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噴霧干燥器的設計 一、 概述 (一) 噴霧干燥的原理 噴霧干燥是將溶液、漿液或懸浮液在熱風中噴霧成細小液滴，液滴在下降過程中，水分被迅速汽化而達到干燥目的，從而獲得粉末或顆粒狀的產(chǎn)品。 物料的干燥過程分為等速階段和降速階段。在等速階段，水分通過顆粒的擴散速率大于汽化速率，水分汽化是在液滴表面發(fā)生，等速階段又稱為表面汽化控制階段。當水分通過顆粒的擴散速率降低而不能維持顆粒表面的充分潤濕時，汽化速率開始減慢，干燥進入降速階段，降速階段又稱為內(nèi)部遷移控制階段。 (二) 噴霧干燥的特點 1. 噴霧干燥的優(yōu)點主要是： （1） 干燥速度快。 （2） 產(chǎn)品具有良好的分散性和溶解性。 （3） 生產(chǎn)過程簡化，操作控制方便。 （4） 產(chǎn)品純度高，生產(chǎn)環(huán)境好。 （5） 適宜于連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)。 2. 噴霧干燥的缺點有： （1） 低溫操作時，傳質(zhì)速率較低，熱效率較低，空氣消耗量大，動力消耗也隨之增大。 （2） 從廢氣中回收粉塵的設備投資大。 （3） 干燥膏糊狀物料時，干燥設備的負荷較大。 二、 工藝設計條件 干燥物料為懸浮液，干燥介質(zhì)為空氣，熱源為蒸汽和電；霧化器采用旋轉(zhuǎn)型壓力式噴嘴，選用熱風——霧滴并流向下的操作方式。具體工藝參數(shù)如下： 料液處理量 料液含水量 （濕基）； 產(chǎn)品含水量 （濕基） 料液密度 ； 產(chǎn)品密度 熱風入塔溫度 ； 熱風出塔溫度 料液入塔溫度 ； 產(chǎn)品出塔溫度 產(chǎn)品平均粒徑 ； 產(chǎn)品比熱容 加熱蒸汽壓力（表壓） ； 料液霧化壓力（表壓） 年平均溫度 12℃； 年平均相對濕度 70% 三、 干燥裝置流程 干燥裝置采用開放式流程。熱風在系統(tǒng)中使用一次，經(jīng)袋濾器除塵后，就排入大氣中，不再循環(huán)使用。 四、 工藝流程圖 1——料液貯罐 2——料液過濾器 3——截止閥 4——隔膜泵 5——穩(wěn)壓罐 6——空氣過濾器 7——鼓風機 8——翅片式加熱器 9——電加熱器 10——干燥塔 11——星形卸料閥 12——旋風分離器 13——霧化器 14——袋濾器 15——碟閥 16——引風機 17——消音器 圖1 噴霧干燥裝置工藝流程示意圖 五、 工藝設計計算 (一) 物料衡算 1. 絕干物料流量 2. 產(chǎn)品產(chǎn)量 3. 水分蒸發(fā)量W (二) 熱量衡算 1. 物料升溫所需熱量 2. 汽化水的熱損失 計算 ， 3. 干燥塔出口空氣的濕度 根據(jù)熱量衡算 即，為一直線方程 根據(jù)給出的工藝設計條件，，，由濕空氣的H-I圖查出，。當時，由濕空氣的H-I圖查出，。任取，則 連結點和點，并延長與線相交于點D，點D就是出口空氣狀態(tài)點。由H-I圖查出， 圖2 求解過程示意圖 4. 空氣消耗量 絕干空氣的消耗量為 實際空氣消耗量為 (三) 霧滴干燥所需時間 1. 霧滴臨界含水量 物料在干燥塔進出口處的干基含水量分別為 即在恒速干燥階段液滴體積收縮了37% 液滴在恒速干燥階段由于收縮而減小的體積為 除去的水分質(zhì)量為` 剩余的水分質(zhì)量為 臨界含水量為 2. 初始滴徑 由 3. 汽化潛熱 熱空氣入塔溫度，濕度，由濕空氣H-I圖查出，熱空氣入塔狀態(tài)下的濕球溫度，查手冊得水在的汽化潛熱。 4. 導熱系數(shù) 平均氣膜溫度為 查手冊得空氣在77℃下的導熱系數(shù) 5. 