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学习情境三流化去湿合成氨用催化剂 Chapter 6 Drying,6.1湿空气的性质与湿度图,6.2干燥过程的物料衡算 与热量衡算,6.3干燥速率与干燥时间,6.4干燥器,概述（Introduction）,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。 例如： 制盐工业中，在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶粒； 塑料工业中，氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒。 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：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。,干燥方法的分类：根据加热方法可分为传导干燥、对流干燥和辐射干燥。,对流干燥过程举例,对流干燥器：空气通过送风机吹入空气预热器，预热后的热空气送入气流干燥管，湿料由螺旋加料器推入干燥器并分散于热气流中，受气流的输送并进行干燥，干燥产品通过旋风分离器从气流中分离出来，湿废气体由引风机抽出排空。,1-鼓风机；2-预热器； 3-气流干燥管；4-加料斗； 5-螺旋加料器；6-旋风分离器； 7-卸料阀；8-引风机。,化工生产中最常用的是对流干燥。,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,干燥过程的基本问题,(1) 干燥介质用量的确定； (2) 干燥条件的优化； (3) 干燥速率的强化； (4) 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。 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。,湿气体的性质,湿气体：绝干气体与湿份蒸汽的混合物，其性质与湿份蒸汽的数量有关。 在干燥过程中，随着物料中湿份的汽化，气体中湿份蒸汽的含量在不断增加，但绝干气体的量保持不变。,干球温度 t ：湿气体的真实温度，简称温度（ 或 K）。将温度计直接插在湿气体中即可测量。 系统总压 P ：即湿气体的总压。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。 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。,湿气体的干球温度和总压,湿份的表示方法,湿气体中湿份蒸汽的压力，用 p 表示（kpa ）； 当气体为湿份蒸汽所饱和时，湿份分压达到最大值，即系统温度下湿份的饱和蒸汽压。,对于空气-水系统： Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96 kg/kmol,湿份分压（Moisture partial pressure）,湿气体中湿份蒸汽的质量与绝干气体的质量之比。若湿份蒸汽和绝干气体的摩尔数 (nw, ng) 和摩尔质量 (Mw , Mg),绝对湿度(湿度) H（Humidity）,总压一定时，气体的湿度只与湿份蒸汽的分压有关。,kg湿份蒸汽/kg绝干气体,相对湿度（Relative humidity）,湿度只表示湿气体中所含湿份的绝对数，不能反映气体偏离饱和状态的程度（气体的吸湿潜力）。 相对湿度：一定的系统总压和温度下，气体中湿份蒸汽的分压 p 与系统温度下湿份的饱和蒸汽压 ps 之比。, 值越低，气体偏离饱和的程度越远，吸湿潜力越大； =100% 时，p=ps，气体被湿份蒸汽所饱和，不能再吸湿。 对于空气-水系统：,相对湿度（Relative humidity）,若 t 总压下湿份的沸点，湿份 ps P，最大 (气体全为湿份蒸汽) 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。, = 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，故气体用作干燥介质应预热。 H 不变而降低 t，气体趋近饱和状态。当气体达到饱和状态(露点)而继续冷却时，气体中的湿份将呈液态析出。