喷雾干燥器的设计

喷雾干燥器的设计一、概述（一）喷雾干燥的原理喷雾干燥是将溶液、浆液或悬浮液在热风中喷雾成细小液滴，液滴在下降过程中，水分被迅速汽化而达到干燥目的，从而获得粉末或颗粒状的产品。物料的干燥过程分为等速阶段和降速阶段。在等速阶段，水分通过颗粒的扩散速率大于汽化速率，水分汽化是在液滴表面发生，等速阶段又称为表面汽化控制阶段。当水分通过颗粒的扩散速率降低而不能维持颗粒表面的充分润湿时，汽化速率开始减慢，干燥进入降速阶段，降速阶段又称为内部迁移控制阶段。（二）喷雾干燥的特点1喷雾干燥的优点主要是：（1）干燥速度快。（2）产品具有良好的分散性和溶解性。（3）生产过程简化，操作控制方便。（4）产品纯度高，生产环境好。（5）适宜于连续化大规模生产。2. 喷雾干燥的缺点有：（1）低温操作时，传质速率较低，热效率较低，空气消耗量大，动力消耗也随之增大。（2）从废气中回收粉尘的设备投资大。（3）干燥膏糊状物料时，干燥设备的负荷较大。二、工艺设计条件干燥物料为悬浮液，干燥介质为空气，热源为蒸汽和电；雾化器采用旋转型压力式喷嘴,选用热风一一雾滴并流向下的操作方式。具体工艺参数如下：料液处理量G1330kg/h料液含水量w180%（湿基）；产品含水量W?2%(湿基)料液密度311100kg/m；产品密度32900kg/m热风入塔温度t1300C；热风出塔温度t2100C料液入塔温度120C产品出塔温度290C产品平均粒径d2125m；产品比热容c22.5kJ/(kgC)加热蒸汽压力（表压）0.4MPa;料液雾化压力（表压）4MPa年平均温度12C;年平均相对湿度70%三、干燥装置流程干燥装置采用开放式流程。热风在系统中使用一次，经袋滤器除尘后，就排入大气中,不再循环使用。四、工艺流程图1料液贮罐2料液过滤器3截止阀4隔膜泵5稳压罐6空气过滤器7鼓风机8翅片式加热器9电加热器10干燥塔11星形卸料阀12旋风分离器13雾化器14袋滤器15碟阀16引风机17消音器图1喷雾干燥装置工艺流程示意图五、工艺设计计算(-物料衡算1.绝干物料流量GGG1(1W1)330(180%)66kg/h2.产品产量G2G2G1(11W1)w2330(1180%)2%67.3kg/h3.水分蒸发量WWG1G233067.3262.7kg/h（二）热量衡算物料升温所需热量qmG2C221qmW67.32.59020262.744.8kJ/kg水1. 汽化1kg水的热损失qlq1按经验公式q1干燥塔表面对周围空气的传热系数，33.40.21twtw干燥塔外表面温度取tw40C33.40.214041.8kJ/mF干燥塔散热面积，取F30mI2t壁温室温，tFtWqi401228C3028133.6kJ/kg水262.73. 干燥塔出口空气的湿度H2根据热量衡算丨2丨1H2H1II1Rqmcw133.644.84.1872094.7kJ/kg水即丄丄HH194.7，为一直线方程根据给出的工艺设计条件，t012C70%，由湿空气的H-I图查出，H1H00.006kg水/kg绝干气。当t130CC时，由湿空气的H-I图查出，I1320kJ/kg绝干气。任取H0.05kg水/kg绝干气，则h=320kJ/kg绝干气tw=54Cti=300CABCt=125Ct=100CDH!HcH20.0060.050.0730.063H图2H2求解过程示意图4.空气消耗量绝干空气的消耗量为262.70.0730.0063921kg/h实际空气消耗量为LL1H。392110.0063944kg/h（三）雾滴干燥所需时间1. 雾滴临界含水量Xc4kg水/kg绝干料180%w1物料在干燥塔进出口处的干基含水量分别为X2w22%0.020kg水/kg绝干料1w212%de11X2131100110.02030.6314d121X1900X1dc液滴临界滴径，dd2125mdi初始液滴滴径即在恒速干燥阶段液滴体积收缩了37%液滴在恒速干燥阶段由于收缩而减小的体积为30.63d0.75耳除去的水分质量为0.75剩余的水分质量为d30.800.75临界含水量为Xcd30.8010.75w6d30.200.750.200.7510000.2011000.59kg水/kg绝干料2.初始滴径d1由匹0.63d1dc0.631250.63198m汽化潜热热空气入塔温度t130OC，湿度H10.006kg/kg绝干气，由湿空气H-I图查出,热空气入塔状态下的湿球温度tw54c,查手册得水在54C的汽化潜热r2369kJ/kg。