恒速階段物料表面溫度 即空氣的絕熱飽和溫度，可以取空氣入塔狀態(tài)下的濕球溫度 6. 空氣臨界溫度 恒速階段的水分蒸發(fā)量為 空氣的臨界濕度為 在H-I圖中，過作垂線，與AD交于點C，點C溫度即為空氣臨界溫度，由H-I查出 7. 霧滴在恒速階段的干燥時間 恒速階段熱空氣與液滴的溫度變化 空氣： 液滴： 平均推動力為 8. 霧滴在降速階段的干燥時間 降速階段熱空氣與物料的溫度變化 空氣： 物料： 平均推動力為 9. 霧滴干燥所需時間 (四) 壓力噴嘴主要尺寸的確定 1. 霧化角 為了了使塔徑不致過大，根據(jù)經(jīng)驗，選取。 2. 流量系數(shù) ，由的關聯(lián)圖查出，噴嘴結構參數(shù)。 ，由的關聯(lián)圖查出，流量系數(shù)。 3. 噴嘴孔徑 由 由 圓整，取。 4. 噴嘴旋轉(zhuǎn)室尺寸 噴嘴孔半徑取1mm，即 選用矩形切向通道，切身通道寬度取1.2mm，即 旋轉(zhuǎn)室直徑為10mm，則半徑 由及 圓整，取 5. 核算噴嘴的生產(chǎn)能力 經(jīng)圓整后 與原很接近，不必復算，可以滿足設計要求。 6. 空氣心半徑 ，由的關聯(lián)圖查出， 由 7. 噴嘴出口處液膜速度及其分速度、 液膜與軸線成角噴出，可分解成徑向速度和軸向速度 圖3 離心型壓力式霧化器結構示意圖 表1 壓力噴嘴主要尺寸 單位： 噴嘴旋轉(zhuǎn)室尺寸 49 2 0.73 1 1.2 5 4.4 3.0 (五) 干燥塔主要尺寸的確定 1. 塔徑 塔內(nèi)空氣的平均溫度為 由手冊查出，在200℃下，空氣的動力粘度為，空氣的密度為。 （1） 由徑向分速度，計算時的雷諾數(shù) （2） 取一系列，求出相應的霧滴水平飛行速度和停留時間。 如取Re=100，由，與對應的霧滴水平飛行速度為 由與的列線圖查出 相應的的停留時間為 其余各項計算結果列于表2。 表2 停留時間與霧滴水平運動速度的關系 Re 135 0 23.6 100 0.00663 17.5 50 0.0234 8.75 25 0.0464 4.38 15 0.0714 2.63 10 0.0913 1.75 8 0.103 1.40 6 0.120 1.05 4 0.146 0.700 2 0.202 0.350 1 0.253 0.175 0.5 0.313 0.0875 （3） 以為橫坐標，為縱坐標畫出關系曲線，如圖4，用圖解積分可得 即霧滴由沿徑向運動的半徑距離為，則塔直徑為 圓整后取。 ux,m/s τ,s 圖4 關系曲線圖 2. 塔高 （1） 降速運動時間內(nèi)霧滴的下降距離 ①時，霧滴軸向運動的雷諾數(shù)為 由的關系列線圖查出，霧滴由降速運動變?yōu)榈人龠\動時的瞬時雷諾數(shù)為?？梢婌F滴在降速階段的雷諾數(shù)變化范圍為3.8～295。 由查出 ②取一系列雷諾數(shù)，由的關系列線圖查出相應的值，再計算出相應的值，結果列于表3。 表3 與及的關系 Re 295 0 51.6 0 250 43.8 0.00249 200 35.0 0.00608 100 17.5 0.0241 50 8.75 0.0433 25 4.38 0.0654 10 1.75 0.121 5 0.102 0.875 0.227 3.8 123.8 ∞ 0.131 0.665 0.290 ③以Re為橫坐標，為縱坐標作圖，得到關系曲線， 如圖5。 1/(ξRe2－φ) Re 圖5 關系曲線圖 ④以Re=250為例，霧滴在降速運動時間內(nèi)的軸向分速度為 對關系曲線圖解積分得 則停留時間為 其余各項計算結果列于表3。 ⑤以為橫坐標，為縱坐標作圖，得到關系曲線，如圖6。