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0519-88812792一、前言
(一)噴霧幹燥技(jì)術簡介
出於不同的需要,噴霧幹燥器也有許多分類方法,如(rú)按(àn)氣(qì)液流向分有並流式(順流(liú)式)、逆流式和混流式;按(àn)霧化器的安裝方式分有上噴下式、下噴上式;按係統分有開放式,部(bù)分循環式(shì)和密閉式等(děng)等。眾所周知,噴霧幹燥的霧分器有多種,但按其霧化(huà)基(jī)理(lǐ),霧化器分為離心式、壓力式和氣流式(shì)三種。習慣上,人們(men)對噴(pēn)霧(wù)幹(gàn)燥器按霧化方式進行分類,也就(jiù)是按霧化器的結(jié)構分類。將噴霧幹燥分為轉盤式(離心式)、壓力(lì)式(機械式)、氣流式等三(sān)種型式。大量使用噴霧幹燥器(qì)是近二十年的事,我國最早工業化的應是氣流式噴霧幹(gàn)燥器。但隨著(zhe)離心式、壓力式(shì)噴(pēn)霧幹燥器的成功開發,氣流式噴(pēn)霧幹燥器能量消耗大的缺點就顯現出來(霧化器消耗的能(néng)量是另兩種的4~8倍)。最近幾(jǐ)年,這種(zhǒng)機(jī)型在大工業生產中逐漸被其它兩種機型所取代,但(dàn)由於製藥(yào)行業(yè)的(de)特殊需要(yào)仍在使用。離心(xīn)式噴霧幹(gàn)燥(zào)器的高速霧化器是關鍵設備,放大(dà)問題具(jù)有很高的(de)技(jì)術要(yào)求,我國目前不但具備生(shēng)產氣流、機械及機電一體的離心霧化器的能力,而且可以達到每小時處理量45t水。在杭州、西寧、無錫、靖(jìng)江等地(dì)有專業的霧化器製造廠。目前離心式噴霧幹燥器從每小時處(chù)理量幾(jǐ)千克到幾十噸已經形成了係列(liè)化機型。生產製造技(jì)術基本(běn)成(chéng)熟。壓力式噴霧幹燥(zào)器所得產品為微粒狀,在合成洗(xǐ)滌(dí)劑、染料、水處理劑(jì)等方麵都有大量應用。目前,我國自行設計製造(zào)的(de)壓力式噴霧幹(gàn)燥器直徑可達8m,總高達50多米,蒸發(fā)能(néng)力達每(měi)小時(shí)幾噸水之多。
目前,在眾多的幹燥設備(bèi)中,噴霧幹燥器是產值較高的幹燥器之(zhī)一,每(měi)台套從幾十萬到幾百萬之間。在(zài)溫州、上海、無錫、江陰、西(xī)寧等地有(yǒu)多家噴霧幹燥器的專業製造廠,每年向用戶提供上百套(tào)噴霧幹燥設備(bèi)。從研究方(fāng)麵,每次全國幹燥會的學術論文中,噴霧幹燥技術的研究內容(róng)占各機(jī)型之首,理論的不完善性和應用的廣泛性始終吸引著大批研究(jiū)人員的目光。
丹麥Niro公司開發的離心霧化器以高精度、高轉速和節能著稱,不(bú)僅可(kě)達到均勻和(hé)可控粒度的霧化,而且(qiě)最大的單機處理能力(lì)已(yǐ)達到200t/h。這為大型噴(pēn)霧幹燥器(qì)的發展提供了強有力的(de)霧化手(shǒu)段。Anhydro公司(sī)的離心霧化器采用皮帶傳(chuán)動並改進(jìn)了潤滑係統,也取得很好的效果。這些成就是(shì)離心霧化的應用迅速增長(zhǎng)的重(chóng)要原因之一。我國已開發到(dào)每小時蒸發幾十噸,與國外水平仍有不小的差距(jù)。
噴(pēn)霧幹燥器是處理溶液、懸浮液或(huò)泥漿狀物料的幹燥設備。它是用噴霧的方法,使物料成為霧滴分散(sàn)在熱空氣中,物料與熱空氣呈並流、逆流或混流的方(fāng)式互相接觸,使水分迅速蒸發,達到幹燥目的。采用這種幹燥方法(fǎ),可以省去濃縮、過濾、粉碎等單元操(cāo)作,可以獲得30~500μm的粒狀產品。而幹燥時間極短,一般幹燥(zào)時間為5~30s。適用於高熱敏性(xìng)物(wù)料和料液濃縮過程中易分散的物料的幹燥,產品(pǐn)流動性和速溶性好。
噴霧幹燥(zào)器中氣固兩相接觸表麵積大,但是氣固兩相呈稀(xī)相流動,故容積傳熱係(xì)數小,一般為20~100kcal/m3•h•℃,熱空(kōng)氣(qì)進口(kǒu)溫度在並流(liú)操作時為250~500℃,逆流操作時為200~300℃。工業規模的噴霧幹燥器,熱效率(lǜ)一般為30~50%。國外帶有廢熱回(huí)收的噴霧幹燥,熱效率可達到(dào)70%,但這種設備隻有在大於100kg(水)/h的生產能力時才有經濟意義。
噴霧幹燥的基本(běn)流(liú)程如下,料液通過霧化器,噴成霧滴分散在熱氣流中。空氣經鼓風機送入空氣加熱(rè)器加熱,然後進入噴霧幹燥器,與霧滴接觸幹燥。產品部分落入塔底,部分由一級引風機吸入一級旋風分離器(qì),經分離後,將尾氣放空。塔底的產(chǎn)品和旋風分離器收集的產品(pǐn),由二級抽風機抽出,經二級旋(xuán)風分離器分離後包裝(zhuāng)。
