喷雾干燥器尾气流速测量方法分析

李彻

（广州诺诚生物制品股份有限公司，广东广州 511495）

喷雾干燥器尾气流速测量方法分析

李彻

（广州诺诚生物制品股份有限公司，广东广州 511495）

测量喷雾干燥器尾气的流速，需先确定显示仪表与挡板开度之间关系，目的是确认用于检验显示是否准确。然后确定挡板开度与流速之间关系，通过仪表显示确定挡板开度，根据雷诺数Re和流体流速的关系，计算湍流流型管道内速度分布，进而确定气体流量。

开度；流速；雷诺数

目前，药厂所使用的喷雾干燥器，在其尾气排放系统中装有电动风阀，风阀的开度可以在显示仪表上读出，但管道内流速却没有要求测量，生产完成与否，凭操作人员经验决定。如果知道尾气排放的流量，可以计算出药液中水蒸气或者溶媒的排放速度、总量，根据投料量，确定喷雾干燥所需时间，进而对喷雾干燥工序进行精确地控制。要测量尾气流量，首先要对显示仪表与挡板开度之间关系进行校验，目的是检验显示是否准确。接着是确定挡板开度与流速（流量）之间的关系，用于通过仪表显示确定挡板开度，进而确定气体流量。

1 确认显示仪表读数正确

通过校验，确认显示仪表正确，从而可以根据需要在显示仪表上设定排风阀的开度。首先在排气管道的水平段上，排风机后开一个孔，焊接一小段带内牙的立管。测量时，将测速仪的探头插入立管内，探头的插入深度为0.9 R （R为排气管道内半径）。启动设备，在设备运行稳定后，观察测速仪读数，待读数稳定后，则可记录此时的风速u1（读数在较小范围内上下波动时，取最大、最小读数的中间值）。停止设备， 重新调整探头的插入深度，深度分别为0.8 R、0.75 R、0.7 R、0.6 R、0.3 R，在每个插入深度下重复以上步骤，得到u2、u3、u4、u5、u6，将上述的u2、 u3、u4、u5、u6取平均值，得到一个平均值um1，对应的正是设定开度下气体的平均流速。平均流速 um与截面积的乘积，即为该挡板开度下对应的气体流量Vm1。设定新的开度，重复以上过程，得到不同开度下的um2、Vm2。将不同开度下对应的气体流量进行总结，绘制成表格（或曲线），供生产使用。定期采用上述方法，对该设备及生产工艺进行检验。

2 管内流体流速的计算

2.1 计量关系

（1）对于规则几何边界的管道，管内流体流速（或流量）的计算，采用平均流速um与管道内流体的流量可以采用平均流速和管道截面积来计算[1]：

式中：V为气体流量， um为平均流速，A为管道截面积，d为管道内直径。

（2）测量得到的数值为特定位置的即时数值ut；

（3）水平直管的管道中间位置存在气体的最大速度umax。

建立um、ut、umax之间的函数关系，尤其是um、ut的关系，则可以得到显示仪表读数和体积流量的关系。

2.2 计算过程

雷诺数Re是表征流体流动特性的一个重要参数。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的黏性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流动状态。估算管道内流体的雷诺数Re：

对于空气（含有少量水分，湿度未知），在100 ～ 120 ℃之间，取空气的平均密度为：

空气的平均黏度为：

管道的直径为：

管道的截面积为：

计算得到流体流速和雷诺数的关系为：

2.3 流型判断

由于喷雾干燥过程中，处理的介质为高温下的空气，其黏度较小；空气用量较大，流体流速比较大；空气中夹带的杂质物料部分焦化，附着在管道内壁面上，这些因素有利于管道内流体形成湍流。从雷诺数Re和流体流速u的关系可知，当u＞1 m/s，Re＞4 000，管道内流体发展成充分的湍流流型。湍流流型管道内速度分布为[2]：

此时平均流速为：

假设管道内流体的流速10 m/s，则Re为105。此时，n = 7.3，计算得到：

2.4 边界层厚度

根据上述计算结果，计算边界层厚度为：

式中：Re为105，d为0.25 m。由此可见，边界层非常薄，不够1 mm厚，测量时边界层的厚度对测量结果不会有很大的影响。平均流速和及时流速的关系，利用（8）、（9）可知：

计算结果如下：

将rx= 0.3 R代入，计算得到ut= 1.157 um；

将rx= 0.6 R代入，计算得到ut= 1.072 um；

将rx= 0.7 R代入，计算得到ut= 1.030 um；

将rx= 0.75 R代入，计算得到ut= 1.005 um；

将rx= 0.8 R代入，计算得到ut= 0.975 um；

将rx= 0.9 R代入，计算得到ut= 0.886 um。

上述平均值为ut= 1.021um。

采用测量点和计算方法得到的流速的误差在2.1 %以内。因此，只要固定适当的深入位置，通过测速仪可以测得该点的即时速度，即可进行平均流速和流量的计算。由此可见，当测量深度相差为0.1 R，即测量位置相差为25 mm时，速度相差为小于0.05 ux，插入的深度越小，位置波动造成的误差越小。

3 结束语

给出了一种确定断面平均风速的新方法，理论分析与实验表明，该方法既能保证测试精度，又能减少实验工作量。由于工作实际的复杂性，新法可与等面积圆环法结合使用，相互校核。运用喷雾干燥器尾气流速测量方法，得出某品种药物在喷雾干燥过程中，排气的流速、流量与对应的管道挡板开度、运行时间的关系，从而确定该工序新的设置参数：显示仪表开度设置参数、运行时间设置参数。在生产过程中，操作人员增加设置以上两个参数，当运行时间达到所设置的参数，设备停止。对经喷雾干燥后的半成品进行残留溶媒检测，结果符合要求，证明此新方法有效，避免了人为主观的差异性。

[1]李安桂， 李俊明， 王瑞祥，等. 确定管内平均流速的圆心法[J].西安建筑科技大学学报， 1995，27（1）：53-56.

[2]中国建筑科学研究院，等. 民用建筑采暖通风设计技术措施[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1986.

Analysis of Method for Measurement of Exhaust Gas Velocity in Spray Dryer

Li Che
（Guangzhou Promise Biologics Co., Ltd, Guangzhou 511495）

In order to measure the velocity of exhaust gas in spray dryer, the relationship of the value displayed in instrument and the opening angle of baff l e should be determined fi rst so as to verify the precision of the instrument. Then the relationship of baff l e opening and flow velocity was determined so that baff l e opening can be determined from the display in instrument. On the basis of above calibration and relationship of Re number and fluid velocity, the velocity distribution of fluid, in turbulent phase, in piping can be calculated, and the flow of gas can be further determined.

baff l e opening; flow velocity; Reynolds number

TQ 051.8+92

A

2095-817X（2017）01-0038-003

2016-08-09

李彻（1973—），男，高级工程师，注册监理工程师，主要从事设备工程管理工作。