化工原理课程设计

一、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/

3、新鲜空气状态：t0=20℃、ф0=50%（学号1—12）；

t0=23℃、ф0=55%（学号13—24）；

t0=25℃、ф0=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。

1、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**，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**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。

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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。

g1 tm1=55℃

新鲜空气蒸汽热空气浓奶排气。

l t0ф0 h0υh0 i0l t1 h1υh1 i1l t2 h2υh2 i2 ф2

t0=20℃，ф0=50t1=150℃,h1=0.00726t2=80℃，h2=0.0339

h0=0.00726

热损失ql空气加热器冷凝水干燥塔奶粉g2 tm2=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=0.622ф0ps0/(p-ф0ps0)

0.00726k**/kg绝干气

热焓i0=(1.01+1.88h0) t0+2490h0

38.554kj/kg绝干气。

湿比容υh0=(1/29+h/18)*22.4*(273+t0)/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=0.00726k**/kg绝干气。

热焓i1=(1.01+1.88*h1)*t1+2490h1

=171.628kj/kg绝干气。

湿比容υh1＝(1/29+ h1/18)*22.4*(273+ t1)/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）

g2cmtm1/w + cl tm1 +li0 +l(i1-i0) =g2cm tm2 /w + li2 +ql

式中：cm---产品比热，全脂奶粉为2.1kj/kg℃ (任务书给定)

cl---水的比热，4.187kj/kg绝干气

tm1---浓奶温度，任务书给定55℃ (任务书给定)

tm2---奶粉出口温度，取70℃

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