多噴頭壓力噴霧干燥塔噴嘴的設計

劉殿宇

（華禹乳品機械制造有限公司)

0 前言

壓力噴霧干燥塔的生產能力大到一定量時，如蒸發(fā)量大于或等于1000 kg/h時，就不宜采用單噴頭進行噴霧干燥。大生產能力的噴霧干燥塔采用單噴頭噴霧干燥易產生如下不良效果：霧滴變大 （正常的霧滴直徑在20～60 μm之間）[1-2]，霧化不充分，易產生線狀流；產品水分含量容易超標；粉易結塊或產生夾心粉；受單噴頭霧化角約束，霧化料液與熱空氣熱交換不夠充分，干燥塔內溫度升高，排風溫度升高；塔壁結垢嚴重。如果采用小孔徑單噴頭進行噴霧生產，奶粉顆粒會過細，甚至還會影響沖調。因此，大蒸發(fā)量的壓力噴霧干燥塔應該考慮采用多噴頭進行噴霧干燥。其設計過程與單噴頭有所不同。

本文以RGYP03-1000型壓力噴霧干燥塔在奶粉生產中的應用為例，對多噴頭和熱風分布器的結構設計進行了闡述。

1 主要技術參數及結構特點

該壓力噴霧干燥塔的主要技術參數如下所述。

（1）物料介質：牛奶；

（2） 生產能力： 1000 kg/h；

（3）進料質量分數：38%～40%；

（4） 進料溫度： 48～51℃；

（5） 進風風量： 40000～45000 m3/h；

（6） 排風風量： 52000～58500 m3/h；

（7） 排風溫度：75～85℃；

（8）出粉質量分數：97.5%；

（9）噴頭數量：3只。

壓力噴霧干燥塔結構特點：該噴霧干燥塔采用三噴頭進行噴霧干燥，采用兩級捕粉 （即旋風捕集加布袋捕集）并回收噴霧干燥塔排風中攜帶的粉塵。旋風捕集下來的粉塵經由旋轉出料閥卸料，再由羅茨風機將其送入干燥塔的霧化區(qū)內重新聚結造粒。塔下出粉口接臥式振動流化床，對粉進行團粒化、整形、二次干燥和冷卻，使粉的溫度降至38～40℃，然后進入下一道工序。

2 多噴頭的結構設計

2.1 多噴頭噴嘴孔徑的設計

壓力噴嘴的形式較多，目前比較常用的是切線漩渦型噴嘴。

噴嘴的孔徑按下式計算[2]：

式中S——噴嘴孔截面積，m2；

V——流體體積流量，m3/s；

C0——噴嘴流量系數，這里C0=0.52（霧化角為 55°）；

△p——噴嘴進出口壓力差，Pa；本文設備為

ρ——流體的密度，kg/m3。

流體流量V按濃縮后的牛奶量1695.6 kg/h計算，此時牛奶密度 ρ=1100 kg/m3，即流體體積流量將有關數據代入上式，得：

采用3個噴頭時，單個噴嘴的孔徑d為：

2.2 多噴頭的結構設計

多噴頭噴槍的結構及其在熱風分布器上的分布與單噴頭噴槍有所不同。單噴頭噴槍是在熱風分布器的中心進入干燥塔進行噴霧，而多噴頭噴槍則是圍繞熱風分布器中心對稱分布的。本例采用的三噴頭噴槍均勻分布于分度圓直徑為380 mm的圓周上。多噴頭噴霧時每個噴嘴與噴槍軸線成一定夾角（根據干燥塔直徑確定），本例夾角為150°，而單噴頭則沒有夾角。多噴頭噴槍可根據噴嘴在噴霧干燥塔中噴霧情況進行轉動調節(jié)，可改變噴嘴噴霧的位置，而單噴頭則不能。多噴頭調節(jié)的具體做法是：首先根據物料的濃度確定高壓泵的合適壓力，然后根據粉的顆粒度大小、水分含量及三噴頭在干燥塔中的霧化狀態(tài) （即霧距交匯狀態(tài)）轉動噴槍刻度盤進行調節(jié)，調定后并鎖緊。噴槍與上刻度盤為一體結構，下刻度盤固定于熱風分布器上。根據粉的顆粒度大小和水分含量，還可確定是否更換噴嘴改變孔徑。

2.3 多噴頭噴霧干燥塔熱風分布器的設計

多噴頭噴霧干燥塔熱風分布器與單噴頭熱風分布器的結構形式基本相同。目前壓力噴霧干燥塔的熱風分布器有兩種：一種為分風筒式結構，一種為小分布孔式結構。分風筒式熱風分布器在國內應用比較普遍。其工作原理是：進入的熱風先經由幾個或多個分風筒將熱風較為均勻地進行分配，然后再進入熱風總管，由主熱風管將熱風較為均勻地導入干燥塔，與霧化物料進行熱與質的交換。

