喷雾干燥设备在奶制品生产过程中的应用与发展

    在我国的奶制品生产中,奶粉的生产约占整个奶制品总产量的80%左右,原因是奶粉便于贮存和运输。在奶粉生产过程中,干燥工段是奶粉生产的最重要环节之一,仅干燥工序要蒸发掉的水分量几乎与所要生产出来的奶粉质量相当。一般来说,产品的生产工艺决定产品的生产设备及控制系统,但先进设备和控制系统的应用也可以改变产品的生产工艺,喷雾干燥设备在奶粉生产中的应用就是一个典型的例子。
    喷雾干燥过程是物料由泵送至喷雾干燥器内,由雾化器将其分散为小雾滴;空气经加热后送入干燥室内与料雾混和、接触;完成干燥过程后,干燥产品经分离后入库贮藏或直接投入使用。经喷雾干燥法生产的奶粉是均匀粉状产品,不需再烘干、凉粉、粉碎等工艺过程,可直接进行包装为成品,使奶粉的生产过程实现了机械化、连续化和大型化,并因物料表面温度不会太高而提高了奶粉产品的质量,因此喷雾干燥设备在奶粉工业生产中发挥了巨大的作用,并且有干燥水分量越来越大的趋势。但喷雾干燥是一个高能耗过程,而且由于干燥后产品质量要求较高,湿含量不能波动很大,就要求对干燥温度等操作参数进行严格控制,因此喷雾干燥设备的正确选型和操作及控制系统的合理设计对确保产品质量、节能降耗至关重要,不仅为推动和促进我国乳品工业的科技进步和发展做出应有的贡献,而且能带动和促进其他行业的科技进步与发展,为祖国的经济腾飞做出更大的贡献。1、喷雾干燥设备在乳品工业生产中的发展过程
    喷雾干燥设备在1901年首次用于奶粉工业的生产,在20世纪20年代才真正用于奶粉工业的生产,20世纪40年代末才在我国开始使用。最早的结构是属于压力箱式(卧式),物料的雾化为双流体式,动力消耗量大。到1958年,轻工部在黑龙江省推广畜力小型压力式喷雾干燥法生产奶粉,1955年哈尔滨松花江牛奶厂首次用离心喷雾的方法生产奶粉。这两种形式的喷雾干燥设备当时都是平底结构,出粉是间歇式的,每工作一个班次人工出粉一次。
    20世纪60年代中期,箱式压力干燥设备出现了锥底带螺旋出粉器(搅龙)的结构形式。第一台立式多喷头压力喷雾干燥设备诞生在20世纪70年代初,它的出现使喷雾干燥设备的有效容积缩小近一半,而且不用搅龙,连续出粉。20世纪80年代又生产了单喷头的立式压力喷雾干燥设备,它在奶粉工业中的应用是推动我国乳粉工业技术进步的一个关键环节,为促进我国奶粉工业的迅速发展奠定了基础。2、喷雾干燥设备的特点
    喷雾干燥设备一般有压力式、离心式和气流式3种。压力式喷雾干燥设备干燥强度较高,体积较小,设备自身及土建投资都比较小,产品颗粒较小,堆密度较大。对于奶粉堆密度为0165左右,干燥时间特别短,仅用10～30s即可完成,适用于热敏性物料的生产,所以在奶粉及其他行业,有许多离心式喷雾干燥设备改为压力式喷雾设备。压力喷雾干燥设备的动力消耗较小。离心式喷雾干燥设备一般直径较大,高度较小,干燥强度较压力式喷雾干燥设备低。产品颗粒粒径较大,物料适应性广,一般压力式喷雾干燥设备适应的物料均适应于离心式喷雾干燥设备。离心式喷雾干燥设备适应物料粘度较高。气流式喷雾又称二流体喷雾,它是利用蒸汽或压缩空气的高速运动(一般为200～300m/s),使气液之间存在着相当高的相对速度,液膜被拉成丝状,然后分裂成细小的雾滴液体,表面积突然增大与热空气迅速进行热质交换,水分被汽化,得到粉状干燥物料。适应的物料特别广泛,但动力消耗特别大,一般只要能采用其他方法喷雾雾化的就尽量不采用这种方法。用气流式雾化应将物料加热至适当的温度,使其粘度尽可能降低,因此,气流式喷雾可适用于粘度较大的物料。3、喷雾干燥设备的发展方向
