新型内置固定流化床的设计

李亚荣，牟光庆，恽海明，刘明洁

(1.大连工业大学食品学院，辽宁 大连 116034；2.北京中轻机乳品设备有限责任公司，北京 100038)

0 引 言

喷雾干燥技术在乳粉生产中应用广泛，但干燥塔能耗高，效率低，为解决上述问题，NIRO公司和唐金鑫等先后提出过多段干燥技术，如唐金鑫等[1]在“我国喷雾干燥技术研究及进展”一文中提出三段干燥系统虽然一次设备投资大，但干燥效率高。随着干燥技术的发展，三段喷雾干燥的应用逐渐广泛[2]，近年我国也引入了三段干燥系统，即在干燥塔锥形底端增加固定流化床，将塔内干燥和振动流化床干燥连接起来形成三段干燥。

与传统固定流化床相比新型固定流化床做了以下几方面改进。第一，为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，为了制作简单美观，固定床的外底封头采用圆锥形。第三，在固定流化床的落粉管处增加调粉装置，使粉均匀下落。

1 新型内置固定流化床的组成结构

1.1 组成结构

本设计固定流化床主要由五部分组成，分别是包皮结构、附聚管、进风口、筛网和出粉系统，如图1所示。

图1 固定流化床主视图

1.2 各组成部分的功能

包皮结构组成固定床轮廓，起到支撑作用，向内外包皮之间填充保湿的介质形成保温层。附聚管连接细粉管，使细粉进入流化床，与筛网上的乳粉附聚。进风口的第二段接管与水平方向设计15°夹角，热风进入床内与倾斜的内底封头相遇，然后风向上折返到达筛板(图3)，从腮形筛孔中穿出，而乳粉在筛板上的整体运动轨迹如图3箭头所示。筛板上每相邻的行和列之间筛孔的开孔方向夹角均设计呈60°(图4)，使热风分布均匀，乳粉顺利流化向前运行(图5)，到达出粉口。出粉系统中设计粉调节装置，可以根据生产需要调节落粉量，使粉均匀干燥。

图2 固定床俯视图

图3 固定床筛板俯视图

图4 筛板放大图

图5 物料运行示意图

2 新型内置固定流化床的作用

2.1 对乳粉进行二次干燥

固定流化床对来自塔干燥室的乳粉有进一步干燥的作用。固定流化床的工作原理[3]：散状物料置于筛板上，热风自下而上通过筛网，引起乳粉“沸腾”和流动。

乳粉在干燥塔中停留的时间越短越好，一般10～30 s[4]。新型固定流化床的设计使干燥塔内主要完成短时间的恒速干燥，将乳粉干燥至水含水量8%～10%[5]，接着乳粉在固定床中进行降速干燥，水分降至4%～6%后，进入振动流化床。

2.2 对乳粉进行二次附聚

附聚过程分两个阶段，首先细小颗粒相互碰撞形成中间结构；接着颗粒长大形成直径250～750 μm的多孔大颗粒簇。附聚是速溶奶粉生产中必不可少的步骤，可以增加乳粉的速溶性，分散性和流动性[6]。一般两段干燥系统中细粉被送至塔顶雾化区和振动流化床处进行附聚。

在三段干燥系统中，设计固定流化床时增加了附聚管，使捕集到的细粉可以通入固定床进行附聚。与两段干燥系统相比增加了固定床附聚。

3 新型内置固定流化床的优点

3.1 节能降耗提高干燥效率

干燥效率为[7]

式中：Ti为干燥塔进口热风温度；To干燥塔出口排风温度，Ta为周围空气温度。

如干燥效率公式所示降低干燥塔排风温度(To)，可提高干燥效率。由于塔排风温度决定了出粉的含湿量，降低排风温度To易导致从干燥室出来的乳粉含水量高(8%～10%)，乳粉易粘连。本设计使固定床置于干燥塔底端承接含湿量较高的乳粉，这部分乳粉在固定床中能继续流化干燥，进一步脱去2%～4%的水分。因此设计固定流化床允许干燥塔排出含湿量较高的乳粉，降低排风温度，提高干燥效率。

4 新型内置固定流化床的创新之处

4.1 固定流化床附聚接管的设计

相比于早期设计的固定流化床，本设计在距固定床上边缘0.3 m处增加了φ0.102 m的附聚管，与水平方向呈15°夹角，既实现了细粉在固定床处的附聚；又使干燥系统的附聚增加至三级(塔顶附聚、固定床附聚、振动床附聚)，生产工艺可根据实际需要在两极和三级附聚之间切换。

4.2 固定流化床圆锥形底封头的设计

内包皮底封头是与水平方向呈10°夹角的斜面，由于本设计固定床的直径较大(φ3m)，所以必须有底封头拉筋才能将其支撑平整。以往固定床外包皮底封头的设计和内包皮底封头相同，底面板幅太宽焊接后不易保持平整且支撑作用较弱。故本次新型内置固定流化床外封头设计采用圆锥形，制作较简单，既能克服斜面封头不易保持平整的问题，又能起到较好的支撑作用。

