Молочная промышленность

Распылительная сушка

По определению распылительная сушка – это превращение жидкого сырья в сухой продукт посредством распыления сырья в горячем сушильном агенте. Это непрерывный одноступенчатый технологический процесс. Сырье может быть раствором, суспензией или пастой. Высушенный продукт состоит из отдельных частиц или агломератов – в зависимости от физических и химических свойств сырья, конструкции сушилки и рабочих условий. В последние три десятилетия распылительная сушка интенсивно исследовалась и развивалась, так что современное оборудование позволяет получить продукт, обладающий заданными заказчиком свойствами.

В молочной промышленности распылительная сушка применяется с 1800 года, но в больших масштабах она стала применяться для сушки молока не раньше 1850 года. Однако процесс требовал добавления сахара, серной кислоты или щелочи, так что готовый продукт нельзя было считать чистым.

Один из первых патентов на распылительную сушку был выдан в 1901 году немецкому изобретателю Штауфу, который распылял молоко форсунками в камере с теплым воздухом. Первый настоящий прорыв, однако, произошел в США в 1913 году, когда американец Грей и датчанин Йенсен разработали форсуночную распылительную сушилку и начали производить и продавать промышленные сушильные установки.

Первый роторный распылитель (атомайзер) был разработан немецким изобретателем Краусом в 1912 году, но этот метод не применялся на практике до 1933 года, когда датский инженер Нироп получил на него мировой патент.

После того как эти первопроходцы заложили основу современной индустрии сухого молока, техника развивалась быстро, и современное оборудование, как правило, отличается сложным устройством и использованием изощренных технологий.

Традиционная распылительная сушилка работает следующим образом, см. рисунок 1.

1 - Сушильная камера; 2 - Система нагрева и распределения воздуха; 3 - Система питания; 4 - Распылитель; 5 - Система отделения порошка; 6 - Система пневмотранспорта и охлаждения; 7 - Аппарат с псевдоожиженным слоем для досушивания и охлаждения; 8 - КИПиА Рисунок 1 - Установка распылительной сушки
1 — Сушильная камера; 2 — Система нагрева и распределения воздуха; 3 — Система питания; 4 — Распылитель; 5 — Система отделения порошка; 6 — Система пневмотранспорта и охлаждения; 7 — Аппарат с псевдоожиженным слоем для досушивания и охлаждения; 8 — КИПиА
Рисунок 1 — Установка распылительной сушки

Сырье перекачивается из резервуара подачи продукта в распылитель, расположенный вместе с воздухораспределителем в верхней части сушильной камеры. Сушильный воздух забирается подающим вентилятором из атмосферы и направляется через фильтр и через нагреватель в воздухораспределитель. Распыленные капли контактируют с горячим воздухом и испаряются, воздух при этом охлаждается. Большая часть высушенного распыленного сырья падает на дно камеры и подается в систему пневмотранспорта и охлаждения. “Мелочь”, т.е. частицы малого диаметра, уносится воздухом, поэтому воздух требуется пропускать через циклоны для отделения мелочи. Мелочь, собирающаяся на дне циклонов, выгружается через затворы в систему пневмотранспорта . Воздух из циклонов выбрасывается в атмосферу посредством вытяжного вентилятора. Две фракции порошка объединяются в системе пневмотранспорта и охлаждения, затем разделяются в сепараторе и упаковываются в мешки. КИПиА сушилки включает в себя приборы для измерения температуры воздуха на входе и выходе, устройство автоматического регулирования температуры на входе посредством изменения давления пара или подачи топлива в воздушный нагреватель и устройство автоматического регулирования температуры на выходе посредством изменения подачи сырья в распылитель.

