年产950吨奶粉喷雾干燥的设计.docx
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年产950吨奶粉喷雾干燥的设计
一.设计条件
1.生产任务:
年产全脂奶粉950吨;年工作日330天;日工作二班,班实际喷雾时间6小时。
2.进料状态:
浓缩奶总固形物含量50%;温度55℃;密度1120kgm2;表面张力0.049Nm;黏度15cp;成品奶粉含水量≯2.5%(一级品);密度600kgm2;比热2.1kJkg·℃
3.新鲜空气状态:
t0=25℃,ф0=60%;大气压760mmHg
4.热源:
饱和水蒸气
二、工艺流程确定
牛乳的成分十分复杂,其中至少含有上百种化学成分,主要包括水分、脂肪、蛋白质、乳糖、盐类、维生素、酶类及气体等,各种成分以不同状态分散在牛乳中。
正常牛乳中各种成分的组成大体上是稳定的,但也受乳牛的品种、个体、地区、泌乳期、畜龄、挤乳方法、饲料、季节、环境、温度及健康状态等因素的影响而有差异。
如氧气会引起脂类和其他物质的氧化,特别是维生素C【1】。
光也会诱发化学反应,盐的组成和酸度也会随着温度的变化而变化等。
喷雾干燥法是热气流与物料以并流、逆流或混合流的方式相互接触而使物料得到干燥。
这种干燥方法不需要将原料先进行机械分离,操作终了可获得30~50μm微粒的干燥产品,并且干燥时间很短,仅为5~30s,因此适宜于热敏性物料的干燥【2】。
如果对产品有特殊需要,还可以在干燥的同时制成微粒产品,即所谓的喷雾造粒。
能够提高分散性、流动性和溶解性,还具有防尘作用,如果芯材和壁材选择得当,在干燥的同时能制成微胶囊,保持被干燥物料原有的风味和特色,还能提高贮存性能。
喷雾干燥有较多优点【3】:
①干燥速度快;
②干燥过程中液滴的温度比较低;
③干燥产品具有良好的分散性和溶解性能;
④产品纯度高,环境卫生好;
⑤生产过程简化,操作控制方便;
⑥适宜于连续化大规模生产;
⑦可组成多级干燥;
⑧应用领域广泛
但是喷雾干燥也不可避免地具有一些缺点【3】:
①热效率低;
②设备庞大;
③对分离设备要求高;
④对某些膏糊状物料,干燥时需加水稀释,增加了干燥设备的负荷;
⑤对生产卫生要求高的产品时,设备清扫工作量大。
喷雾干燥通常分为离心式和压力式两种。
离心式主要是利用高速旋转轴产生很大的离心力,使料液被甩出去而分散雾化。
离心式的特点是可以处理较粘稠;料液内含有颗粒的物料;雾化均匀,不易堵塞雾化器。
缺点是只能采用立式,由于高速旋转,故对旋转轴及轴承、齿轮等要求很严,乳粉中气泡较多,不利于保藏等。
压力式喷雾干燥器是通过高压设备给料液加压后通过雾化器雾化,其压力一般在2~20MP。
与离心式相比,其结构较紧凑,生产能力大,耗能量少,而且改变内部元件能改变不同的雾炬形状,调节雾化压力能调整产品粒度【4】。
压力式的主要缺点是高粘度物料不易雾化;喷嘴易堵塞;喷嘴易受磨损。
对于低粘度的料液,采用压力式较适宜。
因此在奶粉喷雾干燥中选择压力式。
此外,确定物料与热空气的流向非常重要,合理设计气流分配器或物料与热空气的流向,能保证干燥塔内温度均匀,物料与热空气进行有效的质热交换。
气流与雾滴的流向一般有并流、逆流和混流三种形式,每种形式又可分为直线流动或螺旋形流动。
并流式中干燥后的产品与低温气体并流运动,所以在整个干燥过
程中物料不受高温,特别适合于热敏性物料。
在多数情况下采用并流直线流动。
直线流的并流不易造成物料粘壁,其优点是雾化器喷出的雾滴,随着高速气流同向下落,限制了雾滴径向运动的距离,也就减少了粘壁机会;而同向螺旋行则易产生粘壁。
对于逆流干燥,适宜于干燥较大颗粒或较难干燥的物料,其干燥推动力较小,水分蒸发速率也较并流式慢。
而混流式具有并流式和逆流式的共同特点,但是雾滴在干燥室折返的过程中有相互粘结的倾向。
因此,奶粉宜采用直线流的并流以减少粘壁的机会。
由于牛奶是热敏性物料,因此综上所述对牛奶进行干燥宜采用并流压力式喷雾干燥。
喷雾干燥流程图:
三、喷雾干燥装置的计算:
3.1 物料及热量衡算
(1) 空气状态参数的确定
G1tM1
新鲜空气 蒸汽 热空气 浓奶 排气
Lt0ф0H0υH0I0 Lt1H1υH1I1 Lt2H2υH2I2 ф2
热损失ql
空气加热器 冷凝水 干燥塔奶粉G2tM1
物料、热量衡算图
(2) 新鲜空气状态参数:
由设计条件给定:
t0=25℃ ф0=60%
查得25℃饱和水蒸汽压Ps0=23.76mmHg
湿含量 H0 =0.622(ф0Ps0)(P-ф0Ps0)
=0.622(0.6×23.76)(760-0.6×23.76)
=0.0119KgKg干
热焓 I0 =(1.01+1.88H0)t0 +2492H0
=(1.01+1.88×0.0119)×25+2492×0.0119
=58.257KJKg干
湿比容 υH0 =(0.773+1.244H0)×(273+t0)273
=(0.773+1.244×0.0119)×(273+25)273
=0.861m3Kg干
(3) 加热后空气的状态参数:
由于牛奶是热敏性物料,其加热温度及受热时间不易过高过长。
若温度多高,牛奶结垢结焦速度加快,已发生蛋白变性的奶垢如果进入到喷雾干燥塔内进行喷雾干燥,则粉冲调差。
为了不影响乳粉的质量,热风温度不应过高,但另一方面又为了提高蒸发速率和使乳粉水分含量尽量降低,所以热风温度还得尽可能提高。
一般采取150~160℃的热风温度【5】。
在此选用t1=150℃。
湿度 H1=H0=0.0119 KgKg干
热焓 I1=(1.01+1.88×H1)×t1+2492H1
=(1.01+1.88×0.0119)×150+2492×0.0119
=184.51KJKg干
比容 υH1=(0.773+1.244H1)×(273+t1)273
=(0.773+1.244×0.0119)×(273+150)273
=1.22m3Kg干
(4) 排风状态参数确定:
排风状态参数影响着产品质量,如果排风温度过低会造成潮粉;反之,排风温度过高,则说明降低了喷雾干燥设备的能力,热利用率降低而使成本提高,此外,由于乳粉高排风温度下停留的时间短,很快出粉导致乳粉的表观密度低从而影响了成品质量。
一般排风温度应保持在80~85℃,相对湿度为10~12%【5】。
在此取排风温度为80℃。
出口温度一般比排气温度低10℃,则tM2=70℃,t2=80℃。
就整个干燥器作热量衡算
G2CMtM1W+CltM1+lI0+l(I1-I0)=G2CMtM2W+lI2+ql
CM产品比热,全脂奶粉为2.1KJKg℃
Cl水的比热,4.187KJKg℃
tM1 浓奶温度,给定55℃
tM2奶粉出口温度, 取70℃
ql每蒸发1千克水干燥室的热损失,
按工业生产经验取251KJKg水
W 每小时蒸发水量(见物料衡算)227.9Kg
G2每小时奶粉产量(见物料衡算)239.9Kg
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-(G2CMtM2W-G2CMtM1W +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=4.187×55-(239.9×2.1×70227.9-239.9×2.1×55227.9+251)
=-53.78KJKg水
Δ=(I2-I1)(H2-H1)
=((1.01+1.88H2)t2+2492H2–I1)(H2-H1)
=((1.01+1.88H2)×80+2492H2–184.51)(H2-0.0119)
=-53.78KJKg水
解得 H2=0.0387KgKg干
热焓 I2=(1.01+1.88H2)t2+2492H2
=(1.01+1.88×0.0387)×80+2492×0.0387
=183.06KJKg干
ф2的求取:
由H2=0.622ф2PS2(P-ф2PS2)
查得80℃水蒸汽压PS2=355.1Hg
0.0387=0.622×355.1ф2(760-355.1ф2)
ф2=12.54%
3.1.1物料衡算:
(1)每小时需得奶粉量计算
已知:
年产950吨,按330天,每天二班,每班6h计算。
每小时需得奶粉量G2
G2 =
239.9Kg——增向通道个数n=4
=3,呈多边三角形布置。
其中心距为1000mm。
喷头与塔壁间距可取1000~1200mm,在此取1100mm,可减少周壁的沾粉现象,气流的截面速度下降,有利于设备热效率提高。
q=0.03t1-1=0.03×150-1=3.5kg水m3h
V=
V——干燥室的有效容积
W——干燥室的水分蒸发
q——干燥强度
t1——进入干燥室的热风温度
V=
H——立式干燥室的有效高度
