干燥器毕业设计说明书

本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 论文 设计 题目 论文 设计 题目 蒸发水量蒸发水量 500ml h500ml h 微型喷雾干燥器及其自动控制系统设计微型喷雾干燥器及其自动控制系统设计 学学 院 院 化学与化工学院 专专 业 业 过程装备与控制工程 班班 级 级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 年 月 日 贵州大学本科毕业论文 设计 诚信责任书 本人郑重声明 本人所呈交的毕业论文 设计 是在导师的指导下 独立进行研究所完成 毕业论文 设计 中凡引用他人已经发表或未发表 的成果 数据 观点等 均已明确注明出处 特此声明 论文 设计 作者签名 日期 年 月 日 贵州大学本科毕业论文 设计 第 I 页 目录 目录目录 I I 摘要摘要 1 1 SummarySummary 2 2 第一章第一章 前言前言 3 3 1 1 喷雾干燥概述 3 1 1 1 喷雾干燥的定义 3 1 1 2 喷雾干燥系统的组成及工艺流程 3 1 1 3 喷雾干燥的优点 4 1 2 喷雾干燥技术的发展现状和进展 4 1 2 1 我国喷雾干燥技术的现状 4 1 2 2 我国喷雾干燥技术的进展 5 1 2 3 国外喷雾干燥的现状 5 1 2 4 国外喷雾干燥技术的进展 6 1 3 喷雾干燥技术的发展趋势 7 1 4 现阶段喷雾干燥器中还存在的问题及解决方法 8 1 4 1 粘壁问题 8 1 4 2 喷雾干燥器的节能降耗 8 第第 2 2 章章 本论本论 1010 2 1 喷雾干燥器本体设计方案 10 2 1 1 雾化器 10 2 1 2 雾滴 空气的流向 10 2 1 3 喷雾干燥器流程的布置 10 2 1 4 干燥介质的选择 10 2 2 喷雾干燥器附属设备的设计方案 11 2 2 1 加热器的选择 11 2 2 2 细粉回收设备的选择 11 2 2 3 风机的选择及布置 12 2 2 4 进料泵的选择 13 贵州大学本科毕业论文 设计 第 II 页 2 2 5 钢架的选择 13 2 3 控制系统设计方案 14 2 3 1 自动控制系统的概述 14 2 3 2 控制系统的选择 15 2 3 3 计算机控制系统的控制类型选择 16 2 3 4 直接数字控制系统的 PID 算法选择 17 2 3 5 控制方案的选择 18 2 3 6 控制器的选择 19 2 4 主体设备的设计 20 2 4 1 设计要求 20 2 4 2 设计参数的确定 20 2 4 3 物料的物理性质 20 2 4 4 物料衡算 20 2 4 5 热量衡算 21 2 4 6 喷嘴主要尺寸的确定 27 2 4 7 燥塔的直径和高度计算 29 2 4 8 主要接管尺寸的计算 31 2 4 9 气在塔中运动参数的计算 33 2 5 附属设备结构设计 35 2 5 1 旋风分离器的设计计算 35 2 5 2 空气过滤器的计算 36 2 5 3 袋式除尘器的设计计算 37 2 5 4 空气加热器的选型 39 2 5 5 风机的选用 39 2 5 6 泵的选用 40 2 6 干燥室外壳设计 41 2 6 1 干燥室外壳材料选择 41 2 6 2 筒体厚度的计算 41 2 6 3 锥壳厚度的计算 42 2 6 4 封头的选择 44 贵州大学本科毕业论文 设计 第 III 页 2 7 保温层的设计 45 2 8 刚架的设计 46 2 8 1 钢架材料的选择 46 2 8 2 刚架的结构计算 47 第三章第三章 控控制制系统的设计系统的设计 5151 3 1 控制系统硬件设计 51 3 1 1 主要硬件的选型 51 3 1 2 控制系统接线 54 3 1 3 控制系统所需硬件材料 54 3 1 4 硬件的安装 55 3 2 软件的设计 56 3 2 1 软件界面设计 56 3 2 2 软件代码的编写 57 参考文献参考文献 6969 总结总结 7171 致谢致谢 7272 附录附录 7373 贵州大学本科毕业论文 设计 第 1 页 蒸发水量 500ml h 微型喷雾干燥器及其自动控制系统设计 摘要 在产品的生产中 干燥是重要的工艺环节 正确地设计和进行干燥操作是保持和 改善产品质量的重要手段之一 而在诸多的干燥方法中 喷雾干燥相对来说稳定性较 高 适用范围广 且干燥时间短 所以在生产生活中应用越来越广 喷雾干燥是将原料用雾化器分散成雾滴 并用热空气 或其它气体 与雾滴直接 接触的方式而获得粉状产品的一种工艺过程 本课题主要设计的是蒸发量为 500ml h 的微型喷雾干燥器及其自动控制系统 设计的具体内容主要包括 喷雾干燥器主体设 备的设计计算 附属设备的设计计算与选型 控制系统的硬件设计与选型 控制系统 的软件设计 关键词 喷雾干燥 自动控制 PCI 1710 VB 控制编程 贵州大学本科毕业论文 设计 第 2 页 The evaporation water volume 500ml h miniature spray drier and the automatic control system design abstract in the product production dry is the important craft link designs and carries