劉殿宇

（華禹乳品機(jī)械制造有限公司，黑龍江安達(dá) 151400）

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噴霧干燥未能達(dá)到生產(chǎn)能力的原因分析

劉殿宇

（華禹乳品機(jī)械制造有限公司，黑龍江安達(dá) 151400）

摘 要在實(shí)際應(yīng)用中一些噴霧干燥塔并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力，其主要原因是干燥塔進(jìn)風(fēng)風(fēng)量計(jì)算不正確、加熱面積不足、有效容積偏小、對(duì)參數(shù)掌握不足。對(duì)此進(jìn)行原因分析，提出計(jì)算和解決方法。

關(guān)鍵詞噴霧干燥；生產(chǎn)能力不足；原因；設(shè)計(jì)計(jì)算

在實(shí)際應(yīng)用中，一些噴霧干燥塔并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力，其主要原因是干燥塔進(jìn)風(fēng)風(fēng)量計(jì)算不正確；加熱面積不足；有效容積偏??；對(duì)參數(shù)掌握不足。噴霧干燥受自然環(huán)境影響不可忽視，我國(guó)南北方天氣條件差異較大，對(duì)噴霧干燥生產(chǎn)影響較大，如果不能考慮充分就會(huì)影響噴霧干燥的生產(chǎn)能力[1]，僅以

RGYP 01-500型立式壓力噴霧干燥塔用于奶粉生產(chǎn)為例進(jìn)行闡述。

1 主要技術(shù)參數(shù)

（1）生產(chǎn)能力：500 kg/h；

（2）環(huán)境溫度：25 ℃；

（3）進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：45 %；

（4）空氣相對(duì)濕度：81 %；

（5）出料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：98 %；

（6）進(jìn)風(fēng)量：22 000～25 000 m3/h；

（7）進(jìn)風(fēng)溫度：150～160 ℃；

（8）排風(fēng)量： 28 000～32 500 m3/h；

（9）排風(fēng)溫度：75～85 ℃（這里按最高可能出現(xiàn)的排風(fēng)溫度95 ℃計(jì)算）；

（10）噴頭支數(shù)：1；

（11）袋濾器過濾面積：203 m2；

（12）使用蒸汽壓力：0.8～0.9 MPa。

2 噴霧干燥進(jìn)風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

噴霧干燥塔進(jìn)風(fēng)風(fēng)量是由物料衡算與熱量衡算確定的。

2.1 物料衡算

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

2.2 熱量衡算

干燥塔進(jìn)風(fēng)量計(jì)算過程

空氣濕度按下式計(jì)算：

式中 H—濕度，kg/kg；

φ—相對(duì)濕度，%；

Ps—混合空氣中水蒸氣分壓，kPa。

風(fēng)機(jī)所處環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為81 %，25 ℃飽和空氣分壓為3.168 4 kPa，則H值為：

H= 0.622φPs/（101.3-φPs）=0.016 kg/kg

空氣經(jīng)過加熱器其濕度不變即H = H1

空氣離開干燥塔溫度為368 ℃，確定其濕度及干空氣用量。干空氣用量按下式計(jì)算：

式中 L—干空氣量，kg/h；

Q1—蒸發(fā)水分所需熱量，kW；

Q2— 被干燥物料由θ1升溫至θ2所需熱量，kW；

Q3—干燥塔熱損失，kW；

t1—空氣加熱后溫度，K ，t1= 433 K；

t2—空氣離開干燥塔的溫度，K ，t2= 368 K；

θ1—干燥前料液溫度，K ，θ1= 313 K；

θ2—干燥后粉料的溫度，K ，θ2= 368 K；

θ2= 368 K

Q1按下式計(jì)算：

式中 W—水分蒸發(fā)量，kg/s。

Q1= 347.93 kW。

Q2按下式計(jì)算：

Q2= GC（θ2- θ1）

式中 G—絕對(duì)干料量，kg/s，這里G = 0.118 kg/s；

C—干料比熱，這里C = 3.514 kJ/（kg·k）。

則：Q2= 10.37 kW。

Q3為干燥塔熱損失，這里按（Q1+ Q2）的10 %計(jì)入：

Q3= 35.83 kW。

則干空氣用量：

L = 5.83 kg/s。

濕空氣體積流量按下式計(jì)算：

ν = L （0.773 + 1.244 H）（t0/273）

ν= 5.046 m3/s。

實(shí)際干燥塔進(jìn)風(fēng)機(jī)量ν'按1.25倍的計(jì)算值選取，即ν' = 6.31 m3/s。

離開干燥塔空氣濕度按下式計(jì)算：

L = W/（H2- H1）

則：H2= 0.039 kg/kg。

3 空氣加熱器換熱面積計(jì)算

空氣從25 ℃經(jīng)過加熱后升溫至160 ℃的熱量為：

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

換熱面積按下式計(jì)算：

F = Q/( k·Δt )

