控制用于喷雾干燥应用的喷雾喷嘴装置的喷雾液滴尺寸的方法、喷雾干燥装置及其喷嘴与流程

本发明涉及一种控制喷雾喷嘴装置的喷雾液滴尺寸的方法。本发明还涉及喷雾干燥装置和用于这种喷雾干燥装置的喷嘴。

借助喷雾干燥在很大程度上实现了食物粉末的制造。该工艺将乳液、悬浮液和分散体转换为粉末。喷雾喷嘴产生液滴，其在热空气中通过蒸发水干燥。最终粉末质量、最终粉末质地、烘干机工艺设计、干燥效率、壁积垢行为、操作安全性等等特征与喷雾质量，从而与雾化工艺直接相关。

已知的喷雾干燥工艺使用具有固定几何形状的雾化喷嘴，该雾化喷嘴在启动、制造操作和关闭期间不能与工艺和产物条件在线调整。相反，操作者在生产周期之前改变喷嘴几何形状，不可能涵盖所有制造情况。根据水面选择此类喷嘴。与水相比，食物粉末的制造产生显著更高的粘度。典型的喷雾粘度在在1mpas至300mpas之间的范围内。已知的喷嘴装置不能胜任此类宽范围。

例如，对于浓缩物总固形物高于50％的乳制品乳液，随着总固形物的进一步增加，浓缩物粘度以指数斜率增加。如果浓缩物粘度超出喷雾器喷嘴的设计限制，则该事实会引起喷雾干燥问题。该设计限制是通过喷雾器空芯故障来描述的，这种故障会阻止液滴形成，进而阻止有效喷雾干燥以及粉末以所需质构团聚。使用现有技术喷雾喷嘴装置，不能视觉地测定喷雾器喷嘴内的空芯故障，因此目前不存在以最佳点操作喷雾干燥工艺而不面临问题的方法，诸如锥形和旋流器中出现粉末阻塞、壁积垢或喷雾器形成倒钩等等一些问题。

由于产物和工艺条件从工艺启动到关闭有变化，所得的产物的质量也有变化，并且产物积聚可发生在喷嘴本身和喷雾干燥设备的壁上，特别是在干燥室的壁上、在喷雾干燥器的锥体和旋流器中，而且还发生在工艺装置之间的输送导管中。

本发明的首要目的是克服所认定的现有技术设备和方法存在的问题，并且允许在最佳点和以最经济的方式操作喷雾干燥设备，这涉及能够喷射具有最高可能的总固形物含量的材料并且干燥以获得具有最大可能总固形物含量的干燥粉末，而不超出空芯故障触发的喷雾器喷嘴的设计限制。

本发明的目的是获得一种控制喷雾喷嘴装置的喷雾液滴尺寸的方法，该方法允许在加工工艺中控制喷雾液滴尺寸。这对于实现由沙得直径(sauterdiameter)定义的目标喷雾液滴尺寸分布特别有用，并且即使改变产物或材料特性以及改变工艺条件，也能保持目标液滴尺寸分布恒定。

该目的通过包括以下步骤的方法来实现：

a)提供要由喷雾喷嘴喷射的产物的糊剂；

b)连续测定递送到喷雾喷嘴的产物糊剂的剪切粘度(η)；

c)测定递送到喷雾喷嘴的产物糊剂的质量流量(qm)；

d)测定递送到喷雾喷嘴的产物糊剂的喷雾压力(p)；

e)测定递送到喷雾喷嘴的产物糊剂的密度(ρ)；

f)将在步骤b)至e)中获得的数据传送到包括计算机和存储器的控制设备；

g)基于步骤b)至e)中获得的数据和存储在存储器中的喷嘴几何参数来计算用于调节喷雾喷嘴的控制数据；

h)将控制数据作为控制信号发送到喷雾喷嘴的控制器件，并且相应地调节喷雾喷嘴。

剪切粘度用作控制喷雾喷嘴的输入参数。通过由喷雾质量流量qm、喷雾压力p、产物密度(ρ)和产物粘度(η)组成的稳定性标准，可允许对喷雾喷嘴进而对喷雾液滴尺寸进行在线控制。

