由于噴霧幹燥具有(yǒu)流程簡短(duǎn)、可(kě)處理(lǐ)熱敏性物料、易大(dà)型化等優越性，已經在許多(duō)領域得(de)到應用。改革開(kāi)放以後，我國出現了一大(dà)批專業化的幹燥設備企業。近十年內(nèi)噴霧幹燥技(jì)術(shù)已取得(de)了長足進步，産品質量已可(kě)與世界著名廠商相媲美，不僅滿足了國內(nèi)輕化工、環保行(xíng)業的需要，而且已向國外市場(chǎng)拓展。
長期以來(lái)，對噴霧幹燥裝置的注意，一般着力于：
⑴ 霧化器(qì)（機）的選擇；
⑵ 足夠風量和(hé)熱量的配置；
⑶ 粉末回收及排放。
王喜忠等指出：“一個(gè)成功的噴霧幹燥器(qì)的設計(jì)，應包括與霧化器(qì)相适應的熱風進出口的方式和(hé)熱風分布裝置”[1]。K.Master’s也提到在幹燥塔內(nèi)水(shuǐ)分蒸發速率随着霧滴與熱風的相對速度增加而增加[2]。
唐金鑫等在熱風分布器(qì)設計(jì)要求中，提出三條重要的原則[3]，都強調了熱風分布對噴霧幹燥的重要性。在随後出現的裝置中，發現大(dà)多(duō)數(shù)企業仍然沒有(yǒu)給予足夠的重視(shì)，隻是從結構上(shàng)做(zuò)到“形似”而實質仍未掌握，以緻出現以下情況：
⑴ 在塔內(nèi)同一截面上(shàng)溫度差較大(dà)，導緻物料局部粘壁；
⑵ 由于氣液兩相接觸不合理(lǐ)，使幹燥強度大(dà)為(wèi)下降，于是幹燥塔的體(tǐ)積越做(zuò)越大(dà)；
⑶ 在一台比原設計(jì)處理(lǐ)量大(dà)為(wèi)減小(xiǎo)的幹燥塔中，未注意熱風分布的流速範圍，降低(dī)了幹燥強度，物料仍然大(dà)量粘壁；
⑷ 熱效率很(hěn)低(dī)，出塔風溫難以下降。
因此，我們認為(wèi)熱風分布器(qì)的設計(jì)正确與否，直接影(yǐng)響到幹燥系統運行(xíng)的成敗。本文拟在以前知識的基礎上(shàng)，提出氣液兩相接觸的合理(lǐ)方式，以求對熱風分布器(qì)設計(jì)有(yǒu)正确的分析和(hé)指導。
1 理(lǐ)論依據
K.Masters[2]提出在有(yǒu)相對速度下霧滴的蒸發存在以下關系式：
傳質 Sh=2+K1RexScy （1）
傳熱 Nu=2+K2ReX’Pry’ （2）
式中：謝伍德數(shù)Sh =KgD/Dv，努塞特數(shù)Nu =hcD/Kd，施密特數(shù)Sc =μa/Dvρa，普朗特數(shù)Pr =Cpμa/Kd，雷諾數(shù)Re =Dvρa/μa。D為(wèi)液滴直徑，ρa為(wèi)幹燥介質密度，μa為(wèi)粘度，Cp為(wèi)定壓比熱容，Kd為(wèi)液滴周圍氣态膜的平均熱傳導率，hc為(wèi)對流熱傳導系數(shù)，Kg為(wèi)傳質系數(shù)，Dv為(wèi)擴散系數(shù)。（1）、（2）式中的x，y，x’，y’和(hé)K1，K2尚有(yǒu)争論，多(duō)數(shù)人(rén)趨向于：
x=x’=0.5 （3）
y=y’=0.33 （4）
