（机械设计及理论专业论文）新型谷朊粉干燥系统的研究.pdf

摘要 谷朊粉是从小麦面粉中分离出的高蛋白聚合物，由小麦淀粉生产得到的面筋瞬时干 燥而成，又称活性面筋粉。谷朊粉的广泛应用主要基于其良好的粘合特性、弹柔特性及 溶解特性等。国际上谷朊粉的生产与需求量近几年一直呈上升趋势。谷朊粉也开始应用 于其它食品如保健食品、婴儿食品等；谷朊粉在其它行业的应用也得到了蓬勃发展，如 用谷朊粉制作绿色粘贴剂、污水处理固化剂等。 我国面粉的深加工目前主要是用来生产谷朊粉和小麦淀粉，由于谷朊粉在世界范围 内具有巨大的潜在市场，全面提升谷朊粉的质量，走外销之路，是我国在世纪之交特别 是加入世贸组织后不得不面临的战略选择。提高谷朊粉的质量和出口率，规模化利用和 转化谷朊粉，是目前我国谷朊粉生产厂家尚需解决的技术关键。 本课题来源于：郑州市科技攻关计划新型谷朊粉干燥设备研制与开发。根据气 流干燥原理，针对国内谷朊粉干燥系统存在着产品活性低，产量低等缺点，对该系统做 了相关分析，并和生产实践相结合，提出了改进方法。将研制开发一种操作容易、产品 质量好、产量高的新型谷朊粉干燥设备。 本课题的研究主要分为以下几个部分： 第一、谷朊粉的性质及加工工艺研究； 第二、参照国外同类产品的基础上，根据我国的实际情况，对谷朊粉干燥工艺流程 进行研究； 第三、通过对气流干燥的理论研究，完成对干燥管的改进； 第四、通过对谷朊粉干燥传统造粒方法的分析，提出了改进方法。用s o l i d w o r k s 建 立了改进后造粒机的三维实体模型。并用有限元方法，对其在载荷作用下的变形、应力 分布进行研究； 第五、对蜗壳分离器、粉碎机等关键设备进行改进。 关键词：谷朊粉气流干燥造粒机蜗壳有限元法 a b s t r a c t g l u t e ni st h eh i g hp r o t e i np o l y m e rs e p a r a t e df r o mw h e a tf l o u r d u r i n gt h ep r o c e s so f t h e w h e a tf l o u rp r o d u c i n g ，t h ef r e s ha n dd a m pg l u t e ni sm a d ei n t of i n i s h e dp r o d u c tw h i c hi sa l s o c a l l e da c t i v eg l u t e nb yf l a s hd r y i n g t h ea b r o a da p p l i c a t i o no ft h eg l u t e ni sb a s e do nt h e f a v o r a b l ea g g l u t i n a t ec h a r a c t e r i s t i c ，s t r e t c hc h a r a c t e r i s t i ca n dd i s s o l v ec h a r a c t e r i s t i c i nt h e i n t e r n a t i o n a l ，t h em a n u f a c t u r ea n dd e m a n do ft h eg l u t e ni si nt h es t a t eo fg o i n gu p g l u t e ni s u s e di no t h e rf o o d s t u f fs u c ha sh e a l t hp r o t e c t i o nf o o da n db a b yf o o d m e a n w h i l e ，g l u t e ni s a l s ou s e di no t h e ri n d u s t r y , s u c ha st h eg r e e na d h e s i v ea n ds e w a g ed i s p o s a lc o n d e n s a t ea n ds o o n n ei n t e n s i v ep r o c e s so ft h ef l o u ri nd o m e s t i ci sp r i m a r i l yi nt h ep r o d u c i n gg l u t e na n d w h e a tf a e c u l a i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h eg l u t e nr o u n d l ya n dw a l k i n go nt h ew a yo fe x p o r t a r et h ee s s e n t i a ls t r a t a g e ma f t e re n t e r i n gt h ew t o a tp r e s e n t ，t h et e c h n o l o g yp r o b l e m sw h i c h n e e dt ob es o l v e da r et h ei m p r o v i