干燥技术第二节雾化器

3.2雾化器,前已指出，雾化器是喷雾干燥装置的关键部件，常用的雾化器有气流式、压力式和旋转式。3.2.1气流式雾化器3.2.1.1气流式雾化器的操作原理气流式雾化器通常称气流式喷嘴，是实验室和中间工厂常用的一种形式。气流式喷嘴主要用于雾化高黏度料液。流化床喷雾造粒干燥中，主要用气流喷嘴雾化料液，如尿素、药品等。,(1)操作原理现以二流式喷嘴为例说明其操作原理。如图所示：料液走中心管，液体流出的速度不大(一般不超过2m/s)；压缩空气经气体分布器后从环隙喷出，速度很高，一般为200340m/s，也可以达到超声速；当气-液二流体在喷嘴出口端面接触时，之间存在着很大的相对速度，从而产生相当大的摩擦力，使料液雾化。喷雾用压缩空气压力一般为0.30.7MPa。,(2)雾化机理气流式喷嘴的雾化机理有三种类型：滴状、丝状和膜状分裂。在一般情况下，气流式喷嘴属膜状雾化，这种膜的形成方式如图5-11所示。当雾滴群离开喷嘴时，其形状是一个被空气心充满的锥形薄膜，因而也称空心锥喷雾。空心锥的锥角，一般称为喷雾角或雾化角（20-30）。此锥形薄膜雾滴群称为雾炬或喷雾锥。,雾化机理和喷雾角有关。一般来说，膜状分裂时的喷雾角要比单纯丝状分裂大一些。喷雾角取决于气液间的相对速度、喷嘴结构及物料性质。当液体流量很小时，喷雾角与气流速度无关。当气流速度超过300m/s时，喷雾角则与液体流量无关。一般而言，气流式喷嘴的喷雾角通常为2030。液体喷嘴与气体喷嘴的环形通道必须是同心的。若喷嘴结构设计正确时，雾滴应均匀地分布在喷雾锥中，喷雾锥是对称的。如二者不同心时，雾化角就偏离中心线而不对称，有时出现液线，这时喷雾锥包含部分大雾滴，这是由于雾化空气分配不均匀的缘故。,当气-液两相的相对速度足够大时，一个正常的雾化状态应是一个充满空气的锥形薄膜，薄膜不断地膨胀扩大，然后分裂成极细雾滴。如下表所示。薄膜的残余周边则分裂为较大的雾滴。,(3)气流式喷嘴的优点喷嘴结构简单，磨损小；对低黏度或高黏度料液(包括膏状物、糊状物及滤饼等)均可雾化，因此，适用范围很广；操作压力低，不需要高压泵；此种喷嘴所得雾滴较细，可以获得滴径约为530m；气流式喷嘴操作弹性大，即处理量有一定的伸缩性，调节气液比也可控制雾滴大小，因而也就控制了产品粒度。(4)气流式喷嘴的主要缺点用于雾化的压缩空气的动力消耗较大，约为压力式及旋转式雾化器的58倍。,3.2.1.2气流式喷嘴的结构(1)二流体内混合喷嘴指气一液两相在喷嘴内部的混合室接触、混合(即雾化)，如图5-12所示。空气经旋转叶片5变成旋转运动进入混合室，雾化后的雾滴群从喷出口3高速喷出。实践证明，旋转的气体与液体接触有利于雾化。(2)二流体外混合喷嘴指气一液两相在喷嘴出口外部接触、混合，液体被雾化为小雾滴。其结构如图5-10所示，此种结构是气体和液体喷嘴出口在同一水平面上。图5-13所示为液体喷嘴高出气体喷嘴12mm，此处接近气体流的缩径，气体速度最大，静压最小(一般情况，此处为负压，其值大小决定于气体喷射速度)，使液体获得较大的吸力。,内混合与外混合的雾化原理是相同的。它们的主要区别有两点：内混合喷嘴要求在气一液接触的平面处，气体必须保持足够大的速度，以形成负压，将液体吸人，否则液体要加压输入；和外混合比，内混合能较好地利用气体能量来雾化液体。,下面介绍一些实际使用的二流体喷嘴结构类型，供设计、研究及实验者参考。图5-14所示为用螺纹直接连接而固定的用于干燥活性黄K-6G的喷嘴，这种喷嘴，因经常拆卸，螺纹变松而偏心。图5-15所示为螺帽压紧式的用于干燥士林蓝的气流式喷嘴，可以克服图5-14所示结构上的缺点。,图5-16所示为喷雾干燥链霉素用的喷嘴，气体经旋转叶片后旋转喷出，其喷雾炬比较短。图5-17所示为实验室用的气流式喷嘴。,图5-18所示为雾化糊状物或滤饼的喷嘴及输料系统。,图5-20所示是一个特殊结构的雾化器，它是利用高温气流将料液雾化。