化工原理(天大版）---（下册）第五章 干燥.ppt

第五章 干燥,除湿方法 机械脱水 (沉降或过滤) 干燥 (加热使湿份汽化) 惯用做法 干燥的基本原理 干燥是热、质同时传递的过程 干燥操作的分类 按操作压强分类 常压干燥 真空干燥 按操作方式分类 连续操作 间歇操作 按传热方式 传导干燥 对流干燥 辐射干燥 介电加热干燥,干燥过程的基本问题,(1) 干燥介质用量的确定； (2) 干燥速率的强化； (3) 干燥方法的合理选择。 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。,第一节 湿空气的性质及湿度图,湿度H 又称湿含量，为湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比,其中V：水蒸气 g：绝干气,对水蒸气-空气系统,pv：水气分压，Pa或kPa P：总压,饱和湿度Hs：当空气达到饱和时，相应的湿度,第一节 湿空气的性质及湿度图,相对湿度百分数 一定总压下，湿空气中水气分压p与同温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数称为相对湿度百分数，简称相对湿度,当pv=0时， =0，绝干空气,当pv=ps时， =1，饱和空气,可用相对湿度表示空气的吸湿能力，而H却不能表示空气的吸湿能力,第一节 湿空气的性质及湿度图,比容H 在湿空气中，1kg绝干空气的体积和其所带Hkg的水气的体积之和称为湿空气的比容，又称为湿容积,第一节 湿空气的性质及湿度图,比热容CH 常压下，将湿空气及其所带的Hkg水气的温度升高（或降低）1 所需吸收（或放出）的热量，称为比热容，又称湿热 CH=Cg+HCv， kJ/（kg绝干气 ） Cg1.01 kJ/（kg绝干气 ）,Cv 1.88 kJ/（kg绝干气 ） CH=1.01+1.88H,第一节 湿空气的性质及湿度图,焓I 湿空气中1kg绝干空气的焓与其所带的Hkg水气的焓之和称为湿空气的焓 I=Ig+HIv，kJ/kg绝干气 规定0 时绝干空气与液态水的焓值为0，则： I=Cg（t-0）+HCv（t-0）+Hr0 其中r0：0 时水的汽化热，约为2490kJ/kg I=（Cg+HCv）t+Hr0 I=（1.01+1.88H）t+2490H,第一节 湿空气的性质及湿度图,干球温度t和湿球温度tw 干球温度：空气的真实温度。 湿球温度计：用湿棉布包扎温度计水银球感温部分，棉布下端浸在水中，以维持棉布一直处于湿润状态，这种温度计称为湿球温度计,湿球温度tw：将湿球温度计置于温度为t、湿度为H的流动不 饱 和空气中，假设开始时棉布中水分的温度与空气的温 度相同。,tw t,当湿空气的温度t一定时，若H越高，tw越高,若空气为水所饱和，tw最高为t,tw =f（t，H）,第一节 湿空气的性质及湿度图,当湿球温度计上温度达到稳定时： Q=S （t-tw）,包在湿棉布外层有一层气膜，温度tw，饱和湿度Hs,tw,在定态状态下，传热速率与传质速率之间的关系：,由以上三式得：,第一节 湿空气的性质及湿度图,绝热饱和冷却温度tas 定义 空气沿塔高温度逐渐下降，湿度逐渐升高，而焓维持不变 湿空气的等焓过程 tas，Has tast,第一节 湿空气的性质及湿度图,求tas及其与湿空气其它性质间的关系 湿空气入塔：t、H、I1 湿空气出塔： tas 、Has 、I2 I1=（Cg+HCv）t+Hr0 I2=（Cg+HasCv）tas+Hasr0 由于塔内绝热， I1= I2 （Cg+HCv）t+Hr0 =（Cg+HasCv）tas+Hasr0 Cg+HCv Cg+HasCv=CH CH t+Hr0 = CH tas+Hasr0,tas =f（t，H）,第一节 湿空气的性质及湿度图,比较tw和tas,对于湍流状态下的水蒸气-空气系统：,在一定温度t和湿度H下，tw tas,对于水蒸气-空气以外的系统tw 与 tas不一定相等,第一节 