,湿份为水时，可按下式由系统温度 t 计算饱和蒸汽压,湿比容H (Humid volume) 或干基湿比容 (m3/kg绝干气体),1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽所具有的体积,常压下(P=1013.25kpa) ：,湿比热cH (Humid heat)或干基湿比热J/(kg绝干气体 ),1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽温度升高1所需要的热量,式中：cg 绝干气体的比热，J/(kg绝干气体)； cv 湿份蒸汽的比热，J/(kg湿份蒸汽) 。,对于空气-水系统： cg=1.005 kJ/(kg)，cv=1.884 kJ/(kg),湿焓iH (Total enthalpy) 或干基湿焓 (kJ/kg绝干气体),1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽所具有焓的总和,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，若取0下的绝干气体和液态湿份的焓为零，则,对于空气-水系统：,干燥过程的基本规律,湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。 湿基湿含量 w：单位质量的湿物料中所含液态湿分的质量。,干基湿含量 X：单位质量的绝干物料中所含液态湿分的质量。,换算关系：,物料湿分的表示方法,工业生产中，物料湿含量通常以湿基湿含量表示，但由于物料的总质量在干燥过程中不断减少，而绝干物料的质量不变，故在干燥计算中以干基湿含量表示较为方便。,湿份在气体和固体间的平衡关系,湿份的传递方向 (干燥或吸湿) 和限度 (干燥程度) 由湿份在气体和固体两相间的平衡关系决定。,p,X,ps,Xh,平衡状态：当湿含量为 X 的湿物料与湿份分压为 p 的不饱和空气接触时，物料将失去自身的湿份或吸收气体中的湿份，直到湿份在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿份分压。 平衡湿含量：平衡状态下物料的湿含量。不仅取决于气体的状态，还与物料的种类有很大的关系。,X*,p,结合水分：与物料存在某种形式的结合，其汽化能力比独立存在的水要低，蒸汽压或汽化能力与水分和物料结合力的强弱有关。,结合水分与非结合水分,非结合水分：与物料没有任何形式的结合，具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力。,湿含量 X,Xh,相对湿度 ,非结合水分,结合水分,0,1.0,0.5,结合水分按结合方式可分为：吸附水分、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)。 化学结合水分与物料细胞壁水分以化学键形式与物料分子结合，结合力较强，难汽化；吸附水分和毛细管水分以物理吸附方式与物料结合，结合力相对较弱，易于汽化。,平衡水分和自由水分,平衡水分：低于平衡湿含量 X* 的水分。是不可除水分。 自由水分：高于平衡湿含量 X* 的水分。是可除水分。,吸湿过程：若 XXh ，则物料将吸收饱和气体中的水分使湿含量增加至湿含量 Xh，即最大吸湿湿含量，物料不可能通过吸收饱和气体中的湿份使湿含量超过 Xh。欲使物料增湿超过 Xh，必须使物料与液态水直接接触。,干燥过程：当湿物料与不饱和气体接触时，X 向 X* 接近，干燥过程的极限为 X*。物料的 X* 与湿气体的状态有关，气体的温度和湿度不同，物料的 X* 不同。欲使物料减湿至绝干，必须与绝干气体接触。,湿含量 X,Xh,相对湿度 ,非结合水分,结合水分,自由水分,平衡水分,X*,0,1.0,0.5,物料的吸湿性,物料湿含量的平衡曲线有两种极端情况。 强吸湿性物料：与水分的结合力很强，平衡线只是渐近地与 = 100% 接近，平衡湿含量很大。如某些生物材料。 非吸湿性物料：与水结合力很弱，平衡线与纵坐标基本重合，X*=Xh0，如某些不溶于水的无机盐(碳酸盐、硅酸盐)等。,一般物料的吸湿性都介于二者之间。,对流干燥的基本规律,对一定干燥任务，干燥器尺寸取决于干燥时间和干燥速率。 由于干燥过程的复杂性，通常干燥速率不是根据理论进行计算，而是通过实验测定的。 为了简化影响因素，干燥实验都是在恒定干燥条件下进行的，即在一定的气固接触方式下，固定气体的温度、湿度和流过物料表面的速度进行实验。 为保证恒定干燥条件，采用大量空气干燥少量物料，以使气体的温度、湿度和流速在干燥器中恒定不变。实验为间歇操作，物料的温度和湿含量随时间连续变化。,干燥曲线和干燥速率曲线 Drying curve and drying-rate curve,恒速干燥段 (Constant-rate period)： 物料温度恒定在 tw，X 变化呈直线关系，气体传给物料的热量全部用于湿份汽化。,预热段(Pre-heat period)： 初始湿含量 X1 和温度 1 变为 X 和 tw。物料吸热升温以提高汽化速率，但湿含量变化不大。