高速离心喷雾干塔设计方案

1、目录 绪 论 第 一 节 概 述 1.1 离 心 喷 雾 干 燥 的 原 理 1.2 喷 雾 干 燥 的 特 点 1.3 喷 雾 干 燥 设 备 的 组 成 1.4 离 心 雾 化 器 的 形 式 和 结 构 第 二 节 设 计 方 案 的 确 定 2.1 确 定 设 计 方 案 的 原 则 2.2 确 定 操 作 参 数 2.3 离 心 喷 雾 干 燥 工艺 条 件 范 2.4 注 一 J八 意 事 三 节离 心 喷 雾 干 燥 塔的 工 艺 计 3.1 基 础 参 数 的 选 3.2 物 料 衡 3.3 热 八、 量 衡 围 项 取 算 算 离心喷雾干燥塔主要尺寸 计 第 算 第四 4.1

2、 节 算 选 器 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 正 4.9 功 第五节 置 离心喷雾干燥的附属装 5.1 供料装 置 5.2 热风分配 器 5.3 干燥 室 5.4 置 粘壁清除装 5.6 CIP 自动清洗装 置 参 考 献 5.5 控制系 统 文 绪论 课程设计是食品工程原理课程的一个总结性教案环节，是培养学生综 合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。 在整个教案计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确 定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的

3、选择做出 论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所 以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。 干燥技术的应用，在我国具有十分悠久的历史。闻名于世的造纸技术就显 示了干燥技术的应用。天工开物一书中也描述了人工加热干燥过程，总结 了我国劳动人民的干燥实践，反映了我国古代劳动人民的高度智慧。在解放 前，我国干燥技术的应用一般仍停留在手工作坊的阶段。解放以后，干燥技术 的应用发展很快， 20 世纪 50 年代初期，分散悬浮态干燥技术（如气流干燥 等）开始工业应用，干燥技术的研究工作也普遍展开，高效的干燥设备也在生 产中应用。随着工业现代化的发展，化学工业的机械化、大型

4、化和自动化水平 的提高，作为化工单元操作设备之一的干燥设备也必将更加迅速的发展。 干燥既是古老又是应用最普遍的单元操作，干燥操作不仅应用于化工、石 油化工等工业中，还普遍运用于医药、食品、原子能、纺织、建材、采矿、电 工、机械制品以及农产品等行业中。 干燥的目的是除去某些原料、半成品中的水分或溶剂，就化学工业而言， 使物料便于包装、运输、储藏、加工和使用。而食品干燥是一种用于长期保藏 食品的工业加工操作，食品物料被干燥后，重要的一个特征就是水分含量很 低，其形态呈固体特性。因而，对食品进行干燥，目的是为了减少食品的体积 和重量，以便运输或减少运输费用；对食品去除大部分水分后，可以有效地防 止微

5、生物在食品产品中的繁殖，使食品更便于储存和提高使用的方便性等。 由于被干燥的食品在形状、大小、含水量及热敏性等性质上的千差万别， 故食品工业上可用的干燥设备类型繁多。干燥设备有多种分类方法：根据操作 压强的不同可以分为常压干燥器和真空干燥器；根据操作方式的不同可以分为 连续式 干燥器和间歇式干燥器；根据干燥介质和物料的相对运用方式的不同可以分为 并流、逆流和错流干燥；也可根据供热方式的不同分为对流干燥器、传导干燥 器、辐射干燥器和介电加热干燥器。 干燥方法包括最原始的自然干燥法以及利用外来热量的热风干燥法、喷雾 干燥法、薄膜干燥法及冷冻干燥法等多种方法。 食品生产中经常使用的是无损 于食品风味

6、、不易引起变色和变质的喷雾干燥，冷冻真空干燥和真空皮带式干 燥等高品质干燥技术。在我国乳制品工业的奶粉制造中，绝大部分工厂都已采 用较先进的喷雾干燥工艺。 乳制品的干燥不仅是传热过程，而且也是传质过程。因此是一种较复杂的 物理化学变化过程。在干燥时，易分离的是在产品表面与毛细管内的自由水 分；而最难分离出来的是膨胀水分，特别是与产品结合水中的吸附水。因此在 干燥时，可先用较经济的方法除去容易蒸发的水分，而后再用耗能较大的干燥 方法除去最后残留的难蒸发的水分。 本课程设计课题为离心喷雾干燥塔设计（ 500Kg/h ）。 塔设备又称塔器，即一类塔形的化工设备，是具有一定形状（截面大多 是圆形）、一

