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喷雾干燥用风点的温度原理

3.1 塔主进排风

      

      由基础的换热计算式可知,换热温差越大,换热效率/推动力越高,对于干燥塔而言,就是蒸发强度(单位空间蒸发的水分)越高。进风温度越高,排风温度越低,热能利用率就越高,干燥所需风量就越少,热逸失就越少,也就越节能,这是显而易见的。但任何一个有实操常识的人都会知道,现实中显然不是可以无限度的高或者低。

      因为在工程可行的干燥塔有效高度时,排风温度就决定了该种产品的最终含水率,如果排风温度过低,产品粉就无法达到所需的干燥终点,乃至粘塔挂壁。同时,排风温度还受天气/季节的影响。

      背后的原因,首先是在干燥塔这个虽然巨大但仍有限的换热空间/时间内,虽然恒速干燥蒸发掉了大部分水分,但最后那点水需要足够的温差/热推动力和时间才能干燥出去,如果未干燥的粉末和塔壁或排风管道接触,就会造成粘塔挂壁;其次是排风中的巨量的湿含量(进风带入水蒸气和蒸发出的水蒸气)和相对湿度会导致粉体的二次吸潮。那么结合水越难干燥的物料,就需要越高的塔内温度,就造成排风温度越高(虽然塔内温度才是“做功”的,但塔内风速低,温度变化大,文丘里涡流、附面流层等现象干扰测量,所以都是以风速稳定、快速、均匀的排风温度为控制反馈量,塔内温度仅作对照参考),单位质量风的热利用率就会降低,所需风量就会越大,干燥塔的产能就会下降。

      干燥塔的季节性产能/风量变化同样与进风中带入的水分量有关,比如水分蒸发量1000kg/h的奶粉世博下载组,哈尔滨和广州地区进风中含水量的巨大区别如图:

      如图,哈尔滨冬季实在太冷,进风中几乎无水(水蒸气早都冷凝成冰了),而广州机组在夏天干燥出1000kg/h水,进风中就要带入900kg/h水,在塔内和排风系统中实际将“流淌”着1900kg/h水!

解决的办法一个是进风除湿,但不论表冷除湿还是转轮除湿,能耗都是巨大的(实际相当于前置一个低效率的小干燥塔);一个办法就是增大风量,降低相对湿度,“稀释”风中水蒸气,也就是降低热利用率,提高风量,表现在工艺上就是提高排风温度,降低进风温度。虽然后者的热能利用率降低,但相比除湿的潜热换热仍是非常节能的,或者就要将上述两个途径双管齐下来解决。

      当同一套机组在不同天气和季节生产时,如果没有前置除湿,尤其当产能接近机组全负荷时,为了塔内温度与湿球温度的温差恒定,也会在天气潮湿时略提高排风温度,同样会表现为风量略上升,产能略下降。

      在喷雾干燥的温度设计时,往往需要确定该物料的排风温度和可耐受的排风相对湿度上限,再接合当地气候条件,用计算式“倒推”出进风温度。由上可知,生产同样配方,气候干燥的北方世博下载组就可以用高进风温度和低排风温度,气候潮湿的南方世博下载组就不得不用低进风温度和高排风温度,前者热效率更高,后者生产才稳定可靠。当然,北方冬季加热又需要更多的热能消耗。

      如果不考虑这些问题,对于大多数产品而言,进风温度本身可以非常高,别说常见的160~170℃,180~200℃也无所谓,甚至250~350℃都可以,因为这些进风温度时,其湿球温度/物料表面温度并没有上升多少。当然,有些研究表明,过高的进风温度,会造成水分流出雾滴过快,可能会造成单颗粒/基础颗粒表面呈“火山状”,包埋类物料的芯材流失比较严重,但这需要具体物料进行试验验证,而不能抱残守缺的想当然。甚至同样有研究表明,更高的温度促使世博下载化/网格化更早形成,还有利于避免芯材流失呢~~请注意,这些研究都表明热风与物料的温差对于干燥/流出速率的影响,而不是对物料的热破坏。对物料的热破坏,实际将体现在恒速干燥段完成后,粉状物料受塔内和排风温度加热,温度持续升高的过程中,尤其是乱风内卷、粘塔挂壁、反复循环造成长时受热时。

     那么对于物料特性本身而言,所谓高温或低温“干燥工艺”其实应该指排风温度或物料表面温度;而对于“干燥热效率”而言,高温、低温干燥塔才指进风温度。也就是说,“高温(高进风温度)高热效率的低温(低排风温度)干燥工艺的世博下载组”貌似矛盾的说法其实是可以成立的。

      常见的165~172℃的额定进风温度,其实来自于当年的老锅炉,到干燥塔用汽点能保证稳定在9bar饱和蒸汽压力就不错了,此时蒸汽温度是179℃,传给风就是这个温度了167~170℃了。也即它是个“工程性”为主的数字,而非太“科学性”的结论。当然,其本身其实也隐藏着物料特性和排风温湿度的作用,但并非放之四海而皆准的公理定律。

