多噴頭壓力噴霧干燥塔噴嘴的設(shè)計

劉殿宇

（華禹乳品機械制造有限公司)

0 前言

壓力噴霧干燥塔的生產(chǎn)能力大到一定量時，如蒸發(fā)量大于或等于1000 kg/h時，就不宜采用單噴頭進行噴霧干燥。大生產(chǎn)能力的噴霧干燥塔采用單噴頭噴霧干燥易產(chǎn)生如下不良效果：霧滴變大 （正常的霧滴直徑在20～60 μm之間）[1-2]，霧化不充分，易產(chǎn)生線狀流；產(chǎn)品水分含量容易超標(biāo)；粉易結(jié)塊或產(chǎn)生夾心粉；受單噴頭霧化角約束，霧化料液與熱空氣熱交換不夠充分，干燥塔內(nèi)溫度升高，排風(fēng)溫度升高；塔壁結(jié)垢嚴(yán)重。如果采用小孔徑單噴頭進行噴霧生產(chǎn)，奶粉顆粒會過細，甚至還會影響沖調(diào)。因此，大蒸發(fā)量的壓力噴霧干燥塔應(yīng)該考慮采用多噴頭進行噴霧干燥。其設(shè)計過程與單噴頭有所不同。

本文以RGYP03-1000型壓力噴霧干燥塔在奶粉生產(chǎn)中的應(yīng)用為例，對多噴頭和熱風(fēng)分布器的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了闡述。

1 主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點

該壓力噴霧干燥塔的主要技術(shù)參數(shù)如下所述。

（1）物料介質(zhì)：牛奶；

（2） 生產(chǎn)能力： 1000 kg/h；

（3）進料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：38%～40%；

（4） 進料溫度： 48～51℃；

（5） 進風(fēng)風(fēng)量： 40000～45000 m3/h；

（6） 排風(fēng)風(fēng)量： 52000～58500 m3/h；

（7） 排風(fēng)溫度：75～85℃；

（8）出粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)：97.5%；

（9）噴頭數(shù)量：3只。

壓力噴霧干燥塔結(jié)構(gòu)特點：該噴霧干燥塔采用三噴頭進行噴霧干燥，采用兩級捕粉 （即旋風(fēng)捕集加布袋捕集）并回收噴霧干燥塔排風(fēng)中攜帶的粉塵。旋風(fēng)捕集下來的粉塵經(jīng)由旋轉(zhuǎn)出料閥卸料，再由羅茨風(fēng)機將其送入干燥塔的霧化區(qū)內(nèi)重新聚結(jié)造粒。塔下出粉口接臥式振動流化床，對粉進行團?；⒄?、二次干燥和冷卻，使粉的溫度降至38～40℃，然后進入下一道工序。

2 多噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 多噴頭噴嘴孔徑的設(shè)計

壓力噴嘴的形式較多，目前比較常用的是切線漩渦型噴嘴。

噴嘴的孔徑按下式計算[2]：

式中S——噴嘴孔截面積，m2；

V——流體體積流量，m3/s；

C0——噴嘴流量系數(shù)，這里C0=0.52（霧化角為 55°）；

△p——噴嘴進出口壓力差，Pa；本文設(shè)備為

ρ——流體的密度，kg/m3。

流體流量V按濃縮后的牛奶量1695.6 kg/h計算，此時牛奶密度 ρ=1100 kg/m3，即流體體積流量將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：

采用3個噴頭時，單個噴嘴的孔徑d為：

2.2 多噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

多噴頭噴槍的結(jié)構(gòu)及其在熱風(fēng)分布器上的分布與單噴頭噴槍有所不同。單噴頭噴槍是在熱風(fēng)分布器的中心進入干燥塔進行噴霧，而多噴頭噴槍則是圍繞熱風(fēng)分布器中心對稱分布的。本例采用的三噴頭噴槍均勻分布于分度圓直徑為380 mm的圓周上。多噴頭噴霧時每個噴嘴與噴槍軸線成一定夾角（根據(jù)干燥塔直徑確定），本例夾角為150°，而單噴頭則沒有夾角。多噴頭噴槍可根據(jù)噴嘴在噴霧干燥塔中噴霧情況進行轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，可改變噴嘴噴霧的位置，而單噴頭則不能。多噴頭調(diào)節(jié)的具體做法是：首先根據(jù)物料的濃度確定高壓泵的合適壓力，然后根據(jù)粉的顆粒度大小、水分含量及三噴頭在干燥塔中的霧化狀態(tài) （即霧距交匯狀態(tài)）轉(zhuǎn)動噴槍刻度盤進行調(diào)節(jié)，調(diào)定后并鎖緊。噴槍與上刻度盤為一體結(jié)構(gòu)，下刻度盤固定于熱風(fēng)分布器上。根據(jù)粉的顆粒度大小和水分含量，還可確定是否更換噴嘴改變孔徑。

2.3 多噴頭噴霧干燥塔熱風(fēng)分布器的設(shè)計

多噴頭噴霧干燥塔熱風(fēng)分布器與單噴頭熱風(fēng)分布器的結(jié)構(gòu)形式基本相同。目前壓力噴霧干燥塔的熱風(fēng)分布器有兩種：一種為分風(fēng)筒式結(jié)構(gòu)，一種為小分布孔式結(jié)構(gòu)。分風(fēng)筒式熱風(fēng)分布器在國內(nèi)應(yīng)用比較普遍。其工作原理是：進入的熱風(fēng)先經(jīng)由幾個或多個分風(fēng)筒將熱風(fēng)較為均勻地進行分配，然后再進入熱風(fēng)總管，由主熱風(fēng)管將熱風(fēng)較為均勻地導(dǎo)入干燥塔，與霧化物料進行熱與質(zhì)的交換。