7、定容积、内外装置一定附件的容器。塔设备是用以使气体与液 体、气体与固体、液体与液体或液体与固体密切接触，并促进其相互作用， 以完成化学工业中热量传递和质量传递过程的设备。所采用材料必须对被处 理的物料具有耐腐蚀性能。并按其所能承受的压力进行设计。大多应用于蒸 馏、吸收、萃取、吸附、干燥等操作。 喷雾干燥根据浓缩乳的雾化方法主要可以分为三类，即压力喷雾干燥法、 离心喷雾干燥法和气流喷雾干燥法。其中，气流喷雾在食品工业中采用较少。 喷雾干燥设备在工业上应用主要有：催化剂的干燥，洗涤剂的干燥，染料 和颜料的干燥，化学肥料的干燥，聚合物的干燥，陶瓷原料的干燥，矿物的干 燥，农药的干燥，药品的干燥，速溶

8、食品（如全脂奶粉、脱脂奶粉、麦乳精、 可溶性鱼粉、鱼浆及鱼蛋白质等）的干燥等等。 第一节 概述 1.1 离心喷雾干燥的原理 离心喷雾是利用在水平方向作高速旋转运 动的圆盘上注入料液，使料液在离心力的作 用下被高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴，被 甩出的料液受到因圆盘高速转动而带动旋转的 空气的摩擦、阻碍和撕裂等作用而被分散成微 小的液滴。 料液在雾化过程中受到两种力的作用，即离 心力和重力的作用下的加速度和与周围空气的摩 擦而产生雾化。故雾化情况与料液的物性、流量， 离心圆盘直径、转速有关。当料液流量很少时， 料液的雾化主要是受离心力的作用，料液被雾化图 1：离心喷雾的 的直(粒)径取决于所受的

9、离心力和料液的黏度、 雾化原理 表面张力的关系。当离心力大于表面张力时，圆盘周边的球状液滴立即被抛出 而分裂雾化，液滴中伴有少量大液滴，如图 2(a) 所示；当料液流量增加，转速 加快时，球状料液则被拉成丝状射流，被抛出的液丝极不稳定，在离圆盘周边 不远处即被分裂雾化成小液滴，如图 2 (b)所示；若料液流量继续增加，则液 丝间互相并成薄膜，抛出的液膜离圆盘周边一定距离后，被分裂成分布较广的 液滴，若料液在圆盘上的滑动能减到最小，则可使液滴以高速喷出，在圆盘周 边与空气发生摩擦而被雾化，如图 2( c)所示。 图 2： a.直接分裂成液滴b.丝状割裂成液滴c.膜状分裂成液滴 1.2 喷雾干燥的

10、特点 1.2.1 喷雾干燥的优点 干燥过程非常迅速，采用专门的设备（喷嘴或转盘）雾化成很分散的微粒 （直径在10-200 g）,具有很大的表面积，与高温（150-250 C）的热空气 接触后, 在0.01 -0.04s 内就完成了干燥。 喷雾干燥所得之产品，通常不需要做进一步磨碎，简化了工序。 喷雾干燥时，可以随时调节改变干燥条件而调整产品质量指标。 在干燥过程中，由于湿物料直接与热空气接触，发生瞬间蒸发，在设备材料 选样上，没有像其他热交换器那样严格。 干燥过程是在完全密闭状态下进行的，因而干燥室内具有一定的负压。这样 既保证了生产中的卫生条件，又避免了粉尘在车间内飞扬，从而提高了产品 的强

11、度。 喷雾干燥生产效率高，操作人员少。 对产品的粒径、相对密度、含水量可根据需要，很容易进行调节。 1.2.2 喷雾干燥的缺点 设备比较复杂，一次投资较大。 使被干燥物料雾化成细小微粒和从废气中回收夹带的粉末。需要一套价格较 高的复杂设备。 为了降低产品中水分含量，因废气中湿含量高，以致需要较多的空气量，从 而增加鼓风机的电能消耗与回收装置的容量。 热效率不高，热消耗大。 1.2.3 离心喷雾满足的条件 圆盘要加工精密，动平衡好，旋转时无振动。 旋转时产生的离心力必须大于物料的重力。 给料必须均匀且圆盘表面均被物料液所润湿。 圆盘及沟槽必须平滑。 保证雾化均匀，圆盘的圆周速度应取 60m/s,

