马来酸松香胶离心喷雾干燥设计.doc

1、目录1.离心喷雾干燥器设计方案简介11.1.喷雾干燥11.2.喷雾干燥的特点11.3.设计内容12.喷雾干燥的原理：22.1.离心喷雾的雾化机理22.2.喷雾快速干燥22.3.喷雾干燥过程23.喷雾干燥装置的工艺流程34.物 料 衡 算与 热 量 衡 算44.1.物 料 衡 算44.2.热量衡算54.2.1.干燥的水分蒸发量54.2.2.物料升温所需的热量54.2.3.水分蒸发所需热量 54.2.4.损失的热量54.2.5.焓的计算 54.2.6.干空气消耗量64.2.7.空气用量64.2.8.预热器所需热量64.2.9.废气带走的热量64.2.10.需要补充热量65.主要设备的计算及工艺设计

2、75.1.雾化器的选择75.2.喷嘴孔径的计算75.3.干燥塔主要尺寸的确定：95.3.1.塔径的计算95.3.2.塔高的计算125.3.3.干燥塔热风进出口接管直径的计算126.辅助设备设计计算及选型136.1.预热室加热器的选择136.2.鼓风机的计算与选型146.3.旋风分离器的选择146.4.布袋过滤器的选择166.5.加料器及卸料器的选择167.设计结果汇总168.设计评述179.附图1810.参考文献1811.主要符号说明191. 离心喷雾干燥器设计方案简介1.1. 喷雾干燥 干燥是将原料液在干燥塔内用雾化器分散为雾滴，与进入塔内的热空气或其它气体直接接触而获得粉粒状产品的一种干燥

3、过程。离心式喷雾器是一种应用较广泛的喷雾器，它使将料液送到高速旋转的转盘上，由于离心力的作用，料液被甩成薄膜，由喷雾盘的边缘甩出同时受空气的摩擦以及本身表面张力作用而成雾滴。在干燥装置的工艺设计中，设计方案的确定主要包括干燥装置的工艺流程，干燥方法及干燥器形式的选择，主体设备设计计算及工艺计算，辅助设备的计算及选型，带有控制点的生产工艺流程简图及主体设备设计条件图。设计一个干燥流程，其工艺计算包括了：物料衡算，热量衡算，干燥器的工艺设计，干燥器结构设计，附属设备的选型等。1.2. 喷雾干燥的特点（1）干燥过程非常迅速，几秒内结束；（2）干燥过程中液滴温度不高,产品质量较好；（3）喷雾干燥后产品

4、不需进一步磨碎，简化工序；（4）喷雾干燥时，可以调节改变干燥条件而调整产品质量指标（如粉末的容积密度，粒大小等）；（5）产品具有良好的分散性，流动性和溶解性。因为干燥在空气中完成，产品基本能保持与液滴相似的中空球状或疏松的粉末状，具有良好的分散性；（6）密闭且负压，保证了生产的卫生条件。1.3. 设计内容设计方案要满足工艺要求，经济上要合理，且保证安全生产、改善劳动条件。本设计方案要求将含水率为35%（湿基）的马来酸松香胶由胶料液干燥为干粉细小颗粒，最终产品产量为316kg/h，含水率5%（湿基），在干燥过程中产品有1%的损失。已知干燥介质为空气，其进风温度150，出风温度75。年生产日300

5、天，连续操作24小时/天，年平均气温22，相对湿度78%，进料温度为90、干燥过程热损失为蒸发水分所需热量24%等。马来酸松香胶粘度较大，易产生粘壁现象，干燥操作过程难控制，为保证产品的质量能达到规定的要求，而且质量要稳定则干燥生产工艺流程中每一个设备都得仔细的设计和计算。最后综合考虑设备的经济性，完全性和高效性，做出选择，选最适合的设备进行干燥，完成设计。喷雾干燥要求雾滴的平均直径一般为20-60um,因此将溶液分散成的雾滴是喷雾干燥的一个关键。它不仅对经济技术指标而且对产品质量均有较大的影响，特别是对热敏性物料的干燥更为重要。马来酸松香胶属于热敏性物料。干燥方法和干燥设备的选择，应根据马来

