離心噴霧干燥塔設計說明

1、淮海工學院課程設計報告書題目:離心噴霧干燥塔設計（500Kg/h）學院：海洋學院專業(yè)：食品科學與工程班級：食品071班姓名：孫 鎮(zhèn)學號:040711122指導老師：李升福杜云建2010年 1 月 1 日緒論第一節(jié)概述.，1.1 離心噴霧干燥的原理1.2 噴霧干燥的特點1.3 噴霧干燥設備的組成1.4 離心霧化器的形式和結構第二節(jié)設計方案的確定.2.1 確定設計方案的原則2.2 確定操作參數(shù).2.3 離心噴霧干燥工藝條件范圍2.4 注意事項第三節(jié)離心噴霧干燥塔的工藝計算3.1 基礎參數(shù)的選取.3.2 物料衡算.3.3 熱量衡算.第四節(jié)離心噴霧干燥塔主要尺寸計算4.1選用多管式霧化器.4.2 霧滴

2、直徑4.3 霧滴運動參數(shù)4.4 霧距的半徑4.5 干燥塔.4.6 干燥室的計算4.7 時間計算4.8 校正4.9 功率第五節(jié)離心噴霧干燥的附屬裝置.5.1 供料裝置.5.2 熱風分配器5.3 干燥室.5.4 粘壁清除裝置5.5 控制系統(tǒng).5.6 CIP 自動清洗裝置參考文獻.課程設計是食品工程原理課程的一個總結性教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生綜合 運用本門課程及有關選修課程的基本知識去解決某一設計任務的一次訓練。 在整 個教學計劃中，它也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。課程設計不同于平時的作業(yè)，在設計中需要學生自己做出決策，即自己確定 方案，選擇流程，查取資料，進行過程和設備計算，并要對自己的選擇做

3、出論證 和核算，經(jīng)過反復的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。所以，課 程設計是培養(yǎng)學生獨立工作能力的有益實踐。干燥技術的應用，在我國具有十分悠久的歷史。聞名于世的造紙技術就顯示 了干燥技術的應用。天工開物一書中也描述了人工加熱干燥過程，總結了我 國勞動人民的干燥實踐，反映了我國古代勞動人民的高度智慧。 在解放前，我國 干燥技術的應用一般仍停留在手工作坊的階段。 解放以后，干燥技術的應用發(fā)展 很快，20世紀50年代初期，分散懸浮態(tài)干燥技術（如氣流干燥等）開始工業(yè)應 用，干燥技術的研究工作也普遍展開，高效的干燥設備也在生產(chǎn)中應用。 隨著工 業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，化學工業(yè)的機械化、大型化和自動化

4、水平的提高，作為化工單 元操作設備之一的干燥設備也必將更加迅速的發(fā)展。干燥既是古老又是應用最普遍的單元操作，干燥操作不僅應用于化工、石油 化工等工業(yè)中，還普遍運用于醫(yī)藥、食品、原子能、紡織、建材、采礦、電工、 機械制品以及農(nóng)產(chǎn)品等行業(yè)中。干燥的目的是除去某些原料、半成品中的水分或溶劑，就化學工業(yè)而言，使 物料便于包裝、運輸、儲藏、加工和使用。而食品干燥是一種用于長期保藏食品 的工業(yè)加工操作，食品物料被干燥后，重要的一個特征就是水分含量很低， 其形 態(tài)呈固體特性。因而，對食品進行干燥，目的是為了減少食品的體積和重量，以 便運輸或減少運輸費用；對食品去除大部分水分后，可以有效地防止微生物在食 品產(chǎn)

5、品中的繁殖，使食品更便于儲存和提高使用的方便性等。由于被干燥的食品在形狀、大小、含水量及熱敏性等性質上的千差萬別， 故 食品工業(yè)上可用的干燥設備類型繁多。 干燥設備有多種分類方法：根據(jù)操作壓強 的不同可以分為常壓干燥器和真空干燥器； 根據(jù)操作方式的不同可以分為連續(xù)式干燥器和間歇式干燥器；根據(jù)干燥介質和物料的相對運用方式的不同可以分為并 流、逆流和錯流干燥；也可根據(jù)供熱方式的不同分為對流干燥器、傳導干燥器、 輻射干燥器和介電加熱干燥器。干燥方法包括最原始的自然干燥法以及利用外來熱量的熱風干燥法、噴霧干燥法、薄膜干燥法及冷凍干燥法等多種方法。食品生產(chǎn)中經(jīng)常使用的是無損于食品風味、不易引起變色和變質

