化工原理干燥课程设计

化工原理课程设计课题名称年产量2222吨奶粉的干燥工艺设计 班级 姓名 指导教师 时间 目 录第一章 绪 论21.1 产品生产的国内外发展概况及意义21.2 原料的性质及来源21.3 设计所采用的分离方法及特点2第二章 工艺流程设计及设备论证22.1 工艺流程叙述及论证22.2工艺参数的选择论证22.3设备论证2第三章 物料衡算2第四章能量衡算2第五章 设备设计计算与选型2第六章 非工艺部分26.1安全26.2 三废情况及环保的大体方案2主要参考文献2结束语2第1章 绪论1.1 产品生产的国内外发展概况及意义奶粉容易冲调，方便携带，营养丰富。冲调时，即使用温水也能迅速溶解，适宜保存，并便于携带。国内奶粉市场竞争日趋激烈，国内外奶粉品牌都在加紧抢占终端资源，随着我国本土奶粉品牌在研发、工艺、质量控制以及发展战略等方面的日渐成熟，我国奶粉的市场竞争将进入白热化阶段。1.2 原料的性质及来源 牛奶顾名思义是从雌性奶牛身上所挤出来的。牛奶含有丰富的矿物质，钙、磷、铁、锌、锰、铜、钼。主要成份有水、脂肪、磷脂、蛋白质、乳糖、无机盐等。 1.3 设计所采用的分离方法及特点1喷雾干燥是用喷雾器将含水量在80%以上的溶液、悬浮液、浆状或熔融液等喷成细雾滴分散在热气流之中，使水分迅速蒸发而达到干燥的目的,从而获得粉末或颗粒状的产品。喷雾干燥的特点：1) 喷雾干燥操作是连续的，其系统可以是全自动控制操作2) 只要干燥条件保持恒定，干燥产品特性就保持恒定3) 喷雾干燥系统适用于热敏性和非热敏性物料的干燥，适用于水溶液和有机溶剂物料的干燥4) 喷雾干燥操作具有非常大的灵活性。喷雾能力每小时几千克至200t第2章 工艺流程设计及设备论证2.1 工艺流程叙述及论证喷雾干燥工艺流程四个阶段：雾化；料物与空气接触（混合流动）； 料物干燥（水分及挥发性物质蒸发）； 干粉制品从空气中分离。喷雾干燥的流程图图1： 喷雾干燥流程图2.2 工艺参数的选择论证1、 物系：牛奶2、原料含水率：45 % 3、生产率(原料量)：0.5 t / h 4、产品(乳粉)含水量：2 %5、加热蒸汽压力：700 KPa （绝压）6、车间空气温度：20 7、车间空气湿度：0.012 kg / kg绝干气 8、预热后进入干燥室的空气温度：150 9、离开干燥室的废气温度：80 10、 离开干燥室的废气湿度：0.12 kg / kg绝干气11、 湿物料进料温度12、 产品出口温度13、 浓缩乳比热容 2.3 设备论证1、计算所需空气流量和风压，选择进风机和排风机的型号。2、计算所需换热面积，选择换热器（预热器）的型号。3、计算所需喷雾干燥系统设备。35第3章 物料衡算1、空气用量计算1原料奶含水量（湿基）；产品奶粉含水量（湿基）进入干燥塔的物料量。水分蒸发量 所以因为空气经预热器湿度保持不变，所以又所以绝干空气流量由于上面所计算的为理想状态下，但是实际空气用量要比理想状态下多15%25%，所以在20时，查1得此时空气密度所以离开干燥室的废气温度：，查1得离开干燥室空气量：废气体积：2、生产产品量计算1第四章 热量衡算1图2： 连续干燥过程的热量衡算示意图输入系统热量新鲜空气输入：预热器输入热量：浓缩乳带入的热量：所以输出系统热量排气带出的热量：产品奶粉带出的热量：干燥室热损失：（-每蒸发1kg水干燥室的热损失，按工业生产经验取251kJ/kg）所以综上所述，可见热量收支平衡第五章 设备设计计算与选型由于新鲜空气有杂质以及灰尘，会影响干燥过程，所以进行过滤；加以安装空气过滤器和废弃除尘器，会在下文进行选型计算。对流程图的更新：图3： 喷雾干燥流程图（新）1、 干燥器主要尺寸计算36（1） 雾化器的选取 图4 压力式雾化器结构示意图设计采用压力式雾化器，压力式喷嘴结构简单，造价成本低；全部零件，维修简单，拆装方便，与气流式喷嘴相比，大大节省雾化用动力。压力式喷嘴的雾滴（或颗粒）的尺寸范围（低粘度、牛顿型流体）如表1 压力式喷嘴的雾滴（或颗粒）的尺寸范围压力/Mpa平均尺寸/um压力/Mpa平均尺寸/um1015302.555015051030501.52.5150350表1（2） 喷嘴尺寸的计算已知数据奶粉的产量浓缩乳质量流量料液雾化压力浓缩乳密度浓缩乳粘度 雾化角及流量系数为了使塔径不至于过大，根据经验，选取,查图4得当时，查图5得 图5 与的关联图 图6 与的关联图喷雾旋转室尺寸由式则即，圆整后取喷嘴其他主要尺寸的确定选矩形切线入口通道两个，据经验取b=1.2mm，即，圆整，亦即旋转室直径为10mm。