化工原理课程设计-喷雾干燥器地设计

喷雾干燥器的设计一、 概述（一）喷雾干燥简介喷雾干燥是将溶液或悬浮液等分散成细粒后用气态载热(载湿)体使其迅速干燥的过程。因此喷雾干燥特别适用于处理对热敏感的物质,同时还可缩短工艺过程、省去过滤、离心、沉降、研磨等操作;且可以控制成品的松密度、颗粒大小,及获得高度的溶解性。大型喷雾干燥的脱水能力可达每小时几千公斤。因此工业上的应用日益广泛，诸如奶粉、蛋粉、蛋白脾、骨胶、;咖啡、生物制品、药物、推生素、抗菌素、酵母,甚至某种菌类芽胞等的干燥,以及许多要求极细分散度的产品如氢氧化铝、纸张填料、高岭土、化装品用碳酸钙等都有采用。还有一些极细颗粒的悬浮液,过滤困难,也可用喷雾干燥直接获得干物料。(二) 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等速阶段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化速率开始减慢燥进入降速阶段，降速阶段又称为内部迁移控制阶段。（三）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燥介质为空气源为蒸汽和电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

330kg2料液含水量2

1 80%（湿基； 产品含水量 w2

2%（湿基）1料液密度1

1100gm3

； 产品密度

900kgm3热风入塔温度

t ； 热风出塔温度

t 12料液入塔温度12； 产品出塔温度12产品平均粒径12

d 125

m； 产品比热容

2.5kJkg℃)2c2加热蒸汽压力（表压）2c2

0.4MPa； 料液雾化压力（表压）

4MPa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GG

11Gw)11

330(1

80%)

66kg22.产品产量G2Gw)

330(1

80%)G1 1 G2

67.3kg3.水分蒸发量WW

1 w2G2

1330

2%67.3

262.7kg(二)热量衡算m1.物料升温所需热量qmqmGc22 2167.3 2.59qmGc22 2167.3 2.59020W262.7l2.汽化1kg水的热损失qlFt11q按经验公式q 计算11W——干燥塔表面对周围空气的传热系数，

33.4

0.21twtww——干燥塔外表面温度，取t wtww33.4 0.2140 41.8J/m2℃hF——干燥塔散热面积，取F 30m2t——壁温

室温， t

40 12

2qFt 41.8 30 28q1

133.6kJ

/kg水W23.干燥塔出口空气的湿度H2根据热量衡算

262.7IIII2 1 1IIII

ql qm w1

133.6

44.8

4.187 20

94.7kJ/kg水cHHHH2 1 1cHHHHI I即 1 94.7，为一直线方程即1H H10根据给出的工艺设计条件，t ，0

70%

，由湿空气的H-I图查出，HH1 0t10.006kg水/kg绝干气。当HH1 0t1

时，由湿空气的H-I图查出，I1320kJ/kg绝干气。任取H 0.05kg水/kg绝干气，则I1I 94.7

0.05

0.006

320

315.8kJ

/kg绝干气1连结点AH1

0.006kg水

320kJ/kg绝干气和点1BH 0.05kg水1

kJ/kg绝干气延长与t线相交于点22D，点D就是出口空气状态点。由H-I图查出，H 0.073kg水/kg绝干气。22320kJkg绝干气t54℃t300℃AIB t=125℃Ct=100℃DHHcH0.006

0.05

0.0730.063H2图2 H求解过程示意图24.空气消耗量绝干空气的消耗量为W 262.7HHLHH

3921kg/h2 10.073 0.0062 1实际空气消耗量为H0L' L1H0

3921

1 0.006

3944kg/h(三)雾滴干燥所需时间1.雾滴临界含水量XC物料在干燥塔进出口处的干基含水量分别为w 80%X 1 Xw111w11

4kg水/kg绝干料180%12%X 2 X2

0.020kg水/kg绝干料21 w 1 2%21Xd13Xd1c 1 2

1100

11 0.0203

0.63d1Xd21 2 1d1Xd2

900 1 4dc——液滴临界滴径，dcd1——初始液滴滴径d1

125m即在恒速干燥阶段液滴体积收缩了37%3液滴在恒速干燥阶段由于收缩而减小的体积为3d36

0.63d

0.75

d36除去的水分质量为`d30.75 w6剩余的水分质量为d3

0.80

0.7516 w1临界含水量为3d310.801X6Xcd3c

w0.75w

0.75w 4 40.20

0.750.20

10001100

0.59kg水/kg绝干料10.20 11612.初始滴径d1dcc d1d 1251d c 198m13.汽化潜热r

0.63

0.6311热空气入塔温度t ，湿度H 0.006kg/kg绝干气，由湿空气H-I图查出，11w热空气入塔状态下的湿球温度tw手册得水在5的汽化潜热r

2369kJ

/kg。4.导热系数平均气膜温度为

54 1002

7查手册得空气在77℃下的导热系数

310

5kW℃)5.恒速阶段物料表面温度asw即空气的绝热饱和温度t，可以取空气入塔状态下的湿球温度aswttas wttc6.空气临界温度tc恒速阶段的水分蒸发量为WGXX1 1 cWGXX