熱風分布器的結構尺寸確定如下：

進入熱風分布器的風速一般按9～13 m/s計算[3-6]。

本例進風管的截面積為：

進風管道直徑為：

采用6個分風筒，每個分風筒的直徑為：

進入干燥塔內的主管道直徑與進風管道直徑相等時，可取得很好的效果。每個分風筒在熱風分布器分布板上的位置可根據塔內的風速情況進行調整。

3 多噴頭噴霧適應范圍及設計注意事項

由噴霧干燥塔的生產能力、料液濃度和高壓泵的壓力等多個參數可確定出合適的噴嘴孔徑。噴霧干燥塔生產能力越大，進風量和干燥塔的直徑也就越大。一座生產能力為1000 kg/h的干燥塔其直徑通常在4500～5500 mm之間，如果采用單噴頭進行噴霧干燥，就可能產生兩種情況：一是霧化效果不佳，二是霧滴過細。大生產能力的干燥塔其噴嘴的孔徑通常也相應地較大，如果壓力不變霧滴就會變大，甚至還可能會出現(xiàn)線狀流。如果提高高壓泵壓力，就會造成潮粉出現(xiàn)。如果選擇過小的噴嘴噴霧，霧滴直徑就會變小，生產出的粉顆粒變細，對有顆粒要求的奶粉等來說感官不好，沖調也受到影響。最重要的是隨著干燥塔生產能力的增大和塔徑增大，受單噴嘴霧化角 （通常霧化角在50°～60°之間）的約束，霧滴不能與熱空氣在最佳的熱交換區(qū)域內瞬間進行充分的熱交換，有剩余熱空氣沒有來得及參與有效的熱交換，從而導致塔內和排風的溫度升高，造成了能源的浪費。所以，大型干燥塔應考慮采用多噴嘴噴霧干燥。蒸發(fā)量在1000 kg/h的干燥塔就應采用多噴頭，本文所述的例子就采用了三噴頭噴霧，并在實際應用中取得了較好的效果。

多噴頭噴霧噴槍可隨刻度盤轉動，即可按刻度盤上的數值進行調節(jié)。通常采用高壓軟管與噴槍連接，與之相連的另一端為分料缸，分料缸要求設計成便于清洗或清理的可拆卸式結構。此外，高壓噴槍必須具有進行清洗并構成清洗回路的清洗管線，其殺菌通常采用蒸汽進行殺菌。噴槍套管中吹入室溫空氣，以防止插入熱風分布器段的噴槍由于高溫作用而產生結焦。熱風分布器內溫度高，其保溫絕熱層的厚度不應低于100 mm。

4 結束語

不同行業(yè)、不同物料的噴霧干燥生產應用都表明，大蒸發(fā)量 （如水分蒸發(fā)量大于或等于1000 kg/h）的干燥塔如果采用單噴頭進行噴霧干燥，會引發(fā)生產上的一系列問題，產品質量也會隨之下降。采用多噴頭噴霧干燥可克服這些弊端，產品質量也能保證。采用多噴頭噴霧干燥要注意噴頭噴霧交匯處料液的霧化狀態(tài)，霧滴交匯過多會導致霧滴變大或霧滴變得密集，甚至產生線狀流，出現(xiàn)潮粉，即水分含量超標，產品出現(xiàn)塊狀或條狀。每一次更換噴嘴時，調節(jié)好后要做好最佳生產狀態(tài)的記錄，以作為下次生產的依據。

[1] 夏青，陳常貴.化工原理 （上） [M].天津：天津科學技術出版社，2005.

[2] 天津輕工業(yè)學院機械系，輕化工機械教研室編寫組.乳品機械 [M].天津：天津輕工業(yè)學院，1985.

[3] 劉殿宇.噴霧干燥系統(tǒng)捕粉結構形式的發(fā)展及其應用效果 [J].中國乳業(yè),2010（1）：45-47.

[4] 劉殿宇.脈沖反吹捕粉裝置在奶粉噴霧干燥生產中的設計及應用 [J].乳業(yè)科學與技術，2006（3）：123-124.

[5] 劉殿宇.噴霧干燥系統(tǒng)捕粉結構形式的發(fā)展及其應用效果 [J].乳業(yè)導刊，2005（2）：24-26.

[6] 劉殿宇.壓力噴霧干燥系統(tǒng)在速溶茶粉生產中的應用[J].中國茶葉，2009(7)：21-22.