式中 F—換熱面積，m2；

Q—加熱熱量，kJ/h，這里Q = 3 716 784 kJ/h；

k— 傳熱系數(shù)，kJ /(m2·h·℃)，本例選擇SRL型加熱器，k[3]=15.2（vp）0.24，kJ /( m2·h·℃)，vp空氣質(zhì)量流量一般按8 kg/m2·s選取，則k = 15.2×80.24 = 89 kJ /(m2·h·℃)；

Δt— 傳熱溫差，℃。Δt = t1- （t0+ t1）/ 2 = 70 ℃。

則F = 3 716 784/( 89×70 ) = 596.6 m2

實(shí)際換熱面積按計(jì)算值的1.5倍選取，即F' = 894.9 m2。

因此，從計(jì)算中可看出噴霧干燥系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量及加熱器換熱面積的計(jì)算與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件密切相關(guān)，其它附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)也必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件確定出符合當(dāng)?shù)貤l件的設(shè)計(jì)方案。噴霧干燥是在負(fù)壓下生產(chǎn)的，為保持干燥塔內(nèi)的負(fù)壓，排風(fēng)機(jī)強(qiáng)制帶出的熱量也是非常大的，這部分熱量在熱平衡計(jì)算中并沒有體現(xiàn)出。需要特別說明的是沒有排風(fēng)機(jī)其拍風(fēng)溫度卻很高，因?yàn)榇藭r(shí)空氣比容較大，有了排風(fēng)機(jī)空氣體積變大溫度降低[4-5]。這也是為什么計(jì)算往往與實(shí)際應(yīng)用會(huì)有較大出入的原因。噴霧干燥在沒有充分考慮余熱回收生產(chǎn)狀況下，其熱效率一般僅在53 %左右，因此，提高干燥塔熱利用率，控制好干燥塔內(nèi)的負(fù)壓是關(guān)鍵。

4 噴霧干燥塔有效容積的計(jì)算

噴霧干燥塔的理論計(jì)算是比較復(fù)雜，根據(jù)不同的物料及其噴霧干燥的參數(shù)要借助實(shí)驗(yàn)的方法一般是將噴霧干燥過程分為恒速干燥階段與降速干燥兩個(gè)階段[6]。在兩個(gè)階段取得液滴在干燥塔中的飛翔數(shù)據(jù)然后進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算需要借助實(shí)驗(yàn)的方法才能完成，如果計(jì)算不準(zhǔn)確往往也與實(shí)際應(yīng)用差距較大，絕大多數(shù)工廠還不具備實(shí)驗(yàn)的條件。因此，工廠實(shí)驗(yàn)完成此類計(jì)算仍然比較困難。用于實(shí)際工程計(jì)算絕大多數(shù)還是來自于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。

4.1 干燥室有效容積和長(zhǎng)度的確定

干燥室有效容積決定于水分蒸發(fā)能力與容積干燥強(qiáng)度，而容積干燥強(qiáng)度又與熱空氣進(jìn)入時(shí)的溫度有關(guān)[7]：

式中 V—干燥室有效容積，m2；

W—噴霧干燥時(shí)水分蒸發(fā)量，kg/h；

q— 干燥室容積干燥強(qiáng)度，即單位時(shí)間，單位有效容積的水分蒸發(fā)量，kg/h。

容積干燥強(qiáng)度是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，它不僅決定于噴霧干燥的分散度、室內(nèi)氣流流動(dòng)情況，還決定于干燥的溫度條件和被干燥物料的分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)風(fēng)溫度越高，干燥強(qiáng)度越大，根據(jù)資料介紹[7]：

