化工原理課程設(shè)計(jì)-噴霧干燥器地設(shè)計(jì)

噴霧干燥器的設(shè)計(jì)一、 概述（一）噴霧干燥簡介噴霧干燥是將溶液或懸浮液等分散成細(xì)粒后用氣態(tài)載熱(載濕)體使其迅速干燥的過程。因此噴霧干燥特別適用于處理對熱敏感的物質(zhì),同時(shí)還可縮短工藝過程、省去過濾、離心、沉降、研磨等操作;且可以控制成品的松密度、顆粒大小,及獲得高度的溶解性。大型噴霧干燥的脫水能力可達(dá)每小時(shí)幾千公斤。因此工業(yè)上的應(yīng)用日益廣泛，諸如奶粉、蛋粉、蛋白脾、骨膠、;咖啡、生物制品、藥物、推生素、抗菌素、酵母,甚至某種菌類芽胞等的干燥,以及許多要求極細(xì)分散度的產(chǎn)品如氫氧化鋁、紙張?zhí)盍稀⒏邘X土、化裝品用碳酸鈣等都有采用。還有一些極細(xì)顆粒的懸浮液,過濾困難,也可用噴霧干燥直接獲得干物料。(二) 噴霧干燥的原理噴霧干燥是將溶液、漿液或懸浮液在熱風(fēng)中噴霧成細(xì)小液滴，液滴在下降過程中，水分被迅速汽化而達(dá)到干燥目的，從而獲得粉末或顆粒狀的產(chǎn)品。物料的干燥過程分為等速階段和降速階段等速階段分通過顆粒的擴(kuò)散速率大于汽化速率，水分汽化是在液滴表面發(fā)生，等速階段又稱為表面汽化控制階段。當(dāng)水分通過顆粒的擴(kuò)散速率降低而不能維持顆粒表面的充分潤濕時(shí)化速率開始減慢燥進(jìn)入降速階段，降速階段又稱為內(nèi)部遷移控制階段。（三）噴霧干燥的特點(diǎn)1.噴霧干燥的優(yōu)點(diǎn)主要是：（1） 干燥速度快。（2） 產(chǎn)品具有良好的分散性和溶解性。（3） 生產(chǎn)過程簡化，操作控制方便。（4） 產(chǎn)品純度高，生產(chǎn)環(huán)境好。（5） 適宜于連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)。2.噴霧干燥的缺點(diǎn)有：（1）低溫操作時(shí)，傳質(zhì)速率較低，熱效率較低，空氣消耗量大，動力消耗也隨之增大。（2）從廢氣中回收粉塵的設(shè)備投資大。（3）干燥膏糊狀物料時(shí)，干燥設(shè)備的負(fù)荷較大。二、 工藝設(shè)計(jì)條件干燥物料為懸浮液燥介質(zhì)為空氣源為蒸汽和電化器采用旋轉(zhuǎn)型壓力式噴嘴，選用熱風(fēng)——霧滴并流向下的操作方式。具體工藝參數(shù)如下：料液處理量

330kg2料液含水量2

1 80%（濕基； 產(chǎn)品含水量 w2

2%（濕基）1料液密度1

1100gm3

； 產(chǎn)品密度

900kgm3熱風(fēng)入塔溫度

t ； 熱風(fēng)出塔溫度

t 12料液入塔溫度12； 產(chǎn)品出塔溫度12產(chǎn)品平均粒徑12

d 125

m； 產(chǎn)品比熱容

2.5kJkg℃)2c2加熱蒸汽壓力（表壓）2c2

0.4MPa； 料液霧化壓力（表壓）

4MPa年平均溫度 12℃； 年平均相對濕度 70%三、 干燥裝置流程干燥裝置采用開放式流程。熱風(fēng)在系統(tǒng)中使用一次，經(jīng)袋濾器除塵后，就排入大氣中，不再循環(huán)使用。四、 工藝流程圖1——料液貯罐 2——料液過濾器 3——截止閥 4——隔膜泵 5——穩(wěn)壓罐6——空氣過濾器 7——鼓風(fēng)機(jī) 8——翅片式加熱器 9——電加熱器10——干燥塔 11——星形卸料閥 12——旋風(fēng)分離器 13——霧化器14——袋濾器 15——碟閥 16——引風(fēng)機(jī) 17——消音器圖1 噴霧干燥裝置工藝流程示意圖五、 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算(一)物料衡算1.絕干物料流量GG

