喷雾干燥器设计计算

1、广东工业大学课程设计任务书一、课程设计的内容1 .设计任务与要求设计一喷雾干燥装置以干燥某种物料悬浮液。干燥介质为空气，热源为蒸气和电；雾化器采用旋转型压力喷嘴，选用热风-雾滴（或颗粒）并流向下的操作方式。2 .概述、原理、优点、流程通过查阅喷雾干燥有关资料，熟悉喷雾干燥基本原理、优点和工艺流程。3 .根据计算的最主要尺寸绘制流程示意图二、课程设计的要求与数据料液处理量G1=300kg/h料液含水量01=80%（湿基，质量分数）产品含水量0=2%（湿基，质量分数）料液密度PL=1100kg/m3产品密度PD=900kg/m3热风入塔温度3=300热风出塔温度t2=100C料液入塔温度=20C产

2、品平均粒径dp=125pm加热蒸汽压力（表压）0.4MPa年平均空气温度12C注思产品出塔温度%=90C干物料比容热Cm=2.5kJ/（kg.C）料液雾化压力（表压）4MPa年平均空气相对湿度70%3个,:以上数据仅作为例子，每个学生设计时应按下表要求独立自选参数并登记入点名册，所选参数完全一致的学生无效，上述示例数据不能选自选经数料液处理量Gi,kg/h料液含水量1,%产品含水量，热风入塔温度3,C热风出塔温度t2,雾化角9自选范围2006004090182003009012040°60°必选任1任1必选三、课程设计应完成的工作1、通过查阅喷雾干燥有关资料，熟悉喷雾干燥基

3、本原理、优点和工艺流程2、工艺计算3、主要设备尺寸的设计4、绘制工艺流程5、撰写课程设计说明书四、课程设计进程安排厅P设计各阶段内容地点起止日期1布置课程设计内容与课题讲授教1-3196.22-6.232查阅喷雾干燥肩关资料教1-3196.243工2计算教1-3196.25-6.264主要设备尺寸的设计教1-3196.27-6.295绘制工艺流程教1-3196.306撰写课程设计说明书教1-3197.1-7.2五、应收集的资料及主要参考文献陈英南刘玉兰主编.常用化工单元设备的设计.华东理工大学出版社2005年第一版。发出任务书日期：2009年6月22日指导教师签名：计划完成日期：2009年7月

4、2日基层教学单位责任人签章：摘要物料在加工成为成品之前，必须除去其中超过规定的湿分。化学工业中常用干燥法除湿，它是利用热能使湿物料中的水分汽化，并排出生成的蒸汽，以获得湿含量达到要求的产品。干燥过程中物料表面的水汽压强必须大于干燥介质中的水汽的分压，两者差别越大，干燥操作进行得越快。所以干燥介质应及时将汽化的水汽带走，以维持一定的扩散推动力。喷雾干燥器是将溶液、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，从而获得粉末状或颗粒状的干产品。本文是设计一个喷雾干燥装置以干燥某种物料悬浮液。干燥介质为空气，热源为蒸汽和电；雾化器采用旋转型压力喷嘴，选用热风-雾滴

5、（或颗粒）并流向下的操作方式。本文就设计任务与要求，和所规定的工艺设计条件，在喷雾干燥器的原理，优点和流程方面作了详细的描述，同时在工艺设计计算过程中有详细，严谨的计算过程。主要针对的是物料、热量的衡算，喷雾干燥所需的时间，压力喷嘴主要尺寸的确定和干燥塔主要尺寸的确定，在文章的最后绘制了喷雾干燥装置的流程示意图。关键词：喷雾干燥器干燥塔压力喷嘴产品含水量3=2%（湿基，质量分数）3广品留度pD=900kg/m一、工艺设计条件料液处理量G1=340kg/h料液含水量31=59%（湿基，质量分数）3料液管度pL=1100kg/m热风入塔温度t1=245C料液入塔温度01=20产品平均粒径dp=12

6、5m加热蒸汽压力（表压）0.4MPa年平均空气温度12C热风出塔温度t2=100C产品出塔温度02=90C干物料比容热cm2=2.5kJ/（kg.-C）料液雾化压力（表压）4MPa年平均空气相对湿度70%3个，并登记入注意：以上数据仅作为例子，每个学生设计时应按下表要求独立自选参数点名册，所选参数完全一致的学生无效，上述示例数据不能选。自选参数料液处理量Gi,kg/h料液含水量31,%产品含水量3,%热风入塔温度t1,C热风出塔温度t2,c雾化角0自选范围2006004090182003009012040°60°必选任氏-任必选二、设计基本内容1 .设计任务与要求设计一喷雾

