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过程装备与控制工程毕业设计完整版全套过程装备与控制工程XX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： 54 / 59目 录蒸发量5000ml/h的微型喷雾干燥器及其自动控制系统设计摘要本课题主要设计的是5000ml/h蒸发量的喷雾干燥器自动控制系统设计.设计中主要包括了喷雾干燥的工艺计算、辅助设备的设计与计算和自动控制设计等几个方面；其中工艺计算和自动控制系统的设计将是本喷雾干燥设计的核心内容。在本设计方案中采用PLC控制技术对上述参数进行自动控制，一键式开机，液晶屏显示数字式操作，可采用完全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。整机体积小，重量轻，设计紧凑，可安放在专门设计的不锈钢机架上，自成一体，无需其他设施即可运行。关键词：喷雾干燥器，PLC自动控制技术Evaporation of water 5000 mL / h micro-spray dryer and its automatic control system designAbstractThe problem mainly researches the auto-control system design of the spraying desiccators which has 5000 mL/h evaporation capacities. During the whole process, it mainly includes handicraft calculate, assist equipments design, and the auto-control design, etc. it is meaningful that the design of the handicraft calculate and auto control system will be the core content of designing this spraying desiccators. In the design, its available that using PLC to control design for the spray drying control system. One-button start-up, liquid crystal display screen digital operation, It can finish adopt full-automatic or the artificial supervise and control two kinds of movement modes. The entire machinery of the small size, and light weight, compact design, can be placed in a specially designed stainless steel rack, stand-alone, without other facilities to run.Key words: spraying drying PLC auto-control第一部分 前 言§1.1 设计喷雾干燥设备的意义喷雾干燥控制技术仍然是一种较新的干燥技术，需要进一步发展和完善。本设计是为了达到和实现各种最优的技术经济指标，提高技术经济效益和劳动生产率，节约生产过程中消耗的能源，改善工人的劳动条件，保护生产环境等目的。因此拟开发微型喷雾干燥装置就显得比较重要。§1.2 设计喷雾干燥设备的目的本设计的目的在于在研究和设计喷雾干燥设备及其控制的基础上，通过对喷雾干燥过程机理的掌握和对可编程序控制器的设计和研究，使我们在掌握机械设计及其基本理论方法、化学工程和控制工程等方面的基础知识，具备过程装备成套技术基本知识和技能的基础上，完成本次综合多学科知识的毕业设计，达到具有研究、开发成型过程设备及机械的初步能力。