F——干燥室的截面积
D——干燥室的直径
D=
经圆整D=3.5m
∴
H2=D=3.5(m)
取d=0.4~0.5m在此d=0.4m
夹角应小于60°,使产品不易堵塞。
通过几何计算tg
α=47°<60°符合要求。
四、辅助设备的选型计算
4.1空气过滤器的选型计算
材料采用中空泡沫塑料,滤料面积与过滤器通风面积比较大。
过滤面积F=
——m为滤层过滤强度,一般为4000~8000m3m2=5000m3m2h
圆整为1.5m2
核算m=
空气阻力Hf=0.5sv1.8
S:
滤层厚度,通常取10 cm
V:
过渡速度为
Hf=0.5
过滤时一部分孔被堵,导致Hf上升,至一定程度(
)时取下清洗。
4.2空气加热器的选型计算
采用翅片管换热器。
此传热过程,换热器的热阻主要在气体一侧。
若气体在管外流动,则在管外装置翅片,既可扩大传热面积,又可增加流体的湍动,减少该侧热阻,从而提高换热器的传热效果【7】。
(1)需要加热量Q需
Q需=
=1.13
106KJs,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20℃,latm时空气的体积流量[m3
K无具体计算公式,故借用S、UII型公式。
K=19.77(Vr)0.608×10-3
Vr=
K=19.77×2.40.608×10-3=0.0337kwm2k
△tm=
℃
Q供=KFO△tm=0.0337×240.8×48.03=389.76kw
=1403136kJ,选180mm。
l——布袋长度,2m~3.5m,选3m。
Z=
圆整为38只
一般有二组、一组使用,一组备用。
(3)核算q
q=
m3m2h
在150~200范围内,故可。
(4)计算阻力
△P=(K0Zp+a0)qb0
△P——空气通过布袋时的阻力
ZP——织物的沾尘度,对乳粉而言:
ZP=500gm2
k0、a0、b0是常数,对棉织绒布而言。
k0=2.45×10-4 a0=7.56×10-3b0=1.14
△P=(2.45×10-4×500+7.56×10-3)×170.21.14
=45.44(mmH20)
△P上升到一定程度,如80mmH20,应更换、清洗。
4.4风机的选型计算
(1)送风机:
风量一般应有10~20%富裕量,取15%。
Q送=LvHO(1+0.15)=8503.7×0.861×(1+0.15)
=8419.94m3全压:
104mmH2O
流量:
10200m3全压:
200mmH2O
流量:
20130m3,宽0.5m,高0.5m的箱体。
(3)旋转阀:
采用普通式即可,叶轮容积1.0升,叶轮转速30rpm,所
需功率0.4kw,排料量1吨小时,动配合间隙小于0.5mm。
(4)仪表盘:
将就地集中测量的仪器,监测各仪器生产状况。
五、设计结果的汇总:
5.1主要工艺参数
(1)产量:
年产全脂奶粉950吨,每小时产量为239.9kg,产品质量符合轻工部“全脂奶粉质量标准”。
轻工部全脂乳粉一级产品的理化指标。
化学指标:
水分(不超过)2.50%,脂肪25~30%。
复原后的酸度不超过190T,铜不超过6mgkg。
锡不超过100mgkg,铅不超过2mgkg。
物理指标:
溶解度不低于97%,杂质度不超过16ppm。
微生物指标:
杂菌数不超过50000个g,大肠菌不检出。
(2)浓奶:
总固形物含量50%,温度55℃,每小时喷雾量G1=467.8kgh。
(3)蒸发水量:
W=227.9kgh
(4)干燥空气用量:
8503.7kgh
(5)新鲜空气的状态及流量:
t0=25℃ψ0=0.6
H0=0.0119kgmgI0=58.257kjkg
UH0=0.861m3kgV0=7321.7m3h
(6)热空气的状态及流量:
t1=150℃
H1=0.0119kgmgI1=184.51kjkg
UH1=1.22m3kgV1=10374.5m3h
(7)排气的状态及流量:
t2=80℃ψ2=0.1254
H2=0.0387kgmgI2=183.06kjkg
UH2=1.29m3kgV2=10969.8m3h
(8)加热蒸汽的状态及流量:
T3=160℃P=6.3kgfcm2D=541.2kgh
5.2干燥装置及主要辅助设计一览表
序号
名称
型号
数量
主要性能参数
1
送风机
离心式通风机
4-72-116D