Традиционная распылительная сушилка состоит из следующих основных компонентов:

  • сушильная камера
  • система нагрева и распределения воздуха
  • система подачи
  • распылитель
  • система отделения порошка
  • система пневмотранспорта и охлаждения
  • установки кипящего слоя после сушки/охлаждения
  • КИПиА 

Сушильная камера

На рынке представлены сушильные камеры различных конструкций. Наиболее распространена цилиндрическая камера с коническим (40-60°) дном, из которой порошок выгружается самотеком. Имеются также камеры с плоским дном, в этом случае выгрузка порошка производится с применением скребкового или аспирационного устройства. Кроме того, существуют горизонтальные прямоугольные сушильные камеры, в которых также используется принудительная выгрузка порошка (скребок или шнек). Различные типы сушильных камер показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 - Разные типы сушильных камер
Рисунок 2 — Разные типы сушильных камер

Вообще говоря, камеры с коническим дном и гравитационной выгрузкой порошка легче адаптировать к различным процессам сушки, таким как распылительная сушка с встроенным псевдоожиженным слоем или транспортером, и поэтому открывают более широкие возможности для сушки различных продуктов.

В настоящее время сушильные камеры, как правило, конструируют так, чтобы исключить внутренние преграды для потоков воздуха, которые приводят к отложениям порошка. В башенных сушильных камерах особое внимание уделяется ламинарности воздушного потока, для этого систему отвода воздуха проектируют так, чтобы диаметр конуса был больше диаметра цилиндрической части и между ними образовался кольцевой канал. Это снижает скорость вытяжного воздуха и уменьшает унос порошка в циклон. Такая камера специально предназначена для сушки продуктов детского питания или белковых продуктов, сырье для которых содержит мало сухих веществ.

Разработка рукавных фильтров, допускающих безразборную мойку, позволила создавать сушильные камеры со встроенными рукавными фильтрами. Сушильная камера обязательно оборудуется смотровыми люками, осветительными приборами, предохранительными клапанами и другими устройствами для обеспечения безопасности, такими как установки пожаротушения, подающие в камеру воду или пар.

Сушильные камеры обычно снабжены теплоизоляцией в виде съемных пустотелых панелей (см. рисунок 3), либо 80-100 мм слоя минеральной ваты, обшитого листами нержавеющей стали или оцинкованной стали с ПВХ покрытием. Преимущество съемных панелей состоит в том, что они позволяют осматривать стенки камеры. Трещины в камере приводят к отсыреванию теплоизолирующего материала и развитию в нем бактерий или к появлению холодных пятен на стенке, где формируются отложения.

Рисунок 3 - Съемные изоляционные панели камер распылительной сушки
Рисунок 3 — Съемные изоляционные панели камер распылительной сушки

Система нагрева и распределения воздуха

Фильтрование воздуха

До недавнего времени не существовало специальных требований относительно фильтрования рабочего воздуха для распылительной сушки. Сейчас, однако, местные власти ввели очень строгие требования, которые должны обеспечить более высокий уровень чистоты. Классы фильтров приведены на рисунке  4.

Рисунок 4 - Классы фильтров
Рисунок 4 — Классы фильтров

Сообщая % эффективность фильтрования, важно указать способ ее измерения. Общим для различных требований к фильтрованию воздуха является следующее:

  • Воздух должен подаваться отдельным вентилятором через фильтр грубой очистки в цех, где размещаются вентилятор, фильтр и нагреватель. В этом цеху должно поддерживаться избыточное давление, чтобы в него не проникал нефильтрованный воздух.
  • Выбор класса и расположения фильтра зависят от конечной температуры рабочего воздуха следующим образом:
  1. Для основного сушильного воздуха, который нагревается выше 120°С, требуется только грубое фильтрование с эффективностью до 90%. Фильтр должен располагаться на стороне нагнетания вентилятора.
  2. Для вторичного воздуха, который нагревается менее чем до 120°С или совсем не нагревается, эффективность фильтрования должна составлять 90-95 % и фильтр должен быть установлен после нагревателя (охладителя). В некоторых странах действуют даже более строгие требования – эффективность фильтрования должна составлять 99,995 %, что соответствует классу фильтра EU13/14 (или H13/14).
  • Текущая практика такова:
  1. — Молочные продукты,

отвечающие требованиям не ниже 3А:                                    Метод оценки
предварительное фильтрование EU4 (или G4)            ≈35% эффективность по пятну пыли
Фильтрование основного воздуха EU7 (или F7)           ≈90% эффективность по пятну пыли
Фильтрование вторичного воздуха EU7 (или F7)         ≈90% эффективность по пятну пыли

2. Продукты детского питания,

отвечающие требованиям не ниже IDF:                                   Метод оценки

