《化工原理》

化工原理 Principles of Chemical Engineering 第十二章 干 燥 Chapter 12 Drying 概述概述（IntroductionIntroduction） 在化学工业生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过 多的水分或有机溶剂 (湿份)，要制得合格的产品需要除去 固体物料中多余的湿份。 除湿方法：机械除湿如离心分离、沉降、过滤。 干燥 利用热能使湿物料中的湿份汽化。除 湿程度高，但能耗大。 惯用做法：先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿份除 去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉， 以降低除湿的成本。 干燥分类： 本章重点： 以不饱和热空气为干燥介质，除去湿物料中水 分的连续对流干燥过程。 干燥介质：用来传递热量（载热 体）和湿份（载湿体）的介质。 由于温差的存在，气体以对流方 式向固体物料传热，使湿份汽化 ； 在分压差的作用下，湿份由物料 表面向气流主体扩散，并被气流 带走。 对流干燥过程原理 温度为 t、湿份分压为 p 的湿热气体流过湿物料的表面， 物料表面温度 ti 低于气体温度 t。 注意：只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压， 干燥即可进行，与气体的温度无关。 气体预热并不是干燥的充要条件，其目的在于加快湿份 汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力。 H t q W ti p pi M 干燥是热、质同时传递的过程 干燥过程 热空 气流 过湿 物料 表面 热量 传递 到湿 物料 表面 湿物 料表 面水 分汽 化并 被带 走 表面 与内 部出 现水 分浓 度差 内部 水分 扩散 到表 面 传热过程 传质过程 传质过程 干燥过程推动力 传质推动力：物料表面水分压P表水 热空气中的水分压P空水 传热推动力：热空气的温度t空气 物料表面的温度t物表 对流干燥过程实质 除水分量 空气消耗量 干燥产品量 热量消耗 干燥时间 物料衡算 能量衡算 涉及干燥速率和水在 气固相的平衡关系 涉及湿空气的性质 干燥过程基本问题 解决这些问题需要掌握的基本知识有： (1) 湿分在气固两相间的传递规律； (2) 湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化； (3) 物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征； (4)干燥过程中物料衡算关系、热量衡算关系和速率关系 。 本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基 本问题，介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。 第一节第一节 湿气体的热力学性质湿气体的热力学性质 湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。在干燥过程中， 随着湿物料中水份的汽化，湿空气中水份含量不断增加， 但绝干空气的质量保持不变。因此，湿空气性质一般都以 1kg绝干空气为基准。 操作压强不太高时，空气可视为理想气体。 系统总压 P ：湿空气的总压（kN/m2），即P干空气 与P水之 和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。且 干燥操作通常在常压下进行，常压干燥的系统总压接近 大气压力，热敏性物料的干燥一般在减压下操作。 1.湿份的表示方法 对于空气-水蒸气系统： Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96 kg/kmol 湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。若湿份蒸 汽和绝干空气的摩尔数 (nw, ng) 和摩尔质量 (Mw , Mg) 绝对湿度绝对湿度( (湿度湿度) ) H H（HumidityHumidity） 总压一定时，湿空气的湿度只与水蒸汽的分压有关。 Kg水蒸汽/kg绝干空气 当p=ps时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。 相对湿度相对湿度（Relative humidityRelative humidity） 湿度只表示湿空气中所含水份的绝对数，不能反映空气 偏离饱和状态的程度（即气体的吸湿能力）。 