第5章 干燥课件讲义.pdf

第5章干燥班级：过控091、092、093 主讲：乔丽洁引言在化学工业中，经过一系列的物理和化学的加工步骤,所得到的产品或半成品往往是固态物质，这些固体通常含有 过多的水分或其它溶剂，称为湿分。一、除湿的概念及方法1.概念:湿分；湿物料；除湿除湿要制得合格的产品，需要从湿固体物料中除去其 中的水或其它溶剂，这样的单元操作简称除湿。2.除湿方法：(1)机械分离法-利用重力或离心力去除大量水分的方法,如沉降、过滤、离心分离等机械除湿方法。优点：能耗少；缺点：无法彻底去除湿分。(2)吸附脱水法一即用固体吸附剂去湿，例如：石灰、无 水CaCg硅胶等吸去物料中所含的水分；缺点：只能除去少量湿分，且费用高实验室。湿分(3杵赢;一指利用热能，使湿物料能湿除去的方法。优点：除湿彻底；L 瀛徽缺点：能耗高。皿-3,按加热方式 传导干燥对流干燥辐射干燥介电加热热能通过传热壁面以传导方式传给物料,热效率约:70%80%。产生的湿分蒸气被干燥介质带走,或用真空 泵排走。例如:热能以对流方式加入物料，热效率约为3。70%,产 生的蒸气被干燥介质带走。例如:由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到物料表面,被 物料所吸收转化为热能,从而使湿分汽化;用作辐射的 电磁波一般是红外线。例如:果蔬将需要干燥的物料置于高频电场内,依靠电能加热物料 使湿分汽化;例如:微波干燥味精冷冻干燥将湿物料低温冻结成固态,然后在高真空下对物料提供 必要的升华热,使冰升华,水汽用真空泵排出。优点;例如:食品、药品本章重点介绍：介质空气；湿分水；传热对流微波干燥房对流干燥冷冻干燥 机三、连续对流干螺的过程及原理1.原理传热由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使表面湿分汽化并通过气膜向气流主体扩散；9/干燥演示.swf(2)与此同时，在分压差的作用下，内部水分向表面扩散并被气 流带走。结论：干燥是传热和传质相结合的操作，干燥介质既是载热体 又是载湿体，干燥速率由传热速率和传质速率共同控制。四、对流干燥过程实质 干燥过程热空气 热量传流过湿 递到湿物料表 物料表面 面湿物料 表面水 分汽化 并被带 走传热过程传质过程表面与内部出 内部水现水分 分扩散浓度差 到表面传质过程五、干燥过程推动力传质推动力：P表水P空水 传热推动力：t空气,t物表维持干燥介质的不饱和性采用不饱和湿热空气。,饱和湿热空气的作用：作为载热体和载湿体，反映了传热、传质。5.1 湿空气的性质及湿熔图5.1.1 湿空气的性质前提J八干燥介质一不饱和湿空气,由于干燥过程压 力较低,通常可作为理想气体处理;2、以绝干空气为基准。八种性质湿度”(humidity)相对湿度0湿空气的比体积 湿空气的比热容心 湿空气的熔/(enthalpy)干/湿球温度tw 绝热饱和冷却温度tas 露点四、r r 44 比热容的一般比热容”.kJ/kg干气K 此时，湿空气的质量=1+H kg；干空气的比热，kJ/(kg-K)LOlkJZ(kgK)；水气的比热，kJ/(kg-K)M.88kJ/(kgK)意义：常压下将湿空气中1版绝干空气及“小水汽温度升高（或降低）7。所需（放出）的热量。f熠的一般定义：工质流动时与外y-kJ/kg 干气湿空气的质量=(1+H)kg(5-8)说明焙是相对值，必须规定基准温度和基准状态，通常规定,0日时绝干空气及液态水的焰为零。六、干球温度人湿球温度端：1.干球温度，：一一用普通温度计测出的空气温度，简称温 度，是空气的真实温度。5.1.1湿空气的性质2.湿球温度q 概念 口.用湿球温度计测出的空气温度 湿球温度计/,大量、快速流动的不饱和空 气（空气的流速应大于5m/s）与少量水接触；，传质因存在传质推动力，湿纱布中的水汽化进入空气，此过程需要吸热（水提供），因此水温下降；/传热-产生传热温差，热量 将从空气传入湿纱布。5.1.1湿空气的性质结果开始时，传质速率最大x传热速率最小。当达到平衡时，传质所需的汽化热等于凝；湿纱布中的水温达到 稳定值，这一温度就是湿球温曲表示。承厚1：为什么酷暑的季节，在水里比在岸上凉快？