毕业设计说明书蒸发水量 1500mlh 微型喷雾干燥器及其自动控制系统设计.doc

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：蒸发水量1500ml/h微型喷雾干燥器及其自动控制系统设计学 院： 化学与化工学院 专 业：过程装备与控制工程班 级： 071 学 号： 070811110046 学生姓名： 张 慧 指导教师： 游 路 2011 年 5 月 10 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日目录目录I摘要IVABSTRACTV第一部分 前言1第一章 概述21.1 喷雾干燥技术概述21.1.1 喷雾干燥技术的特点21.1.2 常用的雾化器和雾化方法21.2 喷雾干燥技术的研究进展41.2.1 喷雾干燥技术的国际研究进展41.2.2 喷雾干燥技术的国内研究进展41.2.3 国内外喷雾干燥设备的差异51.3喷雾干燥器的发展趋势61.3.1 喷雾干燥的节能技术71.3.2新型喷雾干燥技术的研发81.4喷雾干燥自动控制系统的概述81.5研究喷雾干燥技术的意义10第二部分 本论11第二章 设计方案的论证112.1 喷雾干燥器的设计方案的论证112.1.1 干燥介质112.1.2 喷雾干燥内雾滴空气的流向112.1.3 雾化器与雾化方式112.1.4 喷雾干燥系统流程的布置122.2 喷雾干燥器的附属设备的方案论证122.2.1 空气加热器122.2.2 粉尘回收设备132.2.3 风机142.2.4 进料泵152.2.5 钢架152.3 控制系统的设计方案论证152.3.1 控制方式的确定152.3.2 喷雾干燥控制方案的选择162.3.3 检测元件的选择182.3.4 执行器的选择19第三章 设计计算部分213.1 工艺计算213.1.1 设计要求213.1.2 设计参数的拟定213.1.3 物料的物理性质213.1.4 物料衡算213.1.5 热量衡算223.1.6 喷嘴主要尺寸的计算313.1.7 燥塔的直径和高度计算353.1.8 主要接管尺寸的计算393.2 附属设备结构设计423.2.1 旋风分离器的设计计算423.2.2 空气加热器的选型443.2.3空气过滤器的计算443.2.4袋式除尘器的设计计算453.2.5风机的选用473.2.6 泵的选用483.3 干燥室结构计算483.3.1干燥室外壳材料选择483.3.2 筒体厚度的计算483.3.3锥壳厚度的计算503.3.4封头的选择513.3.5 保温层的设计523.3.6 刚架的结构计算54第四章 控制部分的设计594.1 分析喷雾干燥系统中的控制内容594.2 硬件设计594.2.1 输入设备、输出设备的选择594.2.2 PLC的选型634.2.3 I/O模块的选择634.2.4 主电路图644.2.5 PLC外围控制接线图644.3 软件设计664.3.1 程序流程图664.3.2 梯形图的设计66第三部分 结论70参考文献71致谢72附录73蒸发水量1500ml/h微型喷雾干燥器及其自动控制系统设计摘要干燥技术在化工、医药、食品、矿业和木材等行业中应用广泛 ，喷雾干燥是目前市场上比较常见的一种干燥方式，它具有高速度、高效率、节省工序和人力等优点，特别适用于热敏性物料9。本设计为蒸发水量1500ml/h微型喷雾干燥器及其自动控制系统，其研究的对象为牛奶。设计的主要内容包括喷雾干燥器和自动控制系统总体方案的选择、干燥工艺、干燥塔结构及其辅助设备的设计计算、自动控制系统的设计等。本设计整机紧凑，自成一体，无需其他设施即可运行。其中，控制系统采用了PLC可编程控制系统，具有结构简单、价格便宜、可靠性高、灵活性高的优点。