值说明湿空气偏离饱和空气或绝干空气的程度， 值越小 吸湿能力越大； = 0 ，p=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。 = 1 ，p=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿。 对于空气-水系统： 相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压 p 与系统温度下水的饱和蒸汽压 ps 之比的百分数。 相对湿度相对湿度（Relative humidityRelative humidity） 若 t 总压下湿空气的沸点，湿份 ps P，最大 (空气 全为水汽) 湿份的临界温度，气体中的湿份已是真实气体， 此时 =0，理论上吸湿能力不受限制。 j= f (H, t) ps 随温度的升高而增加，H 不变提高 t，气体的吸 湿能力增加，故空气用作干燥介质应先预热。 H 不变而降低 t，空气趋近饱和状态。当空气达到 饱和状态而继续冷却时，空气中的水份将呈液态析出。 2.比容H (Humid volume) 或湿比容 (m3/kg绝干气体) 比容：比容：1kg 绝干空气和相应水汽体积之和。 3.比热cH (Humid heat)或比热容KJ/(kg ) 比热：比热：1kg 绝干空气及相应水汽温度升高1所需要的热量 式中：c g 绝干空气的比热，KJ/(kg)； cv 水汽的比热，KJ/(kg) 。 对于空气-水系统： cg=1.01 kJ/(kg)，cv=1.88 kJ/(kg) 4.焓I (Total enthalpy) 焓：1kg 绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。 由于焓是相对值，计算焓值时必须规定基准状态和基准 温度，一般以0为基准，且规定在0时绝干空气和水 汽的焓值均为零，则 对于空气-水系统： 显热项汽化潜热项 当热、质传递达平衡时，气 体对液体的供热速率恰等于 液体汽化的需热速率时： 5.干燥过程中的物料温度 (1)干球温度 t ：湿空气的真实温度，简称温度( 或 K)。 将温度计直接插在湿空气中即可测量。 (2) 空气的湿球温度（Wet-bulb temperature） a.定义 q N 对流传热 h kH 气体 t, H 气膜 对流传质 液滴 表面 tw , Hw 液滴 湿球温度 tw 定义式 (2) 空气的湿球温度（Wet-bulb temperature） 因流速等影响气膜厚度的因素对 和 kH 有相同的作用，可认为 kH / 与速度 等因素无关，而仅取决于系统的物性 。 饱和气体:H = Hs，tw = t，即饱和空气的干、湿球温度相等 。 不饱和气体:H tas （或 tw） td；饱和空气 t = tas = td 气体湿度图气体湿度图（Humidity chartHumidity chart） 湿空气参数的计算比较繁琐，甚至需要试差。为了方便 和直观，通常使用湿度图。 等湿线 等焓线 等温线 饱和空 气线 p-H线 空气湿度图的绘制 （Humidity chart） 对于空气-水系统，tas tw，等 tas 线可近似作为等tw线。 每一条绝热冷却线上所有各点都具有相同的 tas 。 物理意义：以绝热冷却线上所有各点为始点，经过绝热 饱和过程到达终点时，所有各状态的气体的温度都变为 同一温度。 横坐标：空气的湿度，所有的横线为等湿度线。 右侧纵坐标：空气的干球温度，所有纵线为等温线。 (1) 等湿度线 (等 H 线) (2) 等焓线（等 I 线） 对给定的 tas： t = f (H) 在同一条等湿线上不同点所代表的湿空气状态不同，但H 相同，露点是将湿空气等H冷却至 = 1时的温度。 (3) 等干球温度线 (等 t 线) I与H呈直线关系，t越高，等t线的斜率越大，读数0-250C。 (4) 等相对湿度线 (等 线) 总压 P 一定，对给定的 ： 因 ps= f (t) ， 故 H = f (t) 。 (5) 蒸气分压线 总压 P 一定， ps= f (H) ， p-H 近似为直线关系。 空气湿焓图的用法 （Use of humidity chart） 两个参数在曲线上能相交于一点，即这两个参数是独立参 数，这些参数才能确定空气的状态点。 =100%，空气达到饱和，无吸湿能力。 Xc，汽化的是非结合水 。 降速干燥段：X Xc 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份与物料的结合方式，以及物 料的结构，物料外部的干燥条件对其影响不大。 恒定干燥条件下 = tw，p = ps 和 kp 不变 由物料内部向表面输送的水份足以保持物料表面的充分 湿润，干燥速率由水份汽化速率控制(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。 