,干燥曲线：物料湿含量 X 与干燥时间 的关系曲线。,干燥曲线和干燥速率曲线,A,湿含量X,Xc,tw,D,C,B,A,D,C,B,t,X*,物料表面温度,干燥时间 ,预热段,恒速段,降速段,降速干燥段 (Falling-rate period)： 物料开始升温，X 变化减慢，气体传给物料的热量仅部分用于湿份汽化，其余用于物料升温，当 X = X* ， = tW。,物料的结构和吸湿性,降速段干燥速率曲线的形状因物料的结构和吸湿性而异。,多孔性物料 (Porous media)：湿份主要是藉毛细管作用由内部向表面迁移。 非多孔性物料 (Nonporous media)：借助扩散作用向物料表面输送湿份，或将湿份先在内部汽化后以汽态形式向表面扩散迁移。如肥皂、木材、皮革等。 吸湿性物料 (Hygroscopic media)：与水份的亲合能力大。 非吸湿性物料 (Nonhygroscopic media)：与水份的亲合能力小。 不同物料的干燥机理不同，湿份内扩散机理不同，干燥速率曲线的形状不同，情况非常复杂，故干燥曲线应由实验的方法测定。,干燥速度和干燥速率的定义,干燥速率U：干燥器单位时间内汽化的湿分量 (kg湿分/s)。微分形式为，,式中：U 干燥器的干燥速率，kg/s； W 汽化水份量，kg； Gc 绝干物料的质量，kg；,干燥速度 (干燥通量) N：干燥器单位时间内在物料单位表面积上汽化的湿分量（kg湿分/(m2s)）。微分形式为,式中：N 干燥器的干燥速度，kg/(m2s)； A 物料表面积，即干燥面积，m2。,如果物料的形状规则，干燥面积容易求出，使用干燥速度较为方便。,如果物料形状是不规则的，干燥面积不易求出，则可使用干燥速率进行计算。,设物料的初始湿含量为 X1，产品湿含量为 X2： 当 X1Xc 和 X2Xc 时，干燥有两个阶段； 当 X1Xc 或 X2Xc 时，干燥都只有一个阶段，即恒速干燥段。,由于物料预热段很短，通常将其并入恒速干燥段； 以临界湿含量 Xc 为界，可将干燥过程只分为恒速干燥和降速干燥两个阶段。,干燥速率曲线：干燥速率 U 或干燥速度 N 与湿含量 X 的关系曲线。干燥过程的特征在干燥速率曲线上更为直观。,干燥曲线和干燥速率曲线,A,B,C,D,干燥速率 U 或 N,A,B,C,D,物料温度,tw,Xc,X*,湿含量 X,I,II,C,理论解释,对固体干燥过程中出现两个干燥阶段如何解释？ 固体干燥过程中热量、质量同时传递，传热速率和传质速率可以表示为,式中：q 传热通量，W/m2； N 干燥通量，kg/(m2s)； Q 传热量，J； W 物料中所含的湿份总量，kg； h 对流传热系数或给热系数，W/(m2K)； kp 推动力为p的对流传质系数，kg/(m2ps)； t 气体的温度，； 物料的表面温度，； pi 物料表面处湿分蒸汽的分压，kN/m2； p 气体中湿分蒸汽的分压，kN/m2。,理论解释,恒速干燥段：物料表面湿润，X Xc，汽化的是非结合水分。,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。降速干燥段又称为内部迁移控制阶段。,恒定干燥条件下 = tw，p = ps,h 和 kp 不变,由物料内部向表面输送的湿份足以保持物料表面的充分湿润，干燥速率由湿份汽化速率控制(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。,湿物料与气体间的q 和 N 恒定,临界湿含量（Critical 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。,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。,影响干燥过程的主要因素,物料尺寸和气固接触方式,减小物料尺寸，干燥面积增大，干燥速率加快。,(c) 干燥介质自下而上穿过物料层，可形成流化床 。,(b) 干燥介质自上而下穿过物料层，不能形成流化床 ；,(a) 干燥介质平行掠过物料层表面 ；,干燥介质条件,物料本性,通过强化外部干燥条件 (t，H，u) 来增加传热传质推动力，减小气膜阻力，可提高恒速段 (表面汽化控制) 的干燥速率，但对降速段 (内部扩散控制) 的改善不大。 强化干燥条件将使 Xc 增加，更多水分将在降速段汽化。 气体温度的提高受热源条件和物料耐热性的限制。 u，H ，需使用更大量的气体，干燥过程能耗增加。,物料本性不影响恒速段的干燥速率； 物料结构不同，与水分的结合方式、结合力的强弱不同，降速段干燥速率差异很大。 强化干燥速率时，须考虑物料本性。若恒速段速率太快，有些物料会变形、开裂或表面结硬壳；而在降速段则应考虑物料的耐热性，如热敏性物料不能采用过高温度的气体作为干燥介质。