化工原理课程设计(奶粉喷雾干燥)

化工原理课程设计任务书
专业：XXX
班级：XXX
姓名：XXX
一、设计题目：奶粉喷雾干燥
二、设计条件：
1、生产任务：年产全脂奶粉750吨（学号：1--6）；
800吨（学号：7—12）；
850吨（学号：13--18）；
900吨（学号：19--24）；
950吨（学号：25--30）；
1000吨（学号：31--36）
以年工作日310天（学号尾号为单数）；330天（学号尾数为双号），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46%（学号5,6,11,12,17,18,23,24,29,30,35,36）
48%（学号：3,4,9,10,15,16,21,22,27,28,33,34）
50%（学号：1,2,8,7,13,14,19,20,25,26,31,32）温度55℃、密度1120kg/m2、表面张力0.049N/m、黏度15cp。

成品奶粉含水量≯2.5%（一级品）、密度600 kg/m2、比热2.1kJ/kg.K。

3、新鲜空气状态：t
0=20℃、ф
=50%（学号1—12）；
t0=23℃、ф0=55%（学号13—24）；
t 0=25℃、ф
=60%（学号25—36）
大气压760mmHg
4、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
四、设计时间和设计要求
时间：1.5周
要求：根据设计任务，确定方案合理，论证清楚，计算正确，简述简明，图纸整洁无误，书写整齐清洁。

目录
一、工艺流程确定及论证 (4)
1.1论证 (4)
1.2喷雾干燥流程图 (5)
二、喷雾干燥的计算 (5)
2.1物料及热量衡算 (5)
2.1.1空气状态参数的确定 (5)
2.1.2物料衡算 (8)
2.1.3热量衡算 (9)
2.2离心式雾化器的计算 (10)
2.2.1雾滴直径d L的计算 (10)
2.2.2液滴离开转盘的初速度 (11)
2.2.3雾滴水平飞行距离 (12)
2.2.4离心喷雾器所需功率 (13)
2.3喷雾干燥塔主要尺寸的计算 (13)
2.3.1塔径D (13)
2.3.2塔高H (14)
三、辅助设备的选型计算 (14)
3.1空气过滤选型器的计算 (14)
3.2空气加热器的选型计算 (15)
3.3粉尘回收装置的选型计算（喷） (18)
3.4风机的选型计算 (19)
3.5高压泵 (20)
3.6其他辅助设备选用 (20)
四、设计结果的汇总 (20)
4.1主要工艺参数 (20)
4.2干燥装置及主要辅助设计一览表 (21)
五、带控制点的工艺流程图 (22)
六、设计说明 (22)
七、对干燥设计过程中某些问题的探讨 (23)
八、结束语 (24)
九、参考文献 (24)
一、工艺流程确定及论证
本工艺采用并流、离心式喷雾干燥法进行奶粉的喷雾干燥。

1.1论证
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。

喷雾干燥的特点是：①.干燥速度十分迅速。

②.干燥过程中的液滴温度不高，产品质量较好。

③.产品具有良好的分散性、流动性和溶解性。

④.生产过程简化，操作控制方便。

⑤.防止发生公害，改善生产环境。

⑥.适宜于连续化生产。

⑦.容易改变操作条件，控制或调节产品的质量指标。

⑧.可以满足对产品的各种要求。

⑨适用于热敏性和非热敏性的干燥
但是其缺点是：①.设备比较复杂，一次投资大。

②.投资费用比较高。

③.设备的热效率不高，热消耗大，热效率约为30%-40%。

④.对生产卫生要求高的产品，设备的清扫工作量大。

牛乳的化学成分中的矿物质种类非常丰富，除了我们所熟知的钙以外，磷、铁、锌、铜、锰、钼的含量都很多。

最难得的是，牛乳是人体钙的最佳来源，而且钙磷比例非常适当，利于钙的吸收。

其主要成分由水、脂肪、磷脂、蛋白质、乳糖、无机盐等组成。

可以看出牛乳的主要成分中含有脂肪等易氧化和热敏性的成分，这对于干燥来说是需要较高的要求，而通过上述喷雾干燥优缺点的对比我们发现喷雾干燥法适合于热敏性、易氧化物料的干燥。

综上所述，该工艺适合采用喷雾干燥技术制备乳粉。

1.1.1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。

本工艺采用并流型喷雾干燥。

（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：①.被干燥物料允许在低温下进行干燥。

②.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。

③.塔壁粘粉较少。

④.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，本工艺适合采用并流型喷雾干燥。

1.1.2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。

本工艺采用并离心式喷雾干燥。

（1）压力式喷雾干燥的操作特点是结构简单，制造成本低；维修简单，拆装方便；与气流式喷嘴相比，大大节省雾化用动力，但在生产过程中流量调节能力差；不适应于处理纤维状或含大颗粒料液和高粘度料液或有固液相界面悬浮液；压力式喷雾干燥的体积蒸发强度较低。