6、的噴霧干燥，冷凍真空干燥和真空皮帶式干燥等 高品質干燥技術。在我國乳制品工業(yè)的奶粉制造中，絕大部分工廠都已采用較先 進的噴霧干燥工藝。乳制品的干燥不僅是傳熱過程，而且也是傳質過程。因此是一種較復雜的 物理化學變化過程。在干燥時，易分離的是在產(chǎn)品表面與毛細管內的自由水分； 而最難分離出來的是膨脹水分，特別是與產(chǎn)品結合水中的吸附水。因此在干燥時， 可先用較經(jīng)濟的方法除去容易蒸發(fā)的水分， 而后再用耗能較大的干燥方法除去最 后殘留的難蒸發(fā)的水分。本課程設計課題為離心噴霧干燥塔設計（500Kg/h）。塔設備又稱塔器，即一類塔形的化工設備，是具有一定形狀（截面大多 是圓形）、一定容積、內外裝置一定附件的容

7、器。塔設備是用以使氣體與 液體、氣體與固體、液體與液體或液體與固體密切接觸，并促進其相互作 用，以完成化學工業(yè)中熱量傳遞和質量傳遞過程的設備。所采用材料必須 對被處理的物料具有耐腐蝕性能。并按其所能承受的壓力進行設計。大多 應用于蒸餾、吸收、萃取、吸附、干燥等操作。噴霧干燥根據(jù)濃縮乳的霧化方法主要可以分為三類，即壓力噴霧干燥法、離心噴霧干燥法和氣流噴霧干燥法。其中，氣流噴霧在食品工業(yè)中采用較少。噴霧干燥設備在工業(yè)上應用主要有： 催化劑的干燥，洗滌劑的干燥，染料和 顏料的干燥，化學肥料的干燥，聚合物的干燥，陶瓷原料的干燥，礦物的干燥， 農(nóng)藥的干燥，藥品的干燥，速溶食品（如全脂奶粉、脫脂奶粉、麥乳

8、精、可溶性 魚粉、魚漿及魚蛋白質等）的干燥等等。第一節(jié) 概述1.1離心噴霧干燥的原理離心噴霧是利用在水平方向作高速旋轉運動的圓盤上注入料液，使料液在離心力的作用下被高速甩出，形成薄膜、細絲或液滴，被 甩出的料液受到因圓盤高速轉動而帶動旋轉的 空氣的摩擦、阻礙和撕裂等作用而被分散成微 小的液滴。料液在霧化過程中受到兩種力的作用，即離心力和重力的作用下的加速度和與周圍空氣的摩 擦而產(chǎn)生霧化。故霧化情況與料液的物性、流量， 離心圓盤直徑、轉速有關。當料液流量很少時， 料液的霧化主要是受離心力的作用，料液被霧化圖1:離心噴霧的的直(粒)徑取決于所受的離心力和料液的黏度、霧化原理表面張力的關系。當離心力

9、大于表面張力時，圓盤周邊的球狀液滴立即被拋出而 分裂霧化，液滴中伴有少量大液滴，如圖2(a)所示；當料液流量增加，轉速加快時，球狀料液則被拉成絲狀射流，被拋出的液絲極不穩(wěn)定，在離圓盤周邊不遠 處即被分裂霧化成小液滴，如圖 2 (b)所示；若料液流量繼續(xù)增加，則液絲間 互相并成薄膜，拋出的液膜離圓盤周邊一定距離后，被分裂成分布較廣的液滴， 若料液在圓盤上的滑動能減到最小，則可使液滴以高速噴出，在圓盤周邊與空氣 發(fā)生摩擦而被霧化，如圖2(c)所示。圖2：a.直接分裂成液滴b.絲狀割裂成液滴c.膜狀分裂成液滴1.2噴霧干燥的特點噴霧干燥的優(yōu)點 干燥過程非常迅速，采用專門的設備（噴嘴或轉盤）霧化成很分