关键词：喷雾干燥，工艺，设备，PLCThe evaporation water volume 1500ml/h miniature spray drier and the automatic control system designabstractDrying technology in chemical, pharmaceutical, food, mining and widely used in wood industry, etc, the spray drying is more common on the market at present a way to dry, it has high velocity, high efficiency, save processes and human wait for an advantage, especially suitable for heat-sensitive materials. This design for evaporation water 1500ml/h micro spray dryer and automatic control system, the research object for milk. Design include spray dryer and automatic control system overall scheme selection, drying process, dry tower structure and auxiliary equipment design calculation, the design of the automatic control system, etc. This design the machine is compact, self-contained, can operate without other facilities. One, the control system adopted PLC programmable control system, the structure is simple, cheap, high reliability, high flexibility advantages. Key word: The spray drying, process, equipment, PLC 第一部分 前言 喷雾干燥是近代发展起来的干燥新技术之一，有离心式、气液混流式和压力式三种。它是通过机械作用将需要干燥的物料(溶液、悬浮液、乳浊液、朔状液)离散成很细的象雾状一样的液滴，与热风接触后，而迅速干燥成一定粒度范围的粉末的干燥过程。在干燥过程中，热空气将热量传至湿物料，是一个传热过程而水分在湿物料表面汽化，向热空气中扩散，是一个传质过程因此，喷雾干燥是传热与传质相结合的复杂过程。 本设计为蒸发量1500mL/h的微型喷雾干燥器及其自动控制系统，它主要包括：喷雾干燥器和自动控制系统总体方案的选择、物料衡算、热量衡算、空气加热器的选型、风机的选型、泵的选型、旋风分离器的设计计算、干燥塔结构设计计算、管道的设计计算、自动控制系统的设计、控制方案的制定等。本设计整机紧凑，自成一体，无需其他设施即可运行。触摸显示数字式操作，可采用半自动或人工监控两种运行模式，方便操作和实验过程的监控。其中，控制系统采用了PLC可编程控制系统，因为微型计算机具有体积小，结构简单；价格十分便宜，调节系统投资少；可靠性高，平均无故障时间长；并且具有很高的灵活性。对于微型喷雾干燥器来说比较适合，要求完成软硬件的设计工作，并能对设计的控制系统进行一定的优化。第一章 概述1.1 喷雾干燥技术概述喷雾干燥是利用雾化器将料液分散为细小的雾滴，并在热干燥介质中迅速蒸发溶剂形成干粉产品的过程，且具有传热快，水分蒸发迅速，干燥时间瞬间的特点，且制品质量好，质地松脆，溶解性能也好，能改善某些制剂的溶出速率，适用于热敏性药物，能避免干燥过程中造成粉尘飞扬，可由液体直接得到干燥产品，无需蒸发、结晶、固液机械分离等操作；产品具有良好的分散性和溶解性，不经过粉碎也可以在溶剂中迅速溶解；生产过程简单，操作控制方便。此外，喷雾干燥还可用于制备微囊。一般喷雾干燥包括四个阶段：1) 料液雾化；2) 雾群与热干燥介质接触混合；3) 雾滴的蒸发干燥；4) 干燥产品与干燥介质分离。31.1.1 喷雾干燥技术的特点 喷雾干燥的显著地特点是将液体雾化成为非常微细的雾滴，因而具有很大的表面积，也显著地增加了水分的蒸发面积，大大地缩短了干燥时间。 1. 