本發(fā)明涉及連續(xù)測量液體產(chǎn)物的剪切粘度的方法，所述剪切粘度在20至1000mpa·s的范圍內(nèi)，并且具有大于1000s^-1的剪切速率和小于2300的雷諾(reynolds)數(shù)。

優(yōu)化產(chǎn)物加工的操作條件是行業(yè)中深入研究的目的，例如在根據(jù)例如蒸發(fā)或噴霧干燥工藝加工乳液、懸浮液和分散體的生產(chǎn)線中。確定此類條件的最經(jīng)濟操作和控制是重要的，以便以更廉價和環(huán)境可持續(xù)性更好的方式進(jìn)行工藝并且提高產(chǎn)物質(zhì)量。因此本發(fā)明的目的是，提供使技術(shù)人員能夠調(diào)整加工條件以適應(yīng)所加工產(chǎn)物的特征的方法。

借助噴霧干燥在很大程度上實現(xiàn)了食物粉末的制造。該工藝將乳液、懸浮液和分散體轉(zhuǎn)換為粉末。噴霧噴嘴產(chǎn)生液滴，其在熱空氣中通過蒸發(fā)水干燥。最終粉末質(zhì)量、最終粉末質(zhì)地、烘干機工藝設(shè)計、干燥效率、壁積垢行為、操作安全性等等特征與噴霧質(zhì)量，從而與霧化工藝直接相關(guān)。

已知的噴霧干燥工藝使用具有固定幾何形狀的霧化噴嘴，該霧化噴嘴在啟動、制造操作和關(guān)閉期間不能與工藝和產(chǎn)物條件并行調(diào)整。相反，操作者在生產(chǎn)周期之前改變噴嘴幾何形狀，不可能涵蓋所有制造情況。根據(jù)水面選擇此類噴嘴。與水相比，食物粉末的制造產(chǎn)生顯著更高的粘度。典型的噴霧粘度在包括在1至300mpa·s之間的范圍內(nèi)。已知的噴嘴裝置不能勝任此類寬范圍。

例如，對于濃縮物總固體大于50％的乳制品乳液，濃縮物粘度隨著總固體的進(jìn)一步增加而以指數(shù)斜率增加。如果濃縮物粘度超出噴霧器噴嘴的設(shè)計限制，則該事實會引起噴霧干燥問題。設(shè)計限制通過噴霧器空芯故障的方式描述，噴霧器空芯故障阻止液滴的產(chǎn)生，從而阻止有效噴霧干燥和具有所需質(zhì)地的粉末的團聚。使用現(xiàn)有技術(shù)噴霧噴嘴裝置，不能視覺地測定噴霧器噴嘴內(nèi)的空芯故障，因此目前不存在以最佳點操作噴霧干燥工藝而不面臨問題的方法，諸如錐形和旋流器中出現(xiàn)粉末阻塞、壁積垢或噴霧器形成倒鉤等等一些問題。

由于從工藝的啟動到關(guān)閉的產(chǎn)物和工藝條件發(fā)生了變化，所實現(xiàn)的產(chǎn)物質(zhì)量也發(fā)生變化，并且產(chǎn)物積累可出現(xiàn)在噴嘴本身和噴霧干燥設(shè)備的壁上，具體地講干燥室的壁上、噴霧烘干機和旋流器的錐形中，而且還出現(xiàn)在加工單元之間的運輸管中。

本發(fā)明的首要目的是克服現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備和方法存在的問題，并且允許在最佳點和以最經(jīng)濟的方式操作產(chǎn)物糊劑加工，諸如蒸發(fā)器或噴霧干燥設(shè)備，其涉及能夠加工具有最高可能總固體含量的材料，就噴霧干燥而言，在霧化期間獲得具有可能最大總固體含量的干燥粉末，而不超出空芯故障觸發(fā)的噴霧器噴嘴的設(shè)計限制。

本發(fā)明的目的是獲得在生產(chǎn)工藝期間并行測量產(chǎn)物的剪切粘度的方法，諸如以實現(xiàn)控制加工條件和優(yōu)化工藝。就待噴霧干燥的產(chǎn)物而言，控制噴霧噴嘴裝置的噴霧液滴尺寸，以允許控制操作工藝和優(yōu)化噴霧干燥工藝。這對于實現(xiàn)沙得(sauter)直徑定義的目標(biāo)噴霧液滴尺寸分布和甚至在改變產(chǎn)物或材料性質(zhì)和改變工藝條件的情況下保持目標(biāo)液滴尺寸分布恒定是特別有用的。