7、干燥装置以干燥某种物料悬浮液。干燥介质为空气，热源为蒸气和电；雾化器采用旋转型压力喷嘴，选用热风-雾滴（或颗粒）并流向下的操作方式。2 .概述、原理、优点、流程（1）概述喷雾干燥器是将溶液、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，从而获得粉末状或颗粒状的干产品。（2）原理在干燥塔顶部导入热风，同时将料液泵送至塔顶，经过雾化器喷成雾状的液滴，这些液滴群的表面积很大，与高温热风接触后水分迅速蒸发，在极短的时间内便成为干燥产品，从干燥塔底部排出。热风与液滴接触后温度显著降低，湿度增大，它作为废气由排风机排出，废气中夹带的微粉用分离装置回收。物料干燥过程分为

8、等速阶段和减速阶段两个部分进行。在等速阶段，水分蒸发是在液滴表面发生，蒸发速度由蒸汽通过周围气膜的扩散速度所控制。主要的推动力是周围热风和液滴的温度差，温度差越大蒸发速度越快，水分通过颗粒的扩散速度大于蒸发速度。当扩散速度降低而不能再维持颗粒表面的饱和时，蒸发速度开始减慢，干燥进入减速阶段。在减速阶段中，颗粒温度开始上升，干燥结束时，物料的温度接近于周围空气的温度。(3)优点：(a)干燥速度十分迅速。料液经喷雾后，表面积很大。在热风气流中热交换迅速，水分蒸发极快，瞬间就可蒸发95%98%的水分，完成干燥的时间一般仅需540s左右。(b)干燥过程中液滴的温度不高，产品质量较好。喷雾干燥使用的温度

9、范围非常广(80800C),即使采用高温热风，其排风温度仍不会很高。在干燥初期，物料温度不超过周围热空气的湿球温度5060C,干燥产品质量较好，不容易发生蛋白质变化，维生素损失，氧化等缺陷。对热敏性物料和产品的质量，基本上接近在真空下干燥的标准，防止物料过热变质。(c)产品具有良好的分散性，流动性和溶解性。由于干燥过程是在空气中完成的，产品基本上能保持与液滴相近似的中空球状或疏松团粒状的粉末状，具有良好的分散性，流动性和溶解性。(d)生产过程简化，操作控制方便。喷雾干燥通常用于处理湿含量40%60%的溶液，特殊浆料即使湿含量高达90%,也可不经浓缩，同样能一次干燥成粉状产品。大部分产品干燥后不

10、需要再进行粉碎和筛选，从而减少了生产工序，简化了生产工艺流程。产品的粒经，松密度，水分，在一定范围内，可用改变操作条件进行调整，控制管理都很方便。(e)防止发生公害，改善生产环境。由于喷雾干燥是在密闭的干燥塔内进行的，这就避免了干燥产品在车间里飞扬。(f)适宜于连续化大规模生产。喷雾干燥能适应工业上大规模生产的要求，干燥产品经连续排料，在后处理上可结合冷却器和风力输送，组成连续生产作业线。(g)容易改变操错条件，控制或调节产品的质量指标。改变原料的浓度，热风温度等喷雾条件，可获得不同水分和粒度的产品。(h)可以满足对产品的各种要求。增加某些措施或运用操作上的灵活性，能制成不同形状(球形、粉末、

11、疏松团粒)、性质(流动性、速溶性)、色、香、味的产品。(4)流程常用喷雾干燥工艺流程：雾化一热气流中加热一水分蒸发干燥一气固分离一收集产品；主要构成：干燥器、雾化器、旋风分离器、卸料器、空气加热器、过滤器、风机和泵等。3 .工艺设计计算3.1 物料衡算产品产量G2G2=G1x11-=340X1-0.59=142.2(kg/h)1-w21-0.02水分蒸发量WW=G1G2=340-142.2=197.8(kg/h)3.2 热量衡算物料升温所需的热量qm=G2cm2(。2"1)=(90-20)=125.88(kJ/kg水)W197.8热损失ql根据经验取ql=210(kJ/kg水)干燥塔