n go ft h eg l u t e nq u a l i t ya n dt h ee x p o r tr a t i oa n dt h e l a r g e s c a l eu t i l i z i n ga n dt r a n s f o r m i n go f g l u t e n t h et h e m ec o m e sf r o m w h i c h i sas c i e n c ea n d t e c h n o l o g yt a c k l ek e yp r o b l e mp r o g r a mo f z h e n gz h o u t h e q u a l i t yo fg l u t e nf l o u rp r o d u c e db yt h ed r y i n gs y s t e mu s e di nd o m e s t i cw h e a ts t a r c hf a c t o r i e s i sn o tg o o d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ff l a s hc l r y i n g t h ed o m e s t i cg l u t e nf l o u rd r y i n g s y s t e mw a sa n a l i z e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h ei m p r o v e m e n to f t h ek e ye q u i p m e n t an e w k i n do f g l u t e nd r y i n gs y s t e m , w h i c hw i l lb eo p e r a t e de a s i l y , h i 班q u a l i t y , h i 曲o u t p u t ，w i l lb e d e s i g n e d n l er e s e a r c ho ft h i ss u b j e c ti sd i v i d e di n t os e v e r a lp a r t s ：f i r s t t h er e s e a r c ho fg l u t e n s q u a l i t ya n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y s e c o n d , a n a l y z i n gt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n tf o rg l u t e ni nc h i n a ，p u t t i n gf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o da n dn e c e s s a r y e q u i p m e n tf o r t h et e c h n o l o g yi nt h el i g h to f t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo f f o r e i g nc o u n t r i e sa n d t h es p e c i f i cc o n d i t i o n si nc h i n a t h i r d ，t h e o r e t i c a ls t u d yo nd r y i n ga n df l a s hd r y i n g ，t h e r e s e a r c ho ft h ed r y i n gp i p e l i n e f o u m lp e l l e t e ri nd r y i n g s y s t e mf o rg l u t e nf l o u rw a s a n a l y z e da n dt h ei m p r o v e m e n to fp e l l e t e rw a sp r e s e n t e d t h es o f t w a r es o l i d w o r k sw a s a d o p t e dt ob u i l d3 - de n t i t a t i v em o d e l b yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ed e f o r m a t i o na n d t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s s ，s u b j e c t e dt ol o a d i n g ，w a ss t u d i e d f i m a , t h er e s e a r c ho fk e y e q u i p m e n ts u c ha st h ev o l u