    从工业化大生产、节能、降耗上来看,喷雾干燥设备应是立式、大型、连续、自动化的,这种运行设备是比较合理的。连续是说喷雾是连续的,即进料和出料均为连续的。从规模上讲,根据不同的生产型式采用相应的设备,一般在食品工业,趋向于大型化、多喷嘴,而在制药行业一般规模都比较小。喷雾干燥设备和其他设备一样,设备选型和其内部部件的匹配必须与所处理的物料相适应,应尽可能提高设备的干燥强度,即单位容积在单位时间内的水分干燥量,从而使喷雾干燥设备的体积为最小,设备及土建投资为最省。311、热风分配形式
    喷雾干燥设备的热风分配是一个比较关键的环节,热风的导入方式对整个干燥设备的性能有着重要的影响,合理的热风导入方式不仅能使雾滴与热风更充分有效的混合,从而提高换热效率,而且还能有效解决某些特殊物料的干燥,有效防止物料的粘壁、粘顶现象。以往的压力式喷雾干燥设备多采用套筒式调风结构,热风通过套筒调风后,然后进行分风进入喷雾干燥设备的内筒内。这种设备体积较大,现在多采用多层筛板分风,因尺寸较小,故应用较为广泛。压力式喷雾干燥设备在顺流喷雾时,热风进入导管的风速约为9m/s,在逆流或上排风喷雾干燥设备中控制热风进入导风管内的风速要适当大些。离心式喷雾干燥设备一般采用热风分配器,热风由蜗壳布风器,经导风板进入喷雾干燥设备主体内,热风与离心式雾化器的旋向一致。离心式喷雾干燥设备的热风分配器的主要功能有三:将干燥介质热空气引入干燥塔内使其与被干燥的物质接触,完成干燥任务;选择理想的结构使其导入的热介质与被干燥物料充分混合,到较高的交换热效率;减少或避免某些物料的粘壁、粘顶现象的发生。随着喷雾干燥技术的发展,热风分配器正在不断趋于完善。312、塔体排风形式
    在顺流喷雾干燥设备中,一般采用下排风,压力喷雾干燥设备在塔体锥节顶部将设备的直径加大,在环形带均匀地设置4个排风筒,然后汇集到扑粉器上,或在环形区上部直接设4个布袋式过滤室,然后将排风管路汇集到排风机的进风口处。现在压力喷雾干燥设备普遍流行上排风,热风从塔体上部进入塔内,物料也从上部喷入塔内,排风在塔体圆环部分均匀设置4个排风管路,然后将废气汇集到扑粉器上排除。这种喷雾干燥设备的热风加热温度比较高,干燥强度比较大,塔的体积比较小,设备及土建费用比较低。
    离心式喷雾干燥设备的排风管一般都是从塔体锥节部分引出,然后进入扑粉器,这样可以在不影响正常出粉的条件下尽可能地增大喷雾干燥塔的有效容积,使体积为最小。313、设备的清扫
    引进国外的喷雾干燥设备一般均不设这种装置,而采用清洗的办法,国产喷雾干燥设备一般均考虑这个问题。压力喷雾干燥设备塔壁的清扫一般用吊盘式扫粉装置,安全可靠,清扫得比较彻底,但塔体锥节应设清扫门在塔体外部进行清扫。离心式喷雾干燥设备塔体的清扫一般采用推进式升降扫粉车,清扫得也比较彻底,当扫粉完毕后可将扫粉车沿着塔门移到塔体外面。
    喷雾干燥设备的塔体上一般都装配有震塔装置,以尽可能阻止被干燥物粘附在塔壁上,一般采用若干个空气振荡锤或电锤,编排一定的振荡程序。空气振荡锤比电锤要好,但必须配备压缩空气。314、设备的扑粉
