中山大学化工原理课件第9章-干燥.ppt

2019/6/15,干 燥 Drying,丁楠,2019/6/15,序言,一、去湿及其方法 二、干燥方法 三、对流干燥的传热传质过程,2019/6/15,一、去湿及其方法,1、何为去湿？,从物料中脱除湿分的过程称为去湿。 湿分：不一定是水分！ 2、去湿方法 机械去湿法 ：挤压（拧衣服、过滤） 物理法：浓硫酸吸收, 分子筛吸附, 膜法脱湿 化学法：利用化学反应脱除湿分（CaO） 干燥法：加热,2019/6/15,二、干燥方法,1、传导干燥 热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物料 被干燥的物料与加热介质不直接接触，属间接干燥 优点：热能利用较多 缺点：与传热壁面接触的物料易局部过热而变质，受热不均匀。 例如纸制品可以铺在热滚筒上进行干燥。,2019/6/15,2、辐射干燥 热能以电磁波的形式由辐射器发射到湿物料表面，被物 料吸收转化为热能，而将水分加热汽化。 优点：生产能力强，干燥产物均匀 缺点：能耗大 例如用红外线干燥自行车表面油漆 3、介电加热干燥 将需干燥的物料置于交频电场内，利用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。 优点：干燥时间短，干燥产品均匀而洁净。 缺点：费用大。 例如微波干燥食品,2019/6/15,4、对流干燥 热能以对流给热的方式由热干燥介质（通常热空气）传给湿物料，使物料中的水分汽化。物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸汽从表面扩散至干燥介质主体，再由介质带走的干燥过程称为对流干燥。 优点：受热均匀，所得产品的含水量均匀。 缺点：热利用率低。,讨论以热空气为干燥介质，以水为湿分的对流干燥,2019/6/15,三、对流干燥原理,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。,1、传热过程 由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使水分汽化；,2、传质过程 在分压差的作用下，水分由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。,干燥介质,湿物料表面,湿物料内部,湿物料内部,湿物料表面,干燥介质,2019/6/15,干燥介质：载热体、载湿体 干燥过程：物料的去湿过程 介质的降温增湿过程,注意：只要物料表面的水分分压高于气体中水分分压，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，其目的在于加快水分汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力。,干燥是热、质同时传递的过程,2019/6/15,第一节 湿空气的性质和湿度图,一、湿空气的性质 二、湿度图及其应用,2019/6/15,一、湿空气的性质,1、 水汽分压pw P（总压）=pa（干空气）+pw（水汽）,空气中水汽分压越大，水汽含量就越高。,摩尔量之比：,（一）空气中水蒸气含量的表示方法,2019/6/15,2、湿度H（ humidity）,湿空气中水汽的质量与绝干空气的质量之比 ，又称湿含量。,对于水蒸气空气系统：,2019/6/15,当湿空气中水汽分压 pw 等于该空气温度下的饱和蒸汽压 ps时，其湿度称为饱和湿度，用Hs 表示。,2019/6/15,3、相对湿度百分数 （ relative humidity）,在总压P一定的条件下，湿空气中水蒸气分压pw与同温度下的饱和蒸汽压ps之比。,相对湿度代表湿空气的不饱和程度， 愈低，表明该空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。 =1，湿空气达到饱和，不能作为干燥介质。,2019/6/15,在总压一定时,1、比容,在湿空气中，1kg绝干空气体积和相应水汽体积之和，又称湿容积。,（二）湿比容,单位为 m3湿空气 kg干空气,2019/6/15,取1Kmol，29 Kg，22.4m3,2019/6/15,1、比热,常压下，将湿空气1Kg绝干空气及相应水汽的温度升高（或降低）1所需要（或放出）的热量，称为湿比热。