6、酸松香胶的特点、产量、经济性等综合考虑。2. 喷雾干燥的原理：2.1. 离心喷雾的雾化机理离心喷雾是利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予溶液以离心力，使其以高速甩出，形成薄膜，由喷雾盘的边缘甩出同时受空气的摩擦以及本身表面张力作用而成细丝或液滴。经过高压泵加压后的料液以一定的速度，沿切线放下进入喷嘴的旋室，这时液体的部分静压能将转化为动能，形成液体的旋转运动。根据自由旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比。2.2. 喷雾快速干燥利用不同的喷雾器（机械），将需干燥的物料喷成雾状，形成具有较大的表面积的分散微粒（10-200um），同热空气发生强烈的热交换，迅速排除本身的水分，在几秒至几时秒内

7、获得干燥。如与高温400-500的热风接触需0.01-0.04秒内就完成干燥，与100-150的热风接触需1-3秒就完成干燥。成品以粉末状态沉降于干燥器的底部排出。2.3. 喷雾干燥过程喷雾干燥过程可分为三个阶段：料液雾化、雾滴与热风接触干燥、干燥产品的收集。料液雾化 料液雾化的目的是将料液分散为细微的雾滴，雾滴的平均直径一般为2060um，因此具有很大的表面积。雾滴的大小和均匀度对产品质量和技术经济指标影响很大，所以料液雾化器是喷雾干燥器的关键部件。目前常用的雾化器按喷嘴不同可分为三种：气流式喷嘴压力式喷嘴和旋转式雾化器，在实际设计中根据生产要求具体选择。雾滴与热风接触干燥 在喷雾干燥室内，

8、雾滴与空气的接触混合及流动是同时进行的传热传质过程，即干燥过程。雾滴与热风接触方式有并流式逆流式和混流式，接触方式不同，对干燥室内的温度分步雾滴的运动轨迹物料在干燥室内停留时间及产品质量都有很大影响。实际生产过程中应根据物料的性质选择合适的接触方式。干燥产品的收集 干燥产品的收集有两种方式：一种是干燥的粉末或颗粒产品落到干燥室的椎体壁上并滑行到锥底，通过星型卸料阀之类的排料设备排出，少量细粉随废气进入气固分离设备收集下来；另一种是全部干燥成品随气流一起进入气固分离设备收集下来。喷雾干燥产品大多数采用塔底出料部分细粉在随废气排放中收集下来，以提高产品收率，降低生产成本。3. 喷雾干燥装置的工艺流

9、程本次设计的干燥装置工艺流程草图如下图所示。对流加热型的一般工艺的主要设备包括：鼓风机空气加热器、加料器、干燥器、旋风分离器、布袋过滤器、引风机、电加热器及卸料器等。原料液经过滤器由加料器送至雾化器，干燥过程所需的新鲜空气，经过滤器由鼓风机送至空气加热器中加热到所要求的温度，再进入热风分布器，在干燥室内同时用电加热器补充热量，经雾化器雾化的雾滴和来自热风分布器的热风相互接触，在干燥室中干燥，干燥产品一部分经干燥器底部经卸料器排出，另一部分与废气一起进入旋风分离器布袋过滤器分离下来，废气经引风机排出。加料 器布袋过滤器旋风分离器干燥器废气鼓风机空气加热器 新鲜 引风机空气加热器 产品 产品 产品

10、 图1 离心喷雾干燥的工艺流程草图4. 物 料 衡 算与 热 量 衡 算已知数据参数（学号末两位为）产品产量 （）kg/h 干燥前湿物料的含水率 1 = 35% = 0.35干燥器出口物料中的含水率 2 = 5% = 0.05产品损失量 损=. kg/h进料温度 = 90热风入口温度 = 150热风出口温度 相对湿度 = 78% = 0.78胶料液运动黏度 ULL=137.47 CP=137.47 X 10-3 Pas干粉比热 干(kg )1.373 kJ/(kg )胶料比热 湿 (kg)3.108 kJ/(kg ) 胶料比重 表面张力 = 34 dym /cm =0.034 N /m4.1.