喷雾干燥技术的优点：1) 把原液雾化后再与干燥介质接触，可降低干燥时间；2) 若干燥条件恒定，则通过干燥塔的粉末性质就不变；3) 干燥过程连续化、自动化，可避免粉尘飞扬，保证产品不受污染；4) 干燥的范围广，特别是用于热敏感性物料的脱水；5) 可由浆状料液直接获得所要求的产品，节省蒸发、结晶、分离、粉碎等工序。 2. 喷雾干燥技术存在的问题：1) 对于需控制产品热原、无菌度和澄明度的无菌粉其无菌度等常达不到要求，原因有如下几点：a. 压缩空气无净化除菌。b. 热甩净化除菌效果差。c. 料液未经灭菌消毒处理。d. 物辩干燥过程在负压状态下进行。2) 喷雾干燥气速低，粘壁现象严重；3) 喷雾干燥热效率低101.1.2 常用的雾化器和雾化方法喷雾干燥的核心部件是液体的雾化装置，简称雾化器。常用的有离心式雾化器、压力式雾化器和气流式雾化器，而气流式雾化器针对不同的料液特性又分为二流体雾化器和三流体雾化器。现今研发出了新型的离心式雾化器，其雾化单机可达每小时雾化能力达45t；超声雾化器及静电雾化。 1. 离心式雾化的喷雾干燥8 离心喷雾干燥是将溶液、乳浊液、悬浊液等形态的浆料在热风中喷雾成细小液滴，其喷雾是依靠高速离心转盘产生的离心力和重力作用使之得到加速而分裂的雾化，在雾化液滴落下过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒的产品。 1) 干燥速度快，料液经雾化后表面积大大增大，完成干燥时间短，特别适用于热敏性物料的干燥。2) 产品具有良好的均匀度、流动性和溶解性，产品纯度高，质量好。3) 生产过程简化，操作控制方便 2. 压力式雾化器的喷雾干燥1 压力式雾化器是基于用高压泵直接使溶液受压后，在小孔中卸压而使溶液雾化的装置。它的比能耗较低，在低压范围内(P2.5 MPa)喷出的液滴较粗，粒度分布较宽。压力式喷雾干燥器的特点是：1) 产品水分易控制、粒度尚能调节；2) 产品为空心球形颗粒，压砖成型时填充模具，流动性很好，排气性也好；3) 可大大简化工艺流程，易实现自动化；4) 负压操作，减少了粉尘污染。 3. 气流式雾化器的喷雾干燥1因为雾化用的动力消耗太大，此种型式主要用于实验室及中间工厂。前两种雾化器都不能雾化的料液，采用气流式雾化器可能雾化。高粘度的糊状物、膏状物及滤饼物料，可采用三流体喷嘴来雾化。虽然气流式雾化器可雾化高粘度物料，而且相应加工比较简单。但因其压缩空气转换功能效率甚低，使其雾化的比能耗较其他两种雾化装置大，且雾化粒径分布不够均匀。 4. 超声雾化器的喷雾干燥2其基本原理是：利用足够强度的超声场，让液体从超声源表面释放出细小的雾滴，这些液滴再与周围的空气接触，完成蒸发干燥过程。通常超声的振动频率必须大于20kHz。与常用的雾化器相比，其最大的优点就是节能。 5. 静电雾化1 当在喷嘴和对应的接地电极之间，施加数千伏的电压时，喷嘴尖端流出的液体受到重力、液体的表面张力以及静电力的联合作用，静电力超过液体的表面张力时，液柱表面变得不稳定，分裂为离子或雾滴，这就是静电雾化4。此种方法产生的雾滴直径由几纳米、几微米至几毫米数量级的很广范围。由此法得到的液滴，单分散性高，平均尺寸为45m。 静电雾化可用于溶液的离子化，制造功能性粒子，用两种化合物制造复合氧化物粒子，可用于消灭大肠杆菌等。1.2 喷雾干燥技术的研究进展1.2.1 喷雾干燥技术的国际研究进展 一般认为，喷雾干燥技术的研究早在19世纪初期就开始了。最早是La Mont 1865年提出用喷雾干燥法来处理蛋品，但作出极为重要贡献的是美国的Sameul Percy的发明，他在1872年题为“干燥操作的改进及通过雾化将液体物料浓缩”的专利中，虽然没有给出附图，但清楚地论述了喷雾干燥过程的实质。他认为，如果用雾化器来喷洒或喷射液体使之蒸发或润湿，这个过程是众所周知的，但将物料雾化同时进行脱水，这样一个过程的设备和方法过去是没有的。在1901年Stauff提出了将血浆进行喷雾干燥的专利，他采用上喷的喷嘴式雾化器及多孔板式热风分布器。同年Gardner提出了第一个双流体喷嘴(即气流式喷嘴)的箱式喷雾干燥器。到20世纪30年代初期，关于喷雾干燥方面的文献很多，这表明喷雾干燥级数已被认可。