喷雾干燥器的设计

喷雾干燥器的 已知：喷嘴进料量 ；进料密度 =1000kg/ ；喷嘴压差Δp=4MPa；湿料含水量 =1.5kg /kg干料；产品含水量 =0.005kg /kg干料;平均雾滴直径 =200μm ；产品的平均比容 =2.595kJ/(kg·℃) 选用气-液向下并流操作。空气入塔温度为 =300℃，出塔温度为 =100℃； 干空气进口组成  ； 选用旋转式压力型喷雾干燥器 1 压力喷嘴主要尺寸尺寸的确定 1.1喷嘴直径尺寸 为了使塔径不至于过大，根据经验，选用喷雾角θ= ； θ= 时，查图6-22，可得 =1.0； 利用图6-20，由 =1.0，查得 =0.45； 根据流量系数 值，可计算出口喷嘴直径 ； 因流量V=A· · 。 故 = =9.63× ； A= = =2.39 ； 由A= ， = =5.51mm；圆整后的  =6mm。 1.2喷嘴旋转室尺寸 = =1.0，其中选取 =3mm，选用矩形切向通道，选切向通道宽度b=4mm，旋转室直径为30mm，即R=15mm。 ； 旋转室入口为两个矩形通道， ； 而 = ； 故h= = =8.48mm；圆整为h=8.5mm.。 1.3校核喷嘴的生产能力 因 和h经圆整后，影响 的主要因素 要发生变化，进而影响流量。 圆整后 = = =0.998； 与原 =1.0  很接近，能满足设计要求。 1.4空气心的半径 已知  A= = =2.08； 由图6-21查得，α=0.48； α=1- ，  =2.16mm； 1.5喷嘴处液膜的平均速度 已知 =3mm， =2.16mm；则 ； 液膜是与轴线成θ/2角喷出，可分解成径向速度 和轴向速度 。 sin（θ/2）=29.3m/s cos（θ/2）=64.3m/s； 2 干燥空气的用量 干燥采用气液向下并流操作，根据干燥原理。 2.1物料衡算 产品进料量  ； 产品出料量  ； 水分蒸发量    ； 2.2热量衡算 取湿物料进口温度 ℃，物料出口温度 90℃； 空气进加热器前温度 =20℃，热空气进口温度 ℃； 热空气出口温度 ℃。 由物料热量衡算得 需补充能量    ； 汽化水分耗热  = = =5.24 W； 物料升温耗热  = ; 其中          =2.595kJ/kg; = = W； 废气带走热量  =L×（1.01+1.88×0.02）×（100-20）=83.8L； 热损失按预热器热量的10%计算 = W； ； 得  ； 空气消耗量    ； 出口空气湿含量    3 临界参数 3.1湿球温度 进口空气温度 ℃，空气湿度为  ； 此气流的焓为  = ； 由图14-4 空气-水系统焓-湿图查得 ； 3.2临界湿含量 已知 ， ， ； 则  =0.79； 即雾滴尺寸缩小了25%； μm 由于收缩而减小的体积= ； 除去的水分 = ； 剩下的水分= ； 临界湿含量 ； 换算成湿基为   即含水18.4%。 3.3计算临界点处空气的温度 干燥第一阶段水分蒸发量为 ； 此时湿空气的湿含量为 ； 图14-4 空气-水系统焓-湿图查得； ； 4 计算干燥所需时间  4.1雾滴周围气膜的平均导热系数λ。 气膜温度取出塔空气温度和干燥第一阶段物料面温度的平均值。 即  ； 根据手册查的该温度下空气的导热系数λ= ； 4.2干燥第一阶段所需时间 第一阶段平均推动力的计算。 空气温度  300 →145 ； 雾滴温度  40 →55.3 ； 水的汽化潜热为γ=2137kJ/kg; 故   = ； 4.3第二阶段干燥所用时间 已知物料临界湿含量 ； 该阶段，空气 145 →100 物料 55.3 →90 ； 故 。 = ； 5  塔径的计算  已知雾滴初始水平分速度， =29.3m/s；塔内空气平均温度t=200 ；压力按常压计算。可查得空气的黏度为μ=0.026mPa·s            ； 5.1水平分速度 =29.3m/s，则 ； 根据   计算停留时间。 5.2  Re=R 时， ，R =169，τ=0； 以下取一系列Re，求出相应的停留时间τ和雾滴水平飞行速度 ，从而得到τ~ 关系曲线， 即为雾滴水平飞行距离，从而确定塔径。 取Re=100，查图6-25得 ； ； 与Re所对应的水平飞行速度为  ； 依次类推，将其计算结果列于下表1中。 表1 雾滴停留时间τ与水平速度ux的关系 Re 169 100 50 25 15 10 8 6 4 2 1 0.5 0 0.45 1.22 2.24 3.35 4.25 4.76 5.57 6.7 9.2 11.4 14.2 0 0.923 2.51 4.59 6.87 8.71 9.76 11.42 13.74 18.86 23.37 29.11 29.3 17.3 8.65 4.33 2.6 1.73 1.38 1.04 0.692 0.346 0.173 0.0865         以 为横坐标， 为纵坐标，作 ~ 曲线，即可得到图1。 由图解法求出 =0.77m； 即雾滴由塔中线沿径向运动的半径距离为0.77m。 ； 圆整为D=1.6m。 6  塔高的计算   6.1 雾滴沉降速度的计算 ； 查图6-25得， =3.7； 6.2雾滴减速所需时间 已知 =64.3m/s； ； 令 ； 由 值查图6-25得到 = ，则 = ； 6.3取一系列Re值，由图查得相对应的 ，再计算出相对应的 值，将其结果列于下表2中。 