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出口温度在喷雾干燥过程中起到的重要指示作用及作用机理

发布时间:2022-06-27 点击次数:284

在使用实验型喷雾干燥机的过程中,我们会发现,入口温度、进样量、补风量都是可以直接控制和设定的参数,出口温度只是个显示值,它随其它几个参数的变动而联动。而出口温度在干燥过程中又是一个非常重要的指示参数,它的高与低直接影响产品的含水率,甚至是颗粒的外型结构和产品的收率。

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那么,出口温度在喷雾干燥的过程中究竟如何起到了重要的指示作用,他的作用机理又是怎样的呢?


在液滴进入干燥塔并与热空气起混合的一瞬间,即开始了热量和质量的传递过程。热量是以对流的方式由空气传递给液滴,被蒸发的水分通过围绕每个液滴的边界层输送到空气中。整个干燥过程分为四个阶段:

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AB段:液滴开始接触热空气,干燥速率很快的建立起来。液滴表面温度略有升高,此时的液体得到了蒸发时所需要的汽化潜热。此阶段是增速干燥阶段,但一般在液滴---空气界面处进行传热而达到平衡所需的时间只有千分之几秒即达到B点。


BC段:液滴进入恒速干燥阶段。此过程所蒸发掉的水分都为液滴周围的非结合水。液滴内部不断的有非结合水向液滴的表面移动,在表面维持饱和状态,并与表面汽化所失去的水分达到平衡。此时物料表面始终被水所湿润,物料表面的蒸汽压等于同温度下水的饱和蒸汽压。也就是说,此时的外部热量与被蒸发的水分在液滴表面达到了平衡,液滴内部的温度并没有急速的升高,而是基本接近空气的湿球温度。这也是为什么在喷雾干燥过程中,虽然入口温度很高,但产品却不会过热受损的根本原因。


CD段:过了临界点C之后,物料进入了降速干燥阶段。这一阶段,液滴内部迁移到表面的水分开始不再维持其饱和的湿润状态,在由C点到D点的过程中,物料的固体表面外壳逐渐形成,直到D点的那一刻,固体外壳将完全形成。此过程中的干燥速率下降的很快,物料表面的蒸汽压低于同温度下水的饱和蒸汽压。由于热空气传给湿物料的热量大于水分汽化所需的热量,因此物料表面的温度将逐步上升,开始接近热干燥空气的温度。


DE段:由于物料的固体表面已经完全形成,所以此时的传质阻力全部在固体层上。物料内部的结合水向外迁移蒸发已经很困难了,固体物料的温度也会进入快速的升温阶段。蒸发将持续到物料的湿含量与周围空气达到平衡为止。其实,趋近与平衡湿含量E是十分缓慢的。在喷雾干燥的操作中,干燥成品的湿含量都高于平衡湿含量E。


在上述四个干燥阶段中,一般情况下,物料离开干燥塔的时间点是在DE段的某个点上。所以,DE段是非常重要的干燥阶段。物料含水率越来越低,而此时成品温度上升很快、zui容易接近物料的极限温度。如何让物料上升的温度不超过其本身的极限耐受温度而安全离开干燥塔呢?产品的出口温度在这里就起到了重要的指示作用。根据上面干燥过程可以知道,如果产品的出口温度不高于其本身的极限温度,那么在喷雾干燥过程中,就不会发生产品过热的现象,问题将迎刃而解。如果假设物料产品颗粒的出口温度等于出口的热空气温度。我们可绘出产品温度与热空气温度的时间变化曲线。如下图所示:


上图显示:物料在刚进入干燥塔后,由Product曲线显示:为得到足够的汽化潜热,物料迅速吸热升温,其温度很快上升到A点,随后进入到AB段的恒速干燥阶段。当物料干燥到临界点B后,物料固体表面形成,其表面温度迅速升高;而GAS曲线显示:热空气在进入干燥塔后,由于干燥过程中的物料蒸发吸热,曲线一直向下弯曲,直到与Product曲线相交于C点,此时物料与热空气一同排出干燥塔外,C点的温度即为出口温度。这是喷雾干燥过程中经典的产品温度与热空气温度的时间变化曲线。由此,我们可以推断,如果出风口温度升高,相应的产品出口温度也会升高,如果出风口温度降低,相应的出口产品温度也会降低。因此,在喷雾干燥的实验中,产品出口温度的确定,是能否获得合格产品的关键。


那么,我们如何来确定理想的出口温度呢?根据经验,我们可以在*次的试喷中遵循以下规则:以产品的融化点或活性物质的变性温度来确定出口极限温度。例如:某产品的融化点或变性温度我们已经确定,为了产品的安全考虑,我们试喷的温度可以在此极限温度下降5℃进行*次试喷。因为每种产品的干燥强度是不同的,所以理想的出口温度有时会高于产品的融化点或变性温度,有时会低于产品的融化点或变性点温度,这需要我们根据成品的产率和性质来进行出口温度的微调,并进行再次实验,直到得到合格的产品。这样,我们就能很快的摸索出的出口温度。(上述方法不包括耐受温度*或极低的物料)


综上所述,在喷雾干燥中,每种物料都有它合适的出口温度。因此,喷雾干燥的出口温度是一个非常重要的参数,找到并确定理想的出口温度,将是我们实验成功的关键。


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