干燥速率与干燥过程计算

14 .3 干燥速率与干燥过程计算,14.3.1 物料在定态空气条件下的干燥速率 14.3.2 间歇干燥过程的计算 14.3.3 连续干燥过程的一般特性 14.3.4 干燥过程的物料衡算与热量衡算 14.3.5 干燥过程的热效率 14.3.6连续干燥过程设备容积的计算方法,恒定干燥条件：,变动干燥操作：,空气状态是否变化,干燥过程中空气状态不断变化。,空气的温度、湿度、流速及物 料接触方式不变。,14.3.1 物料在定态空气条件下的干燥速率,一 、干燥动力学实验,1. 实验装置,实验数据,Gc(绝干物料的质量),Gi (湿物料的质量),i(干燥时间),2. 数据处理, 典型干燥曲线的形状,干燥曲线：物料的的自由含水量X与干燥时间的关系曲线。, 干燥速率曲线,物料的干燥速率或水分汽化速率NA：指单位时间、单位面积（气固接触界面）被汽化的水量。,Gc试样中绝对干燥物料的质量，kg；,A试样暴露于气流中的表面积，m2,X物料的自由含水量，kg水/kg干料,W汽化的水分量，kg。,3 干燥速率曲线分析,AB（或AB）段预热段,一般该过程的时间很短，在分析干燥过程中常可忽略，将其作为恒速干燥的一部分。,BC段恒速段,C点：临界含水量,CDE段降速段,两种典型的降速段干燥曲线,CD段:第一降速阶段,DE段:第二降速阶段,D点:第二临界点,非多孔物料, 空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同。,石棉纸浆的干燥速率曲线图,二、恒速干燥阶段,5. 恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态有关，而与物料的种类无关。,2. (NA)C 常量,3.物料表面温度为tw；,4. 在该阶段除去的水分为非结合水分；,1.湿物料表面全部润湿，即湿物料水分从物料内部迁移至表面的速率大于水分在表面汽化的速率。恒速干燥阶段为表面汽化控制。,三、 降速干燥阶段,1 .降速的原因,实际汽化表面减小;,汽化面内移 ;,平衡蒸汽压下降;,固体内部水分的扩散极慢。,(4) 降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、形状及尺寸有关，而与空气状态关系不大。,2. 降速干燥阶段特点,(1) 随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥速率降低，物料表面温度逐渐升高；,(2)物料表面温度大于湿球温度；,(3)除去的水分为非结合、结合水分；,四、 临界含水量,等速干燥阶段的速率越大，Xc,降低物料厚度，Xc,物料越细，Xc,五、干燥操作对物料性状的影响,1.恒速段可以采用较高的气流温度，以提高干燥速率和热的利用率。,2. 降速段尤其是干燥后期需控制干燥速率，防止物料温度过高。,b.某些物质因脱水而产生种种物理的、化学的以致生物的变化。如木材脱水收缩，内部产生应力，严重时可使木材沿薄弱面开裂。有些物质脱水后会产生表面硬化、干裂，起皱等不良现象。,a.降速段，物料温度升高；,原因：,14.3.2 间歇干燥过程的计算,物料在恒定干燥条件下所需干燥时间的确定方法：a.同一物料的干燥试验确定b.当生产条件与试验差别不大时，可进行估算。,14.3.2.1 恒速阶段的干燥时间1,1. 物料的自由含水量由X1降至XC,忽略物料的预热阶段,2. NA的确定,按传质或传热速率式估算,实验测定,几种典型的气流与物料的接触方式时的给热系数,空气平行于物料表面流动,kW/m2,G为气体的质量流速，kg/(m2s),条件为G=0.688.14 kg/（m2s），气温t=45150,空气自上而下或自下而上穿过颗粒堆积层,单一球形颗粒悬浮于气流中,14.3.2.2 降速阶段的干燥时间2,1.物料的自由含水量由XC降至X2（X2X*)所需时间,2. 