奶粉喷雾干燥食品工程设计.docx
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奶粉喷雾干燥食品工程设计
食品工程原理
课程设计说明书
设计题目 奶粉喷雾干燥
专业 粮食工程
班级 粮工1103班
姓名 郝林娜
指导老师 马森
河南工业大学
2013年12月22日
食品工程原理课程设计任务书
专业：
粮食工程
班级：
1103班
姓名：
郝林娜
一、设计题目：
奶粉喷雾干燥
二、设计条件：
1、生产任务：
年产全脂奶粉950吨。
以年工作日310天，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48%。
温度55℃、密度1120kg/m2、表面张力m、黏度15cp。
成品奶粉含水量≯%（一级品）、密度600kg/m2、比热。
3、新鲜空气状态：
t0=25℃、ф0=60%，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。
一、工艺流程确定及论证…………………………………………………4
论证…………………………………………………………………………4
喷雾干燥流程图……………………………………………………………7
二、喷雾干燥的计算………………………………………………………7
物料及热量衡算…………………………………………………………7
空气状态参数的确定………………………………………………………7
物料衡算……………………………………………………………………10
热量衡算……………………………………………………………………11
离心式雾化器的计算……………………………………………………11
液滴直径ζ的计算…………………………………………………………12
液滴离开转盘的初速度……………………………………………………13
液滴水平飞行距离…………………………………………………………14
离心喷雾器所需功率………………………………………………………15
喷雾干燥塔主要尺寸的计算…………………………………………15
塔径D………………………………………………………………………15
塔高H………………………………………………………………………16
三、辅助设备的选型计算…………………………………………………16
空气过滤器的选型计算………………………………………………………16
空气加热器的选型计算………………………………………………………17
粉尘回收装置的选型和计算…………………………………………………19
风机的选型计算………………………………………………………………21
其他辅助设备选用……………………………………………………………22
四、设计结果总汇……………………………………………………………22
主要工艺参数…………………………………………………………………22
干燥装置及主要辅助设计一览表……………………………………………23
五、带控制点的工艺流程图………………………………………………24
六、设计说明…………………………………………………………………24
七、结束语……………………………………………………………………26
八、参考文献…………………………………………………………………27
一、工艺流程确定及论证
本工艺采用并流离心式喷雾干燥法对奶粉进行喷雾干燥。
论证
乳粉是一种干燥粉末状乳制品，具有耐保藏、使用方便的特点。
生产乳粉的目的在于保留牛乳营养成分的同时，除去乳中大量水分，使牛乳由含水88%的液体状态转变成含水2%的粉末状态，从而大大缩小牛乳体积，既利于包装运输，又便于保藏和使用。
乳粉的主要化学成分有水分、脂肪、蛋白质、乳糖、灰分、乳酸等，因含量差异而形成各种种类的乳粉。
乳粉的营养价值一般通过乳脂肪及非脂乳固体部分来体现。
本工艺采用喷雾干燥技术制备乳粉。
喷雾干燥，是指用单独一次工序，将溶液、乳浊液、悬浮液或含有水分的膏糊状物料变成粉状、颗粒或块状的干燥产品。
其形成取决于物料的物理特性，以及喷雾干燥设备的流程和操作。