on the dry operation is correctly the maintenance and one of improvement product quality important methods But in many dry methods the spray drying stability is on the other hand high the applicable scope is broad also the drying time is short therefore applies in the production life more and more broadly Spray drying is disperses raw material with the atomizer the droplet and or other gas obtains the powdery product with the hot air with the droplet direct contact way one technological process This topic main design is the transpiration rate is the 500ml h miniature spray drier and the automatic control system the design concrete content mainly includes Spray drier main body equipment design calculation appurtenance design calculation and shaping control system hardware design and shaping control system software design Key word Spray drying automatic control PCI 1710 VB control programming 贵州大学本科毕业论文 设计 第 3 页 第一章 前言 干燥过程是借助热能使物料中水分 或溶剂 气化 并由气体带走所生成的蒸气的 过程 干燥过程在国民经济中具有重要的意义 工农业各个部门都有广泛的应用 如 粮食 药品 食品 饲料 燃料 肥料 矿物 陶瓷制品 织物及化工产品的干燥等 在产品的生产中 干燥都是重要的工艺环节 正确地设计和进行干燥操作是保持和改 善产品质量的重要手段之一 25 干燥的方式是多种多样的 工业上常用的干燥方式主要有 气流干燥 流态化干 燥 喷雾干燥 搅拌式干燥 转筒干燥 组合干燥等 25 它们各有优势 但同时也都 存在一些缺憾 因为此次设计的是喷雾干燥器 所以在以下的叙述中将主要针对喷雾 干燥技术及其装置 1 1 喷雾干燥概述 1 1 11 1 1 喷雾干燥的定义喷雾干燥的定义 喷雾干燥是将原料液用雾化器分散成雾滴 并用热空气 或其它气体 与雾滴直接 接触的方式获得粉粒状产品的一种干燥过程 原料液可以是溶液 乳浊液或悬浮液 也可以是熔融液或膏状物 干燥产品可根据需要 制成粉状 颗粒状 空心球或团粒 状 23 贵州大学本科毕业论文 设计 第 4 页 1 1 21 1 2 喷雾干燥系统的组成及工艺流程喷雾干燥系统的组成及工艺流程 喷雾干燥系统的组成如图 1 1 所 示 它主要由空气过滤器 鼓风机 加热器 干燥室 泵 喷嘴 旋风分 离器 引风机等组成 干燥的流程大 致是 空气经空气过滤器 5 由鼓 风机 4 通过加热器 3 再经热风 分布室 2 送入干燥室 8 另外料 液由泵 9 送入雾化器 1 进行雾 化后进入干燥室 8 热空气和雾滴 在干燥室内接触而干燥 较重的颗粒 产品从干燥室底部排出 较轻的产品 同废气一起进入旋风分离器 7 后 分离 图 1 1 喷雾干燥系统组成图 1 雾化器 2 热风分布室 3 加热器 4 鼓风机 5 空气过滤器 6 引风机 7 旋风分离器 8 干燥室 9 泵 10 料液储槽 喷雾干燥过程主要分为四个阶段 1 料液雾化 2 雾群与热干燥介质接触混合 3 雾滴的蒸发干燥 4 干燥产品与干燥介质分离 23 1 1 31 1 3 喷雾干燥的优点喷雾干燥的优点 喷雾干燥的优点 1 只要干燥条件保持恒定 干燥产品特性就保持恒定 2 喷雾干燥的操作是连续的 其系统可以是全自动控制操作 3 喷雾干燥系统适用于热敏性和非热敏性物料的干燥 也适用于水溶液和有机 溶剂物料的干燥 4 原料液可以是溶液 泥浆 乳浊液 糊状物或融熔物 甚至是滤饼等均可处 理 5 喷雾干燥操作具有非常大的灵活性 喷雾能力从每小时几千克至 200 吨不等 喷雾干燥的缺点 1 投资费用比较高 2 喷雾干燥属于对流型干燥器 热效率比较低 除非利用非常高的干燥温度 贵州大学本科毕业论文 设计 第 5 页 一般为 30 40 23 1 2 喷雾干燥技术的发展现状和进展 1 2 1 我国喷雾干燥技术的现状 我国喷雾干燥技术起步较晚 装备比较简单 单机处理能力小 要提高产品质量存 在相当大的困难 主要存在的问题如下 1 进风温度较低 由于建厂的规模普遍较小 中小型锅炉的工作压力偏低 干燥 塔设备结构存在问题 再加之观念上的一些问题 怕进风温度高影响产品量 进风温度 较低使干燥塔的体积较大 消耗较多的材料 2 