乳粉喷雾干燥过程的节能分析
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一中国乳品业/22’V0I.21.No.4AII.1993j,嘎手壤,触,搠敦孛乳粉喷雾干燥过程的节能分析/赵玉珍韩雪松舒冬梅摘要本文对乳粉干燥塔内的干燥过程进行节能分析,除建立了热平衡方程外还进行了堋分析,建立j乳粉干燥塔的埔平衡模型,对乳粉干燥过程中的各种m进行j分析和计算.提出j乳粉干燥过程中各阶段蛹的计算方法和乳粉干燥过程堋效率的计算式,指出乳粉干燥过程的节能方向.l,前言喷雾干燥技术早在l9世纪就已成功地应用于乳粉工业,近30~40年,喷雾干燥应用到亿工,医药,食品等工业上,尤其是那些热敏性的物质,但是,目前硅酸盐,陶瓷,磷酸盐等已都用此法进行干燥,这说明喷雾干燥已广泛地应用到化工,食品,医药,冉瓷等工业生产中,所以说它是一种重要的干燥方法.喷雾干燥有它的优点,但也有缺点,如动力(热能和电能)消耗大,乳粉生产喷雾干燥,蒸发的水量只是浓缩蒸发水量的18.7,但蒸汽耗量为49,所以一般喷雾干燥前要进行湫缩,但是,这样喷雾干燥耗能还是很大,如何提高喷雾干燥塔构效率,降低产品能耗,除了进行热效率分析外,还需要进行炯分析,从能量的质和量两方面进行研究是必要的.2,干燥塔的热平衡及热效率设进入干燥塔热风中千空气的质量为G,温度为f.,排风温度为f2,进入干燥塔浓奶的质量为∥,其中千铭料为m,温度为,空气的比热为el爿,千物料的比热为C”水蒸汽l韵比热为,水的汽化潜热为r,m4热平衡方程式为t.6.C矗(tI—t1)=mC(f2一t1)+(-m)r+(一m)C(fl—f)1)喷雾千燥塔的热效率为tmC,(tl一l+一啦)C《t±t)一,..:GC(f】一f.):上二:粤.…)GC(tl一}D)”一t0一…式中fo一为环境温度CH=1o005+1.859d,.‘d.—热空气的含湿量’.从热效率公式可知喷雾干燥塔的外部损失是多少,但采考虑不可逆性损失也就是且鼠160中国乳品工业21卷第4期量上找原因,未从质E找原因,因而要进行蜘分析.3,干燥塔内的炯分析3.1烟的概念炯(exergy),国内也有人把它称为”可用能”,”有效能”.虽然早在一百多年前就已有了炯的概念,但真正引起人们重视,却起园于七十年代的”能源危机”,迫使人们不得不认真研究各种形态能量的”开发”雨1”合理利用”月I作为一种评价能量价值的物理量,从”量”和”质”的结合上评价了能量的”价值”,解决了热力学和能量科学中长期以来还没有任何一个参数可单独评价能量价值的问题,改变了人们对能的性质,能的损失和能的转换效率等传统的看法,提供了热工分析的科学基础,它还深刻地揭示了能量在转换过程中变质退化的本质,为合理用能指明了方向.随着节能工作的深入,炯分析在能源管理热能动力,制冷干燥,石油化:,谕金等许多领域得到广泛的应用.能量的质量高低是在能量转换过程中袁现出来的.机械能和电能可完全地转换为热能,但热能不能完全地,连续地转换为机械能.按照热力学第二定律,若以能量的转换程度作为一种尺度,则可划为j类不同”质”的能量.3.1.1可完全转换的能量这是一种理论上可以百分之百地转换为其它能量形式的能量,如机械能和电能,它们是技术上和经济更为宝贵韵”高缎能量”,各种高级能量从本质上说是完全有序的能量,理论E它们之间彼此能完全转化,它们的”质”和”量”是统一的.3.1.2可部分转换的能量如热能,其转换为机械能和电能的能力受热力学第二定律的限铆,只有一部分转换为机械能,这种能量称为低级能量.3.1.3不可转换的能量如环境介质的内能根据热力学第二定律,它们虽然可以具有相当的”数量,却无法利用它转换为可利用的机械能,因而其质为零.