该稳定性标准确保在设计限制内操作喷嘴，避免喷嘴涡流室中出现空芯故障。

此外，在生产周期期间实现产物的一致粉末团聚，与固体颗粒总量(ts)或与质量流量波动无关。对于不同的喷雾烘干机类型，通过这种方法，可通过改善和简化产物性质的可重复性和可靠性实现工艺自动化。有竞争性的生产控制通过本发明的方法，经由最终粉末性质如粉末水分、振实密度、最终团聚体尺寸和团聚体稳定性的先进设计得以实现。由于自动化，还增强了生产效益和工艺效率(最佳点操作)。

在优选的实施方案中，连续测定递送到喷雾喷嘴的产物糊剂的剪切粘度(η)的步骤b)在递送到喷雾喷嘴的产物糊剂流的旁路中进行。该旁路具有独立于生产质量流量测量剪切粘度以适应层流条件(雷诺数re<2300)的优点，其允许根据差压降法(differentialpressuredropmethod)测量剪切粘度。

优选地，产物糊剂的剪切粘度(η)通过以下步骤确定：

b1)提供产物糊剂在层流条件下的恒定进料流量；

b2)测定产物糊剂的质量流量；

b3)将产物糊剂递送至压降计并测定压降；

b4)基于步骤b2)中测定的层流质量流量、步骤b3)中测定的压降和已知的产物密度来计算产物糊剂的剪切粘度(η)。

在步骤b)在旁路中进行的情况下，步骤b4)中的计算也考虑旁路质量流量。

优选地，根据差压降法来进行步骤b3)中的压降测定。

该方法允许例如具有其特定产物特性的咖啡和奶制品雾化之前在线记录产物剪切粘度，所述产物特性诸如高粘度(1-300mpas)和剪切致稀流行为(测定第2牛顿平台粘度(η))。在线剪切粘度信息对于在线操作可控制喷嘴，以测定喷雾器的最佳点配置并在达到设计限制时警告是必须的。因此，在线差压降法允许基于实验室流变仪校准牛顿型，特别是非牛顿型剪切稀化流体的剪切粘度。

测量剪切粘度的其他技术是低估或高估乳制品和营养产品的预定产物剪切粘度(通过实验室流变仪)。特别是对于剪切稀化流体而言，基于频率的测量技术、科里奥利力测量法和石英-粘度测量法不能确定剪切稀化流体的第二牛顿平台粘度，这是因为缺乏关于该方法的应用流场的信息(并且因此剪切速率未知)。

因此，使用差压降法可在线记录非牛顿型食品流体所谓的第二牛顿平台粘度，从而允许使用通过实验室流变仪测量得出的预定产物剪切粘度流变图进行校准。

根据本发明的第二方面，关于喷雾干燥装置的目的通过权利要求7的特征实现。

根据本发明的喷雾干燥装置提供在喷雾干燥期间控制喷雾液滴尺寸的在线工作器件。可以根据液滴尺寸分布及其对应的液滴尺寸平均直径(即沙得直径d32)来判断喷雾质量。

根据本发明的喷雾干燥有助于实现以下主要制造目标：为得到最快且平衡的水蒸发的最小沙得直径，为得到一致粉末质量的最佳粉末团聚，为得到一致粉末质量的平衡粉末粒度分布，为得到一致粉末质量而消除烧焦的颗粒，最小限度的粉末壁积垢并且因此减少了锥体、导管或输送管道粉末堵塞的风险，由于消除了滴液并消除了烧焦的颗粒使喷雾喷嘴积垢最小化从而提高了干燥器的安全性。