,（三）湿空气的热参数,2019/6/15,2、湿空气的焓,湿空气中1 kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。,Iw=r0+cwt,焓是相对值，0 0C的干空气和液态水的焓为基准态（0），,水汽包括0 0C时的汽化潜热和0 0C以上的显热，,干空气只包括显热，Ia=cat,2019/6/15,(四)湿空气的温度,1）干球温度 t 用普通温度计测得的湿空气的真实温度 2）湿球温度 湿球温度计在温度为t，湿度为H的不饱和空气流中，达到平衡或稳定时所显示的温度。,2019/6/15,2019/6/15,2019/6/15,对于空气水蒸气系统而言,在一定的总压下，已知t、tw能否确定H?,事实上，不论水温如何，最终必将达到此动态平衡,2019/6/15,3、绝热饱和冷却温度,水分向空气中汽化,空气降温增湿,饱和,绝热,焓不变,与外界无热量交换，既无热量补充，又无热量损失。,2019/6/15,对绝热饱和器作焓衡算，即可求出绝热饱和温度,一般H 及 Has 值均很小,2019/6/15,是湿空气在绝热、冷却、增湿过程中达到的极限冷却温度。,对于空气水系统，,注意：绝热饱和温度于湿球温度的区别和联系！,2019/6/15,1、湿球温度：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。 绝热饱和温度：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。,2、 湿球温度：传质、传热仍在进行，因此属动态平衡范畴。 绝热饱和温度：没有净的质量、热量传递进行，因此属静态平衡范畴。,不同之处：,1、湿空气均为等焓变化、 2、均为空气状态（t、H）的函数 3、对于空气水体系, tw tas，,相同之处：,2019/6/15,4、露点,将不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度,2019/6/15,对于水蒸汽空气系统，干球温度、绝热饱和温度和露点间的关系为：,不饱和空气：,饱和空气：,2019/6/15,二.气体湿度图（Humidity chart）,湿气体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。,2019/6/15,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 。,横坐标：空气的干球温度，所有纵线为等温线。 右侧纵坐标：空气的湿度，所有的横线为等湿度线。,(1) 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) 。,(2) 绝热冷却线（等 tas 线）,对给定的 tas： t = f (H),2019/6/15,(3) 湿热-湿度线 (cH - H ),总压 P = 101.325 kPa 时：,湿比热是湿度的函数，在图中的温度范围内与温度无关。,(4) 湿比容-温度线 (H - H),对于P = 101.325 kPa 的饱和空气：,若已知湿度和温度，即可由对应直线查得气体湿比容。,由于Has= f (t) ，故Has = f (t) 。,2019/6/15,td,I,cH,三.湿度图的应用,t,tas=tw,VH,2019/6/15,过P点的绝热冷却线与 =100%的等相对湿度线的交点在横坐标上对应的值即为绝热饱和温度。读得 tas=52，即 tw = tas=52 ；,解：由t=62的等温线和H=0.092的等湿度线可以确定一个交点P：过P点的等 线上读得 =60%；,空气湿度图的用法 （Use of humidity chart）,【例1】已知 t=62，H=0.092，求、tas、tw、td、cH 和 iH 。,cH H, = 60%,1.18,cH kJ/(kg绝干气体K),0.092,湿度 H,绝热冷却线,td,tas,62,温度 t,P,过P点的等湿度线（H=0.092）与 =100%的等相对湿度线的交点，在横坐标上对应的值即为露点温度，读得 td=51；,过P 点的等湿度线与 cH -H 线的交点在顶部横轴上的读数即为 cH ，读得 cH =1.18 kJ/(kg绝干气体K) ；, = 100%,52,51,2019/6/15,空气湿度图的用法 （Use of humidity chart）,在横轴上作 t = 52 的等温线与 =100% 的等相对湿度线相交，作过此交点的绝热冷却线，与 t = 62 的等温线的交点即为空气状态 P 点。