-全脂奶粉喷雾干燥器设计本科毕业论文

学号 20120704050140

密级 第

3 稿

兰州城市学院本科毕业论文

全脂奶粉喷雾干燥器设计

学 院 名 称： 专 业 名 称： 学 生 姓 名： 指 导 教 师：

化学与环境科学学院 化学工程与工艺

二○一六年五月

BACHELOR'S DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITY

Design of Sprayer Dryer for

Whole Milk Power

School：School of Chemistry and Environmental Science Subject： Chemical Engineering and Technology， Name： Y Directed by：

May 2016

郑 重 声 明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名： 日期：2016年5月11日

目 录

摘

要····································································································· 1

ABSTRACT ····················································································· 第1章 绪 论····················································································

1.1 喷雾干燥技术研究现状································································ 第2章 设计方案的选取······································································ 2.1奶粉干燥简介············································································· 2.2喷雾干燥的原理·········································································· 2.3喷雾干燥的特点·········································································· 2.4喷雾干燥过程············································································· 2.5干燥装置流程············································································· 2.6干燥器内热空气和雾滴的流动方向··················································

2.7雾化器型式················································································ 第3章 工艺计算··············································································· 3.1物料和热量衡算·········································································· 3.2雾化器的主要尺寸计算 ································································ 3.3干燥器的主要尺寸计算·································································

3.4附属设备的设计和选型································································· 第4章 结 论···················································································· 参考文献 ························································································· 致谢 ································································································· 2 3

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摘 要

本设计是关于喷雾干燥器的设计，主要是进行干燥器的工艺计算、干燥器的结构设计。以热空气为干燥介质干燥鲜奶的工艺参数为依据, 选定了干燥器的类型, 计算了干燥器结构尺寸。通过设计得出了干燥器的塔高为5.6m，塔径为1.7m，空气用量2029.63 m3/h，旋转型压力式喷嘴的孔径为2mm。

关键词：喷雾干燥器；雾化器；喷嘴；设计

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ABSTRACT

This specification about spray dryer is mainly for the design and calculation of dryer, the process of structure design. Based on the drying process parameters offered on the back of heated air drying fresh milk , the structural size of an expected dryer have been calculated. The main structural size of this kind of spray dryer is matched as follow: the height and inside diameter of the spraying are 5.6m and 1.7m, respectively; quantity of drying gas is 2029.63 m3/h; diameter of the spray nozzle is 2mm.

Key words: spray dryer; atomizer; nozzle; design

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第1章 绪论

干燥技术是一种常见的的单元操作，早期的干燥技术是比较落后的，随着生产力的快速发展，以及各个学科领域的相互渗透，干燥设备的理论研究和技术有了非常大的进步。远古时代，由于自然条件的制约，人类习惯于用天然热源和自然风干来干燥物料，生产能力非常低下，而且产品质量也很低。随着生产力的发展，自然风干逐渐被人工可控制的热源和机械通风除湿手段所代替。

喷雾干燥是雾化器将原料液分散成细小的雾滴，雾滴与热气流直接接触的方式而获得细粉末状产品的一种干燥过程[1]。喷雾干燥得的产品不仅均匀，而且也适合热敏性物料，在干燥奶粉时一般选用喷雾干燥的方法。因为奶粉属于热敏性物料，喷雾干燥不会因物料表面温度太高而损坏奶粉中的蛋白质而影响产品的质量，因此喷雾干燥设备在奶粉的工业生产中起到了不可替代的作用[2]。由于喷雾干燥所需的时间较短，操作条件容易控制，所以是很多热敏性物料干燥的最佳选择。奶粉经喷雾干燥法生产出的产品均匀不会结块，不需要后续处理，就可以直接进行包装或食用。喷雾干燥技术的发展使得奶粉生产过程实现了安全化、规模化。传统的干燥方法是需要人工操作的，经过蒸发、结晶、过滤、干燥、粉碎、筛分等一系的列过程才能实现，这种传统的方法既浪费时间又耗费人力、财力，很多时候还会引入各种杂质，对干燥的产品进行了二次污染，然而对质量要求高的产品是很难达标的。而喷雾干燥技术，是溶液被雾化器喷出形成细小的雾滴，与热气流直接接触生产出粉末状产品，这样既简化了生产流程，又节省了投资费用，改善了劳动条件，缩短了生产时间，而且还提高了产品的质量。所以现在干燥操作不仅应用于化工、石油化工等工业中，还应用于医药、食品、原子能、纺织、建材、采矿、电工、机械制品以及农产品等行业中[3]。

1.1喷雾干燥技术研究现状

随着现代生产力的发展，喷雾干燥技术的应用在国际上已有上百年的历史。为了满足国内市场的需求，我国也投入了大量的人力和财力去发展喷雾干燥技术和设备，现在国内的市场需求基本可以达到自给自足这一状况。现在我国的喷雾干燥装置都已经达到90年代国际先进水平。国外的干燥技术先进于国内水平，尤其是我国干燥技术与先进国家如美国、日本等国家相比还存在很大的差距，所以我国要在技术研究和设备生产这些领域深入研究 [4]。国内干燥器的未来发展将深入研究干燥机理和物料的干燥特性，重点针