11、 物 料 衡 算（1）实际产品量 G2 = kg / h理论总产量 G2 + =. kg/h（2）产品处理量 (kg/h)=.kg/h图二 干燥装置简图4.2. 热量衡算4.2.1. 干燥的水分蒸发量W (kg/h). kg/h干粉比热容 =1.373 kJ/（kg）胶料比热 湿 (kg)3.108 kJ/(kg) 水的比热容 C水 = 4.187 kJ/(kg)（由文献查得）干物料比热容由于粉状马来酸松香胶的物化性质较为特殊，它具有热敏性很强熔点低,极易吸潮,粒径小和粘性大等特点，因此我们考虑取出口温度为98。4.2.2. 物料升温所需的热量：4.2.3. 水分蒸发所需热量 查文献14.2.

12、4. 损失热量为蒸发水分所需热量的24%,则损失热量为 =75273.95kJ/h4.2.5. 焓的计算 进 口 空 气 的 焓 为 ； 出 口 空 气 的 焓 为 。由于年平均气温,相对湿度 = 78% = 0.78查空气的I-H图，得。通过下式进行计算现任取代入上式得kJ/kg由点（）至点（连线并延长与线相交，所得的点便为所求空气的出口状态，查I-H图得=0.042 kg水/kg干空气,则 kJ/kg4.2.6. 干空气消耗量L（kg/h）L=4.2.7. 空气用量4.2.8. 预热器所需热量 又所 以 =4.2.9. 废气带走的热量 4.2.10. 需要补充热量 【1】设湿物料进出干燥器

13、的焓分别为： 绝干物料的量G损失的热量qd 【7】5. 主要设备的计算及工艺设计5.1. 雾化器的选择对于任何雾化器的要求都是产生尽可能均匀的雾滴。工业喷雾干燥常用的压力式、旋转式、气流式三种。旋转式和喷嘴式雾化器（包括压力式和气流式），在低.中、高的供料范围都能满足生产要求。在高处理量情况下尽管采用多喷嘴雾化器也可以满足要求，但采用旋转式雾化器更有利。在高进料速率条件下，旋转式喷雾器所产生的雾滴一般具有较高的均匀性。本干燥装置的设计所干燥的产品是马来酸松香胶，产生的干粉的颗粒较小，经比较，宜选用旋转式雾化器。旋转式雾化器的优点有：操作简单，对物料的适应性强，操作弹性大；操作压力低；不易堵塞，

14、产品粒度分布均匀。5.2. 喷嘴孔径的计算根据经验取雾化角=48o，则由与喷嘴的结构参数A关联图查得A=0.9，由流量系数与结构参数关联图可查得，流量系数CD=0.45。取料液雾化压力为5喷嘴孔径的计算：由于离心压力式喷嘴可分为旋转型压力喷嘴和离心型压力喷嘴。.4（）即喷嘴其它主要尺寸的确定。现选用矩形切线入口通道2个，根据经验取矩形入口宽b=1.2mm , 2R1/b= 8即R1=4.8mm ，圆整后R1=5mm ， 旋转室直径为10mm。设旋转室高度为a，则旋转室半径。通道总截面积所以3.16mm取a=3.2mm校核喷嘴的生产能力因为经圆整后，影响的主要因素发生变化，进而影响流量。首先要核

15、算与=0.9基本不变，不必复算，故此喷嘴满足设计要求。旋转室通道长度L和宽度b之间可按L=3b选取，即L=2.4mm空气心半径rc 由几何特性系数A0和有效截面系数a0的关联图可查得则喷嘴出口处液膜速度的计算。喷嘴出口处液膜的平均速度U0水平速度分： 【2】5.3. 干燥塔主要尺寸的确定：【1】5.3.1. 塔径的计算 塔内空气的平均温度为。查文献8化工原理实验知该温度下空气的动力粘度0.0225 mPa，空气的密度。料液雾化的目的是将料液分散为细微的雾滴，使其具有很大的表面积，因此雾滴的平均直径一般为20-60，故本设计中取雾滴直径为。根据水平初速度计算出。雷诺数 由球形颗粒的曳力系数及函数

