食品工程原理课程设计-年处理2.75万吨浓缩牛乳的喷雾干燥塔的设计.doc

吉林化工学院 食品工程原理 课程设计题目年处理量为万吨浓缩牛乳喷雾干燥塔的设计教学院专业班级学生姓名学生学号指导教师年月日目录摘要1食品工程原理课程设计任务书21、工艺流程确定及论证41.1喷雾干燥流程图41.2论证41.2.1工艺概况41.2.2喷雾干燥雾化方法51.2.3工艺的选型61.2.4工艺流程的定论62、工艺设计计算72.1物料及热量核算72.2空气状态参数的确定72.2.1新鲜空气参数82.22加热后热空气参数82.2.3废气的参数82.3物料衡算82.3.1产品产量82.3.2每小时喷雾浓乳量及蒸发水分量w92.3.3湿物料处理量92.3.4每蒸发1水干空气用量92.3.5 各阶段的空气流量92.4热量衡算102.4.1输入系统热量102.4.2 输出系统的热量103、干燥塔基本参数计算113.1喷嘴参数计算113.1.1喷嘴孔直径计算113.1.2喷嘴旋转室尺寸确定123.1.3校核喷嘴的生产能力123.1.4空气芯半径的计算133.1.5计算在喷嘴孔出口处的液膜平均速度133.2干燥塔直径的计算143.3干燥塔高度的计算143.3.1高度计算143.3.2塔高核算153.3.3热风进出口接管直径的确定154、辅助设备的选型计算164.1空气加热器164.1.1加热器设计原理164.1.2加热器的设计选型164.2旋风分离器174.2.1工作原理及选用依据174.2.2旋风分离器的设计计算174.3布袋过滤器的选择184.4风机的选择184.4.1鼓风机的选型194.4.2引风机的选型195、设计结果汇总206、结果与讨论22结束语23参考文献24附录一25附录二（设备中所查关联图）27摘要喷雾干燥通过机械作用，将需干燥的物料，分散成很细的像雾一样的微粒，（增大水分蒸发面积，加速干燥过程）与热空气接触，在瞬间将大部分水分除去，使物料中的固体物质干燥成粉末的技术。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。设计题目是：年处理2.75万吨浓缩牛乳喷雾干燥塔的设计。在设计过程中，严格按照工业化干燥原理与设备的标准进行计算设计，并且综合各种考虑因素，结合科学合理、经济环保、易于操作等方面对设备进行了一系列优化。在本设计中进行了必要的物料，热量衡算，并根据计算数据选择了合适尺寸的干燥塔及其辅助设备，使得设计更加完整，并用cad绘制了干燥工艺流程图。本次课程设计完美地将理论与实际相结合，是一次对我们各方面能力较为完整的考察，在设计过程中，使我能够独立的去思考、解决问题，并且促进了同学、老师之间的交流，培养了我们发现和解决问题的能力。关键词：喷雾干燥；浓缩牛乳；离心式；并流；压力式雾化器1、工艺流程确定及论证本工艺采用并流离心式喷雾干燥法对牛乳进行喷雾干燥。包装成品1.1喷雾干燥流程图新鲜空气过 筛空气过滤器排 放冷 却浓缩乳粉 送风机排风机空气预热器 旋风分离器喷雾干燥牛乳压力式喷雾器图1-1：喷雾干燥流程图1.2论证1.2.1工艺概况喷雾干燥的特点如下：（1）干燥速度快：由于料液经喷雾后雾化成几十微米大小的液滴，所以单位重量的表面积很大，每公升料液经喷雾后表面积可达300左右，因此热交换迅速，水分蒸发极快，干燥时间一般只要几秒钟，多则几十秒钟，具有瞬间干燥的特点。（2）干燥过程中液滴的温度比较低：喷雾干燥可以采用较高的温度的载热体，但是干燥塔内的温度一般不会很高。当液滴仍有大量水分存在时，它的温度不超过热空气的湿球温度，例如塔内热空气温度100时，物料温度约5060。所以适合于热敏性物料的干燥，能够保持产品良好的色泽和香味。（3）干燥产品具有良好的分散性和溶解性能：根据工艺上的要求，选用适当的雾化器，可将料液喷成球状液滴，由于干燥过程是在空气中完成的，所得到的粉粒能保持与液滴相近似的球状，因此具有良好的疏松性、流动性、分散性，冲调时能迅速溶解。（4）产品纯度高，环境卫生好：由于干燥是在密闭的容器内进行的，杂质不会混入产品，保证了产品纯度。生产有毒气、臭气物料时，可采用封闭循环或“自惰”循环系统的喷雾干燥设备，将毒气、臭气烧毁，防止公害，改善环境。