趙磊，唐亞鳴，楊剛

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022）

0 引言

a）旋轉(zhuǎn)式噴霧干燥簡介

噴霧干燥技術(shù)是液體成形和干燥工業(yè)中廣泛應(yīng)用的工藝。適用于從溶液、乳液、懸浮液原料中生成粉狀、顆粒狀產(chǎn)品。其工作過程是空氣經(jīng)過濾和加熱，進(jìn)入干燥器頂部熱風(fēng)分配器，熱空氣均勻地進(jìn)入干燥室。料液經(jīng)塔體頂部的高速離心霧化器，噴霧成細(xì)微的霧狀液滴，與熱空氣并流接觸在極短時(shí)間內(nèi)可干燥為成品。成品連續(xù)地從旋風(fēng)分離器輸出收集，廢氣由風(fēng)機(jī)排到空氣中。

在旋轉(zhuǎn)式噴霧干燥的工藝中，成品的含水量是最重要的指標(biāo)，產(chǎn)品含水量（濕基）的高低關(guān)系到干燥工藝的成敗。產(chǎn)品的含水量是由多個(gè)操作參數(shù)決定，如霧化器轉(zhuǎn)速、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料量濃度、進(jìn)料量，空氣流量等。Goul等［1-2］以番茄為原料進(jìn)行了噴霧干燥研究，得到其最佳工藝參數(shù):番茄－糊精最小比率為0.25，糊精葡萄糖值 （DE）最小值為6，進(jìn)氣溫度最大值為150℃。陳啟聰?shù)龋?］以橡膠粉為原料進(jìn)行噴霧干燥工藝的研究。劉程惠等［4］以櫻桃粉為原料進(jìn)行噴霧干燥的工藝研究。從文獻(xiàn)上可以看出，眾多成果多是以成品的最佳工藝為研究目標(biāo)，以進(jìn)出風(fēng)溫度、熱風(fēng)量為研究參數(shù)。通過研究霧化器轉(zhuǎn)速對(duì)噴霧干燥產(chǎn)品含水量的影響的成果較少，但是霧化器的轉(zhuǎn)速對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有很大影響。由此，探究霧化器轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)品最終含水量的影響是有意義的。

b）霧化器轉(zhuǎn)速對(duì)干燥過程影響

霧化器轉(zhuǎn)速即對(duì)應(yīng)圓周轉(zhuǎn)速，是對(duì)霧滴最有影響的參數(shù)之一。當(dāng)液體供給到高速旋轉(zhuǎn)的葉片盤上時(shí)，它就在葉片之間的表面上移動(dòng)。由于離心力的作用，液體向外移動(dòng)并在葉片上展開成薄膜狀，濕潤葉片表面。當(dāng)液體與葉片接觸時(shí)，液體在葉片盤上不發(fā)生滑動(dòng)，液滴從輪邊緣離開時(shí)相對(duì)較小徑向速度和較大切向速度。隨著霧化器轉(zhuǎn)速的提高，霧滴離開霧化器的釋放速度和粒徑都將發(fā)生變化。這兩個(gè)因素將對(duì)霧滴的干燥產(chǎn)品的含水量產(chǎn)生影響。實(shí)踐表明，霧化器的轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)品的最終含水量以及干燥過程中的粘壁程度都有重要影響。霧滴太大將使產(chǎn)品不易被干燥;霧滴過小會(huì)使霧化器的能耗很大、伴隨震動(dòng)噪聲等問題，同時(shí)干燥的顆粒變小，也不利于產(chǎn)品的回收。因此，應(yīng)用噴霧干燥機(jī)時(shí)，其霧化器的轉(zhuǎn)速將對(duì)生產(chǎn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。為此，選擇生粉做實(shí)驗(yàn)物料，研究轉(zhuǎn)速對(duì)噴霧干燥產(chǎn)品含水量的影響。

