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      新型內(nèi)置固定流化床的設(shè)計(jì)

      2014-07-13 11:26:14李亞榮牟光慶惲海明劉明潔
      中國乳品工業(yè) 2014年5期
      關(guān)鍵詞:耗量干燥塔固定床

      李亞榮,牟光慶,惲海明,劉明潔

      (1.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧 大連 116034;2.北京中輕機(jī)乳品設(shè)備有限責(zé)任公司,北京 100038)

      0 引 言

      噴霧干燥技術(shù)在乳粉生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,但干燥塔能耗高,效率低,為解決上述問題,NIRO公司和唐金鑫等先后提出過多段干燥技術(shù),如唐金鑫等[1]在“我國噴霧干燥技術(shù)研究及進(jìn)展”一文中提出三段干燥系統(tǒng)雖然一次設(shè)備投資大,但干燥效率高。隨著干燥技術(shù)的發(fā)展,三段噴霧干燥的應(yīng)用逐漸廣泛[2],近年我國也引入了三段干燥系統(tǒng),即在干燥塔錐形底端增加固定流化床,將塔內(nèi)干燥和振動流化床干燥連接起來形成三段干燥。

      與傳統(tǒng)固定流化床相比新型固定流化床做了以下幾方面改進(jìn)。第一,為了提高乳粉的速溶性在固定流化床的上部增加了附聚管。第二,為了制作簡單美觀,固定床的外底封頭采用圓錐形。第三,在固定流化床的落粉管處增加調(diào)粉裝置,使粉均勻下落。

      1 新型內(nèi)置固定流化床的組成結(jié)構(gòu)

      1.1 組成結(jié)構(gòu)

      本設(shè)計(jì)固定流化床主要由五部分組成,分別是包皮結(jié)構(gòu)、附聚管、進(jìn)風(fēng)口、篩網(wǎng)和出粉系統(tǒng),如圖1所示。

      圖1 固定流化床主視圖

      1.2 各組成部分的功能

      包皮結(jié)構(gòu)組成固定床輪廓,起到支撐作用,向內(nèi)外包皮之間填充保濕的介質(zhì)形成保溫層。附聚管連接細(xì)粉管,使細(xì)粉進(jìn)入流化床,與篩網(wǎng)上的乳粉附聚。進(jìn)風(fēng)口的第二段接管與水平方向設(shè)計(jì)15°夾角,熱風(fēng)進(jìn)入床內(nèi)與傾斜的內(nèi)底封頭相遇,然后風(fēng)向上折返到達(dá)篩板(圖3),從腮形篩孔中穿出,而乳粉在篩板上的整體運(yùn)動軌跡如圖3箭頭所示。篩板上每相鄰的行和列之間篩孔的開孔方向夾角均設(shè)計(jì)呈60°(圖4),使熱風(fēng)分布均勻,乳粉順利流化向前運(yùn)行(圖5),到達(dá)出粉口。出粉系統(tǒng)中設(shè)計(jì)粉調(diào)節(jié)裝置,可以根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)落粉量,使粉均勻干燥。

      圖2 固定床俯視圖

      圖3 固定床篩板俯視圖

      圖4 篩板放大圖

      圖5 物料運(yùn)行示意圖

      2 新型內(nèi)置固定流化床的作用

      2.1 對乳粉進(jìn)行二次干燥

      固定流化床對來自塔干燥室的乳粉有進(jìn)一步干燥的作用。固定流化床的工作原理[3]:散狀物料置于篩板上,熱風(fēng)自下而上通過篩網(wǎng),引起乳粉“沸騰”和流動。

      乳粉在干燥塔中停留的時間越短越好,一般10~30 s[4]。新型固定流化床的設(shè)計(jì)使干燥塔內(nèi)主要完成短時間的恒速干燥,將乳粉干燥至水含水量8%~10%[5],接著乳粉在固定床中進(jìn)行降速干燥,水分降至4%~6%后,進(jìn)入振動流化床。

      2.2 對乳粉進(jìn)行二次附聚

      附聚過程分兩個階段,首先細(xì)小顆粒相互碰撞形成中間結(jié)構(gòu);接著顆粒長大形成直徑250~750 μm的多孔大顆粒簇。附聚是速溶奶粉生產(chǎn)中必不可少的步驟,可以增加乳粉的速溶性,分散性和流動性[6]。一般兩段干燥系統(tǒng)中細(xì)粉被送至塔頂霧化區(qū)和振動流化床處進(jìn)行附聚。

      在三段干燥系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)固定流化床時增加了附聚管,使捕集到的細(xì)粉可以通入固定床進(jìn)行附聚。與兩段干燥系統(tǒng)相比增加了固定床附聚。