（5）生产过程简化，操作控制方便：即使含水量高达90%的料液，不经浓缩，同样能一次获得均匀的干燥产品。大部分产品干燥后不需粉碎和筛选，从而简化了生产工艺流程。对于产品粒径大小、松密度、含水量等质量指标，可改变操作条件进行调整，控制管理都很方便。（6）适宜于连续化大规模生产：干燥后的产品经连续排料，在后处理上结合冷却器和风力输送，组成连续生产作业线，实现自动化大规模生产。其主要缺点有：（1）当热风温度低于150 时，热交换的情况较差，需要的设备体积大。在用低温操作时空气消耗量大，因而动力耗用量随之增大。（2）为了保证乳粉水分含量的要求，必须严格控制各种产品干燥时排风的相对湿度，一般为10%13%，故需消耗较多的空气量，从而增加了风机的容量及电耗，同时也增加了粉尘回收装置的负荷，影响了产品得率。（3）对某些膏糊状物料，干燥时需加水稀释，这样就增加了干燥设备的负荷。（4）由于设备体积庞大，对生产卫生要求高的产品时，设备的清扫工作量较大。（5）设备的热效率较低，在进风温度不高时，热效率约3040%左右。1.2.2喷雾干燥雾化方法喷雾干燥按照雾化方法分为压力式、离心式和气流式喷雾干燥。离心喷雾是将浓奶送入离心盘雾化机中，由于离心盘的高速旋转，被喷成雾状，遇热空气干燥成乳粉。离心喷雾盘的线速度为100150m/s。用离心喷雾法生产奶粉时，离心喷雾盘的线速度越高，雾滴越小。乳粉颗粒越小，同热空气接触的比表面积越大，热交换速度越快，热效率也越高，热效率也越高，但是小颗粒奶粉的冲调性能较差。离心式喷雾干燥的操作特点有：（1）塔内只安装一个雾化器便可完成生产任务。（2）在一定范围内，可以调节雾滴尺寸。（3）生产能力调节范围大。（4）在调节处理量时，不需要改变雾化器工作状态。（5）与压力式喷雾干燥相比，可以适应叫高粘度的料液。1.2.3工艺的选型喷雾干燥按照喷雾和流体流动方向分为并流型、逆流型和混合型三类。（1）逆流型操作特点是热利用率较高，但只适用于非热敏性物料的干燥，而且若空塔速度超过限度将引起颗粒的严重夹带，给回收系统增加负荷。（2）混合型操作特点是气流与产品较充分接触，脱水效率高，但产品有时与湿的热空气流接触，故干燥不均匀，内壁局部粘粉严重。（3）并流型操作特点是：被干燥物料允许在低温下进行干燥。由于热风进入干燥室立即与喷雾液滴接触，室内温度急降，不会使干燥物料受热过度，因此，适宜于热敏性物料的干燥。塔壁粘粉较少。由于在干燥室内细粒干燥时间短、粗粒干燥时间长，产品具有比较均匀干燥的特点，适合于液滴高度分散均一的喷雾场合。1.2.4工艺流程的定论牛乳的化学成分中的矿物质种类非常丰富，除了我们所熟知的钙以外，磷、铁、锌、铜、锰、钼的含量都很多。最难得的是，牛乳是人体钙的最佳来源，而且钙磷比例非常适当，利于钙的吸收。其主要成分由水、脂肪、磷脂、蛋白质、乳糖、无机盐等组成。可以看出牛乳的主要成分中含有脂肪等易氧化和热敏性的成分，这对于干燥来说是需要较高的要求，而通过上述喷雾干燥优缺点的对比我们发现喷雾干燥法适合于热敏性、易氧化物料的干燥。故综上所述，该工艺适合采用喷雾干燥技术制备乳粉。2、工艺设计计算2.1物料及热量核算对干燥过程进行物料及热量核算,空气和物料进出口的有关数值,说明如下:ql-每蒸发1kg水干燥室的热损失，按工业生产经验取251kj/kg水（对于保温适宜的干燥室而言：其散失的热量可取60千卡/公斤水，相当于251.04kj/kg水，而对于空气加热器的热损失可取40千卡/公斤水，相当于167.36kj/kg水。本工艺保温适宜，故采用热损失为251kj/kg水。）