和气量实现无级变速,几乎没有机械磨损问题。雾化器结构简单,不需要维修,压缩空气的压力在0.2~1.0MPa,主要适用于小型实验装置。
2.机电一体式
机电一体式雾化器采用高速电机直接驱动分散盘,省去了较复杂的机械传动结构,减少了机械磨损,而且输入功率随着处理量的变化而自行调整,因此,能耗是机械传动的50%~60%,比气动式也要节省30%。这种结构是把电机的线圈安装在雾化器的壳体内,分散盘安装在相当于电机的主轴上,通过调节电机的频率以改变主轴的转速,也是无级调节变速。
3.机械传动式
机械传动式有两种结构,一种是齿轮传动,另一种是皮带传动。齿轮传动是电机带动大齿轮,大齿轮与主轴上的小齿轮啮合。齿轮的传动比不同,主轴的转速也不同,这种结构在物料进料量波动时,转速恒定,机械效率较高。但齿轮传动结构会产生热量,齿轮箱需要润滑并用油泵强制循环冷却,设备抗冲击能力较弱。
皮带传动是通过电机带动大皮带轮,再通过皮带带动主轴上的小皮带轮工作。理论上,转速比等于大、小皮带轮直径的反比。皮带传动的优点是传动系统不需要冷却和润滑,抗冲击能力较强。缺点是主轴转速会随进料量的变化有一定波动。
对于大型的机械传动雾化器,因工作环境的关系,必须采用冷却系统以排出雾化器因机械传动和干燥过程传入的热量。目前,冷却方式主要有水冷和气冷。水冷的结构要求有良好的密闭性,通过水泵打循环水。风冷是通过风机进行通风强制冷却。一个口进入冷风,另一个口排出,结构比较简单。
(三)雾化器分散盘的型式
分散盘的高速旋转还产生如下三个作用:
① 分散盘对空气产生的压力;
② 由于分散盘表面与空气之间摩擦而形成的吸引力;
③ 雾化时传给空气的动量。
前面已经提到,离心式雾化器基本原理就是通过动力驱动主轴,主轴带动固定在其上的分散盘高速旋转。分散盘的型式主要有转杯分散盘、多管分散盘、直线翼型分散盘和曲线翼型分散盘。
1.转杯分散盘
转杯分散盘如倒置的杯子,表面光滑,具有锐利的周边。进料管设置在中心处,料液首先落到液体分配器上,使之均匀地沿杯状体向下流动,当到达杯口处,料液受离心力的作用被甩出雾化,这种结构适用于获得较细颗粒的场合。主要由进料管、主轴、液体分配盘和转杯组成。
2.多管分散盘
在分散盘上均匀布置若干个喷管,这些喷管多以耐磨材料制成,可以在分散盘转速不高时获得较大的线速度。孔径的大小和伸出的长短可以控制产品的粒度,目前在食品干燥中被广泛采用。
3.直线翼型分散盘
直线翼型分散盘是在分散盘周向均匀分布若干个液体通道,通道口中心线是以分散盘为中心的放射线形状,通道有圆形、方形和长圆形。这种分散盘的加工费用较低,料液不易堵塞通道,但通道内有时能进入空气。
为了降低加工难度,常把分散盘分体加工后再进行组装,在盘盖和分散盘间形成许多直线通道,喷雾时周边影响小。这种结构比较合理,料液的滑动根据液膜在盘面上的运动速度而定。离盘中心较近的地方运动速度不大,因此滑动也不大。在离轴中心一定距离设置通道,目的是防止料液滑动,增加润湿面的周边,使薄膜沿通道垂直移动。这种结构可以在不改变分散盘直径的情况下,通过改变通道的截面积提高处理量,而产生的雾距基本相同。有研究表明,通道的截面积越小,产生的雾滴越小,反之雾滴就大。
4.曲线翼分散盘
曲线翼型分散盘的基本结构与直线翼型基本相同,不同的是曲线翼型的通道是曲线的沟槽,在这种分散盘中,又分为高曲线型、低曲线型和双曲线型等多种。与直线翼型相比,加工费用略高一些,但产品的堆密度约比前者高7%~10%。
选择离心式喷雾干燥器时选择雾化器的型式对干燥效果有非常密切的关系,前面已经介绍了雾化器的性能差异,旨在为选择时提供参考。离心喷雾干燥器工艺流程图2-31。

图2-31离心喷雾干燥器工艺流程图
