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新型干燥技術(shù)脈動氣流霧化料液的試驗(yàn)研究
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新型干燥技術(shù)脈動氣流霧化料液的試驗(yàn)研究
脈動燃燒干燥技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新型干燥技術(shù)，它利用脈動燃燒器產(chǎn)生的高溫，高頻脈動尾氣流直接霧化和干燥液態(tài)物料。
與傳統(tǒng)噴霧干燥相比，脈動燃燒噴霧干燥具有能耗低，熱，質(zhì)傳遞速度高，環(huán)境污染小，以及投資成本低等很多特點(diǎn)。
長期以來，對噴霧干燥過程進(jìn)行了各種試驗(yàn)和模擬研究，但這些研究并不能揭示噴霧干燥室內(nèi)氣體運(yùn)動狀態(tài)，顆粒群的運(yùn)動軌跡和各種熱力學(xué)參數(shù)分布信息，常規(guī)的測試手段又很難測得，而這些參數(shù)分布信息對干燥器沒計(jì)和過程優(yōu)化具有重要指導(dǎo)作用。
為解決這一難題，本文利用氣體一顆粒兩相流理論和計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)，建立了更符合實(shí)際噴霧干燥過程的數(shù)學(xué)模型即噴霧干燥的CFD模型，并進(jìn)行了脈動燃燒噴霧干燥過程模擬，其主要內(nèi)容如下：
1建立了脈動燃燒噴霧干燥的CFD模型 該數(shù)學(xué)模型建立在氣體一顆粒兩相流基礎(chǔ)之上，用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型預(yù)測干燥室內(nèi)的氣體湍流運(yùn)動過程，顆粒軌道模型追蹤干燥室內(nèi)顆粒群的運(yùn)動軌跡，熱質(zhì)傳遞模型描述空氣和液滴的熱質(zhì)傳遞過程。
通過模型的求解，得到了干燥室內(nèi)氣體運(yùn)動狀態(tài)，氣體溫度、濕度分布，顆粒運(yùn)動軌跡，顆粒沿運(yùn)動軌跡質(zhì)量變化，顆粒沿運(yùn)動軌跡的溫度變化等各種動力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)分布信息。
脈動燃燒噴霧干燥技術(shù)是將脈動燃燒器與傳統(tǒng)噴霧干燥過程相結(jié)合而成的一種新型干燥技術(shù)，具有能源利用率高，排放污染小，傳熱傳質(zhì)效率高，設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)利用一種更有效的熱能發(fā)生器——脈動燃燒器產(chǎn)生的高頻、高溫、高速振蕩尾氣流直接將液態(tài)物料霧化成小霧滴，然后快速完成霧滴的干燥過程。傳統(tǒng)的噴霧干燥設(shè)備由于噴嘴容易堵塞和磨損，經(jīng)常需要停機(jī)修理和更換噴嘴。作者在對脈動燃燒器運(yùn)用過程的研究中發(fā)現(xiàn)，利用脈動燃燒器產(chǎn)生的高速脈動氣流可直接霧化料液，無需噴嘴和高壓泵，可免除噴嘴維修的時間和費(fèi)用，也無需氣體泵送裝置，這顯然是脈動燃燒噴霧干燥技術(shù)所具有的一個較大優(yōu)點(diǎn)。以脈動氣流作為霧化動力，對料液進(jìn)行霧化操作，將能解決傳統(tǒng)的噴霧干燥技術(shù)難題。目前，國內(nèi)外對于脈動燃燒噴霧干燥的研究主要集中在其干燥過程的傳熱傳質(zhì)、數(shù)值模擬等基礎(chǔ)理論方面和物料的干燥適應(yīng)性方面[2~5]，而對于干燥前脈動氣流料液霧化方面的研究極少。脈動氣流對料液的霧化效果對于后續(xù)的霧滴干燥過程的有效進(jìn)行和干燥后固體顆粒產(chǎn)品的質(zhì)量都密切相關(guān)，因此，深入了解脈動氣流霧化的特點(diǎn)、效果和作用機(jī)理非常必要。
評價(jià)料液霧化效果的兩個較重要指標(biāo)是霧滴粒度和粒度分布。本研究的主要目的是通過脈動氣流霧化試驗(yàn)探求料液流量、脈動氣流頻率和料液粘度這三個因素各自對霧滴粒度和粒度分布的影響規(guī)律，希望有助于脈動氣流霧化機(jī)理的研究，為脈動燃燒噴霧干燥技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)和利用提供參考。
1 試驗(yàn)裝置與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
圖1所示為脈動氣流霧化料液試驗(yàn)裝置示意圖，裝置主體為脈動燃燒器和激光粒度測試儀。
圖1 脈動氣流霧化料液試驗(yàn)裝置示意圖