t es e p a r a t o r , d i s i n t e g r a t o ra n ds oo n k e y w o r d s ：g l u t e nf l o u r ；f l a s hd r y i n g ；p e l l e t e r ；v o l u t es e p a r a t o r ；f e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河南工业大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名：赴堑日期：竺皇：三z论文作者签名：a 丝 些日期：三：兰：兰2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本人授权河南工业大 学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后应 遵守此规定) 论文作者签名；盘堡日期：三立：三艺 导师签名：觯日期：鎏翌删 新型谷朊粉干燥系统的研究 1 1 研究背景 第一章前言 在生产小麦淀粉过程中，分离出大量的高蛋白聚合物，即湿面筋。它的主要成份 是由麦谷蛋白和麦胶蛋白组成。将湿面筋经过瞬时干燥、粉碎后得到活性小麦蛋白粉， 即谷朊粉。它保持了原来的自然活性，复水后性状如初，仍保持原来的粘、弹、柔软 性能。谷朊粉的蛋白含量很高，在7 5 以上，是一种良好的纯天然添加剂，因此它被 广泛地应用于食品、各种专用面粉、专用米粉、营养保健食品等行业。 国外谷朊粉生产厂采用低温气流循环干燥或喷雾干燥技术、真空干燥技术，甚至 还采用低温冷冻干燥技术，最大程度地保持面筋蛋白的活性，降低其变性程度【1 1 。 国内谷朊粉生产厂大都采用气流干燥技术，但干燥温度较高，谷朊粉蛋白质变性 严重，活性低，色泽深暗；而且我国的谷朊粉干燥设备与外国的同类设备相比存在着 产品质量差、产量低等缺点。 目前，国内农村中小谷朊粉生产企业，急需一种价格相对较低，产量和质量较高 的谷朊粉干燥系统。新型谷朊粉干燥设备，提高了产品产量和质量，可以满足国内农 村中小企业对质优价廉谷朊粉干燥设备的需求。 1 2 课题的提出 本课题来源于：郑州市科技攻关计划“新型谷朊粉干燥设备研制与开发”。 国内农村中小谷朊粉生产企业所采用的谷朊粉干燥系统属于气流干燥中的环形干 燥设备。其主要设备包括造粒部分、粉碎机、干燥管、蜗壳、旋风除尘器。 围i - i 谷朊粉干燥工艺流程 谷朊粉干燥系统的造粒部分包括造粒机、单螺杆泵、脱水机。 河南工业大学硕士论文 图1 - 2 造粒流程 谷朊粉干燥系统属于环形气流干燥，用空气作为干燥介质，气流先经过热交换器 ( 换热器) 加热到约1 5 0 c ，然后通过大蜗壳下端的管道进入谷朊粉干燥系统，热空 气流运行到粉碎机后带着面筋颗粒在干燥管道内运动( 湿面筋粒的干燥主要发生在这 个过程) ，然后经过蜗壳、旋风除尘器后经过引风机和排气管排出。谷朊粉干燥系统可 将物料的含水率由7 0 干燥至1 2 。 图1 - 3 谷朊粉干燥系统 含水量很大的湿面筋首先进入脱水机脱去游离的水分。脱水机也称挤干机，它主 要是利用挤压的方式来达到水与固溶性物料分离的。脱水机采用变螺距结构( 变螺距 铰龙) 。经过脱水机脱水后的湿面筋进入单螺杆泵，由单螺杆泵输送到造粒机进行造粒。 造粒是谷朊粉干燥的关键环节，造粒机造出的面筋颗粒的大小和形状是决定谷朊粉干 燥系统产量高低和产品活性的一个重要因素。面筋经过造粒后由面筋团变成面筋粒， 2 新型谷朊粉干燥系统的研究 进入粉碎机进行粉碎，粉碎成更小的颗粒以利于干燥。在粉碎的过程中，面筋与粉碎 机中的干粉混合，这样面筋粒之间就不会相互粘连。粉碎机顶部开口和竖直的干燥管 道相连。粉碎机的另一个作用是扬升，粉碎机的旋转打板在高速旋转中会把被粉碎和 包裹上干粉的面筋颗粒在竖直干燥管道内抛升一定高度，以便干燥管内的气流将面筋 颗粒带走。这样面筋颗粒才能在干燥管中乘着上升气流进行干燥并运行到蜗壳分离器 进行分离。蜗壳是一个利用气流旋转对颗粒状或粉状物料进行离心分离分级的装置。 蜗壳的作用是将大的较湿物料和小的较干物料分离。大的比较湿的物料在大蜗壳的底 部被分离出来，通过返回管道返回粉碎机重新粉碎干燥。小的比较干的物料通过小蜗 壳来到旋风分离器，由旋风分离器收集后成为谷朊粉成品。 国内农村中小谷朊粉生产企业采用的这种谷朊粉干燥系统存在的问题有：造粒效 率低，由造粒机造出的面筋颗粒大，容易相互粘连，不易粉碎；蜗壳分离器分离效率 低；干燥管结构不合理。正是由于这些问题的存在，造成了谷朊粉干燥系统生产出来 的产品产量低、质量差。 1 3 课题的研究内容 1 3 1 谷朊粉性质及其加工工艺的研究 对谷朊粉的性质和加工工艺进行研究。并重点对国内农村中小企业的谷朊粉干燥 工艺设备进行分析。针对国内农村中小企业谷朊粉干燥系统生产出来的产品产量低、 质量差的问题，找出谷朊粉干燥工艺和设备存在的不足，并通过对这些设备的工作原 理进行研究，提出相应的改进办法。 1 3 2 谷朊粉干燥系统中干燥管的研究 通过对气流干燥理论的研究，根据每小时生产5 0 0 k g 谷朊粉成品的设计要求，运 用桐泶三良法计算干燥管的长度和直径等关键参数。