喷雾干燥装置设计

课 程 设 计 课程名称 食品机械与设备 题目名称 喷雾干燥装置设计 学生学院 轻工化工学院 专业班级 09食品科学与工程4班学 号 3209002122 学生姓名 指导教师 刘晓丽 2012 年 6 月 18 日广东工业大学课程设计任务书题目名称产量为1000kg/h的喷雾干燥设备设计学生学院轻工化工学院专业班级2009食品科学与工程4班姓 名学 号一、课程设计的内容1、通过查阅有关资料，熟悉基本工作原理、特点和流程组成的设备及结构。2、进行工艺参数的确定3、主要设备工作部件尺寸的设计4、绘制装配图 5、撰写课程设计说明书二、课程设计的要求与数据料液处理量G 1000 kg/h 料液含水量 75%（湿基，质量分数）；产品含水量 2.5%（湿基，质量分数）料液密度 1150 kg/m3 ； 产品密度 900 kg/m3热风入塔温度 300； 热风出塔温度 100 料液入塔温度 20 ； 产品出塔温度 88 产品平均粒径 120 ；干物料比容热 2.5 kJ/(kg）加热蒸汽压力（表压）0.4 MPa；料液雾化压力（表压）4 MPa年平均空气温度14 ； 年平均空气相对湿度76%三、课程设计应完成的工作1课程设计说明书（纸质版和电子版） 各1份（3000字）2设备装配图（A4）1张，装订在说明书的最后面。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1上午布置及讲解设计任务；下午查阅资料及有关文献第一周周一2有关工艺设计计算第一周周二至周五3装配图绘制第二周周一至周三4撰写课程设计说明书第二周周四、五五、应收集的资料及主要参考文献1 陈英南, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计M. 杭州：华东理工大学出版社，20052 张裕中.食品加工技术装备M. 北京：中国轻工业出版社，20003 无锡轻工大学，天津轻工业学院.食品工厂机械与设备M.北京：中国轻工业出版社，19894 崔建云. 食品加工机械与设备M . 北京：中国轻工业出版社，20085 李功样，陈兰英，崔英德. 常用化工单元设备设计M. 广州: 华南理工大学出版社，20036 GB/T 14690-1993-1993，技术制图比例S北京：中国标准出版社，1993发出任务书日期： 2012 年 6月 11日 指导教师签名：计划完成日期： 2012 年 6月22日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：课程设计考核表设计题目姓名班级设计（论文）起始时间 年 月 日至 年 月 日设计完成情况： 独立完成，达到要求 能够完成，达到要求 能够完成，基本达到要求 不能按时完成，达不到基本要求说明书（论文）叙述 清楚 比较清楚 基本清楚 不清楚工作态度情况（学生对设计的认真程度、纪律及出勤情况）： 认真 较认真 一般 不认真图面是否清晰 清晰 比较清晰 基本清晰 不清晰计算是否正确 正确 基本正确 不正确设计（论文）是否符合规范要求 规范 基本规范 不规范成绩评定: 优秀 良好 中等 及格 不及格指导教师签字： 年 月 日喷雾干燥装置设计摘 要本次设计的是一套料液处理量为500 kg/h（根据自己的设计题目写）的开放式喷雾干燥装置，该装置由并流行干燥器（可选其他），压力式雾化器（可选其他）、旋风分离器、卸料器、空气加热器、过滤器、风机和泵等设备组成。通过工艺计算，设备主要结构尺寸计算确定了干燥器和雾化器的几何尺寸，压力式雾化器喷嘴孔径为mm，干燥塔的直径为M，高度为并对附属设备进行了选型，最后绘制了该装置的装配图。关键词：喷雾干燥，雾化器，工艺计算，装配图目录1 概述11.1 喷雾干燥的原理11.2 喷雾干燥的特点11.2.1 喷雾干燥的优点11.2.2 喷雾干燥的缺点12 工艺设计条件23 干燥装置流程24 工艺流程图35 工艺设计计算45.1物料衡算45.2 热量衡算45.2.1 物料升温所需热量45.2.2 汽化水的热损失45.2.3 干燥塔出口空气的湿度45.2.4 空气消耗量55.2.5 预热器的热负荷及加热介质消耗量65.2.6 向干燥器补充的热量65.2.7 系统消耗总热量65.2.8 干燥系统的热效率65.3 雾滴干燥所需时间65.3.1 初始滴径65.3.2 汽化潜热65.3.3 导热系数75.3.4 恒速阶段物料表面温度75.3.5 雾滴临界含水量75.3.7 平均推动力75.3.8 