1-液化氣瓶；2-減壓閥；3-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4-U形壓力計(jì)；5-電磁閥；6-控制器；7-燃?xì)馊ヱ钍遥?-燃?xì)忾y；9-火花塞；10-空氣閥；11-鼓風(fēng)機(jī)；12-燃燒室；13-尾管基段；14-尾管；15-料液入口；16-激光粒度測試儀進(jìn)行脈動氣流霧化試驗(yàn)，首先需要一臺工作性能穩(wěn)定可靠的脈動燃燒器，本研究采用功率為25kW的膜片式亥爾姆霍茨（Helmholtz）型脈動燃燒器[1]產(chǎn)生高頻、高溫、高速的脈動尾氣流，脈動氣流與從料液入口流入的料液混合而進(jìn)行霧化試驗(yàn)，料液入口位于尾管末端。依據(jù)脈動燃燒器頻率跳變原理，脈動氣流的脈動頻率通過改變脈動燃燒器尾管的長度來改變[2]。料液的流量和粘度分別通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)和粘度計(jì)測量。霧滴的粒度和粒度分布兩個指標(biāo)在本文分別用霧滴的Sauter平均直徑(Dvs)和粒度重量分布表示。霧化后霧滴的Dvs值和粒度重量分布圖由英國Malvern公司生產(chǎn)的MastersizerS型激光粒度測試儀[6]獲得，激光粒度測試儀安裝在距料液管出口下方280mm處，此處料液霧化完全。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和安排
通過前期預(yù)備試驗(yàn)，本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：首先進(jìn)行脈動頻率為100Hz以水為料液的不同流量條件下的脈動霧化試驗(yàn)，料液流量選三水平（62L/h、54
L/h和35 L/h）；再進(jìn)行料液流量為35
L/h以水為料液的不同脈動頻率條件下的脈動霧化試驗(yàn)，脈動頻率選三水平（100Hz、75Hz和61Hz）；較后進(jìn)行100Hz頻率和35L/h流量下不同動力粘度麥芽糖溶液的脈動霧化試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原料選用北京市飴糖廠生產(chǎn)的高麥芽糖漿，通過稀釋不同的倍數(shù)獲得不同的粘度，粘度選四水平（0.001Pa.s、0.007
Pa.s、0.016 Pa.s和0.041 Pa.s）。每一工況下試驗(yàn)的具體步驟如下：
1)安裝脈動燃燒器，固定燃?xì)饬髁繛?.9m3/h，選定脈動頻率水平；
2)安裝激光粒度測試儀，選擇直徑為300mm的透鏡，其粒度測量范圍為0.5～880µm；
3)安裝實(shí)驗(yàn)臺，調(diào)整尾管出口與激光光束的位置，其垂直距離為560mm是激光探測器采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的較佳位置；
4)點(diǎn)燃脈動燃燒器，進(jìn)行此條件下激光粒度測試儀光學(xué)校準(zhǔn)和背景規(guī)零；
5)分別選定料液的流量水平和粘度水平，檢測其霧化效果，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；
6)選擇激光測試儀的多分散相分析模型和Standard-Dry(3RHA)表示式，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出霧滴的Dvs值和粒度重量分布圖。
2 試驗(yàn)結(jié)果和分析
2.1 脈動頻率一定，料液流量變化條件下霧化
圖2是脈動頻率為100Hz的脈動氣流霧化流量變化的純水料液時所得到的霧滴粒度重量分布圖。當(dāng)流量分別為62L/h、54L/h和35L/時，測得霧滴DVS值分別為73µm、70µm和66µm。頻率為100Hz的脈動燃燒器產(chǎn)生的脈動氣流在霧化不同流量的料液時，隨著流量的減小，霧滴DVS值減小，粒度重量分布越均勻。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量低于28L/h時，霧滴粒度過小，極易被蒸發(fā)而來不及進(jìn)行檢測。為方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測，本文選擇霧化效果較好的流量為35L/h條件下進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
圖2 脈動頻率100 Hz霧滴粒度重量分布圖
圖3 料液流量35 L/h 霧滴粒度重量分布圖
2.2 料液流量一定，脈動頻率變化條件下霧化
圖3是流量為35L/h的純水料液脈動頻率變化時所得到的霧滴粒度重量分布圖。當(dāng)脈動頻率分別為100Hz、74Hz和61
Hz時，測得霧滴DVS值分別為66µm、73µm和93µm，中間直徑DM值分別為80µm、88µm和107µm。隨著頻率的減小，霧滴DVS值增大，粒度重量分布均勻性變差。當(dāng)流量固定為35L/h，三個頻率樣本中頻率為100.51Hz時的霧化效果較好。
2.3 脈動頻率和料液流量一定條件下，料液粘度變化條件下霧化
圖4是脈動氣流頻率為100Hz，霧化流量固定為35L/h時的不同動力粘度的料液，所得到的霧滴粒度重量分布圖。當(dāng)料液動力粘度分別為0.001Pa.s、0.007Pa.s、0.016Pa.s、和0.041Pa.s時，測得霧滴DVS值分別為66µm、53µm、59µm和76µm�？梢姡扯茸兓瘜F化效果也存在很大的影響，而且影響程度隨著料液粘度的變化而變化。從實(shí)驗(yàn)及分析可以看出，隨著料液動力粘度的增大，霧化細(xì)度先減小后增大。這種波動情況是由于表面張力的作用而出現(xiàn)的，粘度大的液體，其表面張力也大。適當(dāng)?shù)谋砻鎻埩�，有助于液滴的表面收縮，達(dá)到比較小的霧滴粒度，而且一定的表面張力可以阻止顆粒間進(jìn)一步聚合；但是當(dāng)表面張力過大，會對霧化起到阻礙的作用，霧化出來的霧滴粒度較大，對霧化過程不利。因此，在脈動頻率和料液流量一定時，動力粘度適中的料液的霧化效果較好。