§1.3 喷雾干燥技术的发展现状及趋势随着计算机技术的发展,如何模拟干燥塔内气流与雾滴的行为已成为一个课题。这也是一个热力学问题,即用有限的测试数据来模拟并预测塔内气流流动情况、雾滴的运行轨迹以及雾滴与气流的混合行为。近年来,计算流体力学的引入使得设想逐渐成为现实。喷雾干燥塔内气流流动的精确模拟是雾滴与气流混合行为模型化的关键步骤。Burns等用标准有限差分(有限体积)技术,在无喷雾条件下,得到塔内各体积微元的质量、动量和能量的非连续偏微分方程用迭代方法依次数值解这些方程,在计算机上绘出塔内计算流体力学流动三维码模拟栅格。将来,对于喷雾干燥塔内雾滴与气流的混合行为的模拟,必将成为喷雾干燥塔设计与优化的有效工具。喷雾干燥的能耗,历来为人们所关注,如何降低能耗一直是伴随着喷雾干燥的发展而存在的一个问题。作为典型的热风对流式传热干燥喷雾干燥与一些传导传热型干燥相比,热效率很低。因此应当尽可能降低热风对流传热的比例。提高料液的固含量以降低蒸发负荷位是另一个有效的节能途径。但是,固含量提高,料液粘度也增加,给雾化带来了不便,所以高粘度料液的雾化是近年来的一个研究课题。对于牛顿型流体,当粘度大于10-20 Pa·s时,雾化很困难;而对于某些非牛顿型流体,由于其流变学特性,尽管表观粘度很大,但是经雾化器喷雾后,其表观粘度大大降低,如洗涤剂等。因此可以利用这一特性。喷雾技术除了应用于干燥过程外,还应用于反应、吸收、热分解和造粒等领域。20世纪80年代以来,利用喷雾干燥技术进行反应、吸收最成功的实例就是喷雾脱硫技术的应用。它将煤燃烧后产生的含二氧化硫气体与含强碱的泥浆雾滴接触,进行反应、吸收以达到脱硫的目的。喷雾流化造粒技术的发展,满足了人们对干燥产品质量,例如大颗粒、无灰尘、溶解性和流动性好等不断提高的要求。喷雾干燥技术,已经历了100多年的发展,并进行了大量的基础研究,至今已经基本成熟,其应用领域十分广泛.但理论仍然落后于实践,人们的认识与其内在实质仍有距离.在进行喷雾干燥模拟时,对于雾滴的旋转运动、非球形颗粒及干燥过程中颗粒形状变化时的模拟精度还有待于提高。随着经济的发展，喷雾干燥的应用将越来越广泛。喷雾干燥机械一般成本较高。如果能在计算机上把喷雾干燥的过程模拟出来，直观地反映参数的变化对喷雾效果的影响，将极大地方便喷雾干燥技术的推广。§1.4 喷雾干燥系统简述1.4.1 喷雾干燥设备 将料液泵入干燥塔内，经雾化器的作用变成雾状液滴，这些液滴群的表面积很大，与高温热风接触后水分迅速蒸发，在极短的时间内便成为干燥制品，从塔底部排出。热风与液滴接触后温度显著降低，湿度增大，作为废气（湿气）由排风机抽出，废气中夹带的微粉经分离装置回收。 喷雾干燥的过程 ，像通常的干燥一样，也主要出现两个阶段。 预热阶段 预热阶段干燥介质传给微粒的热量与用于微粒表面的水分汽化所需的热量达到平衡时为止，干燥速度便迅速地增大至某一个最大值，即进入下一个阶段。 恒速干燥阶段 当水分蒸发速度大于乳滴内部水分的扩散速度时，则水蒸汽在微粒内部形成，乳中的结合水部分地被除掉。此阶段的干燥时间较恒速干燥阶段长，一般为1530 s。喷雾干燥的分类1、按喷雾液滴和热风流动方向分： （1）并流型液滴和热风呈同一方向流动。 （2）逆流型液滴和热风呈反方向流动。 （3）混流型液滴和热风呈不规则混合流动。2、按干燥容器的形状分卧式（厢式）和立式（塔式）两种。现代化大规模生产宜选用立式，卧式仅用于中小规模生产，且受建筑高度限制的场合。3、按雾化方法分有离心式、压力式和气流式三种。乳制品常用离心式和压力式两种。4、按干燥制品的出料方法分有连续式和间歇式（分批式）两种。    喷雾干燥系统组成      （一）供料系统    供料系统是将料液顺利输送到雾化器中，并能保证其正常雾化，根据所采用雾化器形式和物料性质不同，供料的方式也不同。    （二）供热系统    供热系统是给干燥提供足够的热量，以空气为载热体输送到干燥器内，供热系统形式的选定也与多方面因素有关，其中最主要因素还是料液的性质和产品的需要，供热设备主要有直接供热和间接换热两种形式。     （三）雾化系统雾化系统是整个干燥系统的核心，雾化系统中的雾化器是干燥专家们从理论到结构研究最多的内容，目前常用的主要有三种基本形式：离心式、压力式、气流式。  （四）干燥系统     干燥系统是各种不同形式的干燥器，干燥器的形式在一定程度上取决于雾化器的形式，也是喷雾干燥设计中的主要内容。     （五）气固分离系统    雾滴被干燥除去水分后形成了粉粒状产品，有一部分在干燥塔底部与气体分离排出干燥器，另有一部分随尾气进入气固分离系统需要进一步分离，气固分离主要有干式分离和湿式分离两类。1.4.2 喷雾干燥控制系统在过程自动化控制发展初期，有两个基本选择：其中一个是可编程逻辑控制器（s）。 1 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器（或称为PLCs）是一种小型而运行速度很快的计算机，用于控制诸如过程系统中的设备等单个或多个实际应用的工艺流程。 可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有高可靠性、灵活通用、易于编程、使用方便等特点。继电器：由开关、继电器、接触器等组成，靠硬接线实现逻辑运算，有触点，并行方式，易出现故障，排除难，不易系统更新换代。 PLC：CPU、存储器等微机系统，程序控制方式，无触点，串行方式，成品组装，可靠性极强，安装、使用、维护、维修方便，易系统更新换代。单片机：硬件需人工设计、焊接，需较强的电子技术技能，抗干扰能力差，程序控制方式，无触点，维护、使用需较强的专业知识，程序设计较难，系统更新换代周期长。2 PLC基本组成：（结合西门子S7-300各模块介绍） ·中央处理器（CPU） ·存储器 ·输入输出(I/O)接口 ·电源 ·编程器 图1.1 PLC硬件组成框图（1）中央处理器（CPU）F0 MV，DT0接收并存储程序、数据 诊断电源、内部电路故障、语法错误通过I/O 接口接收现场状态、数据 执行程序，实现输出控制、制表打印、数据通信。 （2）存储器 系统程序存放只读存储器中，厂家固化。用户程序存放RAM，但目前常采用E2PRAM。提供存储器扩展功能。（3）输入输出(I/O)接口输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。 发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。 光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。 输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。（4） 输出接口 PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。图1.3 编程器继电器输出电路构成（5） 编程器 ·作用：输入、调试程序，在线监控 ·种类：手持编程器、计算机辅助编程。3 PLC工作原理 工作方式循环扫描为主，中断为辅 工作过程图1.4 可编程控制器运行框图图1.5 简单控制系统方框图4 传感器传感器能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。传感器主要是应用在自动测试与自动控制领域上，可以将测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等转化，然后通过点电的方式进行测量和控制。总的来说，传感器是由敏感元件、传感元件和其他辅助部件组成，如下图。 图1.6 传感器的组成框图第二部分 本论§2.1设计方案论证2.1.1设计原理 喷雾干燥是流化技术用于液态物料干燥的一种较好的方法。其基本原理：是利用雾化器将一定浓度的液态物料,喷射成雾状液滴 ,落于一定流速的热气流中,使之迅速干燥,获得粉状或颗粒状制品。其特点是 :瞬间干燥,特别适用于热敏性物料；产品质量好 ,保持原来的色香味,且易溶解；可根据需要调节和控制产品的粗细度和含水量等质量指标；制剂体积小；有利于制剂卫生。通过了解雾化机理，从而设计干燥塔的主体设备，其中包括计算干燥塔的热效率，雾滴干燥时间，喷嘴尺寸，喷雾干燥塔的直径和高度等。