材质差 以往制造热风箱和进风系统很多是用碳钢制造 尤其是停产时间较长 或加热器漏气时 碳钢表面锈蚀 无法进行处理 势必对产品质量有一定影响 3 设计缺陷 加热器没有热回收系统 进风变头设计不合理 前片热交换激烈 散 热片使用寿命短 4 加工精度低 干燥塔内壁表面过于粗糙 内壁挂粉比较严重 没有一个较好的 振打装置 使粉在塔内停留的时间较长 对粉的质量造成影响 5 排风过滤系统 大多数的干燥塔用布袋式内滤捕粉 这种捕粉方式相对效率较 高一点 但粉在布袋内停留的时间长 这部分颗粒较细 抖粉时回到塔内势必影响冲调性 单 独收集回溶造成能源浪费 且由于多次受热 使蛋白质变性 影响产品质量 6 观念误区 单喷头影响了物料与热风充分的热交换 以前认为只有单喷头 大 板眼才能生产大颗粒粉 只有大颗粒粉才能速溶 经过学习国外的先进经验 结合我们 几年来的实践 如果能生产出带有附具颗粒的无细粉产品 会对奶粉的感官和冲调性有 较大的改善 7 自动化程度低 大多数乳品厂采用的都是手动控制 控制精度较低 工人的劳 动强度大 4 1 2 2 我国喷雾干燥技术的进展 1 喷雾干燥能耗较低 且不会引起多孔层塌陷 但有热破坏 为此常温喷雾干 燥将使生化制品的加工产生一个质的飞跃 2 喷雾干燥能耗较大 这也是今后的研究重点 黄立新等曾对喷雾干燥进行经 济分析 认为在不破坏产品质量的基础上尽量提高进口温度 降低出口温度 提高料 液浓度 是降低生产成本的途径 唐金鑫 王宗濂等提出了三级干燥的节能模式 贵州大学本科毕业论文 设计 第 6 页 3 喷雾干燥不仅可以和流态化干燥结合 还可以和冷冻干燥 微波干燥等其他 干燥形式结合 使其适应面更广 为适应市场需要 还可以把关键的雾化技术应用到 喷雾冷却造形 喷雾反应和吸收 喷雾热分解 喷雾涂层造粒等方面 黄立新 王宗 濂等成功地进行了多种物料的喷雾冷却成形的工业开发 归纳总结喷雾冷却成形在工 业上应用的经验 4 甘宽先 王宗濂等又把旋转喷雾技术应用到火电厂烟气脱硫上 将煤燃烧后 产生的SO2 SO3 气体用熟石灰浆雾滴进行吸收 反应 达到脱硫目的 目前运行的 工业装置脱硫率达到85 在喷雾热分解方面 已有学者用于纳米材料的制备上 5 王喜忠等研究了喷雾造粒干燥技术 探讨了粒化机理和某些操作参数对喷雾 流化造粒的影响 国内广州氮肥厂成功地把喷雾涂层技术用于尿素的表面涂层 使尿 素肥效具有缓释作用 8 1 2 3 国外喷雾干燥的现状 国外的喷雾干燥技术起步较早 所以比较成熟 其喷雾干燥器有如下特点 1 所有的进风系统都采用双级过滤 使进入设备内的热风或冷风所夹带的灰尘更 少 设置一间单独风机室 进入室内的空气经过处理 2 进料系统采用双浓奶罐替换使用 3 采用热风箱及浓奶高压管和细粉回收管风冷系统 4 空气加热器带冷凝水回收 进风温度在180 左右 5 采用四喷头 喷头的角度可以360 调整 中间的细粉附聚管喷出的细粉可以 较好地与喷头喷出的浓奶附聚 6 采用上进风 上排风 塔体直段只有212 m 7 锥体部角度较小 并设有气动震壁系统 锥体内表面挂粉较少 含水量较高的 粉容易进入锥底固定床 8 锥底设有固定式流化床 可使固定流化床内的粉与刚喷下来的含水量较高的 粉进行附聚和二次干燥 9 振动式流化床接受固定流化床下来的粉 可喷涂卵磷脂流化床分三段进风系 统 第一 第二段进热风进行三次干燥 第三段进入冷风使粉冷却 进入筛粉机筛选包 装 10 采用两级串联旋风分离器 既保证了捕粉效率 又省去了袋滤的麻烦 贵州大学本科毕业论文 设计 第 7 页 11 细粉回收系统是将旋风分离器分离出的细粉 经过一套装置用高压风机根 据产品品种的要求 输送到塔顶 塔内或流化床 9 1 2 4 国外喷雾干燥技术的进展 1 丹麦 英国 日本 美国及奥地利等国都开发了改进型的喷雾干燥器 它由 3 个部分组成 即气体分配器 雾化器及干燥室 气体分配器由一系列倾斜的相互重叠 的叶片组成 相邻叶片间的距离是可调的 叶片围绕一个共同中心径向排列 但分成几个 区域 冷空气进入最外区 而最内区进入热空气 雾化器以10 000 r min 1的转速把物料 雾化成微小雾滴 并成高度分散状态 气体以50 m s 1的速度通过干燥区 由于气体 速度远大于普通喷雾干燥器 因此生产能力为普通的510倍 10 2 河村清美等 用激光衰减回析CT法 通过测定喷雾断面粒度分布 得到塔内 雾滴运动和气流流动图形 发现开始细的雾滴在塔中心附近 粗的雾滴在边缘 随后 逐渐分布均匀 3 Keey研究了旋转式雾化器的气泵行为 发现在雾化器附近产生气流流动 空 气吸入量达到主气流的7 17 4 佐野雄二对并流塔内的气流流动和停留时间分布进行了研究 有关塔内气流 和颗粒的流动形式对干燥塔塔径和塔高的影响也有文献发表 5 干燥塔内温度和湿度的测定是定量研究蒸发过程的关键 King等 使用特别 设计的探针和超小型热电偶测定了塔内干球和湿球温度 得到塔了内温度和湿度分布 图 13 1 3 喷雾干燥技术的发展趋势 喷雾干燥技术应用广泛 其优势明显 但其理论仍然落后于实践 突出表现在干 燥理论的实践指导性差 干燥动力学 非球形颗粒的干燥模拟 喷雾干燥等领域有待 进行更深入的研究 今后喷雾干燥器的发展趋势 1 采用组合干燥 当喷雾干燥本身不能完成干燥任务时 首先要想到组合干燥 如喷雾干燥加流化床 干燥及冷却 喷雾干燥加带式干燥等 2 雾化器的改进 