但这些早期的干燥器操作很保守，进料只限于低粘度的液体，产品的质量只能是“干了”或“未干”。在30年代以后，喷雾干燥技术和喷雾干燥器设计都有明显的进步，特别是第二次世界大战爆发以后，需要大量的脱水食品和各种形式的粉状制品，以降低产品重量及运输费用，使喷雾干燥的应用更为广泛，干燥器的容量也变得很大，从而使喷雾干燥技术得到更加迅速发展。当今，世界上已有大量关于喷雾干燥技术的理论和试验研究的文献发表。1.2.2 喷雾干燥技术的国内研究进展最近，国际上有些学者把超声雾化用于喷雾干燥中，取得了一些成果。Berger给出了小型超声雾化器的简图。其基本原理是：利用足够强度的超声场，让液体从超声源表面释放出细小的雾滴，这些液滴再与周围的空气接触，完成蒸发干燥过程。通常超声的振动频率必须大于20kHz。与常用的雾化器相比，其最大的优点就是节能。据Patil等的测算，传统雾化器有96%以上的能量用于产生雾滴的动能和机械消耗，只有4%左右的能量用于雾滴的形成。最近国际上有一家公司正在研制开发配制超声雾化的喷雾干燥装置。另外，黄立新等用计算机技术模拟了配置超声雾化的喷雾干燥装置11。我国的喷雾干燥技术发展的起步比较晚，但自从50年代吉林染料厂引进第一台前苏联的离心盘式喷雾干燥器以来，我国的喷雾干燥技术发展也很快。上海染化八厂自60年代起对下喷上式气流式喷雾干燥器进行了六年多的研究，于1972年用活性染料进行试验获得成功。天津染化八厂和沈阳化工研究院(19731975年)首先对一些染料进行了喷雾造粒试验，并研究出“旋转风”和“顺壁风”的进风方式，这样既解决了物料粘壁问题，又提高了干燥效率。上海化工研究院、上海染化一厂和上海牙膏厂(1978年)共同研究出两种不同温度进风方式的新型压力式喷雾干燥塔。此外，上海染化十厂、天津油漆厂、吉林染料厂和陕西省陶瓷非金属矿研究所等都对我国的喷雾干燥技术发展作了贡献。3,5中国在20世纪引进吸收消化国外雾化器技术的基础上，形成了具有自主知识产权的雾化器的设计能力，现在国内不少厂家可以制造不同规格离心式雾化器，单台雾化能力从每小时数千克到十吨。20世纪80年代以前，我国仅上海饮料机械厂和镇江林业机械厂生产少量的三种规格的旋转盘式雾化装置用于喷雾干燥。其转速均在7000r/min左右，喷液量不超过500L/h，不能适应当时市场发展的需求。据报道，转盘转速与液滴直径成反比，且转速升高以后，液滴的喷距缩短，而液滴分布趋于均匀。从而可以使干燥塔的直径变小，被处理物料的受热程度降低，消除了普遍存在的粘壁现象，提高转速成为各国干燥装置的趋势。目前，我国旋转式雾化机的最大喷液量为10000kg/h，由中国林业科学研究院林产化学工业研究所研制成功，电机功率90kW，转速为12000r/min，型号为RW10T。其整机性能已达到丹麦NiRo公司同类产品的性能指标。1.2.3 国内外喷雾干燥设备的差异1. 进风温度较低 由于建厂的规模普遍较小，中小型锅炉的工作压力偏低，干燥塔设备结构存在问题再加之观念上的一些问题(怕进风温度高影响产品质量)，进风温度较低使干燥塔的体积较大，消耗较多的材料。2. 材质差以往制造热风箱和进风系统很多是用碳钢制造，尤其是停产时间较长或加热器漏气时，碳钢表面锈蚀，无法进行处理，势必对产品质量有一定影响。3. 设计缺陷 加热器没有热回收系统，进风变头设计不合理，前片热交换激烈，散热片使用寿命短。4. 加工精度低 干燥塔内壁表面过于粗糙，内壁挂粉比较严重；没有一个较好的振打装置，使粉在塔内停留的时间较长，对粉的质量造成影响。5. 排风过滤系统 大多数的干燥塔用布袋式内滤捕粉，这种捕粉方式相对效率较高一点，但粉在布袋内停留的时间长；这部分颗粒较细，抖粉时回到塔内势必影响冲调性；单独收集回溶造成能源浪费，且由于多次受热，使蛋白质变性，影响产品质量。6. 观念误区 单喷头影响了物料与热风充分的热交换，以前认为只有单喷头、大板眼才能生产大颗粒粉，只有大颗粒粉才能速溶。经过学习国外的先进经验，结合我们几年来的实践，如果能生产出带有附具颗粒的无细粉产品，会对奶粉的感官和冲调性有较大的改善。7. 自动化程度低大多数乳品厂采用的都是手动控制，控制精度较低，工人的劳动强度大。