干燥技术第二节 雾化器

1、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

2、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，

3、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；

4、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5 30m； 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

5、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

6、，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

7、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

8、。 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

9、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

10、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

11、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

12、； 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

13、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

14、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50

15、m/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

16、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

17、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

18、。,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

19、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

20、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

21、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

22、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