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新型干燥技术脉动气流雾化料液的试验研究
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新型干燥技术脉动气流雾化料液的试验研究
脉动燃烧干燥技术是近年来出现的一种新型干燥技术，它利用脉动燃烧器产生的高温，高频脉动尾气流直接雾化和干燥液态物料。
与传统喷雾干燥相比，脉动燃烧喷雾干燥具有能耗低，热，质传递速度高，环境污染小，以及投资成本低等很多特点。
长期以来，对喷雾干燥过程进行了各种试验和模拟研究，但这些研究并不能揭示喷雾干燥室内气体运动状态，颗粒群的运动轨迹和各种热力学参数分布信息，常规的测试手段又很难测得，而这些参数分布信息对干燥器没计和过程优化具有重要指导作用。
为解决这一难题，本文利用气体一颗粒两相流理论和计算流体力学CFD技术，建立了更符合实际喷雾干燥过程的数学模型即喷雾干燥的CFD模型，并进行了脉动燃烧喷雾干燥过程模拟，其主要内容如下：
1建立了脉动燃烧喷雾干燥的CFD模型 该数学模型建立在气体一颗粒两相流基础之上，用标准k-ε模型预测干燥室内的气体湍流运动过程，颗粒轨道模型追踪干燥室内颗粒群的运动轨迹，热质传递模型描述空气和液滴的热质传递过程。
通过模型的求解，得到了干燥室内气体运动状态，气体温度、湿度分布，颗粒运动轨迹，颗粒沿运动轨迹质量变化，颗粒沿运动轨迹的温度变化等各种动力学和热力学参数分布信息。
脉动燃烧喷雾干燥技术是将脉动燃烧器与传统喷雾干燥过程相结合而成的一种新型干燥技术，具有能源利用率高，排放污染小，传热传质效率高，设备简单等优点，该技术利用一种更有效的热能发生器——脉动燃烧器产生的高频、高温、高速振荡尾气流直接将液态物料雾化成小雾滴，然后快速完成雾滴的干燥过程。传统的喷雾干燥设备由于喷嘴容易堵塞和磨损，经常需要停机修理和更换喷嘴。作者在对脉动燃烧器运用过程的研究中发现，利用脉动燃烧器产生的高速脉动气流可直接雾化料液，无需喷嘴和高压泵，可免除喷嘴维修的时间和费用，也无需气体泵送装置，这显然是脉动燃烧喷雾干燥技术所具有的一个较大优点。以脉动气流作为雾化动力，对料液进行雾化操作，将能解决传统的喷雾干燥技术难题。目前，国内外对于脉动燃烧喷雾干燥的研究主要集中在其干燥过程的传热传质、数值模拟等基础理论方面和物料的干燥适应性方面[2~5]，而对于干燥前脉动气流料液雾化方面的研究极少。脉动气流对料液的雾化效果对于后续的雾滴干燥过程的有效进行和干燥后固体颗粒产品的质量都密切相关，因此，深入了解脉动气流雾化的特点、效果和作用机理非常必要。
评价料液雾化效果的两个较重要指标是雾滴粒度和粒度分布。本研究的主要目的是通过脉动气流雾化试验探求料液流量、脉动气流频率和料液粘度这三个因素各自对雾滴粒度和粒度分布的影响规律，希望有助于脉动气流雾化机理的研究，为脉动燃烧喷雾干燥技术的进一步开发和利用提供参考。
1 试验装置与方法
1.1 试验装置
图1所示为脉动气流雾化料液试验装置示意图，装置主体为脉动燃烧器和激光粒度测试仪。
图1 脉动气流雾化料液试验装置示意图
