噴霧干燥未能達到生產能力的原因分析

劉殿宇

（華禹乳品機械制造有限公司，黑龍江安達 151400）

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噴霧干燥未能達到生產能力的原因分析

劉殿宇

（華禹乳品機械制造有限公司，黑龍江安達 151400）

摘 要在實際應用中一些噴霧干燥塔并沒有達到設計的生產能力，其主要原因是干燥塔進風風量計算不正確、加熱面積不足、有效容積偏小、對參數(shù)掌握不足。對此進行原因分析，提出計算和解決方法。

關鍵詞噴霧干燥；生產能力不足；原因；設計計算

在實際應用中，一些噴霧干燥塔并沒有達到設計的生產能力，其主要原因是干燥塔進風風量計算不正確；加熱面積不足；有效容積偏??；對參數(shù)掌握不足。噴霧干燥受自然環(huán)境影響不可忽視，我國南北方天氣條件差異較大，對噴霧干燥生產影響較大，如果不能考慮充分就會影響噴霧干燥的生產能力[1]，僅以

RGYP 01-500型立式壓力噴霧干燥塔用于奶粉生產為例進行闡述。

1 主要技術參數(shù)

（1）生產能力：500 kg/h；

（2）環(huán)境溫度：25 ℃；

（3）進料質量分數(shù)：45 %；

（4）空氣相對濕度：81 %；

（5）出料質量分數(shù)：98 %；

（6）進風量：22 000～25 000 m3/h；

（7）進風溫度：150～160 ℃；

（8）排風量： 28 000～32 500 m3/h；

（9）排風溫度：75～85 ℃（這里按最高可能出現(xiàn)的排風溫度95 ℃計算）；

（10）噴頭支數(shù)：1；

（11）袋濾器過濾面積：203 m2；

（12）使用蒸汽壓力：0.8～0.9 MPa。

2 噴霧干燥進風風量計算

噴霧干燥塔進風風量是由物料衡算與熱量衡算確定的。

2.1 物料衡算

進料量：S = 500×98/（98-45）= 924.5 kg/h。出料量：S' = 924.5-500 = 424.5 kg/h

2.2 熱量衡算

干燥塔進風量計算過程

空氣濕度按下式計算：

式中 H—濕度，kg/kg；

φ—相對濕度，%；

Ps—混合空氣中水蒸氣分壓，kPa。

風機所處環(huán)境溫度為25 ℃，相對濕度為81 %，25 ℃飽和空氣分壓為3.168 4 kPa，則H值為：

H= 0.622φPs/（101.3-φPs）=0.016 kg/kg

空氣經過加熱器其濕度不變即H = H1

空氣離開干燥塔溫度為368 ℃，確定其濕度及干空氣用量。干空氣用量按下式計算：

式中 L—干空氣量，kg/h；

Q1—蒸發(fā)水分所需熱量，kW；

Q2— 被干燥物料由θ1升溫至θ2所需熱量，kW；

Q3—干燥塔熱損失，kW；

t1—空氣加熱后溫度，K ，t1= 433 K；

t2—空氣離開干燥塔的溫度，K ，t2= 368 K；

θ1—干燥前料液溫度，K ，θ1= 313 K；

θ2—干燥后粉料的溫度，K ，θ2= 368 K；

θ2= 368 K

Q1按下式計算：

式中 W—水分蒸發(fā)量，kg/s。

Q1= 347.93 kW。

Q2按下式計算：

Q2= GC（θ2- θ1）

式中 G—絕對干料量，kg/s，這里G = 0.118 kg/s；

C—干料比熱，這里C = 3.514 kJ/（kg·k）。

則：Q2= 10.37 kW。

Q3為干燥塔熱損失，這里按（Q1+ Q2）的10 %計入：

Q3= 35.83 kW。

則干空氣用量：

L = 5.83 kg/s。

濕空氣體積流量按下式計算：

ν = L （0.773 + 1.244 H）（t0/273）

ν= 5.046 m3/s。

實際干燥塔進風機量ν'按1.25倍的計算值選取，即ν' = 6.31 m3/s。

離開干燥塔空氣濕度按下式計算：

L = W/（H2- H1）

則：H2= 0.039 kg/kg。

3 空氣加熱器換熱面積計算

空氣從25 ℃經過加熱后升溫至160 ℃的熱量為：

Q = 6.31×1.2×1.01（160 - 25）=1 032.44 kJ/s

換熱面積按下式計算：

F = Q/( k·Δt )