根据本发明的第三方面，提供一种喷雾喷嘴装置，其包括用于基于喷雾干燥工艺参数(如喷雾质量流量、喷雾压力)和产物参数(如产物密度、产物剪切粘度)调整喷嘴室几何形状的器件，所述产物参数根据本发明的方法在喷雾干燥工艺期间在线获得或评估。

因此，可以根据负责工艺产量和所得产物质量的参数来在线调整喷嘴几何形状。此外，由于最小化的设备结垢而显著缩减了清洗时间，所以可减少配备有根据本发明的喷雾喷嘴装置的喷雾干燥装置的停机时间。

喷雾喷嘴装置可提供有调节所述室的几何形状的电力驱动装置，该驱动由控制设备基于如上所述的喷雾干燥工艺参数和产物参数来控制。

为了改变所述室的几何形状，根据本发明的有利实施方案，该装置包括用于调节喷嘴涡流室的容积的柱塞。

通过电力驱动装置将柱塞移动到喷嘴室中以及移动离开喷嘴室，实现了对喷嘴涡流室的高度的调节。因此，通过移动柱塞，可在制造工艺中相对于如上所述的产物参数和工艺参数在线修改喷嘴室的几何形状。

柱塞的移动通过电力驱动装置实现，而电力驱动装置又由如可编程电路的控制设备控制。该电路将根据上述参数的控制信号发送到电力驱动装置。

为了实现上述目的，根据本发明的有利实施方案，电力驱动装置包括旋转地驱动输出轴的电动马达，该旋转通过输出轴和柱塞之间的螺纹接合转变成柱塞的纵向运动。因而实现机械稳定且易于处理的构型。

根据本发明的一个实施方案，提供了可释放地固定到电力驱动装置并配备有旋转地容纳中空轴的纵向孔的连接套管，该中空轴将电力驱动装置的输出轴的旋转运动传递到调节销，该调节销驱动柱塞轴向地进入喷嘴室以及离开该喷嘴室。

该调节销设置有具有内螺纹的纵向延伸的孔，其中该内螺纹与柱塞的外螺纹接合，使得调节销的旋转运动转变成可轴向移动的柱塞的纵向运动。

根据本发明的有利实施方案，喷嘴室由插入喷嘴主体的内室中的涡流室主体限定，该喷嘴主体可释放地固定到上述连接套管上，并且涡流室主体设置有开放通道，所述开放通道被布置成与用于使产物材料进入涡流室主体的涡流室的孔口对应。这种材料可以例如是用于生产乳制品和营养产品的糊剂。

涡流室可设置有螺旋形收紧的引导面，用于将糊剂朝喷嘴孔的方向加速，以高速输出材料液滴。由于材料是不可压缩的，因此可在要得到的产物的制造工艺中通过柱塞在涡流室内的可调节运动并根据产物参数和工艺参数在线修改喷雾锥体的锥角和液滴直径。

