干燥技术第二节 雾化器

②喷嘴的结构 有的喷嘴出口壁太厚，约4～5mm，影响气 －液接触，进而影响雾化。同时，在出口管厚 壁的端面上，黏附湿物料，产生湿料块脱落， 影响产品质量。


适宜的壁厚为0.5～0.6mm。
若气体和液体喷嘴的同心度偏差较大时，会 出现大雾滴，严重时会产生局部粘壁现象。因 此，在加工制造时，必须保证同心度要求。
压力式喷嘴大致可分为三种类型： 旋转型、离心型、压力-气流型 喷嘴。
(1) 旋转型压力喷嘴 此型的雾化原理见图5-36、图5-37。这种结 构有两个特点： 一是有一个液体旋转室，二是有液体进入旋 转室的切线入口。 凡是液体经过旋转室喷出的结构形式，一般 称为旋转型压力喷嘴。
图5-39所示为镶人造宝石的喷嘴。 图5-40所示为镶碳化钨的喷嘴。
当气-液两相的相对速度足够大时，一个正常的雾化 状态应是一个充满空气的锥形薄膜，薄膜不断地膨 胀扩大，然后分裂成极细雾滴。如下表所示。 薄膜的残余周边则分裂为较大的雾滴。
(3)气流式喷嘴的优点
①喷嘴结构简单，磨损小； ②对低黏度或高黏度料液(包括膏状物、糊状物及滤饼等)均 可雾化，因此，适用范围很广； ③操作压力低，不需要高压泵； ④此种喷嘴所得雾滴较细，可以获得滴径约为5～ 30μm； ⑤气流式喷嘴操作弹性大，即处理量有一定的伸缩性，调节 气液比也可控制雾滴大小，因而也就控制了产品粒度。
(3) 三流式喷嘴 图5-25所示为先内混合 而后外混,内混、外混结 合式三流式喷嘴原理示 意图。 物料在内混合室被一次 空气雾化，当气－液混 合物离开混合室出口时， 又被二次气体雾化，二 次气体是旋转的。 此型是国内应用较多的 一种形式。
图5-27所示为先内混后外混的三流式喷嘴结构。
(2) 离心型压力喷嘴
此型结构液体通过内插头变成旋转运动，然后由喷嘴喷出。具有使液体 旋转的内插头喷嘴统称为离心型压力喷嘴。 旋转型和离心型压力喷嘴，在雾化机理方面，基本上无差别。 离心型压力喷嘴的内插头结构类型如图5-43所示。
(3) 压力－气流型喷嘴
根据旋转动量矩守恒定律，旋 转速度与旋涡半径成反比， 因此，愈靠近轴心，旋转速 度愈大，其静压力亦愈小 (见图5-37)， 结果在喷嘴中央形成一股压力等 于大气压的空气旋流，而液 体则形成绕空气心旋转的环 形薄膜，液体静压能转变为 向前运动的液膜的动能，从 喷嘴高速喷出。 液膜伸长变薄，最后分裂为小雾 滴。这样形成的雾滴群的形 状为空心圆锥形，又称空心 锥喷雾。
(2) 二流体外混合喷嘴
指气一液两相在喷嘴出口外部接触、混合，液体被雾化为小 雾滴。其结构如图5-10所示，此种结构是气体和液体喷嘴出 口在同一水平面上。图5-13所示为液体喷嘴高出气体喷嘴 1～2mm，此处接近气体流的缩径，气体速度最大，静压最 小(一般情况，此处为负压，其值大小决定于气体喷射速度)， 使液体获得较大的吸力。
内混合与外混合的雾化原理是相同的。它们的主要区别有两点： ①内混合喷嘴要求在气一液接触的平面处，气体必须保持足够大 的速度，以形成负压，将液体吸人，否则液体要加压输入； ②和外混合比，内混合能较好地利用气体能量来雾化液体。
下面介绍一些实际使用的二流体喷嘴结构类型， 供设计、研究及实验者参考。 图5-14所示为用螺纹直接连接而固定的用于干燥 活性黄K-6G的喷嘴，这种喷嘴，因经常拆卸，螺 纹变松而偏心。 图5-15所示为螺帽压紧式的用于干燥士林蓝的气流 式喷嘴，可以克服图5-14所示结构上的缺点。
