喷雾干燥器设计计算..

广东工业大学课程任务 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 ＝300 料液含水量 ＝80％（湿基，质量分数）  产品含水量 =2%(湿基，质量分数) 料液密度 =1100               产品密度 =900 热风入塔温度 t ＝300℃                热风出塔温度t =100℃ 料液入塔温度 =20℃                  产品出塔温度 ＝90℃ 产品平均粒径 =125μm                干物料比容热 =2.5kJ/(kg.·℃) 加热蒸汽压力（表压）0.4MPa            料液雾化压力（表压）4MPa 年平均空气温度12℃                    年平均空气相对湿度 70％ 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3个，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。 自选参数 料液处理量 G ，kg/h 料液含水量ω ，％ 产品含水量ω，% 热风入塔温度 t ，℃ 热风出塔温度t ，℃ 雾化角θ 自选范围 200～600 40～90 1～8 200～300 90～120 40°~60°   必选 任选一 任选一 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 序号 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1-319 6.22-6.23 2 查阅喷雾干燥有关资料 教1-319 6.24 3 工艺计算 教1-319 6.25-6.26 4 主要设备尺寸的设计 教1-319 6.27-6.29 5 绘制工艺流程 教1-319 6.30 6 撰写课程设计说明书 教1-319 7.1-7.2         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： 完成日期：  2009年7月2日    基层教学单位责任人签章： 主管院长签章： 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（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 一、工艺设计条件 料液处理量 G ＝340kg/h 料液含水量ω ＝59％（湿基，质量分数）  产品含水量ω=2%(湿基，质量分数) 料液密度ρ =1100kg/m                 产品密度ρ =900kg/m 热风入塔温度 t ＝245℃                热风出塔温度t =100℃ 料液入塔温度θ =20℃                  产品出塔温度θ ＝90℃ 产品平均粒径dp=125μm                干物料比容热c =2.5kJ/(kg.·℃) 加热蒸汽压力（表压）0.4MPa            料液雾化压力（表压）4MPa 年平均空气温度12℃                    年平均空气相对湿度 70％ 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3个，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。 自选参数 料液处理量 G ，kg/h 料液含水量ω ，％ 产品含水量ω，% 热风入塔温度 t ，℃ 热风出塔温度t ，℃ 雾化角θ 自选范围 200～600 40～90 1～8 200～300 90～120 40°~60°   必选 任选一 任选一 必选               二、设计基本内容 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 （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5～40s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范围非常广（80～800℃），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50～60℃，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、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→热气流中加热→水分蒸发干燥→气固分离→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 ① 