      3 新型內(nèi)置固定流化床的優(yōu)點(diǎn)

      3.1 節(jié)能降耗提高干燥效率

      干燥效率為[7]

      式中:Ti為干燥塔進(jìn)口熱風(fēng)溫度;To干燥塔出口排風(fēng)溫度,Ta為周圍空氣溫度。

      如干燥效率公式所示降低干燥塔排風(fēng)溫度(To),可提高干燥效率。由于塔排風(fēng)溫度決定了出粉的含濕量,降低排風(fēng)溫度To易導(dǎo)致從干燥室出來的乳粉含水量高(8%~10%),乳粉易粘連。本設(shè)計(jì)使固定床置于干燥塔底端承接含濕量較高的乳粉,這部分乳粉在固定床中能繼續(xù)流化干燥,進(jìn)一步脫去2%~4%的水分。因此設(shè)計(jì)固定流化床允許干燥塔排出含濕量較高的乳粉,降低排風(fēng)溫度,提高干燥效率。

      4 新型內(nèi)置固定流化床的創(chuàng)新之處

      4.1 固定流化床附聚接管的設(shè)計(jì)

      相比于早期設(shè)計(jì)的固定流化床,本設(shè)計(jì)在距固定床上邊緣0.3 m處增加了φ0.102 m的附聚管,與水平方向呈15°夾角,既實(shí)現(xiàn)了細(xì)粉在固定床處的附聚;又使干燥系統(tǒng)的附聚增加至三級(塔頂附聚、固定床附聚、振動床附聚),生產(chǎn)工藝可根據(jù)實(shí)際需要在兩極和三級附聚之間切換。

      4.2 固定流化床圓錐形底封頭的設(shè)計(jì)

      內(nèi)包皮底封頭是與水平方向呈10°夾角的斜面,由于本設(shè)計(jì)固定床的直徑較大(φ3m),所以必須有底封頭拉筋才能將其支撐平整。以往固定床外包皮底封頭的設(shè)計(jì)和內(nèi)包皮底封頭相同,底面板幅太寬焊接后不易保持平整且支撐作用較弱。故本次新型內(nèi)置固定流化床外封頭設(shè)計(jì)采用圓錐形,制作較簡單,既能克服斜面封頭不易保持平整的問題,又能起到較好的支撐作用。

      5 設(shè)計(jì)中的物料衡算及熱量衡算

      5.1 固定流化床主要尺寸計(jì)算

      絕干物料進(jìn)料量W1為

      固定流化床進(jìn)料量W2為

      振動流化床進(jìn)料量W3為

      最終產(chǎn)品量W4為

      式中:C為濃奶干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)48%;C1為固定流化床上物料含濕量9%;C2為振動流化床上物料含濕量5%;C3為最終產(chǎn)品含濕量3%;W0為濃奶進(jìn)料量(5939 kg/h)。

      乳粉的體積密度ρb為[8]

      式中:ε為乳粉顆粒間的空間體積ε=0.7;ρp為脫脂乳粉的顆粒密度ρp=900 kg/m3。

      落在固定床上乳粉的體積V1為

      式中:W2為固定床進(jìn)料量,3133 kg;ρb為乳粉的體積密度,270 kg/m3。

      假設(shè)乳粉在固定床中最長停留10 min,則固定床用于流化干燥乳粉的有效容積V2:

      式中:V1為落在固定床上乳粉的體積,11.6 m3/h。

      篩網(wǎng)距離固定床頂端的最小高度為

      式中:V2為固定床有效容積,1.93 m3;S為固定床篩網(wǎng)面積,7.07 m2。

      因乳粉流化時粉層膨脹高度一般為0.2 m,為使乳粉流化空間充足,設(shè)計(jì)中篩網(wǎng)距床體上邊緣實(shí)際距離h1為

      式中:h為篩網(wǎng)距離固定床頂端最小高度,0.27 m。

      5.2 進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)耗氣量的計(jì)算

      表1干燥介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

      5.2.1 設(shè)備熱損失[9~10]

      固定床散熱面積為

      式中:r為固定床外徑半徑;1.57 m;h為固定床高度,1.62 m。

      表1 干燥介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)

      表面散熱損失θ為

      式中:K為傳熱系數(shù),41.8 kJ/ (m2·℃·h);Δt為固定床表面與環(huán)境溫差,28℃;F為固定床散熱面積,23.71 m2。

      單位蒸發(fā)量熱損失ΔQ為

      式中:θ為表面散熱損失,27750.2 kJ/h;G為固定床蒸發(fā)量,132 kg/h。

      (3)排出廢氣狀態(tài)參數(shù)