噴霧幹燥的產品為細粒子,為了適應環境保護的要求(qiú),噴霧幹燥係統隻(zhī)用(yòng)旋風分離器分離產品、淨化尾氣還是不夠的,一般還要用袋式除塵器淨化(huà)。使尾氣中的含塵量低於50mg/Nm3氣(qì)體,或用濕(shī)式洗滌器,可將尾氣含塵量降到15~35mg/Nm3氣體。
(二)噴霧幹燥技術進展
噴霧幹燥因其可直接(jiē)由溶液或(huò)懸浮體製得成分均勻的粉狀產品的特殊優點,目前在化工(gōng)、輕工、食品等工業中仍有廣泛的應用,化學工業中以染料行(háng)業應用最為普遍。經過近年來廣大工程技術人員的努力,噴霧幹燥(zào)技術(shù)已比較成熟(shú),塔尺寸的確定也有(yǒu)成功的計算方法。采用的霧化器仍然是壓力(lì)式、離心式和氣流式三種,但近幾年來離(lí)心(xīn)噴霧幹燥(zào)器的應用呈上(shàng)升(shēng)趨(qū)勢。對於真溶液噴霧幹燥(zào),值得注意的是,不同(tóng)親(qīn)水性溶質(zhì)要(yào)求的幹燥介質溫度(dù)不同。如無機鹽類(lèi)強親水性物(wù)質,其水溶(róng)液蒸發脫(tuō)水(shuǐ)主要在溶液沸點下進行,出塔氣(qì)體溫度低於(yú)130℃就難以操作。我國雖(suī)然和國外相比還有明顯(xiǎn)的差距,但噴(pēn)霧(wù)幹燥裝置(zhì)的製造和操作水平也都有較大幅度的提高。近20年來噴霧幹(gàn)燥(zào)技術和設備的改進和革新主要有以下幾個(gè)方麵(miàn):
(1)解決粘壁(bì)問題
粘壁現象迄(qì)今仍然是妨礙噴霧幹燥器(qì)正常操作的一個突出問題。一般說來,增大直徑可以減輕粘(zhān)壁;但為(wéi)此目的而采用非常大的設備直徑(jìng)顯然也不經濟。國外專家研究了幹燥過程中的粘壁和結塊問題,認為造成粘(zhān)壁的主要宏觀因素是壁溫。在關於橙汁噴霧幹燥的專利中提出(chū)的解決辦法是使塔壁冷卻至已(yǐ)幹產品的溫(wēn)度以下,並在進料液中加入助幹劑。Masters提出了防止粘壁的三種可能途徑:
①采用夾壁幹燥塔,其間用空氣冷卻,使壁溫保持在50℃以下,粘結性特別強的物料宜采用平底塔;
②通過塔壁旋氣片切向引入二次空氣冷卻塔壁;
③塔內近壁處安裝由一排噴嘴組成的氣掃帚,並使之沿壁緩慢轉動。
顯然,這些措施試圖達到的基本效果是相同的,即冷卻塔壁。這些方法在(zài)中(zhōng)藥浸膏的幹燥中已經應用了,有一(yī)定效(xiào)果(guǒ)。另外,塔內壁拋光也可以減輕粘壁。
(2)改善產品物性
科(kē)學技術發展和生活水平的提高對噴霧幹燥產品的物理性質提出了越來越高(gāo)的要求。例如,有的要求堆密度特別大(dà)(≥1.0)或特別小(≤0.6),一些有複水性的粉體(tǐ)如食品、中藥衝劑等(děng)則往往要求(qiú)速溶性。一般說來,改變霧化的分散度以及(jí)適當改(gǎi)變操作條件以控製幹燥速率,可以(yǐ)製得具有不同堆密度的產品,但變化的幅度是有限的(de)。在改善物性方麵值得一提的是泡沫噴霧幹(gàn)燥,即將進料(liào)液體先泡(pào)沫化後(hòu)再行噴霧幹(gàn)燥。該方法(fǎ)最初是為提高熱效(xiào)率而提(tí)出的,後來(lái)用以調整產品的物性。現已(yǐ)證(zhèng)明,泡沫噴(pēn)霧幹(gàn)燥(zào)製得的奶粉等產品(pǐn)粒徑大、多孔、多凹陷(xiàn)、表麵粗糙,具有良好的速溶(róng)性。80年代以來,該技術已(yǐ)用(yòng)於工業生產。
(3)開發多目標過程
把噴霧幹燥與其它單元過程結合方麵,已成功地開發應用(yòng)的(de)主要有兩類。一類是噴霧幹燥-反(fǎn)應過程,人們熟知的噴霧幹燥-聚合一步法製取三聚磷酸(suān)鈉就是典型實例之一。但從能(néng)耗的(de)觀點來看,它不是一個成功的例子,單位產品能耗比二步法(fǎ)高。看來,要(yào)經濟(jì)地實現這種結合,必要(yào)的條件之一是幹燥和(hé)反應要求的物(wù)料溫度基本相同或(huò)相近。另一類已(yǐ)開發(fā),並較成(chéng)功地(dì)應用的多目標過程是噴霧(wù)造粒(lì)-幹燥,即把溶液或懸浮液在細粒物料上噴霧塗布造粒(lì)與顆粒的幹燥結合(hé)起來。顆粒的幹燥通常在流化床中進(jìn)行(也有的采用轉鼓),根(gēn)據粒度要求不同,溶液霧化器可置於顆粒床層的內部或上方。噴霧造粒(lì)-幹(gàn)燥技術(shù)出現和應用都比較早,並已做(zuò)過大量的基礎研究。由於有許多產品,如肥料、染(rǎn)料等,製成顆粒狀對貯存、運(yùn)輸和使用都更為有利,這些年來對這類技術的興趣正在增長。根據(jù)已掌握的技術,床層直(zhí)徑在1m以內的(de)裝置設計和操(cāo)作都容易解(jiě)決,但對很大的裝置,看來放大問題還需要進一步研究。
(4)開發組(zǔ)合幹(gàn)燥裝置(zhì)