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。
喷雾干燥的特点如下：
（1）干燥速度快：
由于料液经喷雾后雾化成几十微米大小的液滴，所以单位重量的表面积很大，每公升料液经喷雾后表面积可达300㎡左右，因此热交换迅速，水分蒸发极快，干燥时间一般只要几秒钟，多则几十秒钟，具有瞬间干燥的特点。
（2）干燥过程中液滴的温度比较低：
喷雾干燥可以采用较高的温度的载热体，但是干燥塔内的温度一般不会很高。
当液滴仍有大量水分存在时，它的温度不超过热空气的湿球温度，例如塔内热空气温度>>100℃时，物料温度约50—60℃。
所以适合于热敏性物料的干燥，能够保持产品良好的色泽和香味。
（3）干燥产品具有良好的分散性和溶解性能：
根据工艺上的要求，选用适当的雾化器，可将料液喷成球状液滴，由于干燥过程是在空气中完成的，所得到的粉粒能保持与液滴相近似的球状，因此具有良好的疏松性、流动性、分散性，冲调时能迅速溶解。
（4）产品纯度高，环境卫生好：
由于干燥是在密闭的容器内进行的，杂质不会混入产品，保证了产品纯度。
生产有毒气、臭气物料时，可采用封闭循环或“自惰”循环系统的喷雾干燥设备，将毒气、臭气烧毁，防止公害，改善环境。
（5）生产过程简化，操作控制方便：
即使含水量高达90%的料液，不经浓缩，同样能一次获得均匀的干燥产品。
大部分产品干燥后不需粉碎和筛选，从而简化了生产工艺流程。
对于产品粒径大小、松密度、含水量等质量指标，可改变操作条件进行调整，控制管理都很方便。
（6）适宜于连续化大规模生产：
干燥后的产品经连续排料，在后处理上结合冷却器和风力输送，组成连续生产作业线，实现自动化大规模生产。
其主要缺点有：
（1）当热风温度低于150℃时，热交换的情况较差，需要的设备体积大。
在用低温操作时空气消耗量大，因而动力耗用量随之增大。
（2）为了保证乳粉水分含量的要求，必须严格控制各种产品干燥时排风的相对湿度，一般为10%~13%，故需消耗较多的空气量，从而增加了风机的容量及电耗，同时也增加了粉尘回收装置的负荷，影响了产品得率。
（3）对某些膏糊状物料，干燥时需加水稀释，这样就增加了干燥设备的负荷。
（4）由于设备体积庞大，对生产卫生要求高的产品时，设备的清扫工作量较大。
（5）设备的热效率较低，在进风温度不高时，热效率约30—40%左右。
本工艺采用离心式喷雾干燥
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。
离心喷雾是将浓奶送入离心盘雾化机中，由于离心盘的高速旋转，被喷成雾状，遇热空气干燥成乳粉。
离心喷雾盘的线速度为100—150m/s。
用离心喷雾法生产奶粉时，离心喷雾盘的线速度越高，雾滴越小。
乳粉颗粒越小，同热空气接触的比表面积越大，热交换速度越快，热效率也越高，热效率也越高，但是小颗粒奶粉的冲调性能较差。
离心式喷雾干燥的操作特点有：
（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。
压力喷雾干燥中，浓奶由高压泵打入喷嘴中，经喷嘴喷出的浓奶被雾化成雾滴，雾滴遇热空气变成乳粉。
为了使浓奶在喷嘴出口处除了具有向前喷出的速度以外，还具有旋转运动，使用带斜槽的芯子同板眼搭配（称为S型），还有一种是孔板上带斜槽同板眼搭配（称为M型），两种喷头具有同样的雾化效果。
压力越高，雾化效果越好，奶粉颗料越细，干燥效率越高。
但是颗粒细小的乳粉，冲调性能不好。
压力式喷雾干燥对料液的要求较高，在进雾化器前必须进行过滤，以防杂质堵塞雾化器。
这种结构较紧凑，生产能力大，耗能量较少，且能改变内部元件不同飞雾炬形状。
主要缺点是在一定的雾化压力下喷雾量不能在线调节。
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。
本工艺采用并流型喷雾干燥
喷雾干燥按照喷雾和流体流动方向分为并流型、逆流型和混合型三类。
（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，给回收系统增加负荷。