（2）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。

（3）离心式喷雾干燥的操作特点是：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。

综上所述，本工艺采用并离心式喷雾干燥。

虽然离心式喷雾干燥的不足之处有，喷雾机构造复杂，维修麻烦，钢材要求高质；高速旋转的传动部分要注润滑油，常漏油污染奶粉；乳粉颗粒中空气多，容重小，保存贮藏性差；无均质作用，只可适于立式烘箱。

但是这些缺点并不影响它的广泛使用。

总的来看，离心喷雾干燥还是经济的，特别是大规模生产时，其经济性极为突出。

当蒸发同样水分时，此法要比其他干燥方法来得经济。

在喷雾干燥设备中，每蒸发一公斤水分所需的热量消耗约为850～1400千卡。

因此最终确定本生产工艺选用并流、离心式喷雾干燥法进行奶粉的喷雾干燥。

1.2喷雾干燥流程图
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
L t02 t0=20
H0
Q L 空气加热器冷凝水干燥塔奶粉G2 t M2=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＝20℃,ф0＝50%
查得20℃饱和水蒸汽压Ps0＝17.54 mmHg (2338.59Pa)
湿度H0=0.622ф0P s0/(P-ф0P s0)
=0.622*0.5*17.54/(760-0.5*17.54)
=0.00726kg水/kg绝干气
热焓I0=(1.01+1.88H0) t0+2490H0
=(1.01+1.88*0.00726)*20+2490*0.00726
=38.554kJ/kg绝干气
湿比容υH0=(1/29+H/18)*22.4*(273+t0)/273
=(1/29+0.00726/18)*22.4*(273+ 20)/273
=0.8387m3(湿空气)/kg绝干气
2.1.1.2加热后空气的状态参数：（[2]，P467。

[7],P229-P233）
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=0.00726Kg水/Kg绝干气
热焓I1=(1.01+1.88*H1)*t1+2490H1
=(1.01+1.88*0.00726)*150+2490*0.00726
=171.628KJ/Kg绝干气
湿比容υH1＝(1/29+ H1/18)*22.4*(273+ t1)/273
=(1/29+0.00726/18)*22.4*(273+ 150)/273
=1.211m3(湿空气)/kg绝干气
2.1.1.3排风状态参数确定：（汇编,P1-8，[7],P305）
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，故奶粉出口温度一般比排气温度低10℃。

就整个干燥器作热量衡算，（[1]下册,P230）
G2C M t M1/W + C l t M1 +lI0 +l(I1-I0) = G2C M t M2 /W + lI2 +QL
式中：C M-----产品比热，全脂奶粉为2.1kJ/kg℃ (任务书给定)
C l-----水的比热，4.187kJ/kg绝干气
t M1-----浓奶温度，任务书给定55℃(任务书给定)
t M2-----奶粉出口温度，取70℃
Q L-----每蒸发1kg水干燥室的热损失，按工业生产经验取251kJ/kg水（[7],P305：对于保温适宜的干燥室而言：其散失的热量可取60千卡/公斤水，相当于251.04kJ/kg水，而对于空气加热器的热损失可取40千卡/公斤水，相当于167.36kJ/kg水。

本工艺保温适宜，故采用热损失为251kJ/kg水。

）W-----每小时蒸发水量（见物料衡算）221.77kg
G2-----每小时奶粉产量（见物料衡算）215.05kg
l-----每蒸发１千克水所需空气量Kg,l＝1/(H
2－H
1
)
将上式整理后可得：
C l t M1-(G2C M t M2 /W－G2C M t M1/W+QL)=(I2-I1)/(H2-H1) 方程左端表示干燥室补充热量与损失热量之差，用Δ表示。

Δ=4.187*55-(215.05*2.1*70/221.77-215.05*2.1*55/221.77+251)
=-51.2605KJ/Kg水
Δ=(I2-I1)/(H2－H1)
=[(1.01+1.88H2)t2+2490H2-I1]/(H2－H1)
=[(1.01+1.88H2)*80+2490H2-171.628)/(H2-0.00726) =-51.2605KJ/Kg水
解得:H2＝0.03388 Kg水/Kg绝干气
热焓I2＝(1.01+1.88 H2)t2+2490 H2
＝(1.01+1.88*0.03388)*80+2490*0.03388
＝170.25675kJ/kg绝干气
ф
2的求取：由H
2
＝0.622ф
2
P
S2
/(P-ф
2
P
S2
)
查得80℃饱和水蒸汽压P
S2
＝355.1mmHg
0.03388＝0.622*355.1ф2/(760-355.1*ф2)
解得：ф2＝11.06%﹤12%
为保证乳粉水分含量的要求，必须严格控制排风相对湿度ф2=10～12%。