导热系数54100平均气膜温度为77C2查手册得空气在77C下的导热系数3105kW/(mC)2. 恒速阶段物料表面温度即空气的绝热饱和温度tas，可以取空气入塔状态下的湿球温度twtastw54C3. 空气临界温度tc恒速阶段的水分蒸发量为W1GXiXc6640.59225.1kg/h空气的临界湿度为HeHoW10.00622510.063kg水/kg绝干气L3921查出在H-l图中，过He作垂线，与AD交于点C,点C温度即为空气临界温度tc,由H-Itc125C7.雾滴在恒速阶段的干燥时间1恒速阶段热空气与液滴的温度变化空气：300C125C液滴：20C54C平均推动力为t13002012554,30020In12554152.3Cr1d,8t122236911001.981041.2510483105152.31.68s8.雾滴在降速阶段的干燥时间2降速阶段热空气与物料的温度变化空气：125C100C物料：54C9C平均推动力为t2125541009012554In1009031.C2rdc2XcX212t24223691.251049000.590.02012310531.11.70s9.雾滴干燥所需时间121.681.703.38s（四）压力喷嘴主要尺寸的确定1.雾化角为了了使塔径不致过大，根据经验，选取49。2.流量系数C049，由与A的关联图查出，喷嘴结构参数A1.0。3.1.0，由A与C。的关联图查出，流量系数C。0.45。喷嘴孔径d。FC7d/Q0.451100FC330110036002仃24106106d。4F42.171063.141.6610圆整，取d02mm。4. 喷嘴旋转室尺寸喷嘴孔半径取1mm，即r01mm选用矩形切向通道，切身通道宽度取旋转室直径为bR1R-210mm，则半径R1.25一4.4mm21.2mm，即b5mm1.2mm由A2bh及AAroRro1.0hA12broRr02bAIR3.1415.21.21.0，4.413.12mm圆整，取h3.0mm5. 核算喷嘴的生产能力d0和h经圆整后_rRr。2bhRi3.141521.23.0，4.41.04与原A1.0很接近，不必复算，可以满足设计要求。6. 空气心半径rcA03.14152.182bh21.23.0A2.18，由与A的关联图查出，0.472由1与0匚r1110.470.73mm喷嘴出口处液膜速度U0及其分速度Ux、Uy330U056.8m/s11003600223.140.0010.00073图3离心型压力式雾化器结构示意图液膜与轴线成一角喷出，U可分解成径向速度Ux和轴向速度Uy2UxU0sin56.849sin23.6m/s22Uyu0cos56.849cos51.7m/s2表1压力喷嘴主要尺寸单位：mmdrc喷嘴旋转室尺寸rbRR1h4920.7311.254.43.01. 干燥塔主要尺寸的确定塔径塔内空气的平均温度为t3001002O0C2由手册查出，在200C下，空气的动力粘度为a0.026mPas,空气的密度为a0.75kg/m3。(1)由径向分速度ux，计算0时的雷诺数Re。Re。diUxaa1.9810423.60.750.02610135ReRe0135时，ux23.6m/s,0(2)取一系列Re，求出相应的雾滴水平飞行速度ux和停留时间如取Re=100，由Red1Uxa，与Re100对应的雾滴水平飞行速度为aUxRea1000.026103d1a1.981040.7517.5m/s由Re与210卑的列线图查出ReRe25A210d(Re)100Re25210d(Re)135Re21.451021.151020.3102相应的的停留时间为4Ad12140.31024210430.0261031.9811006.6310其余各项计算结果列于表Re2105d(Re)2105d(Re)ReRe2Re0Re2,sReaUxdd1a13510021.151.151020221.451.15100.31000.0066323.617.5表2停留时间与雾滴水平运动速度Ux的关系502.211.151021.061020.02348.75253.251.151022.11020.04644.38154.381.151023.231020.07142.63105.281.151024.131020.09131.7585.801.151024.651020.1031.4066.581.151025.431020.1201.0547.771.151026.621020.1460.700210.31.151029.151020.2020.350112.61.1510211.451020.2530.1750.515.31.1510214.151020.3130.0875(3)以为横坐标，ux为纵坐标画出Ux关系曲线，如图4用图解积分可得0.313Uxd0.732m即雾滴由沿径向运动的半径距离为S0.732m，则塔直径为D2S20.7321.464m圆整后取D1.50m。