根据本发明的有利实施方案，用于将材料引入喷嘴室的孔口径向延伸到喷嘴的纵向轴线，并且产物材料通过连接到孔口的管传递到喷嘴。

为了能够对喷雾喷嘴的输出特性进行基本的修改，喷嘴主体配备有可释放地安装的孔板，使得可通过用不同直径的孔板替换该孔板改变喷嘴孔口的开口直径。

根据优选的特性，由产物液滴产生的喷雾的锥角和液滴尺寸可通过相对于喷嘴室轴向移动柱塞来改变。

在下文中，将通过其实施方案和附图更详细地描述本发明。

图1示出了根据本发明的喷雾喷嘴装置的一个实施方案的局部侧剖视图；

图2示出了图1的喷雾喷嘴装置的中空轴的剖视图；

图3示出了调节销的局部剖视图；

图4示出了图1的喷雾喷嘴装置的涡流室主体的前视图；

图5和图5a示出了图1的喷雾喷嘴装置的柱塞的侧视图和前视图(在箭头a的方向)；

图6是根据本发明的工艺控制方法的流程图；

图7是差压降法的流程图；

图8示出了用于差压降法的测量装置的原理；以及

图9示出了喷雾的液滴尺寸与几何形状、工艺参数和产物参数之间的无量纲相关性的实施例。

根据图1的喷雾喷嘴装置1包括在3处设置有接口(诸如profibus接口)和电源(诸如24v-dc电源)的电力驱动装置2以及包括与3连接的传动装置的电动马达4。

电动马达4以旋转的方式驱动输出轴5。输出轴5延伸到中空轴7的纵向延伸的内孔6中，其在图2中更详细地示出。

中空轴7旋转地容纳在连接套管9的纵向延伸的内孔8中，该连接套管可通过螺栓10固定到传动装置4的壳体。

中空轴7的内孔6配备有内螺纹11，其可与设置在调节销13的末段上的外螺纹12螺纹接合，如图3中更详细地示出，所述调节销可插入中空轴7的内孔6中。

与调节销13的螺纹末端12相对，设置有调节销13的接收部分，该接收部分形成有配备有内螺纹15的内孔14。

调节销13的内螺纹15用于与柱塞17的外螺纹16形成螺纹接合，更清楚地示于图5和图5a中。

如从图5和图5a中可以看出，柱塞17包括具有螺旋形横截面的外圆周表面部分18，该横截面对应于涡流室主体20的接收部分19的形状和尺寸，该涡流室主体容纳在喷嘴主体23中，该喷嘴主体安装到如图4所示的连接套管9。

涡流室主体20包括用于将糊剂材料等引入涡流室主体20的涡流室22中的横向或切向的入口通道21。

要通过入口通道21运送到涡流室22中的材料可以经由第一孔口24或入料孔口进入喷嘴主体23，所述孔口径向延伸到喷嘴主体23和连接套管9的共同纵向轴线28。为此，存在连接到喷嘴主体23的第一孔口24的管25，其限定了装置1的入料开口。

通过管25递送到喷嘴主体23的糊剂或糊剂状材料经由第一孔口24进入喷嘴主体23，并经由入口通道21进入涡流室22。

涡流室22配备有轴向延伸的通孔，其内圆周表面部分具有螺旋形横截面，从而形成螺旋形的盘旋型引导面，该引导面用于将材料朝喷嘴主体23的限定装置1的出料口的第二孔口26或喷嘴孔口的方向加速。孔板27设置在涡流室22的轴向出口和第二孔口26之间，通过孔板27就可以基本上调节喷雾锥体的开口角度。

图1示出了关闭第一孔口24的柱塞17。驱动马达4使中空轴7旋转，从而也使调节销13围绕其纵向轴线旋转。柱塞17通过外螺纹16连接到调节销13的内螺纹15，并且只能沿着柱塞17的纵向轴线28进行相对于涡流室主体20的运动，但是不能相对于涡流室主体20旋转。因此，调节销13的旋转化成柱塞19相对于涡流室主体20的轴向运动。

通过柱塞18的这种运动，可改变第一孔口24的轴向宽度和涡流室22的几何形状进而改变喷嘴室的几何形状。由于电力驱动装置2由工艺参数和产物参数控制，而这些参数又是在要得到的粉末的制造工艺中在线获得或评估的，所以控制与粉末的制造工艺在线进行。为了实现这一点，控制电路为电力驱动装置2提供信号，使得柱塞17在纵向轴线28的方向上轴向移动，如图1所示。通过柱塞17的这种运动，可以针对给定的一组输入参数将待雾化的喷雾材料的喷雾液滴尺寸朝向可能的最小沙得直径调整。

根据本发明的方法与粉末的生产工艺在线测量这些输入参数，允许将液滴尺寸在线朝向可能的最小沙得直径调整，从而使得可以在要生产的粉末的生产工艺期间考虑喷雾粘度的完整范围。

