多喷头压力喷雾干燥塔喷嘴的设计

刘殿宇

（华禹乳品机械制造有限公司)

0 前言

压力喷雾干燥塔的生产能力大到一定量时，如蒸发量大于或等于1000 kg/h时，就不宜采用单喷头进行喷雾干燥。大生产能力的喷雾干燥塔采用单喷头喷雾干燥易产生如下不良效果：雾滴变大 （正常的雾滴直径在20～60 μm之间）[1-2]，雾化不充分，易产生线状流；产品水分含量容易超标；粉易结块或产生夹心粉；受单喷头雾化角约束，雾化料液与热空气热交换不够充分，干燥塔内温度升高，排风温度升高；塔壁结垢严重。如果采用小孔径单喷头进行喷雾生产，奶粉颗粒会过细，甚至还会影响冲调。因此，大蒸发量的压力喷雾干燥塔应该考虑采用多喷头进行喷雾干燥。其设计过程与单喷头有所不同。

本文以RGYP03-1000型压力喷雾干燥塔在奶粉生产中的应用为例，对多喷头和热风分布器的结构设计进行了阐述。

1 主要技术参数及结构特点

该压力喷雾干燥塔的主要技术参数如下所述。

（1）物料介质：牛奶；

（2） 生产能力： 1000 kg/h；

（3）进料质量分数：38%～40%；

（4） 进料温度： 48～51℃；

（5） 进风风量： 40000～45000 m3/h；

（6） 排风风量： 52000～58500 m3/h；

（7） 排风温度：75～85℃；

（8）出粉质量分数：97.5%；

（9）喷头数量：3只。

压力喷雾干燥塔结构特点：该喷雾干燥塔采用三喷头进行喷雾干燥，采用两级捕粉 （即旋风捕集加布袋捕集）并回收喷雾干燥塔排风中携带的粉尘。旋风捕集下来的粉尘经由旋转出料阀卸料，再由罗茨风机将其送入干燥塔的雾化区内重新聚结造粒。塔下出粉口接卧式振动流化床，对粉进行团粒化、整形、二次干燥和冷却，使粉的温度降至38～40℃，然后进入下一道工序。

2 多喷头的结构设计

2.1 多喷头喷嘴孔径的设计

压力喷嘴的形式较多，目前比较常用的是切线漩涡型喷嘴。

喷嘴的孔径按下式计算[2]：

式中S——喷嘴孔截面积，m2；

V——流体体积流量，m3/s；

C0——喷嘴流量系数，这里C0=0.52（雾化角为 55°）；

△p——喷嘴进出口压力差，Pa；本文设备为

ρ——流体的密度，kg/m3。

流体流量V按浓缩后的牛奶量1695.6 kg/h计算，此时牛奶密度 ρ=1100 kg/m3，即流体体积流量将有关数据代入上式，得：

采用3个喷头时，单个喷嘴的孔径d为：

2.2 多喷头的结构设计

多喷头喷枪的结构及其在热风分布器上的分布与单喷头喷枪有所不同。单喷头喷枪是在热风分布器的中心进入干燥塔进行喷雾，而多喷头喷枪则是围绕热风分布器中心对称分布的。本例采用的三喷头喷枪均匀分布于分度圆直径为380 mm的圆周上。多喷头喷雾时每个喷嘴与喷枪轴线成一定夹角（根据干燥塔直径确定），本例夹角为150°，而单喷头则没有夹角。多喷头喷枪可根据喷嘴在喷雾干燥塔中喷雾情况进行转动调节，可改变喷嘴喷雾的位置，而单喷头则不能。多喷头调节的具体做法是：首先根据物料的浓度确定高压泵的合适压力，然后根据粉的颗粒度大小、水分含量及三喷头在干燥塔中的雾化状态 （即雾距交汇状态）转动喷枪刻度盘进行调节，调定后并锁紧。喷枪与上刻度盘为一体结构，下刻度盘固定于热风分布器上。根据粉的颗粒度大小和水分含量，还可确定是否更换喷嘴改变孔径。