,【例2】测得空气的干球温度 t = 62，湿球温度 tw = 52，试求空气的 H、 、tas、td 。,解：tw = tas = 52；先确定 tas = 52 的绝热冷却线。, = 60%,0.092,湿度 H,绝热冷却线,td,tas,62,温度 t,P, = 100%,52,51,由气体状态 P 点，用上例中类似的方法可以查出 H=0.092， =60%，td=51,2019/6/15,空气湿度图的用法 （Use of humidity chart）,【例3】已知空气的露点温度 td=51，相对湿度 =60% ，试求 t、H、tas、tw 。,解：由 t=51 的等温线 与 =100% 的等相对湿度线的交点作过该点的等湿度线(H=0.092)，该线与 =60% 的等相对湿度线交于 P 点。, = 60%,0.092,湿度 H,绝热冷却线,td,tas,62,温度 t,P, = 100%,52,51,由气体状态 P 点，用上例中类似的方法可以读出 P 点对应的空气参数：t=62，H=0.092，tas= tw=52,2019/6/15,2表示湿空气的状态变化过程,两个独立参数，确定空气状态点，,j,=100% H,j,=100% H,A,B,t,t,(a)加热过程,(b)冷却过程,A,B,C,2019/6/15,j,=100%,H,B,绝热饱和线,A,t,(c)绝热增湿、降温过程,2019/6/15,湿空气在tH图上经历如右图示ABCDA的封闭循环。试说明： （1）各部分的作用； （2）B、C两点所代表的空气何者接受水份的能力较强。,答： AB 等湿增温 BC降温增湿 CD等湿降温至饱和 DA维持饱和降温降湿 B点的相对湿度小, B点接受水分能力强,2019/6/15,将不饱和湿空气冷却至露点，再维持饱和度不变降温，请设计两个可行的过程（每一个过程有一个参数不变）将空气恢复到原状态，指出不变的参数，并在t-H图上定性画出该循环过程 .,等湿升温 等湿升温 等温增湿 不变升温增湿,2019/6/15,2019/6/15,H kg水/kg绝干气,I kJ/kg绝干气,t ,p kPa,横坐标H， 等湿线（平行于纵坐标）,纵坐标I， 等焓线（45于横坐标）,等温线t,等相对湿度线,等分压线p,总压一定,H0.622 ps/(P- ps),pP H/(0.622 +H)，一般H很小,2019/6/15,A,由测出的参数确定湿空气的状态,a）水与空气系统，已知空气的干球温度 t 和湿球温度 tw ，确定该空气的状态点 A (t,H)。,2019/6/15,A,b）水与空气系统中，已知 t 和 td，求原始状态点 A(t,H)。,2019/6/15,A,c）水与空气系统中，已知 t 和 ，求原始状态 点 A 的位置,2019/6/15,已知湿空气某两个可确定状态的独立变量，求该湿空气的其他参数和性质,例：已知湿空气的干球温度t=30，相对湿度=0.6，求湿空气的湿度H，露点td、tas。,A,H=0.016kg/kg干气,D,C,td=21,2019/6/15,一、湿物料中含水量的表示方法 二、干燥系统的物料衡算 三、干燥系统的热量衡算 四、干燥过程的图解,第二节 干燥过程的物料与热量衡算,2019/6/15,一、湿物料中含水量的表示方法,1、湿基含水量w,2、干基含水量X,3、换算关系,2019/6/15,干燥过程,干燥室,预热器,二、干燥系统的物料衡算,空气预热的作用？,2019/6/15,求解：干燥介质用量，蒸发的水分量等,L 绝干空气质量流量，kg干气/hr； G1、G2 物料进出干燥器总量，kg物料/hr。,w1 (X1)，w2(X2)：干燥前后湿物料的湿（干）基含水量； H1，H2：干燥前后湿空气的湿度。,2019/6/15,1、水分蒸发量,湿物料中水分减少量 湿空气中水分增加量,绝对干物料质量,2019/6/15,2、空气消耗量L,单位空气消耗量l （每蒸发1kg水分时，消耗的绝干空气数量）,因为：H1=H0,2019/6/15,夏季要比冬季空气的消耗量大。空气的鼓风机等装置要以全年最热月份的空气消耗量来决定湿空气的体积流量。,3、干燥产品流量G2,对干燥器作绝干物料的衡算,2019/6/15,例：在一连续干燥器中，每小时处理湿物料1000kg，经干燥后物料的含水量由10%降至2%（wb）。