由
于ф
2
在此范围以内，所以含水量可以保证。

湿比容υH2=(1/29+H/18)*22.4*(273+t2)/273
=(1/29+0.03388/18)*22.4*(273+80)/273
=1.0533m3(湿空气)/kg绝干气
2.1.2物料衡算：
2.1.2.1 每小时需得奶粉量G2可由年产量，年工作日，日工作班数及喷雾时间求取（相关数据由任务书给定：年产全脂奶粉800吨，年工作日为310天，日工作二班，班实际喷雾时间6小时）
G2=800*1000/(310*2*6)=215.05kg/h
2.1.2.2 每小时喷雾浓奶量及蒸发水分量W
G1=G2*(1-W2)/(1-W1)
=215.05*(1-0.025)/(1-0.52)
=436.82Kg/h
W=G1-G2=436.82-215.05=221.77kg/h
2.1.2.3每蒸发1kg水干空气用量（绝干量计）
L=1/(H2－H1)＝1/(0.03388-0.00726）
=37.566kg绝干气/kg水
每小时干空气量
L＝W/(H2－H1)＝221.77/（0.03388-0.00726）=8330.9542Kg绝干气/h
新鲜空气体积流量
V0=LυH0=8330.9542*0.8387=6987.1713m3/h
热空气体积流量
V1=LυH1=8330.9542*1.211=10088.785m3/h
排气体积流量
V2=LυH2＝8330.9542*1.0533=8774.994m3/h
2.1.3热量衡算
2.1.
3.1 输入系统热量
新鲜空气输入:Q1=LI0=8330.9542*38.554=321191.61kJ/h
加热器输入热量：Q2=L(I1- I0)＝8330.9542*(171.628 -38.554)=1108633.4 kJ/h 浓奶带入的热量：Q3=G2C M t M1+WC l t M1＝215.05*2.1*55+221.77*4.187*55
=75908.579KJ/h
ΣQ入=Q1+ Q2+ Q3=321191.61+1108633.4+75908.579=1505733.6kJ/h
2.1.
3.2 输出系统的热量
排气带出的热量:Q’1=LI2 =8330.9542*170.25675 =1418401.2KJ/h
产品奶粉带出的热量：Q’2＝G2C M t M2＝215.05*2.1*70=31612.35KJ/h
干燥室热损失：Q’3= WQL＝221.77*251=55664.27KJ/h
ΣQ出＝Q’1+ Q’2+ Q’3= 1418401.2+31612.35+55664.27=1505677.8 KJ/h
由于ΣQ
出＝ΣQ
入
，可见热量收支平衡。

2.1.
3.3 干燥过程的热效率：表示每蒸发1kg水分，干燥器内所需加入的热量中用于汽化水分所耗热量的百分率。

η=((r0+C W t2)-C l t M1)/l(I2－I0)
=((2490+1.88*80)-4.187*55)/37.566(170.25675-38.554)=48.7%
2.1.
3.4 空气加热器蒸汽消耗量：（[5],P266）
选取加热用饱和水蒸气温度T= t 1+10=150+10=160℃
查得其饱和蒸汽压为6.303Kgf/cm 2(绝压)，汽化潜热为2087.1kJ/kg
并取热效率ηk =95%
蒸汽消耗量:D k =Q 2/rηk =1108633.4/2087.1*0.95=504.62kg/h
2.2离心式雾化器的计算：
根据现有的定型设备LP150，用其有关数据进行参考设计。

G 1=436.82kg/h ρ=1120kg/m 3
V 1=3
1
1436.8210390.02/1120G L h ρ⨯== 故可选取生产能力为400L/h 的离心雾化器。

要使喷孔流速U 孔在0.5~1m/s 之间，可增大孔径至5mm ，采用6个喷孔。

核算U 孔32
390.02100.91965636004m s π
⨯==⨯⨯⨯ U 孔在0.5~1m/s 间，适用选LP400
LP400：参数如下：
生产能力：400L/h
主要性能参数：离心盘喷嘴外径：280mm
喷嘴个数： 6个
喷嘴孔径： 5mm
离心盘转速： 7300r/mim
离心盘线速度： 104m/s
上述采用参考性设计，由于离心雾化器结构相对较复杂，故不重新进行设计，但可用现有型号的雾化器，并对生产能力方面的参数做微调。