计算, 近似计算法, 数值积分法或图解积分法,近似计算法,用虚线CE代替CDE,X实际含水量,X自由含水量,教材p247 例14-4,X1=0.10 Xc=0.08 X*=0 X2=0.04,X1=0.10,Xc=0.08,X2=0.04,恒速段,降速段,常压下将300kg物料(w1=25%)置于t=90，tw=40的空气中，空气以7m/s的流速平行流过物料。干燥面积为5.5 m2，湿物料在该条件下的Xc=0.12 kg水/kg干料，X*=0.03 kg水/kg干料，降速段可视为直线。试求：(1) 除去40 kg水分所需的干燥时间(h)；(2) 将物料继续干燥，再除去20kg水分所需的干燥时间(h)；(3) 其他条件不变，只是将物料层厚度减半，求将物料干燥至同第(1)的含水量一样时所需干燥时间。已知：空气平行于物料表面流动时的对流给热系数为,kW/(m2)，G的单位为kg/(m2s)；,t的单位为；r的单位kJ/kg；40下水的饱和蒸汽压为7.377 kPa。,汽化潜热,解: (1) 除去40 kg水分所需的干燥时间,(2) 再除去20 kg水分所需干燥时间,降速段,恒速段,降速段,(3) Xc将减小，而X1不变，故干燥过程仍属恒速段,Gc减半,3 .总干燥时间,14.3.3 连续干燥过程的一般特性,一 、连续干燥器中气流与物料的接触方式,二、连续干燥过程的特点,1. 预热段(物料中的水分临界水分）,沿设备长度增加，物料表面温度上升到气流的湿球温度，气流温度下降。,2. 表面汽化阶段(物料中的水分临界水分),沿设备长度增加，物料表面水分汽化，空气湿度增加，空气经历绝热增湿过程 ；物料表面温度基本保持不变，为空气的湿球温度。,3. 升温阶段(物料中的水分临界水分),沿设备长度增加，物料温度升高，气流温度继续下降。,二、连续干燥过程的数学描述分析,1. 考察方法：欧拉法,考察对象：在垂直于气流运动方向上取一设备微元,2. 过程数学描述方程,气固相际传热及传质速率方程式,物料内部的传热、传质速率方程式,物料衡算式,热量衡算式,14.3.4 干燥过程的物料衡算与热量衡算,一 、空气干燥器的操作原理图,进料口；2干燥室；3卸料口； 4抽风机；5空气预热器；6补充加热器,二 、物料衡算,水分蒸发量；空气消耗量；干燥产品流量,2.水分蒸发量W,1. 计算目的,3. 空气消耗量, 干空气质量流量, 实际空气（新鲜空气）质量流量kg湿空气/s,风机的风量qV（m3湿空气/s）,比空气用量,4 .干燥产品质量流量,注意：G2是指离开干燥器的物料的流量，其中包括绝干物料及含有的少量水分。,三、 热量衡算,忽略预热器的热损失,1 .预热器的热量衡算,2.干燥器的热量衡算,或,cpm湿物料的比热容，kJ/(kg干物料.),对于水cpl=4.18 kJ/(kg.),四、 物料衡算与热量衡算的联立求解,1 .设计型问题分析,目标：计算完成一定干燥任务所需干空气用量,干燥任务Gc、W、1、X1、X2,空气初始状态H1(=H0),QL可按传热公式求或取QL=(0.050.10)QP,2不能任意选择,未知变量：V、H2 、t1、t2、QD,V、W、H2、H0、 t1、Gc 、1X1、QD、t2、 1 、X2、QL,未知变量：V、H2 、t1、t2、QD,t1可以选定,未知变量：V、H2 、t2、QD,约束方程：2个,设计者应选择的参数2个,2、干燥过程的物料和热量衡算常遇到以下两种情况,未知变量：V、H2 、t2、QD,选择气体出干燥器的状态（如t2及 即H2已定，求V与QD。,选定QD （如许多干燥器QD=0，即不补充热量）及气体出干燥器状态的一个参数，求V及另一个气体出口参数。,五、理想干燥器过程的物料和热量衡算,1. 理想干燥过程,热量衡算式,整个干燥过程湿物料不升温（物料中的水分都在表面汽化段去除，物料的升温很小1 2） 、无热损失、干燥器不补充热量；,干燥过程中湿物料中水分带入的热量及补充的热量刚好与热损失及升温物料所需的热量相抵消。,理想干燥过程（或等焓干燥、绝热干燥过程）。,2. 