进料管设置夹套，用水或空气冷却。从扩散器的周围吹入空气或烟道气。,(3)三流式喷嘴也称三流体喷嘴，有三个流体通道，即一个液体通道，两个气体通道。当某种高黏度料液,二流体喷嘴不能雾化时，采用三流式喷嘴就有可能使料液雾化。如图5-23所示。物料在第一混合室与一次气体接触，初步被雾化，雾化后的雾滴再进入第二混合室，与二次气体接触，被第二次雾化。,(3)三流式喷嘴图5-25所示为先内混合而后外混,内混、外混结合式三流式喷嘴原理示意图。物料在内混合室被一次空气雾化，当气液混合物离开混合室出口时，又被二次气体雾化，二次气体是旋转的。此型是国内应用较多的一种形式。,图5-27所示为先内混后外混的三流式喷嘴结构。,(4)四流式喷嘴它特别适用于高粘度物料的雾化。料液被旋转喷出的一次压缩空气初次雾化，形成气雾混合物，此混合物在出口处又被干燥热风及旋转喷出二次压缩空气雾化一次，此混合物受两面摩擦，雾化效果较好。热风的引用还有利于干燥。,(5)喷嘴的设计、制造及操作应注意的问题用于工业生产的气流式喷嘴，液体出口管径（内径）应尽量大一些，这样能增加气液接触周边，使液膜变薄，更有利于雾化。在气液质量比相同的条件下，液体喷嘴内径越大（以不产生液体脉冲现象为极限），雾滴越细。若雾滴大小保持一定，则液体喷嘴内径越大，越省压缩空气。大喷嘴另一个突出优点是不易被料块或杂质堵塞。小喷嘴(喷嘴直径35mm)由于经常堵塞，给操作者带来许多麻烦，并影响产品质量及产量。目前采用的喷嘴内径可达二十多毫米，只用粗过滤即可，几乎不存在堵塞问题，操作比较稳定。因此，设计工业用喷嘴时，采用大直径为宜。,喷嘴的结构有的喷嘴出口壁太厚，约45mm，影响气液接触，进而影响雾化。同时，在出口管厚壁的端面上，黏附湿物料，产生湿料块脱落，影响产品质量。适宜的壁厚为0.50.6mm。若气体和液体喷嘴的同心度偏差较大时，会出现大雾滴，严重时会产生局部粘壁现象。因此，在加工制造时，必须保证同心度要求。,喷嘴的保养与维护在安装和拆卸喷嘴时，必须小心地操作。机械加工的金属零件，具有较高的加工精度，必须防止任何轻微的损坏。喷雾操作停止时，要拆下喷嘴，进行清洗，以备再用。雾化用压缩空气的压力要保持恒定。过大的波动，会引起雾化不均匀，特别是压力突然下降时，会产生严重粘壁现象。因此，压缩空气最好由专门设备供给。,3.2.2压力式雾化器,利用高压泵强制使物料通过特制的喷嘴，使之分散成雾滴。3.2.2.1压力式雾化器的操作原理及其优缺点,操作原理是广泛应用的雾化器形式之一。它主要由液体切线入口、液体旋转室、喷嘴孔等组成，如图5-36所示。利用高压泵使液体获得很高的压力(220MPa)，液体在旋转室获得旋转运动,根据旋转动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比，因此，愈靠近轴心，旋转速度愈大，其静压力亦愈小(见图5-37)，结果在喷嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体则形成绕空气心旋转的环形薄膜，液体静压能转变为向前运动的液膜的动能，从喷嘴高速喷出。液膜伸长变薄，最后分裂为小雾滴。这样形成的雾滴群的形状为空心圆锥形，又称空心锥喷雾。,压力式喷嘴的雾化机理，也是滴状、丝状及膜状分裂，工业生产用的压力式喷嘴，通常是在膜状分裂条件下操作。压力式喷嘴所形成的液膜厚度范围大致是0.54m。压力式喷嘴的雾滴(或颗粒)的尺寸范围(低黏度、牛顿型流体)如表5-5所示。,(2)压力式喷嘴的优点结构简单，制造成本低；全部零件，维修简单，拆装方便(图5-38所示为喷嘴在塔侧面的一种安装方法)；与气流式喷嘴相比，大大节省雾化用动力。缺点：需要一台高压计量泵；因为喷嘴孔径很小，必须严格地过滤，防止堵塞喷嘴；喷嘴磨损大，要采用耐磨材料制造；一个喷嘴的最佳操作范围较窄(即弹性小)，大产量时需多个喷嘴；高黏度物料不易雾化。