10、散的微粒（直 徑在10-200 口 m）,具有很大的表面積，與高溫（150-250 C）的熱空氣接觸后， 在0.01-0.04S內就完成了干燥。 噴霧干燥所得之產(chǎn)品，通常不需要做進一步磨碎，簡化了工序。噴霧干燥時，可以隨時調節(jié)改變干燥條件而調整產(chǎn)品質量指標。 在干燥過程中，由于濕物料直接與熱空氣接觸，發(fā)生瞬間蒸發(fā)，在設備材料 選樣上，沒有像其他熱交換器那樣嚴格。 干燥過程是在完全密閉狀態(tài)下進行的，因而干燥室內具有一定的負壓。這樣 既保證了生產(chǎn)中的衛(wèi)生條件，又避免了粉塵在車間內飛揚，從而提高了產(chǎn)品 的強度。 噴霧干燥生產(chǎn)效率高，操作人員少。對產(chǎn)品的粒徑、相對密度、含水量可根據(jù)需要，很容易進行調節(jié)

11、。噴霧干燥的缺點 設備比較復雜，一次投資較大。使被干燥物料霧化成細小微粒和從廢氣中回收夾帶的粉末。需要一套價格較高的復雜設備。 為了降低產(chǎn)品中水分含量，因廢氣中濕含量高，以致需要較多的空氣量，從 而增加鼓風機的電能消耗與回收裝置的容量。熱效率不高，熱消耗大。離心噴霧滿足的條件 圓盤要加工精密，動平衡好，旋轉時無振動。旋轉時產(chǎn)生的離心力必須大于物料的重力。 給料必須均勻且圓盤表面均被物料液所潤濕。圓盤及溝槽必須平滑。保證霧化均勻，圓盤的圓周速度應取 60m/s, 般為90-120m/s離心噴霧干燥的特點根據(jù)原理可知，調整轉速，可以調整霧化料液的粒徑，轉速高則液滴細，液 相的比表面積就大，從而可以

12、提高干燥的傳熱、傳質效率。物料黏度的適應性比壓力噴霧廣。既可以處理低黏度的料液，對高黏度濃縮 料液進行霧化干燥的效果也較好，因此，可以提高霧化料液的濃縮程度。噴霧器的材料要求具有質輕強度高的性能， 對材質的要求高。工藝上應用的 告訴旋轉霧化器的轉速一般為10000-40000r/min,轉速高，對軸系及傳動系統(tǒng)的 選材、制造精度、安裝精度的要求高且嚴格。1.3噴霧干燥設備的組成干燥室干燥室的形狀、大小與霧化器的形式、空氣分布器、尾氣排出管、排粉方式 有關，取決于乳品的性質和對制品的要求。乳品干燥中主要用：垂直下降并流型。 這種形式的的熱和氣流和液滴相接處，雖然氣流溫度高，其熱量都供給水分蒸發(fā)，

13、 實際液滴表面溫度接近濕球溫度，故仍能保持物料原有的特性。熱空氣系統(tǒng)直流式空氣分配器中間有一斜面的調節(jié)筒， 可防止熱風短路。熱風直線狀從 上至下運動，這種裝置常用于乳品行業(yè)中。霧化裝置與供料系統(tǒng)霧化裝置的作用是將乳液分散成符合要求的液滴。本設計采用的是離心式霧 化器。乳粉回收系統(tǒng)在噴霧干燥系統(tǒng)中，部分干粉在干燥室內自由沉降至底部經(jīng)鎖氣閥分出； 少 部分細分隨尾氣攜出。從尾氣中分離出的乳粉形成回收系統(tǒng)。 常用的第一級分離 器是旋風分離器。乳粉的后處理剛從干燥塔排除后的乳粉溫度通常為 7080C，若長時間放置會產(chǎn)生熱變性或吸濕固化。將塔底和旋風分離器底部排除的乳粉集中到風送管道內由過濾后的冷風輸送

