喷雾干燥器设计计算

广东工业大学课程设计任务书

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1G ＝300h kg /

料液含水量1ω＝80％（湿基，质量分数） 产品含水量ω=2%(湿基，质量分数) 料液密度L ρ=11003/m kg 产品密度D ρ=9003/m kg 热风入塔温度 t 1＝300℃ 热风出塔温度t 2=100℃ 料液入塔温度1θ=20℃ 产品出塔温度2θ＝90℃

产品平均粒径dp =125μm 干物料比容热m 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。

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

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：

计划完成日期： 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

1

＝340kg/h

料液含水量ω

1

＝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

L =1100kg/m3产品密度ρ

D

=900kg/m3

热风入塔温度t

1＝245℃热风出塔温度t

2

=100℃

料液入塔温度θ

1=20℃产品出塔温度θ

2

＝90℃

产品平均粒径dp=125μm 干物料比容热c

2

m

=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。

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 2 G 2＝G 1×

2

111ωω--＝340×02.0159

.01--＝142.2 (kg/h)

② 水分蒸发量W

W ＝G 1－G 2＝340-142.2＝197.8(kg/h) 3.2热量衡算

① 物料升温所需的热量q m q m ＝

W c G m ）θθ1222(-＝8

.19720905.22.142）（-?

?＝125.88 (kJ/kg 水)

② 热损失q l

根据经验取q l ＝210（kJ/kg 水） ③ 干燥塔出口空气的湿含量H 2

1

21

2H H I I --＝－(q m ＋q l －C W θ1)＝－(125.88＋210－4.186×20)＝－252.16

C W 为水的比热；4.186kJ/(kg ·℃)

I 1，I 2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 1，H 2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 0= H 1=0.006, I 1=320kJ/kg ，任取H '1＝H e =0.04，代入上式得： I '2= I e =320－223.50×(0.04－0.006)=311.43 kJ/kg

根据H －I 图，查得H 2＝0.078（kg 水/kg 干空气） ④ 干空气的消耗量 L ＝

12H H W

-=006

.0078.08.197-=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 W =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＝3×105-KW/(m ·K)

③ 初始滴径d 0p d 0p 可由下式计算 d 0p ＝（

l

s ρρ×2111X X ++）3

/1·d p （X 1表示溶液每千克干固体含湿量，X 2表示干产品每千克干固体含湿量，）

由于X 1＝

4159＝1.44（kg 水/kg 干物料），X 2＝982=0.0204kg 水/kg 干物料， 所以d 0p ＝（1100900×0204

.0144

.11++）3/1×125＝156μm

④ 雾滴临界直径d pc d pc ＝d p ＝125μm

⑤ 雾滴临界湿含量X C 可以下式计算 X C ＝111

ω-｛ω1－［1－（0

p pC d d ）3］l ρρω｝＝59.011-｛0.59－［1－（156125）］3

×

1100

1000

｝＝0.36kg 水/kg 干料 进一步换算成湿基湿含量：C C ＝0.36/(1+0.36)=0.262，即含水量26.2％。 ⑥ 空气临界湿含量H C

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 C =0.006+204.91/3571=0.0610 kg 水/kg 干气 ⑦ 空气临界温度t C 查I-H 图得t C ＝135℃ ⑧ 传热温度差 恒速阶段传热温度差 △t 1＝

W

C W C t t t t t t -----1

111ln

)()(θθ＝5413520245ln )

54135()20245(-----＝140.9 ℃

降速阶段传热温度差 △t 2＝

2

222ln

)()(θθ-----t t t t t t W

C W C ＝9010054135ln )

90100()54135(-----＝33.9℃

⑨ 雾滴的干燥时间τ

τ＝12028)(t d d pC p L λ△γρ-＋2

2212)

(t X X d C PC D λ△γρ-

τ＝9

.140103810)25.165.1(110024005

822????-??－－＋9.3310312)

0204.036.0(1025.19002400582???-????－－ ＝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 0—A ′关联图得流量系数C 0＝0.28 ③喷嘴孔径的计算，由式可得（Q 为流量）

d 0＝2［L P C Q

ρ△π/20］2/1＝2［1100/104228.014.3)36001100/(3406?????］2/1＝2.14×

103－m

圆整后取d 0＝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 1=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 ＝（'02bA R r π）（1