式（3）中的x為(wèi)平均值，随Re增加而增加；Re由1增至104時(shí)，x從0.4增加到0.6。遺憾的是式（1）～（4）的試驗範圍其Re值均不超過1000。但(dàn)從中已經可(kě)以看出，幹燥的傳質和(hé)傳熱系數(shù)随Re的增大(dà)而增大(dà)，即假設幹燥介質和(hé)被幹燥物料的性質不變時(shí)，Re起着重要的影(yǐng)響。而對Re起直接影(yǐng)響的，可(kě)認為(wèi)是相對速度v。在傳統的液體(tǐ)無相變對流傳熱系數(shù)計(jì)算(suàn)中，普遍應用Dittus和(hé)Boelter關聯式[4],
Nu=0.023Re0.8Pr0.4 （5）
或 （6）
α—給熱系數(shù)；
λ—液體(tǐ)熱導率；
d—粒徑；
v—氣液相對流速；
μ—液體(tǐ)動力粘度；
Cp—定壓比熱容；
ρ—液體(tǐ)密度。
式中的Re值≥10000， 0.7＜Pr＜120。
式（1）與式（5）相比較可(kě)以看出，Re數(shù)湍流層範圍內(nèi)的幂值增加可(kě)以從0.4提高(gāo)到0.8。這就可(kě)以理(lǐ)解K.Master’s等強調的“水(shuǐ)份蒸發率随霧滴與空(kōng)氣的相對速度增加而增加”了。在 Re值處于湍流範圍時(shí)，大(dà)約呈0.8次方關系。
2 常見的熱風分布器(qì)的性能比較在噴霧幹燥所選用的熱風分布器(qì)形式中，曾經出現過以下形式：
（1）平均地自塔頂天花(huā)闆分布向下流
這種形式認為(wèi)隻要均勻地進風，有(yǒu)足夠的熱量就能達到幹燥的目的，幹燥塔的空(kōng)塔速率隻有(yǒu)0.5～0.8m/s,即使塔頂縮小(xiǎo)，出口風速也隻有(yǒu)10m/s，大(dà)體(tǐ)處于層流狀态。熱風與霧化液滴沒有(yǒu)直接的聯系。這種形式不僅國內(nèi)有(yǒu)，在許多(duō)進口裝置中也有(yǒu)。其結果是塔體(tǐ)龐大(dà)，效率降低(dī)。
（2）為(wèi)了防止粘壁，将熱風分為(wèi)2股或3股
設計(jì)者認為(wèi)隻要在塔壁上(shàng)有(yǒu)熱風流動，就可(kě)以防止未幹液滴撞壁而出現粘壁現象。實際上(shàng)，邊緣熱風流速是不可(kě)能大(dà)的，而且液滴達到塔壁上(shàng)的流速也不會(huì)太大(dà)，因此這兩股流體(tǐ)的相對速度是非常低(dī)的，故而難以實現快速幹燥，粘壁仍會(huì)出現。塔壁的熱風形同虛設，或者作(zuò)用不大(dà)。
著名的MD型塔采用了冷風吹塔，對保證物料質量有(yǒu)利。實際上(shàng)，這時(shí)液滴已經完成“恒速段”幹燥（至少(shǎo)顆粒表面已經幹燥），這與粘壁并無直接的聯系[5]。
當然粘壁的形式還(hái)要聯系到霧化機的噴距、幹燥塔的設計(jì)以及物料的玻璃态轉變溫度等。這些(xiē)問題已在[1]中有(yǒu)詳細的介紹。将熱風分散處理(lǐ)會(huì)減少(shǎo)中央區(qū)的熱風量，從而降低(dī)流速，導緻熱風的利用率降低(dī)。
（3）熱風分布器(qì)與霧化器(qì)不配套
在噴嘴式霧化器(qì)上(shàng)配旋轉風，而在旋轉式霧化器(qì)上(shàng)配直流風。這兩種形式在生(shēng)産中都有(yǒu)看到，其結果隻能是出現粘壁或者熱效率大(dà)幅度下降，這顯然是錯誤的。
3 塔頂中央熱風的重要性