湿度图表示,例14-5,废气循环的干燥过程(理想干燥器)从废气中取80%(质量分数)与湿度为0.0033kg/kg干气、温度为16的新鲜空气混合后进入预热器(如附图示)。已知废气的温度为67，湿度为0.03 kg水/kg干气。物料最初含水量为47%(湿基，下同)，最终含水量为5%，干燥器的生产能力为1 500kg湿物料/h。试求干燥器每小时消耗的空气量和预热器的耗热量。设干燥器是理想干燥器。,六、 实际干燥过程的物料和热量衡算,(1)当,(2)当,例14-6实际干燥过程中气体出口状态的计算,14.3.5 干燥过程的热效率,一、 空气在干燥器中放出热量的分析,加入干燥系统的热量,蒸发水分耗热Q1,物料升温耗热Q2,加热空气耗热Q3,热损失QL,二、干燥器的热效率,若,（等焓、理想、绝热干燥），则,三、 提高的措施,1. 当t0，t1一定时，降低废气的温度t2,干燥速率NA，,设备容积,弊：, t2不能过低以避免出现返潮现象,）,2 .当t0，t2一定时，提高空气的预热温度t1,弊： t1除受热源能位的限制外还应以物料不致在高温下受热破坏为限。,3 . 减少干燥过程的各项热损失,a. 做好干燥设备和管道的保温工作，,b. 防止干燥系统的渗透。,4. 采用部分废气循环操作,弊：干燥速率降低，干燥时间增加，装置费用增加，存在一最佳废气循环量，一般废气循环量为总气量的20%30%。,教材例14-7 预热温度对热效率的影响,某湿物料在常压干燥器内进行绝热干燥，干燥后的产品为4 000 kg/h，湿物料的含水率为15%(湿基，下同)，产品的含水率不得高于1%，空气的初始温度为20，相对湿度为40%。空气预热至120后进入干燥器，气体出干燥器的温度选定为70。问： 所需湿空气用量(m3/h)；(2) 预热器的热负荷(kW)；(3) 干燥器的热效率；(4) 若选定气体出干燥器的温度过高(或过低)，其弊端是什么？,某湿物料在常压干燥器内进行绝热干燥,已知条件见上图. 问: 所需湿空气用量(m3/h)；(2) 预热器的热负荷(kW)；(3) 干燥器的热效率；(4) 若选定气体出干燥器的温度过高(或过低)，其弊端是什么？,(1) 空气流量,(2) 预热器的热负荷,(3) 热效率,(4) 若选定气体出干燥器的温度过高，其弊端是：废气带走的热量增加，干燥器的热效率降低。若选定气体出干燥器的温度过低，其弊端是：降低干燥效率，延长干燥时间，增加设备容积，还可能出现气流在设备及管道出口处因散热而析出水滴，导致产品出现返潮现象。,某湿物料用热空气进行干燥。已知空气的初始温度为25，湿球温度为18。现将空气预热至120后送入干燥室，从干燥室出来的空气温度为80。湿物料进干燥室前温度为20，含水率为2.5%(湿基，下同)，出干燥室的温度为60，含水率为0.2%；湿物料处理量为8 000kg/h，绝干物料的比热容为1.84 kJ/(kg)。干燥室内无补充热量，设备热损失估计为外加总热量的5%。试求： 单位时间获得的产品质量(kg/h)；(2) 水分蒸发量(kg/h)；(3)干空气用量(kg/h)；(4) 预热器内所加入的热量(kJ/h)；(5) 干燥器的热效率.,试求： 单位时间获得的产品质量(kg/h)；(2) 水分蒸发量(kg/h)；(3)干空气用量(kg/h)；(4) 预热器内所加入的热量(kJ/h)；(5) 干燥器的热效率.,(1) 单位时间获得的产品质量,(2) 水分蒸发量,(3)干空气用量,(4) 预热器内所加入的热量,(5) 干燥器的热效率,实际干燥过程(热损失按汽化1kg水分计) 某连续干燥器干燥含水1.5%(湿基，下同)的物料9200kg/h，物料的进口温度为25，出口温度为34，产品含水量为0.2%，产品比热为1.84kJ/(kgK)，空气以干球温度25、湿球温度23进入预热器加热至95后，送入干燥器，空气离开干燥器时的干球温度是65，预热器使用145饱和蒸汽作为加热热源，中间补充加热耗用145饱和蒸汽117kg/h，干燥器的散热损失为370kJ/k