предварительное фильтрование EU6 (или F6)              ≈70% эффективность по пятну пыли
Фильтрование основного воздуха EU7 (или F7)            ≈90% эффективность по пятну пыли
Фильтрование вторичного воздуха EU9 (или F9)         >95% эффективность по пятну пыли

Система нагрева воздуха

Воздух можно нагревать разными способами:

  • в поверхностном теплообменнике – паром /мазутом/ газом / горячим маслом
  • в контактном теплообменнике – газом / электроэнергией

Поверхностный нагрев

Паровой нагреватель представляет собой простой калорифер. Достигаемая температура зависит от имеющегося давления пара. При нормальных условиях можно нагреть воздух до температуры на 10 °С ниже, чем соответствующая температура насыщения пара.

Современные паровые нагреватели разделены на секции, так что холодный воздух сначала попадает в секцию конденсата, затем в секцию пара низкого давления (которая обычно является самой большой, поскольку должна вмещать как можно больше пара низкого давления) и, наконец, в секцию пара высокого давления. Воздухонагреватель состоит из рядов оребренных труб, заключенных в металлический кожух. Тепловая нагрузка рассчитывается по количеству и удельной теплоемкости воздуха. Размер нагревателя зависит от особенностей теплопередачи через трубы и ребра и обычно рассчитывается из коэффициента 50 ккал/°С·ч·м3 при скорости воздуха 5 м/с. Паровые нагреватели воздуха, как правило, имеют кпд 98-99 %. Паровой котел обычно устанавливается на некотором расстоянии от нагревателя, и он должен обеспечивать дополнительные 2-3 бар изб. для компенсации потерь давления в паропроводе и регулирующем клапане. Во избежание коррозии труб нагревателя воздуха рекомендуется изготавливать их из нержавеющей стали.

В поверхностных нагревателях, нагреваемых мазутными или газовыми горелками, воздух и продукты горения двигаются по разным каналам. Продукты горения проходят через оцинкованные трубы, которые передают тепло воздуху. Камера сгорания выполняется из теплостойкой стали. Крышки нагревателя должны быть съемными для удобства чистки труб. Нагреватели этого типа работают в диапазоне температур 175-250°С с кпд около 85 %. (см. рисунок  5).

Рисунок 5 - Поверхностный нагреватель воздуха с мазутной горелкой
Рисунок 5 — Поверхностный нагреватель воздуха с мазутной горелкой

Масляные воздухонагреватели используются либо самостоятельно, либо в дополнение к паровым нагревателям, когда давление пара не обеспечивает достаточной температуры воздуха на входе. Система нагрева состоит из двух теплообменников, один из которых нагревается газовой или мазутной горелкой, а другой отдает теплоту воздуху. Между этими теплообменниками с высокой скоростью циркулирует специальное масло для применения в пищевой промышленности или иной жидкий теплоноситель, не разлагающийся при высокой температуре. Основное преимущество масляных воздухонагревателей состоит в том, что это открытая негерметичная система.

Контактный нагрев

Контактные газовые нагреватели используются только в тех случаях, когда продукты сгорания не могут вступить в контакт с продуктом. Поэтому они редко применяются в пищевой или молочной промышленности. Контактные газовые нагреватели дешевы, имеют высокий кпд и обеспечивают температуру до 2000°С. Если установка оборудуется воздухонагревателем с непосредственным нагревом от горелки, необходимо учесть образующийся при сгорании водяной пар (44 мг/кг сухого воздуха/°С), который увеличивает влажность сухого воздуха. Поэтому температуру на выходе нагревателя нужно увеличить для компенсации увеличения содержания влаги и поддержания требуемой относительной влажности.

Рисунок 6 - Контактный нагреватель воздуха с газовой горелкой
Рисунок 6 — Контактный нагреватель воздуха с газовой горелкой

Сгорание природного газа (метана) протекает согласно следующей стехиометрической формуле:

CH4 + 2O2 2 H2O + CO2 + теплота

Требуемый для горения кислород поступает из атмосферного воздуха, который содержит 21% O2 и 79% N2.

Поэтому при горении образуется небольшое количество оксидов азота в результате реакции азота и кислорода при повышенной температуре. Образующаяся смесь оксида азота NO и диоксида азота NO2 обозначается NOx.