1—空气过滤器 ;2—加热器 ;3—热风分配器 ;4—干燥室 ;5—过滤器 ;6—送料泵 ;7—离心雾化器 ;8—旋风分离器 ;9—引风机 ;10—料槽
三、气流式喷雾干燥
气流式喷雾干燥也是几种典型的喷雾干燥型式之一,是以气流式雾化器(喷嘴)而得名。该喷雾干燥器的性能以及干燥器主体形状主要是由气流式雾化器的特点决定的,主要应用在要求产品粒度较细,如医药等行业。气流式喷雾干燥器直径较小(与其它两种干燥器相比),特别对一些粘度较高而有触变性的物料更合适。气液两相的接触也比较灵活,并流、混流、逆流均可以操作。但由于气流式雾化器的雾距较长,如果采用上喷下并流操作时干燥器的高度要适当加长,以保证雾滴有足够的停留时间。通常气流式雾化器消耗的动力要高于其它二种,一般是另两种的6~8倍。但由于它可以雾化较高粘度的料液,是其它型式雾化器所不及的,还可以处理较高含固率的料液,降低了干燥能耗,在某种程度上弥补了它的缺点,使这种最早出现的机型到目前仍在工业化中大量使用。
(一)气流式雾化器
1.气流式雾化器的工作原理
气流式雾化器的工作原理是利用高速气流使液膜产生分裂,高速气流可以采用压缩空气,也可以采用蒸汽,使用蒸汽要比压缩空气经济。使用蒸汽受物料耐热温度等限制,所以只有当物料的耐热温度允许的情况下才可以使用。当压缩空气或蒸汽以很高的环隙速度(一般在200m/s左右,有时甚至达到超声速)从雾化器喷出时,料液的流速很低,因此两者存在着很大的相对速度差,使气液之间产生摩擦力和剪切力,液体在瞬间被拉成一条条细长的丝,接着这些液丝在较细处很快断裂而形成微小的雾滴。丝状体的存在时间取决于气液间的相对速度和料液的物理性质。相对速度越高,产生的液丝愈细,存在时间就愈短,喷雾的分散度也愈高。如果料液的粘度愈大,丝状体存在的时间就增长。为此,当以气流式喷雾干燥处理某些高粘度料液时,所得到的产品往往是粉状或絮状,絮状产品就是产生液丝直接干燥得到的。
2.气流式雾化器的基本结构
气流式雾化器也有许多结构形式,但不论怎样变化,基本结构是不变的。也就是说,雾化器主要是由进气管、进料管、调节部件以及气体分散器组成。在雾化器中,调节部件主要是调节气管端面与料管端面的相对位置,以调节气液两相的混合状态。气体分散器是对进入气管的气体进行均匀分布,以保证在气管出口处均匀射出。另外,气体还可以通过气体分散器调整流向,可以使气体产生旋转,以强化料液的分散效果和干燥过程。
气流式雾化器按气液混合方式可以分为内部混合式(简称内混式)和外部混合式(简称外混式)两种。内混式就是料液与气体在雾化器内进行混合,雾化过程不仅有气体的摩擦力,在雾化器内部还产生撞击的分散作用,所以比外混式更节省能量。但因料液在雾化器内部就开始分散,如果操作温度较高时,雾化器很容易被未干的粉末形成的固块堵塞,所以在干燥操作中应谨慎使用。外混式气流雾化器其区别是料液与雾化气体在喷出后再进行接触而使料液分散,这种操作比较稳定。
气流式雾化器如果按气液进入雾化器的通道数又可分为二流式、三流式以及四流式等。二流式是一气一液式,即外管走气体,内管走液体。三流式为二气一液式,内管和外管走气体,中间走液体,理论上三流式雾化器所得到的粒度比二流式小约15%左右。此外还有四流式,四流式与三流式基本相同,只是在最里层又增加了气流管,这个气管走高温热气流,目的是把热量引入到雾焰中心处,以强化传热过程。但这种结构使用不多,工业上使用最多的是外混式两流雾化器。
气流喷雾干燥的特点是结构简单、加工方便、操作弹性大、易于调节。但在安装时要注意雾化器与干燥器的同心度,否则会出现粘壁等现象。气流式喷雾干燥器工艺流程见图2-32。

图2-32气流式喷雾干燥器工艺流程图
1—加热器 ;2—干燥器 ;3—旋风分离器 ;4—布袋除尘器 ;5—出料阀 ;6—风门 ;7—引风机 ;8—消音器
