化工原理课程设计-乳浊液的干燥

1化工原理课程设计题目：乳浊液物料的干燥专业：姓名：指导老师：一、设计题目：乳浊液物料的干燥——奶粉喷雾干燥2二、设计条件：1、生产任务：年产全脂奶粉920吨。以年工作日310天，日工作二班，班实际喷雾时间6小时计。产品质量符合国家“全脂奶粉质量标准”。2、进料状态：浓缩奶总固形物含量50%。温度55℃、密度1120kg/m3、表面张力0.049N/m、黏度15cp。成品奶粉含水量≯2.5%（一级品）、密度600kg/m3、比热2.1kJ/kg·K。3、新鲜空气状态：t0=25℃、ф0=60%，大气压760mmHg4、热源：饱和水蒸气。三、设计项目：a)工艺流程的确定b)喷雾干燥装置的计算c)辅助设备的选型及计算d)绘制工艺流程图e)编制设计说明书目录一、工艺流程确定及论证…………………………………………………41.1论证………………………………………………………………………41.2喷雾干燥流程图…………………………………………………………8二、喷雾干燥的计算………………………………………………………82.1物料及热量衡算…………………………………………………………82.1.1空气状态参数的确定……………………………………………………832.1.2物料衡算…………………………………………………………………122.1.3热量衡算…………………………………………………………………132.2离心式雾化器的计算………………………………………………………142.2.1液滴直径ζ的计算………………………………………………………152.2.2液滴离开转盘的初速度…………………………………………………152.2.3液滴水平飞行距离………………………………………………………172.2.4离心喷雾器所需功率……………………………………………………182.3喷雾干燥塔主要尺寸的计算……………………………………………182.3.1塔径D……………………………………………………………………182.3.2塔高H……………………………………………………………………19三、辅助设备的选型计算……………………………………………………193.1空气过滤器的选型计算……………………………………………………193.2空气加热器的选型计算……………………………………………………203.3粉尘回收装置的选型和计算………………………………………………223.4风机的选型计算……………………………………………………………243.5其他辅助设备选用…………………………………………………………25四、设计结果总汇………………………………………………………………264.1主要工艺参数…………………………………………………………………264.2干燥装置及主要辅助设计一览表……………………………………………27五、设计说明……………………………………………………………………28六、结束语………………………………………………………………………30七、参考文献……………………………………………………………………324一、工艺流程确定及论证本工艺采用并流离心式喷雾干燥法对奶粉进行喷雾干燥。1.1论证乳粉是一种干燥粉末状乳制品，具有耐保藏、使用方便的特点。生产乳粉的目的在于保留牛乳营养成分的同时，除去乳中大量水分，使牛乳由含水88%的液体状态转变成含水2%的粉末状态，从而大大缩小牛乳体积，既利于包装运输，又便于保藏和使用。乳粉的主要化学成分有水分、脂肪、蛋白质、乳糖、灰分、乳酸等，因含量差异而形成各种种类的乳粉。乳粉的营养价值一般通过乳脂肪及非脂乳固体部分来体现。1.1.1.本工艺采用喷雾干燥技术制备乳粉。喷雾干燥，是指用单独一次工序，将溶液、乳浊液、悬浮液或含有水分的膏糊状物料变成粉状、颗粒或块状的干燥产品。其形成取决于物料的物理特性，以及喷雾干燥设备的流程和操作。