霧化器轉速對干燥產品含水量的影響研究

趙磊，唐亞鳴，楊剛

（河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022）

0 引言

a）旋轉式噴霧干燥簡介

噴霧干燥技術是液體成形和干燥工業中廣泛應用的工藝。適用于從溶液、乳液、懸浮液原料中生成粉狀、顆粒狀產品。其工作過程是空氣經過濾和加熱，進入干燥器頂部熱風分配器，熱空氣均勻地進入干燥室。料液經塔體頂部的高速離心霧化器，噴霧成細微的霧狀液滴，與熱空氣并流接觸在極短時間內可干燥為成品。成品連續地從旋風分離器輸出收集，廢氣由風機排到空氣中。

在旋轉式噴霧干燥的工藝中，成品的含水量是最重要的指標，產品含水量（濕基）的高低關系到干燥工藝的成敗。產品的含水量是由多個操作參數決定，如霧化器轉速、進風溫度、進料量濃度、進料量，空氣流量等。Goul等［1-2］以番茄為原料進行了噴霧干燥研究，得到其最佳工藝參數:番茄－糊精最小比率為0.25，糊精葡萄糖值 （DE）最小值為6，進氣溫度最大值為150℃。陳啟聰等［3］以橡膠粉為原料進行噴霧干燥工藝的研究。劉程惠等［4］以櫻桃粉為原料進行噴霧干燥的工藝研究。從文獻上可以看出，眾多成果多是以成品的最佳工藝為研究目標，以進出風溫度、熱風量為研究參數。通過研究霧化器轉速對噴霧干燥產品含水量的影響的成果較少，但是霧化器的轉速對工業生產有很大影響。由此，探究霧化器轉速對產品最終含水量的影響是有意義的。

b）霧化器轉速對干燥過程影響

霧化器轉速即對應圓周轉速，是對霧滴最有影響的參數之一。當液體供給到高速旋轉的葉片盤上時，它就在葉片之間的表面上移動。由于離心力的作用，液體向外移動并在葉片上展開成薄膜狀，濕潤葉片表面。當液體與葉片接觸時，液體在葉片盤上不發生滑動，液滴從輪邊緣離開時相對較小徑向速度和較大切向速度。隨著霧化器轉速的提高，霧滴離開霧化器的釋放速度和粒徑都將發生變化。這兩個因素將對霧滴的干燥產品的含水量產生影響。實踐表明，霧化器的轉速對產品的最終含水量以及干燥過程中的粘壁程度都有重要影響。霧滴太大將使產品不易被干燥;霧滴過小會使霧化器的能耗很大、伴隨震動噪聲等問題，同時干燥的顆粒變小，也不利于產品的回收。因此，應用噴霧干燥機時，其霧化器的轉速將對生產結果產生重要影響。為此，選擇生粉做實驗物料，研究轉速對噴霧干燥產品含水量的影響。

1 霧化器轉速對霧滴粒徑及其離開霧化盤的釋出速度的影響

霧化器的轉速主要影響霧滴離開霧化盤的釋出速度以及霧滴平均粒徑的大小，而霧滴的速度及粒徑大小關系到霧滴與熱空氣接觸的程度，進而影響干燥產品的含水量。

a）轉速對霧滴平均粒徑的影響

針對實驗條件以體積－面積平均直徑來估算霧滴平均粒徑的變化，根據公式［5］，

式中:DVS——體積－面積平均直徑，μm;

MP——葉片液體負荷;

d——霧化輪直徑，cm;

N——霧化輪轉速，r/min;

μL——液體粘度，cp。

隨著轉速N的提高，霧滴粒徑成負指數關系減小，霧滴體積隨之減小。這使得霧滴的表面和體積比增大。王喜忠等［5］指出“必須最大限度地增加其分散度，即增加單位體積溶液中的表面積，才能加速傳熱傳質過程，即干燥過程”。因此轉速的提高有利于霧滴的干燥。

b）轉速對霧滴釋出速度的影響

霧滴離開霧化器時，具有徑向速度ur和切向速度uT和釋出速度 ures（如圖 1）［5］。

圖1 霧滴在盤邊緣上的運動示意圖

1）霧滴離開霧化盤時的切向速度為:

2）根據實驗研究，采用下式估算葉片輪的徑向速度［6］:

式中:ρL——液體密度，kg/m3;

N——霧化器轉速，r/min;

V——噴霧量，m3/h;

h——葉片高度，m;

n——葉片數;

ur——徑向速度，m/s。

3）液滴的釋出速度

由圖1可見，液滴的釋出速度ures為:

由式2和式3知，當轉速N增大時，uT和ur均增大。釋出速度ures同樣增大，進而增大霧滴與熱風的相對速度。

K.Master［7］曾提到“在干燥塔內水分蒸發速率隨著霧滴與熱風的相對速度增加而增加”。由于霧化器轉速的提高增大了霧滴的釋出速度，也就增加了霧滴與熱空氣之間的相對速度，由此加快霧滴的傳質傳熱過程。