雾滴在恒速阶段的干燥时间85.3.9 雾滴在降速阶段的干燥时间85.4 压力喷嘴主要尺寸的确定85.4.1 雾化角85.4.2 流量系数85.4.3 喷嘴孔径95.4.4 喷嘴旋转室尺寸95.4.5 空气心半径95.4.6 喷嘴出口处液膜速度105.4.7 雾化器的主要尺寸及结构示意图105.5 干燥塔主要尺寸的确定115.5.1 塔径115.5.2 塔高145.6 主要附属设备的选型185.6.1 空气加热器185.6.2 旋风分离器195.6.3 袋滤器205.6.4 风机205.7 工艺设计计算结果汇总226 心得体会237 参考文献24喷雾干燥器的设计1 概述1.1 喷雾干燥的原理喷雾干燥是将原料液用雾化器分散成雾滴，并用热空气在雾滴下降过程中以直接接触的方式，使水分被迅速汽化而达到干燥目的，获得粉粒状产品的一种干燥过程。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。1.2 喷雾干燥的特点1.2.1 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。1.2.2 喷雾干燥的缺点有：（1） 热风温度较低时，传质速率较低，需要的设备体积大；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分离设备要求高，费用大。（3） 干燥膏糊状物料时，干燥设备的负荷较大。2 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，选用热风雾滴并流向下的操作方式。具体工艺参数如下：料液处理量G 1000 kg/h 料液含水量 75%（湿基，质量分数）；产品含水量 2.5%（湿基，质量分数）料液密度 1150 kg/m3 ； 产品密度 900 kg/m3热风入塔温度 300； 热风出塔温度 100 料液入塔温度 20 ； 产品出塔温度 88 产品平均粒径 120 ；干物料比容热 2.5 kJ/(kg）加热蒸汽压力（表压）0.4 MPa；料液雾化压力（表压）4 MPa年平均空气温度14 ； 年平均空气相对湿度76%3 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。适用于废气中湿含量较高，无毒无臭气体，排入大气后不造成环境污染的场合。如下图所示，原料液由储料罐1经过滤器2后输送到喷雾干燥塔10顶部的雾化器13雾化为雾滴。新鲜空气由鼓风机7经过滤器6、翅片式加热器8及电加热器9送入喷雾干燥塔11的顶部，与雾滴接触、混合，进行传热与传质。干燥后的产品由塔底引出。夹带细粉尘的废气经旋风分离器12由引风机16排入大气。4 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5 工艺设计计算5.1物料衡算5.1.1 绝干物料流量5.1.2 干燥产品产量5.1.3 水分蒸发量W5.2 热量衡算5.2.1 物料升温所需热量5.2.2 汽化水的热损失 计算 根据经验取=210kg/kg水5.2.3 干燥塔出口空气的湿度 根据热量衡算 即，为一直线方程。 根据给出的工艺设计条件，由湿空气的H-I图查出， =0.00763kg水/kg绝干气。当时，由湿空气的H-I图查出，。任取，则 连结点和点，并延长与线相交于点D，点D就是出口空气状态点。由H-I图查出， 图2 求解过程示意图5.2.4 空气消耗量 绝干空气的消耗量为 实际空气消耗量为5.2.5 预热器的热负荷及加热介质消耗量由上可知, = (1.01+1.88）t +2490 =（1.01+1.880.00763)14+24900.00763 = 33.3 kJ/kg绝干气 5.2.6 向干燥器补充的热量: = 0 5.2.7 系统消耗总热量: 5.2.8 干燥系统的热效率 5.3 雾滴干燥所需时间5.3.1 初始滴径 物料在干燥塔进出口处的干基含水量分别为由即 5.3.2 汽化潜热 热空气入塔温度，湿度，由湿空气H-I图查出， 热空气入塔状态下的湿球温度，查手册得水在的汽化潜热。5.3.3 导热系数平均气膜温度为 查手册得空气在77下的导热系数5.3.4 恒速阶段物料表面温度即空气的绝热饱和温度，可以取空气入塔状态下的湿球温度 即5.3.5 雾滴临界含水量 5.3.6 空气临界温度恒速阶段的水分蒸发量为空气的临界湿度为在H-I图中，过作垂线，与AD交于点C，点C温度即为空气临界温度，由H-I查出 ：5.3.7 平均推动力、 5.3.8 雾滴在恒速阶段的干燥时间恒速阶段热空气与液滴的温度变化：空气： 液滴： 5.3.9 雾滴在降速阶段的干燥时间降速阶段热空气与物料的温度变化：空气： 物料： 雾滴干燥所需时间5.4 压力喷嘴主要尺寸的确定5.4.1 雾化角为了了使塔径不致过大，根据经验，选取。