41.3喷雾干燥器的发展趋势 喷雾干燥技术应用广泛, 其优势明显, 但其理论仍然落后于实践, 突出表现在干燥理论的实践指导性差。干燥动力学、非球形颗粒的干燥模拟、喷雾干燥等领域有待进行更深入的研究11。1) 干燥是能耗很大的加工过程，节能是今后研究干燥技术及开发新型干燥设备的一大目标，主要对设备本身的改进;寻找新的能源代替原来的煤、电等能源，并充分利用工业生产中的余热等来节省能源。2) 考虑到喷雾干燥的低热效率，喷雾干燥的节能技术研究尚需要我们的研究人员继续努力。现在已经出现了喷雾干燥+流化床干燥的多级干燥模式，似可以进一步考虑喷雾干燥+微波或者干燥塔内加热式的喷雾干燥等。3) 新型喷雾干燥技术的研究和开发，例如喷雾冷冻干燥、过热蒸汽喷雾干燥等，这些新的干燥技术有待于理论上的提高和实验室的小试证明。4) 利用迅速发展的计算机和软件技术，提高喷雾干燥的数学模拟结果的准确性。笔者认为，这个研究方向可以解决目前很多实际上在设计初期通过实验还无法解决的问题，还可以提供很多目前还无法直接监测到的数据和结果，例如喷雾状态下的雾滴可能的飞行轨迹和气流分布、温度分布等。1.3.1 喷雾干燥的节能技术随着全球的能源紧张，高能耗的化工单元操作越来越受到各国的关注，喷雾干燥的热效率只有4060，几乎有一半的热量被浪费了。所以如何提高喷雾干燥的热效率也是各国专家研究的热点课题。节能措施总结起来主要有以下几方面：首先是喷雾干燥塔本身性能结构等方面的调整；另外是干燥物质本身的性质控制，燃料问题，干燥介质性质等方面的因素。1) 提高热载体的进口温度，降低其出口温度。 在生产能力恒定时，通过提高热载体的进口温度可降低热量消耗。2) 提高料液的固含量。 喷雾干燥是利用蒸发物料中的挥发介质而获得干物料的一种方法，因此，要想获得较好的热利用率，尽可能地提高料液固含量也是一种比较好的方法。3) 提高料液的温度。 提高料液的温度可降低单位质量干产品的热量消耗。预热料液，可降低料液黏度，改善其雾化性能；防止料液结晶，堵塞雾化器；料液温度高时，雾滴在干燥器内可直接蒸发，不存在预热阶段。4) 余热回收利用。 喷雾干燥系统排放尾气的温度较高，含有较多的可利用的热能，因此可从尾气余热回收方面促进节能。5) 采用多级干燥。 采用多级干燥具有4个特点：(1) 在最后一级干燥中，产品可以达到较低的湿含量；(2) 可以获得较低的产品温度(后部分设冷却段)；(3)通过分级或团聚，可以改变粉体颗粒的尺寸分布；(4) 提高干燥过程热效率。 目前国际上公认的一种办法是组合式的干燥方式，例如喷雾干燥+内部流化床的二级组合干燥，以及喷雾干燥+内部流化床干燥+外部流化床干燥的三级组合干燥方式。Filkova和Westergaard 等给出了不同的组合干燥的性能比较。不难发现，三级组合干燥的单位产品能耗比单级喷雾干燥节约了40多。14,15,161.3.2新型喷雾干燥技术的研发 1. 过热蒸汽干燥11喷雾干燥通常采用环境空气作为干燥介质。但是，当很多喷雾干燥的用户有自备的电厂产生废过热蒸汽时，如果仍然采用过热蒸汽换热产生热空气，那将是一种对能源的浪费。过热蒸汽在食品、化工产品的加工中得到了运用。过热蒸汽干燥是一种以过热蒸汽直接与湿物料接触而去除水分的干燥方式，用过热蒸汽干燥主要有如下特点：1) 过热蒸汽的热容高于空气，传递同样的热量所需要的量减少，可节能50%80%；2) 过热蒸汽不含氧气，可以避免物料氧化；3) 物料表面没有空气边界层，可以减少传热传质阻力等。 2. 喷雾冷冻干燥常规喷雾干燥采用有一定温度的干燥介质来完成整个蒸发干燥过程。但是，考虑到干燥所处理的物料特性，例如医药、生化产品等，它们都有大量的生物活性成分，无法承受高温介质环境，为此，大多数产品的生产会直接选择真空冷冻干燥。但冷冻干燥存在着能耗高、操作时间长、需要二次处理产品等不足。近年来，国外研究人员开始把喷雾干燥和冷冻干燥结合起来，从而形成了新的干燥技术，即喷雾冷冻干燥技术。Sonner采用了喷雾制冰粉和真空冷冻干燥结合的方法，研究了两段式喷雾冷冻干燥对蛋白质性能的影响。瑞士的Leuenberger等也采用喷雾冷冻制粉和流化床干燥结合的办法，研究了该种两段式喷雾冷冻干燥对药品性能的影响。