产物糊剂通过入口通道21沿着螺旋且盘旋的路径进入涡流室，这是由于涡流室在朝向喷嘴孔口26的组合的圆周和轴向方向上的盘旋型横截面设计。该设计加速了产物糊剂流在涡流室中的行进速度，前提条件是产物糊剂的质量流是恒定的。产物糊剂通过孔板27和喷嘴孔口26离开喷雾喷嘴，成为具有锥尖角α的锥形膜29，其中膜29雾化成形成喷雾的液滴。锥尖角α与喷嘴孔26中的产物糊剂的行进速度成正比，即行进速度越高，锥尖角越大，液滴尺寸越小。

0°的锥尖角α不产生雾化，并且在实际的实施例中，100°的锥尖角α产生具有d32＝30μm的沙得直径的液滴。锥尖角α越宽，液滴越小，使得可以通过锥尖角α控制液滴尺寸，进而可以通过喷嘴孔口26中的产物糊剂的行进速度来控制液滴尺寸。

图6是根据本发明的工艺控制方法的流程图。图6中以“浓缩物”表示的产物糊剂递送至投配点30，导致一部分产物糊剂流进入旁路管线32。大部分产物糊剂流导向至主产物糊剂管线34。旁路管线32在旁路管线32中提供的差压降测量装置38下游的管线接头36处重新导向至主产物糊剂管线34。

在管线接头36的下游，主产物糊剂管线中提供了质量流量计40、密度计42和喷雾压力探头44。在喷雾压力探头44的下游，主产物糊剂管线34通过管25进入图1所示的喷雾喷嘴装置1。然后将递送至喷雾喷嘴装置1的产物糊剂喷入喷雾干燥室46。

差压降测量装置38测定递送到喷雾喷嘴的产物糊剂的剪切速率和剪切粘度η。剪切速率和剪切粘度η的数据从差压降测量装置38递送到控制设备(sps-控制)48。以相同的方式，将在质量流量计40中测定的产物糊剂质量流量qm，在密度计42中测定的产物糊剂密度ρ和在喷雾压力探头44中测定的产物糊剂的喷雾压力p也递送到控制设备48。

控制设备48包括计算机，其根据上述递送至控制设备48的数据，并且根据存储在控制设备48的存储器中的已知喷雾喷嘴几何形状参数计算输出控制参数。将输出控制参数递送到喷雾喷嘴装置1，以便将涡流室活塞17调节到计算位置，从而获得所需的涡流室容积。

以下公式1-7描述了如何根据糊剂剪切粘度η的变化控制柱塞位置(以hsc表示)的求解步骤。

因此，求解步骤适用于质量流速qm和糊剂密度ρ的变化。

压力涡流喷嘴流的通用质量流表征：

对于剪切粘度从η旧变化至η新的例子，导出柱塞的喷雾压力p和轴向位置(以hsc表示)之间的关系：

解出喷雾压力比率：

为了找到柱塞位置hsc和剪切粘度η之间的直接关系，从另一个公式得到喷雾压力比，参见以下公式4-6：

压力涡流喷嘴喷雾的通用喷雾液滴尺寸表征：

另外，可使用稠度条件推导喷雾压力比率，其中d32-global-old和d32-global-new保持恒定：

因此，如何根据当前位置hsc，旧控制柱塞高度hsc，新的解为：

组合公式3和6得到如何控制喷雾压力的解：

图7是应用于差压降测量装置38的差压降法的流程图。进料泵50提供于投配点30下游的旁路管线32中。进料泵50确保差压降测量装置38中的恒定进料流速，以允许剪切速率覆盖第二牛顿粘度平台。在进料泵50的下游，提供质量流量计52，旁路管线32中的产物糊剂通过质量流量计导向至压降计54。旁路管线32中的产物糊剂的剪切粘度(η)从在质量流量计52中测量的质量流量、产物糊剂的已知产物密度和在压降计54中测量的压降计算。该计算在差压降测量装置38的计算机(未示出)中进行，或相应的数据递送至控制设备48，并在控制设备48的计算机中计算剪切粘度η。为了考虑在旁路管线32中测量压降的事实，通过进料泵50调整旁路质量流量，直到剪切速率使得在层流条件内第二牛顿平台粘度可通过压降计54测量。