T,s图4Ux关系曲线图塔高降速运动时间内雾滴的下降距离H10时，雾滴轴向运动的雷诺数Re0为1.9810451.70.752950.02610fRef234ga*14349.810.751.981011000.75123.80.02610由Re与Re2的关系列线图查出，雾滴由降速运动变为等速运动时的瞬时雷诺数为Ref3.8。可见雾滴在降速阶段的雷诺数变化范围为3.8295。由Re0295查出0Re025.410410Re01.8610145.410123.8取一系列雷诺数Re1250,Re2200,Ref3.8，由Re与Re2的关系列线图查出相应的Re2值，再计算出相应的Re值，结果列于表3。表3Re与占、u及的关系ReRe21ReRedReRea比dd1a/ms12,41d1Re0OReOa/sdReRe2Re2Re22955.401041.86105051.602504.381042.291051.1210343.80.0024920043.001053.35102.7510335.00.0060810041.101059.19101.0910217.50.0241503.751032.761041.961028.750.0433251.491037.321042.961024.380.0654104.101023.4910325.46101.750.12151.721022.081020.1020.8750.2273.8123.8oo0.1310.6650.290以Re为横坐标,1Re2为纵坐标作图,得到1Re2Re关系曲线,图5。图5hRe关系曲线图以Re=250为例，雾滴在降速运动时间内的轴向分速度为UyReadia2500.0261041.98100.7543.8m/sRe关系曲线图解积分得Re295dRe250Re21.1210则停留时间为4idi2295dRe250Re242411001.9810430.0261031.121030.00249s其余各项计算结果列于表3。以为横坐标，Uy为纵坐标作图，得到Uy关系曲线，如图6。由图解积分得到雾滴降速运动时间内的下降距离为0.290H1Uyd1.425mCY,s图6Uy关系曲线图等速运动时间内雾滴的下降距离H2雾滴在等速运动时间内的沉降速度为UtRefad1a3.80.0261041.98100.750.665m/s雾滴等速运动的时间为3.380.2903.09s雾滴在等速运动时间内的下降距离为H2ut0.6653.092.055m塔的有效高度HHH1H21.4252.0553.48m干燥塔热风进出口接管管径(1)热风进口接管管径D,Vi0.7731.244H1273ti2730.7731.2440.006273300i.64m3/kg绝干气273热风进口流量为3V1Lv139211.646430m/h取热风进口接管内的气速为25m/s，则进口接管管径为D14V1/360046430/36000.302m:U13.1425圆整后热风进口接管管径取D1310mm。(2)热风出口接管管径D2V20.7731.244H2273t22730.7731.2440.0732731002731.18m3/kg绝干气热风出口流量为3VLV239211.184627m/h取热风出口接管内的气速为25m/s，则出口接管管径为,4V2/360044627/3600门c”D220.256mU23.1425圆整后热风出口接管管径取D2260mm。(五) 主要附属设备的选型1.空气加热器环境空气先用翅片式加热器由12C加热到130C,再用电加热器加热到300C。