最近，笔者获得了国家林业局948项目的支持，也开始这方面的研究，希望在上述研究的基础上能有所突破。 喷雾干燥的研究主要是集中在雾化装置结构和整个干燥系统设计以及模型的建立上。除了单纯的喷雾干燥技术，喷雾干燥还与其他的干燥技术相结合，形成新型的干燥技术，如喷雾冷冻干燥技术。除了喷雾冷冻干燥技术，现阶段新兴发展起来的还有喷雾干燥与流化床结合起来的干燥技术。1.4喷雾干燥自动控制系统的概述 自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。它主要包括自动检测、自动控制、自动保护、自动操作等方面的内容。 1.自动控制系统的组成及功能 一个控制系统的基本组成环节为：控制器、执行器、测量/变送环节及被控对象，各部分的功能如下：检测变送环节：它测量被控变量，并将被控变量转换为标准信号。比较机构及控制器：它接受来自变送器的信号，与设定值进行比较得出偏差，并根据一定的规律进行计算，然后将运算结果用特定的信号发送出去。比较机构是控制器的一个组成部分。执行器：根据控制器送来的信号相应地改变控制变量，以达到控制被控变量的目的。自动控制系统的方框图如图2.3所示：图1.1 自动控制系统方框图 2.系统运行的基本要求 自动控制系统运行的基本要求是系统运行必须是稳定的并应保证满足一定的精度要求或某些规定的性能指标，但最基本的要求是稳定，也就是说系统投入运行后，被控变量不致实控而发散。 3.自动控制系统的分类 自动控制系统有很多分类方法，可以以被控变量分类，如温度、压力、流量、液位等控制系统，也可以按控制器的控制规律分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等自动控制系统。在分析自动控制系统特性时，最经常遇到的是将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量数值（既给定植）是否变化和如何变化来分类，这样可以将自动化控制系统分为三类：即定植控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 定植控制系统：所谓“定值”，就是恒定控制系统的简称。工艺生产中，如果要求控制系统所控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求工艺参数的给定植不变，那么就需要采用定值控制系统。 随动控制系统（也称自动跟随系统）：这类控制系统的特点是给定值不断地变化，而且，这种变化不是预先规定的，也就是是给定植是随机变化的。随动控制系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。 程序控制系统（又称顺序控制系统）：这类自动控制系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间函数变化。在一个简单的控制系统中，控制器、执行器、测量变送元件及被控对象是必不可少的，除此之外，还有一些辅助元件，例如给定装置、转换装置，显示装置等。211.5研究喷雾干燥技术的意义 目前，随着对喷雾干燥技术不断深入的研究和发展，已在化学、食品、医药、农药、陶瓷、水泥、水产、林业、冶金等工业生产中广泛应用。但喷雾干燥也存在着一些迫切需要解决的难题：如奶粉喷雾干燥中出现的粘壁、奶粉速溶问题，如中药提取液喷雾干燥时的粘壁与干燥产品吸潮问题，难以处理粘度较大的浸膏，中药提取液是否能够真正实现直接喷雾制粒以及喷雾干燥热效率低、设备庞大、结构要求高等问题日益突出，因此，需要对喷雾干燥技术做进一步的研究及优化。第二部分 本论第二章 设计方案的论证2.1 喷雾干燥器的设计方案的论证2.1.1 干燥介质干燥介质是一种能够带走物质中的水分的介质，主要有空气、烟道气、过热蒸汽、惰性气体等，通过干燥介质使物料升温，同时带走物料中的水分。采用烟道气为干燥介质，可以满足高温干燥，且对于低温干燥也有其优点，同时，投资小，但用烟道气为介质，会带入一些细小炉灰及硫化物等污染物。采用氮气或二氧化碳等惰性气体作为干燥介质，采用过热水蒸气或蒸汽的湿份相同的过热有机溶剂蒸汽作为干燥介质时，可防止物料和空气接触时发生氧化或爆炸的情况。