噴霧干燥用風點的溫度原理

3.1 塔主進排風

      

      由基礎的換熱計算式可知,換熱溫差越大,換熱效率/推動力越高,對于干燥塔而言,就是蒸發強度(單位空間蒸發的水分)越高。進風溫度越高,排風溫度越低,熱能利用率就越高,干燥所需風量就越少,熱逸失就越少,也就越節能,這是顯而易見的。但任何一個有實操常識的人都會知道,現實中顯然不是可以無限度的高或者低。

      因為在工程可行的干燥塔有效高度時,排風溫度就決定了該種產品的最終含水率,如果排風溫度過低,產品粉就無法達到所需的干燥終點,乃至粘塔掛壁。同時,排風溫度還受天氣/季節的影響。

      背后的原因,首先是在干燥塔這個雖然巨大但仍有限的換熱空間/時間內,雖然恒速干燥蒸發掉了大部分水分,但最后那點水需要足夠的溫差/熱推動力和時間才能干燥出去,如果未干燥的粉末和塔壁或排風管道接觸,就會造成粘塔掛壁;其次是排風中的巨量的濕含量(進風帶入水蒸氣和蒸發出的水蒸氣)和相對濕度會導致粉體的二次吸潮。那么結合水越難干燥的物料,就需要越高的塔內溫度,就造成排風溫度越高(雖然塔內溫度才是“做功”的,但塔內風速低,溫度變化大,文丘里渦流、附面流層等現象干擾測量,所以都是以風速穩定、快速、均勻的排風溫度為控制反饋量,塔內溫度僅作對照參考),單位質量風的熱利用率就會降低,所需風量就會越大,干燥塔的產能就會下降。

      干燥塔的季節性產能/風量變化同樣與進風中帶入的水分量有關,比如水分蒸發量1000kg/h的奶粉干燥機組,哈爾濱和廣州地區進風中含水量的巨大區別如圖:

      如圖,哈爾濱冬季實在太冷,進風中幾乎無水(水蒸氣早都冷凝成冰了),而廣州機組在夏天干燥出1000kg/h水,進風中就要帶入900kg/h水,在塔內和排風系統中實際將“流淌”著1900kg/h水!

解決的辦法一個是進風除濕,但不論表冷除濕還是轉輪除濕,能耗都是巨大的(實際相當于前置一個低效率的小干燥塔);一個辦法就是增大風量,降低相對濕度,“稀釋”風中水蒸氣,也就是降低熱利用率,提高風量,表現在工藝上就是提高排風溫度,降低進風溫度。雖然后者的熱能利用率降低,但相比除濕的潛熱換熱仍是非常節能的,或者就要將上述兩個途徑雙管齊下來解決。

      當同一套機組在不同天氣和季節生產時,如果沒有前置除濕,尤其當產能接近機組全負荷時,為了塔內溫度與濕球溫度的溫差恒定,也會在天氣潮濕時略提高排風溫度,同樣會表現為風量略上升,產能略下降。

      在噴霧干燥的溫度設計時,往往需要確定該物料的排風溫度和可耐受的排風相對濕度上限,再接合當地氣候條件,用計算式“倒推”出進風溫度。由上可知,生產同樣配方,氣候干燥的北方干燥機組就可以用高進風溫度和低排風溫度,氣候潮濕的南方干燥機組就不得不用低進風溫度和高排風溫度,前者熱效率更高,后者生產才穩定可靠。當然,北方冬季加熱又需要更多的熱能消耗。

      如果不考慮這些問題,對于大多數產品而言,進風溫度本身可以非常高,別說常見的160~170℃,180~200℃也無所謂,甚至250~350℃都可以,因為這些進風溫度時,其濕球溫度/物料表面溫度并沒有上升多少。當然,有些研究表明,過高的進風溫度,會造成水分流出霧滴過快,可能會造成單顆粒/基礎顆粒表面呈“火山狀”,包埋類物料的芯材流失比較嚴重,但這需要具體物料進行試驗驗證,而不能抱殘守缺的想當然。甚至同樣有研究表明,更高的溫度促使玻璃化/網格化更早形成,還有利于避免芯材流失呢~~請注意,這些研究都表明熱風與物料的溫差對于干燥/流出速率的影響,而不是對物料的熱破壞。對物料的熱破壞,實際將體現在恒速干燥段完成后,粉狀物料受塔內和排風溫度加熱,溫度持續升高的過程中,尤其是亂風內卷、粘塔掛壁、反復循環造成長時受熱時。