奶粉喷雾干燥的原理是将浓缩乳借用机械力量，即压力或离心的方法，通过喷雾器将乳分散为雾状的乳滴（直径为10-15um），大大增加了其表面积，同时送入热风的情况下雾滴和热风接触，浓乳中的水分便在0.01-0.04s的瞬间内蒸发完毕，雾滴被干燥成球形颗粒落入干燥室的底部，水蒸气被热风带走，从干燥室排风口排出，而且微粒表面的温度为干燥介质的湿球温度（50～60℃），若连续出料，整个干燥过程仅需10～30s，故特别适用于热敏性物料的干燥，蛋白质的变性很少，乳清蛋白依然保持良好的溶解性，酶的活性也没有丧失。具有较高的溶解度及冲调性，保持其原有的营养成分及色、香、味。喷雾干燥的特点如下：（1）干燥速度快：由于料液经喷雾后雾化成几十微米大小的液滴，所以单位5重量的表面积很大，每公升料液经喷雾后表面积可达300㎡左右，因此热交换迅速，水分蒸发极快，干燥时间一般只要几秒钟，多则几十秒钟，具有瞬间干燥的特点。（2）干燥过程中液滴的温度比较低：喷雾干燥可以采用较高的温度的载热体，但是干燥塔内的温度一般不会很高。当液滴仍有大量水分存在时，它的温度不超过热空气的湿球温度，例如塔内热空气温度100℃时，物料温度约50—60℃。所以适合于热敏性物料的干燥，能够保持产品良好的色泽和香味。（3）干燥产品具有良好的分散性和溶解性能：根据工艺上的要求，选用适当的雾化器，可将料液喷成球状液滴，由于干燥过程是在空气中完成的，所得到的粉粒能保持与液滴相近似的球状，因此具有良好的疏松性、流动性、分散性，冲调时能迅速溶解。（4）产品纯度高，环境卫生好：由于干燥是在密闭的容器内进行的，杂质不会混入产品，保证了产品纯度。生产有毒气、臭气物料时，可采用封闭循环或“自惰”循环系统的喷雾干燥设备，将毒气、臭气烧毁，防止公害，改善环境。（5）生产过程简化，操作控制方便：即使含水量高达90%的料液，不经浓缩，同样能一次获得均匀的干燥产品。大部分产品干燥后不需粉碎和筛选，从而简化了生产工艺流程。对于产品粒径大小、松密度、含水量等质量指标，可改变操作条件进行调整，控制管理都很方便。（6）适宜于连续化大规模生产：干燥后的产品经连续排料，在后处理上结合冷却器和风力输送，组成连续生产作业线，实现自动化大规模生产。其主要缺点有：（1）当热风温度低于150℃时，热交换的情况较差，需要的设备体积大。在用低温操作时空气消耗量大，因而动力耗用量随之增大。6（2）为了保证乳粉水分含量的要求，必须严格控制各种产品干燥时排风的相对湿度，一般为10%~13%，故需消耗较多的空气量，从而增加了风机的容量及电耗，同时也增加了粉尘回收装置的负荷，影响了产品得率。（3）对某些膏糊状物料，干燥时需加水稀释，这样就增加了干燥设备的负荷。（4）由于设备体积庞大，对生产卫生要求高的产品时，设备的清扫工作量较大。（5）设备的热效率较低，在进风温度不高时，热效率约30—40%左右。1.1.2本工艺采用离心式喷雾干燥喷雾干燥按照雾化方法分为压力式、离心式和气流式喷雾干燥。离心喷雾是将浓奶送入离心盘雾化机中，由于离心盘的高速旋转，被喷成雾状，遇热空气干燥成乳粉。离心喷雾盘的线速度为100—150m/s。用离心喷雾法生产奶粉时，离心喷雾盘的线速度越高，雾滴越小。乳粉颗粒越小，同热空气接触的比表面积越大，热交换速度越快，热效率也越高，热效率也越高，但是小颗粒奶粉的冲调性能较差。离心式喷雾干燥的操作特点有：（1）塔内只安装一个雾化器便可完成生产任务。（2）在一定范围内，可以调节雾滴尺寸。（3）生产能力调节范围大。（4）在调节处理量时，不需要改变雾化器工作状态。（5）与压力式喷雾干燥相比，可以适应叫高粘度的料液。压力喷雾干燥中，浓奶由高压泵打入喷嘴中，经喷嘴喷出的浓奶被雾化成雾滴，雾滴遇热空气变成乳粉。为了使浓奶在喷嘴出口处除了具有向前喷出的速度以外，还具有旋转运动，使用带斜槽的芯子同板眼搭配（称为S型），还有一种是孔板上带斜槽同板眼搭配（称为M型），两种喷头具有同样的雾化效果。7压力越高，雾化效果越好，奶粉颗料越细，干燥效率越高。但是颗粒细小的乳粉，冲调性能不好。