16、值表可查得0.0209 由可得取一系列算出一系列相对应的飞行时间取一系列由求当时当时当时当时当时当时当时当时当时当时当时当时当时当时球形颗粒的曳力系数及函数值表Re B 0.1 0.2185 0.0313 0.05 0.2 0.1900 0.0268 0.10 0.3 0.1727 0.0240 0.15 0.5 0.1517 0.0207 0.25 0.7 0.1387 0.0187 0.34 1.0 0.1250 0.0165 0.49 2 0.1000 0.0125 0.98 3 0.8670 0.1340 1.47 5 0.0708 0.0079 2.467 0.0616 0.0064

17、 3.4410 0.0524 0.0050 4.9120 0.0370 0.0025 9.8330 0.0298 0.0014 14.7450 0.0221 0.0002 24.5656 0.0209 0.0000 27.51以为横坐标，Ux为纵坐标，做-Ux曲线，如上图。用图解积分法求得S=则塔径为D=2S=1.72m，圆整后D=1.8m 。5.3.2. 塔高的计算【1】 塔高（圆柱体部分高度）和直径D的经验比例关系由文献查得，当选择的雾化器为旋转式雾化器，且为并流进料时，比D的范围为（0.6：1）（1：1），综合考虑后塔高（圆柱体部分高度）按Y1=D选用，故 Y1=D=1.8m旋转式雾化器

18、的干燥塔粗而短，为使干燥产品从塔底顺利排出，喷雾干燥塔下锥角等于或小于60，现我们取60，故干燥器下锥角高度=tan60=1.6m则干燥塔高度Y=+=1.8+1.6=3.4m.,经圆整，取Y=4m。.5.3.3. 干燥塔热风进出口接管直径的计算在干燥设计时，一般取风管中的气速为1525m/s。热风进口接管直径 (mm) 现取热风在管道中的气速为20m/s，则=圆整后取干燥塔热风出口接管直径热风出口接管直径 (mm) =圆整后取干燥塔热风出口接管直径=320mm。6. 辅助设备设计计算及选型6.1. 预热室加热器的选择空气加热器 因为翅片加热器最大只能将空气加热至130，所以选择先用翅片式加热器

19、将环境空气由22加热到130，再用电加热器加热到150。（1） 翅片加热器 将湿空气由22加热到130所需热量为取加热蒸汽压力为0.4Mpa，则此条件下蒸汽的饱和温度T=151，查手册知汽化潜热,则水蒸气的消耗量为：传热温差：=若选用SRZ10 X 5D翅片式散热器，每片传热面积为19.92m2，通风净截面积为0.0302m2，则质量流速为 查的总传热系数为K1=110kJ/(h)，故所需的传热面积为所需的片数为取5片，实际传热面积为99.6m2。由此可选SRZ10 X 5D翅片式散热器共5片。（2）电加热器 将湿空气由130加热到150所需热量为 即耗电量为30kW，选用SRKZ型电加热器。

20、6.2. 鼓风机的计算与选型（1）鼓风机的选择鼓风机入口处的空气温度为年平均气温 ，湿含量 则 干燥塔风管气速一般取15-25m/s，现取20m/s。根据经验，取全风压为5000Pa，由风机气流量与全风压，查文献【5】离心风机性能综合特性曲线图，可选取风机型号为9-27-101N08。（2）引风机的选择【2】取引风机入口温度60, 全风压为5000Pa，,则 故选用926No.5A离心通风机，风量为5903，风压为5750Pa。6.3. 旋风分离器的选择（1）喷雾干燥塔的操作压力一般为0-100Pa（表压），因此系统需要两台风机，及干燥塔前安装一台鼓风机，干燥后安装一台引风机。阻力也以干燥塔为

