【文章內(nèi)容簡介】 的離心力和重力作用使之得到加速而分裂的霧化，在霧化液滴落下過程中，水分被蒸發(fā)而成為粉末狀或顆粒的產(chǎn)品。 1) 干燥速度快，料液經(jīng)霧化后表面積大大增大，完成干燥時間短，特別適用于熱敏性物 料的干燥。 2) 產(chǎn)品 具有良好的均勻度、流動性和溶解性，產(chǎn)品純度高，質(zhì)量好。 3) 生產(chǎn)過程簡化，操作控制方便 2. 壓力式霧化器的噴霧干燥 [1] 壓力式霧化器是基于用高壓泵直接使溶液受壓后，在小孔中卸壓而使溶液霧化的裝置。它的比能耗較低，在低壓范圍內(nèi) (P≤ MPa)噴出的液滴較粗，粒度分布較寬。 壓力式噴霧干燥器的特點是： 1)產(chǎn)品水分易控制、粒度尚能調(diào)節(jié)； 2)產(chǎn)品為空心球形顆粒，壓磚成型時填充模具，流動性很好，排氣性也好； 3)可大大簡化工藝流程，易實現(xiàn)自動化； 4)負壓操作，減少了粉塵污染。 3. 氣流式霧化器的噴 霧干燥 [1] 因為霧化用的動力消耗太大，此種型式主要用于實驗室及中間工廠。前兩種霧化器都不能霧化的料液，采用氣流式霧化器可能霧化。高粘度的糊狀物、膏狀物及濾餅物料，可采用三流體噴嘴來霧化。 雖然氣流式霧化器可霧化高粘度物料，而且相應(yīng)加工比較簡單。但因其壓縮空氣轉(zhuǎn)換功能效率甚低，使其霧化的比能耗較其他兩種霧化裝置大，且霧化粒徑分布不夠均勻。 4. 超聲霧化器的噴霧干燥 [2] 其基本原理是：利用足夠強度的超聲場，讓液體從超聲源表面釋放出細小的霧滴，這些液滴再與周圍的空氣接觸，完成蒸發(fā)干燥過程。通常超聲的振動 頻率必須大于20kHz。與常用的霧化器相比，其最大的優(yōu)點就是節(jié)能。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 4 頁 5. 靜電霧化 [1] 當在噴嘴和對應(yīng)的接地電極之間，施加數(shù)千伏的電壓時，噴嘴尖端流出的液體受到重力、液體的表面張力以及靜電力的聯(lián)合作用，靜電力超過液體的表面張力時，液柱表面變得不穩(wěn)定，分裂為離子或霧滴，這就是靜電霧化 [4]。此種方法產(chǎn)生的霧滴直徑由幾納米、幾微米至幾毫米數(shù)量級的很廣范圍。由此法得到的液滴，單分散性高，平均尺寸為 4~5μm。 靜電霧化可用于溶液的離子化，制造功能性粒子，用兩種化合物制造復(fù)合氧化物粒子，可用于 消滅大腸桿菌等。 噴霧干燥技術(shù)的研究進展 噴霧干燥技術(shù)的國際研究進展 一般認為，噴霧干燥技術(shù)的研究早在 19 世紀初期就開始了。最早是 La Mont 1865年提出用噴霧干燥法來處理蛋品，但作出極為重要貢獻的是美國的 Sameul Percy的發(fā)明，他在 1872 年題為 “干燥操作的改進及通過霧化將液體物料濃縮 ”的專利中，雖然沒有給出附圖，但清楚地論述了噴霧干燥過程的實質(zhì)。他認為，如果用霧化器來噴灑或噴射液體使之蒸發(fā)或潤濕，這個過程是眾所周知的，但將物料霧化同時進行脫水，這樣一個過程的設(shè)備 和方法過去是沒有的。在 1901 年 Stauff 提出了將血漿進行噴霧干燥的專利，他采用上噴的噴嘴式霧化器及多孔板式熱風分布器。同年 Gardner 提出了第一個雙流體噴嘴 (即氣流式噴嘴 )的箱式噴霧干燥器。 到 20 世紀 30 年代初期，關(guān)于噴霧干燥方面的文獻很多，這表明噴霧干燥級數(shù)已被認可。但這些早期的干燥器操作很保守，進料只限于低粘度的液體，產(chǎn)品的質(zhì)量只能是“干了 ”或 “未干 ”。在 30 年代以后，噴霧干燥技術(shù)和噴霧干燥器設(shè)計都有明顯的進步，特別是第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)以后，需要大量的脫水食品和各種形式的粉狀制品，以降低產(chǎn)品重量 及運輸費用，使噴霧干燥的應(yīng)用更為廣泛，干燥器的容量也變得很大，從而使噴霧干燥技術(shù)得到更加迅速發(fā)展。