系统由任意状态可逆变化到环境状态时,能最大限度转换为”可完全转换能量”的那部分嚣量,称之为”婀.也就是系统可逆的变化到环境状态下,能够最大限度转换为有用功的那部分能量.一般地讲舷的”量与”质”是不统一的,而婀代表了能量中量”与”质统一的部分.它不仅在一定程度上反应了能的量的太小,而且还反应了质的高低.在一切实际的不可逆过程中,不可避免地发生能的贬值变质,婀的总量将有所减小而“退化为无用能由于这种退化是无法逆转的,所以称之为婀损失它构成了能量转换中的真正损失.通过炯分析,揭示出能量中l用的转换,传递利用和损失的情况.确定出该系统或装置的i用利用效率.这种分析方珐和由此得出的效率是以热力学第一定律和第二定律为基础的,称为媚分析和炯效率’2喷雾千燥塔的媚分析,由于喷雾干燥塔的内部炯损较为复杂,外部煳损也不少,故采用白箱模型进行炯分析,白箱模型的表示方法:以实线表示体系的边界,以带箭头的i用流线表示输入,输出的娴流.对于外部媚损,在士甩流线上标以黑点,对于体系内部的不可逆过程,在婀流线上标圆点,设备外各过程的相互关系,以娴流线的串并联表示出,同时在各相应的部位标出婀谪和炯1993.No.4专题论损符号,如图①所示.3.2.1喷雾干燥塔的供给Jfj,理坩录I扩散炯组成.l6l是进入干燥塔的热空气带入的.热空气带入的娴,由物E=Ep+E(3)式中:热空气的物理洲EP:GCu[i一0一ToIn(Tl/To)](4)热空气的扩散娴EEo=GRiT(ln麓+ln导麓)(5)式中:一进口热空气中水蒸汽的摩尔成分z一出口热空气中水蒸汽的摩尔成分3.2.2喷雾干燥塔的有效耗lj用有三项:a)预热干燥阶段的有效炯El=W(C+C珊1)(‘一一Toln)(6)』ib)恒速干燥阶段的有效炯F.物料在恒速干燥阶段,除了物料中的水变为蒸汽的相变过程外,还有水蒸汽的升温过程,因此,恒速干燥阶段的有效谰由水的相变娴Fz和蒸汽的升温炯擅i成.E2:Ee2+E2(7Ez=W(wl—w)(i—T0/T)(8)E2=(】一)1.859(T一T一T0ln(T/7)](9)c)降速干燥阶段的有效娴F.浓缩乳在此阶段的有效佣一包括浓乳中的水分汽化炯印和浓缩乳的升温炯FE3=E3+E如(10)ea=(一2)r.(1一./7’)(11)E3=F(C+C叫2)[2一—T0ln(T2/T)](12)3.2.3喷雾干燥塔内部烟损:温差传热炯损F和压差流动娴损Fa)温差传热炯损～E=Q1T0(1/2一lIT)(13)式中=一In’..}0=GCH(l一2),热风放热量b)压差流动炯损z=GRT0In(P】/pz)(14)式尸一热风进[1艇力P.一排风压力3.2.4喷雾干燥塔的外部娴损162画吼品-r业第zl卷第4期a)排风堋损F排风炯损由排风的物理l用损和排风的化学l堋损组成.FLl=F’l+FrI排风的物理娴损E,【=GCH3CT2—71一T0In(T2/710)]排风的化学炯损一=≠In等+In筹,式中:一环境状态下空气的摩尔成分b)散热炯损F,±=0(1—71o/71)0一散热量71一干燥塔内的平均温度c)乳粉带走的炯损失F,3=(1+叫2)(C-’FCv跏2)CT2—71o—T0ln(T2/T0)]4喷雾干燥塔的炯效率和堋损系数4;I喷雾干燥塔的拥鳆宰弘:营;警‘?2喷雾干燥培的l用掼系数.