Нужно заметить, что высокие температуры сгорания, высокая интенсивность теплопередачи, большой избыток воздуха и малое время пребывания в камере сгорания увеличивают образование NOx.

Для сравнения ниже приведены приблизительные концентрации NOx в различных условиях:

  • сигаретный дым     4000ppm
  • выхлопные газы автомобиля 2000ppm
  • перекресток с интенсивным движением 900ppm
  • газовая колонка 75ppm
  • предельное содержание в детском питании согласно ВОЗ 45ppm
  • камера распылительной сушилки 2-5ppm
  • обычное свежее молоко <1 ppm
  • обычная питьевая вода 0.1 ppm

Уровень NOx в рабочем воздухе после контактного нагрева в газовой горелке зависит от многих переменных, однако при хорошо отрегулированном воздухонагревателе он не превысит указанного предела. Только около 2 % образовавшегося NOx абсорбируется сухим молоком.

Содержание NOx в сухом молоке зависит не только от способа нагрева рабочего воздуха, но и от корма, который получали коровы, а также от применявшихся удобрений и от почвы, на которой корм произрастал.

Уровень NOx в сухом молоке:

  • поверхностный нагрев: следы – 2 ppm
  • контактный нагрев: 1 – 3,5 ppm

а уровень нитратов (NO3) в 5-10 раз превышает уровень нитритов (NO2).

Электрические воздухонагреватели широко применяются в лабораторных и пилотных распылительных сушилках. Эти нагреватели имеют низкую стоимость, но дороги в эксплуатации и поэтому не используются в промышленных установках.

Распределение воздуха

Распределение воздуха – один из важнейших моментов для работы распылительной сушилки. В зависимости от конструкции установки и производимого продукта применяются различные системы распределения воздуха.

По конструкции сушилки делятся на три категории: прямоточные, противоточные и со смешанным потоком. Однако в молочной промышленности, где требуется обеспечить наилучшее смешение входящего горячего воздуха с высушиваемыми каплями для максимально быстрого испарения, применяются только прямоточные сушилки.

В случае горизонтальной сушильной камеры воздухораспределитель выполняется в виде распределительной камеры, и каждая форсунка окружена потоком нагнетаемого воздуха.
Такая же система применяется в вертикальных цилиндрических сушилках, см. рисунок 7.

Рисунок 7 - Воздухораспределитель в горизонтальной сушильной камере
Рисунок 7 — Воздухораспределитель в горизонтальной сушильной камере

Однако чаще всего воздухораспределитель располагается в верхней части крыши сушильной камеры, а распылитель находится в центре воздухораспределителя, что обеспечивает наилучшее смешение воздуха с каплями. В цилиндрических вертикальных сушилках это может быть перфорированная крыша камеры, которая создает поршневой воздушный поток – многочисленные форсунки расположены на перфорированной пластине так, чтобы обеспечить охлаждение воздуха концентратом. Эта система, однако, затрудняет возврат мелочи, и достижимая комбинация скорости воздуха и расположения форсунок не оптимальна для эффективной сушки. Следует отметить, что воздухораспределитель должен обладать способностью направлять воздух и капли в нужном направлении, чтобы избежать отложений в сушильной камере.

В сушилках большой производительности с форсуночным распылением устанавливается 3-5 воздухораспределителей с форсунками. Однако при такой конструкции невозможно избежать отложений на центральной части крыши между воздухораспределителями и, кроме того, затруднен возврат мелочи.

В современных распылительных сушилках для пищевых и молочных продуктов применяются два типа воздухораспределителей:

  • С вращающимся воздушным потоком. Воздух подается тангенциально в спиральный корпус воздухораспределителя, см. рисунок 8, откуда направляется лопатками радиально-нисходящим потоком. Этот тип воздухораспределителей применяется с роторными распылителями (атомайзерами) и форсуночными распылителями, расположенными в центре воздухораспределителя. Очень важна роль кольца охлаждающего воздуха. Отверстия подачи охлаждающего воздуха (которые при необходимости могут быть закрыты) располагаются по периметру крыши камеры или воздухораспределителя и предотвращают образование отложений порошка. Такие отложения приводят к появлению пригорелых частиц в порошке или даже к пожару.

