第六讲喷雾干燥系统设计特点.docx
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第六讲喷雾干燥系统设计特点
第六讲喷雾干燥系统设计特点
本讲先介绍喷雾干燥技术发展和喷雾干燥技术过程,再讲述喷雾塔设计和系
统配置。
详细介绍离心喷雾塔设计和系统配置,对压力喷雾和气流喷雾作简单
介绍。
一、喷雾干燥技术发展简述:
（一）、喷雾干燥技术始用阶段:
喷雾干燥技术到现在已有一百多年的历史了。
早在1865年,就有人将喷
雾干燥技术应用于蛋液的处理上。
到1872年,美国的塞缪尔·珀西
（Samluel.Percy）的专利使喷雾干燥技术清晰地落在文字上,并较为详细
地论述了喷雾干燥的过程,基本原理,并大胆提出了将雾化和干燥相结合
的基本构想。
可以说,他是喷雾干燥理论的奠基人之一。
在这之后,先后有人将喷雾干燥技术应用到奶粉,葡萄糖和烤胶等产品的
生产中。
并开发了喷嘴雾化器,箱式喷雾干燥器等技术。
（二）、喷雾干燥技术应用的初级阶段:
在20世纪20年代以后,喷雾干燥开始大量在乳制品工业和洗涤剂工业
应用;到了20世纪30年代,关于喷雾干燥方面的文献越来越多,说明这种
干燥方法的许多优点在工业化中已经表现出来,而且被人们普遍接受。
从
而推动了这项技术的发展。
但当时对被干燥物料的研究不多,产品标准也
不严格,应该说这一阶段仍是喷雾干燥技术应用的初级阶段。
（三）、喷雾干燥技术较快发展阶段:
在20世纪30年代以后的若干年间,喷雾干燥技术在不同的领域开始应用,对物料性质,产品质量的研究开始重视,有的研究者更深入地研究干燥的机理和干燥过程中对物料及产品的影响。
特别是第二次世界大战中,出于战争
的原因,需要大量的脱水制品,使喷雾干燥应用更加广泛,并在理论研究,
设备研究和应用技术等方面的研究都取的了可喜的成绩。
（四）、喷雾干燥技术现状:
1.由喷雾干燥得到的产品已复盖我们衣、食、住、行和用的各个方面。
喷
雾干燥得到的产品质量日益提高。
2.喷雾干燥设备向大型化发展,离心雾化器的喷雾量越来越大,转速越
来越高,单台喷雾干燥设备的产品产量已大大提高。
3.对于热粘性,热敏性和产品吸湿强等特殊物料喷雾干燥的工艺研究
更加深入,对喷雾干燥系统的配套设备的研究更加完善。
4.将喷雾干燥与其他干燥形式相结合,可得到质量更好的产品,并使干
燥的能量消耗得到降低。
如将喷雾干燥与流化床干燥相结合。
5.应用计算流体力学的方法对喷雾干燥的理论研究也取得了很大的进
展,有望在不久的将来对实际设计有指导意义。
二、喷雾干燥技术简述（结构示意图见金陵样本第一册第27～35页）:
喷雾干燥是将原料液用雾化器分散成雾滴,并用热空气（或其他气体）与雾滴
直接接触的方式而获得粉粒状产品的一种干燥过程。
原料液可以是溶液,乳浊
液或悬乳液,也可以是熔融盐和膏状物。
干燥产品可根据需要,制成粉状,颗粒状,空心球,空性球或团粒状。
（一）、喷雾干燥的过程阶段:
1.喷雾干燥的第一阶段----料液的雾化:
将料液雾化为雾滴,再将雾滴与热空气接触、混合是喷雾干燥独有的特征。
雾化的目的在将料液分散为微细的雾滴,具有很大的干燥表面,当雾滴与热空气接触时可瞬间干燥,得到粉末状或颗粒状产品。
料液雾化所用的雾化器是喷雾干燥的关健部件。
目前常用的雾化器有三种:
旋转式,压力式和气流式,由它们组成的干燥系统也分别称为离心喷雾干燥,压力喷雾干燥和气流喷雾干燥。
2.喷雾干燥的第二阶段----雾滴和热空气的接触（混合,流动,干燥）:
在干燥塔内,雾滴和热空气的接触,混合及流动是同时进行的传热传质过程,即干燥过程。