=譬5,计算举例已知条件;被干燥物料的名称处理千乳量浓缩乳初始含湿量”一奶粉含湿量z毛乳忱热C浓缩乳进口温度-乳粉出口温度f浓缩乳临界含湿量环境温度r.环境空气含湿量d.浓缩乳40O评乳/h1.o35kgHiOlks-T乳o.035kgH2O/ks干乳1.25Bkg/kgk4O℃7O℃0.2kgH2O/ks干乳2O℃0.0087kgH2O/kgDA(15)(16)(17)(19)(2o)(21)i993,No.4乳粉喷雾干蝶过程的节能分4斤163设备型式顺流方式热空气入¨温度160℃排风温嫂tz7O℃根据【二述条件,可以求出供给干空气的流量G,出口排风的含湿量d,各干燥阶段过渡温度,从而可以对干燥塔进行堋分析.’解(1)由传热方程Gl+(C+C)fl=G2+∥(C+C叫2)f,2+口式l{=1.005t】+(250l+1.859t】)d10=口F(f一t.)根据浓缩乳与热空气的质量传递方程p(j+叫2)=(d2一dj)G将已知参数代入上述两个方程,联立求解得G=l1326.909g/h如=0.044014kgH2O/kgDA根据预热阶段热平衡GCH(tl—f):F(C+CwI)(f一t1)将已知参数代入上式整理得t5=159.03℃f=45℃f为空气状态(f,d)下湿球温度,应用湿度图及试差法求得.由恒速干燥阶段质量平衡方程式G(d一d)=∥(∞】一∞)d0.0382kgH:O/kgDA出恒速干燥阶段的热乎衡方拦GCⅣ2(tb—t)=p(l一叫)[r+1.859(t:f)]=89.36℃f一为恒速干燥终了的温度将已知参数和上面计算的参数代入娴的各种计算式其结果见下表.6,干燥塔的节能方向与措施由表中可知干燥塔的炯效率为29.94%,娴损失为7O%左右,其主要堋损失为温差传热堋损失,和排风煽损失14.24%+8.46%=22.7%.因此节能方向首先在这两方面考虑,一方面是利用排风的热量,在排风口L用强化换热的方式吸收排风热量.另一方面降低传热温差,即是把喷雾干燥改为喷雾与流化干燥,可降低传热温差,还可降低乳粉出口温度,保证产品质量,并可提高乳粉的溶解度164一～—～一年国乳品工业第2l卷第4期分斩瑷甚符号值KJlh百分戢每】甄的百分蕺,或热风堋E.F,295693.OOB9.O710036270.0410.93L喷喾lf燥塔娴静析的白箱摸型符号说明ec～比热d一空气含涅量s一臼培e一有效￡i一内部姗损失,二}一外部炯损失G一千空气量月m一通用气体常数7’一温度一旅乳量一摩尔数一娴效率一娴损系数∞一乳的含温量参考文献(1]R.AGaggio|i.Y.MEI—ssyed.ACritics~ReviewofSecondLswCostingMethodsSecondLa-Anslysis0ftkermslSystern1987[2)皋珥善着能量景坑的媚分折,清华大学f}}菔社,1988[3】砸新檀着:工程聋冒升析方涪,石油工业出菔社,1990[‘]赳玉骖犏t热工磺理,晴尔藏工业大学曲瓶社.1999【5)张宗岩编?乳与乳制品柏物理化挚-轻工出版社.1987(6,AC盘荣布格着.古品干蜒愿理与技术基础,轻工出版杜,1980主题词:娴烟效率{用损系数Keyw~)rds:ExergyExergyEfficiencyExergYDecrementCoefficient《收稿日期.1993—01—20)