过热蒸汽和惰性气体都对设备有较高的要求，造价较高。空气是最廉价易得，也是最常见的干燥介质。根据以上的叙述，在本设计中采用空气作为干燥介质。主要是因为奶粉是食品，用经过过滤的空气作为干燥介质不会对产品造成污染，加热装置也选用不会对产品造成污染的电加热器。172.1.2 喷雾干燥内雾滴空气的流向 在喷雾干燥中，雾滴空气的流向有并流、逆流及混流。雾滴空气的流向不同，对干燥塔内的温度、雾滴（或颗粒）的运动轨迹、颗粒在干燥塔内的停留时间及性质等均有很大的影响。由于设计的干燥器是用于干燥牛奶，它属于热敏性物料，所以选用向下并流，即喷嘴安装在喷雾干燥塔的顶部，空气从顶部进入。这样热风入口温度可以高于产品的允许温度，因为高温气流与液体接触的瞬间，液滴将保持湿球温度。172.1.3 雾化器与雾化方式喷雾干燥的核心部件是液体的雾化装置，简称雾化器。常用的有离心式雾化器、压力式雾化器和气流式雾化器，而气流式雾化器针对不同的料液特性又分为二流体雾化器和三流体雾化器。 压力式雾化器是基于用高压泵直接使溶液受压后，在小孔中卸压而使溶液雾化的装置。它的比能耗较低，粒度分布较宽。有以下优点：1)产品水分易控制、粒度尚能调节；2)产品为空心球形颗粒，压砖成型时填充模具，流动性很好，排气性也好；3)可大大简化工艺流程，易实现自动化；4)负压操作，减少了粉尘污染。172.1.4 喷雾干燥系统流程的布置 喷雾干燥系统的流程可分为：开放式喷雾干燥系统、开放式的具有部分废气再循环的喷雾干燥系统、闭路循环喷雾干燥系统、半闭路循环喷雾干燥系统、自惰喷雾干燥系统、无菌喷雾干燥系统等。 本设计中选用开放式喷雾干燥系统，即系统中的干燥介质只使用一次就排入大气，不在循环使用。虽然在这种条件下，喷雾干燥器需要消耗的能量更多，但这种流程所需设备结构简单、适用性强，尤其是在该设计中，由于料液含水率较高，所以废气的湿含量可能较高，这样不利于干燥介质的重复使用，并且该系统排出的废气无毒无臭，排出后不致影响环境。172.2 喷雾干燥器的附属设备的方案论证2.2.1 空气加热器喷雾干燥的热源，常用的燃料主要有固体燃料、液体燃料、气体燃料、热载体及电能等。具体地说主要有各种燃烧物（煤、天然气、液化石油气、可燃化学气体）与空气的燃烧产物，水蒸气、热水、电能和具有一定热量的废气、废液、废油渣等。如果干燥用的热空气需间接换热，换热介质还有导热油，道生油等。热源选择应考虑的内容，主要集中在以下几个方面：1) 满足产品质量的要求。加热温度，热源的洁净程度都对产品质量有很大影响。2) 满足环保要求。一些燃烧的热源在燃烧过程中会产生异味或烟雾，排至大气后会产生污染，这类热源应慎重使用，如果一定选用也要进行环保处理。3) 经济易得。所选用的热源应因地制宜，既考虑各种热源的费用，又要考虑容易获得。4) 安全可靠。这一点对直燃式热源更为重要，有些被干燥物料易燃、易爆或易氧化，处理这类物料最好选用间接换热的热源，选用直燃式要有特殊的阻燃或防爆措施。5) 易于操作。所选用的热源尽可能方便操作和自动控制，才能保证产品质量稳定。 电能主要用于小型喷雾干燥器或要求控制标准很高的场合，电能通过电热管转换成热能，用以加热干燥介质。加热干燥介质的加热器主要有：(1) 蒸汽加热器；(2) 间接燃油或燃气加热器；(3) 直接燃油或燃气加热器；(4) 直接或间接燃煤加热器；(5) 电加热器。 直接式加热器一般用于被干燥物料不怕污染的场合，而间接式加热器则主要用于对干燥产品的品质要求较高、不能与燃烧气体直接接触的场合。 该设计选择的是电加热器。虽然相对来说电加热操作费用较高，但电加热器结构简单，制作成本低，使用方便，无环境污染，温度调节灵敏，易于控制且控制精度高。最重要的是所需干燥的物料是牛奶，不能被污染。182.2.2 粉尘回收设备由于从喷雾干燥器出来的废气中夹带了部分细粉状的产品，所以细粉的收集将影响产品的回收率和劳动条件，甚至造成环境污染。因此干燥器后都应该设置气固分离设备。本设计中选用旋风分离器和布袋除尘器组合起来用于细粉的回收，可达到较好的分离效果。 1.旋风分离器旋风分离器是利用含尘气体在器内旋转时产生离心力，将粉尘从气流中分离出的一种气固分离装置。旋风分离器有常规旋风分离器、双旋流型分离器两种。