式中 F—換熱面積，m2；

Q—加熱熱量，kJ/h，這里Q = 3 716 784 kJ/h；

k— 傳熱系數(shù)，kJ /(m2·h·℃)，本例選擇SRL型加熱器，k[3]=15.2（vp）0.24，kJ /( m2·h·℃)，vp空氣質量流量一般按8 kg/m2·s選取，則k = 15.2×80.24 = 89 kJ /(m2·h·℃)；

Δt— 傳熱溫差，℃。Δt = t1- （t0+ t1）/ 2 = 70 ℃。

則F = 3 716 784/( 89×70 ) = 596.6 m2

實際換熱面積按計算值的1.5倍選取，即F' = 894.9 m2。

因此，從計算中可看出噴霧干燥系統(tǒng)進風量及加熱器換熱面積的計算與當?shù)氐沫h(huán)境條件密切相關，其它附屬設備的設計也必須根據當?shù)氐沫h(huán)境條件確定出符合當?shù)貤l件的設計方案。噴霧干燥是在負壓下生產的，為保持干燥塔內的負壓，排風機強制帶出的熱量也是非常大的，這部分熱量在熱平衡計算中并沒有體現(xiàn)出。需要特別說明的是沒有排風機其拍風溫度卻很高，因為此時空氣比容較大，有了排風機空氣體積變大溫度降低[4-5]。這也是為什么計算往往與實際應用會有較大出入的原因。噴霧干燥在沒有充分考慮余熱回收生產狀況下，其熱效率一般僅在53 %左右，因此，提高干燥塔熱利用率，控制好干燥塔內的負壓是關鍵。

4 噴霧干燥塔有效容積的計算

噴霧干燥塔的理論計算是比較復雜，根據不同的物料及其噴霧干燥的參數(shù)要借助實驗的方法一般是將噴霧干燥過程分為恒速干燥階段與降速干燥兩個階段[6]。在兩個階段取得液滴在干燥塔中的飛翔數(shù)據然后進行計算，這種計算需要借助實驗的方法才能完成，如果計算不準確往往也與實際應用差距較大，絕大多數(shù)工廠還不具備實驗的條件。因此，工廠實驗完成此類計算仍然比較困難。用于實際工程計算絕大多數(shù)還是來自于經驗計算法。

4.1 干燥室有效容積和長度的確定

干燥室有效容積決定于水分蒸發(fā)能力與容積干燥強度，而容積干燥強度又與熱空氣進入時的溫度有關[7]：

式中 V—干燥室有效容積，m2；

W—噴霧干燥時水分蒸發(fā)量，kg/h；

q— 干燥室容積干燥強度，即單位時間，單位有效容積的水分蒸發(fā)量，kg/h。

容積干燥強度是一個經驗系數(shù)，它不僅決定于噴霧干燥的分散度、室內氣流流動情況，還決定于干燥的溫度條件和被干燥物料的分子結構，進風溫度越高，干燥強度越大，根據資料介紹[7]：

式中 TB— 進入干燥塔的熱風溫度，℃。

如：本例干燥塔水分蒸發(fā)量為500 kg/h，進風溫度為160 ℃，進風風量為24 000 m3/h，用于奶粉的噴霧干燥，干燥塔截面風速為0.67 m/s。試求干燥塔的有效高度及直徑。

4.2 干燥塔有效容積的確定

這里W = 500 kg/h，q = 0.03TB-1 = 3.8 kg/(m3·h)

則：V = 131.57 m3

d = 3.56 m圓整為3.6 m

干燥塔有效高度：

干燥塔有效高度指進風處至排風口的距離。通過這種經驗計算出的干燥塔尺寸在實際中應用效果已經很好，計算方法簡單實用。物料在噴霧干燥塔內完成干燥大概時間極短，如奶粉、速溶茶粉等的噴霧干燥生產15 s就能完成噴霧干燥并達到要求的干燥水分含量[1]。

