JPS6137961B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、被乾燥粒子を含有する液体の噴霧乾
燥方法およびその方法による噴霧乾燥装置に関す
る。

一般に、噴霧乾燥装置の乾燥塔容積は経験的に
決められることが多く、熱容量係数を基準とする
のが普通である。通常、熱容量係数は20〜
30kcal／m³・ｈ・℃と小さな値となるため、処理
能力が増大すると乾燥塔の容積は膨大なものにな
つてしまう。そこで、これまでに乾燥塔の小型化
という問題に対して多くの試みがなされており、
例えば乾燥用空気に対して高速の熱風を採用する
ことによつて、乾燥効率の向上、乾燥塔容積ある
いは付帯設備の小型化が可能になることが一般に
知られている。これらの手段を用いて装置的考案
を行なつたものとして次の２つの例が特に有名で
ある。その１つは、米国ミネソタ大学コールタ博
士により開発されBlaw−knox社により商品化さ
れたコールタ・スプレー・ドライヤ（参考文献
「Coulter Spray Dryer，P.B.Report，No.52820
（1945）」，「田辺不二男：カルタスプレードライヤ
の機構について、食品機械装置（10.1973）」，
「METHOD AND APPARATUS FOR SPPAY
DRYING，U.S.PATENT No.2887390」）であ
り、他の１つはSwift社が開発したジエツト・ス
プレー・ドライヤ（参考文献「Jet Spray
Dryer，CHEMICAL ENGINEERING
PROGRESS（vol.59，No.３）」）である。

コールタ・スプレー・ドライヤは圧力式ノズル
によつて微粒化された液滴にベンチユリ方式の熱
風吹出管によつて二流体ノズルと同様の微粒化作
用を与え、液滴をさらに再分裂させることにより
乾燥効率の向上をはかり乾燥塔容積を縮小させる
もので、２次空気を導入しなくても乾燥塔壁面付
近の風速が０となることから粒子の壁面付着は起
らないとされている。しかし、この方式において
は、熱風ジエツト自身が周辺の気流の乱れを発生
させるので、乾燥塔径は３ｍ以上でなければ有効
な方法でないことが報告されている。一方、ジエ
ツト・スプレー・ドライヤは二流体ノズルと全く
同様の原理によつて高温の空気を音速（360ｍ／
ｓ）付近にまで高速化することによつて液体（被
乾燥液）を直接熱風で微粒化すると同時に乾燥を
行うものであり、二流体ノズルの性質上、発生す
る液滴は非常に微細（10μｍ）となり、また、噴
霧角度も小さい（約20゜）という条件を満たすこ
とにより２次空気（液滴を含む高速の熱風に対し
て約10倍量）を導入して直径の非常に小さな管状
の乾燥塔を採用するものである。しかし、西独・
ドレスデンの空気…冷却技術研究所による追試験
結果では管状の乾燥塔内部で壁面に粒子の付着が
多量に発生しこれを防止するあらゆる試みが失敗
したことが報告されている。（参考文献
「Uhlmann，Ｓ；Heyde，Ｊ：噴霧乾燥塔の小型
化に関する実験的検討、Luft ｕ Kaltechnik6
〔４〕197〜203（1970）」）このように、乾燥塔の
小型化を行う場合は、壁面に粒子が付着するのを
防止することが最も重要でありまた、困難な問題
であることが一般的である。

本発明は、上述の従来の噴霧乾燥方法が有する
欠点を、２次空気に包まれた熱風噴流をその下流
域にて縮流させて解決する噴霧乾燥方法およびこ
の方法を使用した、粒子壁面付着を起さず小型で
効率の良い噴霧乾燥装置を提供することを目的と
する。詳述すると、本発明は、噴霧乾燥装置にお
いて中心部に圧力ノズルを設置した通常の熱風吹
出管から高温・高速の空気を噴出させ、その周囲
から導入された２次空気とともに、すなわち２次
空気に包まれて拡散しつつある熱風の高速噴流を
流れの下流に設けた縮流機構を用いて縮流するこ
とによつて粒子壁面付着の起らない乾燥塔径の著
しく縮小された乾燥塔を可能にするものである。

熱風の高速噴流の周囲から２次空気を並流で流
すという方法は、前記のジエツト・スプレー・ド
ライヤのほかMDドライヤ（参考文献「実用新案
公報昭47−22794」、「岡田、加藤、石鍋：噴霧乾
燥装置の開発、化学工学第37巻第６号」）にも採
用されており、これは主噴流の周辺に発生する渦
逆流（Back−edding）を防止するためにとられ
る一般的手段と考えることができる。本発明にお
ける縮流機構（例えばオリフイス板）はこの２次
空気の効果を顕著に高めると同時に、主噴流に対
して整流効果と適度な拡散を与えるように作用
し、その結果、熱風の高速噴流の乾燥塔壁への到
達を遅らせて粒子の壁面付着を防止させる効果を
与えるものである。