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对不同物料的最佳操作条件下开发和改进干燥器， 同时得考虑干燥器的节能和能量的综合利用。随着现代社会污染的严重化，在改进干燥器的过程中最不能忽视的问题是加强环境保护措施，以防粉尘和废气的泄露对环境造成污染。

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第2章 设计方案的选取

2.1奶粉干燥简介

鲜奶的主要成分含水分：87%~88%，总乳固体：12%~3%，其中脂肪3.4% ~3.8%、蛋白质3.3%~3.5%、乳糖4.6%~4.7%、无机盐0.7%~0.75%，使用喷雾干燥器制成奶粉。鲜奶中含水量大，因此在喷雾干燥之前，需要将鲜奶用蒸发的方法浓缩到40% ~58%的固含量，因为在蒸发器中蒸发水的成本约比喷雾干燥器中蒸发水便宜十倍，这样在生产奶粉的过程中比较经济[5]。

2.2喷雾干燥的原理

将溶液、乳浊液、或料液雾化成细小的雾滴在下落的过程中与热空气相遇，雾滴中的水分蒸发而形成颗粒、粉末状的产品，这个过程成被称为喷雾干燥。热风从顶部导入干燥塔，同时料液由泵送到塔顶，经雾化器分散成雾状的小液滴，这些液滴群拥有很大的表面积，接触高温热风料液中的水分蒸发，在很短的时间内完成干燥产品，产品从塔底部排出。热风接触液滴后温度会骤降，湿度也会增加，废气从排风机被抽出，含尘气体由分离装置回收。物料干燥分两个阶段进行，即等速阶段和降速阶段。其中等速阶段，颗粒中水分的扩散速度大于蒸发速度，水分蒸发是在液滴表面进行的，液滴周围热风的流动速度决定蒸发速度[6]。

2.3喷雾干燥的特点

在工业生产中，经常会用到喷雾干燥，因为喷雾干燥有许多优点。 （1）干燥时间及短，适合干燥热敏性物料。

（2）能处理的物料种类繁多，如溶液、悬浮液、乳状液等。 （3）能的到速溶的粉末或空心细颗粒。 （4）过程容易控制，易于连续化、自动化。 （5）喷雾干燥操作具有非常大的灵活性。

喷雾干燥的不足之处是效率低、设备庞大、占地面积大、设备成本高，风尘回收繁琐，回收装置的费用大。

2.4喷雾干燥过程

喷雾干燥过程可分为料液雾化、雾滴与热风接触干燥、干燥产品的收集等三个阶段。

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（1）料液雾化

料液雾化的目的是将料液分散成直径只有20～60um的小雾滴，一致具有很大的表面积。

（2）雾滴与热风接触干燥

雾滴与热风接触干燥是传热传质过程，雾滴是在喷雾干燥室内与热空气直接接触﹑混合。雾滴与热风接触方式有三种即并流式﹑逆流式和混流式，接触方式不同，雾滴的运动轨迹、物料在干燥室内停留时间及产品质量都有所不同，实际生产过程中我们得根据物料的性质选择合适的接触方式。 （3）干燥产品的收集

干燥产品的收集有两种方式：一种是干燥后的粉末产品由椎壁滑行至锥底，可以通过星型卸料阀这类设备排出，少量产品随废气进入气固分离设备再被收集；另一种是全部的干燥产品随气流一起进入气固分离设备被收集。为了提高产品的收率，降低生产成本，喷雾干燥后的产品一般采用上述的第一种[7]。

2.5干燥装置流程

喷雾干燥的流程有很多种，在实际生产中，为了能适应不同的物料，增加或减少设备就可以构成一个生产流程，但基本的类型有以下两种。 （1）开放式循环喷雾干燥系统

开放式喷雾干燥系统的特征为干燥介质是热空气，被干燥的料液是水溶液，干燥后的废气经过干燥器和除尘系统后，不再循环使用，直接排放到大气中，可以减少对环境的污染，这是喷雾干燥的一种标准流程。开放式喷雾干燥系统的流程比较简单如图2.1所示，在实际生产中最为常见，对雾化设备装置的要求较低，该系统的不足之处就是载热体消耗量较大，成本会有点高。

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1－空气过滤器；2－空气加热器；3－精过滤器；4－物料过滤器；

5－气流式雾化器 6－旋风除尘器7－干燥塔 图2.1 开放式循环喷雾干燥系统

（2）闭路循环喷雾干燥系统

闭路循环喷雾干燥系统，干燥介质为惰性气体（如N2气），干燥后的废气经过除尘后会再循环利用，这样会降低成本。因为这是一个闭路循环干燥系统，部件与部件的连接处要保证气密性良好，防止泄露，干燥室要始终保持在低压状态下操作。流程如图2.2所示