,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。,绝干气体消耗量,绝干气体比消耗,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,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)：,物料焓：,气体焓：,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干燥介质； 间接换热式：如间壁换热器。,空气预热器传给气体的热量为,如果空气在间壁换热器中进行加热，则其湿度不变，H0=H1，即,通过预热器的热量衡算，结合传热基本方程式，可以求得间壁换热空气预热器的传热面积。,立筒式金属体燃煤 间接加热热风炉,干燥器的热量衡算,热气体在干燥器中冷却而放出的热量 ：,物理意义：气体在干燥器中放出的热量和补充加热的热量用于汽化湿分、加热产品和补偿设备的散热损失。,干燥器的热量衡算,理想干燥过程：气体放出的显热全部用于湿分汽化。 多数工业干燥器无补充加热，如果散热损失可视为零且物料的初始温度与产品温度相同，则加热物料所消耗的热量为零；或当干燥器的补充加热量恰等于加热物料和散热损失的热量，则干燥过程可视为理想干燥过程。,理想干燥过程的热量衡算式为,理想干燥过程可近似为等焓过程，对空气-水系统：,干燥系统的热效率和干燥效率,热效率的定义：用于汽化湿分和加热物料的热量与外界向干燥系统提供的总热量之比，即,Ql, Ql ，h 。气体用量，Ql ，干燥任务一定， 气体用量， Qd ，可以提高干燥系统的热效率。,若 Ql = Qd =0,干燥系统的热效率和干燥效率,干燥效率：汽化湿分所需热量与气体在干燥器中放出的热量之比值。（因为汽化湿分的热量才是有效热量）,干燥系统的总效率 ：,对理想干燥过程： Qg= Qw，d,max=100%,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：,干燥过程中的物料温度,在不同的干燥阶段，物料温度的变化规律不同。,恒速干燥段的物料温度,恒定条件下，恒速干燥段物料表面维持在一个稳定温度 tw。,(1) 气体的湿球温度（Wet-bulb temperature）,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,由于方程的非线性，求解 tw 需用试差法。,恒速干燥段的物料温度,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 与速度等因素无关，而仅取决于系统的物性。,饱和气体：H = Hw，tw = t，即饱和气体的干、湿球温度相等。 不饱和气体：H Hw，tw t。,对于空气-水系统：,结论： tw = f (t, H) ，气体的 t 和 H 一定，tw 为定值。,恒速干燥段的物料温度,(2) 湿球温度的测定,湿球温度计测定湿球温度的条件是保证纯对流传热，即气体应有较大的流速和不太高的温度，否则，热传导或热辐射的影响不能忽略，测得的湿球温度会有较大的误差。,通过测定气体的干球温度和湿球温度，可以计算气体的湿度：,气体,t,tw,恒速干燥段的物料温度,(3)恒速干燥段的物料温度,物料充分湿润，湿分在物料表面的汽化和在液面上汽化相同。 物料经过预热，很快达到稳定的温度，由于对流传热强烈，物料温度接近气体的湿球温度 tw。,对于空气-水系统， tw100。当气体的湿度一定时，气体的温度越高，干、湿球温度的差值越大。 结论：当物料充分湿润时，可以使用高温气体做干燥介质而不至于烧毁物料。例如，可以使用500的气体烘干淀粉。,对初始温度为 20、相对湿度为 80% 的常压空气,降速干燥段的物料温度,降速干燥段物料的温度 随湿含量 X 的降低而升高。 降速干燥段汽化的水份包括结合水分，其性质与物料本性的关系十分复杂， 故 X 的变化规律通常需通过实验测定。,假如 (1) 降速段干燥曲线为直线；(2) 空气干燥条件恒定； (3) 物料粒径在 2-3mm 以下；(4) Xc0.05。,t、tw 气体的干球温度和湿球温度，； X、Xc、X* 物料的湿含量、临界湿含量和平衡湿含量； cs 绝干物料比热，kJ/(kg)； rw 湿球温度下的汽化潜热，kJ/kg； 物料温度，。,气体进出口状态的确定,物料性质(耐热性或热敏性物料) 热源条件(蒸汽或烟道气) 干燥工艺(室式、气流或流化床干燥),干燥器进口气体 的温度 t1 和湿度 H1,干燥介质为空气时：进口湿度取决于大气的条件和预热器的加热方式。对间壁换热器，H1=H0。因燃料携带的少量水分或在燃烧过程中生成的水分，烟道气湿度高于大气湿度。