本次设计通过扩大喷嘴口径和增加喷口数量使喷嘴的液体流速控制在0.5~1m/s 内，随后再对喷嘴的性能参数做相应的调整，最后列出主要性能参数。

2.2.1雾滴直径d L 的计算([6]，P432)
在忽略了分散盘形状对雾滴的影响时，有人提出下面的多管式分散盘雾滴直
径计算的经验公式：98.5L d =式中：d L -----雾滴直径(m)
N------分散盘转速7300(r/min)
r------分散盘半径0.14(m)
L σ-----料液表面张力0.049/9.81=0.005(kg/m)
L ρ-----料液密度1120(kg/m 3
)
598.598.57.61910L d m -===⨯
2.2.2液滴离开转盘的初速度([6]，P428)
2.2.2.1径向速度的计算
圆形通道分散盘，雾滴离开分散盘时径向速度按下式计算：
0.80.4
0.400.950.42 1.43
0.35
(1)r r u c c r ωω=- 式中：0r u -----雾滴的径向初速度(m/s)
ω-----分散盘的角速度
227300764.454(/)6060
N rad s ππ⨯== r -----分散盘半径0.14(m) c------常数；0.350.355
040.80.80.0025 1.339100.090.090.279981.08310()()7300
L L r c Q N ν--⨯⨯==⨯=⨯ 0r -----通道半径0.0025(m)
L ν-----料液运动粘度50.015 1.339101120
μρ-==⨯(m 2/s) L Q -----料液的体积流量4311
436.82 1.08310(m /s)11203600G ρ-==⨯⨯ N------分转盘转速7300(r/min)。

将以上数据代入式0.80.40.400.950.42 1.43
0.35(1)r r u c c r ωω=
-
0.80.40.40.950.42 1.43746.4540.140.35(1)46.3/0.279980.27998746.4540.14
m s ⨯=-=⨯⨯
2.2.2.2切向速度的计算
由于浅槽或叶片阻止了料液的滑动，离开分散盘边缘时的切向速度近似等于分散盘上圆周速度：00.287300106.97/60
t u dN m s ππ⨯⨯=== 式中：d--------分散盘直径0.28(m)
0t u -----切向速度(m/s)。

2.2.2.3料液离开分散盘时的合成速度
料液离开分散盘时是径向速度与切向速度的合成速度的运动形式，因此最后
雾滴离开分散盘时的速度为：0116.56/m u m s === 式中：0m u -----料液离开分散盘时的初速度(m/s)。

2.2.3雾滴水平飞行距离([6]，P429-430)
雾滴离开分散盘边缘沿水平方向飞出，雾滴飞出的最大距离是确定干燥器直径的主要依据。

分散盘产生的雾距，通常是以90%-99%雾滴的降落半径作为最大雾距。

但是实际雾距和理论值不能吻合，主要原因在于：
① 雾滴在喷出后因水分迅速蒸发而使雾滴密度减小，因此飞行距离也缩短。

② 在干燥过程中雾滴的直径收缩或因崩裂而减小。

③ 干燥器热风的流动，雾滴的飞行受到影响。

所以考虑到空气阻力的影响，计算雾距有下列公式：04ln 3p L m a m
d u R u ρξρ=
式中：p d -----雾滴直径57.61910()m -⨯
L ρ-----料液密度1120(kg/m 3)
a ρ-----空气密度(kg/m 3) 12312
121110.072610.033881.211 1.05330.9336/222
a a H H a H H v v kg m ρρρ+++++++==== 0m u -----雾滴的初速度116.56/m s
m u -----雾滴的运动终速度(m/s)，可按雾滴在干燥室内的浮翔速度考虑。

5225()1()(11200.9336)9.810.2064/1818 1.837100.937.61396
10p L a m a a d g u m s ρρνρ---⨯-⨯==⨯⨯⨯⨯= a ν-----空气在平均温度下的运动粘度(m 2/s)
20℃时，干空气的黏度：1a μ=1.81×510Pa s -
干空气的运动黏度：5211110.8857 1.60310/a a a a m s νρμμ-==⨯=⨯
80℃时，干空气的黏度：2a μ=2.11×510Pa s -
干空气的运动黏度：5222220.98156 2.07110/a a a a m s νρμμ-==⨯=⨯
5512 1.81 2.1110 1.961022
a a a Pa s μμμ--++==⨯=⨯ 55212 1.603 2.07110 1.83710/22
a a a m s ννν--++==⨯=⨯ ξ-----阻力系数，是Re 的函数。

