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1、 化工原理课程设计第 31 页目 录1.任务书21.1 设计任务21.2 任务说明21.3 设计内容22.前言22.1 工艺背景22.1.1 概述22.1.2 奶粉干燥简介32.1.3 喷雾干燥的原理32.1.4 喷雾干燥的特点32.2 喷雾干燥方案的选定42.2.1 干燥装置流程42.2.2 干燥器内热空气和雾滴的流动方向92.2.3 操作条件112.2.4 雾化器型式123.工艺计算163.1 物料衡算173.2 热量衡算173.3 雾化器的主要尺寸计算193.4 干燥器的主要尺寸计算203.4.1 临界点几个参数的计算203.4.2 干燥时间计算203.4.3 塔径计算213.4.4 塔
2、高的计算223.5 附属设备的设计和选型243.5.1 空气加热器243.5.2 风机243.5.3 气固分离器253.5.4 进料泵的选型273.5.5 热风进口分布装置283.5.6 排料装置284.设计结果汇总表295.主要参考书目306.设计体会301.任务书1.1 设计任务设计日处理 30 吨鲜奶的全脂奶粉干燥装置。1.2 任务说明原料为已经浓缩至浓奶含水 58 %，成品奶粉含水控制在小于 3 %。1.3 设计内容1、生产流程的确定，工艺条件选定。2、确定雾化器的形式及计算3、干燥塔工艺计算。包括空气消耗量、加热介质消耗量及塔径和塔高的计算。4、附属设备的计算和选型。包括空气加热器、
3、气固分离器、气液输送机械、热风进口及分布装置和排料装置。5、绘制喷雾干燥装置工艺流程图。6、编写设计说明书一份。2.前言2.1 工艺背景2.1.1 概述干燥器的种类有很多。常见的几种干燥器的分类方法如下：（1）按操作压力可分为常压型和真空型干燥器。（2）按操作方式可分为连续式和间歇式干燥器。（3）按热量传递的方式可分为：对流加热型干燥器，如喷雾干燥器、气流干燥器、流化床干燥器等；传导加热型干燥器，如耙式真空干燥器、滚筒干燥器、冷冻干燥器等；辐射加热型干燥器，如红外线干燥器、远红外线干燥器等；介电加热型干燥器，如微波加热干燥器等。在众多干燥器中，对流加热型干燥器的应用最多。如化学工业中，干燥塑料
4、、树脂等；食品工业中，奶粉及调味品的干燥；医学和生物化学领域中，干燥抗生素、酶、维生素、血浆等。2.1.2 奶粉干燥简介鲜奶的主要成分有水分：87%88%，总乳固体：12%13%，其中脂肪3.4%3.8%、蛋白质3.3%3.5%、乳糖4.6%4.7%、无机盐0.7%0.75%，使用喷雾干燥器制成奶粉。鲜奶中含水量大，所以在喷雾干燥之前，总是需要将奶用蒸发方式浓缩到40%50%的固含量，因为在蒸发器中蒸发水约比喷雾干燥器中蒸发水便宜十倍。2.1.3 喷雾干燥的原理将溶液、乳浊液、悬浮液或浆料在热风中喷雾成细小的液滴，在它下落的过程中，液滴中的水分被蒸发而形成粉末或颗粒状的产品，这样的过程成为喷雾
5、干燥。喷雾干燥的原理如图11所示。图1- Error! Main Document Only. 喷雾干燥示意图在干燥塔的顶部导入热风，同时用泵将料液送至塔顶，经过雾化器喷成雾状的液滴，这些液滴群的表面积很大，与高温热风接触后其中的水分蒸发，在极短的时间内便成为干燥产品，从干燥塔底部排出。热风与液滴接触后高温显著降低，湿度增大，它作为废气由排风机抽出。废气夹带的微粉用分离装置回收。物料干燥分等速阶段和降速阶段两个部分进行。在等速阶段，水分通过颗粒的扩散速度大于蒸发速度。水分蒸发是在液滴表面发生，蒸发速度由蒸气通过周围热风的扩散速度所控制。主要的推动力是周围热风和液滴的温度差，温差越大蒸发速度越快
