用于喷雾干燥应用的喷雾喷嘴装置的制作方法

本发明涉及一种用于喷雾干燥应用的单相喷雾喷嘴装置，该装置包括喷嘴，所述喷嘴具有至少一个用于输出待干燥产物的喷雾液滴的喷嘴孔以及至少一个用于将所述产物传递至喷嘴室中的进料孔；并且具有用于在喷雾干燥工艺期间在线调节所输出液滴的尺寸的装置。本发明还涉及一种包括此类喷雾喷嘴的喷雾干燥装置以及一种使用此类喷雾喷嘴的喷雾干燥工艺。

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。

可使用各种喷嘴。单相喷嘴是有利的，因为无需额外添加液体或气体来支持待进行喷雾干燥的产物的雾化。但使用这种单相喷嘴对高粘度产物进行雾化将更加困难。

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。此外，期望的是在具有尽可能最高的总固形物含量的条件下执行喷雾干燥工艺，以降低工艺的成本和能源消耗。增加总固形物含量会增加待进行喷雾干燥的产物的粘度。具有高总固形物含量的食品浓缩物的典型喷雾粘度在1至1000mpa·s之间的范围内。已知的喷嘴装置不能胜任此类宽范围，特别是在最高粘度下。

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单相喷雾器喷嘴的设计限制，则这一事实会导致喷雾干燥出现问题。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。

在wo2007/071235a1中，提供了一种喷嘴装置以及一种将喷嘴装置安装在喷雾干燥装置的壁中的方法。

这种喷嘴装置包括沿纵向延伸的喷枪，待干燥的材料可通过喷枪馈送至喷嘴孔，在喷嘴孔中，这些材料借助适当类型的干燥气流以滴剂形式排出。

在所述喷嘴装置的纵向端部，布置有两个可以相对彼此旋转的圆盘。两个圆盘均具有锥形内部截面，使得圆盘在相对彼此旋转时盘间距离能够增大或减小。

由于这两个圆盘中处于较上方的圆盘与喷嘴管邻接，喷嘴管继而带有喷枪，因此喷枪端部与喷嘴孔之间的距离可以变化。在使用这种喷嘴装置开始生产流程前，相对旋转两个圆盘以调整上述距离。

因此，这种喷嘴装置类似于上述喷嘴装置，这两种装置在制造流程开始之前都必须进行调整，并且重新调整需要中断制造流程。

然而由于产物和工艺条件从流程开始到结束的变化，所得产物的质量都会有所不同，并且产物可能会积聚在喷嘴本身和干燥室壁上。

因此，需要一种有助于避免这些缺陷的喷雾喷嘴装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于喷洒装置的单相喷雾喷嘴装置，该单相喷雾喷嘴装置包括喷嘴，所述喷嘴设置有至少一个用于输出待干燥产物的喷雾液滴的喷嘴孔以及至少一个用于将所述产物传递至喷嘴室中的进料孔，其特征在于包括用于在喷雾干燥工艺期间在线调节所输出液滴的尺寸的装置，所述装置包括柱塞，该柱塞用于基于喷雾干燥工艺参数和在喷雾干燥工艺期间在线获得的产物参数调节所述喷嘴室的体积，喷嘴室的壁不具有产生湍流的表面并且待干燥产物的粘度介于1至1000mpa·s之间，优选介于20至1000mpa·s之间。

这意味着根据本发明的喷雾喷嘴装置提供了用于在喷雾干燥过程中控制喷雾液滴尺寸的在线方式。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。

根据本发明的喷雾喷嘴有助于实现以下主要制造目的：最小沙得直径，以实现最快速、均衡的水分蒸发；最佳粉末团聚，以实现一致的粉末质量；均衡的粉末粒度分布，以实现一致的粉末质量；消除烧焦颗粒，以实现一致的粉末质量；由于消除了滴落和烧焦颗粒，实现最小化粉末壁污染、最小化喷雾喷嘴污染以及增加的干燥器安全性；以及用于雾化喷嘴的操作窗口，以便在设计限制条件下进行喷洒而不会出现所谓的空芯故障。

根据本发明的有利实施方案，该装置包括用于基于喷雾干燥工艺参数和产物参数调整喷嘴室几何形状的设备，所述喷雾干燥工艺参数诸如喷雾质量流速、喷雾压力，所述产物参数诸如产物密度，产物剪切粘度等，这些参数在喷雾干燥工艺期间在线获取或评估。

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。

更有利的是，喷嘴室壁不存在产生湍流的表面，因为此类表面会干扰涡流室内的液膜生成，从而妨碍对液滴尺寸的控制。

喷嘴装置可以设置有用于调整室几何形状的电驱动装置，该驱动装置由控制设备基于上述喷雾干燥工艺参数和产物参数进行控制。根据本发明的有利实施方案，为了改变室的几何形状，该装置包括用于调节喷嘴涡流室体积的柱塞。