在所有(yǒu)的霧化器(qì)工作(zuò)時(shí)，液滴剛剛離開(kāi)霧化器(qì)出口時(shí)的流速是^高(gāo)的，随着液滴在空(kōng)氣中的流動，由于空(kōng)氣的阻力，液滴流速迅速衰減，初速能達到130m/s，而終速可(kě)接近于零，這就要求我們從式（1）到式（4）中去準确掌握熱風應當在何處與液滴接觸，從而可(kě)以得(de)到較佳的傳質、傳熱速率。
既然霧化器(qì)（大(dà)多(duō)數(shù)）是設計(jì)在塔頂的中央處的，就應當将熱風集中到中央，以相當于湍流形式的氣流向液滴群急速沖擊；其風量和(hé)熱量依可(kě)幹燥顆粒表面水(shuǐ)分所需的數(shù)量而定。其餘部分可(kě)以在塔內(nèi)均勻分布，以完成其它降速段的幹燥。隻要顆粒表面的水(shuǐ)分能夠快速幹燥，就能夠在很(hěn)大(dà)程度上(shàng)防止塔的粘壁。
高(gāo)速氣流與霧化器(qì)噴出口越接近，其幹燥效率就越高(gāo)。但(dàn)在考慮氣流流速時(shí)，也應同時(shí)考慮阻力降與流速平方成正比的關系，并非風速越高(gāo)就越好。況且風速越高(gāo)，會(huì)使霧滴群向下降，喪失了部分有(yǒu)效的幹燥空(kōng)間(jiān)。
具體(tǐ)的參數(shù)涉及各種物料的特性。但(dàn)總的趨勢是利用氣液兩相的高(gāo)速區(qū)，迅速幹燥液滴表面，從而實現大(dà)部分水(shuǐ)分的蒸發，這才是真正發揮噴霧幹燥的優勢。
4 良好的熱風分布器(qì)的要素
⑴ 使氣液兩相接觸，混合良好，首先應當使氣體(tǐ)分布均勻。為(wèi)使分布均勻，已經有(yǒu)人(rén)介紹過兩種方法：①在旋轉霧化器(qì)的配套設計(jì)中，必須用對數(shù)螺旋蝸殼[3]，使一邊進入蝸殼的熱風經蝸殼及內(nèi)部的導風闆均勻地進入塔內(nèi)。② 直流霧化器(qì)中的熱風分布可(kě)采用各種導向直流闆 [1]，但(dàn)必須配置噴嘴直流式霧化器(qì)。
⑵ 熱風分布器(qì)出口與霧化器(qì)噴液出口盡量靠近，并在兩個(gè)方向夾角接近90°，以加大(dà)剪切力。應利用湍流階段的優勢，縮短(duǎn)幹燥時(shí)間(jiān)。
⑶ 當熱風分布器(qì)出口流速過大(dà)時(shí)，阻力會(huì)呈平方關系增加，故應考慮“系統內(nèi)的阻力降”，氣速選擇要慎重。
5 結束語
近年來(lái)在噴霧幹燥裝置的設計(jì)和(hé)制(zhì)造上(shàng)，發現有(yǒu)盲目加大(dà)幹燥塔體(tǐ)積的趨勢，這不僅會(huì)失去噴霧幹燥時(shí)間(jiān)短(duǎn)的優勢，而且還(hái)增加了造價和(hé)設備占用的廠房(fáng)面積（或體(tǐ)積），對用戶不利。
當熱風分布器(qì)和(hé)霧化器(qì)合理(lǐ)配置時(shí)，幹燥塔的體(tǐ)積應當有(yǒu)一個(gè)合理(lǐ)的範圍，不會(huì)相差很(hěn)大(dà)。大(dà)的不一定好。随着科技(jì)的進步和(hé)各種強化措施的應用，幹燥塔勢必會(huì)越做(zuò)越小(xiǎo)。
熱風分配器(qì)是一個(gè)重要的方面，并不代表全部。所以在噴霧幹燥器(qì)的設計(jì)中，選型要根據各種物料的特性，綜合各種參數(shù)，以期獲得(de)一個(gè)系統的較佳狀态。