    喷雾干燥设备一般采用二级扑粉,第一级采用旋风分离扑粉,第二级采用布袋式过滤器扑粉。在奶粉生产中,布袋式过滤器的滤布一般为130目,而在蛋白粉生产中一般要求在200～240目。在奶粉生产中也有采用一级扑粉的。在大豆蛋白、分离蛋白的喷雾干燥生产中,一般是将热风从塔顶送入干燥塔,物料也从上部喷入,而出粉和排风均从出粉口进入扑粉器———旋风分离器,物料从旋风分离器卸料后由罗茨鼓风机输送到粉仓,废气进入布袋式过滤器进行扑粉后排放到大气中,细粉与旋风卸下的粉料一起送入粉仓。用于生产蛋白粉的喷雾干燥设备的进、排风机的风压一般较生产奶粉的喷雾干燥设备的进、排风机的风压高,风量匹配与奶粉生产用喷雾干燥设备相同,排风机风量比进风机风量大30%,原因有三:一是进风机鼓入的是室温空气,而排风机排出的是热空气,空气体积应变大,二是喷雾干燥时,干燥塔内应用01147kPa的真空度,有利于物料的下行顺畅,减轻飞溅,三是在喷雾干燥瞬间有水分汽化,这也占有一定体积。
    从旋风分离器和布袋式滤室出来的细粉用罗茨鼓风机送入塔内,进行细粉回塔附聚,增加颗粒度和溶解性能。
    布袋式过滤器的滤袋抖动一般采用脉冲反吹式,价格较贵,消耗压缩空气较多。现一般采用气缸往复抖动,并且将抖动与调风蝶阀关闭实现互锁,实现在不排风瞬间抖动布袋,价格便宜,效果较好。315、设备的出粉
    喷雾干燥设备的出粉是连续的,并在干燥塔的出粉口与振动流化床连接,使粉状物料实现二次干燥,喷涂卵磷脂或其他添加风味,使喷雾干燥设备的能力扩大,产品的品质提高,并可实现二次干燥后物料及时冷却,使产品达到可以直接包装的状态,从而极大地减轻产品包装前受污染的环节。4、干燥过程控制系统
    喷雾干燥过程的快速性对于实施有效控制显得尤为重要。目前,国内外对干燥控制理论与实践的研究尚处于刚刚起步阶段,缺乏全面、系统的研究。通过对生产工艺分析,提出自动化控制技术在奶粉干燥过程中应用的目的在于:(1)避免人工间隙操作所带来的设备工作过程的不稳定性,从而实现连续化的生产,使喷雾干燥过程这种多变量、高度非线性的系统工作过程趋于稳定;(2)通过引入自动化控制系统,在保证产品质量及产量的前提下,使控制系统在线信号采集点尽量减少,减少各变量之间不必要的影响;(3)节省人力,减少人为因素造成的误工,缩短工作周期;(4)通过自动化控制系统中各变量参数的正确预设,使整个系统在最佳状态下工作,发挥设备本身的最大效能,达到节能降耗的目的;(5)提高产品质量,并使操作管理成本最小化。
    衡量干燥设备应用在特定工艺条件下成功与否的主要指标是干燥产品的产量、质量,还包括产品的粒径分布、外观及产品最终含水量等。产品的产量由生产负荷的经济性能及热空气发生器所提供的热量、干燥器的干燥强度、热空气流量、料浆中固形物的含量等条件决定;影响产品质量的因素很多:产品的粒径及外观由干燥设备的工艺性能及料浆配制工艺参数决定,而产品的最终含水量与干燥塔热风进口温度、尾气出口温度及干燥塔内负压等参数的选取有直接关系。
    喷雾干燥设备推动了奶粉工业生产的一次革命,但喷雾干燥设备并不是一种通用设备,它的雾化结构和形式、塔体结构、均风、排风、扑粉、出粉形式、与其他工艺设备组合情况、自动控制系统等的设计均必须与所处理物料相适用。只有这样,随着时代的发展和科学技术的不断进步,喷雾干燥设备才能适应更广泛的物料干燥要求,为国民经济的发展和建设作出越来越大的贡献。