喷雾干燥装置备工艺设计

食品工程原理课程设计说明书

奶粉喷雾干燥装置工艺设计

——日处理2.4吨浓奶料液的喷雾干燥装置设计

学院：食品科技学院

班级：海加1074班

姓名：***

学号：************

设计时间：2010年5月10-23日

指导老师：***

目录

一． 任务书

1． 设计任务----------------------------------------------3 2． 工艺条件设计条件----------------------------------3 二． 工艺设计计算

1． 物料衡算----------------------------------------------4 2． 热量衡算----------------------------------------------4 3． 压力式喷嘴主要尺寸的确定----------------------6 4． 干燥塔主要尺寸的确定----------------------------7 5． 主要附属设备的设计或选型---------------------13 三． 设计结果汇总表------------------------------------16 四． 主要符号说明---------------------------------------17 五． 参考文献---------------------------------------------18 六． 心得体会---------------------------------------------18 七． 附图

1喷雾干燥装置设计的工艺流程示意图 2喷雾干燥塔的工艺条件图

2

喷雾干燥装置备工艺设计

一任务书：

1.设计任务

采用压力式喷雾干燥浓牛奶液，干燥介质为热空气，热源为蒸汽和电；选用热风-雾滴并流向下的操作方式。 2.工艺条件设计条件 2. 1工艺条件 操作周期：313天 雾化压力17Mpa (表压)； 料液处理量G1=400 kg/h 料液含水量1=50% 产品含水量2=2% 料液密度l=1015kg/m3 产品密度s=900kg/m3 新鲜空气温度t0=24℃ 热风入塔温度t1=160℃ 热风出塔温度 t2=80℃ 料液入塔温度1= 45℃ 产品出塔温度2= 60℃ 产品平均粒度dp=60m 干物料比热cm = 4kJ/(kg·℃) 加热蒸汽压力0.5Mpa(表压) 2. 2气象条件 年平均气温24℃ 年平均相对湿度=60%

二．工艺设计计算

3

1.物料衡算 （1）产品产量G2

100110050G2G1400204kg/h

10021002（2）水分蒸发量W

WG1G2400204196kg/h

2.热量衡算

（1）干空气的用量L 使物料升温所需热量：

qmG2cm()2044(6045)62.4kJ/kgH2o

W196取热损失qL=210kJ/kgH2o

则qqL+qm=210+62.4=272.4kJ/kgH2o 由于

I2I1cw1q4.18745272.484

H2H1据气象条件（年平均气温24℃，年平均相对湿度=60%），查空气H-I图，得

HoH10.012kg/kg干空气，I052.1kJ/kg干空气，I1179.6kJ/kg干空气，

因为假设干燥过程为等焓干燥，由210%曲线与H1线交点查得H2=0.035 。 于是干空气消耗量

LW1968522kg干空气/h

H2H10.0350.012实际进口空气量

LL(1H0)8522(10.012)8624kg干空气/h

（2）雾滴干燥所需时间 ①汽化潜热的确定

由课本图11-1-3查得空气入塔的湿球温度twtas46.7℃，查手册得该温度下水的汽化潜热=2385.6kJ/kg。

4

②导热系数λ的确定

由空气的物质性质表，查得160℃时，a0.0364W/(mk)。 ③初始滴径dl的计算

1501kg水/kg干物料111005022X20.02kg水/kg干物料121002X1s1X13900113dldp6072.1m101510.02l1X2④液滴的临界直径

dlcdp60m

11

⑤液滴的临界湿含量Xc的计算

3d1psXc1111dll60390010.51 10.572.110150.25kg水/kg干物料⑥空气的临界湿含量Hc的确定

HcH10.0120.030G111X1Xc

L40010.510.258522⑦空气的临界温度tc的确定

由Hc=0.030和P=17MPa，查得tc=80℃ ⑧传热温差tm1、tm2的计算

5

tm1t11tc2160458046.766Clnt11tc2ln160458046.7

tm2tctwt228046.7806026.1Clntctwt22ln8046.78060⑨雾滴干燥所需时间的计算

l(dl2dlc2)sdlc2(XcX2)8atm1atm22385.61015(72.12602)10122385.69006021012(0.250.02) 3380.03641066120.03641026.13.57316104h1.29s3.压力式喷嘴主要尺寸的确定