5.4.2 流量系数，由的关联图查出，喷嘴结构参数。，由的关联图查出，流量系数。5.4.3 喷嘴孔径为了后续设计及加工方便，计算后圆整，取。5.4.4 喷嘴旋转室尺寸喷嘴孔半径取1.5mm，即，选用矩形切线通道2个，通道宽度取1.7mm，即,因为2R/b=8,所以R=6.8，圆整为7mm，旋转室直径为14mm 。由于一般情况下，旋转室尺寸与入口通道尺寸关系符合：h / b = 1.3 3 ,2R / b = 6 30所以，初定h取3.42mm， 由，得，与原很接近，可以满足设计要求并确定h=3.42mm，圆整为3.5mm5.4.5 空气心半径，由的关联图查出，5.4.6 喷嘴出口处液膜速度及其分速度、液膜与轴线成角喷出，可分解成径向速度和轴向速度5.4.7 雾化器的主要尺寸及结构示意图图3 离心型压力式雾化器结构示意图表1 压力喷嘴主要尺寸单位： 喷嘴旋转室尺寸Rh4831.091.51.776.153.55.5 干燥塔主要尺寸的确定5.5.1 塔径塔内空气的平均温度为 由教材查出，在200下，空气的动力粘度为，空气的密度为。5.5.1.1 由径向分速度，计算时的雷诺数当5.5.1.2 取一系列，求出相应的雾滴水平飞行速度和运行时间。如取Re=100，由，与对应的雾滴水平飞行速度为 由与的列线图查出相应的的停留时间为其余各项计算结果列于表2。表2 停留时间与雾滴水平运动速度的关系Re140027.81000.0062519.9500.01969.96250.03934.98150.05712.99100.07501.9980.08391.5960.09821.2040.1200.79720.1620.39810.2040.1990.50.2520.09965.5.1.3.以为横坐标，为纵坐标画出关系曲线，如图4，用图解积分可得即雾滴由沿径向运动的半径距离为，则塔直径为D2S20.9181.836m 圆整后取。图4 关系曲线图5.5.2 塔高5.5.2.1 降速运动时间内雾滴的下降距离：5.5.2.1.1 时，雾滴轴向运动的雷诺数： 87.9由的关系列线图查出，雾滴由降速运动变为等速运动时的瞬时雷诺数为2.7。可见雾滴在降速阶段的雷诺数变化范围为2.7337。由337查出6.8则5.5.2.1.2 取一系列雷诺数，由的关系列线图查出相应的值，再计算出相应的值。以Re=300为例，雾滴在降速运动时间内的轴向分速度为对关系曲线图解积分得 5.89则停留时间为其余各项计算结果列于表3。表3 与及的关系Re3776.81.4767.203005.91041.7059.80.001602003.11043.2339.80.006351001.11049.1619.90.0174503.91032.6239.960.0316201.11039.883.980.0671104.262.961.990.10151.761021.130.9960.22041.361022.0770.7970.4022.7840.2590.5380.2765.5.2.1.3 以Re为横坐标，为纵坐标作图，得到关系曲线， 如图5。图5 关系曲线图5.5.2.1.4 以为横坐标，为纵坐标作图，得到关系曲线，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uy ,m/s图6 关系曲线图5.5.2.2 等速运动时间内雾滴的下降距离雾滴在等速运动时间内的沉降速度为：雾滴等速运动的时间为:雾滴在等速运动时间内的下降距离为: 塔的有效高度:，圆整后，取H=3m5.5.2.3 干燥塔热风进出口接管管径5.5.2.3.1 热风进口接管管径 热风进口流量为 取热风进口接管内的气速为，则进口接管管径为圆整后热风进口接管管径取510mm。5.5.2.3.2 热风出口接管管径 热风出口流量为: 取热风出口接管内的气速为，则出口接管管径为圆整后热风出口接管管径取430mm。5.6 主要附属设备的选型5.6.1 空气加热器环境空气先用翅片式加热器由14加热到130，再用电加热器加热到300。