旋转式雾化器的液滴大小和喷雾的均匀性，主要取
决于旋转盘的圆周速度和液膜厚度，而液膜厚度又 与溶液的处理量有关。 当盘的圆周速度小于50m/s时，得到的雾滴很不均 匀。喷雾的不均匀性，随盘的转速增加而减小。 当盘的圆周速度为60m/s时，就不会出现上述不均 匀现象。所以，这一圆周速度可以作为设计的最小 值。通常采用的旋转盘的圆周速度为90～160m/s。
3.2.3旋转式雾化器 3.2.3.1 操作原理、类型及优缺点
(1) 操作原理 当料液被送到高速旋转的盘上时，由于旋转表 面上伸展为薄膜，并以不断增长的速度向盘的边缘运动，离开 盘边缘时，就使液体雾化，如图5-57所示。
(2)雾化机理 也是滴状、丝状及膜状分裂，如图5-58所示。以哪一种分裂状 态为主，则与盘的形状、直径、转速、进料量及料液性质等 因素有关。旋转式雾化器产生的雾滴尺寸范围，见表5-6。
离 心 转 盘
② 旋转式雾化器的优缺点 优点： a．塔内只安装一个雾化器便可完成生产任 务， 最小喷雾量为6kg/h以下，最大喷雾量 为200t/h； b．在一定范围内，可以调节雾滴尺寸； c．生产能力调节范围大。 缺点：雾化器结构较为复杂，需要传动装置、 液体分布装置及雾化轮，对加工制造技术要 求甚高。结构复杂，检修不便。
缺点：
①需要一台高压计量泵； ②因为喷嘴孔径很小，必须严格地过滤，防止堵塞喷嘴； ③喷嘴磨损大，要采用耐磨材料制造； ④一个喷嘴的最佳操作范围较窄(即弹性小)，大产量时需多个喷 嘴； ⑤高黏度物料不易雾化。
3.2.2.2 压力式喷嘴的结构 压力式喷嘴在结构上的共同点是使液体获 得旋转运动，即液体获得离心惯性力，然后 由喷嘴孔高速喷出。因此，通常把压力式喷 嘴统称为离心压力喷嘴。
3.2 雾化器
前已指出，雾化器是喷雾干燥装置的关键部件，常 用的雾化器有气流式、压力式和旋转式。
3.2.1气流式雾化器 3.2.1.1 气流式雾化器的操作原理 气流式雾化器通常称气流式喷嘴，是实验室和中间
工厂常用的一种形式。 气流式喷嘴主要用于雾化高黏度料液。流化床喷雾 造粒干燥中，主要用气流喷嘴雾化料液，如尿素、药 品等。
(4) 四流式喷嘴
它特别适用于高粘度 物料的雾化。 料液被旋转喷出的一次 压缩空气初次雾化，形 成气－雾混合物，此混 合物在出口处又被干燥 热风及旋转喷出二次压 缩空气雾化一次，此混 合物受两面摩擦，雾化 效果较好。 热风的引用还有利于 干燥。
(5) 喷嘴的设计、制造及操作应注意的问题
①用于工业生产的气流式喷嘴，液体出口管径（内径）应尽 量大一些，这样能增加气－液接触周边，使液膜变薄，更有 利于雾化。 在气－液质量比相同的条件下，液体喷嘴内径越大（以不产 生液体脉冲现象为极限），雾滴越细。若雾滴大小保持一定， 则液体喷嘴内径越大，越省压缩空气。 大喷嘴另一个突出优点是不易被料块或杂质堵塞。小喷嘴(喷 嘴直径3～5mm)由于经常堵塞，给操作者带来许多麻烦，并 影响产品质量及产量。目前采用的喷嘴内径可达二十多毫米， 只用粗过滤即可，几乎不存在堵塞问题，操作比较稳定。因 此，设计工业用喷嘴时，采用大直径为宜。