产品产量G G ＝G × ＝340× ＝142.2 (kg/h) ② 水分蒸发量W    W＝G －G ＝340-142.2＝197.8(kg/h) 3.2热量衡算 ① 物料升温所需的热量q q ＝ ＝ ＝125.88 (kJ/kg 水) ② 热损失q 根据经验取q ＝210（kJ/kg 水） ③ 干燥塔出口空气的湿含量H ＝－(q ＋q －C θ )＝－(125.88＋210－4.186×20)＝－252.16 C 为水的比热；4.186kJ/(kg·℃) I ，I2分别为空气进入干燥器前和离开干燥器时的热焓，kJ/kg干气； H ，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12℃，年平均空气相对湿度70％，查空气的I－H图得H = H =0.006, I =320kJ/kg，任取H ＝H =0.04，代入上式得： I = I =320－223.50×(0.04－0.006)=311.43 kJ/kg 根据H－I图，查得H ＝0.078（kg水/kg干空气） ④ 干空气的消耗量 L＝ = =2746.6 (kg干空气/h) 3.3雾滴干燥所需时间 ① 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t =54℃，该温度下水的汽化潜热r＝2400kJ/kg ② 导热系数λ的确定 平均气膜温度为（54+100）/2＝77℃，在该温度下空气的导热系数λ＝3×10 KW/(m·K) ③ 初始滴径d   d 可由下式计算 d ＝（ × ） ·d     （X 表示溶液每千克干固体含湿量，X 表示干产品每千克干固体含湿量，） 由于X ＝ ＝1.44（kg水/kg干物料），X ＝ =0.0204kg水/kg干物料， 所以d ＝（ × ） ×125＝156μm ④ 雾滴临界直径d d ＝d ＝125μm ⑤ 雾滴临界湿含量X   可以下式计算 X ＝ ｛ω1－［1－（ ） ］ ｝＝ ｛0.59－［1－（ ）］ × ｝＝0.36kg水/kg干料 进一步换算成湿基湿含量：C ＝0.36/(1+0.36)=0.262，即含水量26.2％。 ⑥ 空气临界湿含量H 干燥第一阶段水分蒸发量为 W1＝340×0.41×(59/41－0.36)=151.04 kg/h H =0.006+204.91/3571=0.0610 kg水/kg干气 ⑦ 空气临界温度t 查I-H图得t ＝135℃ ⑧ 传热温度差 恒速阶段传热温度差 △t ＝ ＝ ＝140.9 ℃ 降速阶段传热温度差 △t ＝ ＝ ＝33.9℃ ⑨ 雾滴的干燥时间τ τ＝ ＋ τ＝ ＋ ＝1.61（s） 3.4 压力喷嘴主要尺寸的确定 ① 为了使塔径不致过大，根据经验选取雾化角θ＝58°，由A′—θ关联图查得A′＝2.0 ② 当A′＝2.0 ，查C —A′关联图得流量系数C ＝0.28 ③喷嘴孔径的计算，由式可得（Q为流量） d ＝2［ ］ ＝2［ ］ ＝2.14×10 m 圆整后取d ＝3mm ④ 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R =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： h＝（ ）（ ） ＝ ×（ ） ＝2.86mm （γ0喷嘴孔半径） 取h＝3mm ⑤ 校核喷嘴的生产能力： 由于A′＝（ ）（ ） ＝ ×（ ） ＝1.910 圆整后，A′基本不变，不必复算，可以满足设计要求。 ⑥ 空气心半径r   由下式计算出几何特性参数A： A＝ ＝ ＝3.27 利用A—a关联图（图6-21）可查得a=0.43，因此 r ＝r ＝1.5× ＝1.132mm ⑦ 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ω ，径向分速度ω ，轴向分速度ω 分别为 ω ＝ ＝ ＝28.26m/s ω ＝ω sin（θ/2）＝28.26×sin（58/2）＝13.7m/s ω ＝ω cos（θ/2）＝28.26×cos（58/2）＝24.7m/s 3.5干燥塔主要尺寸的确定 ① 塔径的计算 塔内空气的平均温度为（100+300）/2＝200℃，该温度下空气的动力粘度μ ＝0.0260mPa.