6、。当水分通过颗粒的扩散速度开始减慢，干燥进入减速阶段。此时物料温度开始上升，干燥结束时物料的温度接近于周围空气的温度。2.1.4 喷雾干燥的特点喷雾干燥具有许多优点，主要的有以下几个方面： 干燥速度快。由于料液经喷雾后被雾化成几十微米大小的液滴，所以单位体积液滴具有的表面积很大，每升料液经喷雾后表面积可达300m2左右，因此传质、传热迅速，水分蒸发极快，干燥时间一般仅540s。 干燥过程中液滴的温度较低。喷雾干燥可以采用较高温度的热载体，但是干燥塔内的温度一般不会很高。在干燥初期，物料温度不超过周围热空气的湿球温度，干燥产品质量好，适合于热敏性物料的干燥。 产品具有良好的分散性和溶解性。根据工
7、艺要求，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、分散性和溶解性。 生产过程简化，操作控制方便。即使是含水量高达90%的料液，不经浓缩，同样能一次获得均匀的产品。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。 产品纯度高，生产环境好。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。对于有毒气和臭气的物料。可采用闭路循环系统的喷雾干燥设备，防止污染，改善环境。 适宜于连续化大规模生产。干燥
8、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。基于上述优点，喷雾干燥自20世纪40年代用于工业生产以来，已在化学工业、食品工业、医药、农药、陶瓷、水泥及冶金行业中获得了广泛的应用。喷雾干燥也具有以下几个缺点： 当热风温度较低（低于150）时，传质速率较低，需要的设备体积大，且低温操作时空气消耗量大，因而动力消耗随之增大； 从废气中回收粉尘的分离设备要求高，附属装置结构复杂，费用较高； 对一些糊状物料，干燥时需加水稀释，增大了干燥设备的负荷。但是这些缺点并不影响它的广泛应用，尤其是在大规模生产中，喷雾干燥的经济性极为突出。2.2 喷雾干燥方案的选定
9、2.2.1 干燥装置流程喷雾干燥获得的产品达数百种，因此，喷雾干燥的流程也是多种多样的。这里介绍的是基本类型。在实际生产中，可能多加几件或者减少几件设备，构成生产流程，但离不开这种基本类型。2.2.1.1 开放式喷雾干燥系统图1- Error! Main Document Only. 开放式喷雾干燥系统1-空气过滤器；2-空气加热器；3-精过滤器；4-物料过滤器；5-气流式雾化器；6-旋风除尘器；7-干燥塔该系统的特征是喷雾的料液全部是水溶液，干燥介质是来自大气的空气，空气通过干燥器及除尘系统后，再排放到大气中，不再循环使用，这是一种标准的流程。在工业生产中最为常见的是这种流程，如图12所示。
10、开放式喷雾干燥系统流程比较简单，各种型式的雾化设备装置都能使用，该系统的缺点是载热体消耗量较大。2.2.1.2 闭路循环喷雾干燥系统闭路循环喷雾干燥系统，是基于干燥介质为惰性气体（例如N2气）的再循环和再利用。当然，特殊情况下也可以用空气（如空气四氯化碳系统）。干燥系统部件间连接处要保证气密性密封，干燥室在低压0.196MPa（200mmH2O）下操作。起流程如图13所示。图1 3 闭路循环喷雾干燥系统 1贮料槽；2冷却塔；3加热器；4鼓风机；5洗涤冷凝器；6冷却器；7引风机；8旋风分离器通常在下述情况下需选择闭路循环流程： 原料液由固体和有机溶剂组成； 要求有机溶剂全部回收； 干燥有毒的固体