(1)为了使塔径不至于过大，根据经验取喷嘴角50，根据《喷雾干燥实用技术大全》中，图4-11查得，当50时，当A1时，查图4-12得CD=0.43 A1，

22 V CD(r0)2gHt0CD(r0)2gplgVr0CD2Pl6.4104m12400/(36001015)  71.7100.431015即r0=0.64mm，取圆整后r0=0.7mm

d02r01.4mm

(3)喷嘴其它主要尺寸的确定 选矩形切线入口通道2个，已知A=(r0R1A1r01)()21,据经验取b1mm，旋转室R2直径选用10 mm ，故旋转室半径R1因为 R2R1105mm。 2b154.5mm 22123.140.750.71所以 A1()()24.334

AR214.5r0R1r0 6

由A12ab得 aA14.3352.1675mm 2b21今取用 a2.2mm （4）校核喷嘴的生产能力 A'(r0R12ab)(r01/20.750.71/2)()()0.99mm R222.214.5圆整后A'基本不变，不必复算，可以满足设计要求。 旋转室通道长度l和宽度b之间的关系，可按l3b选取。

l313mm

（5）空气心半径rc的计算 A0r0R1A13.140.752.50

22.21由A与a的关联图查得a00.45

rcr01a0.710.450.52mm （6）喷嘴出口处液膜速度的计算 平均速度

u0400/36001015V158.8m/s 22226r0rc3.140.70.5210因为雾化角为，而液膜是与轴线成角喷射出去的，所以，u0可以分解为ux与uy

250uxu0sin158.8sin67.1m/s

2250uyu0cos158.8cos143.9m/s

224．干燥塔主要尺寸的确定 （1）塔径的计算

塔内空气各参数按常压考虑，其平均温度

180160120C，查手册得空气粘2度a0.0229厘泊，空气密度a0.898kg/m3。 ① 根据初始水平速度ux67.1m/s，计算出Re0，

7

Re0dluxaa72.110667.10.898192 30.022910属于过度流。

② 由Re与，Re2，/Re，B的列线图查得查得Re0时，BB09103。

4dl2l③ 当初始的瞬间，即当00，由BB0得0。此时的速度

3auux67.1m/s

④ 取一系列Re1100，Re270，…；得一系列ux1，ux2，…；查得相应的B1，

B2…；算出一系列相应的1，2，…；列出表1中。

⑤ 以为横坐标，ux为纵坐标，作-ux曲线，如图1所示。用图解积分法求得

S0.0440uxd0.26m

塔径D=2S=0.52m，圆整取为D=0.6m。 (2)塔高的计算

①减速运动段的距离y1的计算 a. 由初始垂直速度uy计算出Re0。 Re0=属于过渡流。

dluyaa72.1106143.90.898407 =30.0229104gadl3(la)23a49.80.898(72.1106)3(10150.898)==8.5 323(0.022910)2Reb. 由于fRe2 查与，，/Re，B的列线图得Ref=0.35。 Re,f29.25104，则 c. 据Re0 查Re与，Re2，/Re，B的列线图得oReo

1151.110 24oReo9.25108.5 表1 停留时间与雾滴水平速度ux的关系

8

Re uxaRe dla（m/s） B102 4dl2lBB03a(s) 192 100 70 50 25 15 10 7 5 3 2 1 0.5

80706050403020100067.2 35 24.5 17.5 10.5 7 3.5 2.45 1.75 1.05 0.7 0.35 0.105 0.9 1.44 1.81 2.21 2.98 3.70 5.24 6.16 7.08 8.67 10.0 12.5 15.17 0 0.0017 0.0028 0.0031 0.0064 0.0087 0.013 0.016 0.019 0.024 0.031 0.036 0.044 u,m/s0.010.02τ，s0.030.040.05

