面向节能喷雾干燥的优化：用于高浓度料液雾化的气核液环喷嘴几何结构优化

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Towards energy-efficient spray drying: Geometric optimization of an ACLR nozzle for atomizing concentrated feeds

本文聚焦于提升喷雾干燥这一高能耗食品工业过程能效的核心难题。针对高固含量料液因粘度增加导致雾化困难的挑战，研究人员通过计算流体力学（CFD）模型，系统性研究了气核液环（ACLR）喷嘴的关键几何参数对内部液膜稳定性和厚度的影响。研究揭示，缩短出口长度、增大混合室倾角及采用圆滑内角可显著促进更薄、更稳定的液膜形成。实验验证表明，优化后的喷嘴设计即使在操作压力和气液比（ALR）降低40%的条件下，仍能产生比基准设计更窄的液滴粒径分布（DSD），为实现工业规模应用时高达45%的节能潜力提供了关键设计指导。

　　

喷雾干燥是食品工业中大规模生产粉末产品的关键技术，但它同时也是食品工业领域能耗最高的单元操作之一，约占许多发达国家工业总能耗的12%至25%。在能源价格持续上涨的背景下，如何降低这一过程的能量消耗、实现过程强化，已成为工程领域的重要研究方向。一个直接降低能耗的方法是提高送入雾化器的料液固含量（干物质含量）。有模型计算显示，料液干物质含量每增加1%，喷雾干燥器的热能消耗可降低约3.8%。然而，高固含量也意味着料液粘度急剧上升，这使得雾化变得异常困难。

面对高粘度料液的雾化挑战，选择合适的喷嘴设计至关重要。气核液环（Air-Core-Liquid-Ring, ACLR）喷嘴作为一种内混式气动喷嘴，展现出巨大潜力。它能够在较低压力（<0.8 MPa）和低气液比（Air-to-Liquid Ratio, ALR <1）下实现高粘度料液（粘度最高可达3 Pa·s，干物质含量最高达57% wt.）的雾化。相比之下，传统的压力旋流喷嘴通常需要5-25 MPa的高压，而外混式喷嘴则需要1-15的较高ALR。基于能量估算，ACLR喷嘴所能处理的高干物质含量，相较于通常限制在30% wt.干物质含量的标准压力旋流喷嘴，可带来高达45%的节能。然而，现有ACLR设计普遍存在内部流动不稳定的问题，这导致液膜（liquid lamella）厚度波动，进而产生较宽的液滴粒径分布（Droplet Size Distribution, DSD），尤其是直径超过500微米的大液滴比例增加，这可能在工业运行中导致干燥塔壁面结块、产品损失或干燥不完全等问题。

为了解决ACLR喷嘴的流动不稳定难题，并优化其几何设计以提升雾化性能，本文的研究人员开展了一项系统性的研究。他们的目标是：一、识别并改变对减少内部流动失稳有积极影响的喷嘴设计几何参数；二、找出能最大程度改善流动稳定性、从而产生更稳定喷雾和更小液滴的几何参数组合。鉴于实验评估众多几何变体既浪费又耗时，本研究的主体几何分析采用了一种已验证的CFD模型进行数值模拟，该模型已针对粘度高达1.33 Pa·s的料液进行了实验数据验证。研究团队主要关注喷嘴的六个关键几何参数：气体毛细管直径（D_g）和壁厚（D_w）、混合室长度（L_m）和倾角（α）、出口通道长度（L_e）和直径（D_e），以及内部尖角的圆滑半径（R）。研究以52% wt.的麦芽糊精溶液为对象，通过模拟分析这些参数对液膜厚度及其波动（以h_5,0、h_50,0和h_95,0百分位数表征）的影响，旨在找到能获得更薄、更稳定液膜的几何优化方案。

为开展研究，研究人员主要应用了以下关键技术方法：

1. 1.
   计算流体力学（CFD）建模与模拟：利用STAR-CCM+软件建立ACLR喷嘴瞬态多相流模型。采用流体体积法（Volume-Of-Fluid, VOF）捕捉气液界面，结合大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）处理湍流，并使用Carreau-Yasuda模型描述高浓度麦芽糊精溶液的剪切稀化非牛顿流变特性。
2. 2.
   喷雾实验测试平台：搭建喷雾测试台用于实验验证，使用激光衍射光谱仪（Spraytec）在喷嘴出口下方35厘米处测量液滴粒径分布（DSD），采样频率为10 kHz，持续1秒，并通过代码校正光束转向效应。
3. 3.
   参数化几何分析与优化：基于CFD模拟，系统评估了多个几何参数（出口通道长度L_e和直径D_e、混合室倾角α、圆角半径R、毛细管壁厚D_w）的独立影响，重点关注其对液膜厚度波动（h_95,0）和厚度中值（h_50,0）的影响，以指导优化设计。