一中国乳品业/22’V0I.21.No.4AII.1993j,嘎手壤,触,搠敦孛乳粉喷雾干燥过程的节能分析/赵玉珍韩雪松舒冬梅摘要本文对乳粉干燥塔内的干燥过程进行节能分析,除建立了热平衡方程外还进行了堋分析,建立j乳粉干燥塔的埔平衡模型,对乳粉干燥过程中的各种m进行j分析和计算.提出j乳粉干燥过程中各阶段蛹的计算方法和乳粉干燥过程堋效率的计算式,指出乳粉干燥过程的节能方向.l,前言喷雾干燥技术早在l9世纪就已成功地应用于乳粉工业,近30~40年,喷雾干燥应用到亿工,医药,食品等工业上,尤其是那些热敏性的物质,但是,目前硅酸盐,陶瓷,磷酸盐等已都用此法进行干燥,这说明喷雾干燥已广泛地应用到化工,食品,医药,冉瓷等工业生产中,所以说它是一种重要的干燥方法.喷雾干燥有它的优点,但也有缺点,如动力(热能和电能)消耗大,乳粉生产喷雾干燥,蒸发的水量只是浓缩蒸发水量的18.7,但蒸汽耗量为49,所以一般喷雾干燥前要进行湫缩,但是,这样喷雾干燥耗能还是很大,如何提高喷雾干燥塔构效率,降低产品能耗,除了进行热效率分析外,还需要进行炯分析,从能量的质和量两方面进行研究是必要的.2,干燥塔的热平衡及热效率设进入干燥塔热风中千空气的质量为G,温度为f.,排风温度为f2,进入干燥塔浓奶的质量为∥,其中千铭料为m,温度为,空气的比热为el爿,千物料的比热为C”水蒸汽l韵比热为,水的汽化潜热为r,m4热平衡方程式为t.6.C矗(tI—t1)=mC(f2一t1)+(-m)r+(一m)C(fl—f)1)喷雾千燥塔的热效率为tmC,(tl一l+一啦)C《t±t)一,..:GC(f】一f.):上二:粤.…)GC(tl一}D)”一t0一…式中fo一为环境温度CH=1o005+1.859d,.‘d.—热空气的含湿量’.从热效率公式可知喷雾干燥塔的外部损失是多少,但采考虑不可逆性损失也就是且鼠160中国乳品工业21卷第4期量上找原因,未从质E找原因,因而要进行蜘分析.3,干燥塔内的炯分析3.1烟的概念炯(exergy),国内也有人把它称为”可用能”,”有效能”.虽然早在一百多年前就已有了炯的概念,但真正引起人们重视,却起园于七十年代的”能源危机”,迫使人们不得不认真研究各种形态能量的”开发”雨1”合理利用”月I作为一种评价能量价值的物理量,从”量”和”质”的结合上评价了能量的”价值”,解决了热力学和能量科学中长期以来还没有任何一个参数可单独评价能量价值的问题,改变了人们对能的性质,能的损失和能的转换效率等传统的看法,提供了热工分析的科学基础,它还深刻地揭示了能量在转换过程中变质退化的本质,为合理用能指明了方向.随着节能工作的深入,炯分析在能源管理热能动力,制冷干燥,石油化:,谕金等许多领域得到广泛的应用.能量的质量高低是在能量转换过程中袁现出来的.机械能和电能可完全地转换为热能,但热能不能完全地,连续地转换为机械能.按照热力学第二定律,若以能量的转换程度作为一种尺度,则可划为j类不同”质”的能量.3.1.1可完全转换的能量这是一种理论上可以百分之百地转换为其它能量形式的能量,如机械能和电能,它们是技术上和经济更为宝贵韵”高缎能量”,各种高级能量从本质上说是完全有序的能量,理论E它们之间彼此能完全转化,它们的”质”和”量”是统一的.3.1.2可部分转换的能量如热能,其转换为机械能和电能的能力受热力学第二定律的限铆,只有一部分转换为机械能,这种能量称为低级能量.3.1.3不可转换的能量如环境介质的内能根据热力学第二定律,它们虽然可以具有相当的”数量,却无法利用它转换为可利用的机械能,因而其质为零.