其中常规旋风分离器又有切线进口和蜗卷入口两种形式。常规型旋风分离器能除去20微米以上的颗粒或粉尘，对于绝大多数的喷雾干燥系统来说，从干燥室出来的含尘气体中的颗粒都在这一范围内，所以切线入口或蜗卷入口在喷雾干燥系统中被广泛使用。蜗卷入口使含尘气体作均匀的螺旋运动，因而比切线入口式的回收效率高。此外，当尺寸相同时，蜗卷式入口所处理的空气量也大得多。所以，为了使设备尺寸尽可能缩小，在该设计中选用常规蜗卷式入口旋风分离器。17 2.袋式除尘器布袋除尘器（袋滤器或袋式除尘器）经常作为从喷雾干燥尾气中分离粉状产品的最后一级气固分离设备，是截留尾气中粉体的最后一道防线。布袋除尘器的特点是捕集效率高，按不同的分类方法可以分为很多种类型。1) 按过滤方向分类：内滤式袋式除尘器、外滤式袋式除尘器；2) 按进气口位置分类：下进风袋式除尘器、上进风袋式除尘器；3) 按除尘器内的压力分类：正压式除尘器、负压式除尘器、微压式除尘器4) 按滤料形状分类：圆形袋式除尘器、扁袋式除尘器除尘器、除尘双重袋式、菱形袋式除尘器；5) 按清灰方式分类：机械振动类、分室反吹类、喷嘴反吹类、振动反吹并用类、脉冲陪吹类。17 因为在该设计中，废气的处理量较少，且前面的旋风分离器已经分离了大部分的粉尘，所以选用内虑上进风正压式圆形袋式除尘器，并且，为使结构简单，所以不设置自动清灰装置，而采用采用手动的方式定期清灰。 袋式除尘器示意图如图2.1所示。图2.1 所选袋式除尘器示意图2.2.3 风机风机是输送干燥介质的动力源。目前生产生活中常用的风机主要有：轴流风机，离心风机、罗茨鼓风机、旋涡式空气泵等。但前三种风机的尺寸、流量和压力都较大，而本课题设计的喷雾干燥器产量比较小，所以所需的空气量可能不大。再考虑到设备的体积应尽可能小，以利于搬运，因此选用尺寸、流量和压力都相对较小的旋涡式空气泵。风机在干燥系统中主要有两种布置方式：即单台引风机和双台鼓引风机结合方式。单台引风机放置在粉尘回收装置之后，使干燥器处于负压操作。这种系统达到优点是粉尘及有害气体不会泄露至大气环境中，但由于干燥器内负压较高，风机频繁启动和停止会引起干燥器内局部失稳以及外部空气漏入塔内，因此，单台引风机方式适用于小型喷雾干燥系统。对于大型喷雾干燥系统，主要采用两台风机，一台作为鼓风机，另一台作为引风机。这种系统句很大的灵活性，可以通过调节管路压力分布，改善干燥器的操作条件，使之处于接近大气压的微负压下操作，避免空气漏入系统中，造成干燥效率降低。同时，微负压操作又保证粉尘回收装置具有最高的回收率。17对于该设计来说，不采用上述常用的两种方案，原因如下：1) 由于料液的处理量较小，所以设备不会过于庞大和复杂，这样，设备的密封会相对容易，泄露的可能性较小，且干燥的物料为牛奶，是无毒的，所以即使发生少量的泄露，也不会造成重大的事故。2) 如果常用负压操作，发生泄露后，干燥器外部的空气会漏入干燥系统，这样可能会对干燥的产品造成污染，影响实验结果。3) 虽然一台鼓风机和一台引风机结合起来使用会比较灵活，但是这样会造成设备更加庞大和复杂，且能耗更大。综上所述，在该设计中采用在干燥器前段加一台鼓风机的形式。2.2.4 进料泵泵是受原动机控制，驱使流体运动，输送液体或使液体增压，以实现某工程需要的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。泵的选型应根据工艺流程从五个方面加以考虑，既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等。目前，工业上常用的泵有离心泵、轴流泵、杂质泵、计量泵等。因为本设计中料液的流量要求比较精确，且易于调节，所以选用计量泵作为进料泵。2.2.5 钢架 1.钢架的基本要求钢架是支撑设备的重要构件，关系到人员及设备的安全，所以设计的钢架应满足如下基本要求： 1) 满足工艺要求，便于操作和设备维修； 2) 结构必须安全可靠，并有良好的耐腐蚀措施； 3) 尽可能地节约钢材，要求钢材的塑形能充分利用，要合理布置梁格及合理选用构件截面和构件的连接方法； 4) 便于制作和安装，缩短施工周期； 5) 在满足实用和经济的前提下，尽可能地照顾美观