本発明の方法により提供される噴霧乾燥装置
は、前述したコールタ・スプレー・ドライヤおよ
び、ジエツト・スプレー・ドライヤと形態上はい
くぶん似ている。これは高速の熱風噴流を用いる
という共通点によるものである。しかしながら本
装置では機能上からは全く異る要素から構成され
る。本発明の噴霧乾燥装置は通常使用される圧力
ノズルに対して高速の熱風を作用させる際に２次
空気に包まれた熱風の高速噴流の下流域に縮流機
構を設けることにより乾燥塔の壁面に粒子が付着
することを防止せんとするもので、この縮流機構
の作用は熱風の高速噴流により生ずる周辺の低圧
渦による気流の乱れを縮流機構、例えばオリフイ
ス板が効果的に整流し、また縮流作用により熱風
の高速噴流の過度の拡散を遅らせて、熱風の高速
噴流中での液滴の乾燥に対して極めて理想的な流
れを維持しながら乾燥塔内に熱風の高速噴流が吹
出されることになる点で、コールタ・スプレー・
ドライヤにおけるベンチユリ方式により液滴を再
分裂させるための特殊な機構とはその作用が異な
り、またジエツト・スプレー・ドライヤのように
主噴流が液体の微粒化を行うものでもない。本発
明では、ジエツト・スプレー・ドライヤにおける
ような微粒化性能が極めて高い二流体ノズルに対
して適用されるものではなく、一般的な圧力ノズ
ルにより行われるので、得られる乾燥粉末粒子の
大きさは従来型の大容量乾燥塔によるものと同程
度（60μｍ以上）となり、ジエツト・スプレー・
ドライヤによる場合の微粒子（10μｍ程度）とは
ならない。また、ジエツト・スプレー・ドライヤ
では大量の２次空気を必要とするのに対し、本発
明では縮流機構との相乗作用によつて熱風の高速
噴流に対して最小量（３倍量）で十分な効果を得
ることができる。また、本装置で用いる２次空気
は乾燥に対しては何ら機能を果たさないので噴霧
乾燥装置出口の排出空気は再循環して用いること
ができる。すなわち、本発明の装置は、従来型の
噴霧乾燥塔の直径を縮小する有用な手段として用
いられる点で独自性を有している。

本発明では、２次空気の気流をさえぎるように
縮流機構を設ける場合、縮流機構の裏面（流れの
下流側）に低圧渦に起因する若干の粒子付着を起
すことがある。この場合は、縮流機構裏側の側壁
部より、２次空気とは独立した吹込み系路を有す
る３次空気の導入によつて、これを防止すること
ができる。３次空気の導入は縮流機構の２次空気
上流側の状態に影響を与えないよう導入量は２次
空気の数分の１程度、導入圧力は低くすることが
重要である。３次空気は熱風の高速噴流により生
ずる低圧渦の強度を弱め、また下流側に移動させ
るが、一方大量にまた高い圧力で用いると縮流機
構上部の状態に影響し２次空気の流れに乱れを与
えるので逆に粒子の壁面付着が増加する。縮流機
構裏面への粒子付着を防止する他の対策の１つ
は、縮流機構（例えばオリフイス板）の中心孔の
周辺板部を多孔化して２次空気の一部を縮流機構
の裏面に貫通させる方法である。これは、熱風の
高速噴流の周辺に発生する低圧渦により巻上る粒
子が縮流機構の裏面に付着する際、縮流機構に開
けられた小孔から貫通する気流によつて押し流さ
れる効果を与えるからである。この場合、縮流機
構の下流側の渦が上流側の２次空気導入部に影響
を与えないようにするために多孔化する際の開孔
比は数％以下に制限する必要がある。

縮流機構の多孔化と３次空気導入を併用する場
合は、多孔化の開孔比と３次空気導入量は各々単
独で行う場合よりも小さな値をとらなければなら
ない。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図は縮流機構をオリフイス板として設置し
た乾燥塔直径の著しく小さな乾燥塔に高速の熱風
噴流２次空気、および３次空気を導入する場合の
一例を示す説明図である。１は熱風吹出管で一般
に用いられる空気噴流ノズルである。液体噴霧用
圧力ノズル２がその中央に取付けられている。３
は２次空気の導入部である。熱風噴流と２次空気
はオリフイス板４の作用により縮流される。この
オリフイス板４は支持器５によつて固定高さを変
更できる。６はオリフイス板裏面への粒子付着を
防止するために導入する３次空気の入口部であ
る。７は直径の小さな乾燥塔である。次に、縮流
機構の設置条件について述べる。第１図におい
て、オリフイス板４の内径Ｄの熱風吹出管１の直
径ｄに対する比Ｄ／ｄは１〜５倍、乾燥塔径Do
に対する比Ｄ／Doは0.2〜0.7倍、また縮流する位
置については熱風吹出管１の吹出面から縮流点ま
での距離Ｈに対してＨ／ｄは１〜10倍の各範囲内
で実施することが重要である。また、縮流機構、
例えばオリフイス板４の内径Ｄの孔部の周辺を多
孔化する場合はその開孔比を10％以下に留める。