6. 结果与讨论

6.1. 混合室尺寸（D_w, α）对流动稳定性的影响

研究发现，增加混合室倾角（α）至45°能有效减少液膜波动并降低厚度中值，但进一步增至60°效果反而不佳，表明存在一个最优的冲击角以最大化气体向液体的能量传递。而减小毛细管壁厚（D_w）虽能减少液膜波动，却会导致厚度中值增加，利弊并存。

6.2. 圆角（R）对流动稳定性的影响

对内部尖角进行圆滑处理有助于流动稳定。研究显示，当圆角半径R约为1毫米时，液膜厚度及其波动范围最小。半径过大（如5毫米）反而会导致波动范围变宽，可能因为过于圆滑的结构不利于稳定环状流的形成。

6.3. 出口通道尺寸（L_e, D_e）对流动稳定性的影响

缩短出口通道长度（L_e）能显著减薄液膜并增强稳定性，这符合减少气液接触时间以抑制不稳定性发展的预期。然而，减小出口直径（D_e）在恒定操作压力下会导致气液比（ALR）大幅下降，反而使液膜增厚，尤其在直径减小至0.8毫米时几乎发生流动阻塞，形成厚液膜。

6.4. 几何参数效应与气液比（ALR）影响的分离

为了区分几何参数的直接影响和因几何改变导致的ALR变化所带来的间接影响，研究团队在CFD中设置了目标ALR边界条件进行对比模拟。结果表明，在相同ALR下，更短的L_e和更小的D_e确实能产生更薄的液膜。然而，要将D_e从1.5毫米减小至0.8毫米以维持相同ALR，所需进气压力需增加400%以上，这在实际应用中不经济。因此，优化设计应保持基准出口直径。

6.5. 改进的喷嘴设计

综合以上发现，研究人员提出了两种优化设计方案。优化喷嘴1综合了更短的出口长度（L_e= 0.8毫米）、更大的混合室倾角（α = 45°）以及圆滑的内角（R = 1毫米），同时保留了基准的毛细管壁厚（D_w）和出口直径（D_e）。优化喷嘴2则保留了基准的出口长度（1.5毫米）以验证圆角与短出口的兼容性。CFD模拟表明，即使在0.4 MPa的较低压力下，优化喷嘴1产生的液膜也比基准设计在0.7 MPa压力下更薄、更稳定，且其ALR也更低，展现了在降低操作要求和能耗方面的巨大潜力。对粘度更高的54% wt.麦芽糊精溶液的模拟也证实了优化设计的优势。

6.6. 改进喷嘴设计的实验评估

为进行最终验证，研究团队制造了优化喷嘴1（金属毛细管和透明亚克力块体结构），并在喷雾测试台上与基准设计进行了对比实验。关键评估指标是液滴粒径分布（DSD），尤其是对工业操作至关重要的90%体积百分位数（x_90,3）。实验结果显示，对于两种不同浓度的麦芽糊精溶液（52% wt.和54% wt.），优化喷嘴产生的x_90,3均显著小于基准设计。更重要的是，即使优化喷嘴在0.4 MPa的较低压力下运行，其产生的x_90,3也小于基准设计在0.7 MPa压力下的结果，尽管此时优化喷嘴的ALR更低。这确凿地证明了几何优化本身（而不仅仅是更高的ALR）带来了性能提升，并意味着该设计具有更低的操作压力和能耗需求。

7. 结论

本研究利用经过验证的CFD模型，对ACLR喷嘴的几何设计进行了深入研究和优化。研究发现，缩短出口通道长度、增大混合室倾角以及对内部尖角进行圆滑处理，能够有效促进更薄、更稳定的液膜形成。基于此，研究人员提出了一个集成了上述优化特征的改进喷嘴设计（优化喷嘴1）。实验验证表明，该优化设计在产生更窄的液滴粒径分布方面表现优于基准设计，即使在其操作压力和气液比（ALR）比基准设计降低40%的条件下亦然。这一成果具有重要意义：它不仅通过几何优化直接提升了ACLR喷嘴的雾化性能，更重要的是，其降低的操作压力和气耗需求，有望在工业规模应用时带来显著的运行成本节约和能源效率提升。虽然优化后的喷嘴产生的最大液滴尺寸（x_90,3）仍可能高于某些特定工业应用的建议值，但其所需的ALR（远低于1）仍远低于传统外混式气动喷嘴（ALR为1-15）。因此，若有必要，仍可通过适当提高雾化压力来进一步减小液滴尺寸，同时保持ACLR喷嘴相对于其他气动喷嘴的低气耗核心优势。考虑到喷雾干燥过程中超过95%的能耗发生在干燥阶段，ACLR喷嘴通过处理更高固含量料液所实现的潜在节能（高达45%），使其成为实现食品工业喷雾干燥过程强化的一个极具前景的技术方案。本研究为高效、节能的ACLR喷嘴设计提供了清晰的理论依据和实践指导。