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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，选用热风雾滴并流向下的操作方式。具体工艺参数如下：料液处理量 料液含水量 （湿基）；产品含水量 （湿基）料液密度 ；产品密度 热风入塔温度 ；热风出塔温度 料液入塔温度 ；产品出塔温度 产品平均粒径 ；产品比热容 加热蒸汽压力（表压） ；料液雾化压力（表压） 年平均温度 12； 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(一) 物料衡算1. 绝干物料流量2. 产品产量3. 水分蒸发量W(二) 热量衡算1. 物料升温所需热量2. 汽化水的热损失计算，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，。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4. 空气消耗量绝干空气的消耗量为实际空气消耗量为(三) 雾滴干燥所需时间1. 雾滴临界含水量物料在干燥塔进出口处的干基含水量分别为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除去的水分质量为剩余的水分质量为临界含水量为2. 初始滴径由3. 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。4. 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. 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7. 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：平均推动力为8. 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：平均推动力为9. 雾滴干燥所需时间(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。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。3. 喷嘴孔径由由圆整，取。4. 喷嘴旋转室尺寸喷嘴孔半径取1mm，即选用矩形切向通道，切身通道宽度取1.2mm，即旋转室直径为10mm，则半径由及圆整，取5. 核算喷嘴的生产能力经圆整后与原很接近，不必复算，可以满足设计要求。6. 空气心半径，由的关联图查出，由7. 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49 20.7311.254.43.0(五) 干燥塔主要尺寸的确定1. 塔径塔内空气的平均温度为 由手册查出，在200下，空气的动力粘度为，空气的密度为。（1） 由径向分速度，计算时的雷诺数（2） 取一系列，求出相应的雾滴水平飞行速度和停留时间。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Re135023.61000.0066317.5500.02348.75250.04644.38150.07142.63100.09131.7580.1031.4060.1201.0540.1460.70020.2020.35010.2530.1750.50.3130.0875（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，则塔直径为圆整后取。ux,m/s,s图4 关系曲线图2. 塔高（1） 降速运动时间内雾滴的下降距离时，雾滴轴向运动的雷诺数为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。可见雾滴在降速阶段的雷诺数变化范围为3.8295。由查出取一系列雷诺数，由的关系列线图查出相应的值，再计算出相应的值，结果列于表3。表3 与及的关系Re295051.6025043.80.0024920035.00.0060810017.50.0241508.750.0433254.380.0654101.750.12150.1020.8750.2273.8123.80.1310.6650.290以Re为横坐标，为纵坐标作图，得到关系曲线， 如图5。1/(Re2)Re图5 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对关系曲线图解积分得 则停留时间为其余各项计算结果列于表3。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（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（3） 塔的有效高度圆整后，取。3. 干燥塔热风进出口接管管径（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。（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。(六) 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12加热到130，再用电加热器加热到300。（1） 翅片式加热器湿空气由12升温至130的传换热量为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。（2） 电加热器所需电加热器的总功率为2. 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-4.0型扩散式旋风分离器，进口风速为 。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，所需过滤面积为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，处理气量为，设备阻力为。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4300（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。（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。(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330翅片式加热器散热面积67.5水分蒸发量262.7电加热器功率199产品产量67.3袋滤器过滤面积27绝干空气消耗量3921旋风分离器型号压力喷嘴孔径2袋滤器型号干燥塔直径1.5鼓风机型号干燥塔有效高度4引风机型号参考文献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，20032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）：7071
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