11Gw)11

330(1

80%)

66kg22.產(chǎn)品產(chǎn)量G2Gw)

330(1

80%)G1 1 G2

67.3kg3.水分蒸發(fā)量WW

1 w2G2

1330

2%67.3

262.7kg(二)熱量衡算m1.物料升溫所需熱量qmqmGc22 2167.3 2.59qmGc22 2167.3 2.59020W262.7l2.汽化1kg水的熱損失qlFt11q按經(jīng)驗(yàn)公式q 計(jì)算11W——干燥塔表面對周圍空氣的傳熱系數(shù)，

33.4

0.21twtww——干燥塔外表面溫度，取t wtww33.4 0.2140 41.8J/m2℃hF——干燥塔散熱面積，取F 30m2t——壁溫

室溫， t

40 12

2qFt 41.8 30 28q1

133.6kJ

/kg水W23.干燥塔出口空氣的濕度H2根據(jù)熱量衡算

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，為一直線方程即1H H10根據(jù)給出的工藝設(shè)計(jì)條件，t ，0

70%

，由濕空氣的H-I圖查出，HH1 0t10.006kg水/kg絕干氣。當(dāng)HH1 0t1

時(shí)，由濕空氣的H-I圖查出，I1320kJ/kg絕干氣。任取H 0.05kg水/kg絕干氣，則I1I 94.7

0.05

0.006

320

315.8kJ

/kg絕干氣1連結(jié)點(diǎn)AH1

0.006kg水

320kJ/kg絕干氣和點(diǎn)1BH 0.05kg水1

kJ/kg絕干氣延長與t線相交于點(diǎn)22D，點(diǎn)D就是出口空氣狀態(tài)點(diǎn)。由H-I圖查出，H 0.073kg水/kg絕干氣。22320kJkg絕干氣t54℃t300℃AIB t=125℃Ct=100℃DHHcH0.006

0.05

0.0730.063H2圖2 H求解過程示意圖24.空氣消耗量絕干空氣的消耗量為W 262.7HHLHH

3921kg/h2 10.073 0.0062 1實(shí)際空氣消耗量為H0L' L1H0

3921

1 0.006

3944kg/h(三)霧滴干燥所需時(shí)間1.霧滴臨界含水量XC物料在干燥塔進(jìn)出口處的干基含水量分別為w 80%X 1 Xw111w11

4kg水/kg絕干料180%12%X 2 X2

0.020kg水/kg絕干料21 w 1 2%21Xd13Xd1c 1 2

1100

11 0.0203

0.63d1Xd21 2 1d1Xd2

900 1 4dc——液滴臨界滴徑，dcd1——初始液滴滴徑d1

125m即在恒速干燥階段液滴體積收縮了37%3液滴在恒速干燥階段由于收縮而減小的體積為3d36

0.63d

0.75

d36除去的水分質(zhì)量為`d30.75 w6剩余的水分質(zhì)量為d3

0.80

0.7516 w1臨界含水量為3d310.801X6Xcd3c

w0.75w

0.75w 4 40.20

0.750.20

10001100

0.59kg水/kg絕干料10.20 11612.初始滴徑d1dcc d1d 1251d c 198m13.汽化潛熱r

0.63

0.6311熱空氣入塔溫度t ，濕度H 0.006kg/kg絕干氣，由濕空氣H-I圖查出，11w熱空氣入塔狀態(tài)下的濕球溫度tw手冊得水在5的汽化潛熱r

2369kJ

/kg。4.導(dǎo)熱系數(shù)平均氣膜溫度為

54 1002

7查手冊得空氣在77℃下的導(dǎo)熱系數(shù)