湿空气的性质及湿度图,露点td 将不饱和空气等温冷却到饱和状态时的温度称为露点td 相应的湿度称为饱和湿度，H s，td =1,第一节 湿空气的性质及湿度图,t、tas（tw）、td关系（对于水蒸气-空气系统） 不饱和空气： ttas（tw） td 饱和空气：t=tas（tw） = td,5.1.2湿空气的H-I图,H-I图 当总压一定时，表明湿空气性质的各项参数(t,p,H,I,tw等)，只要规定其中任意两个相互独立的参数，湿空气的状态就被确定 (1)等湿度线(等H线) 群 (2)等焓线(等I线)群 (3)等干球温度线(等t线)群 (4)等相对湿度线(等线)群 (5)蒸汽分压线,5.1.2湿空气的H-I图,H-I图的说明与应用 根据空气的任意两个独立参数，在H-I图上确定该空气的状态点，然后可查出其他性质 t、td、tw都由t线得出,H-I图的应用 通过空气的状态状态点A（若已知t、H），确定tw（tas），td，I， ，Pv,已知湿空气的一对参数各为t-tw、t-td、t- ，确定湿空气的状态点,5.2干燥过程的物料衡算与热量衡算,5.2.1湿物料的性质,1、湿基含水量w,2.干基含水量X,X： kg水/kg绝干料,两种含水量的关系,5.2.1湿物料的性质,3、湿物料的比热容cm,cm：湿物料的比热容， kJ/（kg绝干料）,cs：绝干物料的比热容， kJ/（kg绝干料）,cw：物料中所含水分的比热容，=4.187 kJ/（kg水）,4、湿物料的焓I,包括绝干物料的焓(以0 的物料为基准)和物料中所含水分(以0 的液态水 为基准)的焓,式中:湿物料的温度，,5.2.2干燥系统的物料衡算,目的 从湿物料中除去水分的数量,即水分蒸发量 空气的消耗量 干燥产品的流量 逆流干燥器的示意图,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； G 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 绝干气体的消耗量，kg/s； H1 ， H2 湿空气进、出干燥器时的湿度， kg水/kg绝干气； X1，X2 分别为湿物料进、出干燥器时的干基含水量，kg水/kg绝干料,5.2.2干燥系统的物料衡算,1.水分蒸发量 以1s为基准,对干燥器作水分的衡算:,LH1+ GX1 LH2+GX2,WL(H2-H1)Gc(X1-X2),W：单位时间内水分的蒸发量，kg/s,G：单位时间内绝干物料的流量，kg绝干料/s,2.空气消耗量,L：单位时间内消耗的绝干空气的量，kg绝干气/s,l：蒸发1kg水分消耗的绝干空气的量，kg绝干气/kg水,3.干燥产品流量G2,w1:物料进干燥器时的湿基含水量,w2:物料离开干燥器时的湿基含水量,5.2.3 干燥系统的热量衡算,热量衡算示意图,H0 H1 H2 分别为新鲜空气进预热器、离开预热器（进入干燥器）和离开干燥器时的湿度， kg/kg绝干气 ； I0 I1 I2 分别为新鲜空气进预热器、离开预热器（进入干燥器）和离开干燥器时的焓， kJ/kg绝干气； t0 t1 t2 分别为新鲜空气进预热器、离开预热器（进入干燥器）和离开干燥器时的温度， kg/kg绝干气，； L 绝干气体的流量，kg绝干气/s； Qp 单位时间内预热器消耗的热量，kW； G1 G2 分别为湿物料进入和离开干燥器时的流量，kg湿物料/s； 1 ，2分别为湿物料进入和离开干燥器时的温度， I1 ，I2分别为湿物料进入和离开干燥器时的焓， kJ/kg绝干气 Qd 单位时间内向干燥器补充的热量，kW； Ql 干燥器的热损失速率，kW,5.2.3 干燥系统的热量衡算,1、热量衡算基本方程 1）预热器消耗的热量 忽略热损失，对预热器作 焓衡算：,2）向干燥器补充的热量,对干燥器作焓衡算：,3）干燥系统消耗的总热量,干燥系统热量衡算基本方程式,分析：Q,（1）将新鲜空气L（湿度H0）由t0加热至t2所需的热量,（2）原湿物料G1=G2+W， 