9-2干湿球温度计 swf思考2：若空气（大量）静止，湿球温度计测出的温度与相比高还是 低？_测出的温度就是九,只不过，达到%所需时间要更长，因为传热方式此 时以导热、自然对流为主，比强制对流要小。思考3：为什么空气要大量、快速流动?为了快速、准确地测出q。湿球温度空气以对流方式传热给水的传热速率=水分汽化所需的潜热湿球温度计(5-12)讨论大量而与水此式可定Ha 主要与空气流速有关 却几乎与流速无关；可见，=/(/的初始状态无关1.1湿空气的性质 计算七、绝热饱和冷却温度展：1.绝热饱和过程：94绝热饱和塔SWf说明不饱和的高温空气和大量的水充分接触,进行传质和传热，最终达到平衡,此时空气与液体的温度相等，空气被 水蒸汽所饱和。思考L上述绝热塔中，湿空气等熔吗?是的。塔无穷高2.绝热饱和冷却温度展的计算:对绝热饱和塔作热量衡算湿空气经绝热、冷却、增湿 达到的极限冷却温度。讨论湿球温度与绝热饱和温度鼠的异同:相同之处：湿空气均为等始变化;均为空气状态（t、H）的函数;：空气水体系,有t”。OC 花小但对其它体系，例如空气甲苯系统，。/厢=1.8%,这时 4与会就不等了。$4h H湿球温度，W与绝热饱和温度鼠的异同:不同之处：tw-一-大量空气与少量水接触后 的稳定的水温;空气的状态(t,H)不变;*$属动态平衡。=一少量空气与大量水经过接触后达到的稳定温度;空气增湿、降温;属静态平衡。(5-17)062aqz结论:L在一定总压下，只要测出露点温度，便可从手册中查得此 温度下对应的饱和蒸汽压，从而求得空气湿度。2.若已知空气的湿度，可根据上式求得饱和蒸汽压，再从水 蒸汽表中查出相应的温度，即为露点温度。练习题.若维持不饱和空气的湿度不变，提高其干球温度，则空气 的湿球温度将 o露点温度将 O/jKM H=062次为OC Ps,1a汇总：H=Q622=6622?0=&xlO(%P-Pw 尸一/Ps10个：表示湿空气性质的特征温度：干球温度t、湿球温度.、绝热饱和温度如、露点温度以：对于空气一水物系，tw y tas,并且有下列关系：不饱和湿空气：t twtd 饱和湿空气：t=tw=td Thank you for listening/5.1.2湿空气的湿烙图常用的湿度图：3个独立变量取为取 H一温湿图 tY图）p、G 一m将图仍?图5员/图作用简化计算，获得参数。湿熔图(H/图)(Humidity chart)等温线 群等湿线 群等烙线 群Pv线一、空气湿度图（/图）的绘制（Humidity Chart 1.等湿度线（等“线）平行于纵轴;在同一条等湿线上不同点所代表的湿空气状态不同，但“相同C 范围00.2kg/kg绝干气。2.等熔线（等/线）_平行于斜轴。范围0680kJ/kg绝干气。3.等干球温度线（等t线）5-18 /与H呈直线关系，懒高，等,线的斜率越大，读数0.25 FG互不平行。一、空气湿度图（/图）的绘制（Humidity Chart 4.等相对湿度线（等（p线）70622总压尸一定，对给定的9：因区=/）,故5.蒸气分压线H=QL622-PpHpD=-0.622-H总压P 一定，p尸“切，/V”近似为直线关系。H/图的说明与应用(Use of humidity chart)用途确定空气的干燥条件;确定空气状态点；查找其它参数。图5-4 图的应用二、图的说明与应用(Use of humidity chart)L确定空气的干燥条件包好 0=100%,空气达到饱和，无吸湿能力；H./图的说明与应用(Use of humidity chart)p VPa%“2220:a16M-r-：*,kg水k8第干气I群喜瞥w二、图的说明与应用(Use of humidity chart)应用确定空气的干燥条件;确定空气状态点；查找其它参数。二、图的说明与应用(Use of humidity chart)查找其它参数：(1)湿度(2)焰值/;一(3)水汽分压尸丫；(4)露点加(5)湿球温度即(绝热饱 和温度%)。图5-4 图的应用小结在总压一定的情况下，空气的状态由两个参数确定，其 他参数可查图或计算求得；表示湿空气性质的特征温度：入4、%、0。对于空气一水物系，tw-tas,并且有下列关系：不饱和空气：。VI，ttw=tastd 饱和空气：（p=L t=tw=tas=td练习题.