雾滴—热空气的流向有并流,逆流及混合流,接触方式不同,对干燥塔内的温度分布,雾滴（或颗粒）的运动轨迹,颗粒在干燥塔中的停留时间及产品性质等均有很大影响。
3.喷雾干燥的第三阶段----干燥产品与空气分离（通常称为气—固分离）:
喷雾干燥的产品大多数都采用塔底出料,部分细粉夹带在排气中,这些细粉在排放前必须收集下来,以提高产品收率,降低生产成本;排气必须符合环保的排放标准,以防止环境污染。
喷雾干燥通常采用的气固分离方法,可有以下几种组合方式:
a.只用旋风分离器一级分离后排放。
b.采用旋风分离器和布袋过滤器二级气固分离后排放,通常采用此法。
c.采用旋风分离器和湿法除尘器二级气固分离后排放,当产品吸湿性强,并可溶化在水中,可回收使用时,常用此法。
d.只采用布袋除尘器一级气固分离方法,对于产品无吸湿性,并沉降较快时,常用此法,例如白炭黑的喷雾干燥产品就采用此法。
e.采用静电除尘技术进行一级气固分离,对于产品粒径小,附加值高的产品采用此法,因为此法设备投资大,运行费用高。
（二）、喷雾干燥的优缺点:
喷雾干燥的应用非常广泛,几乎涉及国民经济的每一个部门。
我们要了解
它的优缺点,可以扬长避短地运用该项干燥技术。
1.喷雾干燥的优点:
（1）.只要干燥条件保持恒定,干燥产品特性就保持恒定,产品质量保证。
（2）.喷雾干燥的操作是连续的,其系统容易实现全自动控制操作。
适宜于
连续化大规模生产,干燥产品经连续排料。
（3）.喷雾干燥速度非常快,干燥时间仅为5～35秒,属于瞬间干燥,瞬间
就可蒸发90以上%的水分。
在恒速干燥阶段,虽然热风温度较高,但雾滴
表面温度保持在热风的湿球温度;在降速干燥阶段,由于已蒸发大量的
水分,热风的热量已被大量吸收,排风温度已降到较低温度,产品可以较
低的温度排出。
所以在整个干燥过程中,物料的温度不会升得很高,对于
热敏性物料也能保证其产品质量,当然也适用非热敏性物料。
（4）.原料液可以是溶液,泥浆,乳浊液,悬浮液,糊状物或融熔物,甚至是
滤饼等均可处理。
（5）.由于干燥过程是在热空气中完成的,产品基本上保持与液滴相近似
的球状,具有良好的分散性,流动性和溶解性。
（6）.喷雾干燥操作具有非常大的灵活性,喷雾能力可从每小时几公斤到
200吨。
（7）.由于喷雾干燥是在密闭的干燥塔内进行的,这就避免了干燥产品在
车间里飞扬。
对于有毒气,臭气物料,可采用封闭循环系统的生产流程,
将毒气,臭气烧毁,防止大气污染,改善生产环境。
（8）.利用喷雾技术可进行喷雾吸收,喷雾反应,喷雾萃取等操作,因此具
有广阔的应用领域。
喷雾干燥还可与其它干燥器组合使用,发挥不同干
燥方法的优点,进行优化组合,发挥更大的作用。
2.喷雾干燥的缺点:
（1）.喷雾干燥属于对流型干燥器热效率比较低（除非利用非常高的干燥
温度）,一般为30～40%。
热容量传热系数小,一般为20～100Kcal/m3·h·℃,
（2）.设备庞大,占用面积和空间比较大,一次性投资较大,运行费用也较
高。
（3）.在生产粒径小的产品时,排风中约夹带有20%左右的微粉,需选用高
效的气固分离装置,结构比较复杂,费用较贵。
（三）、雾化方法与干燥型式比较表:
项目
参数
离心式喷雾
压力式喷雾
气流式喷雾
料液
处理量
调节范围大
调节范围最小;当处理大时,可用多喷嘴
调节范围较狭
粘度变化
可相应地改变转速,适用于高粘度物料
高粘度喷雾困难
可调节压缩空气压力
供料
压力
低压,约3kgf/cm2
高压,10～200kgf/cm2
低压,约3kgf/cm2
高压泵
不需要
需要柱塞泵
不需要
雾化器
价格
高
便宜
便宜
维护保养
高速旋转装置精度高,维护保养难