以热空气为干燥介质，初始湿度H1=0.008kg水/kg绝干气，离开干燥器时湿度为H2=0.05 kg水/kg绝干气，假设干燥过程中无物料损失.试求：水分蒸发量、空气消耗量以及干燥产品量。 解:1）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含量， 即:,2019/6/15,（2）空气消耗量,进入干燥器的绝干物料为 GC = G1(1w1) = 1000(10.1) = 900kg绝干料/h 水分蒸发量为 W = GC(X1X2) = 900(0.1110.0204) = 81.5kg水/h,2019/6/15,（3）干燥产品量,原湿空气的消耗量为： L= L(1+H1) = 1940(1+0.008) = 1960kg湿空气/h 单位空气消耗量（比空气用量）为：,2019/6/15,三、干燥系统的热量衡算,1、热量衡算的基本方程,QP：预热器内加入的热量，kJ/h； QD：干燥器内补充的热量，kJ/h； QL ：干燥器的热损失，kJ/h。,2019/6/15,忽略预热器的热损失， 对预热器列焓衡算 ：,单位时间内预热器消耗的热量为：,对干燥器列焓衡算，以1s为基准,单位时间内向干燥器补充的热量为,单位时间内干燥系统消耗的总热量为,连续干燥系统热量衡算的基本方程式,2019/6/15,(1) 预热器的加热量,若忽略热损失，则,(2) 干燥室的热量衡算,输入量,1）湿物料带入热量（焓值）,2019/6/15,2）空气带入的焓值,3）干燥器补充加入的热量,输出量,1）干物料G2 带出焓值：,2）废气带出焓值：,3）热损失：,2019/6/15,输入输出,所需外加总热量 Q：,加热空气,蒸发水分,加热物料,热损失,2019/6/15,2019/6/15,2、干燥系统的热效率,蒸发水分所需的热量为,忽略物料中水分带入的焓,2019/6/15,影响热效率的因素,因此，t2不能过低，一般规定t2比进入干燥器时空气的湿球温度tw高20 50。,3. 回收废气中热量,4. 加强管道保温，减少热损失,2019/6/15,等焓干燥过程（绝热干燥过程或理想干燥过程）,空气在进、出干燥室的焓值不变。,规定： 不向干燥室中补充热量 QD=0； 忽略干燥室向周围散失的热量 QL=0；,实际干燥过程,在非绝热情况下进行的干燥过程。,四、干燥过程的图解,2019/6/15,1. 过程分析：,令,则有：,2019/6/15,：外界补充的热量及湿物料中被汽化水分 带入的热量；补充热,：热损失及湿物料在干燥室获得的热量。损失热,即：=补充热损失热,2019/6/15,1）等焓过程：,2019/6/15,2）实际干燥过程：,a. 补充热量小于损失的热量,理想操作线 BC: 过点B的等焓线,下方,b. 补充热量大于损失的热量,即,上方,补充的热量足够多，恰使干燥过程在等温下进行,操作线为过B点的等温线 BC3,实际操作线 BC1: 在等焓线的下方,实际操作线 BC2: 在等焓线的上方,2019/6/15,2 .空气出口状态的确定方法,确定H2、I2,a . 计算法,b. 图解法,2019/6/15,例：某种湿物料在常压气流干燥器中进行干燥,湿物料的流量为1kg/s，初始湿基含水量为3.5%,干燥产品的湿基含水量为0.5%。空气状况为：初始温度为25，湿度为0.005kg/kg干空气，经预热后进干燥器的温度为140,若离开干燥器的温度选定为60和40， 试分别计算需要的空气消耗量及预热器的传热速率。 又若空气在干燥器的后续设备中温度下降了10，试分析以上两种情况下物料是否返潮？假设干燥器为理想干燥器。,2019/6/15,解：因在干燥器内经历等焓过程，,2019/6/15,绝干物料量 ：,绝干空气量：,2019/6/15,预热器的传热速率,2019/6/15,分析物料的返潮情况,当t2=60时，干燥器出口空气中水汽分压为,t=50时，饱和蒸汽压 ps=12.34kPa，,即此时空气温度尚未达到气体的露点，不会返潮。,2019/6/15,t=30时，饱和蒸汽压 ps=4.25kPa，,物料可能返潮。,当t2=40时，干燥器出口空气中水汽分压为,2019/6/15,第三节 干燥速度和干燥时间,一、物料中所含水分的性质 二、固体物料的干燥机理 三、干燥曲线和干燥速率曲线 四、干燥时间的计算,2019/6/15,一、物料中所含水分的性质,干燥过程，就是物料的湿份由物料内部迁至外部，再由外部汽化进入空气主体的过程。,干燥速率取决于：湿空气的性质、物料所含水份的性质。