 

Рисунок 8 - Потолочный воздухораспределитель с регулируемыми направляющими лопатками
Рисунок 8 — Потолочный воздухораспределитель с регулируемыми направляющими лопатками
  • С поршневым воздушным потоком. Воздух подается в воздухораспределитель радиально с одной стороны и распределяется регулируемыми лопатками, см. рисунок 9. Этот тип воздухораспределителей применяется с форсуночными распылителями, для которых желателен ламинарный поршневой поток воздуха. Здесь, как и в воздухораспределителях с вращающимся потоком, также применяется охлаждающий воздух. Поскольку подающий ствол форсунки расположен в потоке горячего воздуха, охлаждающий воздух поступает и в ствол форсунки, чтобы предотвратить избыточный нагрев продукта.
Рисунок 9 - Воздухораспределитель с поршневым воздушным потоком
Рисунок 9 — Воздухораспределитель с поршневым воздушным потоком

Система подачи

Система подачи, см. рисунок 10, соединяет выпарной аппарат с распылительной сушилкой и включает в себя следующее оборудование:

  • танки подачи
  • танк для воды
  • насос концентрата
  • система подогрева
  • фильтр
  • гомогенизатор/насос высокого давления
  • подающая линия, включая возратную линию для безразборной мойки.
Рисунок 10 - Система питания
Рисунок 10 — Система питания

Танки подачи

Рекомендуется использовать два танка подачи и переключаться между ними не реже чем каждые 4 часа. Это связано с опасностью размножения бактерий в подаваемом продукте, который обычно имеет температуру 45-50 °С, Поэтому, пока один танк эксплуатируется, другой чистится. Объем каждого танка должен обеспечивать 15-30 минут работы сушилки. Танки подачи оборудуются датчиками уровня и форсунками СИП. Иногда вместо танков подачи применяется вакуумная камера, встроенная в последнюю нагревательную камеру выпарного аппарата.

Танк для воды

Танк для воды применяется при пуске и останове установки, а также в том случае, если во время работы сушилки возникнет нехватка концентрата. Танки подачи могут быть оборудованы датчиками уровня, и если к такому танку подводится питающая вода, переключение на подачу воды может выполняться автоматически, что устраняет необходимость в танке для воды.

Насос концентрата

В случае роторного распылителя для подачи концентрата чаще всего применяется насос объемного типа (шестренчатый или винтовой) или центробежный насос. Насос объемного типа потребляет меньше энергии и может подавать раствор большей вязкости, чем центробежный, но стоит дороже.

Система подогрева

Форсуночное распыление требует более высокой температуры (меньшей вязкости) продукта, чем на выходе из выпарного аппарата. Подогрев способствует также и роторному распылению. Поэтому рекомендуется использовать подогреватель концентрата. О может быть либо поверхностным, либо контактным.

Возможные поверхностные подогреватели:

  • пластинчатый теплообменник. Система с пластинчатым теплообменником дешевле, но если концентрат требуется подогревать до 60-65 °С и содержание сухих веществ составляет 45-46 %, а рабочий периоддолжен длиться 20 часов, нужно использовать два сменных теплообменника, чтобы чистить один из них, пока другой работает. Греющей средой может служить пар, теплая вода  или конденсат из первого корпуса выпарного аппарата.

теплообменник “труба в трубе”. Очень простой и не требующий обслуживания подогреватель упаренного раствора – этотеплообменник HIPEX типа “труба в трубе” (см. рисунок 11), в котором гофрированные трубы создают турбулентность, которая улучшает теплообмен и снижает загрязнение теплообменных поверхностей. Греющей средой обычно является горячая вода, теплообменник  работает в противотоке, причем греющая среда течет по внешней и внутренней трубам, а продукт – по средней трубе. Очень низкая разность температур (< 5 °C) позволяет работать 20 часов без перерыва на мойку.