L m0a
5a 5d u 116.560.9336423<10001.9617.61100
9e R ρμ--⨯⨯===⨯⨯ ∴阻力系数0.6
0.618.518.50.491423e R ξ=== 将以上数据代入公式04ln 3p L
m a m
d u R u ρξρ= 得：547.619101120116.56ln 1.57330.4910.93360.2064
R m -⨯⨯⨯==⨯⨯
2.2.4离心喷雾器所需功率(课程设计指导书，P2-26，或参考干燥设备设计手册，P430) 分散盘雾化料液时理论上消耗功率：202.251022GV N g
=⨯ 式中：0V -----离心盘的圆周速度，即离心盘线速度104(m/s)
G -----离心盘的生产能力，即(G =1G )=436.820.12134(/)3600
kg s = ∴ 2
2.250.12134104 1.475510229.81
N KW ⨯⨯==⨯⨯
2.3 喷雾干燥塔主要尺寸的计算
2.3.1 塔径D ([6]，P179)
离心雾化器的干燥塔直径在一般情况下，塔径D 按照下式计算：
D=(2~2.8)R
式中：R-----离心雾化器喷雾距半径，即雾滴水平飞行距离1.573m 。

选取：D= 2.25R=2.25×1.573=3.54m 圆整为D=4m
验算：塔内空气平均流速U ，应在0.1~0.3m/s 之间。

12221.211 1.05338330.9542220.2085/36004360044
H H v v L U m s D π
π++⋅⨯===⨯⨯⨯ 式中：U------空气平均流速(m/s)
L------绝干空气流量8330.9542kg 绝干气/h
D----喷雾干燥塔内径12.5m
H v --- 平均湿比容，1H v =1.211和2H v 1.0533m 3(湿空气)/kg 绝干气
0.1m/s<U=0.2085<0.3m/s ，所以选择D=4m 合适。

2.3.2 塔高 D
H 1=1.2D=1.2×4=4.8m
H 2=D=4m
选鼓形阀d=400mm
2/2/220.2tan 0.4524
D d H α
--=== ∴α=48.45°<60°合适 d
因为锥形壳体的应力，随半锥角α的增大而增大；当α角很小时，其应力值接近圆筒形壳体的应力值。

所以在设计制造锥形容器时，α角要选择合适，不宜太大 。

H=H 1+H 2= 4.8+4=8.8m
有效容积22214 4.8060.344V D H m ππ=
=⨯⨯=
蒸发强度3221.7 3.68/60.3W q kg m h V ===核算水 310.03t 10.031501 3.5kg m h q =-=⨯-=经验水/
q q ≈经验核算，由于二者近似相等，塔高选择合适。

三、辅助设备的选型计算
3.1空气过滤器的选型计算（课程设计指导书P4-1、[7],P277）
材料采用中空泡沫塑料，油浸式滤层，滤层用不锈钢细丝，形成绒团（钢丝绒、铜丝绒、尼龙纤维、中孔泡沫塑料均可）喷以轻质定子油或真空泵油（无味、
无臭、无毒、挥发性低、化学稳定性高）制成每块50×50cm 左右单体厚约5～12cm ，当空气通过时，空气中杂质即被阻挡或为油膜吸附于滤层中，每隔一定时期拆下用碱水清洗，干燥后喷油重新安装，可继续使用。

过滤面积: Ho Lv F m
= 式中：m-------滤层过滤强度，一般为4000~8000m 3/m 2 h
选取m= 5000 m 3/m 2h
28330.95420.8387 1.3975000
O
H Lv F m m ⨯=== 圆整为1.5m 2 核算328330.95420.83874658.1/1.5O
H Lv m m m h F
⨯=== 空气阻力：H f =0.5SV 1.8
式中：S-------滤层厚度，通常取10 cm
V-------过渡速度为
s m m /3600
H f =0.521.84658.110()7.953600mmH O ⨯⨯= 过滤时一部分孔被堵，导致H f 上升，至一定程度 （O mmH 220~15>）时取下清洗。

进料时无压力，不会有漏奶等情况，清洗时仅需拆下进奶管道，离心转盘，清洗容易，轻便。

长期不清洗，使过滤器的阻力增大，从而使进风量减少，影响生产能力。

3.2空气加热器的选型计算 (课程设计指导书4-2~4，[7]P277~278)
空气加热器是以紫铜管或钢管上绕以紫铜的翅片，最后经搪锡而制成具有一定加热面积的加热器，干燥设备一般由若干加热器组成。

目前在乳粉生产上常用的有S 型及GL 型两种形式。

空气加热器是对新鲜空气进行加热的必要设备，用饱和蒸汽作为热源，在加 热管内流动，新鲜空气在加热管外经翅片间通过，经热交换后空气的温度可达150~170℃，热空气的温度主要取决于加热面积，饱和蒸汽的压力及质量。