能從液體直接幹燥成粉體(tǐ),這是噴霧幹燥的最大(dà)優點(diǎn)。但(dàn)噴(pēn)霧幹燥熱(rè)效率低、體積龐大、生(shēng)產能力低(dī)、投資高也是最大缺點(diǎn),近年來,中外(wài)幹燥專家對以噴霧幹(gàn)燥為第一級的多級組合幹燥(zào)進行了大量的研究。利用它將液體幹燥成固體後再進入(rù)下一級幹燥器(qì)進一步幹燥(zào)。這(zhè)樣(yàng)克服了噴霧幹燥器的(de)缺點,有關這(zhè)方麵的情況將在後麵的內容中介紹。
(三)三種噴霧(wù)幹燥裝置簡介
1.氣流式噴霧幹燥器
由於氣流式霧化器的動力(壓縮空氣)消耗比壓力式和旋轉式大(dà),故一般用於幹燥小(xiǎo)批量的產品。氣(qì)流式噴嘴能很方(fāng)便地產生(shēng)極細的(de)或較大(dà)的霧滴,霧化器用壓力為0.2~0.5Mpa的壓縮空氣或過熱蒸汽,通過噴嘴將(jiāng)料(liào)液噴成霧滴,是實驗室或中間工廠的一種較為理想的幹燥(zào)設備。對非(fēi)牛頓型料液的霧化,氣流式優於其他(tā)型式。三流體霧化器(qì)用於霧化高粘度的糊狀物或濾餅等非常有效。
我國的噴霧幹燥始於氣流式,對於氣流式噴嘴(zuǐ)的設計、製造和操作積累了較豐富的經驗。
2.壓力式霧幹燥器
由於顆粒狀產品如速溶奶粉、空心顆粒染料、球狀催化劑、白炭黑、顆粒狀鐵氧體等需要量(liàng)日益增多,促使壓力(lì)式噴霧幹(gàn)燥裝置也隨之發展。我國已設計、製造出多台各種規格的壓力噴霧幹燥裝置,現已掌握了此種型式的設計、製造和操作技術。壓(yā)力式霧(wù)化是用高壓泵將(jiāng)料液加壓到2~20Mpa,送入霧化器將料(liào)液噴成霧狀。小時(shí)噴霧量可達幾噸至十幾噸(dūn),能夠滿足各行業的需要。在工業生(shēng)產上,一個(gè)塔內可裝入幾個乃至十幾(jǐ)個噴嘴,可保持與實驗條件完全相符,基本上不存在放大問題。
3.離心式(shì)噴霧幹燥器
離心式噴霧幹燥器(qì)是依靠霧化盤的(de)高速旋轉產生的離心力,離心式霧化器其回轉速度一般為4000~20000r/min,最高可(kě)達50000r/min。將料液水平甩(shuǎi)出而霧化,故此種霧化器的噴霧幹燥(zào)器外形為短而粗(L/D=1.5~2,L為塔高(gāo),D為塔徑),旋轉盤的(de)圓周速度是霧化好壞的主要參數,設計的圓周(zhōu)速(sù)度為90~160m/s。
霧(wù)化盤除了直接加工成圓形孔(kǒng)和矩形通道外,為(wéi)了抗磨損,將(jiāng)通道襯上耐磨材料,如陶(táo)瓷、硬質合金等。對大噴霧量(每小時幾噸至百噸)的工業噴霧幹燥,如火力發電廠的(de)煙道氣脫硫等,可采用旋轉霧化器,通常隻需要一個霧化器便可完成。
(四(sì))噴霧幹燥的工業產品
1.聚合(hé)物和樹脂製品
丙(bǐng)烯(xī)腈丁二烯樹(shù)脂、丙烯腈丁二(èr)烯苯乙烯樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、聚甲醛、苯(běn)酚甲醛樹脂、聚丙烯酸(suān)脂、聚丙烯腈、聚碳酸脂、聚乙烯、聚醛、聚丙烯(xī)、聚苯(běn)乙烯、聚乙烯醇縮(乙)醛、聚乙烯醇、聚乙烯醇丁酸鹽(yán)、聚乙(yǐ)烯醇縮丁(dīng)醛、聚(jù)氯乙烯乳劑、聚氯乙烯懸浮膠體、浸漬纖維素(sù)、苯乙烯丙烯腈樹脂、苯乙烯丁二烯樹脂、尿素甲醛(quán)樹脂、聚氯乙烯醋酸脂、聚乙烯醇。
2.催化(huà)劑的(de)幹燥
如丙烯腈催化(huà)劑、輕油轉(zhuǎn)化催化劑、中(zhōng)溫變換催化劑(jì)、高壓甲醇催化劑及低壓(yā)甲醇催化劑等(děng)。
3.染料、顏料、色(sè)料(liào)
堿性染料、硫(liú)化鎘、陶瓷色、鉻黃(huáng)、氧化銅、快速染料、食品色(sè)、靛藍染料、氧化鐵、高嶺土、鋅鋇白、米洛麗蘭、有機顏料、油(yóu)漆、酞菁、二(èr)氧化鈦、水彩、鉻酸(suān)鋅、鉻酸鋅鉀、鉻酸四氧化鋅、活性翠藍、哢嘰綠B、增白劑。
4.陶瓷製品、玻璃、瓷器(qì)
氧化鋁、皂土、氧化鈹、電石(shí)、碳化矽(guī)、水泥、電瓷、搪瓷、鐵氧(yǎng)體、地磚材料、玻璃砂、砂輪材料、絕緣材料、氧化(huà)鐵、高(gāo)嶺土、砂、氧化矽、火花(huā)塞材料、皂石(shí)、鈦酸鹽、碳化鎢、氧(yǎng)化鈾、牆磚材料、氧化鋅、矽(guī)化鋯。
5.碳水化合物類似產品
玉蜀黍酒、葡萄糖、阿拉(lā)伯樹膠、乳糖、果(guǒ)糖、山梨糖醇、澱粉、全糖、小麥麵粉。
6.除莠劑、殺真菌劑、殺蟲藥
砷酸鈣、氯氧化銅、氧化亞銅、2,4-二氯-苯氧醋酸、2,4-二(èr)氯-苯氧丙酸單甲胺(àn)鹽、二氯-苯氧(yǎng)丙酸、二氯-丙酸鈉(nà)鹽、砷酸鉛、甲基-氯-苯氧醋酸、甲基-氯-苯氧醋酸鈉鹽、甲基-氯-苯氧丁酸鈉鹽、甲基-氯-苯氧丙酸、鈉-鋁-氟化物、鈉-甲基-砷酸鹽、鈉-五-氯酚醛、硫化膠體(tǐ)、鋅-二乙基-連二硫氨(ān)基甲酸酯(zhǐ)、鋅-二甲基-連二硫氨基甲酸酯、除草劑(jì)、殺蟲劑、殺菌劑。
7.奶製品和蛋類