当某种物料雾化很困难时 可改进原有雾化器的结构 以适 应新物料的雾化要求 例如 对旋转雾化器已做了多种改进 能够雾化粘性大的物料 及喷雾造粒等 贵州大学本科毕业论文 设计 第 8 页 3 静电雾化技术的研究与开发 此项技术正处于研究与开发阶段 它可以制造 出微米及亚微米级粒子 制造机能性粒子 制造薄膜和喷涂等 预测其将来有广阔的 发展前景 4 开发和完善在线测量系统 使系统操作自动化 确保产品的质量和产量 5 开发过热蒸汽的喷雾干燥系统 这是一个闭路循环系统 可以节省能量 省 去氮气循环的操作 6 利用计算流体力学 CFD 的方法 解决喷雾干燥器的设计问题 将来可以利 用一些可靠的实验数据 包括流动图形 利用CFD 的方法 比较准确地算出干燥器尺 寸及热风分布方式 代替目前的半理论 半经验的方法 目前的方法误差太大 7 开发专用喷雾干燥机 以适应特殊物料的需要 如软化点低的中药 番茄粉 特殊食品等 专用干燥机应达到这样的水平 不用做实验 按物料性质直接选型购 置 8 控制环境污染 在设计时就必须考虑到系统的噪声 粉尘 排放的气体 湿 法除尘的液体等对环境不构成污染 12 1 4 现阶段喷雾干燥器中还存在的问题及解决方法 1 4 1 粘壁问题 1 粘壁的概念 5 在喷雾干燥操作中 被干燥的物料黏附在干燥塔的内壁上 一般称之为粘壁现象 粘壁后的物料由于长时间停留在热的内壁上 有可能被烧焦或变质 影响产品质量 2 物料粘壁的类型 物料粘壁可粗略地分为三种类型 1 半湿物料粘壁 2 低熔点物料的热熔性粘壁 3 干粉表面附着 或称表面附灰 通常容易发生的是半湿物料粘壁 3 产生粘壁现象的原因 7 立式压力喷雾干燥塔在国内奶粉生产中应用最为普遍 但喷雾干燥塔壁挂粉严重 其原因主要来自塔体锥角过大 塔内分风不均 塔壁震动器少 排风结构设计不合理 等 上述问题一经出现 就有可能造成塔壁挂粉严重 清理困难 甚至出现焦粉 影响到 贵州大学本科毕业论文 设计 第 9 页 产品的质量 4 清除粘壁的方法 1 振动法 间歇手动 间歇或连续电动 气动 2 空气吹扫法 3 转动刮刀连续清除法 4 转动链条连续清除法 5 针对粘壁部位 特别设置电动或气动刷子间歇清除法 1 4 21 4 2 喷雾干燥器的节能降耗喷雾干燥器的节能降耗 1 喷雾干燥器节能降耗的重要意义 干燥是一种应用十分广泛的重要单元操作 干燥技术与干燥设备的先进与否将直接影响 企业的经济效益及产品的竞争力 近年来 国内干燥技术与干燥设备的发展速度相当惊 人 但对干燥操作中的能量消耗却不甚重视 干燥过程的能耗较大 在国民经济中占有 很大比重 有关资料介绍 在工业发达国家 干燥操作消耗的能量约占全国总能量消耗的 13 20 即使是我国 近期统计表明 干燥操作所消耗的能量约占总能耗的10 能 量消耗是直接关系到操作的经济性的一个重要指标 所以 操作过程中尽可能地降低能 耗有着重要意义 11 2 喷雾干燥器节能降耗的措施 喷雾干燥器节能降耗的措施总结起来主要有以下几方面 首先是喷雾干燥塔本身性 能结构等方面的调整 另外是干燥物质本身的性质控制 燃料问题 干燥介质性质等方面 的因素 干燥介质的控制 1 提高热风的进塔温度 2 降低热风的出塔温度 3 出塔热风 废气 的循环利用 喷雾干燥器自身因素 1 挑选合适的喷雾干燥塔 2 整体密闭型控制 3 热风炉的控制 4 线形燃烧器的使用 贵州大学本科毕业论文 设计 第 10 页 料浆的质量控制 1 降低料浆的含水率 其它方法 喷雾干燥塔的节能除上述措施外 还可以在能源上寻找解决途径 如开发利用新能 源 合理控制燃烧过程等 当然 很多问题还需在实际生产中发现和解决 6 第 2 章 本论 2 1 喷雾干燥器本体设计方案 2 1 1 雾化器 喷雾干燥器的核心部件就是雾化器 雾化器的好坏直接影响到干燥产品的优劣 工业常用的雾化方式有三种 离心式雾化 旋转式雾化 气流式雾化 压力式雾化 雾化形式的选择取决于料液的性质和最终产品所要求的特性 其中压力式雾化器的原理是高压料液以很高的速度由喷嘴喷出而分散成雾滴来进 行雾化 虽然它有操作弹性小 供液量和液滴直径随操作压力变化大 产品粒度不均 匀 喷嘴容易被腐蚀 磨损等缺陷 但它具有以下优点 结构简单 价格便宜 维修 更换方便 适用于并流或逆流操作 同样适用于塔式或卧室设备 改变喷嘴的内部结 构 可以获得不同的雾化效果 所以 在该设计中 选用压力式雾化器 23 2 1 2 雾滴 空气的流向 在喷雾干燥中 雾滴 空气的流向有并流 逆流及混流 雾滴 空气的流向不同 对干燥塔内的温度 雾滴 或颗粒 的运动轨迹 颗粒在干燥塔内的停留时间及性质 等均有很大的影响 由于设计的干燥器是用于干燥牛奶 它属于热敏性物料 所以选 用向下并流 即喷嘴安装在喷雾干燥塔的顶部 空气从顶部进入 这样热风入口温度 可以高于产品的允许温度 因为高温气流与液体接触的瞬间 液滴将保持湿球温度 贵州大学本科毕业论文 设计 第 11 页 23 2 1 3 喷雾干燥器流程的布置 喷雾干燥系统的流程可分为 开放式喷雾干燥系统 开放式的具有部分废气再循 环的喷雾干燥系统 闭路循环喷雾干燥系统 半闭路循环喷雾干燥系统 自惰喷雾干 燥系统 无菌喷雾干燥系统等 本设计中选用开放式喷雾干燥系统 即系统中的干燥介质只使用一次就排入大气 不在循环使用 虽然在这种条件下 喷雾干燥器需要消耗的能量更多 但这种流程所 需设备结构简单 