然后根据干燥塔的主体设备选择辅助设备：空气电加热器、旋风分离器、风机、进料液的输送泵，还应设计计算筒体，其中也包括各种继电器的选型，PLC控制程序的编写等。最后，将要对整个的喷雾干燥系统进行控制设计。喷雾干燥简单工艺流程为 :物料提取浓缩喷雾收集产品。2.1.2 干燥方法的选取干燥方法有：机械除湿法、化学除湿法和加热（或冷冻）除湿干燥法。（1）机械除湿法 用压榨、过滤、离心分离等机械方法除去物料中的湿分。这种方法除湿快而费用低，但除湿程度不高。（2）化学除湿法 利用吸湿剂（如浓硫酸、无水氯化钙、分子筛等）除去气体、液体和固体物料中少量湿分。这种方法除湿有限而费用高。（3）加热（或冷冻）干燥法 借助于热能使物料中湿分蒸发而得到干燥，或用冷冻法使物料中的水结冰后升华而被干燥。这种方法在生产中常用。本设计中选用加热干燥法。2.1.3方案的比较与选择首先，干燥介质的选择。干燥介质为物料升温和湿份蒸发提供热量，并带走蒸发的湿份。干燥介质通常有空气，烟道气、过热蒸汽、惰性气体等。以空气作为干燥介质是目前应用最为普遍的方法，因为对干燥器的使用而言，它最为简单和便利。在本设计中采用空气作为干燥介质。其次，雾化器的选择：雾化器是喷雾干燥装置的关键部件。主要的雾化器有三种：压力式，离心式，气流式。（1）压力式雾化器也称压力喷嘴，主要由液体切向入口，液体旋转室，喷嘴孔组成。根据旋转动量矩守恒定律，旋转速度与旋转半径成反比，越靠近轴心，旋转速度越大，其静压力越小，结果在喷嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流。而液体则形成绕空气心旋转的环形薄膜，液体静压在喷嘴孔处转变为向前运动的旋转的液体动能，从喷嘴喷出。因此，压力式雾化器是本次设计所选。（2）旋转式雾化器当料液被送到高速转盘上时，由于离心力作用，料液在旋转面上伸展为薄膜，并以不断增长的速度向盘的边缘运动。离开边缘时，被分散为雾滴，在盘旋转时，也带动周围空气循环。当盘圆周速度小于50米/秒时，雾滴很不均匀。（3）气流式雾化器 气流式雾化器也称气流式喷嘴，现以二流体喷嘴为例说明操作原理，当气液二相在端面接触时，由于环隙喷出的气体速度很高（200-340米/秒）在两流体之间存在很大的相对速度（液体速度不超过2米/秒 ），产生很大的摩擦力，把料液雾化。本设计的雾化器选择压力式雾化器。再次，喷雾干燥内部的流型和喷嘴等的选择。按生产流程分类，喷雾干燥的流程有开放式、封闭式、自惰循环式、半封循环式4种。1、开放循环式喷雾干燥系统的特点是：载热体在这个系统中只使用一次就排入大气中，不再循环使用。2、封闭循环式循环喷雾干燥系统的特点是载热体在这个系统中组成一个封闭的循环回路，有利于节约载热体、回收有机溶剂、防止毒性物质污染大气。3、自惰循环式喷雾干燥系统。所谓自惰，就是指在系统中有一个自制惰性气体装置。在这个装置内，引入气体燃料，可燃气体燃烧，还可将空气中的氧气烧去，剩下氮和二氧化碳气体作为干燥介质。4、半封闭循环式喷雾干燥系统的特点是介于开放式和封闭循环式之间。一般用于以水作为悬浮介质的物料。 本设计选择开放循环式喷雾干燥系统。最后，计算和控制方案的选择。计算塔高塔径和踏的容积时有两种计算方法：一是干燥强度法，另一种是图解积分法。本设计在的相关计算采用干燥强度法进行计算。自动控制方面，可以采用传统的继电器控制，可编程序控制和PLC控制。PLC 的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图语言的程序及辅助通讯程序,梯形图语言的解释程序的效率决定了PLC 的性能,通讯程序决定了PLC 与外界交换信息的难易。对于简单的应用,通常以独立控制器的方式运作,不需与外界交换信息,只需内部固化有能解释梯形图语言的程序即可。 PLC控制具有以下主要特点：1 （1）可靠性高、抗干扰的主要措施之一。输入输出接口电路采用光电耦合器 来传递信号。使外部电路和内部电路之间避免电的联系。 （2）滤波。2编程简单、使用方便、控制程序可变。3功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强。4体积小、重量轻、功耗低。