嬰兒食品、酸奶、酪蛋白、酪朊酸鹽、乳酪、白糖椰子汁、鮮奶油、蛋類:蛋清、蛋黃、全蛋、冰淇淋混合物(wù)、奶代用品、混合乳製品、脫脂乳、乳清、乳清(qīng)母液、全脂(zhī)奶。
8.食品和食品提煉品
洋薊(jì)、蛋糕混合物、菊花茶(chá)、椰子混合物、咖啡(fēi)精、代咖啡精、去咖啡因的咖啡精、含脂麵粉混合物、調(diào)味品、有攙入物的果汁、蒜、薔薇(wēi)果(guǒ)汁、甘草流膏、麥精、牛(niú)奶咖啡混合物、西(xī)班齒甘椒、植物蛋白、水解蛋白質、粗製凝乳酶、湯混合物、茶精、西紅柿、菌絲體維生素(sù)B12、煙酸、蛋白酶、水解蛋白、山梨(lí)糖醇、纈草、可溶性魚粉、魚漿、魚蛋白質。
9.藥品和生化製品
氫氧氯化鋁(lǚ)、硫酸鋁蔗糖(táng)酯、鏈黴素硫酸鹽(yán)、維生素A、維生素E、璜胺噻(sāi)唑、四環素、氨苄青黴素、蘆丁衍生物、阿摩(mó)西(xī)林、氧四環素、青黴素、安比西林、澱粉酶、阿司匹林(lín)、血清、乳(rǔ)酸鈣、泛酸鈣、琥氯黴素、右(yòu)旋糖(táng)酐、氟鄰氯青黴素、瀉鼠李皮、荷爾(ěr)蒙、右旋糖(táng)酐鐵、葡聚糖鐵、甘草、肝精、左旋賴氨酸、氫氧化鎂(měi)、維生素、抗菌素(sù)、酶、糊精、肝精、培養基(jī)及中草藥植(zhí)物抽(chōu)取液。
10.屠宰場(chǎng)的副產品、血和魚製品(pǐn)
動物蛋白、動物血、深色白蛋白、淺色(sè)白蛋(dàn)白、腦、魚白蛋白(bái)、魚(yú)粉(fěn)、魚漿、魚露、膠與(yǔ)水解膠、肝、鯨露
11.洗滌劑和表麵活性劑
烷基-仿基(jī)璜酸鹽、洗滌酶、分散劑、乳化劑、脂肪硫酸乙醇、重洗滌劑(jì)、輕洗滌劑、鄰磷酸鉀和鄰磷酸二鉀、鄰磷酸鈣(gài)和(hé)鄰磷酸二鈣、腈三醋酸鹽、光學儀器光(guāng)亮劑、磷酸(suān)酯、皂草甙、肥皂、多磷酸四鉀、合(hé)成洗衣粉、十二醇硫(liú)酸鈉及皂基。
12.肥料
磷酸氨、硫酸氨、混合肥料(liào)、超級磷(lín)肥、尿素、氮磷鉀複合肥料
13.有機化合物
己二酸、甲酸酯鋁、硬酯酸鋁、氨基苯酚二磺酸、阿司匹林、鉍化合(hé)物、醋酸鈣、丁(dīng)酸鈣、葡萄糖酸鈣、乳酸鈣、丙酸鈣、糖質酸鈣、硬脂酸鈣(gài)、醋酸纖維素(sù)、CMC、磷酸甲基嗎啡、依地酸鹽、絡鎂(měi)鹽、穀氨酸、甘油(yóu)酯、乙二醛、乳(rǔ)糖(táng)、賴(lài)氨(ān)酸、縮蘋果酸、巰基噻唑(zuò)懸浮液、金屬(shǔ)硬脂酸鹽、草酸、p-氨基水楊酸、酞酸鉀、山梨酸酯鉀、橡膠催化劑、水楊酸、醋酸鈉、苯甲酸鈉、二甲基連二硫氨基(jī)甲酸酯鈉、乙基黃(huáng)原酸鈉、石碳酸鈉、索氏體鈉、硬脂酸、蠟、硬(yìng)脂(zhī)酸鋅。
14.無機化合物
氯化(huà)鋁、氫氧化鋁、氧化鋁、磷酸鋁、矽酸鋁、硫酸(suān)鋁、氯化銨(ǎn)、鉬酸銨、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、ANC催化劑、硫化銻、氧化砷、氯化鋇、氫氧(yǎng)化鋇、硫酸鋇、鋁礬(fán)土廢液、碳酸鉍、硼砂、硼酸(suān)、碳酸鈣、氯化鈣、氫氧化鈣、磷酸鈣、丙酸鈣、矽酸鈣、硫酸鈣、催化劑、水泥(生料)、二氧化鉻、硫酸鉻、硫化鈷、氯氧(yǎng)化銅、硫酸銅、硫化銅、冰晶石(shí)、氧化銅、砂漿浮選礦、石墨、氧化鐵、高嶺土(tǔ)、氯化鋰、鋅鋇白(bái)、矽酸鋁(lǚ)鎂、氫氧化鎂、碳酸錳、氧化錳、二硫化鉬(mù)、碳酸鎳(niè)、氫氧化鎳、硫化鎳、碳酸氫鉀、碳酸鉀、氯酸鉀、過氧化鎂(měi)、硝酸鉀、高錳酸鉀、過硫(liú)酸鉀、磷酸鉀、矽膠、銻酸鈉、碳酸氫鈉、重(chóng)鉻酸鈉、氯酸鈉、鉻酸鈉(nà)、氰化鈉、硫(liú)酸氫鈉、亞硫氫鈉、次氯酸鈉、磷酸鈉、矽酸鈉(nà)、矽鋁(lǚ)酸鈉、氟矽酸(suān)鈉、硫(liú)酸(suān)鈉、三硫酸(suān)鈉、碳酸(suān)釷、四氯化鈦(tài)、二氯化鈾、碳(tàn)酸鋅、硫酸鋅。
15.礦物(wù)的幹燥
如銅精礦、鎳精礦、鉑精礦、氧化精礦、鋁精礦、鋅精礦、錫精礦、沉(chén)澱銅、沉澱氫氧化鋁、沉澱(diàn)碳(tàn)酸鎳,貴重金屬泥、皂土、冰晶石、高嶺土及磷酸鹽等(děng)。
16.纖維素(sù)
機碎漿、其(qí)他漿料、次級(jí)纖維、半化學與機械化學漿料、硫(liú)酸鹽、亞硫酸鹽、亞硫酸鹽廢液
17.副產品和其他物(wù)料
瀝青橡膠、皂土、煤(méi)、軟木、矽藻土、渣(zhā)滓、榨取後的(de)咖啡豆、酵母原料、玉蜀(shǔ)黍麩(fū)質、塑(sù)膠粉、果膠廢物(wù)、海水、汙水、下水道汙水沉積物、小麥麩質、木粉(fěn)。
二(èr)、離心式噴霧幹(gàn)燥
離心式噴霧幹燥器配備有離心式(shì)霧化器,因此(cǐ)而得名。離心(xīn)式噴霧幹燥(zào)器是目前工業生產中使用最廣泛的幹燥器之一,通過高速旋(xuán)轉的分散盤上加入(rù)料液(yè),液體受離心力作用被甩成霧滴後在幹燥器中幹燥。在分散盤的(de)表(biǎo)麵,液(yè)體(tǐ)呈薄(báo)膜狀擴散(sàn),並且在(zài)圓周處以高速甩出(chū),霧化(huà)效(xiào)果取決於圓周線速度和加料速率,還與料液的某些(xiē)物理特性等因素有關。