适用性强 尤其是在该设计中 由于料液含水率较高 所以废气的 湿含量可能较高 这样不利于干燥介质的重复使用 并且该系统排出的废气无毒无臭 排出后不致影响环境 23 2 1 4 干燥介质的选择 喷雾干燥所用的干燥介质最为普遍的是热空气 但对于挥发分为有机溶剂的物料 或易被氧化而又不允许被氧化的物料 应采用惰性气 氮气 碳酸气和有机气体 作 为干燥介质 并以闭路循环方式进行干燥 这样可以防止物料的爆炸和氧化的发生 由于该干燥器所干燥的物料为牛奶 不存在上述问题 所以选用获取方便 而且 成本低廉的热空气作为干燥介质 23 2 2 喷雾干燥器附属设备的设计方案 2 2 1 加热器的选择 加热干燥介质的加热器主要有 蒸汽加热器 间接燃油或燃气加热器 直接 燃油或燃气加热器 直接或间接燃煤加热器 电加热器 直接式加热器一般用于被干燥物料不怕污染的场合 而间接式加热器则主要用于对 干燥产品的品质要求较高 不能与燃烧气体直接接触的场合 该设计选择的是电加热器 虽然相对来说电加热操作费用较高 但电加热器结构简 单 制作成本低 使用方便 无环境污染 温度调节灵敏 易于控制且控制精度高 最重要的是所需干燥的物料是牛奶 不能被污染 19 2 2 2 细粉回收设备的选择 由于从喷雾干燥器出来的废气中夹带了部分细粉状的产品 所以细粉的收集将影 响产品的回收率和劳动条件 甚至造成环境污染 因此干燥器后都应该设置气固分离 设备 本设计中选用旋风分离器和布袋除尘器组合起来用于细粉的回收 这样分离效 贵州大学本科毕业论文 设计 第 12 页 果将更好 1 旋风分离器 旋风分离器是利用含尘气体在器内旋转时产生离心力 将粉尘从气流中分离出 的一种气 固分离装置 旋风分离器有常规旋风分离器 双旋流型分离器两种 其中常规旋风分离器又有 切线进口和蜗卷入口两种形式 常规型旋风分离器能除去 20 微米以上的颗粒或粉尘 对于绝大多数的喷雾干燥系统来说 从干燥室出来的含尘气体中的颗粒都在这一范围 内 所以切线入口或蜗卷入口在喷雾干燥系统中被广泛使用 蜗卷入口使含尘气体作均匀的螺旋运动 因而比切线入口式的回收效率高 此外 当尺寸相同时 蜗卷式入口所处理的空气量也大得多 所以 为了使设备尺寸尽可能 缩小 在该设计中选用常规蜗卷式入口旋风分离器 23 2 袋式除尘器 使含尘空气通过过滤箱 袋 而分离 捕集粉尘的装置叫做袋式除尘器 按不同 的分类方法可以分为很多种类型 1 按过滤方向分类 内滤式袋式除尘器 外滤式袋式除尘器 2 按进气口位置分类 下进风袋式除尘器 上进风袋式除尘器 3 按除尘器内的压力分类 正压式除尘器 负压式除尘器 微压式除尘器 4 按滤料形状分类 圆形袋式除尘器 扁袋式除尘器除尘器 除尘双重袋 式 菱形袋式除尘器 5 按清灰方式分类 机械振动类 分室反吹类 喷嘴反吹类 振动反吹并 用类 脉冲陪吹类 23 因为在该设计中 废气的处理量 较少 且前面的旋风分离器已经分离 了大部分的粉尘 所以选用内虑上进 风正压式圆形袋式除尘器 并且 为 使结构简单 所以不设置自动清灰装 置 而采用采用手动的方式定期清灰 袋式除尘器示意图如图 2 1 所 图 2 1 所选袋式除尘器示意图 贵州大学本科毕业论文 设计 第 13 页 示 2 2 3 风机的选择及布置 风机是输送干燥介质的动力源 目前生产生活中常用的风机主要有 轴流风机 离心风机 罗茨鼓风机 旋涡式空气泵等 但前三种风机的尺寸 流量和压力都较大 而本课题设计的喷雾干燥器产量比较小 所以所需的空气量可能不大 再考虑到设备 的体积应尽可能小 以利于搬运 因此选用尺寸 流量和压力都相对较小的旋涡式空 气泵 风机在干燥系统中主要有两种布置方式 即单台引风机和双台鼓 引风机结合方 式 单台引风机放置在粉尘回收装置之后 使干燥器处于负压操作 这种系统达到优 点是粉尘及有害气体不会泄露至大气环境中 但由于干燥器内负压较高 风机频繁启 动和停止会引起干燥器内局部失稳以及外部空气漏入塔内 因此 单台引风机方式适 用于小型喷雾干燥系统 对于大型喷雾干燥系统 主要采用两台风机 一台作为鼓风 机 另一台作为引风机 这种系统句很大的灵活性 可以通过调节管路压力分布 改 善干燥器的操作条件 使之处于接近大气压的微负压下操作 避免空气漏入系统中 造成干燥效率降低 同时 微负压操作又保证粉尘回收装置具有最高的回收率 23 对于该设计来说 不采用上述常用的两种方案 原因如下 1 由于料液的处理量较小 所以设备不会过于庞大和复杂 这样 设备的密封 会相对容易 泄露的可能性较小 且干燥的物料为牛奶 是无毒的 所以即使发生少 量的泄露 也不会造成重大的事故 2 如果常用负压操作 发生泄露后 干燥器外部的空气会漏入干燥系统 这样 可能会对干燥的产品造成污染 影响实验结果 3 虽然一台鼓风机和一台引风机结合起来使用会比较灵活 但是这样会造成设 备更加庞大和复杂 且能耗更大 综上所述 在该设计中采用在干燥器前段加一台鼓风机的形式 2 2 4 进料泵的选择 泵是受原动机控制 驱使流体运动 输送液体或使液体增压 以实现某工程需 要的机械 它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体 使液体能量增加 泵的选型应根据工艺流程从五个方面加以考虑 既液体输送量 装置扬程 液体 性质 管路布置以及操作运转条件等 目前 工业上常用的泵有离心泵 轴流泵 杂 