其中干燥产品G2从1被加热2至后离开干燥器所消耗的热量； 水分W由液态温度1被加热并汽化，至温度2下的气态形式所需的热量,（3）干燥系统损失的热量,5.2.3 干燥系统的热量衡算,2、干燥系统的热效率,蒸发水分所需的热量为：,若忽略湿物料中水分带入系统中的焓，则：,3、提高干燥系统热效率的措施,提高离开干燥器的空气的湿度，降低离开干燥器的空气的温度,利用废气来预热冷空气或冷物料,注意干燥设备的保温，减少系统热损失等措施,采用二级干燥，利用内换热器,5.2.4空气通过干燥器时的状态变化,根据空气在干燥器内焓的变化分为 等焓过程 非等焓过程 1、等焓干燥过程（绝热干燥过程） 应满足的条件： （1）不向干燥器中补充热量，即QD=0 （2）忽略干燥器向周围散失的热量，即QL=0 （3）物料进出干燥器的焓相等，即G（I2-I1）=0,理想干燥过程,理想干燥过程的操作线,5.2.4空气通过干燥器时的状态变化,2、非等焓干燥过程（实际干燥过程） 1）操作线在过点B等焓线的下方 （1）不向干燥器中补充热量，即QD=0 （2）不能忽略干燥器向周围散失的热量，即QL0 （3）物料进出干燥器的焓相等，即G（I2-I1） 0,2）操作线在过点B等焓线的上方,3）操作线为过点B的等温线,向干燥器补充的热量足够多，恰使干燥过程在等温下进行,5.3固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系,5.3.1物料中的水分,1、平衡水分与自由水分 平衡水分：当物料与一定状态的空气接触后，最终达到恒定的含水量，若空气状态恒定，则物料将永远维持这么多的含水量恒定。 自由水分：物料中超过平衡水分的那一部分水分，称为自由水分。,2、平衡含水量与空气的相对湿度的关系图,同一温度和相对湿度的空气，不同物质的 平衡含水量不同,当空气温度一定时，对同一物料，平衡含水 量随空气的相对湿度的增加而增加,当=0时，各物料的X*=0，湿物料只有与绝干 空气接触才能获得绝干物料,物料中平衡含水量与自由含水量的划分不仅 与物料的性质有关，还与空气的状态有关,5.3.1物料中的水分,2、结合水分与非结合水分 结合水分：通过化学力或物理化学力与固体物料相结合的水分称为结合水分，结合水分与物料间结合力较强，其蒸气压低于同温度下纯水的饱和蒸气压。,非结合水分：通过机械的方式附着在固体物料上的水分称为非结合 水分，非结合水分的蒸气压等于同温度 下纯水的饱和蒸气压，易于去除。,在恒定的温度下，物料中结合水分与非结 合水分的划分只取决于物料本身的特性， 与空气的状态无关,5.3.2干燥时间的计算,根据空气状态参数的变化情况,干燥分为 恒定干燥条件 非恒定(或变动)干燥条件,1、恒定干燥条件下干燥时间的计算 1）干燥实验和干燥曲线,5.3.2干燥时间的计算,ABC段为干燥第一阶段， AB段为物料的预热阶段， BC段为恒速干燥阶段，温度恒为tw ，AB段所需的时间很短，一般并入BC段内考虑 。 CDE段为第二阶段，在此阶段内干燥速率随物料含水量的减小而降低，称为降速干燥阶段，温度由tw升高。 两个干燥阶段之间的交点称为临界点。与该点对应的物料含水量称为临界含水XC。,5.3.2干燥时间的计算,2）干燥速率曲线 干燥速率 ：单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量,式中： U：干燥速率，（干燥通量），kg/（m2s） S：干燥面积，m2 ； W：一批操作中汽化的水分量，kg； ：干燥时间，s； G ：一批操作中绝干物料的质量，kg,5.3.2干燥时间的计算,2）干燥机理 a）恒速干燥阶段 物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度tw 干燥速度由水的表面汽化速度所控制 b）降速干燥阶段 过程速度由水分从物料内部移动到表面的速度所控制。 c）临界含水量 临界水分随物料本身性质、厚度和干燥速率的不同而异，通常临界水分随恒速阶段的干燥速度和物料厚度的增加而