離心式噴(pēn)霧幹燥器的特點基本是由霧(wù)化器(qì)的特點決定的:
⑴離(lí)心式噴霧幹燥不需要嚴格的過濾設備,料液中如無纖(xiān)維狀液體基本不堵塞料液通道;
⑵可以適應較高粘度的料液(與壓力式噴霧幹(gàn)燥相比);
⑶因霧化(huà)器的(de)轉速很容易調節(jiē),所以比較容易空製產品粒度,粒度分布也較窄;
⑷在調節處理量時,不需要改變霧化器的工作狀態,對進料率在±25%的變動可以(yǐ)獲得(dé)相同的產品;
⑸因離心式霧化器產(chǎn)生(shēng)的霧群(qún)基本在同(tóng)一水平麵上,霧(wù)滴沿徑向和切向的合成方向運動,幾乎沒(méi)有軸向的初速度,所以幹燥器的直徑相對較大。徑(jìng)、長比較小,可以最大限度地利(lì)用幹燥室的空間;
離心式(shì)噴霧幹燥(zào)器有如下缺點:
⑴霧(wù)滴與氣(qì)體的接觸(chù)方式基本屬於(yú)並流形式,分散盤不能垂直(zhí)放置;
⑵分散盤的加工精度要求較高(gāo),要有良好的動平衡性能,如平衡狀態不佳,主軸及軸承容(róng)易被損壞;
⑶產品(pǐn)的堆密度壓(yā)力式(shì)噴霧幹燥低一些。
(一)離心式霧化器的霧化機理
當向高速旋轉的分散盤上注入液體時,液體受離心力和重力作用,在兩(liǎng)種力的作用下得到加速分裂霧化(huà),同時在液體和周圍空氣的接觸麵處,由於存在摩擦力也促使形成霧滴。為此(cǐ),前者稱為離心霧化,以離心力起主要作用。後者稱為速度霧化,離心力隻起給液體加速作用。這兩種霧化作用隻是(shì)在研究霧化基理時有意(yì)識分開介紹,實際操作中,兩種霧化現象同時存(cún)在很難區分。當進料量較小而且轉速較低時,以離心霧化為(wéi)主(zhǔ),采用離心式霧化產生的產品(pǐn)粒度分布要比壓(yā)力式和(hé)氣流式都(dōu)窄一些。
一般情況下,旋轉分散盤表麵上液滴的形成取(qǔ)決於許多條件,如料液(yè)的粘度(dù)、表麵張力、分散盤上液體的慣(guàn)性以(yǐ)及液體釋放時與(yǔ)空氣界麵的相互摩擦作用等。分(fèn)散盤在較低轉速(sù)的情況下(xià),液體的性質,特(tè)別是(shì)粘度和(hé)表(biǎo)麵張力是主(zhǔ)要因素。在工業生產(chǎn)中霧化器的(de)轉(zhuǎn)速往往較高,此時的慣性和摩擦作(zuò)用是形成液滴的主要因素。當料液的粘度和表麵張力占主要地位時,液滴會單獨形成,並從(cóng)分散盤邊緣(yuán)釋放以產生均勻的霧滴群。因(yīn)料液的粘度產生(shēng)較強的內力,而該內力阻止液體在(zài)分散盤邊(biān)緣的破裂,因而需要較大的能量才能獲得較(jiào)高的分散度。較(jiào)高的(de)表麵張力會產生大的顆粒,由(yóu)分散盤邊緣較厚的液膜中產生,低表麵張力會使液絲拉長,斷裂時產生較小的液滴。對於高粘度、高表麵張力料液通常產生球形顆粒,並且通過改變操作條件比較容(róng)易(yì)控製霧滴直徑。離心式霧化器(qì)產生的霧群基本在同一水平麵上(shàng),而不象另外兩(liǎng)種霧化器噴出(chū)液體時有一定的(de)角度。
離心(xīn)式霧化基本可以歸納為料液直接分(fèn)裂成(chéng)液滴、絲狀割裂(liè)成液滴和膜狀分裂成液滴三種情況(kuàng)。
1.料液直接分裂(liè)成液滴
當料液的進料量較少時,料液受離心(xīn)力作用,迅速向分散盤的邊緣移動,分散盤周(zhōu)邊上隆起半球狀液體環,形狀取決於(yú)料液的粘度、表麵張力、離心(xīn)力及分散盤的形狀和光滑程度。當離心力(lì)大於(yú)表麵張力時,分散盤邊緣的球狀液滴立即被拋出(chū)而分裂霧化,液(yè)滴中伴隨有少量大液滴。
2.絲狀割裂成液滴
當料液流量較(jiào)大而且轉速加快時,半球狀料液被拉成許多(duō)絲狀液體線。流量(liàng)增加,分散盤周邊的液絲數量(liàng)也(yě)在增加。如果達到(dào)一定數量後,液絲就會(huì)變粗,而(ér)液絲的數量不再增加,拋出的液絲也不穩定。液絲運動(dòng)的波動和不均勻(yún)性(xìng),在分散盤邊緣(yuán)附近使之斷裂,受表(biǎo)麵張力的作用收縮成球狀。
3.膜狀分裂成液滴
當液體的流量繼續增加時,液(yè)絲數量與絲徑都不再增加,液絲間相互粘合形成(chéng)薄膜。離心力將液膜(mó)拋出分散盤周邊一(yī)定距(jù)離後,被(bèi)分裂成(chéng)分布較(jiào)廣的液滴。若再進一步提高轉速,液膜便(biàn)向分散盤周邊收縮,液膜帶變窄。若(ruò)液體(tǐ)在分散盤表麵(miàn)上的滑動能減到最小,可使液體以高速度噴出(chū),在分散盤周邊與空氣發生摩擦而分裂霧化(huà)。