为强化传热，可采用翅片式换热器，加大湍流程度，减少该侧热阻。

（1）需要加热量 Q 需
10171.628 38.()8330.9542()116698554 2.5/0.95
L I I Q KJ h η-⨯===-需
（2）传热效率10
015020
0.867 170
20
S
t t
F
T T
--
===
--
选定饱和蒸汽压力：8kgf/cm2查[1]P334的T S=170℃
（3）表面风速V a的选取
由F查化工原理课程设计辅导书[4-3] V a-F图得V a=2.75m/s，N=8排。

GLII型钢制空气热交换器比GLI型散热排管的传热系数高，比I型散热排管重量轻，体积小，消耗金属少，且造价比S、UII型钢制散热排管便宜。

故选用GLII型空气加热器。

（4）受风面积F a
a
a V
G
F
3600
'
=G’：校正至20℃，l atm时空气的体积流量[m3/h]
=2
27320293
8330.95420.8387
273202930.706
36003600 2.75
O
H
a
Lv
m
v
+
⨯⨯
+==
⨯
（5）选型：据F a =0.706m 2，8排 查[4-4]表选GLII 2-15-54。

GLII 2-15-54的主要参数：
散热面积F 0：26.12m 2 受风表面积F a ：0.828m 2
通风净截面积F f ：0.438m 2
总传热面积F o =8×26.12=208.96m 2
（6）核算传热量：Q 供=KF O △t m
K 无具体计算公式，故借用S 、U II 型公式。

K=19.77(V r )0.608×10-3
V r =2(1)8330.9542(10.00726) 5.32/36000.4383600
O f L H kg m s F +⨯+==⋅⨯⨯ K=19.77×5.320.608×10-3=0.0546kw/m 2k
△t m =1212(17020)(170150)64.5217020ln /ln 170150
t t t t ∆-∆---==-∆∆- Q 供=KF O △t m =0.0546×208.96×64.52=736.122kw
=2650041.4kJ/h
富裕()00002650041.42650041.41166982.510055.96-÷⨯=
Q 供>Q 需 富裕55.96%不在20~30%范围内
故在原有基础上减两组，即4排。

（7）空气阻力△P=0.0853×（V r ）1.862×4=7.67mmH 2O
根据课程设计要求，离心雾化的粉尘回收选用旋风分离器：
采用旋风分离器的主要有以下几个方面：
（1）分离效率高，提高产品得率，减少损耗，增进经济效果， 同时减少公害。

（2）分离器内壁应非常光滑，减少液体阻力，粉末不致于粘壁。

（3）若是室温太低，设计的旋风分离器外壁给予保温，或外壁加蒸汽盘管。

（4）尽可能减少旋风分离器只数，因只数多，每只口风速不易分配，只要其中
一只入口风速低于规定速度，则严重影响总效率，最好是单只，阻力小，易于管理和清扫。

（5）易装卸，修理方便，密闭性能好。

（6）缷料装置简单，可用鼓形阀。

3.3 粉尘回收装置的选型和计算
（1） 选型：采用干式法回收，选用标准型切线入口的旋风分离器、
离心式喷雾机乳粉粒度谱。

粒径μm 0~60 60~120 120~180 180~240 >240
离心式 分布百分率 2.0 31.2 24.0 18.6 24.0
压力式 分布百分率 66.4 24.6 5.4 2.2 1.5
（2）分离器尺寸及进口风速和阻力计算
进口风速u i 一般可取15~25m/s ，取ui=20m/s
进口截面积F=228330.9542 1.05330.1223600203600
H i Lv m u ⨯==⨯⨯ F=2
248
D D D A⨯B =⨯==0.122m 2 ∴D=0.987m 圆整为D=1m A=m D 5.02= B=m D 25.04
= ui=8330.9542 1.053319.5/1/83600
m s ⨯=⨯ D 1=D/2=0.5m H 1=2D=2m H 2=2D=2m
S 1=D/8=0.125m D 2=D/4=0.25m
△P=22
i B u ρζ⋅ 标准型ζ=8
=2222
110.03388219.51.0533881492.957/22
H H ui v N m ++⨯⨯⨯=⨯= =152.49mmH 2O
（3）分离总效率
d c
15.5m μ== 取进入粉尘回收装置的量为15%
0~60um 60~120um
颗粒平均直径 30 90
质量分率 2/15=13.3% 13/15=86.7%
d/d 0 2.71 8.14
η——粒级效率 0.93 1.0
分离率η=0.93×13.3%+1.0×86.37%=99.07%
分离总效率η总=0.85+η×0.15=99.07%×0.15+0.85=99.86%
损耗率：1-η总=1-99.86%=0.14%
3.4 风机的选型计算([7],P281)
（1）送风机：风量一般应有10~20%富裕量，取15%。