14、到風送旋風分離器集中排料。1.4離心霧化器的形式和結構碟形光滑圓盤外形似倒放碟子，表面光滑，具有銳利周邊，料液流經(jīng)表面即被剪短，適用 于細粒噴霧。當剪短力小時也能噴粗粒。142 多管圓盤在圓盤周邊嵌入許多噴管，孔徑大小的改變將影響霧滴的粗細， 適用于粒度 大小要求均勻的場合。143 多葉圓盤在盤蓋和圓盤間有許多葉片分隔，使噴霧時周邊影響小。葉片間分隔間距越 小，則噴出的液滴越細，反之則越粗。144多層圓盤在大生產(chǎn)能力的情況下，以設計多層管式圓盤較為合適。根據(jù)處理量的大小， 有雙層和三層兩種。其特點是在不增大圓盤直徑且噴距相同的情況下增加噴霧 量。耐磨圓盤適用于磨損性較大的懸濁液的噴霧。注意事項

15、設計離心噴霧圓盤時，應盡可能不要增大圓盤直徑。 直徑增大，圓盤重量加 重,對動平衡要求提高（要求v 0.2g/m ）。高速離心機對圓盤和機組的加工精度 要求很高，否則操作上會產(chǎn)生危險。此外隨著圓盤直徑的增大，霧滴在干燥塔中 的分布也不均勻，往往離塔中心一定距離中沒有充滿噴霧。實踐證明，平直葉片圓盤要比蝸行曲線葉片圓盤的功率消耗小， 且結構簡單, 加工方便，同樣能得到較好的噴霧效果。噴霧圓盤是用離心噴霧機來實現(xiàn)高速旋轉的。第二節(jié)設計方案的確定2.1確定設計方案的原則確定設計方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學技術上的最新成就，使生產(chǎn)達到技術上最先進、經(jīng)濟上最合理的要求，符合優(yōu)質、高產(chǎn)、安全

16、、 低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點：滿足工藝和操作的要求：所設計出來的流程和設備，首先必須保證產(chǎn)品達到 任務規(guī)定的要求，而且質量要穩(wěn)定。其次所定的設計方案需要有一定的操作 彈性，再其次，要考慮必需裝置的儀表（如溫度計、壓強計，流量計等）及其 裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出 不正常的原因，以便采取相應措施。 滿足經(jīng)濟上的要求：要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設備及基建費用。降低 生產(chǎn)成本是各部門的經(jīng)常性任務，因此在設計時，是否合理利用熱能，采用 哪種加熱方式等均要作全面考慮，力求總費用盡可能低一些。而且，應結合 具體條件，選擇最佳方案。 保證安全生產(chǎn)：如

17、塔是指定在壓強下操作的，塔內壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會使塔受到破壞，因而需要安全裝置。以上三項原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。 但在食品工程原理課程設計中，對 第一個原則應作較多的考慮，對第二個原則只作定性的考慮，而對第三個原則只 要求作一般的考慮。2.2確定操作參數(shù) 產(chǎn)品要求應具有的性質，粗粒還是細粒，空心還是實心的結構，松密度高低選用的離心式霧化器的類型進料的濃度干燥溫度產(chǎn)品冷卻的要求產(chǎn)品排出的方法粉塵回首形式熱源對設備材質的特殊要求2.3離心噴霧干燥工藝條件范圍 濃縮乳濃度密度：1120Kg/m3 比重：1.089-1.098干物質：40-50% 料溫：45-50 C 離心盤轉速：80

18、00-15000r/min 進風溫度：控制在150-170 C之間 排風溫度：控制在50-80 C之間干燥室溫度：控制在85-95 C之間乳粉水分：w 3%2.4注意事項噴霧干燥在乳品工業(yè)的應用歷史悠久，由于傳熱和傳質過程十分復雜，影響 干燥的因素又多，因此尚未有完整的理論可以遵循來進行設計。 但重點考慮以下 三個方面內容：料液的霧化，霧化器的特性，顆粒的均勻性和粒徑分布； 液滴的干燥速度及干制品的性狀，影響質量的因素； 干燥塔內氣流和液滴的混合及其運動軌跡。除了上述基本問題以外，對于干燥塔的粘壁和清掃問題，產(chǎn)品的相對密度問 題，微粉的捕集問題等等還需要尋求良好的解決方法?？偟膩碚f，在噴霧干燥