      如圖6,加熱前空氣在濕焓圖上為狀態(tài)點(diǎn)A(d0,I0),新鮮空氣由A點(diǎn)開始受熱,升溫至t1=110℃,熱焓升至I1=140 kJ/kg,此時濕含量不變d0=d1,在濕焓圖上空氣狀態(tài)點(diǎn)為B(d1,I1)。假設(shè)排出廢氣濕含量為d3=0.06 kg/kg

      廢氣熱焓I3為

      由d3和I3設(shè)定狀態(tài)點(diǎn)D(d3,I3),連接BD,溫度t2=70 ℃的溫度線與直線BD交于C點(diǎn),則C點(diǎn)即為排出廢氣狀態(tài)點(diǎn),查得排出廢氣狀態(tài)參數(shù):d2=0.025;ψ2=13%;I2=138 kJ/kg;t2=70 ℃

      圖6 I-x圖解法示意圖

      5.2.2 新鮮空氣耗量

      (1)空氣耗量

      式中:G為固定床蒸發(fā)量,132 kg/h;d0為加熱前空氣濕含量,0.012 kg/kg;d2為排出廢氣濕含量,0.025 kg/kg。

      考慮20%風(fēng)量損失,實(shí)際空氣耗量L1為

      式中:L為計(jì)算空氣耗量,10154 kg/h。

      換算成新鮮空氣的體積用量V為

      式中:V0為新鮮空氣比容,V0=0.861 m3/kg干空氣;L1為實(shí)際空氣耗量12185 kg/h。

      (2)風(fēng)機(jī)的選擇

      排風(fēng)機(jī)風(fēng)量按經(jīng)應(yīng)比進(jìn)風(fēng)風(fēng)量高20%~30%,即

      式中:V為新鮮空氣體積用量,10500 m3/h。

      5.3 加熱蒸汽耗量的計(jì)算

      (1)熱能消耗量

      熱損失取20%,熱能消耗量Q為

      式中:I0為空氣加熱前熱焓,50.2 kJ/h;I1為空氣加熱到110℃時熱焓,140 KJ/h;L1為實(shí)際空氣耗量,12185 kg/h。

      (2)加熱蒸汽用量

      式中:Q為熱能消耗量,1313055.6 kJ/h;I為0.6 MPa時加熱蒸汽熱焓,2755.9 kJ/kg;I0為100 ℃冷凝水熱焓,419.3 kJ/kg;η為蒸汽熱效率90%。

      6 結(jié) 論

      近幾年國內(nèi)新建乳品廠廣泛引進(jìn)三段干燥系統(tǒng),旨在提高乳粉質(zhì)量,降低能源消耗。與總蒸發(fā)量3 000 kg/h三段噴霧干燥塔配套設(shè)計(jì)的新型內(nèi)置固定流化床,篩網(wǎng)距床體上邊緣高度0.50 m,附聚管與水平方向夾角15°,固定床進(jìn)風(fēng)溫度110 ℃,進(jìn)風(fēng)量1.05×104m3/h,排風(fēng)量1.365×104m3/h,加熱蒸汽用量6.25×102kg/h。 新型內(nèi)置固定流化床的設(shè)計(jì)一方面降低了排出熱風(fēng)的溫度,提高干燥效率;另一方面增加了附聚功能和干燥環(huán)節(jié),改善了乳粉的速溶性,圓錐形外底封頭的設(shè)計(jì),制作簡單美觀且支撐牢固。在乳品干燥設(shè)備設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新和完善,會在很大程度上推動中國乳品工業(yè)綠色發(fā)展。

      [1]黃立新,王宗濂,唐金鑫.我國噴霧干燥技術(shù)研究及應(yīng)用[J].化學(xué)工程,2001,29(2):52-53.

      [2]C G J BAKER,K A MCKENZIE.Energy consumption of Industrial spray dryers[J].Drying Technology,2005,23:365-372.

      [3]雒亞洲,管建慧.流化床在乳粉生產(chǎn)上的應(yīng)用 [J].食品工業(yè)科技,2009,30(04):274-275.

      [4]劉殿宇.奶粉生產(chǎn)中上、下排風(fēng)塔的效果比較[J].乳品加工,2009,04:45-46.

      [5]黃立新,王宗濂,唐金鑫,等.噴霧干燥節(jié)能技術(shù)研究[J].林產(chǎn)化工通訊,2001,35(1):3-7.

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      [8]張和平,張列兵.現(xiàn)代乳品工業(yè)手冊[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2012:473-475.

      [9]劉廣文.干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:26-33.

      [10]金國淼.干燥器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:17-33.

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