·s，空气的密度ρ ＝0.746kg/m A、根据径向分速度ω ，计算出τ＝0时的雷诺数R R ＝ ＝ ＝61.5 即在R ＝R 时，ω ＝13.7 m/s, R =61.5,  τ=0 B、取一系列R =100, R =50,…, R =0.5,利用式ω ＝R 和式τ＝4A   求出相应的雾滴水平飞行速度及相应的停留时间 如取R =50, 与R ＝50对应的雾滴飞行速度为 ω ＝R ＝50× ＝11.15m/s 利用图R 与ξR ∫ 列线图得 A＝∫ －∫ ＝2.22×10 －1.10×10 ＝1.12×10 相应的停留时间为 τ＝4A ＝1.12×10 × ＝5.69×10 s 其余各组计算结果列于表  表1 τ～ω 间关系计算结果 R ［∫ －∫ ］ τ，s ω ＝R ＝0.173 R /m·s 149.5 50 25 15 10 8 6 4 2 1 0.5 (1.12－1.10)×10 ＝0 (2.22－1.10)×10 ＝1.12×10 (3.24－1.10)×10 ＝2.14×10 (4.35－1.10)×10 ＝3.25×10 (5.25－1.10)×10 ＝4.15×10 (5.76－1.10)×10 ＝4.66×10 (6.57－1.10)×10 ＝5.47×10 (7.70－1.10)×10 ＝6.60×10 (10.20－1.10)×10 ＝9.10×10 (12.4－1.10)×10 ＝11.3×10 (15.2－1.10)×10 ＝14.1×10 0 0.0569 0.1086 0.165 0.2107 0.2366 0.2777 0.3351 0.462 0.5737 0.7158 33.332 11.148 5.574 3.344 2.230 1.784 1.338 0.892 0.446 0.223 0.111         C、以τ为横坐标，ω 为纵坐标画出τ－ω 关系曲线如图1，由图解积分得： S＝∫ ω dτ＝1.012m 图1 采用梯形法作图解积分： 横轴，每隔0.02取一点:X0,X1,X2……Xn-1,Xn,即X1—X0=X2—X1=……=Xn—Xn-1=h。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＝∫ ω dτ=h[Y0/2+Y1+Y2+……+Yn-1/2]+h’(Yn-1+Yn)/2 =0.02[31.62/2+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+0.23/2]+0.018×(0.23+0.11)/2=1.012 那么，塔径为D＝2S＝2×1.012＝2.023m 圆整取D＝2.1m ② 塔高的计算 A、降速运动时间内雾滴的下降距离H 的计算 i、根据初始轴向分速度ω ＝24.72m/s，计算出R ： R ＝ ＝ ＝213 φ＝ ＝ ＝428.4 由于φ＝ξ R ，因此根据图R 与ξR ∫ 查得R ＝10.2，并由R ＝213 可查得ξ R ＝3.2×10 ，那么 ＝0.0361×10 同样取一系列雷诺数R =200, R =100,…, R =3.9,，由图R 与ξR ∫     查得相应的ξ R ，ξ R ，…，ξ R   ，再计算出对应 值，结果列于表  表2  R 与 ，u 及τ’的关系 R ξR ×10 u = R /m·s τ’＝ ∫ /s 389 300 200 150 100 50 20 10 5 3.9 83000 57500 31000 20000 11000 3700 980 410 176 126.9 0.0121 0.0173 0.0324 0.0503 0.0920 0.280 1.17 3.53 20.4 — 67.79 52.28 34.85 26.14 17.43 8.713 3.485 1.743 0.8713 0.6796 0 0.00296 0.00858 0.0162 0.0358 0.0845 0.197 0.398 0.878           ii、以R 为横坐标， 为纵坐标画图，可得到图2 iii、由R =200，计算出ω ＝34.85m/s，根据图 R 与ξR ∫ 可求得∫ ，从而可计算出停留时间：τ’＝ ∫ =2.96×10   类似可求出各相应停留时间，可见雾滴减速运动所需时间为τ’=0.878s    iv、由表2的ω ,τ’ 数据作曲线，如图2，由图解积分可得雾滴减速运动的下降距离为H ＝∫ ω dz＝3.95m 如下图3 B、等速运动时间内雾滴的下降距离H 的计算 上述已算出φ＝ξ R =126.9，由图查得R ＝3.9，所以雾滴的沉降速度： ω ＝R ＝3.9× ＝1.185m/s 雾滴等速运动时间 τ’’＝ τ－τ’＝1.61－0.878＝0.735s 等速运动时间内雾滴的下降距离H H ＝ω ×τ’’＝1.185×0.735＝0.87m C、塔的有效高度H H＝H ＋H ＝3.95+0.87＝4.82m，圆整后取H＝4.9m 工艺设计计算结果汇总表 通过上述计算，设计计算结果汇总于表3 表3    工艺计算结果汇总表 名称 数值 物料处理量（kg·h ） 340 蒸发水分量（kg·h ） 198 干燥产品量（kg·h ） 142.2 空气需用量（kg干空气 h ） 2747 雾化器孔径（mm） 3 干燥塔直径（m） 2.1 干燥塔有效高度（m） 4.9     4. 绘制喷雾干燥装置流程示意图 参考书 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