1 霧化器轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴粒徑及其離開霧化盤的釋出速度的影響

霧化器的轉(zhuǎn)速主要影響霧滴離開霧化盤的釋出速度以及霧滴平均粒徑的大小，而霧滴的速度及粒徑大小關(guān)系到霧滴與熱空氣接觸的程度，進(jìn)而影響干燥產(chǎn)品的含水量。

a）轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴平均粒徑的影響

針對(duì)實(shí)驗(yàn)條件以體積－面積平均直徑來估算霧滴平均粒徑的變化，根據(jù)公式［5］，

式中:DVS——體積－面積平均直徑，μm;

MP——葉片液體負(fù)荷;

d——霧化輪直徑，cm;

N——霧化輪轉(zhuǎn)速，r/min;

μL——液體粘度，cp。

隨著轉(zhuǎn)速N的提高，霧滴粒徑成負(fù)指數(shù)關(guān)系減小，霧滴體積隨之減小。這使得霧滴的表面和體積比增大。王喜忠等［5］指出“必須最大限度地增加其分散度，即增加單位體積溶液中的表面積，才能加速傳熱傳質(zhì)過程，即干燥過程”。因此轉(zhuǎn)速的提高有利于霧滴的干燥。

b）轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴釋出速度的影響

霧滴離開霧化器時(shí)，具有徑向速度ur和切向速度uT和釋出速度 ures（如圖 1）［5］。

圖1 霧滴在盤邊緣上的運(yùn)動(dòng)示意圖

1）霧滴離開霧化盤時(shí)的切向速度為:

2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，采用下式估算葉片輪的徑向速度［6］:

式中:ρL——液體密度，kg/m3;

N——霧化器轉(zhuǎn)速，r/min;

V——噴霧量，m3/h;

h——葉片高度，m;

n——葉片數(shù);

ur——徑向速度，m/s。

3）液滴的釋出速度

由圖1可見，液滴的釋出速度ures為:

由式2和式3知，當(dāng)轉(zhuǎn)速N增大時(shí)，uT和ur均增大。釋出速度ures同樣增大，進(jìn)而增大霧滴與熱風(fēng)的相對(duì)速度。

K.Master［7］曾提到“在干燥塔內(nèi)水分蒸發(fā)速率隨著霧滴與熱風(fēng)的相對(duì)速度增加而增加”。由于霧化器轉(zhuǎn)速的提高增大了霧滴的釋出速度，也就增加了霧滴與熱空氣之間的相對(duì)速度，由此加快霧滴的傳質(zhì)傳熱過程。

2 實(shí)驗(yàn)

a）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖2為噴霧干燥實(shí)驗(yàn)的流程圖。實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和儀器有:LPG－5型旋轉(zhuǎn)式噴霧干燥機(jī)，由常州市金陵干燥設(shè)備有限公司提供，外形尺寸為 1.8×0.93×2.2 m3，霧化盤直徑為50 mm，厚10 mm，均布20個(gè) d10圓孔，可實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制;水分測定儀SH10 A型號(hào)，上海良平儀器儀表有限公司;非接觸式轉(zhuǎn)速表DT－2 234C，深圳市金達(dá)通儀器儀表公司;溫度計(jì);輔助設(shè)備有用于進(jìn)料的蠕動(dòng)泵、給霧化器降溫的冷卻泵等;實(shí)驗(yàn)用的原料為生粉。

圖2 噴霧干燥的流程圖

b）實(shí)驗(yàn)過程

1）配置含固量為20%的生粉溶液，由于生粉不能完全溶于水，以懸浮液形式存在，故在實(shí)驗(yàn)過程中要對(duì)料液要不停地?cái)嚢?，測得料液的溫度為8℃，空氣溫度為5℃;

2）實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)確定為:進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)定為200℃，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為25 min，變頻器的示數(shù)在150～350范圍。開機(jī)預(yù)熱20 min后，待進(jìn)出風(fēng)溫度穩(wěn)定后，開始噴霧干燥實(shí)驗(yàn)，間隔10 min，改變變頻器的頻率，記錄數(shù)據(jù)，觀察工作狀態(tài)并收集物料待檢測分析。