310

5kW℃)5.恒速階段物料表面溫度asw即空氣的絕熱飽和溫度t，可以取空氣入塔狀態(tài)下的濕球溫度aswttas wttc6.空氣臨界溫度tc恒速階段的水分蒸發(fā)量為WGXX1 1 cWGXX

664

0.59

225.1kg空氣的臨界濕度為HH1HHc 0L

0.006

225.13921

0.063kg水/kg絕干氣c在H-I圖中，過Hc

作垂線，與AD交于點(diǎn)C，點(diǎn)C溫度即為空氣臨界溫度t

，由H-Ic查出ctctc17.霧滴在恒速階段的干燥時(shí)間1恒速階段熱空氣與液滴的溫度變化空氣：3012液滴：25平均推動力為300 20 125 54t1ln300 20125 542d2r1d1 c2d2

2369

11001.98

104

1.25

104

221.68s2211 8 t1

8 3105

152.38.霧滴在降速階段的干燥時(shí)間2降速階段熱空氣與物料的溫度變化空氣：1210物料：59平均推動力為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.霧滴干燥所需時(shí)間

1 2 1.68

1.70

3.38s(四)壓力噴嘴主要尺寸的確定1.霧化角為了了使塔徑不致過大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取 49。2.流量系數(shù)C049，由

與A'的關(guān)聯(lián)圖查出，噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)A'

1.0。A' 1.0，由A'與C0的關(guān)聯(lián)圖查出，流量系數(shù)C0

0.45。3.噴嘴孔徑d02p1由2p1330C02p10.C02p10.452 4 1061100

3600

2.17

1062由F d04d0

4 2.174 2.171063.14

103m4F圓整，取d4F

2mm。4.噴嘴旋轉(zhuǎn)室尺寸噴嘴孔半徑取1mm，即r0

選用矩形切向通道，切身通道寬度取1.2mm，即b旋轉(zhuǎn)室直徑為10mm，則半徑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圓整，取h 3.0mm5.核算噴嘴的生產(chǎn)能力d0和h經(jīng)圓整后r01r014.40

1.042bh

21.2

3.0與原A' 1.0很接近，不必復(fù)算，可以滿足設(shè)計(jì)要求。6.空氣心半徑rCr0RA

3.14 1 5

2.182bh

2 1.2

3.0A 2.18，由

與A的關(guān)聯(lián)圖查出，

0.47r2r1由 c 1r2r011 0.47rc r0 11 0.47

0.73mm7.噴嘴出口處液膜速度u0及其分速度ux、uy330uQurr0 2 2rr0 c

3.14

110020.0012

360020.000732

56.8m/s液膜與軸線成

角噴出，u可分解成徑向速度ux2x

和軸向速度uy49yuux 0sinuux 02uuy 0cosuuy 02

56.856.8

sin249cos2

23.6m/s51.7m/s圖3 離心型壓力式霧化器結(jié)構(gòu)示意圖表1 壓力噴嘴主要尺寸單位：mmd0rc噴嘴旋轉(zhuǎn)室尺寸r0bRR1h49°20.7311.254.43.0(五)干燥塔主要尺寸的確定1.塔徑塔內(nèi)空氣的平均溫度為