12、 般为90-120m/s。 1.2.4 离心喷雾干燥的特点 根据原理可知，调整转速，可以调整雾化料液的粒径，转速高则液滴细， 液相的比表面积就大，从而可以提高干燥的传热、传质效率。 物料黏度的适应性比压力喷雾广。既可以处理低黏度的料液，对高黏度浓 缩料液进行雾化干燥的效果也较好，因此，可以提高雾化料液的浓缩程度。 喷雾器的材料要求具有质轻强度高的性能，对材质的要求高。工艺上应用 的告诉旋转雾化器的转速一般为 10000-40000r/min, 转速高，对轴系及传动系 统的选材、制造精度、安装精度的要求高且严格。 1.3 喷雾干燥设备的组成 1.3.1 干燥室 干燥室的形状、大小与雾化器的形式、

13、空气分布器、尾气排出管、排粉方 式有关，取决于乳品的性质和对制品的要求。乳品干燥中主要用：垂直下降并 流型。这种形式的的热和气流和液滴相接处，虽然气流温度高，其热量都供给 水分蒸发，实际液滴表面温度接近湿球温度，故仍能保持物料原有的特性。 1.3.2 热空气系统 直流式空气分配器中间有一斜面的调节筒，可防止热风短路。热风直线状从 上至下运动，这种装置常用于乳品行业中。 1.3.3 雾化装置与供料系统 雾化装置的作用是将乳液分散成符合要求的液滴。本设计采用的是离心式雾 化器。 1.3.4 乳粉回收系统 在喷雾干燥系统中，部分干粉在干燥室内自由沉降至底部经锁气阀分出；少 部分细分随尾气携出。从尾气

14、中分离出的乳粉形成回收系统。常用的第一级分 离器是旋风分离器。 1.3.5 乳粉的后处理 刚从干燥塔排除后的乳粉温度通常为 7080C，若长时间放置会产生热变 性或吸湿固化。将塔底和旋风分离器底部排除的乳粉集中到风送管道内由过滤 后的冷风输送到风送旋风分离器集中排料。 1.4 离心雾化器的形式和结构 1.4.1 碟形光滑圆盘 外形似倒放碟子，表面光滑，具有锐利周边，料液流经表面即被剪短，适用于 细粒喷雾。当剪短力小时也能喷粗粒。 1.4.2 多管圆盘 在圆盘周边嵌入许多喷管，孔径大小的改变将影响雾滴的粗细，适用于粒 度大小要求均匀的场合。 1.4.3 多叶圆盘 在盘盖和圆盘间有许多叶片分隔，使

15、喷雾时周边影响小。叶片间分隔间距 越小，则喷出的液滴越细，反之则越粗。 1.4.4 多层圆盘 在大生产能力的情况下，以设计多层管式圆盘较为合适。根据处理量的大 小，有双层和三层两种。其特点是在不增大圆盘直径且喷距相同的情况下增加 喷雾量。 1.4.5 耐磨圆盘 适用于磨损性较大的悬浊液的喷雾。 1.4.6 注意事项 设计离心喷雾圆盘时，应尽可能不要增大圆盘直径。直径增大，圆盘重量 加重，对动平衡要求提高（要求v 0.2g/m ）。高速离心机对圆盘和机组的加工 精度要求很高，否则操作上会产生危险。此外随着圆盘直径的增大，雾滴在干 燥塔中的分布也不均匀，往往离塔中心一定距离中没有充满喷雾。 实践证

16、明，平直叶片圆盘要比蜗行曲线叶片圆盘的功率消耗小，且结构简 单，加工方便，同样能得到较好的喷雾效果。 喷雾圆盘是用离心喷雾机来实现高速旋转的。 第二节 设计方案的确定 2.1 确定设计方案的原则 确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成 就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安 全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点： 满足工艺和操作的要求：所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到 任务规定的要求，而且质量要稳定。其次所定的设计方案需要有一定的操作 弹性，再其次，要考虑必需装置的仪表 （如温度计、压强计，流量计等 ）及其 装置的位置，