從上麵的分析可以看出,三(sān)種霧(wù)化機理可能出(chū)現在不同的操作階(jiē)段,也(yě)可能同時出現(xiàn),但總有一種是主要(yào)的霧化形式(shì)。以哪一種霧化為主則與分散盤的形狀、直徑、轉速、進料量、料液的表麵張力和粘度有關。
(二)霧化器的(de)結構(gòu)型式
1.氣動式
氣動式驅動(dòng)方式主要(yào)是在主軸上安裝一個透平輪,通過壓縮空氣驅(qū)動透平輪帶動主軸轉動,以帶動霧化分散盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)。這種霧化器的特點是通過調節壓縮空氣的(de)壓力和氣量實現無級變速,幾乎沒有機械磨損問題。霧化器結構簡單(dān),不需(xū)要維修,壓縮空氣的壓力在0.2~1.0MPa,主要適用於小型實驗裝置。
2.機電一體(tǐ)式
機(jī)電一體式霧化器采(cǎi)用高速電機直接驅動分散盤,省去了較複雜的機械傳動結構,減少了機械磨損,而且輸入功率隨著處理量的變化而自行調整,因此,能耗是機械(xiè)傳動的50%~60%,比氣動(dòng)式也要節省30%。這種結構是把電機的線圈安裝在霧化器的殼(ké)體內,分(fèn)散盤安裝在相當於電機的主軸上,通過調節(jiē)電機的(de)頻率以改變主軸的轉速,也是無(wú)級調(diào)節變速。
3.機械傳動式
機械傳動式有兩(liǎng)種結構,一種(zhǒng)是齒輪傳動,另一種是皮帶傳動。齒輪傳動是電機帶動大(dà)齒輪,大齒輪與主軸上的小齒(chǐ)輪齧合。齒輪的傳動(dòng)比不同,主軸的轉速也不(bú)同,這種結構在(zài)物料進料量波(bō)動時,轉速恒定,機械效率較高。但齒輪傳(chuán)動結構會產生熱量,齒輪箱需要(yào)潤滑並用油泵(bèng)強製循環冷卻,設備抗衝(chōng)擊能力較弱。
皮帶傳動是通過電機帶動大皮帶輪,再通過皮帶帶動主軸上的小皮帶輪工作(zuò)。理論上,轉速比等於大、小皮(pí)帶輪(lún)直徑的反比(bǐ)。皮帶傳動的優點是傳動係統不(bú)需要冷卻和潤(rùn)滑(huá),抗衝擊能(néng)力較強。缺點是主軸轉速會隨進料量的變化有一定波動。
對於大型的機械(xiè)傳動霧化器,因工作環境的(de)關係,必(bì)須采用冷卻係統以(yǐ)排出霧化器因機械傳動和幹燥(zào)過程傳入的熱(rè)量(liàng)。目前,冷卻(què)方式主要(yào)有水冷和氣冷。水冷的結構要求有良好的密閉性,通過水泵打循環水。風冷是(shì)通過風機進行通風強(qiáng)製冷卻。一個口進入(rù)冷(lěng)風,另一(yī)個口排出,結構比較簡單。
(三)霧(wù)化器分散盤的型式
分散盤的高速旋轉還產生如下三個作(zuò)用(yòng):
① 分散(sàn)盤對空氣產生的壓力;
② 由於分散盤表麵與(yǔ)空氣之(zhī)間摩擦而形成的(de)吸引(yǐn)力;
③ 霧化時傳給空氣的動量。
前(qián)麵(miàn)已(yǐ)經提到,離心式霧化器基本原理就(jiù)是通過動力驅動主軸,主(zhǔ)軸帶動固定(dìng)在其上的分散盤高速旋轉。分(fèn)散盤的型式主要有轉(zhuǎn)杯分散盤、多管分(fèn)散盤、直線翼型分散盤和曲線翼型分散盤。
1.轉杯(bēi)分(fèn)散盤
轉(zhuǎn)杯分散盤如倒置的杯子,表麵光滑,具有銳利的周邊。進料管設置在中心處,料液首先(xiān)落到液體分配器上,使之均勻地沿杯狀體向下流動,當到達杯口(kǒu)處,料液受離心力的作(zuò)用被甩出霧化,這種結構適用於獲得較細顆(kē)粒(lì)的場(chǎng)合。主要由進料管、主軸、液(yè)體(tǐ)分配盤和轉杯組成。
2.多管分散盤
在分散盤上均勻布(bù)置若(ruò)幹個噴管,這些噴管多以耐磨材料製成,可以在分散盤轉(zhuǎn)速不高時(shí)獲得較大的線速度。孔徑的大小和(hé)伸出的長短可以控製產品的粒度,目前在食品幹燥中被廣泛采用。
3.直線翼型(xíng)分散盤
直線(xiàn)翼型分散盤是在分散盤周向均勻分布若幹個液體通道,通道口中心線是以分散盤為中心的放射線形狀,通道有(yǒu)圓形、方形和長圓形。這種分散盤的加工費用較低,料液不易堵(dǔ)塞通道,但通道內有時(shí)能進入空氣。
為了降低加工難度,常把分散盤分體(tǐ)加工後再進行組裝,在盤蓋和分散盤間形成(chéng)許多直線通道(dào),噴霧時周(zhōu)邊(biān)影(yǐng)響小(xiǎo)。這種(zhǒng)結構比較合理,料液的(de)滑動根據液膜在盤麵上的運(yùn)動速度而定。離盤中心較近的地方運動速度不(bú)大,因此滑動也不大。在離軸中心一定距離(lí)設(shè)置通道,目的(de)是防止料液滑動,增加潤濕麵的周邊(biān),使薄膜沿通道(dào)垂直移動。這種結構可以在不改變(biàn)分散盤直徑的情況下,通過改變通道的截麵積提高處(chù)理量,而產生的霧距基本相同(tóng)。有研究表明,通道的截麵積(jī)越小,產生(shēng)的霧滴越小,反之霧滴就大。
4.曲線翼(yì)分散(sàn)盤