湿物料与空气间 的q 和 N 恒定 临界湿含量临界湿含量（Critical moisture contentCritical moisture content） Xc 决定两干燥段的相对长短，是确定干燥时间和干燥器尺寸的基础数 据，对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要。 物 料 空气条件 临界湿含量 品种厚度mm速度m/s温度相对湿度%kg水/ kg干料 粘土6.41.0370.100.11 粘土15.91.0320.150.13 粘土25.410.6250.400.17 高岭土302.1400.400.181 铬革101.549-1.25 砂0.044mm252.0540.170.21 0.0440.074mm253.4530.140.10 0.0740.177mm253.5530.150.053 0.2080.295mm253.5550.170.053 新闻纸-0190.351.00 铁杉木254.0220.341.28 羊毛织物-25-0.31 白岭粉31.81.0390.200.084 白岭粉6.41.037-0.04 白岭粉16911260.400.13 注意：Xc 与物料的厚度、大小以及干燥速率有关，所以 不是物料本身的性质。一般需由实验测定。 第三节第三节 干燥过程的计算干燥过程的计算 物料的停留时间应大等于给定条件下将物料干燥至指定 的含水量所需的干燥时间，并由此确定干燥器尺寸。 若已知物料的初始湿含量 X1 和临界湿含量 Xc，则恒速段 的干燥时间为 恒速干燥段的干燥时间 若传热干燥面积 S 为已知，则由上式求干燥时间 的问 题归结为气固对流给热系数 的求取。 1.恒定干燥条件下干燥时间的计算 恒速干燥段的干燥时间 (1) 空气平行流过静止物料层的表面 L 湿气体质量流速，kg/(m2h)； (2) 空气垂直流过静止物料层的表面 适用条件：L=245029300 kg/(m2h)，气体温度 45150 。 适用条件：L=39001950 kg/(m2h) (3) 气体与运动着的颗粒间的传热 注意：利用上述方程计算给热系数来确定干燥速率和干燥 时间，其误差较大，仅能作为粗略估计。 降速干燥段的干燥时间 (1) 图解积分法 降速段的干燥时间可以从物料干燥曲线上直接读取。计 算上通常是采用图解法或解析法。 当降速段的U X 呈非线性变 化时，应采用图解积分法。 在 X2 Xc 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。 X o XcX2 Gc / U 降速干燥段的干燥时间 (2) 解析法 当降速段的U X 呈线性变化 时，可采用解析法。 降速段干燥速率曲线可表示为 A BC D 干燥速率 U X U XcX* 湿含量 X Uc 当缺乏平衡水分的实验数据时 ，可以假设 X* = 0，则有 干燥时间为： = 1 + 2 2.2.干燥过程的物料衡算和热量衡算干燥过程的物料衡算和热量衡算 物料衡算（Mass balance） G1 湿物料进口的质量流率，kg/s； G2 产品出口的质量流率，kg/s； Gc 绝干物料的质量流率，kg/s； w1 物料的初始湿含量； w2 产品湿含量； L 绝干气体的质量流率，kg/s； H1 气体进干燥器时的湿度； H2 气体离开干燥器时的湿度； W 单位时间内汽化的水分量，kg/s。 湿物料 G1 , w1 干燥产品 G2 , w2 热空气 L , H1 湿废气体 L , H2 绝干空气消耗量 绝干空气比消耗 水分蒸发量： 热量衡算（Heat balance） Qp 预热器向气体提供的热量，kW ； QD 向干燥器补充的热量，kW； QL 干燥器的散热损失，kW。 湿物料 G1 , w1 , 1, cm1 干燥产品 G2 , w2 , 2, cm2 热气体 L, H1, t1, i1 湿废气体 L, H2, t2, i2 湿气体 L, H0, t0, i0 Qp Qd Ql 预热器 干 燥 器 整个干燥系统的热量衡算整个干燥系统的热量衡算 在连续稳定操作条件下，系统无热量 积累，单位时间内(以1秒钟为基准)： 湿物料 G1 , w1 , 1, cm1 干燥产品 G2 , w2 , 2, cm2 热气体 L, H1, t1, i1 湿废气体 L, H2, t2, i2 湿气体 L, H0, t0, i0 Qp Qd Ql 气体焓变物料焓变 物料焓 ： 气体焓： 整个干燥系统的热量衡算整个干燥系统的热量衡算 汽化湿分所需要的热量： 物料焓变 ： 加热固体产品所需要的热量 ： 放空热损失 ： 总热量衡算 ： 预热器的热量衡算预热器的热量衡算 预热器的作用在于加热空气。根据加热方式可分为两类 ： 直接加热式：如热风炉。将燃烧液体或固体燃料后产生 的高温烟气直接用作