17、以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出 不正常的原因，以便采取相应措施。 满足经济上的要求：要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。降低 生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时，是否合理利用热能，采用 哪种加热方式等均要作全面考虑，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合 具体条件，选择最佳方案。 保证安全生产：如塔是指定在压强下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生 真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。 以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在食品工程原理课程设计中， 对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原 则只要求作一般的考虑。 2.2

18、确定操作参数 产品要求应具有的性质，粗粒还是细粒，空心还是实心的结构，松密度高低 选用的离心式雾化器的类型 进料的浓度 干燥温度 产品冷却的要求 产品排出的方法 粉尘回首形式 热源 对设备材质的特殊要求 2.3 离心喷雾干燥工艺条件范围 浓缩乳浓度密度： 1120Kg/m3 比重： 1.089-1.098 干物质：40-50% 料温：45-50 C 离心盘转速： 8000-15000r/min 进风温度：控制在150-170 C之间 排风温度：控制在50-80 C之间 干燥室温度：控制在85-95 C之间 乳粉水分：w 3% 2.4 注意事项 喷雾干燥在乳品工业的应用历史悠久，由于传热和传质过

19、程十分复杂，影 响干燥的因素又多，因此尚未有完整的理论可以遵循来进行设计。但重点考虑 以下三个方面内容： 料液的雾化，雾化器的特性，颗粒的均匀性和粒径分布； 液滴的干燥速度及干制品的性状，影响质量的因素； 干燥塔内气流和液滴的混合及其运动轨迹。 除了上述基本问题以外，对于干燥塔的粘壁和清扫问题，产品的相对密度 问题，微粉的捕集问题等等还需要寻求良好的解决方法。总的来说，在喷雾干 燥技术领域中理论还落后于实际，设计喷雾干燥设备时首先要在实验中求得最 佳基本参数，结合实际经验，然后再着手设计。对不同性质的物料若不通过实 验室不可能设计完成的，否则必然会在生产中遇到各种问题。对于大型喷雾干 燥设备来

20、说，如果只按小型实验的比例放大，也会带来不理想的效果。因此， 只有理论和实际相结合的设计才能符合生产的客观要求。而我们这里的课程设 计，大部分只是根据经验公式进行计算，以达到选择相应型号的目的，属于较 理想的情况，但是离实际操作还是有一段距离的。 第三节离心喷雾干燥塔的工艺计算 3.1 基础参数的选取 留有一定的保险系数，取 1.1-1 ， 2。 有一定范围的参数或系数，取上限值或下限值或中间值，应根据具体情况分 析选取，总原则是使设计值能够满足设计要求，并留有一定余地，同时相对 选取便于计算的数值。 选定的参数应校核其与有关参数是否存在矛盾。 同一计算公式中使用的参数单位应统一。 由已知条件

21、，查阅资料 H-x图，即热焓量H（ KJ/Kg ）与湿含量x（Kg水/Kg 干空气 ）关系图得出干燥过程中空气状态参数，如下表所示： 热空气 废气 （进 （排 状态参数 新鲜空气 风） 风） 单位 温度 t 相对系数 % 湿含量 H Kg水/Kg干空气 热焓量 I KJ/Kg 干空气 3.2 物料衡算 已知最后产量为 一 . 干燥设备处理料液量 其中： 湿物料中绝干物料量 Kg/h 进、出干燥塔的物料量 Kg/h 干燥前后湿物料中水分量 Kg/h 设干燥前后的湿基含水量分别为 干燥塔每小时处理料液量为 二 . 水分蒸发量 设干燥前后干基含水量为 三. 热空气用量 绝对干空气用量 每蒸发 1Kg

22、 水分干燥室干空气消耗量 四. 空气比体积计算 根据经验公式，绝对干空气在某特定温度和湿含量下，其比体积依下列公式计 算： 冷空气的体积比 热空气的体积比 废气的体积比 平均比体积 干燥过程所需热空气用量 为选择鼓风机的依据 五. 湿空气消耗量 湿空气体积 其中： 六. 离开干燥塔空气消耗量 3.3 热量衡算 一. 输入干燥室的热量 1. 物料中水蒸发带来的热量 2. 空气加热器供给的热量 其中： 3. 热损失 （热损失率以 2%计算） 4. 干燥系统的热量消耗 其中: . 干燥室输出的热量 1. 废气带走的热量 2. 产品带走的热量 其中： 其中； 三. 干燥系统的热效率 第四节离心喷雾干燥