Q 送=Lv HO (1+0.15)= 8330.9542 1.0533⨯×(1+0.15)
=10091.243m 3/h
P t =(干燥室内压-大气压)+过滤器阻力降+加热器压降+热风分配器压
降+沿程与局部压降
一般要求干燥室内压为负压10~15mmH 2O ，取15mmH 2O
过滤器阻力升至15~20mmH 2O 时需取下洗涤，取其阻力降为15mmH 2O 。

热风分配器压降计算复杂，无资料介绍，估计为30~40mmH 2O ，取40mmH 2O 。

沿程与局部阻力估为：30~40mmH 2O ，取40mmH 2O 。

P t = -15-0+15+7.67+40+40=87.67mmH 2O
P to =P t 21.287.6787.59910.007260.8387
o mmH O ρρ
⋅=⨯=+ 据P to =87.599mmH 2O Q 送=10091.243m 3/h 查 [1] P365表25
选送风机型号为： 离心通风机 4-72-11 8C
主要性能参数：转速1250rpm 全压：137mmH 2O
流量：20800m 3/h 效率：91% 所需功率：10.3KW
（2）排风机
排风机富裕量一般为15~30%，取25%。

Q 排=Lv H2(1+0.25)= 8330.9542 1.0533⨯×1.25=10968.743m 3/h
P t =出口动压-进口静压+旋风分离器压降+沿程、局部压降
出口动压一般取15mmH 2O ，进口静压取-15mmH 2O 。

旋风分离器压降152.49mmH 2O
沿程、局部压降估为35mmH 2O
P t =15-(-15)+ 152.49+35=187.49mmH 2O
P to =Pt 021.2229.21410.033881.0533
187.49mmH O ρρ
⋅=⨯=+ 据P to =229.214mmH 2O Q 排= 10968.743m 3∕h 查 [1] P365表25
选排风机型号为： 离心通风机 4-72-11 6C
主要性能参数：转速2240rpm 全压248mmH 2O
流量： 15800m 3/h 效率：91% 所需功率：14.1kw
一般为使干燥室内形成10~20mmH 2O 的负压，排风机的风量需比送负机的风量大20~40%。

10968.741580030.58%158300
-= 由于20%30.58%40%<<,所以风机选择合适
3.5、高压泵（汇编4-18、[7],P414）
根据设计压力一般在100~150Kgf/cm 2，如120 Kgf/cm 2，流量如430Kg/h 选取合适的泵
3.6、其它辅助设备选用
（1）浓奶保温槽：选RP 6L 5型，其贮液容积为500L ，加热面积2.67m 2，
容积内径900mm ，电机功率0.37kw ，2台。

（2）集粉箱：无具体型号，设计用长1m ，宽0.5m ，高0.5m 的箱体。

（3）旋转阀：采用普通式即可，动配合间隙小于0.05mm 以保证气密性，
用型号l 的旋转阀，叶轮容积1.0升，叶轮转速30rpm ，所
需功率0.4kw ，排料量1吨/小时。

（4）仪表盘：将就地集中测量的仪表读数全部在仪表盘上显示出，包括差
压计、温度计、电流表（送风机、排风机、雾化器的电流）。

四、设计结果的汇总：
4.1主要工艺参数
（1）产量：年产全脂奶粉800吨，每小时产量为215.05kg ，产品质量符合轻工
部“全脂奶粉质量标准”。

轻工部全脂乳粉一级产品的理化指标。

化学指标：水分（不超过）2.50%，脂肪25~30%。

复原后的酸度不超过190T ，铜不超过6mg/kg 。

锡不超过100mg/kg ，铅不超过2mg/kg 。

物理指标：溶解度不低于97%，杂质度不超过16ppm 。

微生物指标：杂菌数不超过50000个/g，大肠菌不检出。

（2）浓奶：总固形物含量48%，温度55℃，每小时喷雾量G1=436.82kg/h。

（3）蒸发水量：W=221.77kg/h
（4）干燥空气用量：L=37.566kg绝干气/kg水
（5）新鲜空气的状态及流量：t0=20℃ψ0=0.5
H0=0.00726kg水/kg绝干气I0=38.554kJ/kg绝干气
V H0=0.8387m3(湿空气)/kg绝干气V0=6987.1713m3/h （6）热空气的状态及流量：t1=150℃
H1=0.00726kg水/kg绝干气I1=171.628KJ/Kg绝干气
V H1=1.211m3(湿空气)/kg绝干气V1=10088.785m3/h （7）排气的状态及流量：t2=80℃ψ2=0.1106
H2=0.03388 Kg水/Kg绝干气I2=170.25675kJ/kg绝干气
V H2=1.0533m3(湿空气)/kg绝干气V2=8774.994m3/h
（8）加热蒸汽的状态及流量：T3=170℃P=8.0kgf/cm2D k=504.62kg/h
五、带控制点的工艺流程图
见所附A3图纸上。