當今，世界上已有大量關(guān)于噴霧干燥技術(shù)的理論和試驗研究的文獻發(fā)表。 噴霧干燥技術(shù)的國內(nèi)研究進展 最近，國際上有些學者把超聲霧化用于噴霧干燥中，取得了一些成果。 Berger 給出了小型超聲霧化器的簡圖。其基本原理是：利用足夠強度的超聲場，讓液體從超聲源表面釋放出細小的霧滴，這些液滴再與周圍的空氣接觸，完成蒸發(fā)干燥過程。通常超聲的 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 5 頁 振動頻率必須大于 20kHz。與常用的霧化器相比，其最大的優(yōu)點就是節(jié)能。據(jù) Patil 等的測算，傳統(tǒng)霧化器有 96%以上的能量用于產(chǎn)生霧滴的動能和機械消耗，只有 4%左右的能量用于霧滴的形成。最近國際上有一家公司正在研制開發(fā)配制超聲霧化的噴霧干燥裝置。另外，黃立新等用計算機技術(shù)模擬了配置超聲霧化的噴霧干燥裝置 [11]。 我國的噴霧干燥技術(shù)發(fā)展的起步比較晚，但自從 50 年代吉林染料廠引進第一臺前蘇聯(lián)的離心盤式噴霧干燥器以來，我國的噴霧干燥技術(shù)發(fā)展也很快。上海染化八廠自 60年代起對下噴上式氣流式噴霧干燥器進行了六年多的研究，于 1972 年用活性染料進行試驗獲得成功。天津染化八廠和沈陽化工研究院 (1973~1975 年 )首先對一些染料進行了噴霧造粒試驗，并研究出 “旋轉(zhuǎn)風 ”和 “順壁風 ”的進風方式，這樣既解決了物料粘壁問題，又提高了干燥效率。上?；ぱ芯吭?、上海染化一廠和上海牙膏廠 (1978 年 )共同研究出兩種不同溫度進風方式的新型壓力式噴霧干燥塔。此外，上海染化十廠、天津油漆廠、吉林染料廠和陜西省陶瓷非金屬礦研究所等都對我國的噴霧干燥技術(shù)發(fā)展作了貢獻。 [3,5] 中國在 20 世紀引進吸收消化國外霧化器技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的霧化器的設(shè)計能力，現(xiàn)在國內(nèi)不少廠家可以制造不同規(guī)格離心式霧化器，單臺霧化能力從每小時數(shù)千克到十噸。 20 世紀 80 年代以前，我國僅上海飲料機械廠和鎮(zhèn)江林業(yè)機械廠生產(chǎn)少量的三種規(guī)格的旋轉(zhuǎn)盤式霧化裝置用于噴霧干燥。其轉(zhuǎn)速均在 7000r/min 左右，噴液量不超過 500L/h，不能適應(yīng)當時市場發(fā)展的需求。據(jù)報道，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與液滴直徑成反比，且轉(zhuǎn)速升高以后，液滴的噴距縮短，而液滴分布趨于均勻。從而可以使干燥塔的直徑變小，被處理物料的受熱程度降低，消除了普遍存在的粘壁現(xiàn)象，提高轉(zhuǎn)速成為各國干燥裝置的趨勢。目前，我國旋轉(zhuǎn)式霧化機的最大噴液量為 10000kg/h，由中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所 研制成功，電機功率 90kW，轉(zhuǎn)速為 12021r/min，型號為 RW10T。其整機性能已達到丹麥 NiRo 公司同類產(chǎn)品的性能指標。 國內(nèi)外噴霧干燥設(shè)備的差異 1. 進風溫度較低 由于建廠的規(guī)模普遍較小，中小型鍋爐的工作壓力偏低，干燥塔設(shè)備結(jié)構(gòu)存在問題再加之觀念上的一些問題 (怕進風溫度高影響產(chǎn)品質(zhì)量 )，進風溫度較低使干燥塔的體積較大，消耗較多的材料。 2. 材質(zhì)差 以往制造熱風箱和進風系統(tǒng)很多是用碳鋼制造，尤其是停產(chǎn)時間較長或加熱器漏氣 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 6 頁 時，碳鋼表面銹蝕，無法進行處理，勢必對產(chǎn)品質(zhì)量有一定影響。 