（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：
被干燥物料允许在低温下进行干燥。
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。
塔壁粘粉较少。
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，本生产工艺选用并流、离心式喷雾干燥法对奶粉进行喷雾干燥处理。
喷雾干燥流程图
图1喷雾干燥流程图
二、喷雾干燥装置的计算
物料及热量衡算
空气状态参数的确定
G1tM1=55℃
新鲜空气 蒸汽 热空气 浓奶 排气
Lt0ф0H0υH0I0 Lt1H1υH1I1 Lt2H2υH2I2 ф2
t0=25℃，ф0=60%t1=150℃,H1=t2=80℃，H2=
H0=
热损失QL
空气加热器 冷凝水 干燥塔奶粉G2tM2=70℃
图2物料、热量衡算图
新鲜空气状态参数
由设计任务书给定条件：
t0＝25℃,ф0＝60%
查得25℃饱和水蒸汽压Ps0＝mmHg
湿度H0=ф0Ps0/（P-ф0Ps0）
=***
=水/kg绝干气
热焓I0=+t0+2490H0
=+**25+2490*
=kg绝干气
湿比容υH0=（1/29+H/18）**（273+t0）/273
=（1/29+18）**（273+25）/273
=m3（湿空气）/kg绝干气
加热后空气的状态参数
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=水/Kg绝干气
热焓I1=+*H1）*t1+2490H1
=+**150+2490*
=Kg绝干气
湿比容υH1＝（1/29+H1/18）**（273+t1）/273
=（1/29+18）**（273+150）/273
=m3（湿空气）/kg绝干气
排风状态参数确定
干燥的乳粉含水分%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，
G2CMtM1/W+CltM1+lI0+l（I1-I0）=G2CMtM2/W+lI2+QL
式中：
CM-----产品比热，全脂奶粉为kg℃（任务书给定）
Cl-----水的比热，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℃
QL-----每蒸发1kg水干燥室的热损失，按工业生产经验取251kJ/kg水（[7],P305：
对于保温适宜的干燥室而言：
其散失的热量可取60千卡/公斤水，相当于kg水，而对于空气加热器的热损失可取40千卡/公斤水，相当于kg水。
本工艺保温适宜，故采用热损失为251kJ/kg水。
）
W-----每小时蒸发水量（见物料衡算）
G2-----每小时奶粉产量（见物料衡算）
l-----每蒸发１千克水所需空气量Kg，l＝1/（H2－H1）
将上式整理后可得：
CltM1-（G2CMtM2/W－G2CMtM1/W+QL）=（I2-I1）/（H2-H1）
方程左端表示干燥室补充热量与损失热量之差，用Δ表示。
Δ=*55-**70/KJ/Kg水
Δ=（I2-I1）/（H2－H1）
=[+t2+2490H2-I1]/（H2－H1）
=[+*80+]/
=Kg水
解得:
H2＝Kg水/Kg绝干气
热焓I2＝+H2）t2+2490H2
＝+**80+2490*
＝kJ/kg绝干气
ф2的求取：
由H2＝ф2PS2/（P-ф2PS2）
查得80℃饱和水蒸汽压PS2＝
＝*ф2/*ф2）
解得：
ф2＝%﹤13%
为保证乳粉水分含量的要求，必须严格控制排风相对湿度ф2=10～13%。
由于ф2在此范围以内，所以含水量可以保证。
湿比容υH2=（1/29+H/18）**（273+t2）/273
=（1/29+18）**（273+80）/273
=（湿空气）/kg绝干气
物料衡算
每小时需得奶粉量G2可由年产量，年工作日，日工作班数及喷雾时间求取（相关数据由任务书给定：