因为 所以取a=5.0mm校核喷嘴的生产能力 圆整后基本不变，不必复算，可以满足设计要求。空气心半径的计算 查图7图7 与的关联图得喷嘴出口处液膜速度的计算平均速度水平速度分量垂直速度分量合速度综上所述，压力式喷嘴主要尺寸如下表表2 压力喷嘴主要尺寸 单位：喷嘴旋转室尺寸a480.77 mm1.25 mm1.2 mm5 mm4.4 mm5 mm（3） 雾滴干燥所需时间汽化潜热的确定 图8 湿空气的H-I图由图8查得空气入塔的湿球温度，查手册得该温度下水的汽化潜热为。导热系数的确定平均气膜温度查手册得初始滴径的计算产品平均粒度液滴临界的直径的计算液滴的临界湿含量的计算空气临界湿含量及临界温度的确定 查图8得空气的临界温度传热温差、的计算雾滴干燥所需时间的计算（4）塔径的计算图9 与、的列线图空气的参数塔内空气各参数按常压考虑，其平均温度，查手册得空气粘度的计算进出塔内空气的平均湿度热空气湿比体积塔内空气平均密度雾滴初始水平分速度 属于过渡流 由图9查得时， 由式得 取一系列，.；得一系列，.；查得相应的，.；据式算出一系列相应的，.，列于表3中 以为横坐标，为纵坐标，作曲线，如图10所示。用图解积分法求得7 塔径，圆整取为表3 停留时间与雾滴水平速度的关系ReB109615.051.50.008012.541.70.017010.971.80.01609.412.00.01507.842.20.02406.272.50.03304.703.00.04152.354.40.08101.575.30.1181.255.80.1240.637.70.1810.1612.40.310.50.0815.20.390.10.0222.00.59图10 求塔径的曲线图（5）塔高的计算减速运动段的距离的计算a. 由初始垂直速度计算出属于过渡流 b. 由于，查图9得c. 据查图9，则d. 取一系列，.，；得一系列，.179；查得相应的 ，.，列于表4,中e. 以为横坐标，为纵坐标作图，如图11所示表4 与、及的关系ReRe216340000.0296 33.9 0150200000.0505 23.6 0.0286125150000.0675 19.6 0.0495100110000.0924 15.7 0.0787568000.1510 11.8 0.1215038000.2762 7.9 0.1952010001.2180 3.1 0.469104104.3290 1.6 0.71951790.8 图11 与曲线f. 由，可计算出，据图10可求得，从而可以算出停留时间7g. 类似地由，.,据图11可求得，.；亦可计算出相应的停留时间，.，如表4所示。由此得到减速运动段的停留时间h. 由表4的，数据，作曲线如图12所示。用图解积分法可得减速运动段的距离图12 关系曲线图等速运动距离的计算a. 等速运动时间b. 等速运动段的距离塔高的计算塔的有效高度 圆整后取（4） 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15-25m/s热风进口接管直径 取热风管道中的气速为25m/s，则圆整后取干燥塔热风入口接管直径热风出口接管直径圆整后取2、空气过滤器选型5过滤面积计算公式：式中，A滤层的面积，；L通过滤层的空气量，m滤层的过滤强度，一般取m40008000为宜。设取m5000，由前面计算可知L=2342.59。所以代入数据得过滤面积A0.469。空气过滤器选型为AF30-N02D-2-X21493、废弃除尘器选型5由前面计算可知废气量为过滤面积计算：式中，F布袋的过滤总面积， 通过布袋过滤器的空气量， 布袋的单位面积负荷，；值为140200 ；取150代入上式，得F15.21实际过滤面积 根据过滤面积，查得MC24-1型脉冲袋式除尘器与之相近6，可以选用此除尘器，其参数如下：项目数据项目数据过滤面积，20过滤气速，24滤袋条数，条24处理气量，21604300滤袋规格120200脉冲阀数量，个4压力损失，120150最大外形尺寸（长宽高），mm102516783660除尘效率，9999.5质量，kg850表5： 除尘器选型参数4、换热器26基于设计基本要求的条件，车间温度t020；热空气温度t1150；所以，根据平均温度查表可得定比热熔Cp11.009kJ/(kg) ，热导率13.087102 Wm11，密度0.986kg/m3，粘度12.13105 Pas普朗特系数由上面计算得新鲜空气用量加热蒸汽在700kPa（绝压）下处理，查2附录8得此时温度T1164.7， 假设用于加热的蒸汽处理量：ms22000kg/h，（1）、按空气加热所需来计算换热器的热流量计算平均温差： 查书2得气体和气体间进行换热是的K值大致为1235 先取K值为20 ,则所需传热面积为：（2）、初步选定换热器的型号在决定管数和管长时，要先选定管内流速。