Рисунок 11 - Теплообменник HIPEX
Рисунок 11 — Теплообменник HIPEX
  • скребковый теплообменник. (см. рисунок 12). В скребковом теплообменнике быстро вращающийся скребок из синтетического материала, предназначенного для пищевой промышленности, постоянно удаляет с поверхность теплопередачи налипающий продукт, предотвращая его пригорание и снижение теплопередачи. Скребковые теплообменники особенно подходят для продуктов с высоким содержанием сухих веществ. Они могут непрерывно работать в течение 20 часов и очищаются вместе с остальной системой подачи. Скребковые теплообменники не рекомендуется использовать для обработки содержащих кристаллы продуктов, таких как криталлизованная сыворотка или пермеат, из-за сильного износа деталей
Рисунок 12 - Скребковый теплообменник
Рисунок 12 — Скребковый теплообменник

Возможные контактные подогреватели:

  • с прямой инжекцией пара (ПИП). В аппаратах ПИП пар подается в концентрат молока через форсунку, дающую сравнительно большие пузыри, что ведет к излишнему нагреву части концентрата и, следовательно, денатурации белка.
  • с мягкой инжекцией пара (МИП). В аппаратах МИП (запатентованных) пар смешивается с концентратом посредством динамической мешалки. При этом образуются очень мелкие пузыри, что исключает излишнийнагрев и денатурацию. Следовательно, в них можно использовать пар более высокого  давления. Аппараты МИП часто применяются в сочетании с другими теплообменниками, если концентрат требуется нагреть до температуры выше 75 °С.


Подогрев концентрата полезен не только с микробиологической точки зрения. Он также снижает вязкость сырья, что вместе с передачей дополнительного тепла увеличивает производительность распылительной сушилки не менее чем на 4 % и улучшает растворимость порошка.

Фильтр

В систему подачи всегда встраивается проходной фильтр, чтобы исключить попадание комков и т.п. в распылитель.

Гомогенизатор/насос высокого давления

При производстве цельного сухого молока или других жирных продуктов рекомендуется встраивать в систему питания гомогенизатор, чтобы уменьшить содержание свободного
жира в готовом порошке. Желательно использовать двухступенчатый гомогенизатор.

Первая ступень работает при давлении 75-100 бар., а вторая – при 25-50 бар . Обычно гомогенизатор и питающий насос соединяются в один агрегат. При форсуночном распылении требуется более высокое давление (до 250 бар . для форсунок + 150 бар . для гомогенизации), поэтому для экономии средств используется комбинированный гомогенизатор/насос высокого давления. Желательно использовать насос с регулируемым приводом, чтобы управлять расходом продукта и, таким образом, выходной температурой, поскольку частичная циркуляция продукта ведет к неконтролируемому времени выдержки и, следовательно, проблемам с вязкостью. Зависимость вязкости от давления гомогенизации и содержания сухих веществ в концентрате представлена на рисунке 13. Для экономии энергии, хотя и за счет увеличения стоимости, гомогенизатор и насос высокого давления выполняются как отдельные агрегаты, и гомогенизатор оборудуется клапаном NanoValve, см рисунок 13, что улучшает эффективность гомогенизации при меньшем давлении.

Рисунок 13 - Вязкость концентрата цельного молока как функция давления гомогенизации и содержания сухого вещества в концентрате
Рисунок 13 — Вязкость концентрата цельного молока как функция давления гомогенизации и содержания сухого вещества в концентрате

Подающая линия

Подающая линия, конечно, должна быть выполнена из нержавеющей стали и рассчитана на высокое давление, если распыление производится форсунками. Диаметр выбирается так, чтобы скорость потока составляла приблизительно 1,5 м/с. В систему подачи должны быть включены возвратная линия и устройство мойки атомайзера, включая диск, или стволов форсунок, так чтобы обеспечивалась тщательная мойка всего оборудования.

Распылитель

Распыление концентрата служит для увеличения поверхности испарения. Чем меньше капли, тем больше поверхность, тем легче идет испарение и тем выше тепловой КПД сушилки. Идеальным с точки зрения сушки было бы получение капель одинакового размера, это означало бы одинаковую продолжительность сушки и одинаковую влажность всех частиц. Однако распылители с совершенно равномерным распылением пока не разработаны, хотя современные конструкции обеспечивают высокую степень однородности.

С точки зрения насыпной плотности порошка однородное распыление не желательно, так как при этом уменьшается насыпная плотность и, следовательно, возрастает расход упаковочных материалов. Однако современные устройства распыления способствуют и сушке, и увеличению насыпной плотности.