并根据计算所得到的参数，运用 a u l d c a d 对干燥管进行改进设计。其间根据对多家谷朊粉干燥工厂的实地考察和对 国外同类设备的研究，提出了将干燥管竖直段由常规的直管改为脉冲管的改进措施。 1 3 3 谷朊粉干燥系统中造粒机的研究 通过对国内多家农村中小谷朊粉生产企业的实地考察，发现造粒方法普遍存在造 河南工业大学硕士论文 粒效率低，造出的面筋颗粒较大、容易相互粘连、不易粉碎和干燥的问题。提出了对 造粒方法的改进，即由原来的旋转造粒改为喷嘴压力造粒。运用s o l i d w o r k s 对造粒机 进行了改进设计。并运用有限元理论和砧n s y s 对造粒机的强度进行了校核。 1 3 4 谷朊粉干燥系统中蜗壳的研究 蜗壳分离器简称蜗壳，是谷朊粉干燥系统中的关键设备。它的作用是对物料进行 粒度分级，将大的物料颗粒和小的物料颗粒分离开。传统的蜗壳利用的是惯性沉降的 原理，分离效果差。本课题对蜗壳进行改进。并且用“t o c a d 设计出了改进后蜗壳的 装配图。 4 新型谷朊粉干燥系统的研究 2 1 谷朊粉的性质 第二章谷朊粉的性质及加工工艺 谷朊粉又称活性面筋粉，是将小麦面粉中的蛋白质分离、提取并烘干而制成的一 种粉末状产品。在面筋蛋白中，麦醇蛋白和麦谷蛋白占总蛋白量的8 0 左右 2 1 ，这两 种蛋白的特性与谷朊粉的加工特性和食品品质密切相关。麦醇蛋白具有延伸性，麦谷 蛋白具有弹性，能与水形成网络结构，所以当谷朊粉吸水后可形成具有网络结构的湿 面筋，使其具有优良的黏弹性、延伸性、热凝固性、乳化性和薄膜成型性。正是由于 面筋蛋白的存在，面粉加水后即形成面筋网络【3 】。目前主要把谷朊粉作为一种高效的 绿色面粉增筋剂或面团改良剂，用于面粉、方便面、火腿肠、高档水产品及宠物饲料 等生产中；谷朊粉还可在肉类制品中作为保水剂。由于谷朊粉的安全性优势，在食品 和饲料中的添加量不受限制【4 】。 2 1 1 谷朊粉的组成及其特性 谷朊粉主要由分子量较小、里球状、具有较好延伸性的麦醇蛋白与分子量较大、 呈纤维状、具有较强弹性的麦谷蛋白组成，另外还含有少量淀粉、脂肪、矿物质等。 谷朊粉的组成成分及含量见表2 1 。 表2 一l 谷朊粉的成分与含量 盛坌塞查量皂l 塑耋壁堡自! ! 鱼2基焦曼旦i 塑堡塑f 塑a i 堕( 塑 含量 3 9 0 24 3 0 24 4 06 4 52 8 0 堕坌蕉耋l 堑2壅筮l ! 鱼2堑( ! 型! ! ! 出璧f ! 型! ! ! 盟丛( ! 型! ! ! 殴 含量 3 1 2 2 0 0 7 87 0 06 2 谷朊粉中的蛋白质统称为面筋蛋白。根据蛋白质在不同溶剂中的溶解性差异，可 将面筋蛋白分为4 类：溶于水的麦清蛋白( 9 ) 、溶于盐的麦球蛋白( 5 ) 、溶于酒 精溶液的麦醇蛋白( 4 0 ) 和溶于稀酸或稀碱的麦谷蛋白( 4 6 ) 。谷朊粉中蛋白质的 种类及特性见表2 2 。 河商工业大学硕士论文 由表2 2 可以看出，在面筋蛋白中，麦醇蛋白和麦谷蛋白占总蛋白量的8 0 左右， 这两种蛋白的特性与谷朊粉的加工特性和食品品质密切相关。麦醇蛋白具有延伸性， 麦谷蛋白具有弹性，能与水形成网络结构，所以当谷朊粉吸水后可形成具有网络结构 的湿面筋，使其具有优良的黏弹性、延伸性、热凝固性、乳化性和薄膜成型性。正是 由于面筋蛋白的存在，面粉加水后即形成面筋网络。 也有根据面粉中面筋含量的不同将面粉分类，并用于制作各种面食的。如高筋粉 ( 国标规定其湿面筋含量不小于3 0 0 ) 可做成面包、面条等；低筋粉( 国标规定其 湿面筋含量小于2 4 0 ) 可做成饼干、蛋糕等垆j 。 谷朊粉的蛋白质含量高，且其氨基酸组成比较齐全，可作为优质的植物蛋白来源。 另外，谷朊粉中的脂肪、糖类含量极微，钙含量和磷含量较高，将谷朊粉添加到食品 中，符合目前人们膳食结构对低糖、低脂、高钙的要求，是一种健康食品【4 j 。 2 1 2 谷朊粉的应用 谷朊粉在食品保鲜方面6 7 1 、改善面粉品质阻1 ”、食品工业、饲料工业【1 7 r - 1 4 】都有很 广泛的应用。 2 2 谷朊粉的加工工艺 起先，谷朊粉作为小麦淀粉生产的副产品，是与纤维等一起卖给农民作饲料用的， 但随着研究的深入及食品行业对添加剂的需求，谷朊粉的价值逐步受到人们的重视， 其商业价值甚至超过了小麦淀粉本身，从而大大带动了小麦淀粉商业化生产的发展， 不断涌现出马丁法、改良马丁法、氨法、巴特法、三相卧螺工艺等许多工业加工方法。 小麦淀粉的工艺技术发展至今，主要加工方法有两大类：一类是水洗工艺，一类是离 心分离工艺i ”j 。 6 新型谷朊粉干燥系统的研究 小麦淀粉生产工艺 艺鬣兰 费斯卡法( f e s c a ) 氨法 离心分离工艺1 卧螺法 呈絮嚣鬈鋈 l 旋流法( k s h 工艺等) 图2 - 1 小麦淀粉生产工艺分类 近年来，在国家相关产业政策的带动下，我国小麦淀粉工业得到长足的发展。特 别是新的技术、新工艺的引进，使小麦深加工有了技术支撑，一些具有较高开发创新 能力，技术先进、规模较大的大中型企业相继投产，小麦副产品得到充分的利用，促 进了行业的快速发展。 目前我国绝大部分小麦谷朊粉的生产工艺仍旧为落后的间歇式、半机械化、敞开 式的传统工艺方法，即间歇式马丁法。 