年产全脂奶粉950吨，年工作日为310天，日工作二班，班实际喷雾时间6小时）
G2=950*1000/（310*2*6）=kg/h
每小时喷雾浓奶量及蒸发水分量W
G1=G2*（1-W2）/（1-W1）
=*/
=Kg/h
W=G1-G2==kg/h
每蒸发1kg水干空气用量（绝干量计）
l=1/（H2－H1）＝1/）
=kg绝干气/kg水
每小时干空气量
L＝W/（H2－H1）＝（）=Kg绝干气/h
新鲜空气体积流量
V0=LυH0=*=m3/h
热空气体积流量
V1=LυH1=*=m3/h
排气体积流量
V2=LυH2＝*=m3/h
热量衡算
输入系统热量
新鲜空气输入:
Q1=LI0=*=kJ/h
加热器输入热量：
Q2=L（I1-I0）＝*=kJ/h
浓奶带入的热量：
Q3=G2CMtM1+WCltM1＝**55+**55
=h
ΣQ入=Q1+Q2+Q3=++=kJ/h
输出系统的热量
排气带出的热量:
Q’1=LI2=*=KJ/h
产品奶粉带出的热量：
Q’2＝G2CMtM2＝**70=KJ/h
干燥室热损失：
Q’3=WQL＝*251=KJ/h
ΣQ出＝Q’1+Q’2+Q’3=++=h
由于ΣQ出＝ΣQ入，可见热量收支平衡。
干燥过程的热效率：
表示每蒸发1kg水分，干燥器内所需加入的热量中用于汽化水分所耗热量的百分率。
η=（（r0+CWt2）-CltM1）/l（I2－I0）
=（（2490+*80）*55）/*
空气加热器蒸汽消耗量：
选取加热用饱和水蒸气温度T=t1+10=150+10=160℃
查得其饱和蒸汽压为cm2（绝压），汽化潜热为kg
并取热效率ηk=95%
蒸汽消耗量:
Dk=Q2/rηk=*=kg/h
离心式雾化器的计算
根据现有的定型设备LP150，用其有关数据进行参考设计。
G1=hρ=1120kg/m3
V1=
故可选取生产能力为500L/h的离心雾化器。
要使喷孔流速U孔在~1m/s之间，可增大孔径至，采用6个喷孔。
核算U孔
U孔在~1m/s间，适用选LP500
LP500参数如下：
生产能力：
500L/h
主要性能参数：
离心盘喷嘴外径：
280mm
喷嘴个数：
6个
喷嘴孔径：
离心盘转速：
7350r/mim
离心盘线速度：
104m/s
上述采用参考性设计，由于离心雾化器结构相对较复杂，故不重新进行设计，但可用现有型号的雾化器，并对生产能力方面的参数做微调。
本次设计通过扩大喷嘴口径和增加喷口数量使喷嘴的液体流速控制在~1m/s内，随后再对喷嘴的性能参数做相应的调整，最后列出主要性能参数。
液滴直径ζ的计算
在忽略了分散盘形状对雾滴的影响时，有人提出下面的多管式分散盘雾滴直径计算的经验公式：
δ=×
式中：
δ-----液滴直径m
n------分散盘转速7350r/min
R------分散盘半径
-----料液表面张力=kgf/m
-----料液密度1120kg/m3
δ=×
=
m
液滴离开转盘的初速度
径向速度的计算
当离心盘为圆槽式时，液滴离开分散盘时径向速度按下式计算：
式中：
-----雾滴的径向初速度（m/s）
-----分散盘的角速度
-----分散盘半径（m）
A-----常数；
------通道半径（m）
------料液运动粘度
（m2/s）
-------料液的体积流量
N-------分转盘转速7350（r/min）。
将以上数据代入式
切向速度的计算
由于浅槽或叶片阻止了料液的滑动，离开分散盘边缘时的切向速度近似等于分散盘上圆周速度：
式中：
d------分散盘直径（m）
------切向速度（m/s）。
料液离开分散盘时的合成速度
料液离开分散盘时是径向速度与切向速度的合成速度的运动形式，因此最后雾滴离开分散盘时的速度为：
式中：
------料液离开分散盘时的初速度（m/s）。
液滴水平飞行距离
液滴离开分散盘边缘沿水平方向飞出，液滴飞出的最大距离是确定干燥器直径的主要依据。
分散盘产生的雾距，通常是以90%-99%液滴的降落半径作为最大雾距。
但是实际液距和理论值不能吻合，主要原因在于：
①液滴在喷出后因水分迅速蒸发而使液滴密度减小，因此飞行距离也缩短。