12、出口空气的湿含量H2I2I1,八_-=-(qm+qlCW91)=(125.88+2104.186X20)=252.16H2-乩CW为水的比热；4.186kJ/(kg-C)11,I2分别为空气进入干燥器前和离开干燥器时的热始，kJ/kg干气；H1,H2分别为空气进入干燥器前和离开干燥器时的湿度，kg水/kg干气；根据年平均空气温度为12C,年平均空气相对湿度70%,查空气的I-H图得Ho=H1=0.006,11=320kJ/kg,任取H'1=He=0.04,代入上式得:I'2=Ie=320223.50X(0.040.006)=311.43kJ/kg根据HI图，查得H2=0.078

13、（kg水/kg干空气）干空气的消耗量,W197.8L=2746.6（kg干仝气/h）H2-Hi0.078-0.0063.3雾滴干燥所需时间汽化潜热r的确定由I-H图查得空气入塔状态下的湿球温度tW=54C,该温度下水的汽化潜热r=2400kJ/kg导热系数人的确定平均气膜温度为（54+100）/2=77C,在该温度下空气的导热系数入=3X10，KW/（m-K）初始滴径dp0dp0可由下式计算pp。dp0=”x5)pi1X21/3（X1表示溶液每千克干固体含湿量，X2表示干产品每千克干固体含湿量，）由于X1=59=1.44(kg水/kg干物料)，X2=2=0.0204kg水/kg干物料,4198

14、所以dp0=p迎X14)1隈125=156以m110010.0204雾滴临界直径dpcdpc=dp=125Nm雾滴临界湿含量Xc可以下式计算XC=-31-1-(蛆)3=10.59-1-()313dp0Pl1-0.59156X1000=0.36kg水/kg干料1100进一步换算成湿基湿含量：CC=0.36/(1+0.36)=0.262,即含水量26.2%。空气临界湿含量HC干燥第一阶段水分蒸发量为W1=340X0.41义(59/410.36)=151.04kg/hHC=0.006+204.91/3571=0.0610kg水/kg干气空气临界温度tC查I-H图得tC=135CC传热温度差恒速阶段传

15、热温度差t=(t101)(tC-tW)_(245-20)-(135-54)_14091,t1-9i245-20lnlntC-tW135-54降速阶段传热温度差t=(tC-tW)-(t2-62)(135-54)-(100-90)_339c2一,tC-tW,135-54一.lnlnt2-02100-90雾滴的干燥时间T丫PL(d)-d%)PDd)C(XC-X2)r=：1：8入At112入At22400M1100M(1.652-1.252)108,2400M900父1.252M108M(0.360.0204)r=一一58310140.91231033.9=1.61(s)3.4压力喷嘴主要尺寸的确定为

16、了使塔径不致过大，根据经验选取雾化角9=58°,由A'8关联图查得A=2.0当A'=2.0,查C0-A关联图得流量系数C0=0.28喷嘴孔径的计算，由式可得(Q为流量)d0=21/2ttC。,2AP/Pl二2340/(1100_3600)3.140.2824106/11001/2=2.14X103m圆整后取d0=3mm喷嘴其他主要尺寸的确定。选矩形切线入口通道2个，根据经验取b=1.2mm,2R/b=8,即R=4.8mm,圆整R=5mm,即旋转室直径为10mm因为对于矩形通道液体旋转半径R1=R-b/2=5-1.2/2=4.4mm,所以由式可求出矩形切线入口通道高度h

17、:h=（H0R）（曳）1/2=冗父"-5*（15）1/2=2.86mm（丫。喷嘴孔半径）2bAR121.21.54.4取h=3mm校核喷嘴的生产能力：由于A'=（2LI2R）（2）1/2=冗M1.55x（15）1/2=1.9102bhR121.234.4圆整后，A基本不变，不必复算，可以满足设计要求。空气心半径rc由下式计算出几何特性参数A:冗0R7tM15M5A=5=3.272bh21.23rc=ro利用Aa关联图（图6-21）可查得a=0.43,因此,1-a=1.5X1-0.43=1.132mm喷嘴出口处液膜速度的计算喷嘴出口处液膜喷出平均速度°,径向分速度CD

