新型內(nèi)置固定流化床的設(shè)計(jì)

李亞榮，牟光慶，惲海明，劉明潔

(1.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.北京中輕機(jī)乳品設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100038)

0 引 言

噴霧干燥技術(shù)在乳粉生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但干燥塔能耗高，效率低，為解決上述問題，NIRO公司和唐金鑫等先后提出過多段干燥技術(shù)，如唐金鑫等[1]在“我國噴霧干燥技術(shù)研究及進(jìn)展”一文中提出三段干燥系統(tǒng)雖然一次設(shè)備投資大，但干燥效率高。隨著干燥技術(shù)的發(fā)展，三段噴霧干燥的應(yīng)用逐漸廣泛[2]，近年我國也引入了三段干燥系統(tǒng)，即在干燥塔錐形底端增加固定流化床，將塔內(nèi)干燥和振動流化床干燥連接起來形成三段干燥。

與傳統(tǒng)固定流化床相比新型固定流化床做了以下幾方面改進(jìn)。第一，為了提高乳粉的速溶性在固定流化床的上部增加了附聚管。第二，為了制作簡單美觀，固定床的外底封頭采用圓錐形。第三，在固定流化床的落粉管處增加調(diào)粉裝置，使粉均勻下落。

1 新型內(nèi)置固定流化床的組成結(jié)構(gòu)

1.1 組成結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)固定流化床主要由五部分組成，分別是包皮結(jié)構(gòu)、附聚管、進(jìn)風(fēng)口、篩網(wǎng)和出粉系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 固定流化床主視圖

1.2 各組成部分的功能

包皮結(jié)構(gòu)組成固定床輪廓，起到支撐作用，向內(nèi)外包皮之間填充保濕的介質(zhì)形成保溫層。附聚管連接細(xì)粉管，使細(xì)粉進(jìn)入流化床，與篩網(wǎng)上的乳粉附聚。進(jìn)風(fēng)口的第二段接管與水平方向設(shè)計(jì)15°夾角，熱風(fēng)進(jìn)入床內(nèi)與傾斜的內(nèi)底封頭相遇，然后風(fēng)向上折返到達(dá)篩板(圖3)，從腮形篩孔中穿出，而乳粉在篩板上的整體運(yùn)動軌跡如圖3箭頭所示。篩板上每相鄰的行和列之間篩孔的開孔方向夾角均設(shè)計(jì)呈60°(圖4)，使熱風(fēng)分布均勻，乳粉順利流化向前運(yùn)行(圖5)，到達(dá)出粉口。出粉系統(tǒng)中設(shè)計(jì)粉調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)落粉量，使粉均勻干燥。

圖2 固定床俯視圖

圖3 固定床篩板俯視圖

圖4 篩板放大圖

圖5 物料運(yùn)行示意圖

2 新型內(nèi)置固定流化床的作用

2.1 對乳粉進(jìn)行二次干燥

固定流化床對來自塔干燥室的乳粉有進(jìn)一步干燥的作用。固定流化床的工作原理[3]：散狀物料置于篩板上，熱風(fēng)自下而上通過篩網(wǎng)，引起乳粉“沸騰”和流動。

乳粉在干燥塔中停留的時間越短越好，一般10～30 s[4]。新型固定流化床的設(shè)計(jì)使干燥塔內(nèi)主要完成短時間的恒速干燥，將乳粉干燥至水含水量8%～10%[5]，接著乳粉在固定床中進(jìn)行降速干燥，水分降至4%～6%后，進(jìn)入振動流化床。

2.2 對乳粉進(jìn)行二次附聚

附聚過程分兩個階段，首先細(xì)小顆粒相互碰撞形成中間結(jié)構(gòu)；接著顆粒長大形成直徑250～750 μm的多孔大顆粒簇。附聚是速溶奶粉生產(chǎn)中必不可少的步驟，可以增加乳粉的速溶性，分散性和流動性[6]。一般兩段干燥系統(tǒng)中細(xì)粉被送至塔頂霧化區(qū)和振動流化床處進(jìn)行附聚。

在三段干燥系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)固定流化床時增加了附聚管，使捕集到的細(xì)粉可以通入固定床進(jìn)行附聚。與兩段干燥系統(tǒng)相比增加了固定床附聚。

3 新型內(nèi)置固定流化床的優(yōu)點(diǎn)

3.1 節(jié)能降耗提高干燥效率

干燥效率為[7]