图1 ux曲线图

d. 取一系列Re1300,Re2200,,Ref1.8，由Re与，Re2，/Re，B的

9

22列线图查得相应的1Re1,2Re22,fRef;再计算出相应的

111,,,,列于表2中。 2221Re12Re2fRefe. 以Re为横坐标，

1为纵坐标作图，如图2所示。 2Re1、uy、的关系

Re2Reauy dla 表2 Re与

Re Re2 13Re210 4ldl2dRe 23aRe'（m/s） 409 300 200 100 50 20 10 8 0.35 9.25×104 5.8×104 3×104 1×104 3.8×103 1.05×103 4.2×102 3.2×102 8.5 0.011 0.0173 0.033 0.1 0.283 1.290 6.750 20.8  （s） 0 2.325×103 7.285×103 1.727×102 2.735×102 4.533×102 6.052×102 6.455×102 409144.7 106.1 70.7 35.4 17.7 7.1 3.5 2.8 0.1 f．由Re1=300，可计算出uy1144.7m/s，据图2可求得300dRe从而可以2Re4ldl2算出停留时间1=

3a409300409dRedRe32.32510s。 =0.31=22300ReRe 10

2520151050050100150200Re250300350400450

图2 Re与

1曲线 2Re409g．类似地，由Re2,Re3，Ref，根据图4-45可求得，409200dRe，，

Re2dRe0.35Re2；亦可计算出相应的停留时间2，3，，如表2所示。由此得

到减速运动段的停留时间6.455102s。

h．由表2的uy，数据，作-uy曲线如图3所示。用图解积分法可得减速运动段的距离y116014012010080604020000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.064550uyd1.73m。

图3 -uy曲线

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②等速运动段的距离y2的计算 a． 等速运动时间

=-=1.29-0.065=1.225s

b.等速运动段的距离y2

y2=uf=0.11.225=0.1225m

③塔高的计算 塔的有效高度

yy1y21.73+0.1225=1.85m

圆整后取y=1.9m。

（3）热风进出口接管直径的确定

在干燥系统中，一般取风管中的风速为15~25 m/s。 ① 热风进口接管直径d1

273t 273273160 =（0.773+1.2440.012）=1.25m3/kg干空气

273vH1=(0.7731.244H1)V1LvH185221.2510652.5m3/s

取热风管道中的气速为25m3/s，则

d110652.536000.388m

425圆整后取干燥塔热风入口接管直径d1=390mm。 ② 热风出口接管直径d2

273t2 27327380 =（0.773+1.2440.035）

273 vH2(0.7731.244H2) =1.06m3/kg干空气 V2=LH2=85221.06=9033.32m3/h

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d29033.3240.358m

253600圆整后取d2360mm 5.主要附属设备的设计或选型 (1)空气加热器

湿空气先用翅片式蒸汽加热器由24C升高到130C，再用电加热器升高至160C。

1翅片式蒸汽加热器 ○

空气平均温度Tt1t22413077C，有空气性能表中查得，当温度为2277C时，空气的密度1.02kg/m3，cp11.009kJ/(kgC) 将湿空气由24C升高到130C所需热量为