间歇式马丁法生产淀粉、谷朊粉工艺有如下特点：工艺设备投资省、上马快、设 备操作简单、稳定，以面粉为原料，需要和制粉车间配套建厂，制粉工艺、面粉的面 筋含量、灰分、含砂量、淀粉损伤率、蛋白质变性、细菌含量等指标，对生产淀粉、 谷朊粉的产品质量影响很大，面筋洗涤、淀粉沉淀不能连续生产，操作强度大，人为 影响因素多，采用沉淀池占地面积大，沉淀率底，生产周期长，卫生指标较难保证， 水耗大，废水处理困难，干态制粉动耗大，综合生产成本高。 连续式马丁法，特点；工艺连续化、管道化、自动化、实现生产的低消耗、低成 本、高质量、高收率、实现少投资、低风险、高产出、高效益。 具体做法是：在面筋的分离工序，用单轴式自动和面机取代过去的间歇式、手工 操作的双z 叶型面筋机；在淀粉的分级、洗涤工序用蝶片式分离机、卧式螺旋沉降式 分离机取代过去的沉淀池；在淀粉的脱水工序，用卧式全自动刮刀离心机取代过去的 三足式人工上卸料离心机；在纤维分离及干燥工序，仍采用过去的离心筛及气流烘干 设备。 整个工艺可分为5 个部分，即面筋分离部分；纤维分离部分；淀粉分级、精制部 分；谷朊粉和淀粉的烘干部分。下图为年产2 万吨小麦淀粉工艺流程图： 7 河南_ t 业大学硕士论文 图2 - 2 年产2 万吨小麦淀粉工艺流程图 2 3 谷朊粉的干燥工艺分析 2 3 1 谷朊粉的传统干燥工艺 谷朊粉干燥方法采用气流干燥法。气流干燥也称“瞬间干燥”，是固体流态化中稀 相输送在干燥方面的应用。该法使加热介质和待干燥固体颗粒直接接触，并使待干燥 固体颗粒悬浮于流体中，因而两相接触面积较大，强化了传热传质过程，因此水分几 乎全部以表面蒸发形式被干燥，所用干燥时间极短。 谷朊粉气流干燥系统的特点是：干燥管道呈环形，在环形干燥管道的两端设有两 个关键设备，即造粒机和惯性分离器( 俗称蜗壳) 。谷朊粉干燥系统流程见图2 3 。生 产过程如下：湿面筋经脱水造粒( 1 ) 后，制成直径大约l o m m 的小薄片，再借助一 定压力的压缩空气将其喷射到粉碎机( 2 ) 内。这些小薄片一进入粉碎机立即被干燥管 道内的干粉物料所包裹，避免湿面筋间互相粘连，而后被高速旋转的粉碎机的打板所 打碎呈颗粒状并扬升，以大约3 0 r i g s 的速度在干燥管道内运行，在运行过程中颗粒间 互相碰撞并被粉碎。当物料运行到惯性分离器( 3 ) 时，物料被分离成两大部分：一部 新型谷朊粉干燥系统的研究 分是较粗较湿的物料经大蜗壳重新进入环形干燥管道，继续进行干燥和粉碎；另一部 分是较细较干的物料则通过惯性分离器中的小蜗壳进入旋风除尘器( 4 ) 。经过旋风除 尘器后，物料被收集起来，其中一部分物料送到成品筛，筛理出成品；另一部分物料 汇同筛上物一起被送入环形干燥管道内，以保证干燥管道内有足够的干粉。而经脉冲 除尘器过滤后的净化空气则通过高压风机( 5 ) 排向大气。( 7 ) 为过滤器，其作用为过 滤掉空气中的杂质。( 6 ) 为空气加热器，其作用为加热空气，使其达到干燥所需温度。 图2 - 3谷元粉千燥系统流程图 l 一造粒机：2 一粉碎机；3 一惯性分离器( 蜗壳) ；4 一旋风除尘器 5 - 风机；6 - 加热器；7 - 空气过滤器 2 3 2 存在的问题以及改进办法 2 3 2 1 造粒机的改进 活性是谷朊粉的一项重要指标。该系统生产的谷朊粉活性较低的一个主要原因， 是造粒存在问题。 通常，造粒采取的是旋转造粒的方法。因为湿面筋的含水量高且粘性、弹性大， 所以湿面筋不能被制成薄片状，而是制成比较厚的短圆柱状。另一方面这些短圆柱状 的湿面筋被高压空气喷射到粉碎机内时，由于湿面筋又粘又软，粉碎机的打板不可能 9 河南工业大学硕士论文 将其粉碎成非常小的颗粒，而是成较大的团状。而且面筋粒之间有相互粘连的情况。 这就导致面筋团在干燥管中无法充分干燥，这些较大的仍含有较多水分的颗粒又被惯 性分离器分离出来，重新返回到干燥管道内进行干燥和粉碎。这样所生产的谷朊粉就 存在着活性差的缺点。因此，只有将湿面筋制成小颗粒才能在干燥管道内得到瞬时干 燥，而且颗粒越小干燥的速度越快，谷朊粉的活性也就越高1 1 6 ，l ”。 要想保证谷朊粉的活性，造粒是个关键的环节。现可将造粒改为压力造粒。工作 原理为：湿面筋在进入喷嘴之前，先对湿面筋进行充分脱水，彻底去除所含的游离水 分。然后用高压泵通过输送管道将其输送到高压喷嘴内。高压喷嘴的内部结构设计为 “空间”由大逐渐变小，最后的出口为大约l m m 的缝隙。当湿面筋在高压作用下通 过喷嘴时就变成了非常薄的“纸带状”的薄片。这些薄片进入粉碎机后，立即被粉碎 机的打板所打碎形成小的薄片；由于这些小薄片湿面筋非常薄，相对受热面积大，所 以一进入干燥管道内所含的水分便被立即蒸发掉，即得到瞬时干燥。这种喷嘴“造粒” 方法所用的干燥时间极短，因此谷朊粉的活性便高。 2 3 2 2 蜗壳分离器的改进 蜗壳是一个利用旋转气流对颗粒状或粉状物料进行离心分离分级的装置。传统的 蜗壳的结构不合理，物料进入大蜗壳后只作了不到一周的旋转运动，没有形成多周旋 转运动，也就没有形成离心力；这样气流中的尘粒只能靠重力沉降来分离，分离效果 自然差。分离效果差将导致干燥时间过长，由于这些物料不能得到瞬时干燥，所生产 的谷朊粉就存在着活性差的缺点( 活性是谷朊粉质量指标中最主要的一项) 。