贵州大学本科毕业论文 设计 第 14 页 质泵 计量泵等 因为本设计中料液的流量要求比较精确 且易于调节 所以选用计 量泵作为进料泵 2 2 5 钢架的选择 1 钢架的基本要求 钢架是支撑设备的重要构件 关系到人员及设备的安全 所以设计的钢架应满足 如下基本要求 1 满足工艺要求 便于操作和设备维修 2 结构必须安全可靠 并有良好的耐腐蚀措施 3 尽可能地节约钢材 要求钢材的塑形能充分利用 要合理布置梁格及合理选 用构件截面和构件的连接方法 4 便于制作和安装 缩短施工周期 5 在满足实用和经济的前提下 尽可能地照顾美观 2 钢架所用钢材形式的选择 钢架常采用的材料有 钢板 角钢 槽钢 工字钢 钢管和圆钢等热轧型 钢 在该设计中 为了便于设备的安 装 所以选用槽钢 35 3 钢架的结构 钢架的结构如图 2 2 所示 图 2 2 钢架立体图 2 3 控制系统设计方案 2 3 1 自动控制系统的概述 自动控制是指在工业生产过程中采用自动控制装置 部分或全部地取代人工操作 使生产在不同程度上自动地进行 它主要包括自动检测 自动控制 自动保护 自动 操作等方面的内容 1 自动控制系统的组成及功能 一个控制系统的基本组成环节为 控制器 执行器 测量 变送环节及被控对象 各部分的功能如下 贵州大学本科毕业论文 设计 第 15 页 检测变送环节 它测量被控变量 并将被控变量转换为标准信号 比较机构及控制器 它接受来自变送器的信号 与设定值进行比较得出偏差 并根 据一定的规律进行计算 然后将运算结果用特定的信号发送出去 比较机构是控制器 的一个组成部分 执行器 根据控制器送来的信号相应地改变控制变量 以达到控制被控变量的目的 自动控制系统的方框图如图 2 3 所示 图 2 3 自动控制系统方框图 2 系统运行的基本要求 自动控制系统运行的基本要求是系统运行必须是稳定的并应保证满足一定的精度 要求或某些规定的性能指标 但最基本的要求是稳定 也就是说系统投入运行后 被 控变量不致实控而发散 3 自动控制系统的分类 自动控制系统有很多分类方法 可以以被控变量分类 如温度 压力 流量 液 位等控制系统 也可以按控制器的控制规律分类 如比例 比例积分 比例微分 比 例积分微分等自动控制系统 在分析自动控制系统特性时 最经常遇到的是将控制系 统按照工艺过程需要控制的被控变量数值 既给定植 是否变化和如何变化来分类 这样可以将自动化控制系统分为三类 即定植控制系统 随动控制系统和程序控制系 统 定植控制系统 所谓 定值 就是恒定控制系统的简称 工艺生产中 如果要求 控制系统所控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变 或者说要求工艺参数的给定 植不变 那么就需要采用定值控制系统 随动控制系统 也称自动跟随系统 这类控制系统的特点是给定值不断地变化 而且 这种变化不是预先规定的 也就是是给定植是随机变化的 随动控制系统的目 贵州大学本科毕业论文 设计 第 16 页 的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化 程序控制系统 又称顺序控制系统 这类自动控制系统的给定值也是变化的 但它是一个已知的时间函数 即生产技术指标需按一定的时间函数变化 在一个简单的控制系统中 控制器 执行器 测量变送元件及被控对象是必不可少的 除此之外 还有一些辅助元件 例如给定装置 转换装置 显示装置等 33 2 3 2 控制系统的选择 计算机控制技术是一门新兴的综合性技术 它是计算机技术 包括软件技术 接 口技术 通信技术 网络技术 显示技术 自动控制技术 微电子技术 自动检测和 传感技术有机结合 综合发展的产物 计算机控制系统作为当今工业控制的主流系统 已取代了常规的模拟检测调节 显示 记录等仪器设备和很大部分操作管理的人工职 能 并具有较高级复杂的计算方法和处理方法 以完成各种过程控制 操作管理等任 务 随着科学技术的迅速发展 计算机控制技术的应用领域日益广泛 在冶金 化工 电力 自动化机床 工业机器人控制 柔性制造系统和计算机集成制造系统等工业控 制方面已取得了令人瞩目的研究与应用成果 在国民经济中发挥着越来越大的作用 所以在该喷雾干燥系统的控制中选用计算机控制系统 36 2 3 3 计算机控制系统的控制类型选择 计算机在过程控制中的应用目前已经发展到多种应用形式 一般将其分为下面几 种类型 数据采集和数据处理系统 直接数字控制系统 DDC 监督控制系统 SCC 分级 计算机控制系统以及集散型控制系统等 下面分别介绍 1 数据采集和数据处理系统 数据采集和数据处理系统的工作主要是对大量的过程状态参数实现巡回检测 数 据存贮记录 数据处理 计算 统计 整理 进行实时数据分析以及数据越限报警等 功能 计算机不直接参与过程控制 对生产过程不产生直接影响 但对指导生产过程 操作具有积极作用 它属于计算机应用于过程控制的低级阶段 2 直接数字控制系统 DDC 直接数字控制系统 DDC 分时地对被控对象的状态参数进行测试 并根据测试的结 果与给定值的差值 按照预先制定的控制算法进行数字分析 运算后 控制量输出直 接作用在调节阀等执行机构上 使各个被控参数保持在给定值上 实现对被控对象的 闭环自动调节 贵州大学本科毕业论文 设计 第 17 页 DDC 的构成方框图如图 2 4 所示 图 2 4 DDC 