表 2 Re与 、uy及τ的关系 Re ξRe2 τ uy 371 300 200 100 50 20 10 5 4 3.7 7.8×104 5.85×104 3.08×104 1.07×104 3.75×103 1.02×103 4.1×102 1.73×102 1.33×102 1.16×102 1.28×10-5 1.71×10-5 3.26×10-5 9.45×10-5 2.75×10-4 1.11×10-3 3.40×10-3 1.75×10-2 5.88×10-2 ∞ 0 1.43×10-3 2.39×10-3 0.0162 0.0383 0.104 0.213 0.429 0.581 —— 64.3 51.9 34.6 17.3 8.65 3.46 1.73 0.865 0.692 0.641           6.4以Re为横坐标， 为纵坐标，可得到下图2。 6.5  由 ，可计算出 ；据图2可求得 ，从而可计算出停留时间 ； 类似的，由不同的Re值，可求出相对应的 值，再计算相对应的τ，将数据填入表2，由此可得减速运动段的停留时间τ=0.581s。 6.6  由表2 的τ， 数据，做τ— 曲线，按 ，用图解积分法可求的雾滴减速阶段运动的距离 =1.64m。 6.7因干燥所用时间为1.56s，减去减速运动所需时间0.581s，即为等速下降所需时间 =1.56-0.581=0.98s 考虑安全系数，取等速下降时间为3.6s； 故    等速下降距离为h= ； 加上降速阶段的距离 喷雾干燥塔的实际高度为 。 故    取干燥塔的高度H=4m。 7 干燥塔热风进出口直径的计算  在干燥装置设计时，一般取风管中的风速为 。 7.1热风进口接管直径 。 热风进口处空气的比体积 ； ； 取热风进口管道中的气速为25m/s; 则进口直径  ； 圆整后取 =0.85m。 7.2热风出口接管直径 。 同理，热风出口处空气的比体积为 ； 取热风出口管道中的气速为25m/s; 则出口直径为 ； 圆整后取 =0.72m。 8    主要附属设备的设计和选型    8.1 空气加热器  环境空气先用翅片式加热器由25℃加热到130℃，再用电加热器加到300℃。 8.1.1翅片式加热器    将干空气由25℃加热到130℃所需的热量为 = ； 耗能为 已知0.4Mpa下水的饱和温度为T=151℃，汽化潜热γ=2115kJ/kg。 冷凝水排出温度为151℃，则水蒸气的消耗量为 ； 加热器中空气的比体积为 ； ； 空气的平均温度为 ，由空气性能图查得 ； 根据散热排管性能规格 初选型号为SRZ20×10D，单元组件的散热面积 ，通风净截面积为 。 在散热器中气流的实际风速 ； 空气的质量流速 传热系数 ； 传热温差为  ； 所需传热面积 ； 所需单元排管数 实际选取6组。 总传热面积 。 安全系数 。 故可选择SRZ20×10D型空气加热器，共六组翅片式加热器。 8.1.2燃气加热器 将空气由130℃加热到300℃所需的热量 即燃气消耗功率为 8.2 旋风分离器  进入旋风分离器的含尘气体近似按空气处理，温度取95℃。 则 ； ； 选择涡壳式入口的旋风分离器，取入口风速为 ； 选择圆柱体高度 为圆柱体直径 的0.9 因为 ； 经圆整后 即 圆锥体高度 ； 进口宽度 ； 进口高度 ； 排气管直径 ； 排气管深度 ； 排尘管直径 。 8.3布袋过滤器  取进入布袋过滤器的气体温度为90℃。 则 ； 。 取过滤气速为 ； 所需过滤面积为 。 故选择布袋过滤器的型号为LSB-140顺喷脉冲袋式除尘器。过滤面积为 。过滤效率为99.5%。 8.4风机的选择    喷雾干燥塔的操作压力一般是0~-100Pa（表压），因此系统需要两台风机。干燥塔前安装一台鼓风机，干燥塔后安装一台引风机。在操作条件下空气流经各设备和管道的阻力如下表所示。  表4  系统阻力估算表 设备 压降/Pa 设备 压降/Pa 空气过滤器 200 旋风分离器 1500 翅片加热器 300 脉冲布袋除尘器 1500 电加热器热 200 干燥塔 100 热风分布器 200 消音器 400 管道，弯头，阀门 600 管道，阀门，弯头 800 总计 1500 总计 4300         8.4.1鼓风机的选型 鼓风机入口温度为25℃，湿含量为 ； 则 ； ； 系统前段平均风温度按150℃，密度为 ； 则所需风压为 ； 故选用离心式4-72-11No.9A转速 ；风量为 ； 功率 ，风压为 。 8.4.2引风机的选择  取引风机入口处的温度为85℃， 湿含量为 ； ； 系统后段平均风温按90℃计算，密度为 ， 则所需风压为 选用离心式9-26No.8A型风量为 ；功率 ；风压为 9 工艺设计计算的数据汇总 物料处理量/ 翅片式加热器型号 SRZ20×10D 蒸发水量/ 燃气加热器耗电量 产品产量/ 袋式滤器过滤面积 145 空气用量/ 旋风分离器直径 2.7 雾化器孔径 布袋过滤器型号 LSB-140 干燥塔直径 1.6 鼓风机型号 4-72-11No.9A 干燥塔高度 4 引风机型号 9-26No.8A         10   参考文献 1 陈英南编.常用化工单元设备的设计.上海:华东理工大学出版社.2005.4 2 陈敏恒编.化工原理.下册.北京:化学工业出版社.第四版 2008.1 3 匡国柱主编.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社2005.1; 4 王喜忠编.喷雾干燥.北京:化学工业出版社.第二版.2004.3; 5 朱有庭编 化工设备设计手册.下卷.北京化学工业出版社。