21、基准分前段（从空气过滤器至干燥塔之间的设备和管道）阻力和后段（干燥塔后的设备和管道）阻力。喷雾干燥装置系统所用的风机一般都是离心式通风机。离心式通风机的选用应由所需的风量和风压对照离心式通风机的特性曲线或性能表来选择，使风机效率更高。所需输入的风量是指进入风机时的温度和压力下的体积流量。所需的风压（全压）由气体流经整个干燥系统所需克服的阻力来决定，其与被输送气体的密度相关。为了保持干燥室基本的维持常压操作，采用前送后抽式系统，即鼓风引风两台风机系统，两台风机的全压之和应大于该系统的阻力。通常为使风机的运行可靠，应考虑到通风系统的不严密性及阻力计算的误差，系统所要求的风量和风压应比理论计算值高1

22、0%15%。（2）旋风分离器的操作原理旋风分离器是利用离心沉降原理，从气流中分离出颗粒的设备。其主体的上部为圆筒形，下部为锥形，含尘气体从圆筒的上部以切线方向进入，获得旋转运动，分离出粉尘后，从器的顶部排气管排出，粉尘从锥底排出。（3）结构：进气管、中央排气管、圆柱体、圆锥体进入旋风分离器的含尘气体近似按空气处理，取温度为70，则可选用蜗壳式进口的旋风分离器，现取入口风速为25m/s，则有0.225D0.3D25=算得 D=0.931 m，经圆整后取 D=1000mm。其余各部分尺寸如图所示 旋风分离器简图6.4. 布袋过滤器的选择取进入布袋过滤器的气体温度为65，则取过滤气速为1.5m/mi

23、n，则所需过滤面积为5260.71(601.5)=58.5.因此，可以选大连华东除尘设备厂（选别的厂家类似的产品也行）生产的MDC-36-脉冲布袋除尘器，其过滤面积为60m2,过滤风量为3700-7400/h。阻力为11761470 Pa。6.5. 加料器及卸料器的选择加料器和卸料器对保证干燥器的稳定操作及干燥产品质量很重要。因此在设计要根据的特性和流量等综合进行考虑，选择适合的加卸料设备。干燥的粉末或颗粒产品落到干燥室的锥形壁上并滑行到锥底，通过星形卸料器排出所需的生产能力：查文献5可知应选用弹性星型加料器，规格为130100（mm），其最大生产能力0.7/h，最高转速为20r/min,电动

24、机功率1kW，有搅拌针，设备质量为52.3kg。其适用于干燥粉状或小颗粒状物料，结构简单，运转维修方便，能定量供料，具有一定程度的气密性。可用斗式提升机卸载产品。选用掏取式，主要用于输送粉末状、粒状物料，其不会产生很大阻力，料斗可以有较高的运动速度。一般为0.82m/s。7. 设计结果汇总项目内容设计结果物料处理量/kg/h 466.46产品产量/ kg/h 316蒸发水量W/ kg/h 147.30水分蒸发所需热量kJ/h313641.47空气用量L/ kg/h 5334.36损失的热量kg/h75273.95干燥室补充热量/KJ/h 8074.53喷嘴孔径/mm2旋转室高度h/mm3.2雾

25、滴径向速度/m.61.8雾滴切向速度U/m.27.5雾滴平均直径/m50干燥塔直径D/m1.8干燥塔高度Y/m4旋风分离器直径D/mm1000布袋过滤器过滤面积/99.6预热室电加热器耗电量/kW30预热室电加热器型号SRKZ翅片式加热器传热面积/94.833翅片式加热器型号SRZ105D热风进口管径/mm340热风出口管径/mm320鼓风机型号926No.5A引风机型号926No.5A旋风分离器型号蜗壳式入口的旋风分离器布袋过滤器型号MDC-36-加料器型号弹性星型加料器（规格为130100 mm ）8. 设计评述在本次的化工原理课程设计的过程中，数据处理是最容易出错的地方，需要很有耐心的进