,3.2.2.2压力式喷嘴的结构压力式喷嘴在结构上的共同点是使液体获得旋转运动，即液体获得离心惯性力，然后由喷嘴孔高速喷出。因此，通常把压力式喷嘴统称为离心压力喷嘴。压力式喷嘴大致可分为三种类型：旋转型、离心型、压力-气流型喷嘴。,(1)旋转型压力喷嘴此型的雾化原理见图5-36、图5-37。这种结构有两个特点：一是有一个液体旋转室，二是有液体进入旋转室的切线入口。凡是液体经过旋转室喷出的结构形式，一般称为旋转型压力喷嘴。图5-39所示为镶人造宝石的喷嘴。图5-40所示为镶碳化钨的喷嘴。,(2)离心型压力喷嘴此型结构的特点是在喷嘴内安装一个内部构件，称内插头，液体通过内插头变成旋转运动，然后由喷嘴喷出。具有使液体旋转的内插头喷嘴统称为离心型压力喷嘴。旋转型和离心型压力喷嘴，在雾化机理方面，基本上无差别。离心型压力喷嘴的内插头结构类型如图5-43所示。,(3)压力气流型喷嘴此型喷嘴是压力喷嘴的改进形式。其结构及雾化状态如图5-47所示。其中心是压力式喷嘴，在其外部设置一环隙，为气流式喷嘴，是压力及气流式喷嘴的组合。主要用于流化床喷雾造粒的雾化及高分子聚合液的雾化。,此型喷嘴具有如下特点：a调节压缩空气的压力，可以调节液滴直径。b可以免去压力喷嘴的更换及喷雾压力调节c大产量、高黏度的料液，也能够雾化为细雾滴。d如果停用压缩空气，原来的压力喷嘴也可以单独使用。e能够使喷雾角变小。,3.2.3旋转式雾化器3.2.3.1操作原理、类型及优缺点(1)操作原理当料液被送到高速旋转的盘上时，由于旋转表面上伸展为薄膜，并以不断增长的速度向盘的边缘运动，离开盘边缘时，就使液体雾化，如图5-57所示。,(2)雾化机理也是滴状、丝状及膜状分裂，如图5-58所示。以哪一种分裂状态为主，则与盘的形状、直径、转速、进料量及料液性质等因素有关。旋转式雾化器产生的雾滴尺寸范围，见表5-6。,旋转式雾化器的液滴大小和喷雾的均匀性，主要取决于旋转盘的圆周速度和液膜厚度，而液膜厚度又与溶液的处理量有关。当盘的圆周速度小于50m/s时，得到的雾滴很不均匀。喷雾的不均匀性，随盘的转速增加而减小。当盘的圆周速度为60m/s时，就不会出现上述不均匀现象。所以，这一圆周速度可以作为设计的最小值。通常采用的旋转盘的圆周速度为90160m/s。,(2)旋转式雾化器的类型及优缺点旋转式雾化器的类型主要类型有光滑盘(无叶片盘)、叶片盘(雾化轮)及旋转一气流杯雾化器。工业生产上，通常采用雾化轮(叶片盘)。熔融液造粒通常采用光滑盘(无叶片盘)，可以制造大颗粒产品(喷雾冷却)。旋转式雾化器和压力式雾化器一样，被广泛地应用在工业生产上。,离心转盘,旋转式雾化器的优缺点优点：a塔内只安装一个雾化器便可完成生产任务，最小喷雾量为6kg/h以下，最大喷雾量为200t/h；b在一定范围内，可以调节雾滴尺寸；c生产能力调节范围大。缺点：雾化器结构较为复杂，需要传动装置、液体分布装置及雾化轮，对加工制造技术要求甚高。结构复杂，检修不便。,图5-59所示为用透平盘带动的雾化轮(轮式雾化器)，盘径50mm。在350时蒸发纯水5kgh。此型号为实验室常用的干燥设备之一。,图5-60所示为用电动机经增速器带动的雾化轮(轮式雾化器)。此为工业上应用的主要形式。,3.2.3.2光滑盘(无叶片盘)旋转雾化器(1)光滑盘的结构及操作状态分析光滑盘系指无叶片的光滑表面所构成的圆板形(平板形)、盘形、碗形及杯形等，如图5-61所示。平板形结构最简单，如图5-61(a)所示，表面是一个加工得很平滑的圆板，当圆板高速旋转时，加到圆板中心的料液，由于离心力的作用，从圆板边缘甩出并雾化，参见图5-61(a)。,碗形、盘形及杯形参见图5-61(b)、(c)、(d)的结构相似，它们与平板形相比较，料液可以获得较大的离心力，雾化效果较平板形好一些。由于这四者雾化情况相似，故划分为一类。光滑盘，主要用于制造大颗粒的喷雾冷却。一个高速旋转的光滑盘，液体加到其表面上，液体和盘之间产生严重的滑动，液体离开盘边缘时的速度远低于盘的圆周速度。