3. 設(shè)計缺陷 加熱器沒有熱回收系統(tǒng)，進風變頭設(shè)計不合理，前片熱交換激烈，散熱片使用壽命短。 4. 加工精度低 干燥塔內(nèi)壁表面過于粗糙，內(nèi)壁掛粉比較嚴重；沒有一個較好的振打裝置，使粉在塔內(nèi)停留的時間較長，對粉的質(zhì)量造成影響。 5. 排風過濾系統(tǒng) 大多數(shù)的干燥塔用布袋式內(nèi)濾捕粉，這種捕粉方式相對效率較高一點，但粉在布袋內(nèi)停留的時間長；這部分顆粒較細，抖粉時回到塔內(nèi)勢必影響沖調(diào)性；單獨收集回溶造成能源浪費，且由于多次受熱，使蛋白質(zhì)變性，影響產(chǎn)品質(zhì)量。 6. 觀念誤區(qū) 單噴頭影 響了物料與熱風充分的熱交換，以前認為只有單噴頭、大板眼才能生產(chǎn)大顆粒粉，只有大顆粒粉才能速溶。經(jīng)過學習國外的先進經(jīng)驗，結(jié)合我們幾年來的實踐，如果能生產(chǎn)出帶有附具顆粒的無細粉產(chǎn)品，會對奶粉的感官和沖調(diào)性有較大的改善。 7. 自動化程度低 大多數(shù)乳品廠采用的都是手動控制，控制精度較低，工人的勞動強度大。 [4] 噴霧干燥器的發(fā)展趨勢 噴霧干燥技術(shù)應(yīng)用廣泛 , 其優(yōu)勢明顯 , 但其理論仍然落后于實踐 , 突出表現(xiàn)在干燥理論的實踐指導(dǎo)性差。干燥動力學、非球形顆粒的干燥模擬、噴霧干燥等領(lǐng)域有待進行更深入的研究 [11]。 1) 干燥是能耗很大的加工過程，節(jié)能是今后研究干燥技術(shù)及開發(fā)新型干燥設(shè)備的一大目標，主要對設(shè)備本身的改進 。尋找新的能源代替原來的煤、電等能源，并充分利用工業(yè)生產(chǎn)中的余熱等來節(jié)省能源。 2) 考慮到噴霧干燥的低熱效率，噴霧干燥的節(jié)能技術(shù)研究尚需要我們的研究人員繼續(xù)努力?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了噴霧干燥 +流化床干燥的多級干燥模式，似可以進一步考慮噴霧干燥 +微波或者干燥塔內(nèi)加熱式的噴霧干燥等。 3) 新型噴霧干燥技術(shù)的研究和開發(fā)，例如噴霧冷凍干燥、過熱蒸汽噴霧干燥等，這些新的干燥技術(shù)有待于理論上的提高和實驗室的小 試證明。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 7 頁 4) 利用迅速發(fā)展的計算機和軟件技術(shù)，提高噴霧干燥的數(shù)學模擬結(jié)果的準確性。筆者認為，這個研究方向可以解決目前很多實際上在設(shè)計初期通過實驗還無法解決的問題，還可以提供很多目前還無法直接監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和結(jié)果，例如噴霧狀態(tài)下的霧滴可能的飛行軌跡和氣流分布、溫度分布等。 噴霧干燥的節(jié)能技術(shù) 隨著全球的能源緊張，高能耗的化工單元操作越來越受到各國的關(guān)注，噴霧干燥的熱效率只有 40％ ~60％，幾乎有一半的熱量被浪費了。所以如何提高噴霧干燥的熱效率也是各國專家研究的熱點課題。節(jié)能措施總結(jié)起來主要有以下幾 方面：首先是噴霧干燥塔本身性能結(jié)構(gòu)等方面的調(diào)整；另外是干燥物質(zhì)本身的性質(zhì)控制，燃料問題，干燥介質(zhì)性質(zhì)等方面的因素。 1) 提高熱載體的進口溫度，降低其出口溫度。 在生產(chǎn)能力恒定時，通過提高熱載體的進口溫度可降低熱量消耗。 2) 提高料液的固含量。 噴霧干燥是利用蒸發(fā)物料中的揮發(fā)介質(zhì)而獲得干物料的一種方法，因此，要想獲得較好的熱利用率，盡可能地提高料液固含量也是一種比較好的方法。 