19、技術領域中理論還落后于實際，設計噴霧干燥設備時首先要在試驗中求得最佳基本 參數(shù)，結合實際經(jīng)驗，然后再著手設計。對不同性質的物料若不通過試驗室不可 能設計完成的，否則必然會在生產(chǎn)中遇到各種問題。對于大型噴霧干燥設備來說， 如果只按小型試驗的比例放大， 也會帶來不理想的效果。因此，只有理論和實際 相結合的設計才能符合生產(chǎn)的客觀要求。而我們這里的課程設計，大部分只是根 據(jù)經(jīng)驗公式進行計算，以達到選擇相應型號的目的，屬于較理想的情況，但是離 實際操作還是有一段距離的。第三節(jié) 離心噴霧干燥塔的工藝計算3.1基礎參數(shù)的選取留有一定的保險系數(shù)，取1.1-1 , 2。 有一定范圍的參數(shù)或系數(shù)，取上限值或下限值

20、或中間值，應根據(jù)具體情況分 析選取，總原則是使設計值能夠滿足設計要求，并留有一定余地，同時相對 選取便于計算的數(shù)值。選定的參數(shù)應校核其與有關參數(shù)是否存在矛盾。同一計算公式中使用的參數(shù)單位應統(tǒng)一。 由已知條件，查閱資料 H-x圖，即熱焓量H（ KJ/Kg ）與濕含量x（Kg水/Kg 干空氣）關系圖得出干燥過程中空氣狀態(tài)參數(shù)，如下表所示：熱空氣廢氣（排狀態(tài)參數(shù)新鮮空氣（進風）風）單位溫度t%Kg水/Kg干空氣相對系數(shù)© 濕含量H熱焓量IKJ/Kg干空氣3.2物料衡算已知最后產(chǎn)量為一. 干燥設備處理料液量其中： 濕物料中絕干物料量Kg/h進、出干燥塔的物料量 Kg/h干燥前后濕物料中水分量

21、Kg/h設干燥前后的濕基含水量分別為干燥塔每小時處理料液量為二. 水分蒸發(fā)量設干燥前后干基含水量為三. 熱空氣用量絕對干空氣用量每蒸發(fā)1Kg水分干燥室干空氣消耗量四. 空氣比體積計算其比體積依下列公式計算:根據(jù)經(jīng)驗公式，絕對干空氣在某特定溫度和濕含量下,冷空氣的體積比熱空氣的體積比廢氣的體積比平均比體積干燥過程所需熱空氣用量為選擇鼓風機的依據(jù)五. 濕空氣消耗量濕空氣體積其中：六. 離開干燥塔空氣消耗量3.3 熱量衡算一. 輸入干燥室的熱量1. 物料中水蒸發(fā)帶來的熱量2. 空氣加熱器供給的熱量其中：3. 熱損失（熱損失率以2%+算）4. 干燥系統(tǒng)的熱量消耗其中：.干燥室輸出的熱量1. 廢氣帶走的

22、熱量2. 產(chǎn)品帶走的熱量其中：其中；三.干燥系統(tǒng)的熱效率第四節(jié) 離心噴霧干燥塔主要尺寸的計算4.1選用多管式霧化器設選定管道尺寸（即孔徑）為 d,取d=7mm=0.007m 則 面積S=噴管數(shù)n=其中：4.2霧滴直徑其中：4.3霧滴運動參數(shù)一. 徑向速度二. 切向速度三. 料液離開圓盤時的合成速度四. 料液離開圓盤時的噴射角4.4霧距的半徑4.5干燥塔一. 塔徑二. 塔高4.6干燥室的計算一. 干燥塔的平均風速二. 干燥室的體積蒸發(fā)強度.干燥室的有效容積四.干燥室的截面積4.7時間計算一.干燥時間.氣體在塔內停留時間4.8校正4.9功率第五節(jié) 離心噴霧干燥的附屬裝置5.1供料裝置噴霧干燥器的供