曲線翼型分散盤的基本結(jié)構與直線翼型基本相同,不同的是曲線翼型(xíng)的通道是曲線的溝槽,在(zài)這種分(fèn)散盤中,又分為高曲線型、低曲線型和雙曲線型等多種。與直線翼型相比,加工費用略高一些,但產品的堆密度約比前者高7%~10%。
選擇離心式噴霧幹燥器時選擇霧化器的型式對幹(gàn)燥效(xiào)果有非常密切的關係,前麵已經介紹了霧化器的(de)性能差異,旨在為選擇時提供參考。離心噴霧幹(gàn)燥器工藝流程圖2-31。
圖2-31離心噴霧幹燥器工藝(yì)流程圖
1—空氣過濾器 ;2—加熱器 ;3—熱風分配器;4—幹燥室 ;5—過濾器 ;6—送料(liào)泵 ;7—離心霧化器 ;8—旋風分離器;9—引風機 ;10—料(liào)槽(cáo)
三、氣流式噴霧幹燥
氣流式噴霧(wù)幹燥也是幾種典型(xíng)的噴霧幹燥(zào)型式之一,是以氣流式霧化器(噴嘴)而得名。該噴霧幹(gàn)燥(zào)器的(de)性能以及幹燥器主體形狀主要是由氣流式霧化(huà)器的特點決定的,主要應用在要求產品粒度較細,如醫藥等行業。氣流式噴霧幹燥器直徑較小(與其它兩種幹燥器相比),特別對一些粘度較高而有觸變(biàn)性的物料更合適。氣液兩相的接觸也比較靈活,並流、混流、逆流均可以操作。但由於氣流式霧化器的霧距較長,如果采用上噴下並流操作時幹燥器的高度要(yào)適當加長,以保證霧滴有足夠的停留時間。通常氣流(liú)式霧(wù)化器消耗的動力要高於其它二種,一般是另兩種的6~8倍。但由於它可以霧化較高粘(zhān)度的料液,是(shì)其它型式霧化器所不及的,還可以處理較高含固率的料液,降低(dī)了幹燥能耗,在(zài)某種程度上彌補了它的(de)缺點,使這種最早出現的機型到目前仍在工業化中大量使用。
(一)氣流(liú)式霧化器
1.氣流式霧化器的工作原理
氣流式(shì)霧化器的(de)工作原理是利用高速氣流使液膜產生分裂(liè),高速氣流可以采用壓縮空氣,也可以采用蒸汽,使用蒸汽要比壓縮空氣(qì)經濟。使用蒸(zhēng)汽受物料耐(nài)熱溫度等限(xiàn)製,所以隻有當(dāng)物料的耐熱溫度允許的情況下才可以使用。當壓縮空氣或蒸汽以很高的環隙速度(一般在200m/s左右,有時甚至達到超聲速(sù))從霧化器噴出時,料液的流(liú)速很低,因此兩者存在著很大的相對速度差,使氣液之間產生摩擦力和(hé)剪切力,液體在瞬(shùn)間被拉成一條條細(xì)長的絲,接著這些液絲在較細處很快斷裂而形成微小的霧滴。絲狀體的存在時間取決於氣液間的相對速度和料(liào)液的物理性質。相對速度越高,產(chǎn)生(shēng)的(de)液絲愈細(xì),存在時間就愈短,噴霧的分散度也愈高。如果料液的粘度愈大,絲狀體存在的時間就增長。為此,當以氣流式噴霧幹燥處(chù)理某些高粘度(dù)料液時,所得到的產品往往(wǎng)是粉狀或絮狀,絮狀產品就是產生液(yè)絲直接幹燥得到的。
2.氣(qì)流式霧化(huà)器的基(jī)本結構
氣流式霧化器也有許多結構形式,但不論怎樣變化,基(jī)本結構是不(bú)變的。也就是(shì)說,霧化器主要是由進氣管、進(jìn)料管、調節部件以及氣體(tǐ)分散器組(zǔ)成。在霧化器中,調(diào)節(jiē)部件主要(yào)是調節氣管端麵與料(liào)管端麵的相對位置,以調節氣液兩相的混合狀態。氣體(tǐ)分散器是對進(jìn)入(rù)氣管的氣體進行均勻分布,以保證在氣管出口處均勻射出。另外,氣體還可以通過氣體分散器調整流(liú)向,可以使氣體產(chǎn)生旋轉,以強化料液的分散效(xiào)果和幹燥過程。
氣流式霧化器按氣液混合方式可以分為內部混合式(簡稱內混式)和外部混合式(簡稱外混式)兩種。內混式就是料液與氣(qì)體在霧化器內(nèi)進行(háng)混合,霧(wù)化過程不僅有氣(qì)體的摩擦力,在霧化器(qì)內部還產生撞擊的分散作用(yòng),所以比外混式更(gèng)節省能量。但因料液在霧化器內部就開始分(fèn)散,如果操作溫度較高時,霧(wù)化器很容易被(bèi)未幹的粉末形成的固塊堵塞,所以在幹燥操(cāo)作中應謹慎(shèn)使用。外混式氣流霧(wù)化(huà)器其區別是料液與霧化氣體在噴出後再進行接觸而(ér)使料液分散,這(zhè)種操作比較穩定。
氣流式霧化器(qì)如果按氣液(yè)進入霧化器的通道數又可分為二流式、三(sān)流式以及四流式等。二流式是一氣一(yī)液式,即外管走氣體,內管走液體。三流式為二(èr)氣一液式(shì),內管和外管走氣(qì)體(tǐ),中(zhōng)間走液體,理論(lùn)上三流式霧化器所得到的(de)粒度比二流式小約15%左右。此(cǐ)外還(hái)有四流式(shì),四流式與三流式基本相同,隻是(shì)在最裏層又增加了氣(qì)流管(guǎn),這個氣管走高溫熱氣流,目的是把熱量(liàng)引入到霧焰(yàn)中心處,以強化傳熱過程。但這種結構使用不多,工業上使用最多的是外混式兩流霧化器。