本设计的控制系统采用可编程序控制器和PLC控制技术。根据以上的叙述，在本设计中采用空气作为干燥介质，雾化器为压力式雾化器，并流型喷雾干燥，计算采用干燥强度法进行计算，控制系统采用可编程序控制器和PLC控制技术。2.1.3选用方案的特点 在干燥装置的工艺设计中，一般要遵循下列原则：1满足工艺要求 所确定的工艺流程和设备，必须保证产品的质量能达到规定的要求，而且质量要稳定。这就要求各种物料的流量稳定。同时设计方案要有一定的适应性，因此，应考虑在适当的位置安装测量仪器和控制调节装备等。2经济上要合理 要节省热能和电能，尽量降低生产过程中各种物料的损耗，减少设备费和操作费，是费用尽量降低。3保证安全生产，注意改善劳动条件。综上所述，本方案具有以下特点： 1.干燥温度控制采用实时调控PIC恒温控制技术，是全温区控温准确。2进料量可通过进料泵的调节，最小物料量可达50ML3. 整机体积小，重量轻，噪音极低,结构紧凑，可安放在专门设计的不锈钢机架上，自成一体。4人性化的操作面板，自动操作与手动操作双重模式，切换方便，实验过程随心掌握，各项参数均有液晶显示。 8整个微型干燥各元件易拆卸。采用快开结构或法兰连接。§2.2工艺计算2.2.1 设计要求 进风温度控制：50350 出风温度控制：30140 料液蒸发量: 5000 mL/H 2.2.2设计已知参数 物料名称: 乳粉 料液初始含水率: 7080 取料液初始含水率为w1: 80 干燥产品含水率: 12 取干燥产品含水率为w2: 2 热风入口温度t1: 240 废气出口温度t2: 1002.2.3 料液物理性质1. 密度 查文献3第51页表1-5-4得取平均值: (2-2-1) 所以料液密度: (2-2-2) 2. 黏度查文献3第52页表1-5-6得 在20下 3. 表面张力 查文献3第53页表1-5-8得 在20下 表面张力为: 4. 干燥后物料的质量比容 查文献3第54页表1-5-9得 比热容为: 2.2.4 物料衡算1. 每小时料液处理量 已知: 取料液初始含水率为: 80 取干燥产品含水率为: 2 常温下水的密度： 体积流量： (2-2-3) 蒸发水质量流量: (2-2-4) 查文献5第211页(13-18)式 (2-2-5) 式中湿物料中绝对干物料的质量，Kg/h进入干燥器的湿物料质量，Kg/h离开干燥器的物料质量，Kg/h干燥前物料中的含水率，湿基；干燥后物料中的含水率，湿基。 将数据代入（2-2-5）式得: . 查文献5第211页(13-17)式: 得 (2-2-6） 将数据代入（2-2-6）式得: . 由、式得 2.2.5 热量衡算 1. 加热前空气参数的计算: 取:空气的初温度为 =20 相对湿度为: =70 查文献4第330页附表7得 初始饱和水蒸汽压 =17.54mmHg 查文献5第202页(13-2a)式得: (2-2-7) Pw0 = 12.278mmHg 由于是水空气系统 查文献5第202页(13-1a)式得 湿含量: (2-2-8)式中：湿空气的湿含量，Kg/Kg空气中水汽初始分压，mmHg湿空气的总压，mmHg =0.0102Kg/Kg H0 = 0.0102 Kg/Kg查文献5第203页(13-5c)式得 湿空气的焓: (2-2-9) 湿空气的焓，KJ/kg湿空气的湿含量，Kg/Kg湿空气的初始温度， = (1.01+1.88×0.0102)×20+2492×0.0102 =46.002KJ/kg I0 = 46.002KJ/kg查文献5第203页(13-6a)式得 湿空气的比容 式中湿空气的比容=0.8432m³/kg VH0 = 0.8432m³/kg 2. 各加热后热风参数的计算: 已知: 热风 =240 加热前后空气湿含不变: =0.0102kg/kg 同理: 湿空气的焓为 (2-2-10)=(1.01+1.88×0.0102)×240+2492×0.0102 =272.4206kJ/kg I1 = 272.4206kJ/kg 湿空气的比容: （2-2-11） =1.4012m³/kg VH0 = 1.4012m³/kg 3. 