     那么對于物料特性本身而言,所謂高溫或低溫“干燥工藝”其實應該指排風溫度或物料表面溫度;而對于“干燥熱效率”而言,高溫、低溫干燥塔才指進風溫度。也就是說,“高溫(高進風溫度)高熱效率的低溫(低排風溫度)干燥工藝的干燥機組”貌似矛盾的說法其實是可以成立的。

      常見的165~172℃的額定進風溫度,其實來自于當年的老鍋爐,到干燥塔用汽點能保證穩定在9bar飽和蒸汽壓力就不錯了,此時蒸汽溫度是179℃,傳給風就是這個溫度了167~170℃了。也即它是個“工程性”為主的數字,而非太“科學性”的結論。當然,其本身其實也隱藏著物料特性和排風溫濕度的作用,但并非放之四海而皆準的公理定律。

      如果不考慮物料干燥特性,排風溫度的下限則是露點,總不能讓干燥機組內出漿糊吧?這個露點可不是24節氣那個溫度,而是排風溫度和含水量(進風含水+蒸發量)產生的露點(見第一章的原理),要遠高于“室溫”,也就是排風在干燥機組出口最低溫度也得比它高幾度,而每經過一級除塵裝置,溫度往往會降低3~10℃,把它們加一塊,就是排風溫度的下限。當然,可以用特殊工藝折騰它升降,但那都會額外增加能耗,非特殊不考慮。

 

3.2 固定流化床進風

      固定流化床出現的比較晚,很多資料把“固定流化床”描述成“節能的二次干燥器”,它確實有這個作用,但如果生產的是高黏度粉,水分含量再高點(水分活度高),再讓粉在90℃的固定床里多轉幾圈(粉體達到玻璃化溫度),那就是“玩火自焚”(糊床板)了,就準備鏟子鏘吧~~其實就大家近些年的使用狀況看,固定流化床主要起到的是“塔底保護風”的作用。

      塔內的空氣比環境空氣潮濕的多(增加了蒸發出的水蒸氣),露點溫度就要比環境空氣高得多,而所有涉及氣流折返的塔型(中排風和上排風塔,詳見俺的《壓力噴霧干燥機組的進化:從下排風到上排風》)都會造成潮氣在下錐底部/粉出口沉積,濕含量和相對濕度就會更高,露點溫度也會更高,粉體就極易在此處粘掛,底排風塔的粉則會全部進入排風管,本身就易粘掛到阻塞。那么安裝在此處的固定床就可以提供干燥(固定床進風即使不除濕,也會比塔內空氣干燥得多)的空氣,稀釋潮氣,并形成干燥風墊層,避免粉體直接基礎塔壁,避免粘塔掛壁,延長清洗間隔。

同時,當粉體出塔繼續落向振動床時,也會裹挾在塔內潮濕空氣里,如果振動床進風溫度過低,就會造成局部微結露,就會形成比較松散的粉塊。用固定床較為干燥的風“替換”塔內潮濕空氣,也能有助于避免振動床產生“松散結塊”問題。

      對于沿主排風會沿塔壁上卷的上排風塔型而言,固定床干燥風的加入,當然也就更有助于形成“塔壁干燥風幕”,顯然有助于避免粘塔掛壁。

      那么,問題來了,固定床進風究竟用不用除濕?進風溫度又該多少合適呢?