喷嘴易磨损,高压泵需维护保养
容易
动力消耗
小
最小
最大
产品
粒度
微粒
粗粒
微粒
均匀性
均匀
大致相同
不均匀
堆积重度
轻,粒子中孔呈球状
重,粒子中空气含量少
--------
干燥塔
干燥塔
热风流向
逆流,水平流不适宜
并流,逆流,混合流,水平流都可以
并流,逆流
塔径
大
小
小
塔高
低
高
较低
雾化器安装位置和干燥塔粘壁现象
雾化器安装在顶部,塔顶内壁易粘附
喷嘴可装在任意位置,粘壁可防止
如塔径小,易粘壁
型式
水平并流型
--------
适合
适合
垂直向上逆流型
--------
适合
适合
垂直向下并流型
适合
适合
适合
垂直向上混合型
适合
--------
---------
垂直向下混合型
适合
适合
---------
（四）、雾化器的选择准则表
雾化器型式
项目
离心式
压力式
气流式
干燥室
并流型
适合
适合
适合
逆流型
不适合
适合
适合
混合流型
不适合
适合
适合
料液性质
低粘度
适合
适合
适合
高粘度
适合
不适合
适合
不磨耗料
适合
适合
适合
一般磨耗料
适合
适合
适合
高磨耗料
适合
不适合
不适合
糊状物（可泵送）
适合
适合
适合
供料速度
≤3m3/h
适合
适合
适合
＞3m3/h
适合
要有条件
要有条件
平均雾滴大小※
30～120μm（400～115目）
适合
不适合
适合
120～250μm（115～60目）
不适合
适合
不适合
※现在对于有些物料,经过工艺改造,可使离心喷雾的产品粒径最大可到
80目（175μm）。
（五）、喷雾干燥器直径D和圆柱体高度H的比值:
雾化器的类型及热风流向的组合
H:
D的范围
旋转雾化器,并流
喷嘴雾化器,并流
喷嘴雾化器,逆流
喷嘴雾化器,混合流（喷泉式）
喷嘴雾化器,混合流（内置流化床）
（0.6:
1）～（1:
1）
（3:
1）～）4:
1）
（3:
1）～（5:
1）
（1:
1）～（1.5:
1）
（0.15:
1）～（0.4:
1）
三、喷雾干燥的使用范围:
喷雾干燥使用范围很广,常用的有下列各类物料。
（一）、聚合物和树脂类:
聚乙烯（HPDE）,聚氯乙烯悬浮胶体（δ-PVC）,聚苯乙烯（PS）,苯酚甲醛树脂
（PF）,聚丙烯酸脂（PMMA）,聚甲醛和浸渍纤维素等。
（二）、染料,颜料,色料类:
碱性染料,可溶性与扩散性微粒纺纱染料,氧化铁,高岭土,有机颜料,油
漆,酞菁,铬酸锌和四氧化锌等。
（三）、陶瓷,玻璃类:
氧化铝,碳化硅,铁氧体,地砖材料,碳化钨,氧化锌,和硅化镐等。
（四）、除莠剂,杀真菌剂,杀虫药类:
砷酸钙,氢氧化铜,二氯苯氧丙酸,甲基氯苯氧醋酸,硫化胶体等。
（五）、碳水化合物类:
葡萄糖,树胶,乳糖,果糖,山梨糖醇,淀粉,全糖和小麦粉等
（六）、乳蛋制品类:
全脂乳,脱脂乳,蛋白,蛋黄,全蛋和冰淇淋混合物等。
（七）、食品及植物提炼品类:
咖啡精,果汁混合物,调味品,麦精,水解蛋白质,蕃茄,辣椒,大蒜和各种汤
料等。
（八）、药品和生化制品类:
阿摩西林,阿司匹林,血清,荷尔蒙,青霉素,蛋白酶和维生素E等。
（九）、鞣酸类:
栗子,丹宁酸铬,红树,含羞草精,白坚木萃取物和合成鞣酸等。
（十）、屠宰场的副产品,血和鱼制品类:
动物蛋白,血,鱼蛋白,脑,鱼粉,鱼露,胶与水解胶,肝和鲸露等。
（十一）、洗涤剂和表面活性剂类:
洗涤酶,分散剂,乳化剂,烷基仿基磺酸盐,磷酸脂,肥皂和多磷酸四钾等。
（十二）、肥料类:
磷酸铵,硫酸铵,混合肥料和超级磷肥等。
（十三）、有机化合物类:
苯甲酸钠,硬脂酸铝,醋酸钙,葡萄糖酸钙,乳酸钙,醋酸纤维素,石炭酸钠
和谷氨酸等。
（十四）、无机化合物类:
聚合氯化铝,聚合硫酸铁,氢氧化铝,硅酸铝,氯化铵,氢氧化钙,硅酸钠,次
氯酸钠,硅胶,高锰酸钾和碳酸锌等。
四、喷雾干燥塔的容积蒸发强度和容积给热系数的选用:
在喷雾干燥中,判断干燥塔的设计能否满足传热与传质的要求,容积蒸发强
度和容积给热系数是很重要的参数,一般都应该通过实验测定。
对于设计者来
说,就要根据工艺参数,事先合理地选用容积蒸发强度和容积给热系数。
在许多
干燥技术书中提供了一些不同的数据表格和计算式,我们在此对这些资料进行
对比和分析,得到选用容积蒸发强度和容积给热系数的一般方法。
（一）、容积蒸发强度:
容积蒸发强度应与热风进口温度和排风尾气温度有关,也与产品粒径大小
及干燥塔的有效干燥容积有关。
1.在《喷雾干燥实用技术大全》一书给出以下容积蒸发强度计算式:
（t1＋273）3.4287
A=------------------
（t2＋273）3.34
上式中:
A----容积蒸发强度,kg水/m3·h
t1----热风进口温度,℃
t2----排风尾气温度,℃
2.在《喷雾干燥》一书以列表形式给出一组与热风进口温度和排风尾气温
度相关的容积蒸发强度的数据,我们将用上述计算式计算结果与列表对比,发现两组数据基本相符,在个别点上有偏差;当进风温度一定时,则容积
蒸发强度随排风温度提高而降低;当排风温度一定时,则容积蒸发强度随进
风温度提高而提高。
上述的规律还应在一个约束条件下成立,那就是水分蒸
发都发生在“标准有效干燥容积”内,即喷雾干燥塔的园柱段，干燥塔的横截面积乘上园柱段高度。
排风温度
（℃）
进风温度（℃）
150
200
250
300
350
400
70
列表值
3.58
5.72
7.63
9.49
11.20
12.74
计算值
3.44
5.05
7.13
9.75
12.99
16.93
80
列表值
3.03
5.18
7.07
8.93
计算值
3.13
4.59
6.48
8.86
11.80
15.38
100
列表值
1.92
4.09
5.96
7.80
9.33
11.11
计算值
2.60
3.82
5.39
7.37
9.82
12.79
3.选用原则:
（1）.如果干燥塔的有效干燥容积为“标准有效干燥容积”,当进风和排风温度在上述表中交汇点上时,选用列表值和计算值中的较小者;当进风和排风温度不在上述表中交汇点上时,则用交汇点上的较小值,采用内插法求该点的容积蒸发强度。
（2）.如果干燥塔的有效干燥容积大于“标准有效干燥容积”,则应按大于
的倍数,缩小容积蒸发强度相同的倍数。
（3）.因为喷雾干燥是瞬间干燥,干燥塔的内部容积不可能全部都是有效
干燥容积,所以当热风和物料不同流向时,要合理确定有效干燥容积。
例
如,在并流的离心喷雾干燥塔内,只有圆柱直段是有效干燥容积,而物料
在锥段的容积内,几乎没有传热和传质的交换。
（二）、容积给热系数:
容积给热系数主要和产品（或称雾滴）粒径有关。
当喷雾量是一定时,产品
粒径越小,则热风和雾滴之间的总传热面积越大。
对于一个已设计好的喷雾
干燥塔来说,有效干燥容积是一定的,这时产品粒径大小对总传热面积的影
响就只能体现在容积给热系数上了。
1.有关干燥技术书中给出的容积给热系数及如何确定容积给热系数范围:
（1）.桐荣良三主编,秦齐光等译的《干燥装置手册》P.113给出喷雾干燥
的容积给热系数为50～100kcal/h·℃·m3。
（2）.《干燥设备》编写组编写的《干燥设备》P.200给出喷雾干燥的容
积给热系数为20～100kcal/h·℃·m3。
（3）.刘广文编著的《喷雾干燥实用技术大全》P.4给出喷雾干燥容积给