3）霧化器在任意頻率下的轉(zhuǎn)速由非接觸式轉(zhuǎn)速儀測定。

4）將收集到的物料用水分檢測儀檢測，每次取5 g樣品，每次烘干30 min，檢測兩次，將兩次測定的平均值作為產(chǎn)品的最終含水量。

濕基水分含量的計(jì)算公式為:

式中:ω——物料的濕基含濕量;

G1——干燥前樣品的質(zhì)量，g;

G2——干燥后樣品的質(zhì)量，g。

c）實(shí)驗(yàn)記錄及檢測數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測得相關(guān)數(shù)據(jù)整理如表1。

表1 不同霧化器轉(zhuǎn)速下的含水量

d）數(shù)據(jù)分析與討論

將表1中轉(zhuǎn)速與含水量數(shù)據(jù)做成圖3。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，產(chǎn)品含水量逐漸降低，而后漸有升高的趨勢(shì)。

圖3 轉(zhuǎn)速與含水量的關(guān)系

根據(jù)上文分析，轉(zhuǎn)速的增大對(duì)霧滴粒徑和釋出速度的影響變化都會(huì)使干燥產(chǎn)品的含濕量降低、干燥的更充分。這一分析結(jié)論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)相吻合，即在一定范圍內(nèi)干燥產(chǎn)品的干燥產(chǎn)品含水量隨著霧化器轉(zhuǎn)速的提高而降低。

試驗(yàn)中，產(chǎn)品最低的含水量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為13 037 r/min，此后含水量又有略微上升的趨勢(shì)。這是一個(gè)值得思考的現(xiàn)象。一種可能的解釋是，由于進(jìn)料量恒定，轉(zhuǎn)速在提高，霧滴的粒徑并不會(huì)無限的減小。過大的釋出速度會(huì)加劇霧滴在干燥室的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這使得小霧滴發(fā)生碰撞，重新聚合成較大的霧滴的概率加大，從而產(chǎn)品含水量上升。另一種解釋是空氣中含有一定的水分。這使得被干燥較低含水量的產(chǎn)品在空氣中再次吸潮，因此檢測到的含水量不在降低。由于實(shí)驗(yàn)的局限性，這一現(xiàn)象原因需要更多針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。

3 結(jié)語

霧化器轉(zhuǎn)速對(duì)物料干燥的含水量有影響。在一定范圍內(nèi)，增大霧化器的轉(zhuǎn)速有利于降低干燥產(chǎn)品的含水量;當(dāng)轉(zhuǎn)速高到一定程度物料的含水量不在降低，甚至上升。在應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式噴霧干燥機(jī)干燥物料時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體物料性質(zhì)、產(chǎn)量確定合理的霧化器轉(zhuǎn)速，由此才能得到最佳的工藝參數(shù)。

［1］GOUL A M ，ADAMOPOULOS K G.Effect of maltodextrin addition during spray drying of tomato pulp in dehumidified air（Ⅰ）.Drying kinetics and product recovery［J］.Drying Technology，2008（26）:714-725.

［2］GOUL A M ，ADAMOPOULOS K G.Effect of maltodextrin addition during sp ray drying of tomato pulp in dehumidified air（Ⅱ）.Powder properties［J］.Drying Technology，2008（26）:726-737.

［3］陳啟聰，黃惠華，王娟，等.香蕉粉噴霧干燥工藝優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（8）:331-137.

［4］劉程惠，汪潔，王艷影，等.噴霧干燥條件對(duì)櫻桃粉出粉率及品質(zhì)的影響［J］.食品與機(jī)械，2010，26（6）:125-128.

［5］王喜忠.國內(nèi)外噴霧干燥技術(shù)發(fā)展概況［J］.染料與染色，1981（02）.

［6］K.Master's spray drying handbook［M］.Longman Scientific and Technical published in theUnited States with John Wiley and sons.Inc.，New York .1991.311-326.

［7］黃立新.王宗濂.唐金鑫.我國噴霧干燥技術(shù)研究及進(jìn)展.

［8］劉廣文.干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

［9］金鑫，等.噴霧干燥工程的研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，第21卷增刊，1997.