0R r ）2/1＝5.12.1255.1????π×（4.45.1）2/1＝2.86mm （γ

0喷嘴孔半径）

取h ＝3mm

⑤ 校核喷嘴的生产能力：

由于A ′＝（bh R r 20π）（1

0R r ）2/1＝32.1255.1????π×（4.45.1）2

/1＝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 C 由下式计算出几何特性参数A ： A ＝

bh R r 20π＝3

2.125

5.1????π＝3.27 利用A —a 关联图（图6-21）可查得a=0.43，因此 r C ＝r 0

a -1＝1.5×43.01-＝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ω0

，径向分速度ωx ，轴向分速度ωy 分别为

ω

＝)(202C r r Q -π＝6

2210)13.15.1(11003600/(340－π）?-??＝28.26m/s ωx ＝ω0

sin （θ/2）＝28.26×sin （58/2）＝13.7m/s ωy ＝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μa

＝

0.0260mPa.·s ，空气的密度ρ

a

＝0.746kg/m 3

A 、根据径向分速度ωx ，计算出τ＝0时的雷诺数R 0e

R 0e ＝a

a x P d μρω0＝3

4100260.0746.07.13102－－????＝61.5 即在R e ＝R 0e 时，ωx ＝13.7 m/s, R 0e =61.5, τ=0 B 、取一系列R 1e =100, R 2e =50,…, R ef =0.5,利用式ωx ＝R e

a

W a

D ρμ和式τ＝4A a L P d μρ32 求出相应的雾滴水平飞行速度及相应的停留时间

如取R e =50,

与R e ＝50对应的雾滴飞行速度为

ωx ＝R e a

P a d ρμ0＝50×746.01056.1100260.04

3

???－－＝11.15m/s 利用图R e 与ξR 2

e ∫5

102?e R 2

·)(e

e R R d ξ列线图得

A ＝∫5

10250

?2

·e

e R dR ξ－∫5

10

25

.149?2

·e

e R dR ξ＝2.22×102－－1.10×102－＝1.12×102－

相应的停留时间为

τ＝4A a

L P d μρ32＝1.12×102

－×3

2

4100260.0311001056.14－－）（?????＝5.69×102－s 其余各组计算结果列于表 表1 τ～ωx 间关系计算结果

C、以τ为横坐标，ω

x 为纵坐标画出τ－ω

x

关系曲线如图1，由图解积分得：

S＝∫318.0

0ω

x

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 ＝∫318

.00

ωx d τ=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 1的计算 i 、根据初始轴向分速度ωy ＝24.72m/s ，计算出R 0e ： R 0e ＝

a

a

y P d μρω0＝3

410

0260.0746

.072.241056.1－－????＝213 φ＝2

3

3)(4a

a L P a d g μρρρ-＝2334100260.03746.01100)103746.081.94）（）－（（－－???????＝428.4 由于φ＝ξ

f

R 2

ef ，因此根据图R e 与ξR 2e

∫

50

102?e R 2

·)(e

e R R d ξ 查得R e

f ＝10.2，并由

R 0e ＝213 可查得ξ

0R 2

0e ＝3.2×104，那么φ

ξ-2

001e R ＝0.0361×103－ 同样取一系列雷诺数R 1e =200, R 2e =100,…, R ef =3.9,，由图R e 与ξR 2

e ∫

50

102?e R 2

·)(e

e R R d ξ 查得相应的ξ

1

R 22e ，ξ

2

R 2

2e ，…，ξ

f

R 2

ef ，再计算出对应

φ

ξ-20

01

e R 值，结果列于表

表2 R e 与φ

ξ-21

e R ，u y 及τ’的关系

ii 、以R e 为横坐标，φ

ξ-2

001

e R 为纵坐标画图，可得到图2

iii 、由R 1e =200，计算出ω1y ＝34.85m/s ，根据图 R e 与ξR 2e

∫

50

102?e R 2

·)(e

e R R d ξ可求得

∫

389

300

φξ-2e e

R dR ，从而可计算出停留时间：τ’＝a L P d μρ

342∫389

300φξ-2

e e R dR =2.96×

103－

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

y

,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

1＝∫878

.0

ω

y

dz＝3.95m

如下图3

B、等速运动时间内雾滴的下降距离H

2

的计算

上述已算出φ＝ξ

f R2

ef

=126.9，由图查得R

ef

＝3.9，所以雾滴的沉降速度：

ω

t ＝R

ef

a

P

a

dρ

μ

＝3.9×

746

.0

10

2

10

0260

.0

4

3

?

?

?

－

－

＝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

2

H

2＝ω

t

×τ’’＝1.185×0.735＝0.87m

C、塔的有效高度H

H＝H

1＋H

2

＝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

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