11、粉粒状产品； 不允许气味、溶剂蒸发和颗粒状物质的逸出，防止对环境大气造成污染； 粉尘在空气中可能形成爆炸混合物； 必须防止有机溶剂的爆炸和燃烧的危险； 在干燥过程中，由于氧化作用，粉尘不允许和氧接触。在流程中，设置的洗涤冷凝器，其目的之一是冷凝从物料中出来的进入惰性气体中的有机蒸汽，洗涤液就是固体中的有机溶剂；目的之二是洗涤气体中的粉尘，防止堵塞加热器。2.2.1.3 半闭路循环喷雾干燥系统这种流程表示在图14上。此系统用空气作为干燥介质。这个系统的部件间的连接是非气密性的，由系统排放到大气中的空气量，相当于漏入干燥系统的空气量。干燥器在微真空下操作，压力约在1030mmH2O。排放的少量气体
12、，能够较容易地处理，一般用作燃料的空气。该系统用于有气味和有毒的水溶液物料。但是，粉尘没有爆炸和燃烧的危险。需要间接加热，以防止粉体（产品）同燃烧产物接触。含有毒性颗粒或气味的少量排放气体，通过燃烧室的火焰区域，将其惰性化（即氧化）或脱味，然后排放到大气中。图1- Error! Main Document Only. 半闭路循环喷雾干燥系统1-干燥塔；2-燃烧炉间接换热器；3-鼓风机；4-洗涤-冷凝器；5-冷却器；6-循环泵；7-引风机；8-旋风分离器2.2.1.4 自惰化（Selfinertizing）喷雾干燥系统它也是一个半闭路循环系统。此流程表示在图15上。加热器采用直接燃烧，允许采用高
13、的干燥空气入口温度，可以提高干燥器热效率。排放的气体量等于在燃烧室燃烧产生的气体体积量（大约为总气体量的10%15%）。如果排出的气体有臭味，还可以将此部分气体通入燃烧室进行燃烧，并回收这部分热量，如图16所示。图1 5自惰化喷雾干燥系统1干燥器；2直接燃烧加热器；3鼓风机；4洗涤冷凝器；5冷却器；6循环泵；7引风机；8旋风分离器图1 6 带有预热和燃烧的自惰化喷雾干燥系统1干燥塔；2直接燃烧加热器；3废气回收热交换器；4鼓风机；5冷却器；6循环泵；7洗涤冷凝器；8引风机；9旋风分离器直接燃烧加热这样的流程，如果燃烧炉设计适宜，它可经获得完全燃烧的条件，采用非常少的过量燃料空气操作，可以建立起
14、自惰化系统。该流程用于水溶液物料，干燥产品不能和空气及氧气接触，或有爆炸的危险，或通过氧化作用，破坏产品质量。图1- Error! Main Document Only. 无菌的喷雾干燥系统1-压缩空气预过滤器（只用于二流体喷嘴）；2-间接空气加热器；3-高效颗粒空气过滤器；4-料液消毒过滤器；5-二流体喷嘴（或压力式喷嘴）；6-喷雾干燥器；7-高效颗粒空气过滤器；8-间接空气加热器；9-鼓风机；10-干燥空气预过滤器；11-旋风分离器；12-净化室隔层该系统的特征就是采用直接燃烧加热器，用燃烧气体更可取，容易控制燃烧。在燃烧室中，采用精确调节过剩燃烧用空气量，以得到低氧含量的循环干燥空气流。
15、一个自惰化系统，不需要氮气及其他惰性气体。系统不需要气密性密封。干燥室在微真空下操作，在干燥器附近没有粉尘。2.2.1.5 无菌的喷雾干燥系统药品的喷雾干燥，要求生产得到的产品没有污染和外来的特殊物质，要求非常净化的条件，采用无菌的喷雾干燥流程能满足这些条件。在无菌的流程中，设置高温高效颗粒空气过滤器和无菌液体过滤器，并结合无污染的雾化及粉体卸料系统。无菌系统主要用于制药工业。无菌的喷雾干燥流程，示于图17上。2.2.1.6 二级干燥系统图1- Error! Main Document Only. 二级干燥流程1-过滤器；2-加热器；3-干燥器；4-旋风分离器；5-引风机；6-振动流化床；7-加热器；8-冷却器；9-过滤器上述的全部喷雾干燥流程，在一般情况下，都能满足产品质量（如颗粒尺寸分布、残余湿含量、体积密度等）要求。上述的一级流程，代表着绝大多数的喷雾干燥系统。但是，为了进一步改善产品质量和提高干燥器的热效率（这是