式中：Ti為干燥塔進(jìn)口熱風(fēng)溫度；To干燥塔出口排風(fēng)溫度，Ta為周圍空氣溫度。

如干燥效率公式所示降低干燥塔排風(fēng)溫度(To)，可提高干燥效率。由于塔排風(fēng)溫度決定了出粉的含濕量，降低排風(fēng)溫度To易導(dǎo)致從干燥室出來的乳粉含水量高(8%～10%)，乳粉易粘連。本設(shè)計(jì)使固定床置于干燥塔底端承接含濕量較高的乳粉，這部分乳粉在固定床中能繼續(xù)流化干燥，進(jìn)一步脫去2%～4%的水分。因此設(shè)計(jì)固定流化床允許干燥塔排出含濕量較高的乳粉，降低排風(fēng)溫度，提高干燥效率。

4 新型內(nèi)置固定流化床的創(chuàng)新之處

4.1 固定流化床附聚接管的設(shè)計(jì)

相比于早期設(shè)計(jì)的固定流化床，本設(shè)計(jì)在距固定床上邊緣0.3 m處增加了φ0.102 m的附聚管，與水平方向呈15°夾角，既實(shí)現(xiàn)了細(xì)粉在固定床處的附聚；又使干燥系統(tǒng)的附聚增加至三級(塔頂附聚、固定床附聚、振動床附聚)，生產(chǎn)工藝可根據(jù)實(shí)際需要在兩極和三級附聚之間切換。

4.2 固定流化床圓錐形底封頭的設(shè)計(jì)

內(nèi)包皮底封頭是與水平方向呈10°夾角的斜面，由于本設(shè)計(jì)固定床的直徑較大(φ3m)，所以必須有底封頭拉筋才能將其支撐平整。以往固定床外包皮底封頭的設(shè)計(jì)和內(nèi)包皮底封頭相同，底面板幅太寬焊接后不易保持平整且支撐作用較弱。故本次新型內(nèi)置固定流化床外封頭設(shè)計(jì)采用圓錐形，制作較簡單，既能克服斜面封頭不易保持平整的問題，又能起到較好的支撐作用。

5 設(shè)計(jì)中的物料衡算及熱量衡算

5.1 固定流化床主要尺寸計(jì)算

絕干物料進(jìn)料量W1為

固定流化床進(jìn)料量W2為

振動流化床進(jìn)料量W3為

最終產(chǎn)品量W4為

式中：C為濃奶干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)48%；C1為固定流化床上物料含濕量9%；C2為振動流化床上物料含濕量5%；C3為最終產(chǎn)品含濕量3%；W0為濃奶進(jìn)料量(5939 kg/h)。

乳粉的體積密度ρb為[8]

式中：ε為乳粉顆粒間的空間體積ε=0.7；ρp為脫脂乳粉的顆粒密度ρp=900 kg/m3。

落在固定床上乳粉的體積V1為

式中：W2為固定床進(jìn)料量，3133 kg；ρb為乳粉的體積密度，270 kg/m3。

假設(shè)乳粉在固定床中最長停留10 min，則固定床用于流化干燥乳粉的有效容積V2：

式中：V1為落在固定床上乳粉的體積，11.6 m3/h。

篩網(wǎng)距離固定床頂端的最小高度為

式中：V2為固定床有效容積，1.93 m3；S為固定床篩網(wǎng)面積，7.07 m2。

因乳粉流化時粉層膨脹高度一般為0.2 m，為使乳粉流化空間充足，設(shè)計(jì)中篩網(wǎng)距床體上邊緣實(shí)際距離h1為

式中：h為篩網(wǎng)距離固定床頂端最小高度，0.27 m。

5.2 進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)耗氣量的計(jì)算

表1干燥介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

5.2.1 設(shè)備熱損失[9～10]

固定床散熱面積為

式中：r為固定床外徑半徑；1.57 m；h為固定床高度，1.62 m。

表1 干燥介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)

表面散熱損失θ為

式中：K為傳熱系數(shù)，41.8 kJ/ (m2·℃·h)；Δt為固定床表面與環(huán)境溫差，28℃；F為固定床散熱面積，23.71 m2。

單位蒸發(fā)量熱損失ΔQ為

式中：θ為表面散熱損失，27750.2 kJ/h；G為固定床蒸發(fā)量，132 kg/h。

(3)排出廢氣狀態(tài)參數(shù)

如圖6，加熱前空氣在濕焓圖上為狀態(tài)點(diǎn)A(d0，I0)，新鮮空氣由A點(diǎn)開始受熱，升溫至t1=110℃，熱焓升至I1=140 kJ/kg，此時濕含量不變d0=d1，在濕焓圖上空氣狀態(tài)點(diǎn)為B(d1，I1)。假設(shè)排出廢氣濕含量為d3=0.06 kg/kg