空气在管内流速范围为530，设取25。设所需单程管数为n，25mm2.5的管内径为0.02m，则管内流量：解得，n=84根又有传热面积 S75.78m2可求得单程管长：若选用6.0m长的管，2管程，则一台换热器的总管数为684504 根查得相近浮头式换热器的主要参数，见表2项目数据项目数据壳径D（DN）管程数Np(N)管数n中心排管数nc管程流通面积600m2252110.0311管尺寸管长（L）管排列方式管心距传热面积A25mm2.5mm6.0m正方形斜转4528mm68.2表6： 浮头式换热器的主要参数表可对表2中的数据做核算如下：每程的管数：管程流通面积：传热面积：，比查得的68.2m2稍大，这是由于管长的一小部分需用于在管板上固定管子。应以查得的68.2m2为准。中心排管数：查得的11太小，以下按式：，取整17。5、换热器阻力损失计算（1） 管程流速：雷诺数：查书2的表格图13： 某些工业管道的绝对粗糙度取新的无缝铜管绝对粗糙度0.1mm，得相对粗糙度根据，查书2莫迪图图14： 摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得0.035直管内阻力损失2：回弯管阻力损失2：管程总阻力损失2：式中，结垢校正因数，量纲为1，对25mm2.5mm的管子，取1.4 串联的壳程数 管程数（2） 壳程2取折流挡板间距h0.2m计算截面积：计算流速：雷诺数：由于，摩擦系数：折流挡板数：管束阻力损失：缺口阻力损失：壳程总阻力损失：式中，F管子排列方法对压力降的校正因数，对正方形斜转45排列为0.4 壳程流体的摩擦系数 横过管束中心线的管子数 折流挡板数 H折流挡板间距，m 按壳程流通截面积计算的流速核算下来，管程及壳程的阻力损失都不大于10kPa，又都不小于1kPa，故适用。 6、传热计算（换热器核算）（1） 管程对流传热系数由上述计算已得，由于是对于空气，已知0.035，d=0.02，由于是流体被加热所以n=0.4，所以（2） 壳程对流传热系数2雷诺数在范围内由公式计算取换热器列管之中心距t=32mm。则流体通过管间最大截面积为壳程中水温度降低，取。所以（3） 总传热系数K查得管内、外侧污垢热阻分别取为，管壁热阻可忽略时，总传热系数为前面取的总传热系数K为20W/（）。则，在1.151.25范围内，所以初选的换热器合适7、自然对流热损失的计算2定性温度=查2附录6得：热导率13.087102 Wm11，密度0.986kg/m3，粘度12.13105 Pas普朗特系数取总管长为10m，管径为0.2m其中l=所以查2表得：图15：自然对流中的c和n值c=0.53，。所以8、泵的选择高压泵是压力式喷雾干燥的必备设备，也是“心脏设备”。料液通过高压泵加压后进入雾化器才能雾化。目前使用的高压泵有两种形式，一种是柱塞式高压泵，另一种是隔膜泵。根据流量，所以选择泵的型号为.它的输出量更接近设计值，更加经济。9、旋风分离器3图16 旋风分离器进入旋风分离器的含尘气体近似按空气处理，取温度为65选蜗卷式进口型的旋风分离器，取入口速度为则即。圆整后取其余各部分尺寸如下图13所示图17 旋风分离器各部分尺寸示意图10、进风机的选择风量计算从进风机到干燥塔，需经过加热器，假设全程管长15m,其中进风机到加热器为5m，加热器到干燥塔10m为其中经过3个90弯头，干燥塔器内维持147负压。已知新鲜空气温度，查得此温度下空气密度，粘度。热空气温度，温度下空气密度，粘度。查得90弯头阻力系数0.75。由上可知干燥器所需新鲜空气用量为： 所以风机的风量为： 风压计算计算公式为：（1）进风管直径计算：取空气流速，风机出口出动压为500Pa。