2.2空气状态参数的确定g1=45=52%新鲜空气蒸汽热空气牛乳排气2=12 =176=49=1821=0=21，0=65% =150,=0.011 =82，=0.035=0.011 热损失ql空气加热器冷凝水干燥塔乳粉g2=70=8%图2-1物料、热量衡算图2.2.1新鲜空气参数空气湿度=0.011kg水/kg干， =21（任务书给定）所以湿空气的比容=0.84662.22加热后热空气参数加热前后湿度不变，即=0.011kg水/kg干 =150,（任务书给定）所以热空气的比容=1.2182.2.3废气的参数排出废气的湿度=0.035kg水/kg干=82，（任务书给定）所以废气的比容=1.0612.3物料衡算2.3.1产品产量由设计任务书所给条件（年处理为2.75万吨，每年工作270天，每天10小时以求出每小时需产浓缩牛乳粉2.3.2每小时喷雾浓乳量及蒸发水分量ww=-=19521.61-10185.19=9336.422.3.3湿物料处理量 = =19521.612.3.4每蒸发1水干空气用量41.67/每小时干空气量9336.42(0.035-0.011)=389017.5 /h2.3.5 各阶段的空气流量新鲜空气体积流量=329342.22热空气体积流量=473823.32废气体积流量=412747.572.4热量衡算2.4.1输入系统热量新鲜空气输入:=19061857.5加热器输入热量：=51739327.5牛乳带入的热量:2717038.6919061857.5+51739327.5+2717038.69=73518223.692.4.2输出系统的热量排气带出的热量:389017.568467080产品牛乳粉带出的热量：干燥室热损失:68467080+1490093.30+2343441.42=72300614.7由于,所以热量收支平衡3、干燥塔基本参数计算3.1喷嘴参数计算3.1.1喷嘴孔直径计算物料恒算中已算出进料量为19521.61, 密度, 选择喷嘴的压力差为。为了防止严重粘壁现象，根据对比选用雾化角当时，由。喷嘴流量得0.0000477圆整得：3.1.2喷嘴旋转室尺寸确定已知，所以选用矩形切向通道，选用的切向通道宽度为b=1.2mm，旋转室直径为10mm，即半径r=5mm。而由此可得矩形通道高度h：其中圆整取得h=9.9mm3.1.3校核喷嘴的生产能力首先核算,所以液体质量流量g为所以此喷嘴满足设计要求。旋转室通道长度l和宽度b 之间的关系，可按l=3b选取即3.1.4空气芯半径的计算已知：由的关联图（附录二图三）可以查得，当时，a=0.55由得：3.1.5计算在喷嘴孔出口处的液膜平均速度已知则因为雾化角，而液膜是与轴线成角喷射出去的，所以图3-2 水平与垂直速度示意图3.2干燥塔直径的计算塔内的平均风速以控制在0.6m/s以下为佳，则：因为式中：干燥塔的横截面积，；进入干燥塔的干空气消耗量，； 干燥塔内的风速，。因为,所以干燥塔的直径取大值3.3干燥塔高度的计算3.3.1高度计算选鼓形阀则 所以合适,因为锥形壳体的应力，随半锥角的增大而增大；当角很小时，其应力值接近圆筒形壳体的应力值。所以在设计制造锥形容器时，角要选择合适，不宜太大。有效容积2586.163.3.2塔高核算3.3.3热风进出口接管直径的确定在干燥系统中，一般取风管中的风速为（1）热风进口接管直径取热风管道中的气速为25m /s ,则2.89m 圆整后干燥塔热风入口接管直径（2）热风出口管直径则2.70m 圆整后取干燥塔热风出口接管4、辅助设备的选型计算4.1空气加热器4.1.1加热器设计原理喷雾干燥所用的干燥介质通常是热空气，利用空气加热器加热到预热温度，本设计采用间接式加热器。4.1.2加热器的设计选型已知进风温度，热媒为蒸汽，选择操作压力（1） 从蒸汽性能表中可以查得，当蒸汽的表压力（绝压为0.9mpa）时，饱和蒸汽温度。（2） 空气平均温度时，由空气性能表中查得，当空气温度为85时，空气的密度。（3） 根据蒸汽加热器散热排管性能规格初选型号为单元组件的散热面积（4） 确定空气从21上升到150所需热量式中：空气的比热容，。（5）实际风速空气的质量流速：(6) 根据公式，可求出排管的传热系数k (7) 传热温差(8) 所需传热面积 (9) 所需单元排管数n实际取25组总传热面积所以采用空气加热器型号为srz17,共25台4.2旋风分离器4.2.1工作原理及选用依据旋风分离器是利用器内旋转地含尘气体所产生的离心力,将粉尘从气流分离出来的一种干式气-固分离装置。蜗壳式入口使含尘气体作均匀的螺旋流动，因而比切线入口式具有较高的回收率。此外，当尺寸相同时，蜗壳式入口所采用的空气量大的多。