分离效果 差也会导致生产效率的下降，从而影响产量。因此只有将物料达到理想的分离效果， 才能在干燥管道内得到瞬时干燥，谷朊粉的活性才能提高，生产效率才能提高。要想 达到理想的分离效果，必须对蜗壳的结构重新设计。 2 3 2 3 干燥管的改进 若想增加停留时间，可以采用脉冲气流干燥管，因为脉冲气流干燥管的管径是交 替缩小或扩大的。采用脉冲气流干燥管可以充分发挥加速段具有较高的传热传质的作 用，以强化干燥过程。加入的物料颗粒首先进入管径小的干燥管内，颗粒得到加速， 当其加速运动中止时，干燥管管径突然扩大，颗粒依惯性进入管径大的干燥管。颗粒 在运动过程中，由于受到阻力而不断减速，直至减速终了，干燥管又突然缩小，这样 颗粒又被加速，如此重复交替的使管径缩小和扩大，那么颗粒的运动速度也交替的加 速和减速，空气和颗粒间的相对速度和传热面积均较大，从而强化了传热传质速率。 l o 新型谷朊粉干燥系统的研究 如图2 - 4 ： 图2 4 脉冲气流干燥管( 左) 和直管气流干燥管( 右) 左边的是脉冲气流干燥管，右侧是直管气流干燥管。现对这两种结构进行比较。 对左边的脉冲气流干燥管进行分析：当物料随气流运行到脉冲段，运行速度会减慢， 较大的未得到充分粉碎的物料颗粒会回落到干燥管底部由粉碎机再次粉碎。另外，因 为在脉冲段气流速度有所下降，所以干燥时间就会相对增长，从而能更充分的干燥物 料。而右边的直管气流干燥管没有这些优点，所以采用的脉冲气流干燥管更好。 2 3 2 4 旋风分离器改为袋滤器 ( a ) 旋风分离器的工作原理和特点 旋风分离器是利用器内旋转的含尘气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出 来的一种干式气一固分离装置。如图2 5 所示，它主要由排灰管、圆锥体、圆柱体、 进气管、排气管以及顶盖组成。含尘气体由进气管道进入旋风分离器的圆柱体内，气 流将由直线运动变成圆周运动，并围绕着中央排气管向下旋转，气体中的粉尘受到因 旋转而产生的离心力作用向器壁作径向运动，撞到圆柱体或圆锥体壁上失去动能而沿 壁落下，通过排灰管进入灰斗。气体向下旋转至圆锥底部无法逸出，于是折转向上旋 转，经中央排气管排出去。这一股向上旋转的气流核心往往还由于空气的曳力作用又 带走少量的细粉尘排出器外。 河南工业大学硕士论文 6 图2 5 旋风分离器工作原理 l 一排灰管；2 一圆锥体；3 一圆柱体；4 一进气管：5 一排气管；6 一顶盖 旋风除尘器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的 一种干式气固分离装置。对于捕集、分离5 l o p m 以上的粉尘效率较高，被广泛地应 用。对回收粒径小于5 l o u m 时效率较低。 ( b ) 袋滤器的结构与操作原理 1 8 , 1 9 l 袋滤器是将含尘气体通过滤袋滤去其中粉尘粒子的一种高效分离捕集装置。在干 燥系统中常作为产品回收装置安装在干燥系统之后。 袋滤器主要由许多个长约2 3 5 m ，直径2 0 0 3 0 0 m m 的滤袋垂直地安装在方形 或圆筒形的壳体内。袋滤器有内滤式和外滤式两种，对内滤式而言，含尘气体由滤袋 内向滤袋外流动，粉料被分离在滤袋内，而外滤式则含尘气体由滤袋外向滤袋内流动， 粉料被分离在滤袋外，但由于含尘气体由滤袋外向滤袋内流动，因此滤袋内必须设置 骨架，以防止滤袋被抽瘪。袋滤器的进口布置有上进气和下进气两种方式，如图2 - 8 所示。上进气式袋滤器中的含尘气体与被分离的粉尘下落方向一致，下进气式则相反。 现在工业中用得较多的式下进气式，它具有气流稳定，滤袋安装调节容易等特点。但 气流方向与粉尘下落方向相反，清灰后会使细粉重新积附在滤袋上，清灰效果较差。 上进气式可以避免上述缺点，但由于增设了上花板和上进气分配室，使设备高度增加， 滤袋安装调节比较复杂。 1 2 新型谷朊粉干燥系统的研究 外滤式内滤式 图2 6 袋滤器的结构形式 一般说来，袋滤器可以收集l g m 以上的颗粒，其回收效率主要取决于回收产品的 类型、粉尘在气体中的浓度、滤袋的材质以及清洗的方式。图2 - 7 所示为标准袋滤器 的收集效率( 回收率) 曲线。对于粒径为5 9 m 以上的产品，其收集效率大于9 9 ， 对于粒径为i 2 1 t m 的产品，收集效率可保证9 7 9 9 。 芒 将 辏 瓣 擎 图2 - 7 标准袋滤器的收集效率曲线 旋风分离器改为袋滤器后，可以明显提高对5 t t m 以下粉尘收集效率。从而使产品 产量提升。 河南工业大学硕士论文 第三章谷朊粉干燥系统中干燥管的研究 3 1 气流干燥 3 1 1 气流干燥概述 气流干燥也称“瞬时干燥”，是固体流态化中稀相输送在于燥方面的应用。该法是 使加热介质( 空气、惰性气体、燃气或其他热气体) 和待干燥固体颗粒直接接触，并 使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，因而两相接触面积大，强化了传热传质过程，广泛 应用于物料的干燥单元操作。气流干燥流程图如图3 1 所示。 图3 。