1-液化气瓶；2-减压阀；3-转子流量计；4-U形压力计；5-电磁阀；6-控制器；7-燃气去耦室；8-燃气阀；9-火花塞；10-空气阀；11-鼓风机；12-燃烧室；13-尾管基段；14-尾管；15-料液入口；16-激光粒度测试仪进行脉动气流雾化试验，首先需要一台工作性能稳定可靠的脉动燃烧器，本研究采用功率为25kW的膜片式亥尔姆霍茨（Helmholtz）型脉动燃烧器[1]产生高频、高温、高速的脉动尾气流，脉动气流与从料液入口流入的料液混合而进行雾化试验，料液入口位于尾管末端。依据脉动燃烧器频率跳变原理，脉动气流的脉动频率通过改变脉动燃烧器尾管的长度来改变[2]。料液的流量和粘度分别通过转子流量计和粘度计测量。雾滴的粒度和粒度分布两个指标在本文分别用雾滴的Sauter平均直径(Dvs)和粒度重量分布表示。雾化后雾滴的Dvs值和粒度重量分布图由英国Malvern公司生产的MastersizerS型激光粒度测试仪[6]获得，激光粒度测试仪安装在距料液管出口下方280mm处，此处料液雾化完全。
1.2 试验设计和安排
通过前期预备试验，本文试验设计如下：首先进行脉动频率为100Hz以水为料液的不同流量条件下的脉动雾化试验，料液流量选三水平（62L/h、54
L/h和35 L/h）；再进行料液流量为35
L/h以水为料液的不同脉动频率条件下的脉动雾化试验，脉动频率选三水平（100Hz、75Hz和61Hz）；较后进行100Hz频率和35L/h流量下不同动力粘度麦芽糖溶液的脉动雾化试验，实验原料选用北京市饴糖厂生产的高麦芽糖浆，通过稀释不同的倍数获得不同的粘度，粘度选四水平（0.001Pa.s、0.007
Pa.s、0.016 Pa.s和0.041 Pa.s）。每一工况下试验的具体步骤如下：
1)安装脉动燃烧器，固定燃气流量为0.9m3/h，选定脉动频率水平；
2)安装激光粒度测试仪，选择直径为300mm的透镜，其粒度测量范围为0.5～880µm；
3)安装实验台，调整尾管出口与激光光束的位置，其垂直距离为560mm是激光探测器采集数据点的较佳位置；
4)点燃脉动燃烧器，进行此条件下激光粒度测试仪光学校准和背景规零；
5)分别选定料液的流量水平和粘度水平，检测其雾化效果，记录实验数据；
6)选择激光测试仪的多分散相分析模型和Standard-Dry(3RHA)表示式，进行数据处理，得出雾滴的Dvs值和粒度重量分布图。
2 试验结果和分析
2.1 脉动频率一定，料液流量变化条件下雾化
图2是脉动频率为100Hz的脉动气流雾化流量变化的纯水料液时所得到的雾滴粒度重量分布图。当流量分别为62L/h、54L/h和35L/时，测得雾滴DVS值分别为73µm、70µm和66µm。频率为100Hz的脉动燃烧器产生的脉动气流在雾化不同流量的料液时，随着流量的减小，雾滴DVS值减小，粒度重量分布越均匀。试验中还发现当流量低于28L/h时，雾滴粒度过小，极易被蒸发而来不及进行检测。为方便实验数据检测，本文选择雾化效果较好的流量为35L/h条件下进行后续实验。
图2 脉动频率100 Hz雾滴粒度重量分布图
图3 料液流量35 L/h 雾滴粒度重量分布图
2.2 料液流量一定，脉动频率变化条件下雾化
图3是流量为35L/h的纯水料液脉动频率变化时所得到的雾滴粒度重量分布图。当脉动频率分别为100Hz、74Hz和61
Hz时，测得雾滴DVS值分别为66µm、73µm和93µm，中间直径DM值分别为80µm、88µm和107µm。随着频率的减小，雾滴DVS值增大，粒度重量分布均匀性变差。当流量固定为35L/h，三个频率样本中频率为100.51Hz时的雾化效果较好。
2.3 脉动频率和料液流量一定条件下，料液粘度变化条件下雾化