不发生滑动的条件，是在非常低的盘转速时，提供的离心能只允许很小的进料量，才能满意地雾化。,液体在旋转盘上分裂为液滴，由下列因素控制：液体的黏性和表面张力；在圆盘上的液体的惯性；在液滴离开盘的那一点上，液滴和周围空气的摩擦作用。液滴一旦悬浮在空气中，液滴内部的剪应力要重新调整。光滑盘操作时，应当使液体均匀分布在盘表面上。这就要求均匀地供给料液，无振动地旋转。为了有效地雾化，离心力必须比重力大l0倍。,3.2.3.3叶片盘(非光滑盘)旋转雾化器(1)叶片盘的操作状态分析和结构它的雾化机理类似于光滑盘(无叶片盘)。雾化轮在低圆周速度和低进料速率时，黏度和表面张力起支配作用，获得直接形成的液滴。在中等圆周速度时，由于受到离心力的作用，液体由盘边缘以丝状分裂形式扩展出去，受重力影响的程度较小。在工业条件范围内(在高雾化轮圆周速度及高液体流量时)，由于受到空气和液体表面之间的摩擦作用，液体在轮边缘直接产生膜状分裂。这种机理不适合于形成均匀的雾滴。,对于给定的进料速率，要获得最佳液滴尺寸的均匀性，保证下述6个条件是必需的：雾化轮转动时无振动；(和重力相比)离心力要大，即要有高的圆周速度；保持光滑的叶片表面；保持均匀的液体进料速度；要完全润湿叶片表面；液体在叶片上均匀分布。喷雾磨蚀和腐蚀性的溶液时，在盘的顶部和底部制作保护层，制成1020mm的内衬。,图5-63示出常用叶片盘的几种结构。其中M形用于食品和医药品的喷雾干燥。工业上应用最多的是矩形通道。,3.2.3.4雾化器的选择雾化器的作用在于产生均匀的雾滴。对于给定的操作条件，应获得最佳的喷雾特性。下面给出选择的原则。(1)根据要求选择最理想的雾化器，应具有下列特征：结构简单，检修容易；既能生成大滴径，又能生成小滴径；调整雾化器的操作条件，可以控制滴径分布；可以采用标准抽吸设备、重力或虹吸进料系统；进料时无内部磨损。,有些雾化器，虽然具有上述的部分或全部特点，但由于还有不利的因素，因而仍不适合某些应用。这些不利因素为：所需的进料系统与雾化器的操作方法不相容；由雾化器产生的液滴特性与干燥室结构不相容；雾化器安装的空间不够。(2)根据喷雾特性来选择在工业进料速率条件下，根据液滴-颗粒尺寸选：要求产生粗大颗粒时，一般采用离心压力式喷嘴。要求产生细的颗粒时，则常用旋转式雾化器。,(3)选择的依据若已确定某物料适用于喷雾干燥法干燥，那么，要选择旋转式雾化器，还是喷嘴式(压力式及气流式)雾化器?在这两类之间进行选择时，应考虑下列条件。在雾化器进料量的范围内，能达到完全雾化。旋转式或喷嘴式雾化器，对于低、中、高的进料量范围，都是适用的。对于非常大的流量，尽管多喷嘴雾化器系统能够达到此能力，但采用旋转式雾化器却是最有利的。,达到料液完全雾化时，雾化器所需的功率问题。旋转式和压力式雾化器所需功率的数量级相同。在选择雾化器时，所需功率不是决定性因素。通常只要在额定流量下，能够满足所要求的喷雾特性就行了，而效率则是次要的。例如三流式喷嘴的效率是非常低的，但只有这样的喷嘴，才能够成功地使高黏度料液雾化，这时，效率问题就无关紧要了。在相同进料流量时，滴径分布情况。在低、中进料流量时，旋转式和喷嘴式雾化器的滴径分布，具有相同的特性。在高进料速率时，旋转式雾化器所产生的雾滴，一般具有较高的均匀性。,最大和最小的液滴尺寸的要求。最大、最小或平均尺寸，通常有一个范围。而这个范围，是产品特性所要求的，必须满足。叶片盘和二流式喷嘴，适合于较细雾滴的要求。叶片盘和压力式喷嘴，适合于中等滴径范围。光滑盘或压力式喷嘴，适用于粗雾滴。例如，中国某催化剂厂引进旋转式雾化器的喷雾干燥塔，开车以后，不仅产生严重的粘壁现象(半湿物料粘壁)，而且粒度分布不符合设计要求，经过多次调整并更换旋转式雾化器结构，仍然存在上述两个问题，最终停产。后来，中国自己将旋转雾化器改为压力式雾化器(设置12只压力式喷嘴)后，解决了上述存在的问题，使干燥系统正常运行。,