圖4 脈動頻率100 Hz、流量35L/h霧滴粒度重量分布圖
3 結(jié)語
本文從霧滴的Sauter平均直徑和粒度重量分布兩個方面，分別進(jìn)行了料液流量、脈動氣流頻率和料液粘度對霧化效果影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，這三個影響因素對脈動氣流霧化效果都有較大的影響，脈動氣流頻率越大、料液流量越小和料液粘度適中時霧化效果較好；本試驗(yàn)條件下采用脈動氣流霧化得到的霧滴的Sauter平均直徑在50～100µm之間，粒度重量分布均勻，應(yīng)用前景廣闊。進(jìn)一步的研究將通過理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對脈動氣流的霧化機(jī)理進(jìn)行探索。
脈動燃燒噴霧干燥試驗(yàn)裝置和傳統(tǒng)的壓力噴霧干燥試驗(yàn)裝置對 NaCl 溶液進(jìn)行了噴霧干燥試驗(yàn),并對噴霧干燥過程的能耗作了分析。結(jié)果表明,利用脈動燃燒器產(chǎn)生的高速脈沖氣流可直接將料液霧化成微細(xì)霧滴,實(shí)現(xiàn)了料液霧化和加熱過程的合二為一,較之壓力噴霧干燥系統(tǒng)省去了霧化噴嘴和高壓輸送系統(tǒng),既簡化了結(jié)構(gòu),又節(jié)省了設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用。脈動燃燒噴霧干燥的熱能消耗為3300kJ/kgH_2O,平均體積蒸發(fā)強(qiáng)度為217.3kgH_O/m~3·h;壓力噴霧干燥的熱能消耗為5501kJ/kgH_2O,平均體積蒸發(fā)強(qiáng)度為12.1kgH_2O/m~3·h;脈動燃燒噴霧干燥裝置因省去了壓力泵輸送系統(tǒng),因此電能消耗也比壓力噴霧干燥裝置有所降低。根據(jù)旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以把工作過程分為破碎、氣固接觸、干燥、分級等4個階段，這4個工作過程也是其它干燥機(jī)所不能同時具備的。
1.1破碎
由于旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機(jī)主要用于膏糊狀傳統(tǒng)的振動流化床干燥機(jī)干燥顆粒物料由于其粒徑不均勻，干燥時也需要篩分，以滿足用戶的需要。缺點(diǎn)是多步驟，多設(shè)備，成本高。我們提供一種干燥后不需要篩分的振動流化床干燥機(jī)�！ ∵_(dá)到上述目的：與現(xiàn)有技術(shù)相同的是，它還包括底座，彈性支架的底部固定，底座底部設(shè)有入口，空氣過濾器和風(fēng)扇入口與風(fēng)扇連接出水口和進(jìn) 在化學(xué)、石化和其它行業(yè)中，相關(guān)領(lǐng)域的工廠會選擇使用不同種類的機(jī)器進(jìn)行日常的加工。同時在日常的加工過程中，工廠會選擇使用振動流化床對材料進(jìn)行必要的干燥，從而使加工出的材料能符合相關(guān)的干燥。 材料會從專業(yè)的通道進(jìn)入機(jī)器內(nèi)，同時機(jī)器中的入料泵會將材料分批次的送熱風(fēng)循環(huán)烘箱是常用的烘干設(shè)備，其簡單易操作的優(yōu)點(diǎn)是其應(yīng)用如此廣泛的原因。作為需要采購熱風(fēng)循環(huán)烘箱的廠家，該如何正確選擇一款適用于自己且性價(jià)比高的產(chǎn)品呢，接下來我們就詳細(xì)探討下這個問題。 一、熱風(fēng)循環(huán)烘箱型號的確定，這是選購熱風(fēng)循環(huán)烘箱時首先應(yīng)該考慮的問題。熱風(fēng)循環(huán)烘箱的型號決定著單閃蒸干燥機(jī)熱空氣由SXG系列快速旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機(jī)入口管以適宜的噴動速度從干燥機(jī)底部進(jìn)入攪拌粉碎干燥室，對物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、吹浮、旋轉(zhuǎn)作用，于是物料受到離心、剪切、碰撞、摩擦而被除數(shù)微粒化，強(qiáng)化了傳質(zhì)傳熱。那么，大家知道旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)嗎？ 1、旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機(jī)干燥強(qiáng)度高。由于物料受到離心、剪切、
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