300

100t 202a由手冊查出，在200℃下，空氣的動力粘度為a

0.026mPa

s，空氣的密度為a30.75kg/m。a3x0（1）由徑向分速度u，計(jì)算 0時(shí)的雷諾數(shù)Rex0du0Re 1xdu0

1.98104 23.6 0.75

135a0.026103a0Re Re0

23.6m/s， 0xx（2）取一系列Re，求出相應(yīng)的霧滴水平飛行速度u和停留時(shí)間 。xx0如取Re=100，由Re0

du1xa，與Rea

100對應(yīng)的霧滴水平飛行速度為uaRe 100 0.026103uax

17.5m/sd1 a1.98104 0.75d1 a由Re與

210Re

d(Re)Re

2的列線圖查出2210A100

d(Re)Re

210135

d(Re)Re

1.45 10

1.15 10

0.31022222相應(yīng)的的停留時(shí)間為22222242

4 0.3

102

1.98

2104

1100 1 1

6.63

103s33a0.02610333a其余各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果列于表2。x表2 停留時(shí)間 與霧滴水平運(yùn)動速度u的關(guān)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 為橫坐標(biāo)，u為縱坐標(biāo)畫出u～

關(guān)系曲線，如圖4，用圖解積分可得x0.313S0

uxd

0.732m即霧滴由沿徑向運(yùn)動的半徑距離為S 0.732m，則塔直徑為圓整后取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圖4 u

關(guān)系曲線圖2.塔高（1）降速運(yùn)動時(shí)間內(nèi)霧滴的下降距離H1① 0時(shí)，霧滴軸向運(yùn)動的雷諾數(shù)Re0為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與

Re2

的關(guān)系列線圖查出，霧滴由降速運(yùn)動變?yōu)榈人龠\(yùn)動時(shí)的瞬時(shí)雷諾數(shù)為fRe 3.8?？梢婌F滴在降速階段的雷諾數(shù)變化范圍為3.8～295。f0由Re0

295查出 Re

5.4

104002 1 1 002

1.86

105002Re 5.4002

104

123.81②取一系列雷諾數(shù)Re1

250Re

200，Re

3.8，由Re與

Re2的關(guān)系列線圖查出相應(yīng)的

Re2

值，再計(jì)算出相應(yīng)的

2f12f值，結(jié)果列于表3。2Re表3 Re與

1y及'的關(guān)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為橫坐標(biāo)，2Re2

1為縱坐標(biāo)作圖到2Re2

～Re關(guān)系曲線，如圖5。2.50E-022.00E-02ξ1.50E-02ξ1.00E-025.00E-030.00E+00

0 50 100 150 200 250 300 350Re1圖5 ～Re關(guān)系曲線圖2Re④以Re=250為例，霧滴在降速運(yùn)動時(shí)間內(nèi)的軸向分速度為uaRe 250 0.026103uay

43.8m/sd1a1.9810d1a1對 ～Re關(guān)系曲線圖解積分得2Re295250

dReRe

31.12 1032則停留時(shí)間為2d42 42d43' 113

295dRe

41100 1.9810

1.12

103

0.00249s250a

Re2

3 0.026

103其余各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果列于表3。y⑤以'為橫坐標(biāo)，uy

為縱坐標(biāo)作圖，得到u～

'關(guān)系曲線，如圖6。由圖解積分y得到霧滴降速運(yùn)動時(shí)間內(nèi)的下降距離為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圖6 u～'關(guān)系曲線圖y2（2）等速運(yùn)動時(shí)間內(nèi)霧滴的下降距離H2霧滴在等速運(yùn)動時(shí)間內(nèi)的沉降速度為fuaRe 3.8fuat

0.026

103

0.665m/sd1a1.9810d1a霧滴等速運(yùn)動的時(shí)間為''

' 3.38

0.290

3.09s霧滴在等速運(yùn)動時(shí)間內(nèi)的下降距離為Hu''2 tHu''2 t（3）塔的有效高度HHHH1 2HHH

1.425

2.055

3.48m圓整后，取H 4m。3.干燥塔熱風(fēng)進(jìn)出口接管管徑1（1）熱風(fēng)進(jìn)口接管管徑D1tv110.773tv11

11.244H1

273

0.773

1.244

0.006

273

300

1.64m3

/kg絕干氣273 273熱風(fēng)進(jìn)口流量為VvL1 1VvL1 1

1.64

6430m3h取熱風(fēng)進(jìn)口接管內(nèi)的氣速為25m/s，則進(jìn)口接管管徑為 1 1 /3600u14 6430/36003.14 25D1圓整后熱風(fēng)進(jìn)口接管管徑取D 310mm。1