②在干燥过程中液滴的直径收缩或因崩裂而减小。
③干燥器热风的流动，液滴的飞行受到影响。
所以考虑到空气阻力的影响，计算液距有下列公式：
式中：
-----液滴直径
-----料液密度1120（kg/m3）
-----空气密度（kg/m3）
-----液滴的初速度s
-----液滴的运动终速度（m/s），可按液滴在干燥室内的浮翔速度考虑。
-----空气在平均温度下的运动粘度（m2/s）
25℃时，干空气的黏度：
=×
干空气的运动黏度：
80℃时，干空气的黏度：
=×
干空气的运动黏度：
-----阻力系数，是Re的函数。
阻力系数
将以上数据代入公式
得：
离心喷雾器所需功率
分散盘雾化料液时理论上消耗功率：
式中：
-----离心盘的圆周速度，即离心盘线速度（m/s）
-----离心盘的生产能力，即（
=
）=
喷雾干燥塔主要尺寸的计算
塔径D
离心雾化器的干燥塔直径在一般情况下，塔径D按照下式计算：
D=（2~R
式中：
R-----离心雾化器喷雾距半径，即雾滴水平飞行距离。
选取：
D==×=m圆整为D=4m
验算：
塔内空气平均流速U，应在~s之间。
式中：
U------空气平均流速（m/s）
L------绝干空气流量绝干气/h
D----喷雾干燥塔内径
---平均湿比容，
=和
=（湿空气）/kg绝干气
s塔高HD
H1==×4=
H2=D=4m
选鼓形阀d=400mmH1
H2
∴α=°<60°合适d
因为锥形壳体的应力，随半锥角α的增大而增大；当α角很小时，其应力值接近圆筒形壳体的应力值。
所以在设计制造锥形容器时，α角要选择合适，不宜太大。
H=H1+H2=+4=
有效容积
蒸发强度
，二者相差太大，所以塔高选择不合适。
选塔高为5米。
则H1==
4=H2=D=4m
H1+H2=+4+
有效容积V=÷4×D2×H1=
，由于二者近似相等，塔高选择合适。
三、辅助设备的选型计算
空气过滤器的选型计算
空气过滤器一般采用油浸式的滤层，，滤层内充填细的钢丝绒，形成绒团（钢丝绒、铜丝绒、尼龙纤维、中孔泡沫塑料均可）喷以轻质定子油或真空泵油（无味、无臭、无毒、挥发性低、化学稳定性高）制成每块50×50cm左右单体厚约5～12cm，当空气通过时，空气中杂质即被阻挡或为油膜吸附于滤层中，每隔一定时期拆下用碱水清洗，干燥后喷油重新安装，可继续使用。
过滤面积：
式中：
m-------滤层过滤强度，一般为4000~8000m3/m2h
选取m=5000m3/m2h
圆整为
核算
空气阻力：
Hf=式中：
S-------滤层厚度，通常取10?
cm
V-------过渡速度为
Hf=
过滤时一部分孔被堵，导致Hf上升，至一定程度（
）时取下清洗。
进料时无压力，不会有漏奶等情况，清洗时仅需拆下进奶管道，离心转盘，清洗容易，轻便。
长期不清洗，使过滤器的阻力增大，从而使进风量减少，影响生产能力。
空气加热器的选型计算
空气加热器是以紫铜管或钢管上绕以紫铜的翅片，最后经搪锡而制成具有一定加热面积的加热器，干燥设备一般由若干加热器组成。
目前在乳粉生产上常用的有S型及GL型两种形式。
空气加热器是对新鲜空气进行加热的必要设备，用饱和蒸汽作为热源，在加
热管内流动，新鲜空气在加热管外经翅片间通过，经热交换后空气的温度可达150~170℃，热空气的温度主要取决于加热面积，饱和蒸汽的压力及质量。
为强化传热，可采用翅片式换热器，加大湍流程度，减少该侧热阻。
（1）需要加热量Q需
（2）传热效率
选定饱和蒸汽压力：
8kgf/cm2查【1】P334的TS=170℃
（3）表面风速Va的选取
由F查化工原理课程设计辅导书Va-F图得Va=s，N=8排。
GLII型钢制空气热交换器比GLI型散热排管的传热系数高，比I型散热排管重量轻，体积小，消耗金属少，且造价比S、UII型钢制散热排管便宜。
故选用GLII型空气加热器。
（4）受风面积Fa
G’：
校正至25℃，latm时空气的体积流量[m3/h]
=
（5）选型：
据Fa=，8排查[4-4
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