喷雾干燥未能达到生产能力的原因分析

刘殿宇

（华禹乳品机械制造有限公司，黑龙江安达 151400）



喷雾干燥未能达到生产能力的原因分析

刘殿宇

（华禹乳品机械制造有限公司，黑龙江安达 151400）

摘 要在实际应用中一些喷雾干燥塔并没有达到设计的生产能力，其主要原因是干燥塔进风风量计算不正确、加热面积不足、有效容积偏小、对参数掌握不足。对此进行原因分析，提出计算和解决方法。

关键词喷雾干燥；生产能力不足；原因；设计计算

在实际应用中，一些喷雾干燥塔并没有达到设计的生产能力，其主要原因是干燥塔进风风量计算不正确；加热面积不足；有效容积偏小；对参数掌握不足。喷雾干燥受自然环境影响不可忽视，我国南北方天气条件差异较大，对喷雾干燥生产影响较大，如果不能考虑充分就会影响喷雾干燥的生产能力[1]，仅以

RGYP 01-500型立式压力喷雾干燥塔用于奶粉生产为例进行阐述。

1 主要技术参数

（1）生产能力：500 kg/h；

（2）环境温度：25 ℃；

（3）进料质量分数：45 %；

（4）空气相对湿度：81 %；

（5）出料质量分数：98 %；

（6）进风量：22 000～25 000 m3/h；

（7）进风温度：150～160 ℃；

（8）排风量： 28 000～32 500 m3/h；

（9）排风温度：75～85 ℃（这里按最高可能出现的排风温度95 ℃计算）；

（10）喷头支数：1；

（11）袋滤器过滤面积：203 m2；

（12）使用蒸汽压力：0.8～0.9 MPa。

2 喷雾干燥进风风量计算

喷雾干燥塔进风风量是由物料衡算与热量衡算确定的。

2.1 物料衡算

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

2.2 热量衡算

干燥塔进风量计算过程

空气湿度按下式计算：

式中 H—湿度，kg/kg；

φ—相对湿度，%；

Ps—混合空气中水蒸气分压，kPa。

风机所处环境温度为25 ℃，相对湿度为81 %，25 ℃饱和空气分压为3.168 4 kPa，则H值为：

H= 0.622φPs/（101.3-φPs）=0.016 kg/kg

空气经过加热器其湿度不变即H = H1

空气离开干燥塔温度为368 ℃，确定其湿度及干空气用量。干空气用量按下式计算：

式中 L—干空气量，kg/h；

Q1—蒸发水分所需热量，kW；

Q2— 被干燥物料由θ1升温至θ2所需热量，kW；

Q3—干燥塔热损失，kW；

t1—空气加热后温度，K ，t1= 433 K；

t2—空气离开干燥塔的温度，K ，t2= 368 K；

θ1—干燥前料液温度，K ，θ1= 313 K；

θ2—干燥后粉料的温度，K ，θ2= 368 K；

θ2= 368 K

Q1按下式计算：

式中 W—水分蒸发量，kg/s。

Q1= 347.93 kW。

Q2按下式计算：

Q2= GC（θ2- θ1）

式中 G—绝对干料量，kg/s，这里G = 0.118 kg/s；

C—干料比热，这里C = 3.514 kJ/（kg·k）。

则：Q2= 10.37 kW。

Q3为干燥塔热损失，这里按（Q1+ Q2）的10 %计入：

Q3= 35.83 kW。

则干空气用量：

L = 5.83 kg/s。

湿空气体积流量按下式计算：

ν = L （0.773 + 1.244 H）（t0/273）

ν= 5.046 m3/s。

实际干燥塔进风机量ν'按1.25倍的计算值选取，即ν' = 6.31 m3/s。

离开干燥塔空气湿度按下式计算：

L = W/（H2- H1）

则：H2= 0.039 kg/kg。

3 空气加热器换热面积计算

空气从25 ℃经过加热后升温至160 ℃的热量为：

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

换热面积按下式计算：

F = Q/( k·Δt )

式中 F—换热面积，m2；

Q—加热热量，kJ/h，这里Q = 3 716 784 kJ/h；

k— 传热系数，kJ /(m2·h·℃)，本例选择SRL型加热器，k[3]=15.2（vp）0.24，kJ /( m2·h·℃)，vp空气质量流量一般按8 kg/m2·s选取，则k = 15.2×80.24 = 89 kJ /(m2·h·℃)；

Δt— 传热温差，℃。Δt = t1- （t0+ t1）/ 2 = 70 ℃。

则F = 3 716 784/( 89×70 ) = 596.6 m2

实际换热面积按计算值的1.5倍选取，即F' = 894.9 m2。

因此，从计算中可看出喷雾干燥系统进风量及加热器换热面积的计算与当地的环境条件密切相关，其它附属设备的设计也必须根据当地的环境条件确定出符合当地条件的设计方案。喷雾干燥是在负压下生产的，为保持干燥塔内的负压，排风机强制带出的热量也是非常大的，这部分热量在热平衡计算中并没有体现出。需要特别说明的是没有排风机其拍风温度却很高，因为此时空气比容较大，有了排风机空气体积变大温度降低[4-5]。这也是为什么计算往往与实际应用会有较大出入的原因。喷雾干燥在没有充分考虑余热回收生产状况下，其热效率一般仅在53 %左右，因此，提高干燥塔热利用率，控制好干燥塔内的负压是关键。