雾化机理和喷雾角有关。一般来说，膜状分裂时的 喷雾角要比单纯丝状分裂大一些。喷雾角取决于气 液间的相对速度、喷嘴结构及物料性质。 当液体流量很小时，喷雾角与气流速度无关。当气 流速度超过300m/s时，喷雾角则与液体流量无关。 一般而言，气流式喷嘴的喷雾角通常为20～30°。 液体喷嘴与气体喷嘴的环形通道必须是同心的。若 喷嘴结构设计正确时，雾滴应均匀地分布在喷雾锥 中，喷雾锥是对称的。 如二者不同心时，雾化角就偏离中心线而不对称， 有时出现液线，这时喷雾锥包含部分大雾滴，这是 由于雾化空气分配不均匀的缘故。
(4)气流式喷嘴的主要缺点
用于雾化的压缩空气的动力消耗较大，约为压力式及旋转式 雾化器的5～8倍。
3.2.1.2 气流式喷嘴的结构 (1) 二流体内混合喷嘴
指气一液两相在喷嘴内部的混合室接触、混合(即雾化)，如 图5-12所示。空气经旋转叶片5变成旋转运动进入混合室， 雾化后的雾滴群从喷出口3高速喷出。实践证明，旋转的气 体与液体接触有利于雾化。
图5-16所示为喷雾干燥链霉素用的喷嘴，气体经旋 转叶片后旋转喷出，其喷雾炬比较短。 图5-17所示为实验室用的气流式喷嘴。
图5-18所示为雾化糊状物或滤饼的喷嘴及输料系统。
图5-20所示 是一个特殊结构 的雾化器，它 是利用高温气 流将料液雾化。 进料管设置夹 套，用水或空 气冷却。从扩 散器的周围吹 入空气或烟道 气。
(3) 三流式喷嘴
也称三流体喷嘴，有三个
流体通道，即一个液体通 道，两个气体通道。 当某种高黏度料液,二流 体喷嘴不能雾化时，采用 三流式喷嘴就有可能使料 液雾化。 如图5-23所示。物料在第 一混合室与一次气体接触， 初步被雾化，雾化后的雾 滴再进入第二混合室，与 二次气体接触，被第二次 雾化。
(1) 操作原理
现以二流式喷嘴为例说明其 操作原理。如图所示： 料液 走中心管，液体流出的速 度不大(一般不超过2m/s)； 压缩空气 经气体分布器后从环 隙喷出，速度很高，一般为 200～340m/s，也可以达到 超声速； 当气-液 二流体在喷嘴出口端 面接触时，之间存在着很大 的相对速度，从而产生相当 大的摩擦力，使料液雾化。 喷雾用 压缩空气压力一般为 0.3～0.7MPa。
(2) 雾化机理
气流式喷嘴的雾化机理有三种类 型：滴状、丝状和膜状分裂。 在一般情况下，气流式喷嘴属膜 状雾化，这种膜的形成方式如图 5-11所示。 当雾滴群离开喷嘴时，其形状是 一个被空气心充满的锥形薄膜， 因而也称空心锥喷雾。 空心锥的锥角θ，一般称为喷雾 角或雾化角（20-30°）。此锥 形薄膜雾滴群称为雾炬或喷雾锥。
压力式喷嘴的雾化机理，也是滴状、丝状及膜状分 裂，工业生产用的压力式喷嘴，通常是在膜状分裂 条件下操作。 压力式喷嘴所形成的液膜厚度范围大致是0.5～ 4μm。 压力式喷嘴的雾滴(或颗粒)的尺寸范围(低黏度、牛 顿型流体)如表5-5所示。
(2)压力式喷嘴的优点
①结构简单，制造成本低； ②全部零件，维修简单，拆装方便(图5-38所示为喷嘴在塔侧面 的一种安装方法)； ③与气流式喷嘴相比，大大节省雾化用动力。
③喷嘴的保养与维护 在安装和拆卸喷嘴时，必须小心地操作。机械 加工的金属零件，具有较高的加工精度，必 须防止任何轻微的损坏。喷雾操作停止时， 要拆下喷嘴，进行清洗，以备再用。 ④雾化用压缩空气的压力要保持恒定。过大的 波动，会引起雾化不均匀，特别是压力突然 下降时，会产生严重粘壁现象。因此，压缩 空气最好由专门设备供给。