      如果不考虑物料干燥特性,排风温度的下限则是露点,总不能让世博下载组内出浆糊吧?这个露点可不是24节气那个温度,而是排风温度和含水量(进风含水+蒸发量)产生的露点(见第一章的原理),要远高于“室温”,也就是排风在世博下载组出口最低温度也得比它高几度,而每经过一级除尘装置,温度往往会降低3~10℃,把它们加一块,就是排风温度的下限。当然,可以用特殊工艺折腾它升降,但那都会额外增加能耗,非特殊不考虑。

 

3.2 固定流化床进风

      固定流化床出现的比较晚,很多资料把“固定流化床”描述成“节能的二次干燥器”,它确实有这个作用,但如果生产的是高黏度粉,水分含量再高点(水分活度高),再让粉在90℃的固定床里多转几圈(粉体达到世博下载化温度),那就是“玩火自焚”(糊床板)了,就准备铲子锵吧~~其实就大家近些年的使用状况看,固定流化床主要起到的是“塔底保护风”的作用。

      塔内的空气比环境空气潮湿的多(增加了蒸发出的水蒸气),露点温度就要比环境空气高得多,而所有涉及气流折返的塔型(中排风和上排风塔,详见俺的《压力喷雾世博下载组的进化:从下排风到上排风》)都会造成潮气在下锥底部/粉出口沉积,湿含量和相对湿度就会更高,露点温度也会更高,粉体就极易在此处粘挂,底排风塔的粉则会全部进入排风管,本身就易粘挂到阻塞。那么安装在此处的固定床就可以提供干燥(固定床进风即使不除湿,也会比塔内空气干燥得多)的空气,稀释潮气,并形成干燥风垫层,避免粉体直接基础塔壁,避免粘塔挂壁,延长清洗间隔。

同时,当粉体出塔继续落向振动床时,也会裹挟在塔内潮湿空气里,如果振动床进风温度过低,就会造成局部微结露,就会形成比较松散的粉块。用固定床较为干燥的风“替换”塔内潮湿空气,也能有助于避免振动床产生“松散结块”问题。

      对于沿主排风会沿塔壁上卷的上排风塔型而言,固定床干燥风的加入,当然也就更有助于形成“塔壁干燥风幕”,显然有助于避免粘塔挂壁。

      那么,问题来了,固定床进风究竟用不用除湿?进风温度又该多少合适呢?

      从“整治正确”角度说,当然除湿更安全,如果粉在床内停留时间很短,进风温度达到塔内温度也会更安全,但显然也就带来了巨大的能耗。实际上,如果只是当作“保护风”使用的话,对于大多数粉而言,此处温度超过塔内空气露点和湿球温度再加裕量(比如五六十度)即可。虽然取风的相对湿度可能较高,但加热后的相对湿度会较大下降,如果是南方高温高湿天气生产易吸潮粉,只要具备一定温度,用表冷除湿至春秋季节的湿含量一般也已足够,具体粉体可以用培养箱做试验确定。

      当然,如果需要考虑二次干燥效果,首先需考虑粉体在床内有足够的停留时间(床板面积、粉体运动轨迹、先落先出等),温度可以按塔内温度控制。

      实际上,因为需考虑烘塔风温,固定床进风肯定是要达到较高温度的,如果运行温度和烘塔温度差别较大,可能造成自动控制难以调节稳定,烘塔时就要减少进风量。

 

3.3 振动流化床进风

      按老说法,振动床一般分为三段,第一段加热用于二次干燥,第二段过渡,第三段冷却。实际这是在奶粉“喷涂卵磷脂”年代的做法了。由于吸潮和世博下载化温度的影响和包装的需要,都希望将产品粉冷却至30℃左右甚至更低,振动流化床往往都被用作“冷却床”。

想要将粉体冷却至30℃,进风温度就需在20℃以下(当然,和粉量、床面积、床长度、风速等等有关),而20℃本身就意味着两个问题:一是低于塔内气流的露点,会造成粉体周边潮气微结露形成松散结块;二是外界空气温湿度较高的话,20℃的进风相对湿度也就会很高,这又会造成粉体吸潮。有人恐怕又会想到“万能的除湿”,但显然,除湿也只能解决第二个问题,而且,是否一定要用转轮除湿至5g水/kg干气呢?

      首先,振动床进风的温湿度应形成逐段递减的“梯度”,而不是试图“一下子降到位”,以逐渐降低粉外空气的露点。如果固定床风温不高(比如五六十度),振动床一段风温就可较低(比如三四十度);如果固定床风温较高,或没有振动床,振动床一段风温就须参考上一节固定床风温(如五六十度)。另外,如果振动床一段空气温湿度较高,就要在一二段之间设置排风口,避免影响后续降温冷却。

第二,振动床的进风是否需要除湿,需根据粉体的吸湿曲线和外界环境空气的湿含量确定。翘片管换热器制作的表冷式除湿器的工艺过程如下图:

      之所以要再升温,就是为了避免达到饱和湿含量的低温空气在风管道、下床体和筛板上结露。

      如果粉体在此空气条件下,在振动流化床的停留时间内,没有明显吸潮,那么显然,振动床的冷却段用表冷除湿器除湿即可。同时,如果外界环境空气虽然温度高,但湿含量很低(比如西部地区),表冷除湿器也只用作降温即可,那就无需再开启蒸汽补充加热;如果外界环境空气温湿度都不高(比如北方地区的冬春两季),那直接用环境空气吹就是了;如果取风温度过低(比如东北冬季),甚至需要加热升温,以避免跌破露点造成松散结块。

      对于某些极易吸潮的粉体,就需用到转轮除湿机:

      如上图,转轮除湿器其实也需要前置一个冰水降温的表冷除湿器,将湿含量除湿至7~8g水/kg干气,然后用转轮继续除湿至5g水/kg干气以下。其原理其实和干燥塔本质上是一样的,好比服务员不断的“端”来干燥剂吸潮,然后再“端”去烘干再“端”回来~~值得一提的是,因为“端回来”的干燥剂被烘干加热了,所以转轮出风是被加热了的,需要额外再配表冷换热器降温。和表冷的使用条件类似,如果到了东北地区的冬季,环境空气的湿含量甚至不足1g水/kg干气,那也毫无必要再启动转轮除湿机。

      当确定了塔内温度/固定流化床进风温度和流化床冷却段温度,就可以确定振动床一段/过渡段的进风条件了,其实温度无非是上述的平均值。如果固定床进风温度不高,北方非夏季用环境空气直吹也是可以的,湿度则仍需考虑粉体对温湿度的吸潮曲线,可以用培养箱简单做个试验来确定。鉴于中国夏季大部地区(尤其胡焕庸线以东)的温湿度都较高,那如果进风温度不高(相对湿度易较高),则建议上一台表冷除湿器。

      如果想利用流化床的二次干燥作用,其一段进风温度达到八九十度的话,其实相对湿度会非常低,粉体干燥速率远大于吸潮速率,当然也就不用任何除湿器了。

 

3.4 输送风/细粉附聚风

      世博下载组内的粉输送风是由罗茨风机吹至风粉分离器的卸粉关风器,裹挟粉输送到热风箱附聚或者流化床出料的风,属于正压稀相输送的范畴。该管道粘挂堵粉是个常见问题。

      作为输送风,就须考虑两个露点的问题,一是该压力下空气不能达到“压力露点”,二是不能使粉外潮湿空气降温至露点。

      压力露点是指空气压力下露点上升的现象,比如1标准大气压(101.3kPa)时,35℃ 80%,含湿量29.28g/kg,露点温度31.2℃,当罗茨风机风压按50kPa时,含湿量不变,则露点温度变为38.5℃,相对湿度119.47%,就是已经水蒸气结露析出了。显然,这种风是无法直接用于粉体输送的。

      前面始终在强调,塔内和排风系统的风远比环境空气要潮湿,即使关风器可以很大程度切断分离器和出料粉之间的空气,但粉外仍会裹挟潮湿空气,这些空气降温至露点(比如40℃左右),就会形成粉外微结露粘连成松散粉块,逐渐堆积阻塞管道。

      解决的办法主要是两条(当然,前提是风量(风粉比)风压肯定是够的),一是升温,一定要超过压力露点和粉外空气的温度,降低相对湿度;二是除湿,降低风中湿含量,自然也就降低了相对湿度。或者双管齐下的解决问题。值得提醒的是,和动辄2~5bar的压缩空气不同,输送风的压力毕竟只有几十kPa而已,还会有升温操作,所以也不必除湿太“狠”。

 

3.5 保护风

      插入世博下载组的轴端狭缝的压缩空气一般不考虑温度问题,但一定要按压缩空气压力进行除湿,本文不做详述。本文讲的保护风是指用于隔断主气流温度或流向的风,一般用于喷枪和细粉附聚管周边和热风进口周边,前者的作用是隔断进风温度向物料的导热,后者的作用是隔断进塔热气流对塔内气流的牵引流,避免其反复受热变性。此风也常被称为“冷风”,结构上就叫所谓“冷风夹套”,但它真的必须“冷”吗?

      在3.2说过固定床进风在很大程度上就是“保护风”,至少需高于塔内露点温度并有一定余量,可能还需除湿处理。而在喷枪、细粉和热风进口的保护风,不仅要考虑露点问题,否则在此处就结露粘挂了,这个现象在喷头前端、附聚管唇口、热风口周边都有可能发生;同时,还需考虑到风压风速,要略高于进塔的热风主气流,才能避免才此处局部形成负压区,造成粘挂乃至热变性问题。显然,此保护风的温度也不应低于物料的进料温度,虽然超过湿球温度后的物料温度对蒸发干燥的贡献不大,但毕竟可以降低粘度、雾化充分,当然不能再把它冷下来。那么如果进料温度是50~60℃,保护风温度增加10~15℃,如果进料温度是75~90℃(注意试验确定物料是否有高温反而粘度上升现象,不应达到此温度临界),保护风温度与其相当即可。

世博下载用压力喷雾干燥塔的风温原理(下)

2022-06-23
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由基础的换热计算式可知,换热温差越大,换热效率/推动力越高,对于干燥塔而言,就是蒸发强度(单位空间蒸发的水分)越高。