图4是脉动气流频率为100Hz，雾化流量固定为35L/h时的不同动力粘度的料液，所得到的雾滴粒度重量分布图。当料液动力粘度分别为0.001Pa.s、0.007Pa.s、0.016Pa.s、和0.041Pa.s时，测得雾滴DVS值分别为66µm、53µm、59µm和76µm。可见，粘度变化对雾化效果也存在很大的影响，而且影响程度随着料液粘度的变化而变化。从实验及分析可以看出，随着料液动力粘度的增大，雾化细度先减小后增大。这种波动情况是由于表面张力的作用而出现的，粘度大的液体，其表面张力也大。适当的表面张力，有助于液滴的表面收缩，达到比较小的雾滴粒度，而且一定的表面张力可以阻止颗粒间进一步聚合；但是当表面张力过大，会对雾化起到阻碍的作用，雾化出来的雾滴粒度较大，对雾化过程不利。因此，在脉动频率和料液流量一定时，动力粘度适中的料液的雾化效果较好。
图4 脉动频率100 Hz、流量35L/h雾滴粒度重量分布图
3 结语
本文从雾滴的Sauter平均直径和粒度重量分布两个方面，分别进行了料液流量、脉动气流频率和料液粘度对雾化效果影响的试验研究。试验结果表明，这三个影响因素对脉动气流雾化效果都有较大的影响，脉动气流频率越大、料液流量越小和料液粘度适中时雾化效果较好；本试验条件下采用脉动气流雾化得到的雾滴的Sauter平均直径在50～100µm之间，粒度重量分布均匀，应用前景广阔。进一步的研究将通过理论与试验相结合的方式，对脉动气流的雾化机理进行探索。
脉动燃烧喷雾干燥试验装置和传统的压力喷雾干燥试验装置对 NaCl 溶液进行了喷雾干燥试验,并对喷雾干燥过程的能耗作了分析。结果表明,利用脉动燃烧器产生的高速脉冲气流可直接将料液雾化成微细雾滴,实现了料液雾化和加热过程的合二为一,较之压力喷雾干燥系统省去了雾化喷嘴和高压输送系统,既简化了结构,又节省了设备投资和维护费用。脉动燃烧喷雾干燥的热能消耗为3300kJ/kgH_2O,平均体积蒸发强度为217.3kgH_O/m~3·h;压力喷雾干燥的热能消耗为5501kJ/kgH_2O,平均体积蒸发强度为12.1kgH_2O/m~3·h;脉动燃烧喷雾干燥装置因省去了压力泵输送系统,因此电能消耗也比压力喷雾干燥装置有所降低。振动流化床干燥机广泛适用于化工、轻工、医药、食品、塑料、粮油、矿渣、制盐、糖等行业的粉料颗粒状物料的干燥、冷却、增湿等行业。 流化床干燥机广泛应用于化工、制药、农林土特产品、粮食、轻工等领域，属量大面广的通用机械产品。我国振动流化床干燥机行业从形成、发展到逐步走向成熟已经走过了20多年历史。目前国内闪蒸干燥机轴承的养护流程1.新安装的轮箍容易发生松动需要经常进行检查。2.日常需要注意设备各个部位的工作是否正常。3.注意检查设备的易磨损件的磨损程度，随时注意更换被磨损的零件。4.转动齿轮在运转时若有冲击声应立即停车检。5.其轴承油温升高，应立即停车检查原因加。6.放活动装置的底架平面，应除去灰尘 业内表示，国内的热风循环烘箱经过几次升级换代，水平得以不断提高。它是利用蒸汽或电为热源，用轴流风机对热交换器以对流的方式加热空气，热空气层流经烘盘与物料进行热量传递。新鲜空气从进风口进入烘箱进行补充，再从排湿口排出，不断的补充新鲜空气与不断的排出湿热空气，这样来保持烘箱内适当的相对湿度。大部分热风在箱内循环，热效率高，节约能源。利用强制通风作用，箱内设有可调式分风板，物料干燥均匀，热源可采用蒸汽、热水、电、远红外，选择广泛。整机噪音小，运转平衡。温度自控，安装维修方便。适用范围广，可干燥各种物料，是通用干燥设备。 在日常运作中热风循环烘箱都是经过温度控制仪表控制温度，如今的 真空干燥机械的发展是非常快的，特别是这几年，发展比较迅速，干燥机的种类也在不断的增加，在各个行业发挥着自己的作用，双锥真空干燥机械的产生对于金属硫化物的干燥是一个大的进步，可以说是一大
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