廢氣熱焓I3為

由d3和I3設(shè)定狀態(tài)點(diǎn)D(d3，I3)，連接BD，溫度t2=70 ℃的溫度線與直線BD交于C點(diǎn)，則C點(diǎn)即為排出廢氣狀態(tài)點(diǎn)，查得排出廢氣狀態(tài)參數(shù)：d2=0.025；ψ2=13%；I2=138 kJ/kg；t2=70 ℃

圖6 I-x圖解法示意圖

5.2.2 新鮮空氣耗量

(1)空氣耗量

式中：G為固定床蒸發(fā)量，132 kg/h；d0為加熱前空氣濕含量，0.012 kg/kg；d2為排出廢氣濕含量，0.025 kg/kg。

考慮20%風(fēng)量損失，實(shí)際空氣耗量L1為

式中：L為計(jì)算空氣耗量，10154 kg/h。

換算成新鮮空氣的體積用量V為

式中：V0為新鮮空氣比容，V0=0.861 m3/kg干空氣；L1為實(shí)際空氣耗量12185 kg/h。

(2)風(fēng)機(jī)的選擇

排風(fēng)機(jī)風(fēng)量按經(jīng)應(yīng)比進(jìn)風(fēng)風(fēng)量高20%～30%，即

式中：V為新鮮空氣體積用量，10500 m3/h。

5.3 加熱蒸汽耗量的計(jì)算

(1)熱能消耗量

熱損失取20%，熱能消耗量Q為

式中：I0為空氣加熱前熱焓，50.2 kJ/h；I1為空氣加熱到110℃時熱焓，140 KJ/h；L1為實(shí)際空氣耗量，12185 kg/h。

(2)加熱蒸汽用量

式中：Q為熱能消耗量，1313055.6 kJ/h；I為0.6 MPa時加熱蒸汽熱焓，2755.9 kJ/kg；I0為100 ℃冷凝水熱焓，419.3 kJ/kg；η為蒸汽熱效率90%。

6 結(jié) 論

近幾年國內(nèi)新建乳品廠廣泛引進(jìn)三段干燥系統(tǒng)，旨在提高乳粉質(zhì)量，降低能源消耗。與總蒸發(fā)量3 000 kg/h三段噴霧干燥塔配套設(shè)計(jì)的新型內(nèi)置固定流化床，篩網(wǎng)距床體上邊緣高度0.50 m，附聚管與水平方向夾角15°，固定床進(jìn)風(fēng)溫度110 ℃，進(jìn)風(fēng)量1.05×104m3/h，排風(fēng)量1.365×104m3/h，加熱蒸汽用量6.25×102kg/h。 新型內(nèi)置固定流化床的設(shè)計(jì)一方面降低了排出熱風(fēng)的溫度，提高干燥效率；另一方面增加了附聚功能和干燥環(huán)節(jié)，改善了乳粉的速溶性，圓錐形外底封頭的設(shè)計(jì)，制作簡單美觀且支撐牢固。在乳品干燥設(shè)備設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新和完善，會在很大程度上推動中國乳品工業(yè)綠色發(fā)展。

[1]黃立新,王宗濂,唐金鑫.我國噴霧干燥技術(shù)研究及應(yīng)用[J].化學(xué)工程，2001,29(2)：52-53.

[2]C G J BAKER,K A MCKENZIE.Energy consumption of Industrial spray dryers[J].Drying Technology,2005,23：365-372.

[3]雒亞洲,管建慧.流化床在乳粉生產(chǎn)上的應(yīng)用 [J].食品工業(yè)科技，2009,30(04)：274-275.

[4]劉殿宇.奶粉生產(chǎn)中上、下排風(fēng)塔的效果比較[J].乳品加工，2009,04：45-46.

[5]黃立新,王宗濂,唐金鑫,等.噴霧干燥節(jié)能技術(shù)研究[J].林產(chǎn)化工通訊，2001,35(1)：3-7.

[6]A BAR KOUTI,C TURCHIULI,J A CARCEL,et al.Milk powder agglomerate growth and properties in fluidized bed agglomeration[J].Dairy Sci&Technol.2013,93：523-526.

[7]WESTERGAARD V.Milk Powder Technology:Evaporation and Spray Drying[M].Copenhagen:Niro A/S,2004：135-139.

[8]張和平,張列兵.現(xiàn)代乳品工業(yè)手冊[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2012：473-475.

[9]劉廣文.干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：26-33.

[10]金國淼.干燥器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：17-33.