压力式喷雾干燥对料液的要求较高，在进雾化器前必须进行过滤，以防杂质堵塞雾化器。这种结构较紧凑，生产能力大，耗能量较少，且能改变内部元件不同飞雾炬形状。主要缺点是在一定的雾化压力下喷雾量不能在线调节。气流式喷雾干燥的操作特点是结构简单，加工方便、操作弹性大、易于调节，但用于雾化的压缩空气的动力消耗较大，约为压力式和离心式雾化器的5-8倍。1.1.3本工艺采用并流型喷雾干燥喷雾干燥按照喷雾和流体流动方向分为并流型、逆流型和混合型三类。（1）逆流型操作特点是热利用率较高，但只适用于非热敏性物料的干燥，而且若空塔速度超过限度将引起颗粒的严重夹带，给回收系统增加负荷。（2）混合型操作特点是气流与产品较充分接触，脱水效率高，但产品有时与湿的热空气流接触，故干燥不均匀，内壁局部粘粉严重。（3）并流型操作特点是：被干燥物料允许在低温下进行干燥。由于热风进入干燥室立即与喷雾液滴接触，室内温度急降，不会使干燥物料受热过度，因此，适宜于热敏性物料的干燥。塔壁粘粉较少。由于在干燥室内细粒干燥时间短、粗粒干燥时间长，产品具有比较均匀干燥的特点，适合于液滴高度分散均一的喷雾场合。综上所述，本生产工艺选用并流、离心式喷雾干燥法对奶粉进行喷雾干燥处理。1.2喷雾干燥流程图8图1喷雾干燥流程图二、喷雾干燥装置的计算2.1物料及热量衡算2.1.1空气状态参数的确定G1tM1=55℃新鲜空气空气过滤器送风机空气预热器浓缩乳离心式喷雾器喷雾干燥旋风分离器排风机排放奶粉冷却过筛包装成品9新鲜空气蒸汽热空气浓奶排气Lt0ф0H0υH0I0Lt1H1υH1I1Lt2H2υH2I2ф2t0=25℃，ф0=60%t1=150℃,H1=0.01189t2=80℃，H2=0.03871H0=0.01189热损失QL空气加热器冷凝水干燥塔奶粉G2tM2=70℃图2物料、热量衡算图2.1.1.1新鲜空气状态参数由设计任务书给定条件：t0＝25℃,ф0＝60%查得25℃饱和水蒸汽压Ps0＝23.76mmHg(3167.89Pa)湿度H0=0.622ф0Ps0/(P-ф0Ps0)=0.622×0.6×23.76/(760-0.6×23.76)=0.01189kg水/kg绝干气热焓I0=(1.01+1.88H0)t0+2490H0=(1.01+1.88×0.01189)×25+2490×0.01189=55.414kJ/kg绝干气湿比容υH0=(1/29+H/18)×22.4×(273+t0)/273=(1/29+0.01189/18)×22.4×(273+25)/273=0.8593m3(湿空气)/kg绝干气2.1.1.2加热后空气的状态参数全脂乳粉的加工工艺流程中，喷雾干燥的操作要点为先将过滤的空气由鼓风机吸进，通过空气加热器加热至130-160℃后，送入喷雾干燥室。如用电热或燃油炉加热，可使干燥介质的温度提高至200℃以上。虽然提高热空气温度可以10提高热效率，强化干燥过程，减少干燥塔所需容积，但是考虑到温度过高会影响乳粉的质量，如发生龟裂或焦化，所以干燥介质的温度会受到限制。同时温度过低会使产品水分含量过高而不能达到标准。故加热后的空气温度可确定为150℃。湿度H1=H0=0.01189Kg水/Kg绝干气热焓I1=(1.01+1.88H1)×t1+2490H1=(1.01+1.88×0.01189)×150+2490×0.01189=184.459KJ/Kg绝干气湿比容υH1＝(1/29+H1/18)×22.4×(273+t1)/273=(1/29+0.01189/18)×22.4×(273+150)/273=1.220m3(湿空气)/kg绝干气2.1.1.3排风状态参数确定干燥的乳粉含水分2.5%以内，从塔底流出，热空气经旋风分离器收集所携带的乳粉颗粒，净化后的空气被排风机送入大气中，排放温度为80-90℃，相对湿度为10-12%。选定排放温度为80℃。但为了防止产品长时间受高温影响而使产品变性，且同时也要防止露水的形成