5 设计中的物料衡算及热量衡算

5.1 固定流化床主要尺寸计算

绝干物料进料量W1为

固定流化床进料量W2为

振动流化床进料量W3为

最终产品量W4为

式中：C为浓奶干物质质量分数48%；C1为固定流化床上物料含湿量9%；C2为振动流化床上物料含湿量5%；C3为最终产品含湿量3%；W0为浓奶进料量(5939 kg/h)。

乳粉的体积密度ρb为[8]

式中：ε为乳粉颗粒间的空间体积ε=0.7；ρp为脱脂乳粉的颗粒密度ρp=900 kg/m3。

落在固定床上乳粉的体积V1为

式中：W2为固定床进料量，3133 kg；ρb为乳粉的体积密度，270 kg/m3。

假设乳粉在固定床中最长停留10 min，则固定床用于流化干燥乳粉的有效容积V2：

式中：V1为落在固定床上乳粉的体积，11.6 m3/h。

筛网距离固定床顶端的最小高度为

式中：V2为固定床有效容积，1.93 m3；S为固定床筛网面积，7.07 m2。

因乳粉流化时粉层膨胀高度一般为0.2 m，为使乳粉流化空间充足，设计中筛网距床体上边缘实际距离h1为

式中：h为筛网距离固定床顶端最小高度，0.27 m。

5.2 进风系统耗气量的计算

表1干燥介质的状态参数如表1所示。

5.2.1 设备热损失[9～10]

固定床散热面积为

式中：r为固定床外径半径；1.57 m；h为固定床高度，1.62 m。

表1 干燥介质的状态参数

表面散热损失θ为

式中：K为传热系数，41.8 kJ/ (m2·℃·h)；Δt为固定床表面与环境温差，28℃；F为固定床散热面积，23.71 m2。

单位蒸发量热损失ΔQ为

式中：θ为表面散热损失，27750.2 kJ/h；G为固定床蒸发量，132 kg/h。

(3)排出废气状态参数

如图6，加热前空气在湿焓图上为状态点A(d0，I0)，新鲜空气由A点开始受热，升温至t1=110℃，热焓升至I1=140 kJ/kg，此时湿含量不变d0=d1，在湿焓图上空气状态点为B(d1，I1)。假设排出废气湿含量为d3=0.06 kg/kg

废气热焓I3为

由d3和I3设定状态点D(d3，I3)，连接BD，温度t2=70 ℃的温度线与直线BD交于C点，则C点即为排出废气状态点，查得排出废气状态参数：d2=0.025；ψ2=13%；I2=138 kJ/kg；t2=70 ℃

图6 I-x图解法示意图

5.2.2 新鲜空气耗量

(1)空气耗量

式中：G为固定床蒸发量，132 kg/h；d0为加热前空气湿含量，0.012 kg/kg；d2为排出废气湿含量，0.025 kg/kg。

考虑20%风量损失，实际空气耗量L1为

式中：L为计算空气耗量，10154 kg/h。

换算成新鲜空气的体积用量V为

式中：V0为新鲜空气比容，V0=0.861 m3/kg干空气；L1为实际空气耗量12185 kg/h。

(2)风机的选择

排风机风量按经应比进风风量高20%～30%，即

式中：V为新鲜空气体积用量，10500 m3/h。

5.3 加热蒸汽耗量的计算

(1)热能消耗量

热损失取20%，热能消耗量Q为

式中：I0为空气加热前热焓，50.2 kJ/h；I1为空气加热到110℃时热焓，140 KJ/h；L1为实际空气耗量，12185 kg/h。

(2)加热蒸汽用量

式中：Q为热能消耗量，1313055.6 kJ/h；I为0.6 MPa时加热蒸汽热焓，2755.9 kJ/kg；I0为100 ℃冷凝水热焓，419.3 kJ/kg；η为蒸汽热效率90%。

6 结 论

近几年国内新建乳品厂广泛引进三段干燥系统，旨在提高乳粉质量，降低能源消耗。与总蒸发量3 000 kg/h三段喷雾干燥塔配套设计的新型内置固定流化床，筛网距床体上边缘高度0.50 m，附聚管与水平方向夹角15°，固定床进风温度110 ℃，进风量1.05×104m3/h，排风量1.365×104m3/h，加热蒸汽用量6.25×102kg/h。 新型内置固定流化床的设计一方面降低了排出热风的温度，提高干燥效率；另一方面增加了附聚功能和干燥环节，改善了乳粉的速溶性，圆锥形外底封头的设计，制作简单美观且支撑牢固。在乳品干燥设备设计上的创新和完善，会在很大程度上推动中国乳品工业绿色发展。

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