1－贮料槽；2－冷却塔；3－加热器；4－鼓风机；5－洗涤冷凝器；

6－冷却器；7－引风机；8－旋风分离器

图2.2 闭路循环喷雾干燥系统

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2.6干燥器内热空气和雾滴的流动方向

在喷雾干燥塔内气体和雾滴的运动方向以及混合情况可分为三大类并流型、对流型和混合流型。雾滴与空气的流动方向会直接影响干燥产品的性质，在实际生产中我们应根据实际的工艺要求，合理的选择气体和雾滴的运动方向。 （1）并流型喷雾干燥器

在干燥室内并流型喷雾干燥的雾滴与热风的流动方向相同，如图2.3所示，这类干燥器的特点是被干燥的物料只能在低温下进行，若温度过高会影响产品的质量。这类干燥器适用于热敏性物料，像牛奶此类料液，因为当热风进入干燥器内立即与雾滴接触，干燥室内温度骤降，不会使物料受热过度，损坏营养成分，

图2.3 垂直下降并流型

（2）对流型喷雾干燥器

在干燥室内，对流型喷雾干燥的雾滴与热风的流动方向相反，这类干燥器的特点是热量的利用率高，传热传质的推动力大，除水效果佳。此流型适合于含水量较高的物料，物料在干燥室内停留的时间足够长。因为干燥室内温度过高，不适合热敏性的物料。在设计此工艺时应注意塔内的气流速度应小于干燥产品的沉降速度，为了防止气流过大带走产品，给后续的分离装置增加负担。对流型喷雾干燥器的流型如图2.4所示。

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图2.4逆流型喷雾干燥器

（3）混合流型喷雾干燥器

在喷雾干燥室内混合流型喷雾干燥雾滴与热风以混合流的形式相遇，它的特点是雾滴的运动轨迹较长，干燥性能介于并流和逆流之间，适用于较难干燥的物料。在实际生产中，若设计不当，可能会出现气流分布不均匀，干燥室内壁有些地方粘粉，对操作不利。混合流型喷雾干燥器如图2.5所示

图2.5混合流型喷雾干燥器

2.7 雾化器型式

喷雾干燥装置的关键部件雾化器的设计会直接影响产品的质量，雾化器分为气流式、旋转式及压力式三种。 （1）气流式雾化器

气流式雾化器是料液在喷嘴出口处利用蒸汽或压缩空气的高速运动产生液膜分裂并

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被雾化。根据流体通道的数量，气流式喷嘴分为二流式、三流式、四流式 [8]。气流式雾化器的结构如图2.6所示。

1－锁紧帽；2－空气喷嘴；3－喷嘴；4－垫片；5－喷嘴本体；6－堵丝

图2.6气流式雾化器

（2）旋转式雾化器

旋转式雾化器是在旋转体的表面形成液膜，从旋转体的周围产生雾滴，与周围空气产生的空气动力即摩擦力使液体雾化。旋转式雾化器的种类有很多种，下面列出典型的旋转式雾化器的结构图，如图2.7所示。

图2.7旋转式雾化器

（3）压力式雾化器

压力式雾化器也称为压力式喷嘴，同时我们也称它为机械式喷嘴，它的主要部件有液体切向人口、液体旋转室喷嘴孔等。它主要是利用高压泵使液体获得很高的压力

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(2-20MPa)，从切向人口进人喷嘴的旋转室中，液体在旋转室获得旋转运动。它的工作原理是根据旋转动量矩守恒定律，旋转速度与旋渴半径成反比。因此，愈靠近轴心，旋转速度愈大，其静压力亦愈小，结果在喷嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体则形成绕空气中心旋转的环形薄膜，液体静压能在喷嘴处转变为向前运动的液膜干燥过程与设各的动能，从喷嘴喷出。液膜伸长变薄，最后分裂为小雾滴[8]。其过程可见图2.8。

图2.8压力式喷嘴的工作原理示意图

（4）雾化器的比较和选择

雾化器的比较如表2.1所示。

表2.1 三种常见雾化器的优缺点

类型 气流式

优点

可得到20μm以下雾滴，能处理流动性较差的物料，不适合大型生产设备。

压力式

适于并流型操作，雾化器的造价便宜，操作弹性不随料液的物性变化而变化，喷嘴易磨得到的产品粒径大。大型干燥塔可以同时用多个雾化器。

旋转式

操作不仅简单而且弹性较大，对物料适应性还很强，可以同时雾化两种以上的物料。腐蚀性小，不易堵塞，产品粒度分布均匀。

损，磨损后引起雾化性能变化，要用高压泵。对腐蚀性较大的物料，在设计时要用到特殊的材料。 雾化器的造价高，逆流操作时不能选，当产品粗大颗粒时，设计有上限。

缺点

动力消耗大，成本高。

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