1
全风压:
104mmH2O转速:
1450rpm
流量:
10200m3h效率:
91%所需功率:
4kw
2
空气过滤器
中空泡沫塑料过滤器
1
过滤面积:
1.5m2
阻力降:
8.65mmH2O
3
空气加热器
GLII2-24-78
5组
总散热面积:
240.8m2受风面积:
1.881m2通风净截面积:
0.998m2阻力降:
4.35mmH2O
4
(1)干燥塔
立式、并流、离心式
1
塔径:
3.5m塔高:
7m有效容积:
65.1m3
蒸发强度:
3.5kg水m3h蒸发水量:
227.9kgh
(2)雾化器
旋转型压力式雾化器
1
喷雾量:
喷嘴孔径:
1.2mm喷嘴数:
6个
5
布袋过滤器
脉冲式
1
过滤面积:
F=64.53m2,
允许负荷:
q=170.2m3m2h
阻力降:
45.44mmH2O回收效率:
100%
布袋只数:
38只分两组
6
排风机
离心通风机
4-72-11-8D
1
风压:
200mmH2O转速:
1450rpm流量:
20130m3h
效率:
89.5%所需功率:
14.2kw
7
浓奶保温槽
RP6L2型
1
贮液容积:
1000L加热面积:
5m2
容器内径:
1130mm电机功率:
0.37KW台数:
2台
8
集粉箱
无具体型号
1
长1m宽0.5m高0.5m
9
旋转阀
普通式1型
1
叶轮容积:
1.0升叶轮转速:
30rpm所需功率:
0.4kw
排料量:
1吨小时动配合间隙小于0.5mm
六、带控制点的工艺流程图
见所附A3图纸上。
七、设计说明
干燥塔设计的其他说明:
1、热风分配装置
热风从侧面进入,通过一块垂直和一块水平孔板分布均匀。
2、干燥塔上设有灯孔、视孔、人孔、振荡器、排风管等。
振动器安装在塔壁上及圆锥底部,各两个。
3、为使喷雾正常进行,以防在生产中出现不测事件,其电压控制在36V。
4、塔体材料:
塔体内外壁用厚度为2~3mm的不锈钢焊成,顶部用槽钢固定起来。
材料可用1cr18Ni9Ti。
5、干燥塔塔体夹层用保温材料保温,以减少热损失或设备停用时因乳粉吸潮而粘结。
粉尘回收装置应回收物料的性质选择。
用于喷雾干燥的袋滤器,大多不超过130℃。
在本设计中,不应超过90℃。
游离脂肪含量过高,乳粉极易氧化,不耐保藏,冲调性差,此时应冷却到20℃以下进行输粉为佳。
6、对干燥设计过程中某些问题的探讨
(1)喷雾干燥塔主要尺寸的确定中,离心式喷雾干燥中此现象不明显,故不作深入探讨。
(2)奶粉的色泽、颗粒、冲调、粉中杂质、蛋白质在塔中变性的程度均与喷雾干燥系统的结构形式、生产参数的控制和操作者的责任心有关。
要生产合格优质的奶粉必须从每个细节做起。
由于设计制图时未考虑装订问题,故仅按普通不需装订要求布局,而未留出装订部位。
八、小结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
这次课程设计使我充分了解到化工原理课程的重要性和实用性,特别是对喷雾干燥及其操作各方面的了解。
并且对于实际单元操作设计中所涉及的各方面要注意问题也有所了解。
通过这次对奶粉喷雾干燥的设计,不仅让我将所学的知识应用到实际中,而且进一步巩固和提升了所学的知识。
在这次课程设计中,我真正体会到了合作的重要性,遇到很多问题时,当我看书查资料不能解决时,就是去找同学讨论一下,收获很大,可以使很多问题迎刃而解,直到问题最终解决。
不可否认,本次设计存在不少缺点和不足,但这次的课程设计使我找出了自己在学习上的不足,对以后的工作也有指导作用。
我相信在以后的学习中会克服这些不足,达到熟练掌握的目的!
通过这次课程设计,我获得了很多重要的知识,同时也提高了的实际动手和知识的灵活运用能力。
九、参考文献
【1】郭本恒等、乳品化学、中国轻工业出版社2001.7
【2】夏清等、化工原理(下册)、天津大学出版社2007.1
【3】陈寿鹏等、食品工程原理设计课程资料汇编2002.5
【4】刘广文等、喷雾干燥实用技术大全、中国轻工业出版社2001.10
【5】金世琳等、乳与乳制品生产、轻工业出版社1985.10
【6】曹惠兴等、乳品生产基本知识、轻工业出版社1984
【7】夏清等、化工原理(上册)、天津大学出版社2007.1
【8】郭宜祜等、喷雾干燥、化工出版社1983