在本发明的实施例中，投配点30调控旁路流量，以保持在层流条件下旁路流压<20巴，例如流量<1000kg/h。

图8示出了使用差压降法测定第二牛顿平台粘度的测量装置(压降计)的原理，该测定使用三个独立的压降记录在三个不同的剪切速率下进行。

压降计100包括具有流体入口部分102和流体出口部分104和三个压降测量部分106、108、110的管，该压降测量部分提供于入口部分102和出口部分104之间。第一压降测量部分106靠近入口部分102，具有第一内径d1和第一轴向长度l1。测量第一压降δp1的第一差压计112以通常已知的方式连接至第一压降测量部分106，其中第一压降测量部分106的壁中的两个静压测量开口之间的轴向距离l1基本上等于第一压降测量部分106的长度l1。

第二压降测量部分108提供于第一压降测量部分106的下游。第二压降测量部分108的内径d2小于第一压降测量部分的直径d1。第二压降测量部分108的长度l2小于第一压降测量部分106的长度。第二压降测量部分108包括测量第二压降δp2的第二差压计114，其中第二压降测量部分108的壁中的两个静压测量开口之间的距离l2小于第一差压计112的距离l1。

第三压降测量部分110设置在第二压降测量部分108的下游，并且第三压降测量部分110通向出口部分104。第三压降测量部分110的内径d3小于第二压降测量部分108的直径d2，并且第三压降测量部分的长度l3小于第二压降测量部分的长度l2。第三压降测量部分110以通常已知的方式包括测量第三压降δp3的第三差压计116。第三压降测量部分110的壁中的两个静压测量开口之间的距离l3小于第二差压计114的距离l2。

差压降计100允许测量第一、第二和第三差压降计的三个独立压降记录。通过串联利用这三个差压降探头，单个质量流速使三个壁剪切速率随管直径的减小而增加。

以下公式8用于计算层管流(re<2300)的剪切粘度η，适用于全部3个差压δp1、δp2和δp3(分别在112、114和116测量，图8)，该计算通过将δpi和对应的管尺寸(ri和li)在公式8中替换进行：

只有3个差压之间的剪切粘度ηi相等(η1＝η2＝η3)，才能得到第2牛顿剪切粘度，并用于例如公式1和7等。

其中符号的定义如下：

ri：管半径(r1、r2和r3)，单位[m]

δpi：管压降(δp1、δp2和δp3)，单位[pa]

ρ：产物密度，单位[kg/m3]

qm：质量流速，单位[kg/s]

li：管长度(距离l1、l2和l3)，单位[m]

图9示出了喷雾的液滴尺寸与几何形状、工艺参数和产物参数之间的无量纲相关性的实施例。液滴尺寸d32，全局是喷雾液滴的沙得直径。无量纲韦伯数we和欧拉数eu表示四个输入工艺参数：喷雾质量流量qm、静态喷雾压力p、产物密度ρ和产物剪切粘度η。使用参数hsc、dsc、dor和bch描述喷雾喷嘴的几何形状。这些缩写在下表1中说明。

通过对喷雾喷嘴装置喷射的液滴进行相位多普勒风速测定法(pda)测量了沙得直径d32，全局。

测得的沙得直径d32，全局与对应的几何形状、工艺参数和产物参数相关，它们在pda测量的框架内可变化以实现如图9所示的相关性。

表1：缩写和公式

本发明不应视为仅限于上文所示和描述的实施方案，在不脱离以下权利要求书的范围的前提下可对特征进行各种修改和组合。