4.2.2旋风分离器的设计计算进入旋风分离器的含尘气体近似按空气出理，取温度为75，则选蜗壳式入口的旋风分离器，取入口风速为25m/s，则解得 d=8.24m,圆整后取旋风分离器其他部分尺寸如下：圆柱高度=0.8d=6640mm圆锥体高度=2d=16600mm进口宽度b=0.225d=1867.5mm进口高度a=0.3d=2490mm排气管直径d=0.35d=2905mm排气管插入深度l=0.7d=5810mm排气管直径d在（0.20.5）之间选取，选d=0.25d=2075mm4.3布袋过滤器的选择取进入布袋过滤器的气体温度为70,则取过滤气速为1.5,则所需过滤面积为所以选用mdc-36-ii，脉冲布袋除尘器。4.4风机的选择喷雾干燥塔的操作压力一般为(表压),因此系统需要2台风机,即干燥塔前安装一台风机,干燥塔后安装一台风机。4.4.1鼓风机的选型鼓风机入口处的空气温度为20，湿含量为0.011，因为系统前段平均风温按97.5计密度为0.986，则所需风压（规定状态下）为。所以选用4-27-11no.4.5a离心通风机。4.4.2引风机的选型系统后段平均风温按75计，密度为1.015，则引风机所需风压（规定状态下）为取引风机入口处的风温为85，湿含量，则所以选用9-26no.5a离心通风机5、设计结果汇总名称结果物料处理量/19521.61产品产量/10185.19蒸发水量/ 9336.42雾化角55喷嘴直径 7.80矩形通道高度 19.225干燥塔类型立式、并流、压力式干燥塔直径14干燥塔锥形壳高度14干燥塔圆柱体高度16.8干燥塔高度30.8干燥塔锥形壳角度52.21热风进口管直径 2890热风出口管直径2700加热器总传热面积1216.41空气加热器型号空气加热器数量 25 旋风分离器圆柱直径8300旋风分离器圆柱高度6640旋风分离器圆锥体高度16600旋风分离器进口宽度1867.5旋风分离器进口高度2490旋风分离器排气管直径12905旋风分离器排气管插入深度5810旋风分离器排气管直径22075布袋过滤器过滤面积4430.48布袋过滤器型号脉冲布袋除尘器鼓风机型号离心通风引风机型号离心通风6、结果与讨论1、干燥塔上设有人孔、振荡荡器。振荡器使喷至塔壁上的奶粉尽可能地被振荡下来，以防止焦化，但总不可避免某些奶粉粘在壁上，因此每隔一段时间就需人入内扫出，因此须设人孔。振动器安装在塔壁上及圆锥底部，各两个。2、为使喷雾正常进行，在干燥塔上设有窥视镜及安全灯，安全灯主要起照明作用，为防止出现意外事件，其电压控制在36v。3、喷雾干燥器设计时，除了考虑产品要求，如生产能力、产品残余水分、产品粒度及分布、产品密度、产品收率、吸湿性等基本要求外，还应考虑环保要求。设备的振动。喷雾干燥系统需配备的风机等动力设备的振动对工厂环境及建筑物都会产生影响。在设计及选型时应有减振措施。噪声。主要是风机的噪声，噪声有时会达到100db以上，长期在这种环境下工作身心会受到一定损伤。排放气体的要求。主要包括两部分：一部分时有燃烧热源时产生燃烧气体的排放；另一部分是尾气的排放。4、塔体材料：乳粉喷雾干燥设备的内表面，凡与产品接触的部位普遍采用不锈钢材料制成，钢厚23mm，干燥塔边上加角钢圈，顶部用槽钢固定起来。材料可用1cr18ni9ti。5、节能将是喷雾干燥未来发展的趋势，节能的措施有以下几点：提高进口温度和降低出口温度，但进塔热风温度不可过高，温度太高会使奶粉颜色变深，影响产品品质。提高料液固形物含量。提高料液的温度。排放的气体进行部分再循环利用。利用热交换器回收余热。采用二级或三级干燥。6、旋风分离器在乳粉生产上尚存在下列弊病：旋风分离器分离效率低，旋风分离内壁粘粉严重，即使器外采用保温措施，粘壁情况仍无改善，致使分离效果下降，同时清理困难，经受热粘壁之粉产生焦化，在生产过程中日益剥落混入产品中。旋风分离器的锥形集粉箱内回收的乳粉，易在锥底搭桥，有时会形成坚硬的粉块，无法清除，也不能使用连续的机械出粉装置，不能使这部分较细的乳粉与干燥室内粗粉相混合。结束语经过两周左右的探索与思考，我最终完成了这篇课程设计。对我而言，这确是一个很辛苦的过程。这一次的设计所涉及的内容由于课程安排问题尚未学习完，因此再设