然而,喷雾干燥也存在一些缺点,例如:设备成本高、热效率不高、产品在干燥室内易沉积导致产品质量降低。
基本原理和分类
虽然操作模式、料液处理和产品要求有所不同,但是所有的喷雾干燥过程必须进行以下四个基本步骤:①对干燥介质(空气)加热;②进料雾化成雾滴;③热空气与雾滴接触使雾滴干燥;④回收干燥产品。雾滴的形成、雾滴与热空气的冇效接触是喷雾干燥独特的特征。
干燥空气的加热空气加热有直接供热和间接换热两种形式。在燃烧气体和雾滴接触可以被接受的情况下,可使用直接供热的空气加热器,如直接用煤气或石油给空气加热。当雾滴不能和燃烧气体接触时,可使用间接换热的空气加热器,如蒸汽换热空气加热器,间接换热的煤炉或油炉等。
液体物料雾化成雾滴选择雾化方法是十分关键的,因此,找出各种主要雾化方法(离心式、压力式和气流式雾化)的优缺点就显得十分重要。虽然不同类型的雾化方法能用来干燥同一种料液,但产品最终的特性(表观密度、粒度、流动性等)有很大的区别,因此,必须选择适当的雾化方法。
离心式雾化方法的优点:①单个离心盘就能处理很大的进料速度;②通过合适的设计,适合具有腐蚀性的物料;③不易堵塞;④可通过改变离心盘的旋转速度控制粒度分布;⑤处理量的弹性较大。缺点:①与压力喷嘴相比,具有更高的能量消耗;②投入较昂贵;③喷雾范围大,要求大的干燥室直径。
压力喷嘴方法的优点:①没有运动机件,结构简单、紧凑,价格便宜;②能量消耗低。缺点:①雾化能力较低;②易堵塞;③易腐蚀导致改变雾滴的特性。
气流式喷嘴方法的优点:①没有运动机件,冷库价格结构简单、紧凑,价格便宜;②能处理高黏度料液;③能产生很小尺寸的雾滴。缺点:①能耗大;②生产能力低(进料速度低);③易堵塞。
雾滴和热空气接触雾滴和热空气接触决定微滴中挥发物的蒸发速度、微滴运行轨道、微滴在干燥室内的停留时间以及在干燥室壁上的沉积,同时也影响粒子的形态和产品品质。因此,除了雾化方法的选择,干燥室和空气分散器的合理选择也是喷雾干燥成功的重要因素。它们决定干燥室中空气流的形式。但在雾滴和热空气接触方面,公开的数据很有限,而且即使公开的这些数据也主要适用于生产规模小的喷雾干燥。
空气分散法主要有顶部空气分散、中心空气分散、中侧进人分散三种类型。其中中心空气分散法不能用于喷嘴式喷雾干燥器。这三种空气分散法与不同的雾化器位置相结合,会产生不同的微粒和空气接触效果,形成并流、逆流和混合流。例如,当离心式雾化器装在干燥室的顶部,并且应用顶部空气分散器,这就是并流型空气喷雾干燥器。
干燥产品的收集被从干燥室排出来的废气夹带的干燥产品必须进行分离和收集。通常情况下有干式和湿式两种类型的收集方法。干式收集器包括旋风分离器、布袋过滤器和静电除尘器。湿式收集器包括湿式气体洗涤器、湿式旋风分离器和喷雾塔。
在喷雾干燥器中,干式收集器常常被用作第一阶段的收集器。由于静电除尘器价格昂贵并且需要维修,其使用越来越少。而旋风分离器由于价格低、维修要求不高,已成为首选。但旋风分离缺点是收集效率较低(90%-98%),不能适应某些要求高的场合。在这种情况下,布袋过滤器用作第二个收集阶段,或者采用湿式收集器。布袋过滤器的主要缺陷是维修和清洗困难。布袋破裂更会造成产品损失和污染。增加湿式收集器更意味着增加成本,洗涤液体需要再处理或者再循环。因此,收集方法的选择要根据产品的价值和环保法规而定。
喷雾干燥系统控制喷雾干燥能通过手工或者自动控制。无论采用什么控制方法,决定产品残留水分的干燥室出口温度经常是受控的。出口温度控制可考虑下列两种基本控制系统:①通过进料速度来维持出口温度的系统。这种系统特别适合离心式喷雾干燥。这种控制系统还有其他的控制回路,即通过调节空气加热器来控制进口温度。②通过调节空气加热器和维持恒定的喷雾速度来维持出口温度的系统。这种系统尤其适用于喷嘴式喷雾干燥器。因为,对于压力和气流式喷嘴,变化喷雾速度会导致微粒大小分布的变化。
喷雾干燥类型和选择
按工艺流程分类
开放循环式流程:主要特征是空气从大气中吸人,经过加热系统和干燥室,然后排人大气。
封闭循环式流程:通常用于干燥易燃的物料,或者用于产品不能跟氧气接触的情况,采用惰性气体作为干燥介质。因此需要一个封闭的循环。
半封闭循环式流程:这个系统是上面两个系统的结合。它通常用于从收集器中排出的废气中回收热量,另一用法是采用直接燃烧加热系统的低氧含量喷雾干燥。
按空气和雾滴的接触分类
并流型:雾滴和空气呈相同方向通过干燥室。这种类型的接触常常用于离心式雾化的喷雾干燥器。它的生产温度一般比逆流型和混流型更低。
逆流型:在一个逆流型系统,雾滴和热的干燥空气从干燥器的相反的两端进人干燥室。它可生产出高密度的粉末。
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