5.6.1.1 翅片式加热器湿空气由14升温至130的传换热量为其中L实际空气消耗量由手册查出，蒸汽压力为时，蒸汽的饱和温度为，汽化潜热为，取冷凝水的排出温度为151，则水蒸汽消耗量为 加热器的热效率为： 由散热排管的选择曲线查出，选择7R型排管，表面风速为，则所需排管的受风面积为7R型散热排管由型串联而成，单组散热面积为 ，总散热面积为。5.6.1.2 电加热器所需电加热器的总功率为5.6.2 旋风分离器进入旋风分离器的含尘气体按空气处理，气体温度取95 ，湿度为 含尘气体流量为 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-6.0型扩散式旋风分离器，进口风速为 。5.6.3 袋滤器进入袋滤器的气体温度取90，湿度为 气体流量为过滤气速取3.6m/min，所需过滤面积为查脉冲袋滤器造型表，选用DMC-84型脉冲袋滤器。其过滤面积为，处理气量为，设备阻力为。5.6.4 风机系统中采用两台风机，一台鼓风机，安装在干燥塔前；一台为引风机，安装在干燥塔后。鼓风机多采用低压风机，主要用来向设备中吹入冷空气，克服干燥器前面设备的阻力。而引风机作用是排出尾气，主要克服干燥器、气固分离装置等阻力。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2.4所示。表4 干燥系统阻力估算表设备压降设备压降空气过滤器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43005.6.4.1 鼓风机鼓风机入口处的空气温度为，湿度为 鼓风机所需风量为系统前段空气的平均温度取150，由手册查出，空气在150下的密度为，则系统前段所需风压为：选用型离心通风机，其风量为，风压为2530Pa。5.6.4.2 引风机引风机入口处的空气温度取，湿度为 引风机所需风量为系统后段空气的平均温度取90，由手册查出，空气在90下的密度为，则引风机所需风压为 选用型离心通风机，其风量为，风压为5.7 工艺设计计算结果汇总表5 工艺设计计算结果汇总表项目数据项目数据料液处理量1000翅片式加热器散热面积135水分蒸发量743.59电加热器功率563.02产品产量256.41袋滤器过滤面积58.76绝干空气消耗量11037旋风分离器型号压力喷嘴孔径3袋滤器型号DMC84干燥塔直径1.9鼓风机型号干燥塔有效高度3引风机型号6 心得体会 这次的课程设计同样也是一次运算量很大的工艺计算设计。主要分为三期：前期：主要是看懂书本并查找相关的资料与数据。把原理弄清楚，知道每一个步骤所要运用的公式是什么，每一位数据查表的出处在那里等等。中期：把前期找到的相关原理公式代入运算，并在运算的过程中遇到相关的问题，再查找相关的资料或与同样做喷雾干燥课程设计的同学讨论。一开始主要是按照课本的例题原理进行运算，但运算到中期发现课本的某数据来源不明，需要查找其他的大量资料；或课本的某公式的相关数据是错误的，需要再发复运算，一开始运算反复地运算总是反复的出错，后经过自我的调整，一步步地写出反复运算才解决此问题。再如b与h的取值没有注间到的范围，致使运算结果出现很大的偏差。后经过了几次的试差法才把h/b在1.3到3的范围内。想来每一步的运算都需要认真严格细致的运算并及时的检查，确保数据的严谨性科学性。后期：主要是如何把运算的数据的结果查表选型并画图。 此外通过这次课程设计，提高了运用理论解决实际的问题的能力，主要表现有以下几点：(1) 培养了准确的进行工程计算的能力；(2) 做实验报告说明书过程中要论述清楚，文字简练通顺，插图简明具体，书写整洁，字体要统一等细节的问题；(3) 掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据，运算后归纳整理能力；(4) 在进行工艺设计，学会运用excel代数运算能力，方便对数据的预测，减少计算量，在一定程度上提高设计的效率；(5) 在运算检查画图的过程中培养了自己严谨的态度，认真的作风和科学的精神。7 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,P172P2222姚玉英化工原理（上）天津：天津大学出版社，19993姚玉英化工原理（下）天津：天津大学出版社，19994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）：70715王喜忠 于才渊 周才君 喷雾干燥 化学工业出版社 6 冯开平，左宗义画法几何与机械制图M广州：华南理工大学出版社，200123