      從“整治正確”角度說,當然除濕更安全,如果粉在床內停留時間很短,進風溫度達到塔內溫度也會更安全,但顯然也就帶來了巨大的能耗。實際上,如果只是當作“保護風”使用的話,對于大多數粉而言,此處溫度超過塔內空氣露點和濕球溫度再加裕量(比如五六十度)即可。雖然取風的相對濕度可能較高,但加熱后的相對濕度會較大下降,如果是南方高溫高濕天氣生產易吸潮粉,只要具備一定溫度,用表冷除濕至春秋季節的濕含量一般也已足夠,具體粉體可以用培養箱做試驗確定。

      當然,如果需要考慮二次干燥效果,首先需考慮粉體在床內有足夠的停留時間(床板面積、粉體運動軌跡、先落先出等),溫度可以按塔內溫度控制。

      實際上,因為需考慮烘塔風溫,固定床進風肯定是要達到較高溫度的,如果運行溫度和烘塔溫度差別較大,可能造成自動控制難以調節穩定,烘塔時就要減少進風量。

 

3.3 振動流化床進風

      按老說法,振動床一般分為三段,第一段加熱用于二次干燥,第二段過渡,第三段冷卻。實際這是在奶粉“噴涂卵磷脂”年代的做法了。由于吸潮和玻璃化溫度的影響和包裝的需要,都希望將產品粉冷卻至30℃左右甚至更低,振動流化床往往都被用作“冷卻床”。

想要將粉體冷卻至30℃,進風溫度就需在20℃以下(當然,和粉量、床面積、床長度、風速等等有關),而20℃本身就意味著兩個問題:一是低于塔內氣流的露點,會造成粉體周邊潮氣微結露形成松散結塊;二是外界空氣溫濕度較高的話,20℃的進風相對濕度也就會很高,這又會造成粉體吸潮。有人恐怕又會想到“萬能的除濕”,但顯然,除濕也只能解決第二個問題,而且,是否一定要用轉輪除濕至5g水/kg干氣呢?

      首先,振動床進風的溫濕度應形成逐段遞減的“梯度”,而不是試圖“一下子降到位”,以逐漸降低粉外空氣的露點。如果固定床風溫不高(比如五六十度),振動床一段風溫就可較低(比如三四十度);如果固定床風溫較高,或沒有振動床,振動床一段風溫就須參考上一節固定床風溫(如五六十度)。另外,如果振動床一段空氣溫濕度較高,就要在一二段之間設置排風口,避免影響后續降溫冷卻。

第二,振動床的進風是否需要除濕,需根據粉體的吸濕曲線和外界環境空氣的濕含量確定。翹片管換熱器制作的表冷式除濕器的工藝過程如下圖:

      之所以要再升溫,就是為了避免達到飽和濕含量的低溫空氣在風管道、下床體和篩板上結露。

      如果粉體在此空氣條件下,在振動流化床的停留時間內,沒有明顯吸潮,那么顯然,振動床的冷卻段用表冷除濕器除濕即可。同時,如果外界環境空氣雖然溫度高,但濕含量很低(比如西部地區),表冷除濕器也只用作降溫即可,那就無需再開啟蒸汽補充加熱;如果外界環境空氣溫濕度都不高(比如北方地區的冬春兩季),那直接用環境空氣吹就是了;如果取風溫度過低(比如東北冬季),甚至需要加熱升溫,以避免跌破露點造成松散結塊。

      對于某些極易吸潮的粉體,就需用到轉輪除濕機:

      如上圖,轉輪除濕器其實也需要前置一個冰水降溫的表冷除濕器,將濕含量除濕至7~8g水/kg干氣,然后用轉輪繼續除濕至5g水/kg干氣以下。其原理其實和干燥塔本質上是一樣的,好比服務員不斷的“端”來干燥劑吸潮,然后再“端”去烘干再“端”回來~~值得一提的是,因為“端回來”的干燥劑被烘干加熱了,所以轉輪出風是被加熱了的,需要額外再配表冷換熱器降溫。和表冷的使用條件類似,如果到了東北地區的冬季,環境空氣的濕含量甚至不足1g水/kg干氣,那也毫無必要再啟動轉輪除濕機。