式中 TB— 進(jìn)入干燥塔的熱風(fēng)溫度，℃。

如：本例干燥塔水分蒸發(fā)量為500 kg/h，進(jìn)風(fēng)溫度為160 ℃，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量為24 000 m3/h，用于奶粉的噴霧干燥，干燥塔截面風(fēng)速為0.67 m/s。試求干燥塔的有效高度及直徑。

4.2 干燥塔有效容積的確定

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

則：V = 131.57 m3

d = 3.56 m圓整為3.6 m

干燥塔有效高度：

干燥塔有效高度指進(jìn)風(fēng)處至排風(fēng)口的距離。通過這種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出的干燥塔尺寸在實(shí)際中應(yīng)用效果已經(jīng)很好，計(jì)算方法簡(jiǎn)單實(shí)用。物料在噴霧干燥塔內(nèi)完成干燥大概時(shí)間極短，如奶粉、速溶茶粉等的噴霧干燥生產(chǎn)15 s就能完成噴霧干燥并達(dá)到要求的干燥水分含量[1]。

5 未能達(dá)到生產(chǎn)能力的主要原因分析

物料特性、當(dāng)?shù)乜諝庀鄬?duì)濕度、進(jìn)風(fēng)溫度、排風(fēng)溫度、進(jìn)料干物質(zhì)含量及出粉的水分含量是設(shè)計(jì)噴霧干燥主要技術(shù)參數(shù)，不同物料及其參數(shù)其噴霧干燥過程不同，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量及加熱器換熱面積的計(jì)算及噴霧干燥塔有效容積的確定是決定噴霧干燥系統(tǒng)使用效果的關(guān)鍵，而空氣相對(duì)濕度大對(duì)噴霧干燥生產(chǎn)會(huì)帶來諸多不利影響，也是確定進(jìn)風(fēng)風(fēng)量、加熱器的重要依據(jù)，即使同一型號(hào)的產(chǎn)品在南北方尤其相對(duì)濕度較大的地區(qū)應(yīng)用效果差別較大。因此，設(shè)計(jì)噴霧干燥系統(tǒng)必須掌握當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，尤其是空氣的相對(duì)濕度情況，這是設(shè)計(jì)噴霧干燥系統(tǒng)的重要依據(jù)，有了當(dāng)?shù)氐南鄬?duì)濕度參數(shù)，才會(huì)對(duì)噴霧干燥系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中可能會(huì)帶來的不利影響做到心中有數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)才會(huì)盡最大可能避免在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)這樣或那樣的問題。所以，設(shè)計(jì)噴霧干燥系統(tǒng)絕不能忽略當(dāng)?shù)叵鄬?duì)濕度的影響，有些干燥塔未能達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力與上述幾項(xiàng)計(jì)算都有關(guān)系，最容易忽視的就是當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件。其次噴霧干燥未達(dá)到生產(chǎn)能力也與對(duì)物料及其特性沒有掌握有關(guān)。必要時(shí)對(duì)陌生物料應(yīng)該借助實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行分析，這樣才能使設(shè)計(jì)更加合理不至于出現(xiàn)諸如生產(chǎn)能力不足的問題發(fā)生。

6 結(jié)束語

噴霧干燥純理論計(jì)算復(fù)雜，需要借助實(shí)驗(yàn)方法得出計(jì)算數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行計(jì)算。國(guó)內(nèi)企業(yè)很少有這方面的意識(shí)及實(shí)驗(yàn)條件，有些噴霧干燥塔未能達(dá)到生產(chǎn)能力除了上述計(jì)算是否正確外，還與使用蒸汽壓力及進(jìn)料干物質(zhì)含量是否穩(wěn)定有關(guān)，在噴霧干燥生產(chǎn)過程中使用蒸汽壓力及進(jìn)料干物質(zhì)含量必須穩(wěn)定，必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不能有較大波動(dòng)，否則也會(huì)影響生產(chǎn)能力甚至?xí)绊懏a(chǎn)品質(zhì)量。為了保證生產(chǎn)能力節(jié)能降排還可以將加熱器輸出水作為進(jìn)風(fēng)的初級(jí)預(yù)熱然后再進(jìn)入加熱段，在實(shí)際應(yīng)用中已獲得良好的效果。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TQ 051.8+92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-817X（2016）02-0046-000

收稿日期：2016-01-07

作者簡(jiǎn)介：劉殿宇（1962—），男，高級(jí)工程師，主要研究設(shè)計(jì)方向：乳品機(jī)械，輕化工機(jī)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