系统由任意状态可逆变化到环境状态时,能最大限度转换为”可完全转换能量”的那部分嚣量,称之为”婀.也就是系统可逆的变化到环境状态下,能够最大限度转换为有用功的那部分能量.一般地讲舷的”量与”质”是不统一的,而婀代表了能量中量”与”质统一的部分.它不仅在一定程度上反应了能的量的太小,而且还反应了质的高低.在一切实际的不可逆过程中,不可避免地发生能的贬值变质,婀的总量将有所减小而“退化为无用能由于这种退化是无法逆转的,所以称之为婀损失它构成了能量转换中的真正损失.通过炯分析,揭示出能量中l用的转换,传递利用和损失的情况.确定出该系统或装置的i用利用效率.这种分析方珐和由此得出的效率是以热力学第一定律和第二定律为基础的,称为媚分析和炯效率’2喷雾千燥塔的媚分析,由于喷雾干燥塔的内部炯损较为复杂,外部煳损也不少,故采用白箱模型进行炯分析,白箱模型的表示方法:以实线表示体系的边界,以带箭头的i用流线表示输入,输出的娴流.对于外部媚损,在士甩流线上标以黑点,对于体系内部的不可逆过程,在婀流线上标圆点,设备外各过程的相互关系,以娴流线的串并联表示出,同时在各相应的部位标出婀谪和炯1993.No.4专题论损符号,如图①所示.3.2.1喷雾干燥塔的供给Jfj,理坩录I扩散炯组成.l6l是进入干燥塔的热空气带入的.热空气带入的娴,由物E=Ep+E(3)式中:热空气的物理洲EP:GCu[i一0一ToIn(Tl/To)](4)热空气的扩散娴EEo=GRiT(ln麓+ln导麓)(5)式中:一进口热空气中水蒸汽的摩尔成分z一出口热空气中水蒸汽的摩尔成分3.2.2喷雾干燥塔的有效耗lj用有三项:a)预热干燥阶段的有效炯El=W(C+C珊1)(‘一一Toln)(6)』ib)恒速干燥阶段的有效炯F.物料在恒速干燥阶段,除了物料中的水变为蒸汽的相变过程外,还有水蒸汽的升温过程,因此,恒速干燥阶段的有效谰由水的相变娴Fz和蒸汽的升温炯擅i成.E2:Ee2+E2(7Ez=W(wl—w)(i—T0/T)(8)E2=(】一)1.859(T一T一T0ln(T/7)](9)c)降速干燥阶段的有效娴F.浓缩乳在此阶段的有效佣一包括浓乳中的水分汽化炯印和浓缩乳的升温炯FE3=E3+E如(10)ea=(一2)r.(1一./7’)(11)E3=F(C+C叫2)[2一—T0ln(T2/T)](12)3.2.3喷雾干燥塔内部烟损:温差传热炯损F和压差流动娴损Fa)温差传热炯损～E=Q1T0(1/2一lIT)(13)式中=一In’..}0=GCH(l一2),热风放热量b)压差流动炯损z=GRT0In(P】/pz)(14)式尸一热风进[1艇力P.一排风压力3.2.4喷雾干燥塔的外部娴损162画吼品-r业第zl卷第4期a)排风堋损F排风炯损由排风的物理l用损和排风的化学l堋损组成.FLl=F’l+FrI排风的物理娴损E,【=GCH3CT2—71一T0In(T2/710)]排风的化学炯损一=≠In等+In筹,式中:一环境状态下空气的摩尔成分b)散热炯损F,±=0(1—71o/71)0一散热量71一干燥塔内的平均温度c)乳粉带走的炯损失F,3=(1+叫2)(C-’FCv跏2)CT2—71o—T0ln(T2/T0)]4喷雾干燥塔的炯效率和堋损系数4;I喷雾干燥塔的拥鳆宰弘:营;警‘?2喷雾干燥培的l用掼系数.