該目的通過在加工線中連續(xù)測定產(chǎn)物糊劑的剪切粘度(η)的方法實現(xiàn)，其中產(chǎn)物糊劑的剪切粘度(η)的連續(xù)測定在產(chǎn)物糊劑流的旁路中進(jìn)行，其中該旁路包括泵、流量計、差壓管和脈動阻尼器，并且其中剪切粘度在20至1000mpa·s的范圍內(nèi)，剪切速率大于1000s^-1，且雷諾數(shù)小于2300。

剪切粘度用作輸入?yún)?shù)來控制工藝參數(shù)。

在一個實施方案中，產(chǎn)物在噴霧干燥設(shè)備或蒸發(fā)器中加工。剪切粘度用作輸入?yún)?shù)來控制蒸發(fā)器或噴霧噴嘴。允許并行控制蒸發(fā)器或噴霧噴嘴。因此，就噴霧噴嘴而言，允許通過穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)并行控制噴霧液滴尺寸，該穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)包括噴霧質(zhì)量流速qm、噴霧壓力p、產(chǎn)物密度(ρ)和產(chǎn)物粘度(η)。就蒸發(fā)器而言，液膜厚度可在不破壞液膜的情況下最大化。

此外，由于剪切粘度的并行測定而發(fā)生的噴霧噴嘴的控制允許在生產(chǎn)周期期間實現(xiàn)產(chǎn)物的一致粉末團聚，與固體顆粒的總量(ts)無關(guān)或與質(zhì)量流速波動無關(guān)。對于不同的噴霧烘干機類型，通過這種方法，可通過改善和簡化產(chǎn)物性質(zhì)的可重復(fù)性和可靠性實現(xiàn)工藝自動化。競爭性生產(chǎn)控制通過最終粉末性質(zhì)，如粉末水分、堆積密度、最終團聚體尺寸和團聚體穩(wěn)定性的預(yù)先設(shè)計實現(xiàn)。由于自動化，還增強了生產(chǎn)效益和工藝效率(最佳點操作)。

在一個優(yōu)選的實施方案中，產(chǎn)物糊劑的剪切粘度(η)通過以下步驟測定：

a)在層流條件下提供產(chǎn)物糊劑的恒定進(jìn)料流速；

b)測定產(chǎn)物糊劑的質(zhì)量流量；

c)將產(chǎn)物糊劑遞送至壓降計并測定差壓；

d)根據(jù)步驟b)中測定的層流質(zhì)量流量和產(chǎn)物密度、以及步驟c)中測定的壓降計算產(chǎn)物糊劑的剪切粘度(η)。

更優(yōu)選地，步驟d)中的計算還考慮旁路質(zhì)量流速。

該方法允許在使用其特定產(chǎn)物特征霧化之前并行記錄例如咖啡和奶制品的產(chǎn)物剪切粘度，該產(chǎn)物特征諸如高粘度(>100mpa·s)和剪切致稀流行為(測定第2牛頓平臺粘度(η))。并行剪切粘度信息對于并行操作可控制蒸發(fā)器或噴霧噴嘴，以測定蒸發(fā)器或噴霧器的最佳點配置和實現(xiàn)設(shè)計限制時的警告是必須的。并行差壓降法允許根據(jù)實驗室流變儀對牛頓、特別是非牛頓剪切致稀流體的剪切粘度進(jìn)行校正。

測量剪切粘度的其他技術(shù)是低估或高估乳制品和營養(yǎng)產(chǎn)品的預(yù)定產(chǎn)物剪切粘度(通過實驗室流變儀)。特別地，對于剪切致稀流體，由于缺乏關(guān)于方法的適用流場信息(從而剪切速率未知)，基于頻率的測量技術(shù)、科里奧(coriolis)力測量法和石英粘度測量法不能賦予測定剪切致稀流體的第2牛頓平臺粘度的可能性。