23、料，要求速率穩(wěn)定，工作可靠。若供料的波動過大，必然導 致產(chǎn)品含水率的不均勻。任何形式的噴霧干燥器在生產(chǎn)運轉過程中是不允許斷料 的。在離心噴霧干燥器中，以螺旋桿供料較為理想，它可以作為定量供料泵使用。 在正常的情況下，泵出口的壓力穩(wěn)定，故料液的流率一致，不受儲料筒內料位高 低的影響。當螺旋泵啟動后，料液從儲料筒內吸出，經(jīng)雙聯(lián)過濾器凈化被泵送至 離心式霧化器。儀表控制箱中設有進排風溫度記錄儀和螺旋泵的變速機構。泵可根據(jù)不同濃度的料液調整轉速，以滿足工藝生產(chǎn)的不同要求。在生產(chǎn)同一種產(chǎn)品 時，若熱風發(fā)生變動同樣可以調節(jié)泵的流量加以適應。5.2熱風分配器噴霧干燥技術的另一個重要問題是液滴和氣體的有效混合

24、。 液滴和氣流的混 合形式有并流、逆流和錯流3種。噴霧可以垂直向上或者向下，也可作水平噴霧， 或與垂線呈一角度噴霧。影響混合的主要因素是各種霧化器噴霧軌跡和熱風導入 口的形式。離心式霧化器與氣流完全混合要比壓力式霧化器的錐形噴霧更為困難。離心噴霧中，大多數(shù)的熱風分配器都設在塔頂， 進入塔內的氣流呈螺旋狀轉動，與噴 霧混合后液滴的軌跡和氣流一樣，這樣可延長干燥時間，故一般干燥塔的圓柱體 部分高度較短。5.3干燥室干燥室可分為臥式和塔式兩大類，按所用材料又可分為金屬結構和鋼筋水泥 襯里結構兩種。干燥室主要尺寸的決定是干燥器設計中最困難的問題。 尺寸過大， 不僅消耗材料多，投資大，而且所占空間也大，

25、且會導致熱風短路，影響產(chǎn)品質 量。若尺寸過小，則會產(chǎn)生粘壁現(xiàn)象，有可能出現(xiàn)潮粉和焦粉。合理設計干燥室 的尺寸，不僅要通過傳熱和傳質過程的計算， 而且還應根據(jù)實際經(jīng)驗考慮各類霧 化器的噴距直徑和長度來選定。設計時應注意以下各點： 干燥塔的直徑。必須使霧滴在尚未完成干燥時不能碰到內壁，以免發(fā)生粘壁現(xiàn)象。 干燥塔的高度。與直徑不發(fā)生比例關系，而取決于噴距的長度和霧滴干燥所必需的停留時間。 垂直向下并流型干燥塔塔內的氣流速度應控制在 0.4m/s以下，以保證物料的 沉降數(shù)量。一般產(chǎn)品沉降塔底占總量的 80%!于正常。 干燥室容積大小與進風溫度有很大關系。進風溫度越高，熱容量系數(shù)越大， 蒸發(fā)強度越高，體

26、積便可縮小。 干燥室的大小與水分蒸發(fā)量有關系。干燥塔也有設置在室外的，但是必須考慮良好的保溫性。一般室內的絕熱層厚度為 100mm視熱風溫度不同可作增 減。在室外的其厚度約為200mm左右。保溫材料一般選用玻璃棉或硅酸鋁纖 維氈。設計金屬結構干燥塔時，應注意塔體的穩(wěn)定性。塔體的材質按照物料的要求選用，若用不銹鋼材料，一般情況下直徑 5m以內，取厚度2-2.5mm,外設加 強筋即可。5.4粘壁清除裝置噴霧干燥過程中，物料的粘壁大致有 3種原因： 在干燥第一階段（恒速干燥）尚未結束，液滴出于半干狀態(tài)，由于塔徑較小， 干燥時間太短而引起濕料粘壁。由于物料性質屬于低熔點，而熱風分配不均勻，導致局部溫度過高，物料熔融而引起粘壁。由于干燥塔內壁粗糙，以及產(chǎn)品和塔壁之間產(chǎn)生靜電吸引作用，造成干粉粘壁。在離心噴霧中，霧滴粘壁的顯著部位在塔頂及噴霧圓盤水平面的塔壁周圍， 改變圓盤速度、進料速率、熱風流速及圓盤上下位置，都可有效改善粘壁情況。 當圓盤速度低時，塔頂粘壁將可減少。在低供液量的情況下，如增加圓盤