=譬5,计算举例已知条件;被干燥物料的名称处理千乳量浓缩乳初始含湿量”一奶粉含湿量z毛乳忱热C浓缩乳进口温度-乳粉出口温度f浓缩乳临界含湿量环境温度r.环境空气含湿量d.浓缩乳40O评乳/h1.o35kgHiOlks-T乳o.035kgH2O/ks干乳1.25Bkg/kgk4O℃7O℃0.2kgH2O/ks干乳2O℃0.0087kgH2O/kgDA(15)(16)(17)(19)(2o)(21)i993,No.4乳粉喷雾干蝶过程的节能分4斤163设备型式顺流方式热空气入¨温度160℃排风温嫂tz7O℃根据【二述条件,可以求出供给干空气的流量G,出口排风的含湿量d,各干燥阶段过渡温度,从而可以对干燥塔进行堋分析.’解(1)由传热方程Gl+(C+C)fl=G2+∥(C+C叫2)f,2+口式l{=1.005t】+(250l+1.859t】)d10=口F(f一t.)根据浓缩乳与热空气的质量传递方程p(j+叫2)=(d2一dj)G将已知参数代入上述两个方程,联立求解得G=l1326.909g/h如=0.044014kgH2O/kgDA根据预热阶段热平衡GCH(tl—f):F(C+CwI)(f一t1)将已知参数代入上式整理得t5=159.03℃f=45℃f为空气状态(f,d)下湿球温度,应用湿度图及试差法求得.由恒速干燥阶段质量平衡方程式G(d一d)=∥(∞】一∞)d0.0382kgH:O/kgDA出恒速干燥阶段的热乎衡方拦GCⅣ2(tb—t)=p(l一叫)[r+1.859(t:f)]=89.36℃f一为恒速干燥终了的温度将已知参数和上面计算的参数代入娴的各种计算式其结果见下表.6,干燥塔的节能方向与措施由表中可知干燥塔的炯效率为29.94%,娴损失为7O%左右,其主要堋损失为温差传热堋损失,和排风煽损失14.24%+8.46%=22.7%.因此节能方向首先在这两方面考虑,一方面是利用排风的热量,在排风口L用强化换热的方式吸收排风热量.另一方面降低传热温差,即是把喷雾干燥改为喷雾与流化干燥,可降低传热温差,还可降低乳粉出口温度,保证产品质量,并可提高乳粉的溶解度164一～—～一年国乳品工业第2l卷第4期分斩瑷甚符号值KJlh百分戢每】甄的百分蕺,或热风堋E.F,295693.OOB9.O710036270.0410.93L喷喾lf燥塔娴静析的白箱摸型符号说明ec～比热d一空气含涅量s一臼培e一有效￡i一内部姗损失,二}一外部炯损失G一千空气量月m一通用气体常数7’一温度一旅乳量一摩尔数一娴效率一娴损系数∞一乳的含温量参考文献(1]R.AGaggio|i.Y.MEI—ssyed.ACritics~ReviewofSecondLswCostingMethodsSecondLa-Anslysis0ftkermslSystern1987[2)皋珥善着能量景坑的媚分折,清华大学f}}菔社,1988[3】砸新檀着:工程聋冒升析方涪,石油工业出菔社,1990[‘]赳玉骖犏t热工磺理,晴尔藏工业大学曲瓶社.1999【5)张宗岩编?乳与乳制品柏物理化挚-轻工出版社.1987(6,AC盘荣布格着.古品干蜒愿理与技术基础,轻工出版杜,1980主题词:娴烟效率{用损系数Keyw~)rds:ExergyExergyEfficiencyExergYDecrementCoefficient《收稿日期.1993—01—20)