Q1L(1H0)cp1(13024)=8522(1+0.012)×1.009×(130-24)=922400kJ/h

0.5Mpa蒸汽的饱和温度为151.7C，汽化潜热为2113.2kJ/kg，冷凝水的排出温度为151.7C，则水蒸气消耗量为

922400436.5kg/h

2113.213024传热温差tm159.8C

151.724ln151.7130G若选用SRZ10 ×6X型翅片式散热器，每片传热面积为15.42m2，通风净截面积为0.393m2，则质量流速为

8522(10.012)6.10kg/(m2s)，查得传热系数

0.3933600K1138.3kJ/(m2hC)，故所需传热面积为

A1Q1922400111.5m2 K1tm1138.359.8所需片数为

111.57.23，取8片。实际传热面积为123.3m2.因此，选SRZ10 ×15.426X型翅片式散热器共8片。 2电加热器 ○

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湿空气从由130C升高到160C所需热量为

Q2L(1H0)cp2(160130)=8522(1+0.012)×1.017×(160－130)=26312.6kJ/h＝

72.1kW 即耗电量为73.1

根据加热所需要的热负荷确定所需电功率Nk11；k21.3

Q2k2，根据《喷雾干燥》表7-7，860k1所以 NQ2k273.11.30.11kW 860k18601故可选用SRQ1-220/0.5的电加热器。 (2)旋风分离器

进入旋风分离器的含尘气体近似按空气处理,取温度为80C。

H3(0.7731.2440.035)273801.06m3/kg干空气 273V3LH385221.069033.32m3/h

采用蜗卷式旋风分离器,其进口宽度b0.225D，高度a0.3D，取进口速度为25 m/s,则

0.225D0.3D25V39033.32 36003600即D1.22m。圆整后取D1300mm。其余各部分尺寸为

L10.8D1040mm L22D2600mm

b0.225D300mm a0.3D390mm d0.35D455mm l0.7D910mm

d'0.2D260mm

(3)袋滤器的选择

取进入袋滤器的气温为75C

14

H4(0.7731.2440.035)273751.04m3/kg干空气 273V4LH485221.048862.88m3/h

选过滤气速为3.5m/min ，则所需过滤面积为42.2m2。因此，可选择LSB-70顺喷脉冲袋式除尘器，其过滤面积为60m2，处理气量7920-19800m3/h，阻力为500-1200Pa (4)风机的选择

干燥塔的操作压力一般为0～-100(表压)，所以本系数需2台风机，即干燥塔前安装1台鼓风机，干燥塔后安装1台引风机，阻力也可以干燥塔为基准分前段(从空气过滤器至塔)阻力和后段(塔后的设备及管道等)阻力。在操作条件下，热风流经各设备及管道等的阻力如表3所示， 1鼓风机的选型 ○

鼓风机入口处的空气风度为24C，湿含量 H0 =0.012

H0(0.7731.2440.012)273240.86m3/kg干空气 273V0LH085220.867328.92m3/h

表3 系统阻力估算表

设备空气过滤器空气加热器电加热器（塔）热风分布器管道、阀门、弯头等合计压降，pa2001004002006001500设备旋风分离器布袋除尘器干燥塔消音器管道、阀门、弯头等合计压降，pa200012001004008004500系统前风温按120C计，密度为0.9kg/m3，则所需风压（规定状态下）为1.215002000pa

0.9故选用4-72-11No.6C离心机，风量为9209m3/h，风压为2176pa。

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2 引风机的选型

系统后段风温按80C计，密度为1.000kg/m3,则引风机所需风压为（规定状态下）为1.2 4500 5400pa。1.000取引风机入口处的风温为75C，湿含量为H20.035.27375vh5(0.7731.244H2）1.04m3/kg空气273V5vh5L1.0485228862.88m3/h

故选用919NO.10D离心通风机，风量为9445m3/h，全压为5891Pa。

三．设计结果汇总表

通过上述设计计算得到的本设计示例设计结果汇总表 设计结果汇总表

料液处理量，kg/h 蒸发水量，kg/h 空气用量，kg干空气/h 雾化器孔径，mm 干燥塔直径，m 干燥塔有效高度，m 空气加热器传热面积，m2

电加热器耗电量，kw 布袋除尘器过滤面积，m2

旋风分离器直径，m 布袋除尘器型号 鼓风机型号 引风机型号

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400 196 8522 1.4 0.6 1.9 123.3 73.1 66 0.65 LSB-70 4-7-11 No.6C 9-19NO.10D