4 喷雾干燥塔有效容积的计算

喷雾干燥塔的理论计算是比较复杂，根据不同的物料及其喷雾干燥的参数要借助实验的方法一般是将喷雾干燥过程分为恒速干燥阶段与降速干燥两个阶段[6]。在两个阶段取得液滴在干燥塔中的飞翔数据然后进行计算，这种计算需要借助实验的方法才能完成，如果计算不准确往往也与实际应用差距较大，绝大多数工厂还不具备实验的条件。因此，工厂实验完成此类计算仍然比较困难。用于实际工程计算绝大多数还是来自于经验计算法。

4.1 干燥室有效容积和长度的确定

干燥室有效容积决定于水分蒸发能力与容积干燥强度，而容积干燥强度又与热空气进入时的温度有关[7]：

式中 V—干燥室有效容积，m2；

W—喷雾干燥时水分蒸发量，kg/h；

q— 干燥室容积干燥强度，即单位时间，单位有效容积的水分蒸发量，kg/h。

容积干燥强度是一个经验系数，它不仅决定于喷雾干燥的分散度、室内气流流动情况，还决定于干燥的温度条件和被干燥物料的分子结构，进风温度越高，干燥强度越大，根据资料介绍[7]：

式中 TB— 进入干燥塔的热风温度，℃。

如：本例干燥塔水分蒸发量为500 kg/h，进风温度为160 ℃，进风风量为24 000 m3/h，用于奶粉的喷雾干燥，干燥塔截面风速为0.67 m/s。试求干燥塔的有效高度及直径。

4.2 干燥塔有效容积的确定

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

则：V = 131.57 m3

d = 3.56 m圆整为3.6 m

干燥塔有效高度：

干燥塔有效高度指进风处至排风口的距离。通过这种经验计算出的干燥塔尺寸在实际中应用效果已经很好，计算方法简单实用。物料在喷雾干燥塔内完成干燥大概时间极短，如奶粉、速溶茶粉等的喷雾干燥生产15 s就能完成喷雾干燥并达到要求的干燥水分含量[1]。

5 未能达到生产能力的主要原因分析

物料特性、当地空气相对湿度、进风温度、排风温度、进料干物质含量及出粉的水分含量是设计喷雾干燥主要技术参数，不同物料及其参数其喷雾干燥过程不同，进风风量及加热器换热面积的计算及喷雾干燥塔有效容积的确定是决定喷雾干燥系统使用效果的关键，而空气相对湿度大对喷雾干燥生产会带来诸多不利影响，也是确定进风风量、加热器的重要依据，即使同一型号的产品在南北方尤其相对湿度较大的地区应用效果差别较大。因此，设计喷雾干燥系统必须掌握当地的环境条件，尤其是空气的相对湿度情况，这是设计喷雾干燥系统的重要依据，有了当地的相对湿度参数，才会对喷雾干燥系统在生产过程中可能会带来的不利影响做到心中有数，设计时才会尽最大可能避免在生产过程中出现这样或那样的问题。所以，设计喷雾干燥系统绝不能忽略当地相对湿度的影响，有些干燥塔未能达到设计生产能力与上述几项计算都有关系，最容易忽视的就是当地的环境条件。其次喷雾干燥未达到生产能力也与对物料及其特性没有掌握有关。必要时对陌生物料应该借助实验的方法进行分析，这样才能使设计更加合理不至于出现诸如生产能力不足的问题发生。

6 结束语

喷雾干燥纯理论计算复杂，需要借助实验方法得出计算数据，然后进行计算。国内企业很少有这方面的意识及实验条件，有些喷雾干燥塔未能达到生产能力除了上述计算是否正确外，还与使用蒸汽压力及进料干物质含量是否稳定有关，在喷雾干燥生产过程中使用蒸汽压力及进料干物质含量必须稳定，必须达到设计要求，不能有较大波动，否则也会影响生产能力甚至会影响产品质量。为了保证生产能力节能降排还可以将加热器输出水作为进风的初级预热然后再进入加热段，在实际应用中已获得良好的效果。

参考文献

[1]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.

[2]马晓迅，夏素兰，曾庆荣.化工原理[M].北京：化学工业出版社.2010.8.

[3]刘殿宇. 空气相对湿度对喷雾干燥生产的影响[J]. 乳业科学与技术，2011（4）：197-199.

[4]刘殿宇. 喷雾干燥系统调试过程出现的问题及解决方法[J].化工装备技术，2005，26（7）：7-8.

[5]刘殿宇. 喷雾干燥连续生产的条件[J].发酵科技通讯，2015，44（3）：37-39.

[6]（丹）K.马斯托思（K.Masters）著，黄照柏，冯尔健译. 喷雾干燥手册[M]，北京：中国建筑工业出版社.1983.2.

[7]无锡轻工业学院，食品工厂机械与设备[M]，北京.轻工业出版社，1981.2.

中图分类号：TQ 051.8+92

文献标识码：A

文章编号：2095-817X（2016）02-0046-000

收稿日期：2016-01-07

作者简介：刘殿宇（1962—），男，高级工程师，主要研究设计方向：乳品机械，轻化工机械。

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