1 气流干燥基本流程图 1 一抽风机；2 一袋式除尘器：3 一排气管；4 一旋风除尘器；5 一干燥管 6 - 螺旋加料器；7 一加热器；8 一鼓风机 3 1 2 气流干燥的特点 ( 1 ) 气固两相间传热传质的表面积大。固体颗粒在气流中高度分散呈悬浮状态， 这样，使气固两相之间的传热传质表面积大大增加。由于采用较高的气速( 2 0 4 0 m s ) ， 使得气固两相间的相对速度也较高，不仅使气固两相具有较大的传热面积，而且体积 传热系数h a 相当高。普通直管气流干燥器的l l a 为2 3 0 0 7 0 0 0 w ( m 3 k ) ，为一般回转干 燥器的2 0 3 0 倍。 ( 2 ) 热效率高、干燥时间短、处理量大。气流干燥采用气固两相并流操作，这 样可以使用高温的热介质进行干燥，且物料的湿含量愈大，干燥介质的温度可以愈高。 1 4 新型谷朊粉干燥系统的研究 气流干燥管一般为l o 2 0 m ，管内气流速度为2 0 4 0 m s ，因此湿物料的干燥时间仅 为0 5 2 s ，所以物料的干燥时间很短。 ( 3 ) 气流干燥器结构简单、紧凑、体积小、生产能力大。气流干燥器的体积可 以下式计算 v = q m ，t 。 ( 3 1 ) 式中，v 为干燥管的体积，m 3 ；q 为热流量，k j h ；h v 为单位干燥器体积传热系数， k w ( m 3 k ) ；k 为进出口气固相的温差，。 由于气固两相并流，有些物料的气流干燥进口处气固相的温差可达4 0 0 5 0 0 ， 故t m 值很大，同时气流干燥的体积传热系数h v 值也很大，于是在所需求的热量q 值 为某一定值时，气流干燥管体积必定很小。换句话说，体积很小的气流干燥器可以处 理很大量的湿物料。 气流干燥器结构简单，在整个气流干燥系统中，除通风机和加料器外，别无其他 转动部件，设备投资费用较少。 ( 4 ) 操作方便。在气流干燥系统中，把干燥、粉碎、筛分、输送等单元过程联 合操作，流程简化并易于自动控制。 ( 5 ) 气流干燥的特点。气流干燥系统的流动阻力降较大，一般为3 0 0 0 4 0 0 0 p a ， 必须选用高压或中压通风机，动力消耗较大。气流干燥所使用的气速高，流量大，经 常需要选用尺寸大的旋风分离器和袋式除尘器。 气流干燥对于干燥载荷很敏感，固体物料输送量过大时，气流输送就不能正常操 作。 3 2 气流干燥器形式和结构特点 3 2 1 气流干燥装置的种类 气流干燥装置可分直接进料的、带有分散器的和带有粉碎机的。另外，还可分为 有返料、热风循环以及并流或环流操作的气流干燥装置。 3 2 1 1 直接进料的气流干燥装置 它是目前应用最广泛的一种，适用于湿物料分散性良好和只除去表面水分的场合， 如干燥合成树脂、某些药品、有机化学产品、煤、淀粉和面粉等。若湿物料含水量较 高，加料时容易结团，可以将一部分已干燥的成品作为返料，在混合加料器中和湿物 河南工业大学硕士论文 料混合，以利干燥操作。 3 。2 1 2 带有分散器的气流干燥装置 带有分散器的气流干燥装置的流程如图3 2 。其特点是干燥管下面装有一台鼠笼 式分散器打散物料。它适合于含水量较低、松散性尚好的块状物料，如离心机、过滤 机的滤饼，以及磷石膏、碳酸钙、氟硅酸钠、黏土、咖啡渣、污泥渣、玉米渣等。如 含水量较多，可用返料法改善操作。 6 7 8 图3 - 2 带有分散器的气流干燥装置 1 一燃烧室；2 一混合机；3 - - 干料分配器；4 加料器；5 一旋风除尘器 6 一排风机；7 一干燥管；8 - - 鼠笼式分散器 3 2 1 3 带有粉碎机的气流干燥装置 带有粉碎机的气流干燥装置流程如图3 3 。其特点是在气流干燥管下面装有一台 冲击式锤磨机，用以粉碎湿物料，减少粒径，增加物料表面积，强化干燥。 1 6 新型谷朊粉干燥系统的研究 图3 - 3 带有粉碎机的气流干燥装置 1 - - 燃烧室；2 - - 混和器；3 一干燥分配器；4 一加料器；5 一旋风除尘器 6 一排风机；7 - - 干燥管；8 一冲击式锤磨机 因此，大量的水分在粉碎过程中得到蒸发，在一般情况下，可完成气化水分量的 8 0 。这样，便于采用较高的进气温度，以获得大的生产能力和高的传热效率。对许 多热敏性物料，其进气温度仍可高于熔点、软化点和分界点。 5 6 7 图3 - 4 带有雷蒙粉碎机的气流干燥装置 l 一循环气体鼓风机；2 一细粉收集器；3 一排风机：4 一干燥管 5 一旋风除尘器；6 一加料器；7 一雷蒙粉碎机 1 7 河南 业大学硕士论文 图3 - 4 为应用于磨粉工业中的带有雷蒙粉碎机的环流操作的气流干燥装置。以上 3 种气流干燥装置的特性如表3 - 1 。 表3 - 13 种气流干燥装置的特性表 王燥物料 煤( 6 3 5 r a m )污泥( 滤饼) 黏土 项目、 干燥装置型式 直接进料 带分散器带粉碎机 干燥器蒸发水量，k g h 1 3 4 0 01 5 9 0 9 3 0 进口水分( 湿基) 9 8 02 7 出口水分 1 0 进口气体温度 6 5 0 7 0 05 2 0 出口气体温度。c 8 0 1 2 07 4 空气用量m 3 m i n 。