熱風(fēng)分布器的結(jié)構(gòu)尺寸確定如下：

進入熱風(fēng)分布器的風(fēng)速一般按9～13 m/s計算[3-6]。

本例進風(fēng)管的截面積為：

進風(fēng)管道直徑為：

采用6個分風(fēng)筒，每個分風(fēng)筒的直徑為：

進入干燥塔內(nèi)的主管道直徑與進風(fēng)管道直徑相等時，可取得很好的效果。每個分風(fēng)筒在熱風(fēng)分布器分布板上的位置可根據(jù)塔內(nèi)的風(fēng)速情況進行調(diào)整。

3 多噴頭噴霧適應(yīng)范圍及設(shè)計注意事項

由噴霧干燥塔的生產(chǎn)能力、料液濃度和高壓泵的壓力等多個參數(shù)可確定出合適的噴嘴孔徑。噴霧干燥塔生產(chǎn)能力越大，進風(fēng)量和干燥塔的直徑也就越大。一座生產(chǎn)能力為1000 kg/h的干燥塔其直徑通常在4500～5500 mm之間，如果采用單噴頭進行噴霧干燥，就可能產(chǎn)生兩種情況：一是霧化效果不佳，二是霧滴過細。大生產(chǎn)能力的干燥塔其噴嘴的孔徑通常也相應(yīng)地較大，如果壓力不變霧滴就會變大，甚至還可能會出現(xiàn)線狀流。如果提高高壓泵壓力，就會造成潮粉出現(xiàn)。如果選擇過小的噴嘴噴霧，霧滴直徑就會變小，生產(chǎn)出的粉顆粒變細，對有顆粒要求的奶粉等來說感官不好，沖調(diào)也受到影響。最重要的是隨著干燥塔生產(chǎn)能力的增大和塔徑增大，受單噴嘴霧化角 （通常霧化角在50°～60°之間）的約束，霧滴不能與熱空氣在最佳的熱交換區(qū)域內(nèi)瞬間進行充分的熱交換，有剩余熱空氣沒有來得及參與有效的熱交換，從而導(dǎo)致塔內(nèi)和排風(fēng)的溫度升高，造成了能源的浪費。所以，大型干燥塔應(yīng)考慮采用多噴嘴噴霧干燥。蒸發(fā)量在1000 kg/h的干燥塔就應(yīng)采用多噴頭，本文所述的例子就采用了三噴頭噴霧，并在實際應(yīng)用中取得了較好的效果。

多噴頭噴霧噴槍可隨刻度盤轉(zhuǎn)動，即可按刻度盤上的數(shù)值進行調(diào)節(jié)。通常采用高壓軟管與噴槍連接，與之相連的另一端為分料缸，分料缸要求設(shè)計成便于清洗或清理的可拆卸式結(jié)構(gòu)。此外，高壓噴槍必須具有進行清洗并構(gòu)成清洗回路的清洗管線，其殺菌通常采用蒸汽進行殺菌。噴槍套管中吹入室溫空氣，以防止插入熱風(fēng)分布器段的噴槍由于高溫作用而產(chǎn)生結(jié)焦。熱風(fēng)分布器內(nèi)溫度高，其保溫絕熱層的厚度不應(yīng)低于100 mm。

4 結(jié)束語

不同行業(yè)、不同物料的噴霧干燥生產(chǎn)應(yīng)用都表明，大蒸發(fā)量 （如水分蒸發(fā)量大于或等于1000 kg/h）的干燥塔如果采用單噴頭進行噴霧干燥，會引發(fā)生產(chǎn)上的一系列問題，產(chǎn)品質(zhì)量也會隨之下降。采用多噴頭噴霧干燥可克服這些弊端，產(chǎn)品質(zhì)量也能保證。采用多噴頭噴霧干燥要注意噴頭噴霧交匯處料液的霧化狀態(tài)，霧滴交匯過多會導(dǎo)致霧滴變大或霧滴變得密集，甚至產(chǎn)生線狀流，出現(xiàn)潮粉，即水分含量超標(biāo)，產(chǎn)品出現(xiàn)塊狀或條狀。每一次更換噴嘴時，調(diào)節(jié)好后要做好最佳生產(chǎn)狀態(tài)的記錄，以作為下次生產(chǎn)的依據(jù)。

[1] 夏青，陳常貴.化工原理 （上） [M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[2] 天津輕工業(yè)學(xué)院機械系，輕化工機械教研室編寫組.乳品機械 [M].天津：天津輕工業(yè)學(xué)院，1985.

[3] 劉殿宇.噴霧干燥系統(tǒng)捕粉結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展及其應(yīng)用效果 [J].中國乳業(yè),2010（1）：45-47.

[4] 劉殿宇.脈沖反吹捕粉裝置在奶粉噴霧干燥生產(chǎn)中的設(shè)計及應(yīng)用 [J].乳業(yè)科學(xué)與技術(shù)，2006（3）：123-124.

[5] 劉殿宇.噴霧干燥系統(tǒng)捕粉結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展及其應(yīng)用效果 [J].乳業(yè)導(dǎo)刊，2005（2）：24-26.

[6] 劉殿宇.壓力噴霧干燥系統(tǒng)在速溶茶粉生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國茶葉，2009(7)：21-22.