由圖解積分得到霧滴降速運動時間內(nèi)的下降距離為 uy ,m/s 圖6 關系曲線圖 （2） 等速運動時間內(nèi)霧滴的下降距離 霧滴在等速運動時間內(nèi)的沉降速度為 霧滴等速運動的時間為 霧滴在等速運動時間內(nèi)的下降距離為 （3） 塔的有效高度 圓整后，取。 3. 干燥塔熱風進出口接管管徑 （1） 熱風進口接管管徑 熱風進口流量為 取熱風進口接管內(nèi)的氣速為，則進口接管管徑為 圓整后熱風進口接管管徑取。 （2） 熱風出口接管管徑 熱風出口流量為 取熱風出口接管內(nèi)的氣速為，則出口接管管徑為 圓整后熱風出口接管管徑取。 (六) 主要附屬設備的選型 1. 空氣加熱器 環(huán)境空氣先用翅片式加熱器由12℃加熱到130℃，再用電加熱器加熱到300℃。 （1） 翅片式加熱器 濕空氣由12℃升溫至130℃的傳換熱量為 ——實際空氣消耗量 由手冊查出，蒸汽壓力為時，蒸汽的飽和溫度為，汽化潛熱為，取冷凝水的排出溫度為151℃，則水蒸汽消耗量為 加熱器的熱效率為 由散熱排管的選擇曲線查出，選擇7R型排管，表面風速為，則所需排管的受風面積為 7R型散熱排管由型串聯(lián)而成，單組散熱面積為，總散熱面積為。 （2） 電加熱器 所需電加熱器的總功率為 2. 旋風分離器 進入進入旋風分離器的含塵氣體按空氣處理，氣體溫度取95℃ ，濕度為 含塵氣體流量為 選用擴散式旋風分離器，查CLK型旋風分離器主要性能表，選用兩臺CLK-4.0型擴散式旋風分離器，進口風速為 。 3. 袋濾器 進入袋濾器的氣體溫度取90℃，濕度為 氣體流量為 過濾氣速取，所需過濾面積為 查脈沖袋濾器造型表，選用DMC-36型脈沖袋濾器。其過濾面積為，處理氣量為，設備阻力為。 4. 風機 系統(tǒng)中采用兩臺風機，一臺為鼓風機，安裝在干燥塔前；另一臺為引風機，安裝在干燥塔后。設備阻力以干燥塔為基準分前段阻力和后段阻力。在操作條件下，空氣流經(jīng)系統(tǒng)各設備和管道的阻力大體如表4所示。 表4 干燥系統(tǒng)阻力估算表 設備 壓降 設備 壓降 空氣過濾器 200 干燥塔 100 翅片式加熱器 300 旋風分離器 1500 電加熱器 200 脈沖袋濾器 1500 熱風分布器 200 消音器 400 管道、閥門、彎頭等 600 管道、閥門、彎頭等 800 合計 1500 合計 4300 （1） 鼓風機 鼓風機入口處的空氣溫度為，濕度為 鼓風機所需風量為 系統(tǒng)前段空氣的平均溫度取150℃，由手冊查出，空氣在150℃下的密度為，則系統(tǒng)前段所需風壓為 選用型離心通風機，其風量為，風壓為。 （2） 引風機 引風機入口處的空氣溫度取，濕度為 引風機所需風量為 系統(tǒng)后段空氣的平均溫度取90℃，由手冊查出，空氣在90℃下的密度為，則引風機所需風壓為 選用型離心通風機，其風量為，風壓為。 (七) 工藝設計計算結果匯總 表5 工藝設計計算結果匯總表 料液處理量 330 翅片式加熱器散熱面積 67.5 水分蒸發(fā)量 262.7 電加熱器功率 199 產(chǎn)品產(chǎn)量 67.3 袋濾器過濾面積 27 絕干空氣消耗量 3921 旋風分離器型號 壓力噴嘴孔徑 2 袋濾器型號 干燥塔直徑 1.5 鼓風機型號 干燥塔有效高度 4 引風機型號 參考文獻 [1]李功樣，陳蘭英，崔英德．常用化工單元設備設計．廣州：華南理工大學出版社，2003 [2]姚玉英．化工原理（上）．天津：天津大學出版社，1999 [3]姚玉英．化工原理（下）．天津：天津大學出版社，1999 [4]郭少蘭．運用Excel軟件在化工圖解積分法計算中的應用[J]．萍鄉(xiāng)高等?？茖W校學報，1998（4）：70～71