0.302m2（2）熱風(fēng)出口接管管徑D2273 t

273

100v220.773v22

1.244H

2273

0.773

1.244

0.073

273

1.18m3/kg絕干氣熱風(fēng)出口流量為VLv2 2VLv2 2

1.18

4627m3h取熱風(fēng)出口接管內(nèi)的氣速為25m/s，則出口接管管徑為 2 4V 2 4V/3600u24 4627/36003.14 25D22圓整后熱風(fēng)出口接管管徑取D 260mm。2(六)主要附屬設(shè)備的選型1.空氣加熱器環(huán)境空氣先用翅片式加熱器由12℃加熱到130℃，再用電加熱器加熱到300℃。（1）翅片式加熱器濕空氣由12℃升溫至130℃的傳換熱量為Q11L'CpQ11

130 12

3944

1.009

130 12

469580kJ/hL'——實(shí)際空氣消耗量由手冊查出，蒸汽壓力為0.4MPa

時(shí)，蒸汽的飽和溫度為t

15℃，汽化潛熱為sr 2115kJ/kg，取冷凝水的排出溫度為151℃，則水蒸汽消耗量為sQG1 469580QGvr 2115

222kg/h加熱器的熱效率為

F 2 1

130 12

0.849tts 115112tts 1tt由散熱排管的選擇曲線查出，選擇7R型排管，表面風(fēng)速為3.8m/s，則所需排管的受tt風(fēng)面積為

11.04V1

1.04 6430

0.489m2123600u'12

3600

3.87R型散熱排管由S

2R 24

30型串聯(lián)而成組散熱面積為22.5m散熱面積2為67.5m。2（2）電加熱器所需電加熱器的總功率為0ttL'2 1c 1.9260ttL'2 1

1.004

1.926

0.006

300

130

3944P v 199kW3600.82

3600.82

0.952.旋風(fēng)分離器進(jìn)入進(jìn)入旋風(fēng)分離器的含塵氣體按空氣處理，氣體溫度取95℃，濕度為HH3 20.073kg水HH3 2273 t 273 95v330.773v33

1.244H

3273

0.773

1.244

0.073

273

1.16m3/kg絕干氣3含塵氣體流量為3VLv3 3392VLv3 3

1.16

4548m/h選用擴(kuò)散式旋風(fēng)分離器，查CLK型旋風(fēng)分離器主要性能表，選用兩臺CLK-4.0型擴(kuò)散式旋風(fēng)分離器，進(jìn)口風(fēng)速為16m/s。3.袋濾器4H2進(jìn)入袋濾器的氣體溫度取90℃，濕度為H 0.073kg水/kg絕干氣4H2273 t 273 90v440.773v44

1.244H

4273

0.773

1.244

0.073

273

1.15m3/kg絕干氣氣體流量為VLv4 4VLv4 4

1.15

4509m3h過濾氣速取3.5m/min，所需過濾面積為4509

221.5m260 3.52查脈沖袋濾器造型表，選用DMC-36型脈沖袋濾器。其過濾面積為27m，處理氣量為24956480m3/h，設(shè)備阻力為980～1176Pa。4.風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中采用兩臺風(fēng)機(jī)，一臺為鼓風(fēng)機(jī)，安裝在干燥塔前；另一臺為引風(fēng)機(jī)，安裝在干燥塔后。設(shè)備阻力以干燥塔為基準(zhǔn)分前段阻力和后段阻力。在操作條件下，空氣流經(jīng)系統(tǒng)各設(shè)備和管道的阻力大體如表4所示。表4 干燥系統(tǒng)阻力估算表設(shè)備壓降/Pa設(shè)備壓降/Pa空氣過濾器200干燥塔100翅片式加熱器300旋風(fēng)分離器1500電加熱