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出口溫度在噴霧干燥過程中起到的重要指示作用及作用機理

更新時間:2022-06-27 點擊次數:1335

在使用實驗型噴霧干燥機的過程中,我們會發現,入口溫度、進樣量、補風量都是可以直接控制和設定的參數,出口溫度只是個顯示值,它隨其它幾個參數的變動而聯動。而出口溫度在干燥過程中又是一個非常重要的指示參數,它的高與低直接影響產品的含水率,甚至是顆粒的外型結構和產品的收率。

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那么,出口溫度在噴霧干燥的過程中究竟如何起到了重要的指示作用,他的作用機理又是怎樣的呢?


在液滴進入干燥塔并與熱空氣起混合的一瞬間,即開始了熱量和質量的傳遞過程。熱量是以對流的方式由空氣傳遞給液滴,被蒸發的水分通過圍繞每個液滴的邊界層輸送到空氣中。整個干燥過程分為四個階段:

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AB段:液滴開始接觸熱空氣,干燥速率很快的建立起來。液滴表面溫度略有升高,此時的液體得到了蒸發時所需要的汽化潛熱。此階段是增速干燥階段,但一般在液滴---空氣界面處進行傳熱而達到平衡所需的時間只有千分之幾秒即達到B點。


BC段:液滴進入恒速干燥階段。此過程所蒸發掉的水分都為液滴周圍的非結合水。液滴內部不斷的有非結合水向液滴的表面移動,在表面維持飽和狀態,并與表面汽化所失去的水分達到平衡。此時物料表面始終被水所濕潤,物料表面的蒸汽壓等于同溫度下水的飽和蒸汽壓。也就是說,此時的外部熱量與被蒸發的水分在液滴表面達到了平衡,液滴內部的溫度并沒有急速的升高,而是基本接近空氣的濕球溫度。這也是為什么在噴霧干燥過程中,雖然入口溫度很高,但產品卻不會過熱受損的根本原因。


CD段:過了臨界點C之后,物料進入了降速干燥階段。這一階段,液滴內部遷移到表面的水分開始不再維持其飽和的濕潤狀態,在由C點到D點的過程中,物料的固體表面外殼逐漸形成,直到D點的那一刻,固體外殼將*形成。此過程中的干燥速率下降的很快,物料表面的蒸汽壓低于同溫度下水的飽和蒸汽壓。由于熱空氣傳給濕物料的熱量大于水分汽化所需的熱量,因此物料表面的溫度將逐步上升,開始接近熱干燥空氣的溫度。


DE段:由于物料的固體表面已經*形成,所以此時的傳質阻力全部在固體層上。物料內部的結合水向外遷移蒸發已經很困難了,固體物料的溫度也會進入快速的升溫階段。蒸發將持續到物料的濕含量與周圍空氣達到平衡為止。其實,趨近與平衡濕含量E是十分緩慢的。在噴霧干燥的操作中,干燥成品的濕含量都高于平衡濕含量E。


在上述四個干燥階段中,一般情況下,物料離開干燥塔的時間點是在DE段的某個點上。所以,DE段是非常重要的干燥階段。物料含水率越來越低,而此時成品溫度上升很快、zui容易接近物料的極限溫度。如何讓物料上升的溫度不超過其本身的極限耐受溫度而安全離開干燥塔呢?產品的出口溫度在這里就起到了重要的指示作用。根據上面干燥過程可以知道,如果產品的出口溫度不高于其本身的極限溫度,那么在噴霧干燥過程中,就不會發生產品過熱的現象,問題將迎刃而解。如果假設物料產品顆粒的出口溫度等于出口的熱空氣溫度。我們可繪出產品溫度與熱空氣溫度的時間變化曲線。如下圖所示:


上圖顯示:物料在剛進入干燥塔后,由Product曲線顯示:為得到足夠的汽化潛熱,物料迅速吸熱升溫,其溫度很快上升到A點,隨后進入到AB段的恒速干燥階段。當物料干燥到臨界點B后,物料固體表面形成,其表面溫度迅速升高;而GAS曲線顯示:熱空氣在進入干燥塔后,由于干燥過程中的物料蒸發吸熱,曲線一直向下彎曲,直到與Product曲線相交于C點,此時物料與熱空氣一同排出干燥塔外,C點的溫度即為出口溫度。這是噴霧干燥過程中經典的產品溫度與熱空氣溫度的時間變化曲線。由此,我們可以推斷,如果出風口溫度升高,相應的產品出口溫度也會升高,如果出風口溫度降低,相應的出口產品溫度也會降低。因此,在噴霧干燥的實驗中,產品出口溫度的確定,是能否獲得合格產品的關鍵。


那么,我們如何來確定理想的出口溫度呢?根據經驗,我們可以在*次的試噴中遵循以下規則:以產品的融化點或活性物質的變性溫度來確定出口極限溫度。例如:某產品的融化點或變性溫度我們已經確定,為了產品的安全考慮,我們試噴的溫度可以在此極限溫度下降5℃進行*次試噴。因為每種產品的干燥強度是不同的,所以理想的出口溫度有時會高于產品的融化點或變性溫度,有時會低于產品的融化點或變性點溫度,這需要我們根據成品的產率和性質來進行出口溫度的微調,并進行再次實驗,直到得到合格的產品。這樣,我們就能很快的摸索出的出口溫度。(上述方法不包括耐受溫度*或極低的物料)


綜上所述,在噴霧干燥中,每種物料都有它合適的出口溫度。因此,噴霧干燥的出口溫度是一個非常重要的參數,找到并確定理想的出口溫度,將是我們實驗成功的關鍵。


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