(1)翅片式加热器湿空气由12C升温至130C的传换热量为Q1LCp11301239441.00913012469580kJ/hL实际空气消耗量由手册查出，蒸汽压力为0.4MPa时，蒸汽的饱和温度为ts151C，汽化潜热为r2115kJ/kg，取冷凝水的排出温度为151C，则水蒸汽消耗量为GvQ1469580222kg/hr2115加热器的热效率为Ft2t1130120849tst115112由散热排管的选择曲线查出，选择风面积为7R型排管，表面风速为3.8m/s，则所需排管的受1.04V,3600u1.04643036003.80.489m27R型散热排管由S2R22430型串联而成，单组散热面积为22.5m，总散热面积为67.5m。（2）电加热器所需电加热器的总功率为cv1.926H0t2t,L3600.82199kW1.0041.9260.00630013039443600.820.952. 旋风分离器进入进入旋风分离器的含尘气体按空气处理，气体温度取95C，湿度为H3H20.073kg水/kg绝干气273t3273953一v30.7731.244H330.7731.2440.0731.16m3/kg绝干气273273含尘气体流量为3V3Lv339211.164548m/h选用扩散式旋风分离器，查CLK型旋风分离器主要性能表，选用两台CLK-4.0型扩散式旋风分离器，进口风速为16m/s。3. 袋滤器进入袋滤器的气体温度取90C,湿度为H4H20.073kg水/kg绝干气273t27390v40.7731.244H440.7731.2440.0731.15m3/kg绝干气273273气体流量为3V4Lv439211.154509m/h过滤气速取3.5m/min，所需过滤面积为4509221.5m603.5查脉冲袋滤器造型表，选用DMC-36型脉冲袋滤器。其过滤面积为27m2，处理气量为49506480m3/h，设备阻力为9801176Pa。4. 风机系统中采用两台风机，一台为鼓风机，安装在干燥塔前；另一台为引风机，安装在干燥塔后。设备阻力以干燥塔为基准分前段阻力和后段阻力。在操作条件下，空气流经系统各设备和管道的阻力大体如表4所示。表4干燥系统阻力估算表设备压降/Pa设备压降/Pa空气过滤器200干燥塔100翅片式加热器300旋风分离器1500电加热器200脉冲袋滤器1500热风分布器200消音器400管道、阀门、弯头等600管道、阀门、弯头等800合计1500合计4300(1)鼓风机鼓风机入口处的空气温度为to12C，湿度为Ho0.006kg水/kg绝干气0.7731.244H。273t。2730.7731.2440.0062731227330.815m/kg绝干气鼓风机所需风量为V。Lv039210.8153196m3/h系统前段空气的平均温度取150C，由手册查出，空气在150C下的密度为0.83kg/m3,则系统前段所需风压为1500丄22169Pa0.83选用47211NO.4.5A型离心通风机，其风量为5730m3/h，风压为2530Pa。(2)引风机引风机入口处的空气温度取t585C，湿度为H5H20.073kg水/kg绝干气V50.7731.244Hs273百0.7731.2440.073型空1.13m3/kg绝干气引风机所需风量为V5Lv539211.134431m3/h系统后段空气的平均温度取90C，由手册查出，空气在90C下的密度为0.97kg/m3,则引风机所需风压为1243005320Pa0.97选用926NO.5A型离心通风机，其风量为5903m3/h，风压为5750Pa。（七）工艺设计计算结果汇总表5工艺设计计算结果汇总表料液处理量/kgh1330翅片式加热器散热面积/m267.5水分烝发量/kgh262.7电加热器功率/kW199产品产量/kgh167.3袋滤器过滤面积/m227绝干空气消耗量/kgh13921旋风分离器型号CLK4.0压力喷嘴孔径/mm2袋滤器型号DMC36干燥塔直径/m1.5鼓风机型号47211NO.4.5A干燥塔有效咼度/m4引风机型号926NO.5A参考文献1 李功样，陈兰英，崔英德.常用化工单元设备设计.广州：华南理工大学出版社，2003姚玉英化工原理（上）天津：天津大学出版社，1999姚玉英化工原理（下）天津：天津大学出版社，1999郭少兰.运用Excel软件在化工图解积分法计算中的应用J.萍乡高等专科学校学报，1998（4）:7071I94.70.050.006320315.8kJ/kg绝干气连结点AH10.006kg水/kg绝干气，I320kJ/kg绝干气和点BH0.05kg水/kg绝干气，1315.8kJ/kg绝干气，并延长与t2100C线相交于点D，点D就是出口空气状态点。由H-I图查出，H20.073kg水/kg绝干气。