热系数为80～400Kj/m3·h·℃（即19～96kcal/m3·h·℃）。
（4）.王喜忠,于才渊,周才君编著的《喷雾干燥》P.233给出的容积给热
系数为10（大粒）～30（微粉）W/m3·℃（即8.6～25.8kcal/m3·h·℃）
（5）.前三位给出的容积给热系数相当一致,第四位给出的容积给热系数
明显偏小。
我们采用前三位给出的数据,并从保守角度加以修改,喷雾干
燥的容积给热系数的范围为20～70kcal/m3·h·℃,对于离心喷雾干燥可
取40～70kcal/m3·h·℃,对于压力喷雾干燥可取20～40kcal/m3·h·℃。
有效干燥容积的确定与容积蒸发强度的确定相同。
2.在《喷雾干燥实用技术大全》P.122上还给出了一个求容积给热系数的
解析计算式,（没有严格的推导过程）如下表示:
λ×G11
αv=1.58×10-3×---------------×（-----）1.6×（----------）0.8
0.7854×ρ×D2duy＋uL
上式中:
αv----容积给热系数,kj/m3·h·℃;
λ----空气平均导热系数,kj/m·h·℃;
G----物料处理量,kg/h;
ρ----料液密度,kg/m3;
D----干燥塔直径,m;
d----平均雾滴直径,m;
uy----雾滴悬浮速度,m/s;
uL-----干燥塔热风平均风速,m/s。
雾滴悬浮速度计算式:
uy=｛d2×（ρ-ρk）×9.81｝/（18μk）
上式中:
ρk----空气平均密度,kg/m3;
μk----空气平均动力粘度,Pa·s。
该计算式是假设雾滴是在斯托克斯区流动时的悬浮速度计算式。
举例说明:
已知条件:
物料处理量:
G=300kg/h,干燥塔直径:
D=3.06m,料液密度:
ρ=1100kg/m3,干燥塔平均温度:
tp=140℃,空气平均密度:
ρk=0.854kg/m3,空气平均动力粘度:
μk=23.7×10-6Pa·s,空气平均导热系数:
λ=0.126kj/m·h·℃,干空气用量:
L=5600kg/h,雾滴直径
分三种情况:
d1=60μm=0.00006m（250目）,d2=104μm=0.000104m（150
目）,d3=175μm=0.000175m（80目）,由此前计算得到:
uL=0.25m/s
（1）.当d1=0.00006m时:
uy=（0.00006）2×（1100-0.85）×9.81/（18×23.7×10-6）
=0.09m/s
0.126×30011
∴（αv）1=1.58×10-3×----------------------×（---------）1.6×（--------------）0.8
0.7854×1100×3.0620.000060.25＋0.09
=1.58×10-3×0.00467×5687979×2.370
=99.5kj/m3·h·℃=23.8kcal/m3·h·℃
（2）.当d2=0.000104m时:
uy=（0.000104）2×（1100-0.85）×9.81/（18×23.7×10-6）
=0.27m/s
0.126×30011
∴（αv）2=1.58×10-3×----------------------×（---------）1.6×（--------------）0.8
0.7854×1100×3.0620.0001040.25＋0.27
=1.58×10-3×0.00467×2359102×1.6873
=29.37kj/m3·h·℃=7.0kcal/m3·h·℃
（3）.当d3=0.000175m时:
uy=（0.000175）2×（1100-0.85）×9.81/（18×23.7×10-6）
=0.77m/s
0.126×30011
∴（αv）3=1.58×10-3×----------------------×（---------）1.6×（--------------）0.8
0.7854×1100×3.0620.0001750.25＋0.77
=1.58×10-3×0.00467×1025981×0.9843
=7.45kj/m3·h·℃=1.8kcal/m3·h·℃
可以看出采用该计算式得到的容积给热系数偏小,如要按该计算得到的容
积给热系数来确定干燥塔直段的直径和高度,那会是相当大的数值,与现在
实际使用的离心喷雾塔有很大的偏差,我们建议还是采用经验给出的容积
给热系数来设计或验算。
另外,该计算式的来源不明,也有可能是根据计算流体力学得到的,那在求
解的过程中,初始条件和边界条件的设定是否合理也不得而知。
但是从该计
算式可定性地看出对容积给热系数有影响的那些热工参数。
五、离心喷雾的设计:
（一）、物料衡算,热量衡算和热风质量流量计算:
参照第五讲的内容,在已知环境温度（t0）,环境空气含湿量（d0）,产量（G产）
或原料处理量（G原）,原料湿基含水率（ω1）,产品湿基含水率（ω2）,原料温
度（θ1）,产品温度（θ2）,热风温度（t1）及热源种类的条件下,通过物料衡算,热量衡算和热风质量流量计算,可以得到脱水量（W水）,蒸发水分热量（Q1）,加热产品的热量（Q2）,热风质量流量（L）,排风温度（t2）和排风含湿量（d2）。
（二）、高速离心旋转雾化器:
高速离心旋转雾化器是离心喷雾干燥的核心部件,由于它的制造精度高,
转速高,一般由专业制造商制造。
作为设计者应该了解它的选型,操作参数的
影响和雾距的计算方法等知识。
1.高速离心雾化器的选型:
一般来说,根据进料速率,即物料处理量G原,来选择高速离心雾化器型
号。
对于某一型号,其传动主机和雾化盘直径是不变的。
转速随进料速率
变化,进料速率大,转速高;进料速率小,转速低。
转速可用变频器进行调
节,为了保证雾化效果,雾化盘外缘线速不能低于90m/s;最高雾化盘外缘
线速和材料及加工技术有关,对于国内的雾化器生产来说,最高线速不高
于160m/s。
传动电机功率随进料速率和料液的粘度变化,进料速率和料液
粘度大,传动电机功率大;进料速率和料液粘度小,传动电机功率小。
2.操作参数对液滴直径的影响:
在工业喷雾干燥操作条件下,对液滴直径最有影响的参数是雾化盘的圆
周速度和叶片上的液体负荷（以体积流量为基准）。
（1）.进料速率G原对液滴直径d的影响:
在雾化盘转速,雾化盘直径及料液物理性质不变的情况下,液滴直径d
和进料速率G原成正相关,即:
d1G原1
------=（---------）q
d2G原2
在工业喷雾干燥条件下,比较合适的q值范围为q=0.1～0.12。
（2）.雾化盘转速n对液滴直径d的影响:
在进料速率,雾化盘直径及料液物理性质不变的情况下,液滴直径d和
雾化盘转速n成反相关,即:
d1n2
-----=（------）p
d2n1
对于实际操作的工业喷雾干燥器,比较精确的值为p=0.8。
（3）.液体粘度μ对液滴直径d的影响:
在进料速率,雾化盘转速不变的情况下,液滴直径和料液粘度成正相关,
即:
d1μ1
-----=（--------）r
d2μ2
在工业喷雾干燥条件下,r=0.2。
（4）.料液密度ρ对液滴直径d的影响:
在其他参数不变时,雾滴直径和料液密度成反相关,即:
d1
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