以上のように構成された本発明の作用について
説明する。比較のために、オリフイス板４を設け
ない直径の小さな乾燥塔７に対して、２次空気を
流さず熱風吹出管１から高速の熱風を噴出させた
場合の乾燥塔内圧力分布を第２図に示す。第２図
によれば高速の熱風噴流の周辺には低圧渦領域が
認められ、複雑な循環流や渦が形成されているこ
とがわかる。また、熱風吹出管１の側部にも圧力
分布が存在し、このような状態のもとで噴霧乾燥
を行うと気流の逆混合と乱れのために、供給した
液体に含まれる固形分のうちほぼ全量が乾燥塔内
の全壁面に付着して製品として回収することは不
可能となる。次に、前と同じくオリフイス板４を
設けず熱風吹出管１の周囲から２次空気を流した
場合の乾燥塔内圧力分布を第３図に示す。２次空
気を導入しない場合の第２図と比較すると等圧線
は単純化し、熱風の高速噴流に伴う周辺の渦の強
度は弱まつているが熱風吹出管１の近くに循環流
は残存しているので噴霧乾燥を行うと乾燥塔内壁
の全域に粒子の付着を起す。次に、オリフイス板
４を熱風吹出管１の吹出面の背後２cmの位置に設
け、高速噴流と２次空気を流した場合の等圧線分
布を第４図に示す。オリフイス板４の無い第３図
と比較すると高速噴流周辺の渦は強度を増し（ま
たは圧力が低下し）、また、オリフイス板４の裏
面に新たな渦が発生している。高速噴流に対する
この位置でのオリフイス板４の設置は、渦の範囲
の縮小および強度の低下には何らの効果を示さな
いことがわかる。また実際にこの状態で噴霧乾燥
を行なつても、第２図の場合と同様の結果とな
り、供給液の固形物は全量が壁面付着する。最後
に、第５図は本発明の実施例である第１図の作用
を示すもので、熱風吹出管１の吹出面より38cm下
流側にオリフイス板４を設け、高速噴流と２次空
気を流した場合の等圧線分布である。この図から
わかるように熱風吹出管１の直後に起る高速噴流
による渦流はオリフイス板４の効果により流れの
後方に押しやられ、熱風吹出管１の周辺には全く
渦がみられない。等圧線密度はさらに単純となり
熱風吹出管１周辺における圧力分布は平坦になつ
ている。そして、第４図と第５図とを比較する
と、第５図の場合は明らかに渦の範囲が縮小し、
その強度が低下している。すなわち、熱風吹出管
１の背後にオリフイス板４を設けた場合は、低圧
渦による逆混合は熱風吹出管１の直後から始ま
り、噴霧ノズルからの未乾燥液滴は直ちに巻込ま
れ壁面付着の原因となる。一方、オリフイス板４
を下流域に設けると低圧渦はオリフイス板４の下
側にまで押し下げられ、また強度も弱められるの
で微小液滴はそのまま熱風噴流に押し流される
か、あるいは乾燥終結後に低圧渦域に到達する。
第５図のような条件のもとで噴霧乾燥するとオリ
フイス板４の効果によつて乾燥塔７壁面に粒子付
着はほとんど起らず、製品の回収を完全に行うこ
とが可能となる。この場合、オリフイス板４の裏
面（下流側）の弱い循環流に起因して若干の粒子
付着を起すことがあるが、付着粉は乾燥終結後の
微粉であり生産上何ら障害になるものではない。

次に、本発明の噴霧乾燥装置を用いて、脱脂濃
縮乳を噴霧乾燥した際の試験結果について記載す
る。

乾燥用空気は、ターボブロワからガス直火炉に
送られて250℃に加熱され、第１図における熱風
吹出管１から180ｍ／ｓの速度で直径50cmの円筒
型の乾燥塔７に噴出される。熱風吹出管１の周辺
からは、ターボフアンおよびヒータを通過した２
次空気（100℃）が3.5ｍ／ｓの速度で吹出され
る。被乾燥液は固形濃度40％の脱脂濃縮乳を用
い、プランジヤー式高圧ポンプによつて遠心型の
液体噴霧用圧力ノズル２によつて微粒化された
後、高速熱風と混合して乾燥塔７に噴出される。
運転時間50分間で65Kgの濃縮乳を供給した。