2.3 多喷头喷雾干燥塔热风分布器的设计

多喷头喷雾干燥塔热风分布器与单喷头热风分布器的结构形式基本相同。目前压力喷雾干燥塔的热风分布器有两种：一种为分风筒式结构，一种为小分布孔式结构。分风筒式热风分布器在国内应用比较普遍。其工作原理是：进入的热风先经由几个或多个分风筒将热风较为均匀地进行分配，然后再进入热风总管，由主热风管将热风较为均匀地导入干燥塔，与雾化物料进行热与质的交换。

热风分布器的结构尺寸确定如下：

进入热风分布器的风速一般按9～13 m/s计算[3-6]。

本例进风管的截面积为：

进风管道直径为：

采用6个分风筒，每个分风筒的直径为：

进入干燥塔内的主管道直径与进风管道直径相等时，可取得很好的效果。每个分风筒在热风分布器分布板上的位置可根据塔内的风速情况进行调整。

3 多喷头喷雾适应范围及设计注意事项

由喷雾干燥塔的生产能力、料液浓度和高压泵的压力等多个参数可确定出合适的喷嘴孔径。喷雾干燥塔生产能力越大，进风量和干燥塔的直径也就越大。一座生产能力为1000 kg/h的干燥塔其直径通常在4500～5500 mm之间，如果采用单喷头进行喷雾干燥，就可能产生两种情况：一是雾化效果不佳，二是雾滴过细。大生产能力的干燥塔其喷嘴的孔径通常也相应地较大，如果压力不变雾滴就会变大，甚至还可能会出现线状流。如果提高高压泵压力，就会造成潮粉出现。如果选择过小的喷嘴喷雾，雾滴直径就会变小，生产出的粉颗粒变细，对有颗粒要求的奶粉等来说感官不好，冲调也受到影响。最重要的是随着干燥塔生产能力的增大和塔径增大，受单喷嘴雾化角 （通常雾化角在50°～60°之间）的约束，雾滴不能与热空气在最佳的热交换区域内瞬间进行充分的热交换，有剩余热空气没有来得及参与有效的热交换，从而导致塔内和排风的温度升高，造成了能源的浪费。所以，大型干燥塔应考虑采用多喷嘴喷雾干燥。蒸发量在1000 kg/h的干燥塔就应采用多喷头，本文所述的例子就采用了三喷头喷雾，并在实际应用中取得了较好的效果。

多喷头喷雾喷枪可随刻度盘转动，即可按刻度盘上的数值进行调节。通常采用高压软管与喷枪连接，与之相连的另一端为分料缸，分料缸要求设计成便于清洗或清理的可拆卸式结构。此外，高压喷枪必须具有进行清洗并构成清洗回路的清洗管线，其杀菌通常采用蒸汽进行杀菌。喷枪套管中吹入室温空气，以防止插入热风分布器段的喷枪由于高温作用而产生结焦。热风分布器内温度高，其保温绝热层的厚度不应低于100 mm。

4 结束语

不同行业、不同物料的喷雾干燥生产应用都表明，大蒸发量 （如水分蒸发量大于或等于1000 kg/h）的干燥塔如果采用单喷头进行喷雾干燥，会引发生产上的一系列问题，产品质量也会随之下降。采用多喷头喷雾干燥可克服这些弊端，产品质量也能保证。采用多喷头喷雾干燥要注意喷头喷雾交汇处料液的雾化状态，雾滴交汇过多会导致雾滴变大或雾滴变得密集，甚至产生线状流，出现潮粉，即水分含量超标，产品出现块状或条状。每一次更换喷嘴时，调节好后要做好最佳生产状态的记录，以作为下次生产的依据。

[1] 夏青，陈常贵.化工原理 （上） [M].天津：天津科学技术出版社，2005.

[2] 天津轻工业学院机械系，轻化工机械教研室编写组.乳品机械 [M].天津：天津轻工业学院，1985.

[3] 刘殿宇.喷雾干燥系统捕粉结构形式的发展及其应用效果 [J].中国乳业,2010（1）：45-47.

[4] 刘殿宇.脉冲反吹捕粉装置在奶粉喷雾干燥生产中的设计及应用 [J].乳业科学与技术，2006（3）：123-124.

[5] 刘殿宇.喷雾干燥系统捕粉结构形式的发展及其应用效果 [J].乳业导刊，2005（2）：24-26.

[6] 刘殿宇.压力喷雾干燥系统在速溶茶粉生产中的应用[J].中国茶叶，2009(7)：21-22.