氣流噴霧幹燥的特點是結構簡單、加工方便、操作彈性大、易於調節。但在安裝時要注意霧化器與幹燥器的同心度,否則會出現粘壁等現象。氣流式噴霧幹燥器工藝流程見圖(tú)2-32。
圖(tú)2-32氣流式噴霧幹燥器工(gōng)藝流程圖
1—加熱器 ;2—幹燥器 ;3—旋風分離器;4—布袋除塵器 ;5—出料閥 ;6—風門 ;7—引風機(jī) ;8—消音器
四、壓力式噴霧幹燥器
壓力式噴霧幹燥器(因設備高大而呈(chéng)塔形,又(yòu)稱噴霧幹燥(zào)塔)在生產中(zhōng)使用最為普(pǔ)遍。壓力式噴霧幹燥器(qì)的產品成微粒狀,一(yī)般平均粒度可(kě)以達到150~200 m左右。產品有良好的流動性(xìng)、潤濕性等應用性能,所以深受用戶(hù)的歡迎。
壓力式噴霧幹燥主要是由壓力式霧(wù)化器的工作原理所決定(dìng)的,使(shǐ)這一幹燥係統有(yǒu)自己的特點。由於壓力式噴霧(wù)幹燥所得產品是微粒狀(zhuàng),不論是霧滴還是產(chǎn)品的粒徑都比其它二(èr)種型式大,造成了霧滴幹燥時間比較長。另外,噴(pēn)出的霧化角(jiǎo)也較(jiào)小,一般在20°~70°之間,所以幹(gàn)燥器的外形也(yě)以高塔形為主,這樣才能使霧滴有足(zú)夠的停留時間。給(gěi)料液施加(jiā)一定的壓力,通過霧化(huà)器(qì)霧化,所以係統中要有高壓泵。另外,因(yīn)霧化器孔(kǒng)徑很小,為防雜物堵塞霧化器孔道,一定要在料液進入高壓泵前進行過濾。采用壓力式噴霧幹燥,多以獲得顆粒(lì)狀產品為目的,因此,經壓力式(shì)噴霧幹燥(zào)的(de)最終產品都有其獨特的應用性(xìng)能。
壓力式噴霧幹燥(zào)器工藝流程見圖2-33。
圖2-33壓力式噴霧幹燥(zào)器工藝流程(chéng)圖
1—過濾器(qì) ;2—高壓泵 ;3—穩(wěn)壓器;4—加熱器(qì) ;5—空氣過濾器 ;6—幹燥器 ;7—布袋除塵器 ;8—引風機
壓力式霧化器(有些專著中稱壓力式噴嘴)是壓力式噴霧幹燥器的重要部件,壓力式霧化器在有些文獻(xiàn)中也稱單流體霧化器或機械(xiè)式霧化器。霧化機理是液體在高壓泵的壓力下從霧化器的切向通道高速進入旋轉(zhuǎn)室,使液體在旋轉(zhuǎn)室內產生(shēng)高速旋轉運動。根據旋轉動量矩守恒定律,旋轉速度與旋轉室的半徑成反比,因此越靠近軸心處旋轉速度愈大,靜壓力也愈小。當旋轉速度達到某一值時,霧化器中心處的壓力等於大氣壓(yā)力時,噴(pēn)出的液體就形成(chéng)了繞空氣心旋轉的錐形環狀液膜。隨著液膜的延長,空氣的劇烈擾動所形成的波不斷發展,液膜分裂成細(xì)線。並受湍流(liú)徑向分速度和周圍空氣相對速度(dù)的影響,最後導致液膜破裂成絲。液(yè)絲斷裂後受表麵張力的作用,最後形成由無數霧滴組成的霧群,水(shuǐ)分蒸發後形成微粒狀(zhuàng)產品(pǐn)。
多年(nián)來,國內外許多幹燥專家對壓力式霧化器的結構進行了大量的研究工作,目前也開發出許多結構形式。壓力式霧化(huà)器的共同特點是使液體在(zài)高壓下進入霧化器進行高速旋轉,獲得足夠的離心(xīn)力後從霧化器孔噴出。因其結構較多,為設計和使用方便,又把壓力式霧化器分為旋轉壓力式和離心壓力式兩大類,這兩類霧化器都能(néng)使液體在霧(wù)化器內部產生旋轉,隻是(shì)產(chǎn)生旋轉的(de)結構不同。
壓力式(shì)噴霧幹燥也有自身的缺點:
①在生產過程中流(liú)量(liàng)無法調節。流量的決(jué)定因素主要取決於霧化器出口的孔徑(jìng)和操作壓力,而操作壓力的改變(biàn)會影響產品的粒度,因此,如(rú)果想改變流量,隻有更換霧化器孔徑或調節操作壓力;
②壓力式噴霧幹燥不適用於處理帶有纖維狀或顆(kē)粒狀物料,這(zhè)些物料易堵塞霧化器(qì)孔道;
③不適於處理高粘度(dù)物(wù)料或有固液相分界麵(miàn)的懸浮液,它(tā)會造成產品含量的嚴重不均;
④與其它二種型式(shì)相比,壓力式噴霧幹燥的體積蒸(zhēng)發強度較低(dī)。
在(zài)相(xiàng)關內容中已介紹了噴霧幹燥生產的生品,但這裏提到的是壓力式噴霧(wù)幹(gàn)燥造粒技術已用於下列(liè)產品。
化(huà)工類:催化劑、樹脂、合成洗衣(yī)粉、油脂類、硫酸銨、染料、染料中間體、白炭黑、石墨、硫酸銨、農藥、氟化鉀、增白劑CXT。
食品類:氨基酸、調味料、蛋白(bái)質、澱粉、乳製品、咖啡提取油、全脂奶粉、胳朊、可可奶粉、乳(rǔ)粉、蛋清(黃)、燕麥、雞汁、速溶茶、調味香料肉、蛋白(bái)質、大豆、花生蛋白、玉米漿、玉米澱粉、葡萄糖、果膠、麥芽糖、山梨酸鉀、南瓜粉。魚粉(fěn)、肉精。
藥品類:中成藥、抗生素、中藥衝劑、中藥浸膏、藥膠、酵母、維生素、抗生素、澱粉酶、脂(zhī)肪酶。
陶瓷類:氧化鎂、瓷土、各種金屬氧化物、白(bái)雲石、高嶺土、氧化鋁、滑石。
塑料類:ABS乳(rǔ)液、尿醛樹脂、密膠(脲)甲醛(quán)樹脂、聚乙烯、聚氯乙烯。