通过控制电驱动装置将柱塞移入和移出喷嘴室，从而实现对喷嘴涡流室高度的调节。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。

柱塞的移动通过电驱动装置实现，电驱动装置继而通过诸如可编程电路的控制设备控制。该电路根据上述参数将控制信号传递给电驱动装置。

为了实现上述目的，根据本发明的有利实施方案，电驱动装置包括可旋转地驱动输出轴的电动马达，所述旋转通过输出轴与柱塞之间的螺纹接合转化为柱塞的纵向运动。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，提供了连接套管，该连接套管可释放地固定到电驱动装置并且配备有可旋转地容纳中空轴的纵向孔，该中空轴用于将电驱动装置的输出轴的旋转运动传递至调节销，从而在轴向上将柱塞驱动进和驱动出喷嘴室。

调节销设置有纵向延伸孔，其中内螺纹与柱塞的外螺纹接合，使得调节销的旋转运动转化为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内室中的涡流室主体提供，喷嘴主体可释放地固定到上述连接套管，并且涡流室主体设置有开放通道，该开放通道对应于孔布置以使材料进入涡流室主体的涡流室中。这种材料可以例如是用于生产乳制品和营养产品的糊剂。

涡旋室可以设置有以螺旋方式收紧的导向面，用于沿喷嘴孔方向加速糊剂，从而高速输出材料液滴。由于材料是不可压缩的，因此可通过柱塞在涡流室内的可调节运动，在制造待实现产物的过程中根据产物和工艺参数在线改变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沿径向延伸到喷嘴的纵向轴线，产物材料经由连接到孔的管传递至喷嘴。

为了能对喷雾喷嘴的输出特性进行基本修改，喷嘴主体配备有可释放地安装的孔板，使得喷嘴孔的开口直径可通过将孔板替换成不同直径的孔板来改变。

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而变化。

本发明的喷雾喷嘴允许自动控制工艺，从而能够在设计限制条件下执行喷雾干燥器的雾化操作。从而，实现更加优异且一致的工艺性能，减少返工并确保一致的粉末质量特性。本发明的喷雾喷嘴提供优选地由自动化控制软件触发的主动雾化控制，被发现能够实现喷雾干燥器的最佳点操作。

根据第二方面，本发明提供了一种喷雾干燥装置，该装置包括本文所述的本发明的喷雾喷嘴，并且还包括用于连续测定产物糊剂剪切粘度(η)的在线差压降测量装置(粘度在1至1000mpa·s的范围内)，该在线差压降测量装置设置在喷雾喷嘴的上游加工线的旁路中。

在一个有利的实施方案中，旁路包括泵、流量计、差压管和任选地脉动阻尼器。在另一个优选实施方案中，在旁路中，剪切速率大于1000s^-1，且雷诺数小于2300。

剪切粘度用作控制喷雾喷嘴的输入参数。其允许在线控制喷雾喷嘴。因此，其允许通过由喷雾质量流速qm、喷雾压力p、产物密度(ρ)和产物粘度(η)构成的稳定性标准在线控制喷雾液滴的尺寸。

此外，由于剪切粘度的在线测定而发生的喷雾喷嘴的控制允许在生产周期期间实现产物的一致粉末团聚，与固体颗粒的总量(ts)无关或与质量流速波动无关。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。竞争性生产控制通过最终粉末性质，如粉末水分、堆积密度、最终团聚体尺寸和团聚体稳定性的预先设计实现。由于自动化，还增强了生产效益和工艺效率(最佳点操作)。

在线差压降测量装置允许在利用其特定产物特征进行雾化之前在线记录例如咖啡和奶制品的产物剪切粘度，所述产物特征诸如高粘度(例如，高于1，优选高于20，更优选高于100mpa·s)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蒸发器或喷雾喷嘴，以测定蒸发器或喷雾器的最佳点配置和实现设计限制时的警告是必须的。在线差压测量装置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。

用于在线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(经由实验室流变仪)。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，使用差压降测量装置可在线记录非牛顿型食品流体的所谓第二牛顿平台粘度，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。

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；以及

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

图6是示出了用于控制本发明的喷雾喷嘴装置的喷雾液滴尺寸的工艺的流程图；

图7是差压降法的流程图，该方法可以使用本发明的优选实施方案中所用的差压降测量装置执行；

图8示出了本发明的优选实施方案中所用的差压降测量装置的原理。

根据图1的喷雾喷嘴装置1包括具有接口(例如，profibus接口或ethernet/ip接口)的电驱动装置2、位于3处的电源(例如，24v直流电源)以及具有与3相连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的纵向延伸内孔6中，更多细节示于图2中。

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

中空轴7的内孔6配备有内螺纹11，内螺纹可以与调节销13的端部构件上的外螺纹12接合，更多细节示于图3中，调节销可以插入中空轴7的内孔6中。

在调节销13的螺纹末端12相对处设置有调节销13的承接部分，该承接部分由配备有内螺纹15的内孔14形成。

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包括横向或切向入口通道21，该通道用于将糊剂材料等引入涡流室主体20的涡流室22中。