2 實驗

a）實驗設備

圖2為噴霧干燥實驗的流程圖。實驗的設備和儀器有:LPG－5型旋轉式噴霧干燥機，由常州市金陵干燥設備有限公司提供，外形尺寸為 1.8×0.93×2.2 m3，霧化盤直徑為50 mm，厚10 mm，均布20個 d10圓孔，可實現溫度自動控制;水分測定儀SH10 A型號，上海良平儀器儀表有限公司;非接觸式轉速表DT－2 234C，深圳市金達通儀器儀表公司;溫度計;輔助設備有用于進料的蠕動泵、給霧化器降溫的冷卻泵等;實驗用的原料為生粉。

圖2 噴霧干燥的流程圖

b）實驗過程

1）配置含固量為20%的生粉溶液，由于生粉不能完全溶于水，以懸浮液形式存在，故在實驗過程中要對料液要不停地攪拌，測得料液的溫度為8℃，空氣溫度為5℃;

2）實驗的工藝參數確定為:進風溫度設定為200℃，蠕動泵轉速設定為25 min，變頻器的示數在150～350范圍。開機預熱20 min后，待進出風溫度穩定后，開始噴霧干燥實驗，間隔10 min，改變變頻器的頻率，記錄數據，觀察工作狀態并收集物料待檢測分析。

3）霧化器在任意頻率下的轉速由非接觸式轉速儀測定。

4）將收集到的物料用水分檢測儀檢測，每次取5 g樣品，每次烘干30 min，檢測兩次，將兩次測定的平均值作為產品的最終含水量。

濕基水分含量的計算公式為:

式中:ω——物料的濕基含濕量;

G1——干燥前樣品的質量，g;

G2——干燥后樣品的質量，g。

c）實驗記錄及檢測數據

實驗測得相關數據整理如表1。

表1 不同霧化器轉速下的含水量

d）數據分析與討論

將表1中轉速與含水量數據做成圖3。從圖中可以看出，隨著轉速的提高，產品含水量逐漸降低，而后漸有升高的趨勢。

圖3 轉速與含水量的關系

根據上文分析，轉速的增大對霧滴粒徑和釋出速度的影響變化都會使干燥產品的含濕量降低、干燥的更充分。這一分析結論與實驗數據的變化趨勢相吻合，即在一定范圍內干燥產品的干燥產品含水量隨著霧化器轉速的提高而降低。

試驗中，產品最低的含水量對應的轉速為13 037 r/min，此后含水量又有略微上升的趨勢。這是一個值得思考的現象。一種可能的解釋是，由于進料量恒定，轉速在提高，霧滴的粒徑并不會無限的減小。過大的釋出速度會加劇霧滴在干燥室的無規則運動，這使得小霧滴發生碰撞，重新聚合成較大的霧滴的概率加大，從而產品含水量上升。另一種解釋是空氣中含有一定的水分。這使得被干燥較低含水量的產品在空氣中再次吸潮，因此檢測到的含水量不在降低。由于實驗的局限性，這一現象原因需要更多針對性的實驗去驗證。

3 結語

霧化器轉速對物料干燥的含水量有影響。在一定范圍內，增大霧化器的轉速有利于降低干燥產品的含水量;當轉速高到一定程度物料的含水量不在降低，甚至上升。在應用旋轉式噴霧干燥機干燥物料時，應根據具體物料性質、產量確定合理的霧化器轉速，由此才能得到最佳的工藝參數。

［1］GOUL A M ，ADAMOPOULOS K G.Effect of maltodextrin addition during spray drying of tomato pulp in dehumidified air（Ⅰ）.Drying kinetics and product recovery［J］.Drying Technology，2008（26）:714-725.

［2］GOUL A M ，ADAMOPOULOS K G.Effect of maltodextrin addition during sp ray drying of tomato pulp in dehumidified air（Ⅱ）.Powder properties［J］.Drying Technology，2008（26）:726-737.

［3］陳啟聰，黃惠華，王娟，等.香蕉粉噴霧干燥工藝優化［J］.農業工程學報，2010，26（8）:331-137.

［4］劉程惠，汪潔，王艷影，等.噴霧干燥條件對櫻桃粉出粉率及品質的影響［J］.食品與機械，2010，26（6）:125-128.

［5］王喜忠.國內外噴霧干燥技術發展概況［J］.染料與染色，1981（02）.

［6］K.Master's spray drying handbook［M］.Longman Scientific and Technical published in theUnited States with John Wiley and sons.Inc.，New York .1991.311-326.

［7］黃立新.王宗濂.唐金鑫.我國噴霧干燥技術研究及進展.

［8］劉廣文.干燥設備設計手冊［M］.北京:機械工業出版社.

［9］金鑫，等.噴霧干燥工程的研究進展及應用［J］.南京林業大學學報，第21卷增刊，1997.