四．主要符号说明

符号 意义与单位 P 压力，Pa

G 物料流量，kg/h

Gc 绝干物料流量，kg/h

l 料液密度，kg/m3 s 产品密度，kg/m3

a 空气密度，kg/m3 W 水分蒸发量，kg/h t 空气温度，℃

tw 空气湿球温度，℃

tc 空气的临界温度，℃ tm 传热温差，℃

1 物料入塔温度，℃

2 产品出塔温度，℃ L 绝干空气流量，kg/h H 空气湿含量，kg/kg

Hc 空气的临界湿含量，kg/kg

I 湿空气的比焓，kJ/kg

 水的汽化潜热，kJ/kg

a 空气的导热系数，W/(mk) X 物料干基含水量，%

Xc 液滴的临界湿含量，% cm 干物料比热，kJ/(kg·℃) cw 水的比热，kJ/(kg·℃)

V 雾化器流量，m3/s K 排管传热系数

符号 意义与单位

 相对湿度，%

 物料湿基含水量，％

dp 产品平均粒度，m

dl 初始液滴的直径，m dlc 液滴的临界直径，m d0 喷嘴直径，mm d1 热风进口接管直径，mm d2 热风入口接管直径，mm D1 干燥塔直径，mm r0 喷嘴半径，mm rc 空气心半径，mm

 雾滴干燥时间，s

 喷嘴角度， A 结构参数

CD 流量系数 u 速度，m/s

a 空气黏度，cp y 干燥塔高度，m

Re 雷诺准数

b 旋转室宽度，mm R 旋转室半径，mm h 旋转室高度，mm l 旋转室长度，mm

k1 电压波动修正系数

k2 设计安全系数，一般去1-1.3

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五．参考文献

1、《喷雾干燥实用技术大全》 中国轻工业出版社 刘广文 编著 2、《流体力学泵与风机》 中国建筑工业出版社 王宇清 主编 3、《化工原理课程设计》 天津大学出版社 贾绍义、柴诚敬 主编 4、《喷雾干燥》 化学工业出版社 王喜忠 于才渊 周才君 编著 5、《化工设计概论》 侯文顺 主编

六．心得体会

其实这次做这份课程设计，对于我来说，真是一项十分艰巨的挑战，首先，对于食品工程原理这门课程的知识，我掌握得不是很全面，理论基础比较薄弱，因此刚开始动手时，真时无从下手，茫然无措，虽然说有两个星期的时间，但是因为要边复习考试，所以时间还是有点紧，然后手头的资料又很少，对于课程设计中的难点想去查找一些资料都很难找到相关的书籍，上网能够找到的资料也很少，所以中间的过程可谓是一波三折。因为有些数据的确定需要经验值，但对于没有实践经历的我们，需要参考前人留下的经验值，虽然不一定是准确的，但对于正常的操作还是可用的。

可以说，这次设计是在不断摸索，不断提问的情况下完成的，在设计过程中，结合了设计任务的具体要求，利用图书馆和网上的资料，广泛地应用于设计，认真分析、对比和筛选，使设计尽可能符合设计的要求，并使设计尽量完美。但还是可能会存在不少错误，希望老师能够理解。

在做这份设计当中，我也学到不少知识，感觉了成长了许多，对于我来说，是一次很好的锻炼，在设计过程中，遇到许许多多的困难，阻挡我继续设计的脚步，让我苦恼，生气与失落，但在每次苦恼之后又得执起笔继续设计，迎难而上，可以说，这次设计也很好的锻炼了我的意志，让我在以后的生活中，拥有了战胜一切困难的信念。

当然在这过程中，要感谢周围的同学的无私帮助，没有他们的帮忙，我也完成不了这次设计任务。

最后要谢谢老师的指导，谢谢所有帮助我完成这份设计书的同学，谢谢大家。

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