1 3 2 0 0 07 6 0 05 0 0 0 生产量虹h 1 5 1 4 0 04 5 03 0 7 0 物料：空气，( 质量) 1 0o 0 4 40 3 4 进口物料温度 1 61 61 6 出口物料温度 5 77 14 9 燃料种类 煤 发生炉气重油 燃料消耗k j k g - 1 蒸发水 3 7 1 44 0 0 04 0 8 5 动力消耗k w h k g - 1 蒸发水 0 0 2 20 0 2 6 4o 0 8 1 4 3 2 2 直管气流干燥器 直管气流干燥器是应用最为广泛的一种气流干燥器。它的最大优点是结构简单、 容易制造。直管气流干燥器的管径通常为0 3 0 5 m ，管长一般为l o 2 0 m ，有的长 3 0 m 以上。国外已有管径1 5 m i 拘气流干燥器，最大处理量可达8 0 t h ，蒸发量为8 t h 2 1 捌。 图3 5 直管气流干燥器流程示意图 l 一鼓风机；2 一翅片加热器；3 一螺旋加料器；4 一千燥管；5 一旋风除尘器 6 一贮料斗；7 一螺旋出料器；8 - 袋式除尘器 新型谷朊粉干燥系统的研究 例如含水约为1 5 的物料经螺旋加料器加入直径为3 5 0 m m 、长为1 3 m 的铝制干 燥管( 干燥管控制温度为8 5 1 2 ) 。空气由鼓风机( 风量为6 0 0 m 3 s ，风压为3 5 3 0 p a ， 配套动力为1 4 k w ) ，鼓入翅片加热器( 加热器的蒸汽压力为0 2 o 3 m p a ，加热面积 为8 7 8 m 2 ) ，空气温度加热到9 0 1 1 0 后进入干燥管与湿物料相遇，湿物料在被干燥 的同时，被熟空气输送到两个并联的直径为6 0 0 m m 、高度为2 7 5 0 m m 的旋风除尘器和 过滤面积为4 2 m 2 的袋式除尘器，干物料经直径为1 5 0 m m 螺旋输送器送出，其含水量 为0 6 ，产量为2 5 0 3 0 0 k g h 。尾气经袋式除尘器排空，出口气温为5 5 6 6 ，见 图3 5 。 3 2 3 脉冲气流干燥器 脉冲式气流干燥器的特征是气流干燥管的管径交替缩小和扩大。目前脉冲气流干 燥器的形式有两种，一种是由小管径至大管径的过渡角较大；另一种是过渡角较小。 采用脉冲气流干燥管可以充分发挥加速段具有较高的传热传质作用田】，以强化干燥过 程。加入的物料颗粒首先进入管径小的干燥管内，颗粒得到加速，当其加速运动终了 时，干燥管径突然扩大，颗粒依靠惯性进入管径大的干燥管。颗粒在运动过程中，由 于受到阻力而不断减速，直至减速终了，干燥管又突然缩小，这样颗粒又被加速，如 此重复交替地使管径缩小和扩大，那么颗粒的运动速度也交替地加速和减速，空气和 颗粒间的相对速度和传热面积均较大，从而强化了传热传质的速率。同时，在大管径 的气流速度有所下降也相应增加了干燥时间。流程图如图3 - 6 所示。 9 图3 - 6 脉冲气流干燥器流程示意图 1 一鼓风机：2 一蒸汽加热器；3 一电加热器；4 一加料器；5 一脉冲管 6 - 布袋；7 - 料斗；8 一旋风除尘器；9 一袋式除尘器 1 9 河南工业大学硕士论文 3 2 4 环形干燥器 环形干燥器最初开发于本世纪4 0 年代，它可以提高气流干燥器的效率并具有控制 产品干度的良好性能。环形干燥器具有控制产品干度的良好性能【2 4 j 。环形干燥器具有 一个内部离心分离器( 称为分流管) ，见图3 7 ，该分流管的内部挡板是可调节的，能 够有选择地确定物料的停留时间，可以便最轻和最细的物料只通过一次就成为产品被 风送至产品收集器，防止物料过度干燥。而较粗较重的颗粒物料则需继续在气流管路 系统中进行两次或三次循环，直到成为合格产品为止。因此，环形干燥器既能从容地 干燥过敏物料，又能均匀干燥颗粒尺寸分布十分广泛的物料。环形干燥器经常配备分 散器。安装一台固定式冲击式破碎机，可以保证湿物料分散为均匀的干燥细粉而排出 干燥器。分散器和分流管两者的结合就相当于一个无筛粉碎系统，把甚至较粘的物料 分散为粒度均匀的颗粒状产品。分散器生产能力的范围相当宽，其载荷可以小至简单 的小型分散器，大至驱动功率为9 0 0 k w 的重型粉碎机。环形干燥器系统还有一个优点， 就是循环物料流量可以调节，使物料混合均匀。 环形气流干燥器也可以设计成闭路循环式。图3 7 所示为闭路循环直热式环形干 燥器。干燥尾气返回干燥器加热炉，稀释后从新加热再用于加热系统。尾气量的6 0 图3 7 闭路循环直热式环形干燥器 7 0 进行再循环，可以回收很大一部分热量。其余作为废气排掉。对于闭路循环式环 形干燥器，干燥器前后温差可以很大，而没有什么危险，因为这时循环气的含氧量约 为5 ，可以认为是惰性气体。另外在环形干燥器管路系统中气体循环量大，而排入 大气的废气较少，并减轻了臭味的散播，从而减少了对环境大气的污染。 2 0 新型谷朊粉干燥系统的研究 闭路循环式环形干燥器也可以采取间接加热方式，但需配备冷凝器，以便除去每 个循环路途中的溶剂蒸气。在间接加热闭路循环中管路的溶剂蒸气全部循环。而多余 的溶剂蒸气经冷凝器冷凝析出，析出的冷凝液可以除去，也可以回收，或者常规的除 去湿分。干燥介质通常为氮气和将要除去溶剂的混合物。 加料机构是环形干燥器的重要组成部分。由于物料在干燥器中滞留时间短，需要 快速而均匀地分散到干燥气流中。因此，典型的加料机构应由混合器和分散器( 或粉 碎机) 组成。混合器把湿物料调合成适于