的构成方框图 DDC 系统的优点是 计算机不但完全代替了模拟调节器 实现丁几十个甚至更多 的单回路 PID 控制 一般大于 50 个回路时 比较经济 而且还能比较容易地实现其他 新型控制规律的控制 如串级控制 前馈控制 自动选择性控制 具有大纯滞后对象 的控制等 它把显示 记录 报警和给定值设定等功能都集中在操作控制台上 结操 作人员带来了很大方便 只要改变程序即可实现上述各种形式的控制规律 其缺点是 要求工业控制计算机的可靠性很高 否则会直接影响生产的正常运行 3 监督控制系统 SCC 监督计算机控制系统是指计算机根据生产过程的信息 如 测量值 和其他信息 如 给定值等 按照描述生产过程的数学模型 去自动改变 也称重新设定 模拟调节器或 DDC 工业控制机的给定值 从而使生产过程处于最优化的工况下进行 4 分级计算机控制系统 在生产过程中既存在控制问题 也存在大量的管理问题 过去 由于计算机价格 高 对复杂的生产过程控制往往采取集中控制方式 以便充分利用计算机 这种控制 方式 由于任务过于集中 一旦计算机出现故障 将影响全局 价廉而功能完善的微 型计算机的出现 则可以用若干台微处理器或微机分别承担部分任务 这种分级计算 机系统有代替集中控制的趋势 它是以一个 主 计算机和两个或两个以上的 从 计算机为基础构成的 其中最高级的计算机具有经营管理功能 分级系统一般是混合 式 即除计算机直接控制外 还有仪表控制和直接联接现场的执行机构 33 贵州大学本科毕业论文 设计 第 18 页 由于该喷雾干燥控制要求较低 且只有一个控制点 所以采用直接数字控制系统 DDC 就已经可以完全满足控制需要了 2 3 4 直接数字控制系统的 PID 算法选择 DDC 的理想 PID 算法的表达式有三种 即位置式 增量式和速度式 1 位置式 PID 算法 在对连续量的控制中 模拟 PID 调节器的理想 PID 算法为 0 1 t pD I de t u tKe te t dtT Tdt 式中 调节器的输出 u t 调节系统的控制偏差 e t 调节器的放大系数 增益或放大倍数 p K 积分时间常数 I T 微分时间常数 D T 在计算机控制系统中 因为是采样控制 它根据采样时刻的偏差值计算控制量 因此式 5 2 中的积分和微分项是不能直接准确计算出的 只能用数值计算的方法逼 近 用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程 此时积分项和微分项可用求 和及增量式来表示 经过这一系列的变换后 可得离散的 PID 表达式 0 1 k D p i I TT u kKe ke ie ke k TT 式中 采样周期 T 第 k 次采样时刻的控制偏差量 e k 第 k 1 次采样时到的控制偏差量 1 e k 采样时刻序号 k 0 1 2 k 在该控制系统中就采用的此种 PID 算法 2 增量式 PID 算法 DDC 计算机经 PID 运算 其输出为调节阀开度 位置 的增量 改变量 时 这种 PID 贵州大学本科毕业论文 设计 第 19 页 算法称为增量式 PID 算法 有很多控制系统的执行元件 都要求接受的是前一次控制 量输出的增量 如步进电机 多圏电位器等 因此需要此种算法 3 速度式 PID 算法 DDC 计算机经 PID 运算 其输出是指直流伺服电机的转速 则此种算法称为速度式 PID 算法 2 3 5 控制方案的选择 产品的湿含量是最有效的控制参数 连续测量湿含量的设备 工业上是可以得到 的 但是 到目前为止 还没有被广泛采用 预计今后随着科学技术的进步及计算机 控制系统的应用 直接测量产品湿含量的控制方法将会被作为首选 现在 在大多数的喷雾干燥操作中 将由干燥室排出的出口空气温度作为控制参 数 这个温度代表着产品的质量 即代表着体积密度 颜色 香味 活性及湿含量 喷雾干燥的控制系统分三大类 分别叙述如下 1 控制系统 A 控制系统 A 的特征如下 1 通过调节进料速度 控制干燥空气出口温度 2 通过调节空气加热器 控制干燥空气出口温度 2 控制系统 B 控制系统 B 的特征如下 1 通过调解空气加热器 控制干燥空气出口温度 2 进料速度保持恒定 手动 其控制原理如图 2 2 所示 它特别地适用于喷嘴雾化的干燥器 因为进料速度不 能变化太大 测量干燥空气出口温度并传输到温度显示控制仪 TIC 上 通过控制器 调节空气加热器输入给干燥器的热量 校正设定的干燥空气出口温度的偏差 可以设 定两级安全系统 当干燥空气出口温度达到第一个定值时 发出音响警报 而达到第 二个定值时 自动关闭空气加热器 在本设计中就采用这种控制系统 3 控制系统 C 由于新的传输方法和在线测量粉体湿含量技术的发展 在连续喷雾干燥的操作中 已具备降低粉体湿含量波动的可能性 与控制系统 A B 的间接控制方法不同 采用直 接测量粉体湿含量的方法 校正任何一个外部条件的变化 使离开干燥器的粉体残余 贵州大学本科毕业论文 设计 第 20 页 湿含量 RMC 能够达到非常恒定 控制系统 C 的特征是通过传输 RMC 用进料量控制出 口空气温度 这种传输方法 允许直接测量 RMC 并且调节干燥空气出口温度控制仪上 的控制点 由于外部条件的波动 将引起 RMC 的波动 但通过进料量的校正 RMC 的波 动将变小 26 2 3 6 控制器的选择 在计算机控制系统中 常用的控制器主要有单片机 