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原创性声明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
致谢
时间飞逝,大学的学习生活很快就要过去,在这四年的学习生活中,收获了很多,而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。
首先非常感谢学校开设这个课题,为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验,奠定了基础。
本次毕业设计大概持续了半年,现在终于到结尾了。
本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。
经过这次毕业设计,我的能力有了很大的提高,比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。
这期间凝聚了很多人的心血,在此我表示由衷的感谢。
没有他们的帮助,我将无法顺利完成这次设计。
首先,我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导,在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导,为我理清了设计思路和操作方法,并对我所做的课题提出了有效的改进方案。
郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。
从他身上,我学到了许多能受益终生的东西。
再次对周巍老师表示衷心的感谢。
其次,我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求,感谢他们对我学习上和生活上的帮助,使我了解了许多专业知识和为人的道理,能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。
另外,我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持,与他们一起学习、生活,让我在大学期间生活的很充实,给我留下了很多难忘的回忆。
最后,我要感谢我的父母对我的关系和理解,如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持,我将无法顺利完成今天的学业。
致谢
四年的大学生活就快走入尾声,我们的校园生活就要划上句号,心中是无尽的难舍与眷恋。
从这里走出,对我的人生来说,将是踏上一个新的征程,要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首四年,取得了些许成绩,生活中有快乐也有艰辛。
感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲,对我成长的关心和爱护。
学友情深,情同兄妹。
四年的风风雨雨,我们一同走过,充满着关爱,给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。
在我的十几年求学历程里,离不开父母的鼓励和支持,是他们辛勤的劳作,无私的付出,为我创造良好的学习条件,我才能顺利完成完成学业,感激他们一直以来对我的抚养与培育。
最后,我要特别感谢我的导师刘望蜀老师、和研究生助教吴子仪老师。
是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励,给了我很多解决问题的思路,在此表示衷心的感激。
老师们认真负责的工作态度,严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。
他无论在理论上还是在实践中,都给与我很大的帮助,使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助,感谢他耐心的辅导。
在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助,帮助解决了不少的难点,使得论文能够及时完成,这里一并表
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