多喷头压力喷雾干燥塔喷嘴的设计及注意事项

刘殿宇

（华禹乳品机械制造有限公司，黑龙江安达 151400）

1 前言

压力喷雾干燥塔的生产能力达到一定量时，如蒸发量大于或等于1 000kg/h 时就不宜采用单喷头进行喷雾干燥，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20μm～60μm 之间）[1-2]，易产生线状流；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，粉尘过细，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。仅以RGYP03-1000 型压力喷雾干燥塔在奶粉生产中的应用为例加以阐述。

2 主要技术参数及结构特点

（1）物料介质：牛奶

（2）生产能力：1 000kg/h

（3）进料质量分数：38%～40%

（4）进料温度：48℃～51℃

（5）进风风量：40 000 m3/h～45 000 m3/h

（6）进风温度：150℃～160℃

（7）排风风量：52 000 m3/h～58 500 m3/h

（8）排风温度：75℃～85℃

（9）出粉质量分数：97.5%

（10）喷头只数：3

结构特点：本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，在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、二次干燥并冷却，使粉的温度降至38℃～40℃，然后进入下一道工序。

3 多喷头的结构设计

3.1 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旋涡型喷嘴。

喷嘴的孔径按下式计算：

式中：S — 喷嘴孔截面积，m2；

V — 流体流量，m3/s。

这 里V=1 695.6÷1 100÷3 600=4.28×10-4m3/s（浓缩后浓奶量为：W=（1 000×97.5）/（97.5-40）=1 695.6kg/h，密度按1 100 kg/m3计算。）

C0— 喷嘴流量系数，这里C0=0.52（雾化角为55º）

g — 重力加速度，m/s2，g=9.81 m/s2

ΔP — 喷嘴进出口压力之差，Pa这里ΔP=（1.5×107+1×105）-1×105=1.5×107Pa

r — 流体的密度，kg/m3，r=1 100 kg/m3

3.2 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略所不同。单喷头喷枪是在热风分布器的中心进入干燥塔进行喷雾，而多喷枪则是围绕热风分布器中心对称分布，如图1所示。本例三喷枪均匀分布于分度圆直径为380mm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150º，而单喷头没有夹角。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可改变喷嘴喷雾的位置，而单喷头则不能。多喷头具体转动做法是：根据物料的浓度首先确定高压泵的合适压力，调节依据是:根据粉的颗粒、水分含量及三喷嘴在干燥塔中雾化状态即雾距交汇状态转动喷枪刻度盘的位置（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）调定好并锁紧。然后检查出粉的颗粒及水分含量，确定是否更换喷嘴的孔径。

图1 多喷头热风分布器

3.3 多喷头喷雾干燥的热风分布器的设计

多喷头喷雾干燥的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，一种为小分布孔式的结构。分风筒式的热分布器在国内应用比较普遍。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进行分配，然后再进入热风总管中，由主热风管道把热风较为均匀地导入干燥塔中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：

进入热风分布器的风速一般按9m/s～13m/s 计算[3-6]。

本例进风管的截面积：

F=40 000/(13×3 600)=0.855 m2

本例采用6 个分风筒，每个分风筒的直径为：

进入干燥塔主管道直径与进风管道直径相等效果已很好。每个分风筒根据热风在塔内的风速情况可在热风分布器中固定的分布板上进行上下调整。

4 多喷头喷雾适应范围及设计注意事项

由生产能力的大小、料液浓度的高低、高压泵的压力几个参数确定出合适的喷嘴孔径进行生产。喷雾干燥塔生产能力越大，进风量，干燥塔的直径也越大，一个生产能力为1 000kg/h 干燥塔其直径都在4 500mm～5 500mm 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喷嘴的孔径也增大，如果压力不变雾滴就会变大，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加大，塔径加大，受单喷嘴雾化角（通常雾化角在50º～60º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的及参与有效热交换，从而导致塔内及排风温度升高，也是能源的浪费。所以，大型干燥塔应考虑采用多喷嘴喷雾干燥。蒸发量在1 000kg/h的塔就应采用多喷头，如本例采用3 喷头喷雾在实际应用中效果已经比较好。

多喷头喷雾喷枪随刻度盘可转动，转动盘上刻有数值。通常采用高压软管与喷枪联接，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的结构。此外，高压喷枪必须做可进行清洗的并可构成清洗回路的清洗管线，其杀菌通常采用蒸汽进行杀菌。喷枪套管中吹入室内空气防止插入热风分布器段的喷枪由于高温作用产生结焦。热风分布器内温度高，其保温绝热厚度不低于100mm。

5 结束语

不同行业不同物料的喷雾干燥生产应用都证明，大蒸发量如水分蒸发量大于或等于1 000kg/h的干燥塔如果采用单喷头进行喷雾干燥则会引发诸如上述生产上的一些问题，产品质量也随之下降。采用多喷头喷雾干燥可克服上述的弊端，产品质量也好。采用多喷头喷雾干燥要注意的是：喷头喷雾的交汇处料液的雾化状态，三喷枪雾滴交汇过多会导致雾滴变大或雾滴变得密集，甚至产生现状流，出现潮粉，即水分含量超标。出现块状或粘条状。每一次更换喷嘴时，调节后要做好最佳生产状态的记录。作为下个生产的依据。

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

[2]天津轻工业学院轻化工机械教研室编.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的应用[J].中国茶叶,2009(7):21-22.