Как уже упоминалось, распределение воздуха и распыление – ключевые факторы, определяющие эффективность распылительной сушки. Распыление непосредственно определяет многие преимущества технологии распылительной сушки. Во-первых, это очень короткое время сушки капель, во-вторых, очень короткое пребывание частиц в горячем воздухе и низкая температура частиц (температура смоченного термометра), наконец, это превращение жидкости в порошок с длительным сроком хранения, готовым к упаковке и транспортировке.

Итак, главная функция распыления – это:

  • создание высокой поверхности капель для обеспечения высокой производительность по выпаренной влаге;
  • создание частиц требуемой формы, размера и плотности.

Для удовлетворения этих требований в распылительных сушилках применяются различные технологии распыления. Однако в большинстве случаев это:

  • использование энергии давления в струйных форсунках
  • использование кинетической энергии в двойных форсунках;
  • использование центробежной силы в роторных распылителях.

Механизм распыления исследовался многими учеными, и хотя первые работы выполнены более 100 лет назад, этот предмет остается весьма спорным, несмотря на множество опубликованных данных.

Распыление струйными форсунками

Основная функция струйных форсунок – превращать энергию давления, созданного высоконапорным насосом, в кинетическую энергию тонкой пленки жидкости, стабильность которой определяется свойствами жидкости, такими как вязкость, поверхностное натяжение и плотность, ее расходом и средой, в которой эта жидкость распыляется.

Большинство промышленных струйных форсунок (см. рисунок 14 и 15) оборудовано завихрителем, который придает жидкости вращение, так что она выходит из второго важнейшего компонента струйной форсунки, сопла, в форме полого конуса. Кроме указанных особенностей конструкции, форму факела распыла определяет рабочее давление. Производительность (расход распыленной воды) можно считать прямопропорциональной квадратному корню из давления:

Распылительная сушка

Согласно эмпирическому правилу, чем выше вязкость, плотность жидкости и поверхностное натяжение и чем ниже давление, тем крупнее образующиеся частицы.

1 - Корпус форсунки; 2 - Сопло; 3 - Завихритель; 4 - Концевой диск; 5 - Ниппель Рисунок 14 - Форсунка высокого давления “Delavan”
1 — Корпус форсунки; 2 — Сопло;         3 — Завихритель; 4 — Концевой диск;      5 — Ниппель
Рисунок 14 — Форсунка высокого давления “Delavan”

1 - Сопло; 2 - Колпачок форсунки; 3 - Рифленая стержневая вставка Рисунок 15 - Форсунка высокого давления “Spraying System”

1 — Сопло; 2 — Колпачок форсунки; 3 — Рифленая стержневая вставка
Рисунок 15 — Форсунка высокого давления “Spraying System”В литературе встречаются сообщения о многих найденных корреляциях, но приведенную ниже формулу можно использовать с определенной уверенностью.

Распылительная сушка

где, :   ds средний объемный диаметр частицы распыленной жидкости, мкм;  σ = поверхностное натяжение жидкости, дин/см; P = давление в форсунке, фунт/кв. дюйм; µ = вязкость жидкости, П; PL = плотность жидкости, г/см3; Q = объемный расход; Kn = константа форсунки (зависит от угла распыла); do = диаметр сопла, дюйм

Распыление двойными форсунками

Энергия, обеспечивающая распыление в двойной форсунке, не зависит от расхода и давления жидкости. Эта (кинетическая) энергия обеспечивается сжатым воздухом. Распыление происходит под действием высокого усилия сдвига между поверхностью жидкости и воздухом, движущимся с высокой, даже сверзвуковой скоростью. Иногда для интенсификации распыления дополнительно используют вращение. (см. рисунок 16).