18、*,轴向分速度CDy分别为Q340/(36001100)OQ_/0=-2=22-i=28.26m/su(r20-r2c)冗父(1.52-1.132p<106x=0sin(8/2)=28.26Xsin(58/2)=13.7m/sy=0cos(8/2)=28.26Xcos(58/2)=24.7m/s3.5干燥塔主要尺寸的确定塔径的计算塔内空气的平均温度为(100+300)/2=200C,该温度下空气的动力粘度pa=0.0260mPa.s,空气的密度pa=0.746kg/m3A、根据径向分速度CDx，计算出=0时的雷诺数Re0Re0=dP0xPa2M104M13.7M0.746一30.0260

19、103=61.5即在Re=Re0时，x=13.7m/s,Re0=61.5,r=0ee人eB、取一系列Re1=100,Re2=50，,Ref=0.5,利用式Re±和式p=DwPa4A也3l±a求出相应的雾滴水平飞行速度及相应的停留时间如取Re=50,与Re=50对应的雾滴飞行速度为ck0.0260父103“什，x=Re=50X-4=11.15m/sdP0Pa1.56M100.746利用图Re与己r；/2d°5d(R)列线图得e己ReA=f20105-dRer-224905-dRe2=2.22x102-1.10X102=1.12X10EReERe相应的停留时间为d2p

20、no4x(156父104)2m1100oT=4AdPL=1.12X102X4=5610'3100=5.69X102s3Na30.026010其余各组计算结果列于表表1Tx间关系计算结果Re2X。5dR2M。5dRLRe_2RRe0-2ReEReT,SCOx=Rea-=0.173Re/msDWPa149.52-(1.12-1.10)W=0033.33250_2,2(2.22-1.10)W=1.12M00.056911.14825-2一一2(3.24-1.10)W=2.14X00.10865.57415-2八一一一2(4.35-1.10)W=3.25X100.1653.34410-2_、,

21、/2(5.25-1.10)W=4.15X100.21072.2308-2.一.一一2(5.76-1.10)W=4.66X100.23661.7846-2-一一一一2(6.57-1.10)W=5.47X00.27771.3384(7.70-1.10)102=6.60X1020.33510.8922(10.20-1.10)102=9.10M020.4620.4461-2一、“2(12.4-1.10)W=11.3M00.57370.2230.5-2一一2(15.2-1.10)W=14.1X00.71580.111C、以P为横坐标，CDX为纵坐标画出PCDX关系曲线如图1,由图解积分得:S=f0318

22、xdp=1.012m图1TCOX关系曲线35ILI_II_0532xls/rnlx00.20.40.60.8停留时间T(S)采用梯形法作图解积分：横轴，每隔0.02取一点:X0,X1,X2Xn-1,Xn,即X1X0=X2X1=XnXn-1=h0但最后一格取为0.018，故需另列一项。从图上读出与X相应的Y值，即Y0,Y1,Y2,Yn-1,Yn于是，积分值S=00318coxdr=hY0/2+Y1+Y2+Yn-1/2+hYn-1+Yn)/2=0.0231.62/2+14.15+6.7+4.1+2.75+1.81+1.34+0.94+0.75+0.59+0.48+0.4+0.35+0.3+0.26

23、+0.23/2+0.018X(0.23+0.11)/2=1.012那么，塔径为D=2S=2X1.012=2.023m圆整取D=2.1m塔高的计算A、降速运动时间内雾滴的下降距离H1的计算i、根据初始轴向分速度coy=24.72m/s,计算出R:Re0=dP0yPa_1.56M104M24.72M0.746_30.026010二2134gPadP(pL-Pa)=4M9.81M0.746M(3-104)3m(1100-0.746)3仙23x(0.0260M103)2=428.4由于d=EfR2f,因此根据图Re与七R2fRI°5dR）查得Ref=10.2,并由己ReRe0=213可查得0R20=3.2X104,那么=0.0361X103同样取一系列雷诺数Re1=200,Re2=100，Ref=3.9,由图Re与己R；/2105Re0d(Re)ERe2查得相应的士人：2，2Re2，fR2f，再计算出对应结果列于表,1表2Re与2,uy及(的关系EReRe1-3»a2，4dPPL趣dRe匕2K|0七Reuy=Re/msdppa工一Jr2/S31la己Re-小389830000.012167.790300575000.017352.280.00296200310000.032434.850.00858150200000.05