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(jiàn)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：噴霧干燥機(jī)；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(kāi)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、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(lái)，對(duì)噴霧干燥裝置的注意，一般著力于：
⑴ 霧化器（機(jī)）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(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(méi)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：
⑴ 在塔內(nèi)同一截面上溫度差較大，導(dǎo)致物料局部粘壁；
⑵ 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；
⑶ 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；
⑷ 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+K1RexScy　　　　　　　　　　　　　?。?）
　　 傳熱　　　　　　　　　 Nu=2+K2ReX’Pry’　　　　　　　　　　　　　（2）
式中：謝伍德數(shù)Sh =KgD/Dv，努塞特?cái)?shù)Nu =hcD/Kd，施密特?cái)?shù)Sc =μa/Dvρa，普朗特?cái)?shù)Pr =Cpμa/Kd，雷諾數(shù)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)，Kg為傳質(zhì)系數(shù)，Dv為擴(kuò)散系數(shù)。
（1）、（2）式中的x，y，x’，y’和K1，K2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(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(wú)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[4],
Nu=0.023Re0.8Pr0.4　　　　　　　　　　　　 （5）
或　　　　　　　　　　　　　　　　　 （6）
α—給熱系數(shù)；
λ—液體熱導(dǎo)率；
d—粒徑；
v—氣液相對(duì)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(shù)湍流層范圍內(nèi)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(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(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(xiàn)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(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0.5～0.8m/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(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(wú)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(wèn)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(kāi)霧化器出口時(shí)的流速是^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^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?，就?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
⑴ 使氣液兩相接觸，混合良好，首先應(yīng)當(dāng)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(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)。② 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。
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(yīng)利用湍流階段的優(yōu)勢(shì)，縮短干燥時(shí)間。
⑶ 當(dāng)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(yīng)考慮“系統(tǒng)內(nèi)的阻力降”，氣速選擇要慎重。
5 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)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（或體積），對(duì)用戶不利。
當(dāng)熱風(fēng)分布器和霧化器合理配置時(shí)，干燥塔的體積應(yīng)當(dāng)有一個(gè)合理的范圍，不會(huì)相差很大。大的不一定好。隨著科技的進(jìn)步和各種強(qiáng)化措施的應(yīng)用，干燥塔勢(shì)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(shè)計(jì)中，選型要根據(jù)各種物料的特性，綜合各種參數(shù)，以期獲得一個(gè)系統(tǒng)的^佳狀態(tài)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王喜忠，等.現(xiàn)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(yīng)用[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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.