      當確定了塔內溫度/固定流化床進風溫度和流化床冷卻段溫度,就可以確定振動床一段/過渡段的進風條件了,其實溫度無非是上述的平均值。如果固定床進風溫度不高,北方非夏季用環境空氣直吹也是可以的,濕度則仍需考慮粉體對溫濕度的吸潮曲線,可以用培養箱簡單做個試驗來確定。鑒于中國夏季大部地區(尤其胡煥庸線以東)的溫濕度都較高,那如果進風溫度不高(相對濕度易較高),則建議上一臺表冷除濕器。

      如果想利用流化床的二次干燥作用,其一段進風溫度達到八九十度的話,其實相對濕度會非常低,粉體干燥速率遠大于吸潮速率,當然也就不用任何除濕器了。

 

3.4 輸送風/細粉附聚風

      干燥機組內的粉輸送風是由羅茨風機吹至風粉分離器的卸粉關風器,裹挾粉輸送到熱風箱附聚或者流化床出料的風,屬于正壓稀相輸送的范疇。該管道粘掛堵粉是個常見問題。

      作為輸送風,就須考慮兩個露點的問題,一是該壓力下空氣不能達到“壓力露點”,二是不能使粉外潮濕空氣降溫至露點。

      壓力露點是指空氣壓力下露點上升的現象,比如1標準大氣壓(101.3kPa)時,35℃ 80%,含濕量29.28g/kg,露點溫度31.2℃,當羅茨風機風壓按50kPa時,含濕量不變,則露點溫度變為38.5℃,相對濕度119.47%,就是已經水蒸氣結露析出了。顯然,這種風是無法直接用于粉體輸送的。

      前面始終在強調,塔內和排風系統的風遠比環境空氣要潮濕,即使關風器可以很大程度切斷分離器和出料粉之間的空氣,但粉外仍會裹挾潮濕空氣,這些空氣降溫至露點(比如40℃左右),就會形成粉外微結露粘連成松散粉塊,逐漸堆積阻塞管道。

      解決的辦法主要是兩條(當然,前提是風量(風粉比)風壓肯定是夠的),一是升溫,一定要超過壓力露點和粉外空氣的溫度,降低相對濕度;二是除濕,降低風中濕含量,自然也就降低了相對濕度?;蛘唠p管齊下的解決問題。值得提醒的是,和動輒2~5bar的壓縮空氣不同,輸送風的壓力畢竟只有幾十kPa而已,還會有升溫操作,所以也不必除濕太“狠”。

 

3.5 保護風

      插入干燥機組的軸端狹縫的壓縮空氣一般不考慮溫度問題,但一定要按壓縮空氣壓力進行除濕,本文不做詳述。本文講的保護風是指用于隔斷主氣流溫度或流向的風,一般用于噴槍和細粉附聚管周邊和熱風進口周邊,前者的作用是隔斷進風溫度向物料的導熱,后者的作用是隔斷進塔熱氣流對塔內氣流的牽引流,避免其反復受熱變性。此風也常被稱為“冷風”,結構上就叫所謂“冷風夾套”,但它真的必須“冷”嗎?

      在3.2說過固定床進風在很大程度上就是“保護風”,至少需高于塔內露點溫度并有一定余量,可能還需除濕處理。而在噴槍、細粉和熱風進口的保護風,不僅要考慮露點問題,否則在此處就結露粘掛了,這個現象在噴頭前端、附聚管唇口、熱風口周邊都有可能發生;同時,還需考慮到風壓風速,要略高于進塔的熱風主氣流,才能避免才此處局部形成負壓區,造成粘掛乃至熱變性問題。顯然,此保護風的溫度也不應低于物料的進料溫度,雖然超過濕球溫度后的物料溫度對蒸發干燥的貢獻不大,但畢竟可以降低粘度、霧化充分,當然不能再把它冷下來。那么如果進料溫度是50~60℃,保護風溫度增加10~15℃,如果進料溫度是75~90℃(注意試驗確定物料是否有高溫反而粘度上升現象,不應達到此溫度臨界),保護風溫度與其相當即可。

食品用壓力噴霧干燥塔的風溫原理(下)

2022-06-23
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由基礎的換熱計算式可知,換熱溫差越大,換熱效率/推動力越高,對于干燥塔而言,就是蒸發強度(單位空間蒸發的水分)越高。
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