微型计算机 PLC 可编程 控制器 智能仪表 数据采集控制卡 板卡 与计算机组成的控制器等 因为数据采集控制卡具有使用方便 便于与上位机通讯 编程容易等特点 所以 在该喷雾干燥控制系统中选择使用数据采集控制卡与计算机共同组成控制器 因为数 据采集卡控制卡中集成了数模转换 D A 模数转换 A D 等模块 所以 在使用中 可以直接将标准的模拟量或数字量直接输入板卡 同时 板卡也可以将控制信号以标 准的数字量或模拟量输出 2 4 主体设备的设计 2 4 1 设计要求 蒸发水量 500mL h 进风温度范围 150 350 出风温度范围 30 140 料液初始含水率 70 80 干燥产品含水率 1 2 2 4 2 设计参数的确定 待干燥物料名称 牛奶 取料液初始含水率 1 80 w 取干燥产品含水率 2 1 5 w 热风温度 1 200t 废气出口温度 2 70t 2 4 3 物料的物理性质 1 乳粉的密度 贵州大学本科毕业论文 设计 第 21 页 查文献 15 可得奶粉的绝对密 松密度 1 21 1 81 pj g ml 0 6 0 7 ps g ml 在计算中取干奶粉的绝对密度 即 1 70 pj g ml 3 1700 pj Kg m 奶粉的松密度 即0 6 ps g ml 3 600 ps Kg m 2 料液密度 1 1000 80 1700 20 3 1140 kg m 2 4 4 物料衡算 已知蒸发水量为 500 且 20 摄氏度时水的密度为 故 mL h 3 1000 w kg m 水分蒸发量 6 500 101000W 0 5 kg h 查文献 16 第 197 页式 13 17 和式 13 18 可得 2 12 GGW 1 2 1122 1 1 C GGwGw 2 式中 料液处理量 1 G kg h 产品产量 2 G kg h 绝干产品量 C G kg h 水分蒸发量 W kg h 联立式 2 1 和式 2 2 带入已知数据 12 0 5GG 12 1 0 8 1 0 015 C GGG 解得 1 0 627 Gkg h 贵州大学本科毕业论文 设计 第 22 页 2 0 127 Gkg h 0 125 c Gkg h 2 4 5 热量衡算 1 加热前空气的参数 假设 空气初温 C 0 20t 相对湿度 0 70 查文献 17 第 253 页附录 7 得 空气初始饱和水蒸汽压 0 2 338 s pKPa 查文献 17 第 187 页式 13 2a 得 空气中水汽初始分压 2 000ws pp 3 0 7 2 338 1 637Kpa 把该干燥系统视为水 空气系统 并取总压为标准大气压 即 101 325pKPa 查文献 16 第 187 页 13 1a 式得 新鲜空气的湿含量 2 000 0 622 ww HPpp 4 1 637 0 622 101 325 1 637 0 0102 kg kg 查文献 16 第 188 页 13 5b 式得 新鲜空气的焓 2 0000 1 01 1 88 2492IH tH 5 1 01 1 88 0 0102 202492 0 0102 贵州大学本科毕业论文 设计 第 23 页 46 002 KJKg 查文献 16 第 188 页 13 6a 式得 新鲜空气的比容 2 000 0 773 1 244 273 273 H VHt 6 27320 0 773 1 244 0 0102 273 3 0 843 mkg 2 加热后热风参数的计算 加热前后空气湿含量不变 即 且热风温度 10 0 0102 HHkg kg 1 200t 所以 热空气的焓为 2 1111 1 01 1 88 2492IH tH 7 1 01 1 88 0 0102 2002492 0 0102 231 254 KJKg 热空气的比容为 2 111 0 773 1 244 273 273 H VHt 8 273200 0 773 1 244 0 0102 273 3 1 361 mkg 3 排出废气的参数 进入干燥室用于干燥的空气的温度高达 200 摄氏度 并且干燥室内压力不高 所 以器壁较薄 在操作时 操作者容易被干燥室外壁烫伤 并且在干燥过程中有较大的 热量损失 所以在干燥室外部加一层隔热材料 将热量损失控制在总热耗量的 10 以内 这样就可以解决上述问题 并且在设计计算过程中可以将该干燥过程视为绝热干燥过 程 参照 18 第 224 页例题 10 2 查该文献第 223 页图 10 3 可得 排出废气的湿度 H2 0 0612 Kg Kg 贵州大学本科毕业论文 设计 第 24 页 查文献 16 第 188 页 13 5b 式得 废气的焓为 2 2222 1 01 1 88 2492IHtH 9 1 01 1 88 0 0612 702492 0 0612 231 254 kJ kg 湿空气的比容为 2 222 0 773 1 244 273 273 H VHt 10 27370 0 773 1 244 0 0612 273 3 1 067 mkg 4 各阶段气流量的计算 查文献 16 第 197 页 13 20a 式得 干空气质量流量 2 21 LWHH 11 0 5 0 06120 0102 9 804 kg h 新鲜空气的流量 2 00H VL V 12 9 804 0 843 3 8 265 mh 热空气的流量 2 11H VL