3) 提高料液的溫度。 提高料液的溫度可降低單位質(zhì)量干產(chǎn)品的熱量消耗。預(yù)熱料液，可降低料液黏度，改善其霧化 性能；防止料液結(jié)晶，堵塞霧化器；料液溫度高時，霧滴在干燥器內(nèi)可直接蒸發(fā)，不存在預(yù)熱階段。 4) 余熱回收利用。 噴霧干燥系統(tǒng)排放尾氣的溫度較高，含有較多的可利用的熱能，因此可從尾氣余熱回收方面促進節(jié)能。 5) 采用多級干燥。 采用多級干燥具有 4個特點： (1) 在最后一級干燥中，產(chǎn)品可以達到較低的濕含量；(2) 可以獲得較低的產(chǎn)品溫度 (后部分設(shè)冷卻段 )； (3)通過分級或團聚，可以改變粉體顆粒的尺寸分布； (4) 提高干燥過程熱效率。 目前國際上公認的一種辦法是組合式的干燥方式，例如噴霧干 燥 +內(nèi)部流化床的二級組合干燥，以及噴霧干燥 +內(nèi)部流化床干燥 +外部流化床干燥的三級組合干燥方式。Filkova 和 Westergaard 等給出了不同的組合干燥的性能比較。不難發(fā)現(xiàn)，三級組合干燥 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 8 頁 的單位產(chǎn)品能耗比單級噴霧干燥節(jié)約了 40％多。 [14,15,16] 新型噴霧干燥技術(shù)的研發(fā) 1. 過熱蒸汽干燥 [11] 噴霧干燥通常采用環(huán)境空氣作為干燥介質(zhì)。但是，當很多噴霧干燥的用戶有自備的電廠產(chǎn)生廢過熱蒸汽時，如果仍然采用過熱蒸汽換熱產(chǎn)生熱空氣，那將是一種對能源的浪費。過熱蒸汽在食品、化工產(chǎn)品的加工中得到 了運用。過熱蒸汽干燥是一種以過熱蒸汽直接與濕物料接觸而去除水分的干燥方式，用過熱蒸汽干燥主要有如下特點： 1) 過熱蒸汽的熱容高于空氣，傳遞同樣的熱量所需要的量減少，可節(jié)能 50%~80%； 2) 過熱蒸汽不含氧氣，可以避免物料氧化； 3) 物料表面沒有空氣邊界層，可以減少傳熱傳質(zhì)阻力等。 2. 噴霧冷凍干燥 常規(guī)噴霧干燥采用有一定溫度的干燥介質(zhì)來完成整個蒸發(fā)干燥過程。但是，考慮到干燥所處理的物料特性，例如醫(yī)藥、生化產(chǎn)品等，它們都有大量的生物活性成分，無法承受高溫介質(zhì)環(huán)境，為此，大多數(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)會直接選擇 真空冷凍干燥。但冷凍干燥存在著能耗高、操作時間長、需要二次處理產(chǎn)品等不足。近年來，國外研究人員開始把噴霧干燥和冷凍干燥結(jié)合起來，從而形成了新的干燥技術(shù)，即噴霧冷凍干燥技術(shù)。 Sonner 采用了噴霧制冰粉和真空冷凍干燥結(jié)合的方法，研究了兩段式噴霧冷凍干燥對蛋白質(zhì)性能的影響。瑞士的 Leuenberger 等也采用噴霧冷凍制粉和流化床干燥結(jié)合的辦法，研究了該種兩段式噴霧冷凍干燥對藥品性能的影響。最近，筆者獲得了國家林業(yè)局 948 項目的支持，也開始這方面的研究，希望在上述研究的基礎(chǔ)上能有所突破。 噴霧干燥的研 究主要是集中在霧化裝置結(jié)構(gòu)和整個干燥系統(tǒng)設(shè)計以及模型的建立上。除了單純的噴霧干燥技術(shù)，噴霧干燥還與其他的干燥技術(shù)相結(jié)合，形成新型的干燥技術(shù)，如噴霧冷凍干燥技術(shù)。除了噴霧冷凍干燥技術(shù)，現(xiàn)階段新興發(fā)展起來的還有噴霧干燥與流化床結(jié)合起來的干燥技術(shù)。 噴霧干燥自動控制系統(tǒng)的概述 自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。它主要包括自動檢測、自動控制、自動保護、自動操作等方面的內(nèi)容。