Рисунок 16 - Пневматическая форсунка
Рисунок 16 — Пневматическая форсунка

Только двойное распыление позволяет распылить жидкость форсунками на очень мелкие капли, особенно в случае высокой вязкости жидкости. Многие ученые пытались найти соотношение между диаметром капли и рабочими условиями и рассчитать средний диаметр капель. Наилучшая из найденных формул:

Распылительная сушка

Где: d — средний объемный диаметр частицы распыленной жидкости, мкм; V — скорость воздуха относительно жидкости в сопле форсунки, фут/с; σ = поверхностное натяжение, дин/см; PL = плотность жидкости, фунт/фут3; µ = вязкость, сП; J = соотношение расходов воздуха и жидкости через соответствующие сопла

Роторное распыление

В роторных распылителях жидкость, постоянно увеличивая скорость, движется к краю диска под действием центробежной силы, вызванной его вращением. Жидкость подается в центр диска, распространяется по его поверхности в виде тонкой пленки и с высокой скоростью стекает с края диска. Степень распыления зависит от окружной скорости, свойств жидкости и расхода.

Диск должен быть сконструирован так, чтобы жидкость приобрела окружную скорость до отрыва от поверхности. Поэтому диски часто имеют лопатки различной формы, предотвращающие скольжение жидкости по его внутренней поверхности. Эти лопатки также направляют жидкость к краю диска, создавая там тонкую пленку, как в двойных форсунках. Вращающийся диск действует как вентилятор, всасывая воздух в концентрат. Количество включаемого в капли воздуха зависит от конструкции диска и свойств жидкости.

Несмотря на интенсивное изучение механизма распыления в роторных распылителях, надежно предсказывать характеристики аэрозоля пока не удается. Влияние отдельных переменных установлено только в ограниченном диапазоне, и лишь немногие из установленных зависимостей применимы к высокопроизводительным быстроходным промышленным распылителям. Можно, однако, указать связь размера капли и некоторых свойств продукта и рабочих условий.

Рисунок 17 - Роторный распылитель с непосредственным приводом
Рисунок 17 — Роторный распылитель с непосредственным приводом

Расход жидкости. Размер капли увеличивается с увеличением расхода сырья при постоянной скорости диска (с показателем степени 0,2).

Окружная скорость. Окружная скорость зависит от диаметра и частоты вращения диска и рассчитывается следующим образом:

  Распылительная сушка

Где: Vp= окружная скорость, м/с; D — диаметр диска, мм; N = частота вращения, об/мин

Окружная скорость в первую очередь используется для регулирования размера капель. Однако было показано, что размер капель не обязательно остается одинаковым, если та же окружная скорость обеспечивается дисками разной конструкции при разных комбинациях диаметра и частоты вращения, и что при прочих равных условиях диски большего диаметра обычно создают более крупные частицы. Впрочем, выбирая диаметр диска, приходится руководствоваться соображениями надежности распылителя, и различия в особенностях распыления здесь не играют существенной роли. Кроме того, маленькие диски удобнее чистить.

Вязкость жидкости. Размер капель непосредственно зависит от вязкости (с показателем степени 0,2), т.е. более вязкое сырье дает более крупные частицы. Поэтому для оптимального распыления обычно стараются по возможности снизить вязкость, чаще всего, нагревая концентрат перед распылением. Распределение размеров капель с увеличением вязкости становится более широким. Этот эффект иногда используют для увеличения насыпной плотности порошка.

Размер среднего размера капель можно выразить следующим уравнением, разработанным для окружной скорости не более 90 м/с. Однако с ней хорошо согласуются и результаты
измерений, выполненных при окружных скоростях до 150-160 м/с.

Распылительная сушка

Где: Dvs — средний саутеровский диаметр, фут (для получения среднего объемного диаметра добавьте 15-20 %); K1 — константа распылителя (0,37-0,40); r — радиус диска, фут; Mp массовый расход через весь смоченный край диска, фунт/мин. · фут; P — плотность жидкости, фунт/фут3; N — частота вращения распылителя, об/мин; µ1 = вязкость, фунт/фут · мин; σ — поверхностное натяжение, фунт/мин2; n — число лопаток; H — высота лопаток, фут.

Рисунок 18 - Узел распылителя с пневматическими форсунками и устройством возврата мелочи
Рисунок 18 — Узел распылителя с пневматическими форсунками и устройством возврата мелочи

Указанные формулы, естественно, могут служить лишь для ориентировочной оценки среднего диаметра капель. Они приведены только для того, чтобы дать читателю представление о связи между средним диаметром и различными техническими и технологическими параметрами.