料雾粒度分布的实验分析和喷雾干燥设备的轨迹法设计

本文系统论述了料液经雾化器雾化后形成的粒度分布的确定方法，以及喷雾干燥器内粒子的运动状态、空气的流动特性和数学模型的建立，根据马歇尔方程计算干燥过程中粒子与热空气之间的传质传热，通过求解粒子的运动方程而进行喷雾干燥设备设计的粒子运动轨迹法，和计算程序的编制，并对程序的可靠性进行了验证。 本文采用样板取样法确定料雾的粒度分布，即实验中让部分料液经雾化器雾化，形成的粒子群在空气曳引力和重力的作用下落到样板上，得到粒子飞行的水平距离和各板上对应的粒子重量百分比的关系；而程序中假设了几组直径的粒子，通过模拟它们在静止空气中的运动轨迹，得到粒子直径和飞行的水平距离的关系。利用数值计算方法处理这两种关系，即可确定从雾化器出来的粒子的粒度分布。 对粒子的运动和干燥过程的模拟采用了时间增量法，在每一时间步内以步初时刻液滴的位置确定本时间步内的参考坐标系，即拖动坐标系，从雾化器出口开始一步一步地跟踪粒子的运动轨迹，直到料雾达到干燥要求。时间增量步内粒子的运动轨迹决定于空气对粒子的曳引力和粒子自身的重力作用。同时，液滴与空气之间发生的热量和质量交换，会影响空气的流动状态和粒子的尺寸、质量，也就影响了液滴的受力和运动轨迹。当时间步取得足够小时，这种影响可以忽略不计，因此，根据步初时刻的参数可以确定步末时刻的液滴位置和速度。 液滴的干燥过程分为恒速和降速两个阶段。恒速阶段液滴表面的蒸汽分压始终等于料液表面温度下的饱和蒸汽压，降速阶段液滴表面不再保持充分润湿，其蒸汽分压低于饱和蒸汽压，但不论哪个阶段，传质的推动力均为液滴表面的蒸汽分压与干燥空气的水蒸气分压之间的分压差。热空气提供的热量主要用于液滴中的水分蒸发，关于热量的传递，本文讨论了两种方案。方案一认为恒速阶段空气传给液滴的热量几乎全部用于液滴水分的蒸发，传热和传质达到瞬时平衡，而在降速阶段空气的热量除了消耗于水分的蒸发外，还有一部分使液滴的温度上升；方案二认为无论在哪一干燥阶段，空气传给液滴的热量均全部用于液滴水分的蒸发，传热和传质之间始终保持平衡。 本文所编制的程序中通过模拟液滴粒子的运动轨迹，计算粒子的运动方程、传质传热方程，直到液滴的平均湿含量达到产品的干燥要求，来确定喷雾干燥器的直径和高度。 通过复现有关文献中的算例，得到的程序计算结果与文献中提供的数据相比较表明，本文编制的程序是可靠的，既可作为设备设计的计算模型，也可对现役设备的操作条件进行验算和优化，具有一定的实用价值。