因此，非牛頓食物流體的所謂第二牛頓平臺粘度的并行記錄可能使用差壓降法來實現(xiàn)，從而允許以可見于實驗室流變儀測量的預(yù)定產(chǎn)物剪切粘度流變圖實現(xiàn)校正。

在下文中，將借助本發(fā)明的實施方案和附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。

圖1是控制噴霧噴嘴裝置的噴霧液滴尺寸的工藝的流程圖，并示出了本發(fā)明的方法的作用；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案的差壓降法的流程圖；

圖3示出了用于本發(fā)明的差壓降法的測量裝置的原理。

在一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明的方法使用待遞送至噴霧噴嘴的產(chǎn)物進(jìn)行。與粉末的生產(chǎn)工藝并行測量產(chǎn)物輸入?yún)?shù)允許將液滴尺寸調(diào)整至并行可能的最小沙得直徑，從而使在待制備粉末的生產(chǎn)工藝期間考慮噴霧粘度的完整范圍成為可能。

圖1是用于控制團聚噴霧噴嘴裝置的噴霧液滴尺寸的工藝的流程圖。圖1中以“濃縮物”表示的產(chǎn)物糊劑遞送至投配點30，導(dǎo)致一部分產(chǎn)物糊劑流進(jìn)入旁路管線32。大部分產(chǎn)物糊劑流導(dǎo)向至主產(chǎn)物糊劑管線34。旁路管線32在旁路管線32中提供的差壓降測量裝置38下游的管線接頭36處重新導(dǎo)向至主產(chǎn)物糊劑管線34。

在管線接頭36的下游，主產(chǎn)物糊劑管線中提供了質(zhì)量流量計40、密度計42和噴霧壓力探頭44。在噴霧壓力探頭44的下游，主產(chǎn)物糊劑管線34穿過管25進(jìn)入噴霧噴嘴裝置1。然后將遞送至噴霧噴嘴裝置1的產(chǎn)物糊劑噴入噴霧干燥室46。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案，差壓降測量裝置38測定遞送至噴霧噴嘴的產(chǎn)物糊劑的剪切速率和剪切粘度η。剪切速率和剪切粘度η的數(shù)據(jù)從差壓降測量裝置38遞送至控制設(shè)備(sps-控制)48。質(zhì)量流量計40測定的產(chǎn)物糊劑質(zhì)量流速qm、密度計42測定的產(chǎn)物糊劑密度ρ以及噴霧壓力探頭44測定的產(chǎn)物糊劑的噴霧壓力p也用同樣的方式遞送至控制設(shè)備48。剪切速率必須大于1000s^-1。

控制設(shè)備48包括計算機，其根據(jù)上述遞送至控制設(shè)備48的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)存儲在控制設(shè)備48的存儲器中的已知噴霧噴嘴幾何形狀參數(shù)計算輸出控制參數(shù)。輸出控制參數(shù)遞送至噴霧噴嘴裝置1，以便將渦流室活塞17(柱塞)調(diào)整至所計算位置，以獲得所需的渦流室體積。