23、塔主要尺寸的计算 4.1 选用多管式雾化器 设选定管道尺寸（即孔径）为 d,取d=7mm=0.007m 则 面积 S= 喷管数 n= 其中： 4.2 雾滴直径 其中： 4.3 雾滴运动参数 一 . 径向速度 二. 切向速度 三. 料液离开圆盘时的合成速度 四. 料液离开圆盘时的喷射角 4.4 雾距的半径 4.5 干燥塔 一. 塔径 .塔高 4.6 干燥室的计算 一. 干燥塔的平均风速 . 干燥室的体积蒸发强度 . 干燥室的有效容积 四. 干燥室的截面积 4.7 时间计算 一. 干燥时间 . 气体在塔内停留时间 4.8 校正 4.9 功率 第五节 离心喷雾干燥的附属装置 5.1 供料装置 喷雾干

24、燥器的供料，要求速率稳定，工作可靠。若供料的波动过大，必然 导致产品含水率的不均匀。任何形式的喷雾干燥器在生产运转过程中是不允许 断料的。 在离心喷雾干燥器中，以螺旋杆供料较为理想，它可以作为定量供料泵使 用。在正常的情况下，泵出口的压力稳定，故料液的流率一致，不受储料筒内 料位高低的影响。当螺旋泵启动后，料液从储料筒内吸出，经双联过滤器净化 被泵送至离心式雾化器。仪表控制箱中设有进排风温度记录仪和螺旋泵的变速 机构。泵可根据不同浓度的料液调整转速，以满足工艺生产的不同要求。在生 产同一种产品时，若热风发生变动同样可以调节泵的流量加以适应。 5.2 热风分配器 喷雾干燥技术的另一个重要问题是液

25、滴和气体的有效混合。液滴和气流的 混合形式有并流、逆流和错流 3 种。喷雾可以垂直向上或者向下，也可作水平 喷雾，或与垂线呈一角度喷雾。影响混合的主要因素是各种雾化器喷雾轨迹和 热风导入口的形式。 离心式雾化器与气流完全混合要比压力式雾化器的锥形喷雾更为困难。离 心喷雾中，大多数的热风分配器都设在塔顶，进入塔内的气流呈螺旋状转动， 与喷雾混合后液滴的轨迹和气流一样，这样可延长干燥时间，故一般干燥塔的 圆柱体部分高度较短。 5.3 干燥室 干燥室可分为卧式和塔式两大类，按所用材料又可分为金属结构和钢筋水 泥衬里结构两种。干燥室主要尺寸的决定是干燥器设计中最困难的问题。尺寸 过大，不仅消耗材料多，

26、投资大，而且所占空间也大，且会导致热风短路，影 响产品质量。若尺寸过小，则会产生粘壁现象，有可能出现潮粉和焦粉。合理 设计干燥室的尺寸，不仅要通过传热和传质过程的计算，而且还应根据实际经 验考虑各类雾化器的喷距直径和长度来选定。 设计时应注意以下各点： 干燥塔的直径。必须使雾滴在尚未完成干燥时不能碰到内壁，以免发生粘壁 现象。 干燥塔的高度。与直径不发生比例关系，而取决于喷距的长度和雾滴干燥所 必需的停留时间。 垂直向下并流型干燥塔塔内的气流速度应控制在 0.4m/s以下，以保证物料的 沉降数量。一般产品沉降塔底占总量的 80%属于正常。 干燥室容积大小与进风温度有很大关系。进风温度越高，热容量系数越大， 蒸发强度越高，体积便可缩小。 干燥室的大小与水分蒸发量有关系。干燥塔也有设置在室外的，但是必须考 虑良好的保温性。一般室内的绝热层厚度为 100m m，视热风温度不同可作 增减。在室外的其厚度约为 200mm 左右。保温材料一般选用玻璃棉或硅酸 铝纤维毡。 设计金属结构干燥塔时，应注意塔体的稳定性。塔体的材质按照物料的要求 选用，若用不锈钢材料，一般情况下直径 5m以内，取厚度2-2.5mm，外设 加强筋即可。 5.4 粘壁清除装置 喷雾干燥过程中，物料的粘壁大致有 3种原因： 在干燥第一阶段（恒速干燥）尚未结束，液滴出于半干状态，由于塔径较 小，干燥时间太短而引