穿过入口通道21输送至涡流室22中的材料可以经由第一孔24或进料孔进入喷嘴主体23，该进料孔沿径向延伸至喷嘴主体23和连接套管9的公共纵向轴线28。为此，提供了连接至喷嘴主体23的第一孔24的管25，从而限定装置1的入口开口。

经由管25递送到喷嘴主体23的糊剂或糊剂状材料经由第一孔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配备有沿轴向延伸的通孔，该通孔包括具有螺旋形横截面设计的内圆周表面部分，从而形成螺旋状的螺旋型导向面，该导向面用于将材料沿喷嘴主体23的限定装置1出口开口的第二孔26或喷嘴孔的方向进行加速。在涡流室22的轴向出口与第二孔26之间设置有孔板27，孔板27可通过所述轴向出口和第二孔调节喷雾锥体的开口角度。

图1示出了用于闭合第一孔24的柱塞17。驱动马达3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经由外螺纹16连接到调节销13的内螺纹15，并且只能沿柱塞17的纵向轴线相对于涡流室主体20进行移动，但不能相对于涡流室主体20旋转。因此，调节销13的旋转将转化为柱塞19相对于涡流室主体20的轴向移动。

通过柱塞18的这种移动，可以改变第一孔24的轴向宽度以及涡流室22和喷嘴室的几何形状。由于电驱动装置2通过工艺参数和产物参数进行控制，而这些参数继而在粉末的制造流程中在线获取或评估，因此控制过程与粉末的制造流程在线进行。为实现这一目的，控制电路为电驱动装置2提供信号，使得柱塞17在纵向轴线28的方向上沿轴向移动，如图1所示。通过柱塞17的这种移动，待雾化的材料的喷雾液滴尺寸可以朝向在一组给定输入参数下可能的最小沙得直径进行调节。

在粉末的生产工艺期间在线测量这些输入参数，允许将液滴尺寸朝向可能的最小沙得直径在线调整，从而使得可以在待生产的粉末的生产工艺期间考虑喷雾粘度的完整范围。

在本发明的一个特别优选的实施方案中，在生产工艺期间在线测量的输入参数如下：产物进入连接至喷嘴的喷洒装置管道的流速、产物进入连接至喷嘴的管道的压力、在连接至喷嘴的管道中测得的产物粘度和/或产物的最终密度(该参数也在连接至喷嘴的装置管道中测得)。

由于涡流室在朝向喷嘴孔26的组合圆周和轴向方向上采用螺旋型截面设计，因此经由入口通道21进入涡流室的产物糊剂沿循螺旋状的路径。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26离开喷嘴作为锥尖角为α的锥形膜29，其中膜29雾化成液滴并形成喷雾。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。

锥尖角α为0°时不产生雾化，在实际的示例中，当锥尖角α为100°时，所生成液滴的沙得直径d32＝30μm。锥尖角α越宽，液滴越小，因此，可以通过锥尖角α并由此通过产物糊剂在喷嘴孔26中的行进速度来控制液滴尺寸。本发明不应视为仅限于上文所示和描述的实施方案，而是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。

图6是当加工线设置有在线差压降测量装置时，用于控制本发明的团聚喷雾喷嘴装置的喷雾液滴尺寸的工艺流程图。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穿过管25进入喷雾喷嘴装置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。

根据本发明的一个优选的实施方案，差压降测量装置38测定递送至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递送至控制设备(sps-控制)48。质量流量计40测定的产物糊剂质量流速qm、密度计42测定的产物糊剂密度ρ以及喷雾压力探头44测定的产物糊剂的喷雾压力p也用同样的方式递送至控制设备48。剪切速率必须大于1000s^-1。

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。输出控制参数被递送至喷雾喷嘴装置1，从而将涡流室活塞17(柱塞)调节至计算位置，以便得到所需涡流室体积。

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新的示例，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率，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-全局-旧和d32-全局-新保持恒定：

因此，如何根据当前位置hsc,old控制柱塞高度hsc,new的解为：

组合公式3和6得到如何控制喷雾压力的解：

图7是差压降法的流程图，该方法可以使用在线差压降测量装置38执行。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)从质量流量计52测量的质量流、产物糊剂的已知产物密度和压降计54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调整旁路质量流速，直到剪切速率大于1000s^-1，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。

脉动阻尼器也优选地提供于旁路中，以减少压力测定中的噪声。

在本发明的例子中，投配点30调控旁路流速，以保持在层流条件下旁路流压<20巴，雷诺数小于2300。

图8示出了在线差压降测量装置(压降计)的原理，该在线差压降测量装置可以有利地设置在本发明的喷嘴的上游。

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的壁中的两个静态压力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)代入公式8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。

诺数re＝ρ液体u整

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]

表1：缩写和公式