26、行计算，计算出错之后需要很细心的检查，直到最终找出错误之处，然后不厌其烦的去修改才能把设计做好。同时也学习了用简洁的文字，清晰的图表表达设计思想的能力。在干燥装置的工艺设计中，设计方案的确定主要包括干燥装置的工艺流程，干燥方法及干燥器形式的选择，主体设备设计计算及工艺计算，辅助设备的计算及选型，带有控制点的生产工艺流程简图及主体设备设计条件图。设计一个干燥流程，其工艺计算包括了：物料衡算，热量衡算，干燥器的工艺设计，干燥器结构设计，附属设备的选型等。通过对离心喷雾干燥流程的设计，了解到许多关于干燥和喷雾干燥的知识，也知道马来酸松香胶属于黏度较大的物质，因此生产上在选用雾化器的时候，可优先考虑光

27、滑盘旋转雾化器，但是生产能力较低，所以综合考虑还是选用非光滑盘旋转雾化器，雾化器的选型同时也根据经验参考获得，选型后便可计算雾滴的速度以及粒径等，同时根据产品产量等进一步估算塔径、塔高。我们小组有五个成员，在面对许多不理解的地方时都尽量查阅图书馆的相关参考文献及利用网上的资源，并向老师提问解答一些棘手的问题，然后做了相关的讨论。通过本次课程设计，我了解了理论与实际设计之间差异性，设计是综合运用很多理论知识，并结合实际操作经验（包括前人总结出来的经验公式、经验取值等）的一门学科。特别是化工设计，它关系到人的生命安全，因此做设计时决不能马虎，设计出来的各设备必须经过多次校核确保安全，才能投入生产，

28、并且设备是在什么样的状况条件下才能使用都需一一的列出。设计需要有严谨、求实的态度。既要考虑技术上的新进新和可行性，又要考虑经济上的合理性。9. 附图附图一（带控制点的工艺流程图）附图二（干燥装置设备设计图）10. 参考文献 【1】匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社,2010【2】 王喜忠.喷雾干燥.北京：化学工业出版社,【3】 金国淼.干燥设备.化学工业出版社【4】谭天恩，窦梅，周明华.化工原理（上、下册）.北京：化学工业出版社,2009【5】沈静，刘温霞，苏文强.阳离子分散松香胶的共混应用技术.2006(1)【6】潘永康,王喜忠.现代干燥技术.化学工业出版社,1

29、998【7】 贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计.天津化学出版社,2003【8】杨祖荣.化工原理实验.北京：化学工业出版社,2011【9】化工设备设计全书编委会干燥设备设计【10】刁玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础. 大连理工出版社，2007【11】于才渊.常用干燥设备及应用. 化学工业出版社【12】.温文炯.画法几何及工程制图.华南理工大学出版社11. 主要符号说明物料处理量 kg/h 产品质量流量 kg/hW水分蒸发量 kg/h 物料湿基含水量质量分数干物料比热容，kg/（kg) w水的比热容，kg/（kg) 空气相对湿度 H空气湿含量，kg水/kg干空气I空气热焓，kg/kg干空气

30、L干空气流量，kg干空气/h-空气用量，kg/h Q热量 Re 雷诺数，无因次T1热空气进口温度 t2热空气出口温度 湿物料进口温度 物料出口温度 物料升温所需热量kJ/h 水分蒸发所需热量 kJ/h热量损失 kJ/h 预热器所需热量 kJ/h废气带走热量kJ/h 需要补充的热量 kJ/h雾化角， CD流量系数 Cs物料干粉比热kg/（kg)F喷嘴孔截面积，m2 喷嘴孔直径，mh旋转室入口通道高，m 全部入口通道的总横截面积 m2径向速度 m/s 切向速度 m/s U0释出速度 m/s 干燥塔内平均温度 喷嘴孔半径，mm l料液密度，kg/m3N雾化盘转速，r/min V料液体积流量，m3/hd雾化盘直径，m 料液黏度，Pasa空气黏度，.s a空气密度，kg/m3 雾滴平均直径，m 雾滴最大直径 m 时间，s 表面张力 N/mS干燥塔半径 ,m D干燥塔直径 , m Y干燥塔塔高，m A传热面积，m2 tm传热温差， 热风进管口直径, mm热风出管口直径 , mm K传热系数，kJ/（m2h） 20