饱和空气在恒压下冷却，温度由4降至与，其相对湿度0 将绝对湿度H B；露点温度 C。A增加；B减小；C不变；D无法确定 5.2干燥过程的物料衡算与热量衡算衡算的 干燥器及辅助设备的计算或选型_ 蒸发水分量W d为二热空气消耗量七 所需热量。干燥器工艺尺寸风机型号 预热器传热面积X街算基础湿物料性质fq衡算内容。物料衡算。热量衡算CT衡算基础知识5.2.1湿物料的性质含水量一 湿物料比热容5 湿物料的焰r湿基含水量W 干基含水量x1.湿基含水置一质量分率2.干基含水量-质量比X=湿物料工蜜高吻采用原引申：两种含水率之间的换算关系？X Y Ww=-(5-22)X=-(5-23)1+X 1 W衡算基础知识 5.2.1湿物料的性质3,湿物料的比热容孰24)Cs绝干料的平均比热容，kJ/kg绝干料C；Cw液态水的平均比热容，4.187kJ/kgzk-；Cm绝干料的比热容，kJ/（礴王那?）OO k rX4特别注)改写:55(5-24a)衡算基础知识 一、湿物料的性质4.湿物料的嬉厂：r=cso+xcw o=(cs+4.i87x)e=cme(5-25)e湿物料的温度，。c衡算内容 5.2.2干燥系统的物料衡算(Mass balance)依据 质量守恒定律水分蒸发量W计算 I 空气消干燥产品流量G2湿空气L,H干燥产品G,X?或 G 22废气LH2干燥器湿物料G,XI 或 G”%干燥器的物料衡算街算内容 5.2.2湿空气L Hl干燥产品G,X?或 G 22干燥系统的物料衡算（Mass balance）-1废气L,H2干燥器湿物料G,X或 G”必干燥器的物料衡算设 L绝干空气消耗量，kg（绝干气）/s；凡%分别为空气进、出干燥器时的湿度，kg/kg干空气;与、X?分别为湿物料进、出干燥器时的干基含水量，kg（水分）/kg干物料；啊,啊分别为湿物料进、出干燥器时的湿基含水量，kg（水分）/kg湿物料；G、G2分别为湿物料进、出干燥器时的流量，kg（物料）屈 G湿物料中绝干物料的流量，kg（绝干料）/s。(7衡算内容 5.2.2干燥系统的物料衡算(Mass balance)湿空气L,H1-1废气L,H2干燥器干燥产品G,X?湿物料G,X1或 G2fw2 或 电,也干燥器的物料衡算1.水分蒸发量设器内无物料损失,以单位时间1s为基准,臧靛建则有LHJ+GXJ=LH.+GX.JL JL/(5-26)9山辅 一助讲解得到产 品.swf衡算内容 5.2.2干燥系统的物料衡算(Mass balance)2.空气消耗量L的确定由(5-26)(5-27)上式两边同除以W,得到单位空气消耗量I,则有T 1 蒸发1 kg水分/=-(5-28)需消耗的干空 W2一，气量 讨论-一一般按夏季的空气湿度确定全年中最大空气消耗量；干燥中风机的选择是以湿空气的体积流量为依据的。衡算内容3.干燥产品流量G废气L，湿空气L,湿废气体干燥器的物料衡算 5-29 湿物料热空气干燥产品G2与G相同吗5.2.2干燥系统的物料衡算(Mass balance)据质量守恒定律,作出绝干料衡算,则有湿物料G,X1或 Gi，吗干燥产品G,X?或 G 22d=Q Q可）（5-30 3衡算内容5.2.3干燥系统的热量衡算(Heat balance)预热器消耗热量。尸 向干燥器补充的热量 干燥过程消耗的总热量0预热器传热面积 加热介质用量 干燥器尺寸、系统热效应衡算内容 52.3干燥系统的热量衡算(Heat balance)QLQPQD以单位时间15为基准,作以下部位热量衡算,则有(1)预热器消耗热量忽略热损先可作焰衡算,得LI+Qp=1(5-32)列热量衡算式,则有衡算内容5.2.3干燥系统的热量衡算(Heat balance)(3)系统消耗的总热量。(5-34)分析物料分蒸及升温所耗的能得到产品.swf供能方结论热损失新鲜空气被加 热所耗的能量这是干燥的真 正目的所在。辅助讲解加入干燥系统的全部能量有四个用途：加热空气、蒸发水分、加热物料和热损失衡算内容 52.3干燥系统的热量衡算(Heat balance)2.干燥系统的热效率 蒸发水分所需的赞需输入干燥设备的哂7 若忽略湿物料中水分带不 人系统中的熠有:乂LQC(5-38)提高热效率的方法(a)减少干燥器的热损失；(b)降低空气出干燥器的温度办或提高4；或采用废气循环、中间加热的方式。