四、压力式喷雾干燥器
压力式喷雾干燥器(因设备高大而呈塔形,又称喷雾干燥塔)在生产中使用最为普遍。压力式喷雾干燥器的产品成微粒状,一般平均粒度可以达到150~200 m左右。产品有良好的流动性、润湿性等应用性能,所以深受用户的欢迎。
压力式喷雾干燥主要是由压力式雾化器的工作原理所决定的,使这一干燥系统有自己的特点。由于压力式喷雾干燥所得产品是微粒状,不论是雾滴还是产品的粒径都比其它二种型式大,造成了雾滴干燥时间比较长。另外,喷出的雾化角也较小,一般在20°~70°之间,所以干燥器的外形也以高塔形为主,这样才能使雾滴有足够的停留时间。给料液施加一定的压力,通过雾化器雾化,所以系统中要有高压泵。另外,因雾化器孔径很小,为防杂物堵塞雾化器孔道,一定要在料液进入高压泵前进行过滤。采用压力式喷雾干燥,多以获得颗粒状产品为目的,因此,经压力式喷雾干燥的最终产品都有其独特的应用性能。
压力式喷雾干燥器工艺流程见图2-33。

图2-33压力式喷雾干燥器工艺流程图
1—过滤器 ;2—高压泵 ;3—稳压器 ;4—加热器 ;5—空气过滤器 ;6—干燥器 ;7—布袋除尘器 ;8—引风机
压力式雾化器(有些专著中称压力式喷嘴)是压力式喷雾干燥器的重要部件,压力式雾化器在有些文献中也称单流体雾化器或机械式雾化器。雾化机理是液体在高压泵的压力下从雾化器的切向通道高速进入旋转室,使液体在旋转室内产生高速旋转运动。根据旋转动量矩守恒定律,旋转速度与旋转室的半径成反比,因此越靠近轴心处旋转速度愈大,静压力也愈小。当旋转速度达到某一值时,雾化器中心处的压力等于大气压力时,喷出的液体就形成了绕空气心旋转的锥形环状液膜。随着液膜的延长,空气的剧烈扰动所形成的波不断发展,液膜分裂成细线。并受湍流径向分速度和周围空气相对速度的影响,最后导致液膜破裂成丝。液丝断裂后受表面张力的作用,最后形成由无数雾滴组成的雾群,水分蒸发后形成微粒状产品。
多年来,国内外许多干燥专家对压力式雾化器的结构进行了大量的研究工作,目前也开发出许多结构形式。压力式雾化器的共同特点是使液体在高压下进入雾化器进行高速旋转,获得足够的离心力后从雾化器孔喷出。因其结构较多,为设计和使用方便,又把压力式雾化器分为旋转压力式和离心压力式两大类,这两类雾化器都能使液体在雾化器内部产生旋转,只是产生旋转的结构不同。
压力式喷雾干燥也有自身的缺点:
①在生产过程中流量无法调节。流量的决定因素主要取决于雾化器出口的孔径和操作压力,而操作压力的改变会影响产品的粒度,因此,如果想改变流量,只有更换雾化器孔径或调节操作压力;
②压力式喷雾干燥不适用于处理带有纤维状或颗粒状物料,这些物料易堵塞雾化器孔道;
③不适于处理高粘度物料或有固液相分界面的悬浮液,它会造成产品含量的严重不均;
④与其它二种型式相比,压力式喷雾干燥的体积蒸发强度较低。
在相关内容中已介绍了喷雾干燥生产的生品,但这里提到的是压力式喷雾干燥造粒技术已用于下列产品。
化工类:催化剂、树脂、合成洗衣粉、油脂类、硫酸铵、染料、染料中间体、白炭黑、石墨、硫酸铵、农药、氟化钾、增白剂CXT。
食品类:氨基酸、调味料、蛋白质、淀粉、乳制品、咖啡提取油、全脂奶粉、胳朊、可可奶粉、乳粉、蛋清(黄)、燕麦、鸡汁、速溶茶、调味香料肉、蛋白质、大豆、花生蛋白、玉米浆、玉米淀粉、葡萄糖、果胶、麦芽糖、山梨酸钾、南瓜粉。鱼粉、肉精。
药品类:中成药、抗生素、中药冲剂、中药浸膏、药胶、酵母、维生素、抗生素、淀粉酶、脂肪酶。
陶瓷类:氧化镁、瓷土、各种金属氧化物、白云石、高岭土、氧化铝、滑石。
塑料类:ABS乳液、尿醛树脂、密胶(脲)甲醛树脂、聚乙烯、聚氯乙烯。

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