以下公式1-7描述了如何根據(jù)糊劑剪切粘度η的變化控制柱塞位置(以hsc表示)的求解步驟。

因此，求解步驟適用于質(zhì)量流速qm和糊劑密度ρ的變化。

壓力渦流噴嘴流的通用質(zhì)量流量表征：

對于剪切粘度從ηold變化至ηnew的例子，導(dǎo)出柱塞的噴霧壓力p和軸向位置(以hsc表示)之間的關(guān)系：

解出噴霧壓力比率：

為了找到柱塞位置hsc和剪切粘度η之間的直接關(guān)系，從另一個公式得到噴霧壓力比率，參見以下公式4-6：

壓力渦流噴嘴噴霧的通用噴霧液滴尺寸表征：

另外，可使用稠度條件推導(dǎo)噴霧壓力比率，其中d32-global-old和d32-global-new保持恒定：

因此，如何根據(jù)當(dāng)前位置hsc,old控制柱塞高度hsc,new的解為：

組合公式3和6得到如何控制噴霧壓力的解：

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案的適用于差壓降測量裝置38的差壓降法的流程圖。進(jìn)料泵50提供于投配點30下游的旁路管線32中。進(jìn)料泵50確保差壓降測量裝置38中的恒定進(jìn)料流速，以允許剪切速率覆蓋第二牛頓粘度平臺。在進(jìn)料泵50的下游，提供質(zhì)量流量計52，旁路管線32中的產(chǎn)物糊劑通過質(zhì)量流量計導(dǎo)向至壓降計54。旁路管線32中的產(chǎn)物糊劑的剪切粘度(η)從質(zhì)量流量計52測量的質(zhì)量流量、產(chǎn)物糊劑的已知產(chǎn)物密度和壓降計54測量的壓降計算。該計算在差壓降測量裝置38的計算機(未示出)中進(jìn)行，或相應(yīng)的數(shù)據(jù)遞送至控制設(shè)備48，并在控制設(shè)備48的計算機中計算剪切粘度η。為了考慮在旁路管線32中測量壓降的事實，通過進(jìn)料泵50調(diào)整旁路質(zhì)量流速，直到剪切速率大于1000s^-1，使得在層流條件內(nèi)第二牛頓平臺粘度可通過壓降計54測量。

脈動阻尼器也優(yōu)選地提供于旁路中，以減少壓力測定中的噪聲。

在本發(fā)明的例子中，投配點30調(diào)控旁路流速，以保持在層流條件下旁路流壓<20巴，雷諾數(shù)小于2300。

圖3示出了使用差壓降法測定第二牛頓平臺粘度的測量裝置(壓降計)的原理，該測定使用三個獨立的壓降記錄在三個不同的剪切速率下進(jìn)行。

壓降計100包括具有流體入口部分102和流體出口部分104和三個壓降測量部分106、108、110的管，該壓降測量部分提供于入口部分102和出口部分104之間。第一壓降測量部分106靠近入口部分102，具有第一內(nèi)徑d1和第一軸向長度l1。測量第一壓降δp1的第一差壓計112以通常已知的方式連接至第一壓降測量部分106，其中第一壓降測量部分106的壁中的兩個靜壓測量開口之間的軸向距離l1基本上等于第一壓降測量部分106的長度l1。

第二壓降測量部分108提供于第一壓降測量部分106的下游。第二壓降測量部分108的內(nèi)徑d2小于第一壓降測量部分的直徑d1。第二壓降測量部分108的長度l2小于第一壓降測量部分106的長度。第二壓降測量部分108包括測量第二壓降δp2的第二差壓計114，其中第二壓降測量部分108的壁中的兩個靜壓測量開口之間的距離l2小于第一差壓計112的距離l1。

第三壓降測量部分110提供于第二壓降測量部分108的下游，并且第三壓降測量部分110朝向出口部分104開口。第三壓降測量部分110的內(nèi)徑d3小于第二壓降測量部分108的直徑d2，并且第三壓降測量部分的長度l3小于第二壓降測量部分的長度l2。第三壓降測量部分110以通常已知的方式包括測量第三壓降δp3的第三差壓計116。第三壓降測量部分110的壁中的兩個靜壓測量開口之間的距離l3小于第二差壓計114的距離l2。

差壓降計100允許測量第一、第二和第三差壓降計的三個獨立壓降記錄。通過串聯(lián)利用這三個差壓降探頭，單個質(zhì)量流速使三個壁剪切速率隨管直徑的減小而增加。

以下公式8用于計算層管流(re<2300)的剪切粘度η，適用于全部3個差壓δp1、δp2和δp3(分別在112、114和116測量，圖8)，該計算通過將δpi和對應(yīng)的管尺寸(ri和li)代入公式8進(jìn)行：

只有3個差壓之間的剪切粘度ηi相等(η1＝η2＝η3)，才能得到第2牛頓剪切粘度，并用于例如公式1和7等。

其中符號的定義如下：

ri：管半徑(r1、r2和r3)，單位[m]

δpi：管壓降(δp1、δp2和δp3)，單位[pa]

ρ：產(chǎn)物密度，單位[kg/m3]

qm：質(zhì)量流速，單位[kg/s]

li：管長度(距離l1、l2和l3)，單位[m]

表1：縮寫和公式

本發(fā)明不應(yīng)視為僅限于上文所示和描述的實施方案，在不脫離以下權(quán)利要求書的范圍的前提下可對特征進(jìn)行各種修改和組合。