说明一般，77=3060%；在应用部分废气循环时，77=50-70%o*快!）某湿物料在气流干燥管内进行干燥，湿物料的处理量为 0.5kg/s,湿物料的含水量为5%,干燥后物料的含水量为1%（皆为湿基）。空气的初始温度为20,湿含量为 0.005kg/kg绝干气。若将空气预热至150c进入干燥器，并 假设物料所有水分皆在表面汽化阶段除去，干燥管保温良 好，（气体在干燥管内为等熔过程）试求：1、当气体出口温度选定为70,预热器提供的热量及热 效率？2、当气体的出口温度为42,预热器提供的热量及热效 率有何变化？解L气体在干燥管内为等焰过程。to=2O,t1=150,t2=70 H1=Ho=O.OO5kg/kg 绝干气2、Z2=42讨论：降低废气的出口温度,小，热效率越高。小结1.湿物料性质：XCD-1+XCD x=-1。2.干燥计算：概念：热效率、物料衡算:G2=GI=G（X乙）1-2=2-匕）了 W凡一兄5 二3.热量衡算：。尸=（八一/。）L=，2（等焙）作业:5、6 Thank you for listening/5.2.4空气通过干燥器时的状态变化QLQPQD分析J确定空气离开干燥器的状态参数涉及空气在干燥器中 所经历的过程性质，确定过程时情况复杂涉及传质、传热、0）或&。结论复杂情况分为两类：等焰过程和非等焰过程。5.2.4空气通过干燥器时的状态变化QPQD5.2.4空气通过干燥器时的状态变化将以上条件代入式(5-33)：可得：k%(5-33)上式说明空气通过干燥器时熔恒定，所以又将这个过程称 为等焰过程。结论_ _ _r利用焰恒定，能在4/图上迅速确定空气离开干燥器时的 状态参数。5.2.4空气通过干燥器时的状态变化图例5.2.4空气通过干燥器时的状态变化实际干燥过程下方Be2线在BC线上方 等温下进行，BCJ二、非等婚干燥过程 条件5.3固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系引言：湿分在气体和固体间的平衡关系L平衡状态：直到湿分在物料2.表面的蒸汽压等于气体中的 pt湿分分压。2.平衡含水量：平衡状态下物 料的含水量。不仅取决于气体 的状态，还与物料的种类有很 大的关系。5.3.1物料中的水分一、平衡水分与自由水分划分依疆|按所含水分在一定的条件下能否用对流干燥的方-?法将除去来划分。1.平衡水分移在一定空气状态下，湿物料中的恒 定含水量称为该物料的平衡水分。也财 是在一定空气状态下物料中不能除去附 出分。用X*表示，单位kg水/kg干料。说明是在一定空气状态渝幄诏t下的干燥极限；鬻取决于物料本身的性质及空气状态。翩瞬5.3.1物料中的水分2.自由水分定义、物料总水分中，除了平 衡水分以外的那部分水,称为自由水分。瀛、高于平衡含水量X*的水分。平衡水分：低于平衡 含水量r的水分，是不可除水分。自由水分：高于平衡 含水量r的水分，是可除水分。5.3.1物料中的水分U 320 20%40%60%8。%160%空气的相对湿度某些物料的平衡水分1新闻纸；2 羊毛、毛织物;3硝化纤维；4一丝；5 皮革;6陶土；7烟叶；8肥皂；9牛皮胶;10木材5.3.1物料中的水分二、结合水分与非结合水分划分依疆I按水分除去的难易来划分。1.非结合水分：与物料存在机械形式的结合，附着在物料表面 的水。%I具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力；易被 除去。2.结合水分：与物料存在某种形式的结合，水分与物料结合力 强。其汽化能力比独立存在的水要低，较难除去。结论：在一定温度下，物料中的结合水与非结合水的划分，只取决于物料本身的特性，而与其接触的空气无关。5.3.1物料中的水分结合水分按结合方式可分为:毛细管水分、溶涨水分（物料 细胞壁内的水分）和化学结合 水分（结晶水）。非结合水分如吸附水分、孔 隙中水分。小结(.04物料中的水分532干燥时间的计算前提恒定干燥操作湿空气的状态（温度、湿度）不变、空气流速不变、与物料的接触方式不变:大量 空气与少量物料、间歇;变动干燥操作沿干燥器长、高方向空气温度降低、湿度增加，连续;5.3.2干燥时间的计算在设备计算中求停留时间 1计算目的_ _d求干燥时间b计算思路通过实验获得干燥速率来求停留时间T求工艺尺寸1.