,2019/6/15,一、物料中所含水分的性质,1、平衡水分与自由水分 1）平衡水分（X*） 用某种空气无法再去除的水分。 与物料的种类、温度及空气的相对湿度有关 物料中的平衡水分随温度升高而减小 随湿度的增加而增加。,干燥推动力：,时，物料中还存在的水分；不能用干燥方法除去的,2019/6/15,2）自由水分 在干燥过程中所能除去的超出平衡水分的那一部分水分。,木材与 ， 的空气接触时， ； 与 ， 的空气接触时，,2019/6/15,结合水分：与物料之间有物理化学作用，因而产生的蒸汽压 低于同温度下纯水的饱和蒸汽压， pw ps 。包 括溶涨水分和小毛细管中的水分 。 水与物料结合力强，难于除去 非结合水分 :机械地附着在物料表面， 产生的蒸汽压与纯水 无异，pw ps。包括物料中的吸附水分和大孔 隙中的水分。 水与物料结合力弱，容易除去。,结合水分与非结合水分只与物料的性质有关，而与空气的状态无关，这是与平衡水分的主要区别。,2、结合水分和非结合水分,2019/6/15,物料与水分结合方式,吸附水分：湿物料的粗糙外表面附着的水分。 毛细管水分：多孔性物料的孔隙中所含的水分。 溶胀水分：物料细胞壁或纤维皮壁内的水分。,结合水： 包括溶涨水分和小毛细管中的水分 。,非结合水： 包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。,平衡水分一定是结合水分； 自由水分包括了全部非结合水分和一部分结合水分。,2019/6/15,将图中各线延长，与 相交，交点以左的为结合水分。交点以右的为非结合水分。,湿含量 X,X,相对湿度 ,非结合水分,结合水分,0,1.0,0.5,2019/6/15,平衡水分一定是结合水分； 自由水分包括了全部非结合水分和一部分结合水分。,1.0,2019/6/15,在横坐标是，纵坐标是 X 的图中，物料的总水分、平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分之间的关系见图示。,2019/6/15,【练习】在常压25下，水分在ZnO与空气间的平衡关系为： 相对湿度 100%，平衡含水量X*0. 2 kg水/kg干料。 现ZnO的含水量为0.25 kg水/kg干料，令其与25， 40%的空气接触，平衡含水量X*0.07 kg水/kg干料，求物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。,解：,2019/6/15,二、固体物料的干燥机理,1表面汽化控制：表面汽化速率内部扩散速率,当湿物料（其含水量大于平衡含水量）与干燥介质（热空气）接触，其表面水分汽化，形成表面与内部的湿度差，水分由内部向表面扩散。在干燥的不同时期，其控制机理不同：,内部水分能迅速到达表面，物料表面足够湿润，其表面温度可取tW，干燥速率受表面汽化速率控制，此类干燥操作完全受干燥介质性质而定。,如：纸、皮革的干燥,恒速干燥阶段,2019/6/15,2内部扩散控制：表面汽化速率内部扩散速率,内部水分不能迅速到达表面，物料表面不能完全湿润，蒸发面向物料内部移动。这种情况必须想法增加内部扩散速率，或降低表面汽化速率。,如：木材常用湿空气干燥，否则表面干燥，内部潮湿，将引起表面干燥收缩而发生绕曲。,降速干燥阶段,2019/6/15,三、干燥曲线和干燥速率曲线,干燥曲线 ：,恒定干燥条件下，物料的含水率X与表面温度 与干燥时间的关系,干燥速率 ：,单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量,2019/6/15,1、干燥实验和干燥曲线,测定物料含水量与温度随时间的关系,随干燥时间的延续，水分不断汽化，湿料的质量不断下降，直至恒值。此时为动态平衡，含水量为平衡含水量。将物料放入电烘箱烘干到恒重，即为物料的绝干质量Gc,记录：时间物料质量物料温度,2019/6/15,恒定干燥条件下，用于描述物料含水量 X、干燥时间 及物料表面温度t之间 的关系曲线。,干燥曲线 ：,空气的温度、湿度、流速及物料接触方式不变,为了比较不同物料在相同条件下的干燥速率，还可以把干燥曲线转化成干燥速率曲线。,2019/6/15,1）干燥速率 ：单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量 。,2、干燥速率曲线,ABC段：恒速干燥阶段 AB段：预热段 BC