（2）沿程损失1：从进风机到加热器雷诺数： 取钢管的绝对粗糙度，则相对粗糙度，可查得沿程损失：（3）沿程损失2：从加热器到干燥塔雷诺数： 取钢管的绝对粗糙度，则相对粗糙度，可查得沿程损失： （4）总弯头损失：加热管阻力损失：因为空气走管程，由（4）可知风机出口处的静压（5）风机出口全压： 取风机入口前的全压为0，所以所需的全压为： 风机选型9根据流量、风压的要求，可选9-19型离心式通风机机号()转速(r/min)全压(Pa)流量（m3/h）电动机型号电动机功率KW5.6290071822622Y160M1-21111、排风机的选型风量计算从干燥塔到排风机，全程管长15m,其中干燥塔到除尘器为5m，除尘器到排风机10m为其中经过2个90弯头，干燥塔器内维持147负压。已知废空气，查得此温度下空气密度，粘度。，查得90弯头阻力系数0.75。由上可知干燥器排除的废空气量为： 所以排风机的风量为： 风压计算10：计算公式为：（1）排风机直径计算：取废空气流速风机进口处动压为500Pa。（2）沿程损失：雷诺数： 取钢管的绝对粗糙度，则相对粗糙度，可查得沿程损失： （3）总弯头损失： （4）除尘器阻力损失：由选型的除尘器可知，阻力损,本次取 风机出口处的静压： 排风机选型CF(A)-2.5A主要参数机号()转速(r/min)配用电机（kW-P）流量（m3/h）全压(Pa)2.5A28002.22510-38621753-1454设计计算结果汇总表7 设计计算结果汇总表原料用量，kg/h500蒸发水量，kg/h220产品产量，kg/h280.6空气用量，kg干空气/h2342.59雾化器孔径，mm2.2干燥塔直径，m1.3干燥塔有效高度，m5空气加热器传热面机，68.2旋风分离器直径，m1.3鼓风机型号引风机型号空气过滤器型号废弃除尘器型号第4章 非工艺部分1、 干燥过程的安全8（一）安全措施在贮存方面。危险物质的最大周转量，往往是原料和产品贮存以及中间（缓冲）贮存中。让生产和消费工厂相距不远，将设计安排的更灵活来减少所需周转量。通过调整生产量以适应原料输入的延误或工厂波动等情况，就能减少对贮存的需求。采用简压系统。将容器加固是更加经济更加环保的方法。反应器是连续的。在传热操作中，使用水做传热介质，选用只需低周转量的传热装置。限制热风进口温度 ，喷雾干燥器的热风进口温度应低于颗粒产品的粉尘云或粉尘层的最小着火温度。设置温度检测装置，在喷雾干燥室壁面或管道表面容易产生沉积物的部分，设置温度检测装置也是减少着火危险常用的方法。设置压力检测装置，在喷雾干燥室内安装的压力传感器，对发生爆炸初期阶段出现的压力变化非常敏感，足以触发防爆灭火装置的操作 。这种系统对于爆炸不是瞬间发生的情况是有效的，而且防爆火装置的启动只需几毫秒。（二）发生危险处理措施关闭风机及加热器关闭进料阀，尽可能快地在雾化器中加入最大量的水启动灭火装置关闭产品出料阀禁止进入干燥室内设备冷却后，继续喷水一段时间当已具备进入设备中的安全条件时，仍不可用手去触碰那些灼焦的沉积物，因为它还具有危险性。2、三废情况及环保的大体方案8解决出流物质物问题的最好方法是废物最小化。加工过程废物有三个来源：反应器分离与再循环系统过程操作 因为反应器是化工加工过程的核心，所以考虑废物最小化问题必须从反应器开始，然后是分离与再循环系统，最后是过程操作。下面是方案：A.在反应器内通过提高选择性增加原料的是收率；B.通过精制原料以减少其在反应器和分离与再循环系统堵的损失，提高过程收率；C.减少不能再循环使用的多余物质；D.减少过程周转量；E.将废物分离进行最大限度的再循环利用；F.减少因腐蚀泄露和贮罐换气带来的损失G.通过提高热量回收，使过程具有更高的能量利用率；H.通过提高热量回收，降低加工过程蒸汽用量和提高蒸汽生产系统自身的效率，减少蒸汽发生系统产生的废水；I.减少冷却水系统产生的废水。3、干燥过程的节能8干燥是能量消耗较大的单元操作之一。这是由于无论是干燥液体物料、浆状物料，还是含湿的固体物料，都要将液态水分变成气态，因此需要供给较大的汽化潜热。统计资料表明，干燥过程的能耗的12%左右。因此，必须设法提高干燥设备的能量利用率，节约能源，采取措施改变干燥设备的操作条件，选择热效率高的干燥装置，回收排出的废气中的部分热量来降低生产成本。干燥操作可通过以下途径进行节能：1) 减少干燥过程的热量损失2) 降低干燥器的蒸发负荷3) 提高干燥器入口空气温度、降低出口废气温度4) 部分废气循环表8 喷雾干燥设备的常见故障与处理方法故障名称产生原因处理方法产品水分 含量高1 溶液雾化不均匀，喷出的颗粒大2 热风的相对湿度大3 溶液供