664

0.59

225.1kg空气的临界湿度为HH1HHc 0L

0.006

225.13921

0.063kg水/kg绝干气c在H-I图中，过Hc

作垂线，与AD交于点C，点C温度即为空气临界温度t

，由H-Ic查出ctctc17.雾滴在恒速阶段的干燥时间1恒速阶段热空气与液滴的温度变化空气：3012液滴：25平均推动力为300 20 125 54t1ln300 20125 542d2r1d1 c2d2

2369

11001.98

104

1.25

104

221.68s2211 8 t1

8 3105

152.38.雾滴在降速阶段的干燥时间2降速阶段热空气与物料的温度变化空气：1210物料：59平均推动力为2t 125 54 100 902ln125 54

31.℃100 902rdc2

2Xc X2

2369

1.25

104

900

0.59

0.020

21.70s222 12 t2

12 3

105

31.19.雾滴干燥所需时间

1 2 1.68

1.70

3.38s(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 49。2.流量系数C049，由

与A'的关联图查出，喷嘴结构参数A'

1.0。A' 1.0，由A'与C0的关联图查出，流量系数C0

0.45。3.喷嘴孔径d02p1由2p1330C02p10.C02p10.452 4 1061100

3600

2.17

1062由F d04d0

4 2.174 2.171063.14

103m4F圆整，取d4F

2mm。4.喷嘴旋转室尺寸喷嘴孔半径取1mm，即r0

选用矩形切向通道，切身通道宽度取1.2mm，即b旋转室直径为10mm，则半径R 5mm

1.2mmbR1 R2

1.25r0r0R r0

4.4mm由

2bh及

1.0r014.4r014.4h 1 0

3.12mm2b 2bA'

21.2

1.0圆整，取h 3.0mm5.核算喷嘴的生产能力d0和h经圆整后r01r014.40

1.042bh

21.2

3.0与原A' 1.0很接近，不必复算，可以满足设计要求。6.空气心半径rCr0RA

3.14 1 5

2.182bh

2 1.2

3.0A 2.18，由

与A的关联图查出，

0.47r2r1由 c 1r2r011 0.47rc r0 11 0.47

0.73mm7.喷嘴出口处液膜速度u0及其分速度ux、uy330uQurr0 2 2rr0 c

3.14

110020.0012

360020.000732

56.8m/s液膜与轴线成

角喷出，u可分解成径向速度ux2x

和轴向速度uy49yuux 0sinuux 02uuy 0cosuuy 02

56.856.8

sin249cos2

23.6m/s51.7m/s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：mmd0rc喷嘴旋转室尺寸r0bRR1h49°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

300

100t 202a由手册查出，在200℃下，空气的动力粘度为a

0.026mPa

s，空气的密度为a30.75kg/m。a3x0（1）由径向分速度u，计算 0时的雷诺数Rex0du0Re 1xdu0

1.98104 23.6 0.75

135a0.026103a0Re Re0

23.6m/s， 0xx（2）取一系列Re，求出相应的雾滴水平飞行速度u和停留时间 。xx0如取Re=100，由Re0

du1xa，与Rea

100对应的雾滴水平飞行速度为uaRe 100 0.026103uax

17.5m/sd1 a1.98104 0.75d1 a由Re与

210Re

d(Re)Re

2的列线图查出2210A100

d(Re)Re

210135

d(Re)Re

1.45 10

1.15 10

0.31022222相应的的停留时间为22222242

4 0.3

102

1.98

2104

1100 1 1

6.63

103s33a0.02610333a其余各项计算结果列于表2。x表2 停留时间 与雾滴水平运动速度u的关系xRe2105d(Re) 2105d(Re)Re Re2 Re0 Re2Reu a xd1 a1351.15 1.15 102 0023.61001.45 1.15 102 0.31020.0066317.5502.211.15 102 1.061020.02348.75253.25 1.15 102 2.11020.04644.38154.38 1.15 102 3.231020.07142.63105.28 1.15 102 4.131020.09131.7585.80 1.15 102 4.651020.1031.4066.58 1.15 102 5.431020.1201.0547.77 1.15 102 6.621020.1460.700210.3 1.15 102 9.151020.2020.350112.6 1.15 102 11.451020.2530.1750.515.3 1.15 102 14.151020.3130.0875（3）以 为横坐标，u为纵坐标画出u～

关系曲线，如图4，用图解积分可得x0.313S0

uxd

0.732m即雾滴由沿径向运动的半径距离为S 0.732m，则塔直径为圆整后取D

1.50m。

D 2S

2 0.732

1.464m25.00020.00015.00010.0005.0000.0000.0000 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500 0.3000 0.3500τ,s图4 u

关系曲线图2.塔高（1）降速运动时间内雾滴的下降距离H1① 0时，雾滴轴向运动的雷诺数Re0为d1uya0Re0

1.98104 51.7 0.75

2953a 0.0261032 4g d

4 9.81

0.75

341.98 104

1100

0.75Re a1 1 a

123.83f f 23a

233 0.026 103由Re与

Re2

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fRe 3.8。可见雾滴在降速阶段的雷诺数变化范围为3.8～295。f0由Re0