六、设计说明
干燥塔设计的其他说明：
（1）热风分配装置（离心式喷雾干燥热风分配盘）
热风以切线方向进入分配器，通过多孔板，在导板空气分散器作用下，热风便能均匀地、螺旋式地进入喷雾塔内，喷出来的雾距塔顶的距离靠空气分散器来调节，空气分散器挂在锥形支座中间部位比较适合。

分配器风道截面随风量的减小而变小，这样可使风道中的风速和动压基本一致。

为了防止粘粉的焦化，在喷雾塔顶热风引入导管处设有用冷风冷却的三角形风道。

（2）干燥塔上设有人孔、振荡荡器。

振荡器使喷至塔壁上的奶粉尽可能地被振荡下来，以防止焦化，但总不可避免某些奶粉粘在壁上，因此每隔一段时间就需人入内扫出，因此须设人孔。

振动器安装在塔壁上及圆锥底部，各两个。

（3）为使喷雾正常进行，在干燥塔上设有窥视镜及安全灯，安全灯主要起照明作用，为防止出现不测事件，其电压控制在36V。

（4）塔体材料：乳粉喷雾干燥设备的内表面，凡与产品接触的部位普遍采用不锈钢材料制成，钢厚2～3mm，干燥塔边上加角钢圈，顶部用槽钢固定起来。

材料可用1cr18Ni9Ti。

（5）干燥室、热风分配装置、粉尘回收设备、热风管、空气加热器等应根据不同要求，必须附有一定厚度的绝热层（保温层），以减少热损失或设备停用时因乳粉吸潮而粘结。

粉尘回收装置应有较高的回收率，同时应便于清洗，操作方便，干燥后的乳
粉应迅速自干燥室内自动卸出，并及时进行冷却。

干燥设备的设计应合理，尽量使干燥过程的排风温度不超过90℃。

游离脂肪合量高的乳粉很易引起变质，不耐保藏，喷雾前对浓奶进行两段均质可使游离脂肪含量降低，出粉后迅速冷却到20℃以下进行输粉为佳。

七、对干燥设计过程中某些问题的探讨
（1）在LP400离心喷雾机设计过程中，为达密封要求，除图示用过渡配合并拧紧螺栓外，可在螺栓与离心盘间要密封部位加上密封垫圈，这种方法更便于拆卸。

另一种方法，将离心盘与喷嘴配合部位做成锥形，喷嘴装上拧紧后可自然而然达到密封要求。

（2）节能将是喷雾干燥未来发展的趋势，节能的措施有以下几点①提高进口温度和降低出口温度，但进塔热风温度不可过高，温度太高会使奶粉颜色变深，影响产品品质。

②提高料液固形物含量。

③提高料液的温度。

④排放的气体进行部分再循环利用。

⑤利用热交换器回收余热。

⑥采用二级或三级干燥。

（3）牛奶喷雾干燥也可以采用泡沫干燥的方法。

泡沫干燥是将高压气体注入进料泵与雾化器之间的气液混合器中，使气体与液体充分混合并经雾化后形成泡沫。

雾化后雾滴的不同部位有许多微小的气泡，这些气泡在高温下膨胀、破裂，加大了传质表面积，也提高了传质速率，节约了能源。

（4）喷雾干燥过程中，被干燥的物料粘附在干燥器的内壁上，一般称之为粘壁现象。

粘壁现象是设计者和操作者必须考虑的问题。

因为粘壁后的物料若长时间停留在内壁上会烧焦或变质，如果结块落入干燥器底部会使产品不能达到规定的湿含量。

所以清除粘壁非常有必要，常用的方法有振荡法、空气吹扫法、转动刮刀连续清除法、转动链条连续清除法和针对粘壁部位，特别设置电动或气动刷子间歇清除。

（5）旋风分离器的性能主要有三个指标，即含尘气体的处理量，压力损失以及分离效率。

在选择旋风分离器形式时，要充分考虑上述因素，同时还要兼顾到布置空间要求、产品的粒度要求等，一般来说，旋风压降较大时，其分离效率也较高，但同时颗粒的磨损也会加剧。

因此，对于易磨损、又有产品粒度要求时，应选择低速低压的旋风分离器。

旋风分离器一般作为一级分离设备，对于回收率要求较高时，采用二级设备如袋滤器。