量化喷雾干燥过程中气流中液滴分散模式对干燥动力学的影响：一项数值研究

《Powder Technology》：Quantifying the drying kinetics as influenced by droplet dispersion pattern in the airflow of a spray dryer: A numerical study

　　

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  调整了喷雾干燥的四种进料条件以研究液滴分散情况。
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  分散模式在宽分布和集中流态之间切换。
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  窄分散导致接触不良，从而降低了干燥效率和停留时间。
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  水分去除率随进料条件的变化而空间和定量地变化。
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  操作参数、动力学参数和质量参数之间存在正相关关系。

引言

喷雾干燥技术最初被应用于牛奶粉的大规模生产，现已成为食品、制药和材料行业中粉末生产的主流技术[1]。它具有快速脱水的特点，停留时间短，参数调节范围广，可实现连续处理，且适用于处理热敏性材料[2][3][4]。该多相过程包括相互关联的物理化学阶段，如将连续进料液体雾化成微米级液滴，液滴与热气流之间的多相流动及同时进行的热量和质量传递，以及含溶质的液滴的干燥动力学和颗粒形成过程。当液滴暴露在热空气中时，其表面自由水的快速蒸发通常使液滴温度保持在湿球温度附近[5][6]。随着干燥速率的下降，内部水分扩散成为逐渐脱水过程的控制因素，液滴温度开始上升，直到达到平衡含水量[1][7][8][9]。液滴的温度和水分变化历史对其最终干燥颗粒的物理化学和功能特性产生影响，特别是对益生菌、酶和抗氧化剂等生物活性物质的残留活性[10][11][12]。然而，在大型腔室内同时干燥大量液滴使得对液滴到颗粒转变过程的实验监测变得相当具有挑战性。为揭示喷雾干燥室内发生的干燥现象，文献中提出了多种方法，其中数值模拟技术，尤其是计算流体动力学（CFD），已成为有前景的方法[6][13]。

CFD被用来揭示雾化液滴的运动轨迹和干燥动力学，从而能够预测和优化粉体产品的质量[6][14][15]。这项技术为阐明各种干燥现象的机制提供了强大的工具，例如壁面沉积和颗粒团聚[16][17][18]。此外，它极大地促进了喷雾干燥器的设计和效率提升[19][20][21]。Van Boven等人[22]对一个中试规模的喷雾干燥器进行了建模，以研究喷嘴区域的结垢和颗粒团聚现象。结果表明，将喷嘴放置在一个足够低的位置对于提高液滴与气流之间的混合效率至关重要，这与实验结果相符。Wei等人[19]证明，采用移动喷嘴可以显著提高单分散液滴喷雾干燥器的干燥效率。这些发现证实了雾化液滴与热气流的混合行为对其干燥效率的重要性。

雾化液滴与气流之间的混合行为受多种进料条件的影响，包括雾化类型、进料液体的质量喷雾速率、热空气的流量和分布、进料液体的物理化学性质等[23]。由于实验监测的难度，这些参数对喷雾干燥动力学和液滴尺度干燥动力学的相互作用及其相应的调节策略仍有待阐明。在本研究中，使用CFD对四种进料条件进行了数值分析，包括液滴注入喷雾干燥室的方式、注入液滴的质量流量（${\stackrel{?}{m}}_{\mathit{in}}$）、注入液滴的初始速度（u₀）以及初始液滴直径（D₀）。基于FLUENT平台，研究了这些参数对单分散液滴喷雾干燥器中注入液滴的轨迹和水分含量分布以及流场温度和速度分布的影响。所得到的干燥动力学差异被预测性地量化和分析，并进行了多元统计分析，以生成关于进料条件、特征干燥动力学参数和最终颗粒性质之间关联性的预测性见解。

章节摘录

问题陈述和系统描述

本研究调查的单分散液滴喷雾干燥器的示意图如图1a所示。该干燥器拥有圆柱形干燥室，采用并流式喷雾干燥方式。干燥室顶部中央装有一个微流体雾化喷嘴，能够生成大小均匀且可调节在100至300微米之间的单分散液滴。加热后的气流通过均匀分布的微孔进入干燥室。

喷嘴数量和空间分布的影响

在进行数值研究之前，首先通过实验数据验证了所开发的CFD模型的准确性。如图2a所示，当流场达到稳态后，喷雾干燥器内三种不同干燥温度下的温度分布与四个热电偶的测量结果非常吻合，表明在不同进料温度下，喷雾干燥器内的温度预测准确。

结论

本研究全面地数值研究了单分散液滴喷雾干燥器中雾化液滴在干燥空气中的分散行为，重点关注四个关键进料参数的影响：液滴注入方式、质量流量、初始液滴速度和初始液滴直径。改变前三个参数会导致液滴分散模式从快速径向分布转变为形成细长流态。

CRediT作者贡献声明

Huanhuan Zhang: 编写——原始草案，可视化，方法论，实验研究。Dongbiao Jin: 实验研究。Jie Xiao: 监督，资金获取，正式分析。Xiao Dong Chen: 监督，资源调配。Nan Fu: 编写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号22178239；21978184）和江苏省高等教育机构重点学术发展计划（PAPD）的财政支持。

Huanhuan Zhang|Dongbiao Jin|Jie Xiao|Xiao Dong Chen|Nan Fu