その結果、オリフイス板４を用いない場合では
回収された製品の重量は1.9Kgとなり、残りはす
べて乾燥塔７の壁面に付着した。また、２次空気
を熱風の高速噴流の３倍量流した場合では回収さ
れた製品の重量は7.5Kgとなり、残りは同様に壁
面に付着した。一方、オリフイス板４を熱風吹出
管１の吹出面から20cm離して設置した場合では製
品は25.2Kg回収され、供給した固形のうち97％が
得られた。すなわち、オリフイス板４を設置しな
い場合は２次空気を流しても製品の回収率は29％
しか得られないのに対し、本発明の縮流機構を用
いるとほぼ全量が回収される。

なお、本発明の縮流機構を用いて生産された脱
脂粉乳は、水分３％、平均粒子径72μｍ、粒子比
重1.39〔−〕、（緩）充てん密度0.56g／cm³なる物
性値を示し、一般に用いられる乾燥塔径の大きな
噴霧乾燥装置による製品と同様の性状となつた。

以上説明したように、本発明は噴霧乾燥装置の
熱風速度を高くする場合、２次空気流に包まれた
噴霧液滴を含む熱風の高速噴流を乾燥塔内部で縮
流機構によつて縮流するもので、それによつて乾
燥塔の壁面に粒子の付着を防止するのに極めて顕
著な効果を示し、乾燥塔径縮小化に対して実用上
有用な手段である。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂはそれぞれは、本発明の一実施例
に係る噴霧乾燥装置の要部を示す概略縦面図、概
略横断面図（正面図の−線における）であ
る。第２図は、２次空気および縮流機構が無い場
合の乾燥塔内における主噴流等圧線分布図であ
る。第３図は縮流機構を設けずに２次空気と主噴
流を流した場合の乾燥塔内等圧線分布図である。
第４図は縮流機構を本発明の範囲外の位置に設
け、２次空気と主噴流を流した場合の等圧線分布
である。第５図は縮流機構を設けて２次空気を流
した場合の等圧線分布図である。 １……熱風吹出管、２……液体噴霧用圧力ノズ
ル、３……２次空気導入部、４……縮流機構（オ
リフイス板）、５……支持器、６……３次空気の
入口部、７……乾燥塔（乾燥室）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 噴霧用圧力ノズルからの被乾燥物の液滴を前
   記噴霧用圧力ノズルの周囲に設けた熱風吹出管か
   らの熱風と共に乾燥室に高速噴流として噴出させ
   て前記被乾燥物の液滴を乾燥させる噴霧乾燥方法
   において、 高速噴流を熱風吹出管の周囲に設けた２次空気
   導入部からの２次空気流中に拡散させた後、高速
   噴流の下流で縮流させることを特徴とする噴霧乾
   燥方法。 ２ 乾燥室に被乾燥物の液滴を噴霧する噴霧用圧
   力ノズルと、該噴霧用圧力ノズルの周囲にあつて
   前記被乾燥物の液滴と共に乾燥室に高速噴流とし
   て熱風を噴出させる熱風噴出管とを有する噴霧乾
   燥装置において、 ２次空気導入部を熱風吹出管の周囲に設け、さ
   らに乾燥室に噴出させた高速噴流を２次空気導入
   部からの２次空気流中にいつたん拡散させた後縮
   流させる縮流機構を高速噴流の下流に設けたこと
   を特徴とする噴霧乾燥装置。 ３ 縮流機構が２次空気の一部を通過させる多孔
   部を有する、特許請求の範囲第２項記載の噴霧乾
   燥装置。 ４ 乾燥室に被乾燥物の液滴を噴霧する噴霧用圧
   力ノズルと、該噴霧用圧力ノズルの周囲にあつて
   前記被乾燥物の液滴と共に乾燥室に高速噴流とし
   て熱風を噴出させる熱風吹出管とを有する噴霧乾
   燥装置において、 ２次空気導入部を熱風吹出管の周囲に設け、さ
   らに乾燥室に噴出させた高速噴流を２次空気導入
   部からの２次空気流中にいつたん拡散させた後縮
   流させる縮流機構を高速噴流の下流に、縮流機構
   を通過した高速噴流の周囲に３次空気を導入する
   ３次空気導入部を乾燥室の壁にそれぞれ設けたこ
   とを特徴とする噴霧乾燥装置。 ５ 縮流機構が２次空気の一部を通過させる多孔
   部を有する、特許請求の範囲第４項記載の噴霧乾
   燥装置。