排出空气的参数: 查文献3第51页表1-5-4得: 料液密度: =1125.2Kg/m³ 料液初温: =20 平均比热: =4.088KJ/Kg·K Cm = 4.088KJ/Kg·K干燥产品的出口温度: 90 查文献5第213页(13-23b)得: 用于加热物料的热量消耗 (2-2-12)式中：干燥所需的全部热量，KJ/kg干燥后物料的质量热熔，KJ/(kgK), 进，出口干燥器的物料温度， =73.3714KJ/kg Qm = 73.3714KJ/kg 由于干塔外无保温层: 查文献14第625页,令散热损失为: =300kJ/kg Q1 = 300kJ/kg 查文献14第217页(13-27式),得: 总热消耗: (2-2-13) =-289.6314 其中令 查文献5第213页 例13-6得: 湿空气的质量比热: (2-2-14) =1.01+1.88×0.0102 =1.029kJ/kg·K CH1 = 1.029kJ/kg·K 查文献5第215页(13-28a)得: (2-2-15)式中：，热风的进，出口处的温度，湿空气的初，末湿含量, kg/kg空气的质量比热，kJ/kg·K总热消耗量，kJ/kg (2-2-16) =0.06198kg/kg H2 = 0.06198kg/kg 空气的焓： （2-2-17） = (1.01+1.88×0.06196) ×100+2492×0.06196 =267.892kJ/kg I2 = 267.892kJ/kg 湿空气比容: （2-2-18） =1.1068m³/kg VH2 = 1.1068m³/kg4. 各阶段气流量的计算: 查文献5 第211页(13-20a)式 干空气质量流量: (2-2-19) =96.5623kJ/h L = 96.5623kJ/h 新鲜空气量: (2-2-20) =96.5623×0.8423 =81.3344m³/h V0 = 81.3344m³/h 热空气量: (2-2-21) = 96.5623×1.4012 =135.3031m³/h V1 = 135.3031m³/h 废空气量: (2-2-22) = 96.5623×1.1067=106.8655m³/h V2 = 106.8655m³/h5. 加热功率: 将湿空气由20加热到240所需要的热量,已知电阻丝效率在93%-95%之间,故取为95%进行计算; 查文献9 第374页: （2-2-23）式中：Q加热需要的热量，kw干空气质量流量，kJ/h湿空气的初始含量，kg/kg湿空气的定压比热，KJ/Kg·K，空气的进，出口温度，电阻丝效率。 =6.40005kw Q = 6.4005kw 6. 干燥塔热效率的计算: 查文献6 第29页 (2-19)式: 总效率 (2-2-24) 式中: 为进入前的大气温度; 为空气进入温度; 为排出干燥塔的温度 总效率 =63.64% = 63.647 雾滴干燥时间的计算： 汽化潜热的确定 根据 空气入塔状态下的湿球温度, 查文献2 第16-382页 表1得 该温度下水的汽化潜热为 热导率的确定 平均气膜温度为72.5 查文献4 第330页 表6得 该温度下空气的热导率70时 80时 所以 雾滴临界直径的计算 根据查文献3第237页可知在10-100之间故雾滴临界直径=60m初始滴径 已知 =80/20=4(kg/kg) =2/98=0.0204(kg/kg) （2-2-25） 式中：产品的颗粒直径，m干燥产品的密度，Kg/物料的初始密度，Kg/,料液的初末干湿含量，kg/kg根据文献3可知=900Kg/ =94.6 雾滴临界湿含量文献9 第368页 （2-2-26） 式中：水的密度，Kg/料液的初始湿含水率雾滴临界湿含量。 =0.133(kg/kg) 空气临界湿含量 查文献9 第368页 (2-2-27) = 0.0605(kg/kg) 空气临界温度查文献12 第11-28页 图11-3-1, 空气I-H图得 =120 传热温度差, （2-2-28）式中：空气进干燥器的温度，料液进入干燥器的温度，空气在干燥器入口状态下的湿球温度， = 134.758 （2-2-29） 式中：空气进干燥器的温度，产品离开干燥器的温度， =32.3雾滴干燥所需的时间T (2-2-30) 式中：，料液及干燥产品的密度，Kg/；，雾滴的初始及