干燥实验和干燥曲线 间歇干燥实验为了简化影响因素，干燥实验大多在恒定干燥条件下进行：即干燥介质的温度、湿度、流速及与物料接触方式在整个干燥过程中均不变;湿物料进行干燥。大量不饱和空气对少量532干燥时间的计算间歇实验过程在恒定干燥条件下干燥某 物料，记录下不同时间工下湿物 料的质量变化J仍及物料表面 温度出进行到物料质量不再变 化为止，此时物料中所含水分为平衡水分屋*。然后，取出物料，再将物料放入烘箱内烘干 到恒重为止，此即绝干物料质 量O根据上述数据绘制干燥曲线，得：干燥实验操作条件应与生产要求的近似，使其结果 可用于干燥器的设计和放大中。532干燥时间的计算2.干燥速率曲线(1)干燥速率的定义干燥速率：干燥器在单位时间、单位干燥面积上汽化的水分加量(kg/m2.s)o微分形式为：G、5由实验测得,可以绘制U曲线:(2)干燥速率曲线532干燥时间的计算划分两个阶段：ABC段第一阶段AB段为物料的预热阶 段，这时物料从空气中接 受的热主要用于物料的预 热，湿含量变化较小，时 间也很短，在分析干燥过 程时并入BC考虑。从B点 开始至C点，干燥曲线 BC段斜率不变，干燥速 率保持恒定，称为恒速干0 6 2 8 4 Q 9/w J 11 Au AV2Ox*0,1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6X/kg水/kg绝干料）燥阶段。恒定干燥条件下干燥速率曲线5.3.2干燥时间的计算CDE段第二阶段2.0C点以后，干燥曲线的斜率 变小，干燥速率下降，所以CDE段称为降速干 燥阶段。C点称为临界点,该点对应的含水量称为 临界含水量，以&表示。X*即为操作条件下的平 衡含水量。301、g/1.61.20.80.4Oy*0,1 0.2 0.3 0.4 0.5X/kg水/kg绝干料）0.6恒定干燥条件下干燥速率曲线5.3.2干燥时间的计算3二两段干燥理论解释 恒定干燥条件下恒速干燥段：XXC T-twr PPs由物料内部向表面输送的水分足以保持物料表面的充分湿 润，汽化的是非结合水。干燥速率由水分汽化速率控制（取决于物料外部的干燥条件）,故恒速干燥段又称为表面汽化控制阶段。降速干燥段：屋物料实际汽化表面变小（出现干区），第一降速段;汽化表面内移，第二降速段;平衡蒸汽压下降（各种形式的结合水）;固体内部水分扩散速度极慢（非多孔介质）。降速段干燥速率取决于湿分与物料的结合方式，以及物 料的结构，物料外部的干燥条件对其影响不大。532干燥时间的计算思考：1、影响恒速阶段干燥速率的因素？空气条件；故该阶段又称为表面气化控制阶段。2、影响降速阶段干燥速率的因素？取决于物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关 系不大。故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。532干燥时间的计算4.临界含水量4由恒速阶段转为降速阶段时，物料的含水量为临界含 水量。由临界点开始，水分由内部向表面迁移的速率开始 小于表面汽化速率，湿物料表面的水分不足以保持表面的 湿润，表面上开始出现千点。临界含水量与湿物料的性质和干燥条件有关，其值一 般由实验测定。思考：影响临界含水量大小的因素?532干燥时间的计算5.恒定干燥条件下干燥时间的计算(1)恒速干燥段的干燥时间若已知物料的初始湿含量为和临界湿含量则恒速段的干燥时间为TT Q 皿一G5=-3%若传热干燥面积S为已知，则由上式求干燥时间工的问题 归结为气固对流给热系数”的求取。532干燥时间的计算(2)降速干燥段的干燥时间图解积分法 当降速段的U X呈非线性变化时，应采用 图解积分法。在晨2 旦之间取一定数量的X 值，从干燥速率曲线上查得对应 的U,计算Gc/U；作图Gc/U X,计算曲线下面阴 影部分的面积。概念：平衡水分自由水分结合水分非结合水分恒定干燥条件干燥的两个阶段（干燥机理）、临界含水率%干燥速率影响线的因素、影响降速阶段干燥速率的因素作业:5、6 Thank you for listening!