喷雾干燥热风分布器的设计原则

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1、喷雾干燥热风分布器的设计原则王宗濂,韩磊,唐金鑫,黄春明(中国林业院林产化工研究所，中国南京210042)摘要：喷雾干燥装置中的热风分布器与干燥的传热传质密切相关。指出，干燥的传热传质系数与Re数有关并呈0.8次方关系。文中列出了工业中常见的三种不正确的分布形式，并提出三条设计热风分布器的原则。关键词：喷雾干燥；热风；分布器由于喷雾干燥具有流程简短、可处理热敏性物料、易大型化等优越性，已经在许多领域得到应用。改革开放以后，我国出现了一大批专业化的干燥设备企业。近十年内喷雾干燥技术已取得了长足进步，产品质量已可与世界著名厂商相媲美，不仅满足了国内

2、轻化工、环保行业的需要，而且已向国外市场拓展。长期以来，对喷雾干燥装置的注意，一般着力于：⑴雾化器（机）的选择；⑵足够风量和热量的配置；⑶粉末回收及排放。王喜忠等指出：“一个成功的喷雾干燥器的设计，应包括与雾化器相适应的热风进出口的方式和热风分布装置”[1]。K.Master’s也提到在干燥塔内水分蒸发速率随着雾滴与热风的相对速度增加而增加[2]。唐金鑫等在热风分布器设计要求中，提出三条重要的原则[3]，都强调了热风分布对喷雾干燥的重要性。在随后出现的装置中，发现大多数企业仍然没有给予足够的重视，只是从结构上做到“形似”而实质仍未掌握，以致出现

3、以下情况：⑴在塔内同一截面上温度差较大，导致物料局部粘壁；⑵由于气液两相接触不合理，使干燥强度大为下降，于是干燥塔的体积越做越大；⑶在一台比原设计处理量大为减小的干燥塔中，未注意热风分布的流速范围，降低了干燥强度，物料仍然大量粘壁；⑷热效率很低，出塔风温难以下降。因此，我们认为热风分布器的设计正确与否，直接影响到干燥系统运行的成败。本文拟在以前知识的基础上，提出气液两相接触的合理方式，以求对热风分布器设计有正确的分析和指导。————————————————————作者简介：王宗濂，男，研究员。1理论依据K.Masters[2]提出在有相对速度下

4、雾滴的蒸发存在以下关系式：传质Sh=2+K1RexScy（1）传热Nu=2+K2ReX’Pry’（2）式中：谢伍德数Sh=KgD/Dv，努塞特数Nu=hcD/Kd，施密特数Sc=μa/Dvρa，普朗特数Pr=Cpμa/Kd，雷诺数Re=Dvρa/μa。D为液滴直径，ρa为干燥介质密度，μa为粘度，Cp为定压比热容，Kd为液滴周围气态膜的平均热传导率，hc为对流热传导系数，Kg为传质系数，Dv为扩散系数。（1）、（2）式中的x，y，x’，y’和K1，K2尚有争论，多数人趋向于：x=x’=0.5（3）y=y’=0.33（4）式（3）中的x为平均值，

5、随Re增加而增加；Re由1增至104时，x从0.4增加到0.6。遗憾的是式（1）～（4）的试验范围其Re值均不超过1000。但从中已经可以看出，干燥的传质和传热系数随Re的增大而增大，即假设干燥介质和被干燥物料的性质不变时，Re起着重要的影响。而对Re起直接影响的，可认为是相对速度v。在传统的液体无相变对流传热系数计算中，普遍应用Dittus和Boelter关联式[4],Nu=0.023Re0.8Pr0.4（5）或（6）α—给热系数；λ—液体热导率；d—粒径；v—气液相对流速；μ—液体动力粘度；Cp—定压比热容；ρ—液体密度。式中的Re值≥10

6、000，　0.7＜Pr＜120。式（1）与式(5)相比较可以看出，Re数湍流层范围内的幂值增加可以从0.4提高到0.8。这就可以理解K.Master’s等强调的“水份蒸发率随雾滴与空气的相对速度增加而增加”了。在Re值处于湍流范围时，大约呈0.8次方关系。2常见的热风分布器的性能比较在喷雾干燥所选用的热风分布器形式中，曾经出现过以下形式：（1）平均地自塔顶天花板分布向下流这种形式认为只要均匀地进风，有足够的热量就能达到干燥的目的，干燥塔的空塔速率只有0.5～0.8m/s,即使塔顶缩小，出口风速也只有10m/s，大体处于层流状态。热风与雾化液滴没

7、有直接的联系。这种形式不仅国内有，在许多进口装置中也有。其结果是塔体庞大，效率降低。（2）为了防止粘壁，将热风分为2股或3股设计者认为只要在塔壁上有热风流动，就可以防止未干液滴撞壁而出现粘壁现象。实际上，边缘热风流速是不可能大的，而且液滴达到塔壁上的流速也不会太大，因此这两股流体的相对速度是非常低的，故而难以实现快速干燥，粘壁仍会出现。塔壁的热风形同虚设，或者作用不大。著名的MD型塔采用了冷风吹塔，对保证物料质量有利。实际上，这时液滴已经完成“恒速段”干燥（至少颗粒表面已经干燥），这与粘壁并无直接的联系[5]。当然粘壁的形式还要联系到雾化机的喷

8、距、干燥塔的设计以及物料的玻璃态转变温度等。这些问题已在[1]中有详细的介绍。将热风分散处理会减少中央区的热风量，从而降低流速，导致热风的利用率降低。