5 未能達到生產能力的主要原因分析

物料特性、當?shù)乜諝庀鄬穸?、進風溫度、排風溫度、進料干物質含量及出粉的水分含量是設計噴霧干燥主要技術參數(shù)，不同物料及其參數(shù)其噴霧干燥過程不同，進風風量及加熱器換熱面積的計算及噴霧干燥塔有效容積的確定是決定噴霧干燥系統(tǒng)使用效果的關鍵，而空氣相對濕度大對噴霧干燥生產會帶來諸多不利影響，也是確定進風風量、加熱器的重要依據，即使同一型號的產品在南北方尤其相對濕度較大的地區(qū)應用效果差別較大。因此，設計噴霧干燥系統(tǒng)必須掌握當?shù)氐沫h(huán)境條件，尤其是空氣的相對濕度情況，這是設計噴霧干燥系統(tǒng)的重要依據，有了當?shù)氐南鄬穸葏?shù)，才會對噴霧干燥系統(tǒng)在生產過程中可能會帶來的不利影響做到心中有數(shù)，設計時才會盡最大可能避免在生產過程中出現(xiàn)這樣或那樣的問題。所以，設計噴霧干燥系統(tǒng)絕不能忽略當?shù)叵鄬穸鹊挠绊?，有些干燥塔未能達到設計生產能力與上述幾項計算都有關系，最容易忽視的就是當?shù)氐沫h(huán)境條件。其次噴霧干燥未達到生產能力也與對物料及其特性沒有掌握有關。必要時對陌生物料應該借助實驗的方法進行分析，這樣才能使設計更加合理不至于出現(xiàn)諸如生產能力不足的問題發(fā)生。

6 結束語

噴霧干燥純理論計算復雜，需要借助實驗方法得出計算數(shù)據，然后進行計算。國內企業(yè)很少有這方面的意識及實驗條件，有些噴霧干燥塔未能達到生產能力除了上述計算是否正確外，還與使用蒸汽壓力及進料干物質含量是否穩(wěn)定有關，在噴霧干燥生產過程中使用蒸汽壓力及進料干物質含量必須穩(wěn)定，必須達到設計要求，不能有較大波動，否則也會影響生產能力甚至會影響產品質量。為了保證生產能力節(jié)能降排還可以將加熱器輸出水作為進風的初級預熱然后再進入加熱段，在實際應用中已獲得良好的效果。

參考文獻

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

[2]馬曉迅，夏素蘭，曾慶榮.化工原理[M].北京：化學工業(yè)出版社.2010.8.

[3]劉殿宇. 空氣相對濕度對噴霧干燥生產的影響[J]. 乳業(yè)科學與技術，2011（4）：197-199.

[4]劉殿宇. 噴霧干燥系統(tǒng)調試過程出現(xiàn)的問題及解決方法[J].化工裝備技術，2005，26（7）：7-8.

[5]劉殿宇. 噴霧干燥連續(xù)生產的條件[J].發(fā)酵科技通訊，2015，44（3）：37-39.

[6]（丹）K.馬斯托思（K.Masters）著，黃照柏，馮爾健譯. 噴霧干燥手冊[M]，北京：中國建筑工業(yè)出版社.1983.2.

[7]無錫輕工業(yè)學院，食品工廠機械與設備[M]，北京.輕工業(yè)出版社，1981.2.

中圖分類號：TQ 051.8+92

文獻標識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）02-0046-000

收稿日期：2016-01-07

作者簡介：劉殿宇（1962—），男，高級工程師，主要研究設計方向：乳品機械，輕化工機械。

Analysis of Cause of Not Reaching Production Capacity for Spray Drying

Liu Dianyu
（Hua Yu Dairy Machinery Manufacturing Co., Ltd, Anda 151400）

Abstract:In practical application, some spray drying towers cannot reach their design capacity. In this article the main causes were analyzed and recognized as incorrect calculation for the inhaling air, small effective volume and insufficient parameters mastered.

Keywords:spray drying; insufficient production capacity; cause; design and calculation