295查出 Re

5.4

104002 1 1 002

1.86

105002Re 5.4002

104

123.81②取一系列雷诺数Re1

250Re

200，Re

3.8，由Re与

Re2的关系列线图查出相应的

Re2

值，再计算出相应的

2f12f值，结果列于表3。2Re表3 Re与

1y及'的关系y2ReReRe21 2ReRe0 dRe 2Re ReReu a yd1a1/ms241d1Re dRe'23 Re Rea/s29545.40 101.86105051.6025044.38 102.291051.12 10343.80.0024920043.00 103.351052.75 10335.00.0060810041.10 109.191051.09 10217.50.02415033.75 102.761041.96 1028.750.04332531.49 107.321042.96 1024.380.06541024.10 103.491035.46 1021.750.121521.72 102.081020.1020.8750.2273.8123.8∞0.1310.6650.2901③以Re为横坐标，2Re2

1为纵坐标作图到2Re2

～Re关系曲线，如图5。2.50E-022.00E-02ξ1.50E-02ξ1.00E-025.00E-030.00E+00

0 50 100 150 200 250 300 350Re1图5 ～Re关系曲线图2Re④以Re=250为例，雾滴在降速运动时间内的轴向分速度为uaRe 250 0.026103uay

43.8m/sd1a1.9810d1a1对 ～Re关系曲线图解积分得2Re295250

dReRe

31.12 1032则停留时间为2d42 42d43' 113

295dRe

41100 1.9810

1.12

103

0.00249s250a

Re2

3 0.026

103其余各项计算结果列于表3。y⑤以'为横坐标，uy

为纵坐标作图，得到u～

'关系曲线，如图6。由图解积分y得到雾滴降速运动时间内的下降距离为yHud'0.290Hud'1 y0

1.425m60.00050.00040.00030.00020.00010.0000.0000.0000 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500 0.3000 0.3500',sy图6 u～'关系曲线图y2（2）等速运动时间内雾滴的下降距离H2雾滴在等速运动时间内的沉降速度为fuaRe 3.8fuat

0.026

103

0.665m/sd1a1.9810d1a雾滴等速运动的时间为''

' 3.38

0.290

3.09s雾滴在等速运动时间内的下降距离为Hu''2 tHu''2 t（3）塔的有效高度HHHH1 2HHH

1.425

2.055

3.48m圆整后，取H 4m。3.干燥塔热风进出口接管管径1（1）热风进口接管管径D1tv110.773tv11

11.244H1

273

0.773

1.244

0.006

273

300

1.64m3

/kg绝干气273 273热风进口流量为VvL1 1VvL1 1

1.64

6430m3h取热风进口接管内的气速为25m/s，则进口接管管径为 1 1 /3600u14 6430/36003.14 25D1圆整后热风进口接管管径取D 310mm。1

0.302m2（2）热风出口接管管径D2273 t

273

100v220.773v22

1.244H

2273

0.773

1.244

0.073

273

1.18m3/kg绝干气热风出口流量为VLv2 2VLv2 2

1.18

4627m3h取热风出口接管内的气速为25m/s，则出口接管管径为 2 4V 2 4V/3600u24 4627/36003.14 25D22圆整后热风出口接管管径取D 260mm。2(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Q11L'CpQ11

130 12

3944

1.009

130 12

469580kJ/hL'——实际空气消耗量由手册查出，蒸汽压力为0.4MPa

时，蒸汽的饱和温度为t

15℃，汽化潜热为sr 2115kJ/kg，取冷凝水的排出温度为151℃，则水蒸汽消耗量为sQG1 469580QGvr 2115

222kg/h加热器的热效率为

F 2 1

130 12

0.849tts 115112tts 1tt由散热排管的选择曲线查出，选择7R型排管，表面风速为3.8m/s，则所需排管的受tt风面积为

11.04V1

1.04 6430

0.489m2123600u'12

3600

3.87R型散热排管由S

2R 24

30型串联而成组散热面积为22.5m散热面积2为67.5m。2（2）电加热器所需电加热器的总功率为0ttL'2 1c 1.9260ttL'2 1

1.004

1.926

0.006

300

130

3944P v 199kW3600.82

3600.82

0.952.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HH3 20.073kg水HH3 2273 t 273 95v330.773v33

1.244H

3273

0.773

1.244

0.073

273

1.16m3/kg绝干气3含尘气体流量为3VLv3 3392VLv3 3

1.16

4548m/h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16m/s。3.袋滤器4H2进入袋滤器的气体温度取90℃，湿度为H 0.073kg水/kg绝干气4H2273 t 273 90v440.773v44

1.244H

4273

0.773

1.244

0.073

273

1.15m3/kg绝干气气体流量为VLv4 4VLv4 4

1.15

4509m3h过滤气速取3.5m/min，所需过滤面积为4509

221.5m260 3.52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27m，处理气量为24956480m3/h，设备阻力为980～1176Pa。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/Pa设备压降/Pa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