,干燥器出口气体的温度 t2 和湿度 H2,以蒸汽为热源通过间壁换热产生的热空气，其出口温度一般取为60 90。,气体出口温度，传热传质推动力，干燥速率，放空热损失，热效率。 气体出口温度 ，推动力 ，生产能力 ，甚至发生吸湿返潮现象，严重时会堵塞设备和管道，破坏干燥器的正常操作。,干燥器的经济性,露点温度及气体出口温度的校核,目的：防止气体出口湿度过高所引起的湿分凝结。 方法：由气体出口湿度求得露点温度 td，再根据气体出口温度与 td 的差值来判断是否会发生湿分凝结。,干燥系统中气体的极限温度,对于空气-水系统,为确保物料在干燥器以及其后的分离除尘系统中不发生返潮，工业上一般取气体的出口温度高于露点温度 20-50。,当气体的 P、H 不变，则湿分分压 p 不变。 ps = p, ts=td,露点温度及气体出口温度的校核,露点温度测定方法： 将一面用冷却剂冷却的镜子置于气样中，当与镜面接触的气体开始析出液体时，镜面上形成的薄雾使光线的反射能力开始变差，此时镜面的温度即为露点温度。,干燥过程中气体状态的变化,干燥器中气固两相的流动方向可分为并流、逆流和错流。,预热段的气体状态,预热段为物料单纯加热过程，物料湿含量可视为不变。若忽略预热段散热损失，则气体放出的热量全部用于加热物料。,L, t1, H1,tb , Hb,tc , Hc,tw , Xb,tw , Xc,Gc, 1, X1,L, t2, H2,Gc,2, X2,高温不饱和气体与液体在绝热条件下进行传热传质并达到平衡状态的过程。达到平衡时，气体与液体温度相等，气体为液体的蒸汽所饱和。,恒速干燥段的气体状态,若忽略散热损失，恒速段气体放出的显热全部用于湿分汽化，气体状态经历降温增湿的变化。,(1) 绝热饱和过程 (Adiabatic saturation process),绝热饱和温度 tas：过程结束时气液两相达到的同一温度,由于 ras 和 Has 是 tas 的函数，故绝热饱和温度 tas 是气体温度 t 和湿度 H 的函数。已知 t 和 H，可以试差求解 tas。,对于空气-水系统：,(2) 恒速干燥段气体状态,忽略散热损失,上两式为恒速段气体温度 t 和湿度 H 随 X 的变化关系。 给定 X (Xc X X1)，即可求得对应的气体温度 t 和湿度 H。 已知物料的Xc，可计算临界点的气体温度 tc 和湿度 Hc。,降速干燥段气体状态,忽略散热损失,上两式为降速段气体温度 t 和湿度 H 随 X 的变化关系。 给定 X (X2 X Xc)，即可求得对应的气体温度 t 和湿度 H。,恒定干燥条件下物料的干燥时间,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湿含量所需的干燥时间，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 A 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。,恒速干燥段的干燥时间,(1) 对于板状物料或静止的物料层,L 湿气体质量流速，kg/(m2h)；,u0 空床气速，m/s； L 湿气体质量流速，kg/(m2h)； dp 物料粒径，m； cp 物料比热，kJ/(kgK)； 、 气体的密度和粘度。,(2) 气体穿流通过颗粒物料的固定床层,适用条件：L=245029300 kg/(m2h)，气体温度 45150。,(3) 气体通过颗粒流化床层,因流化床中气固两相对流传热机理的复杂性，实验结果分散，误差很大。,等速运动段,(4) 气流干燥器中气体与颗粒间的传热, Frantz 表观给热系数 通用计算式,加速运动段的给热系数 随物性和操作条件而异,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。,聚氯乙烯 桐荣良三式,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,Xc,X2,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,B,C,D,干燥速率 U,X,U,Xc,X*,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,气体湿度焓图（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。,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),(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) 。,注意：高温 t H 图具有不同的特点，例如，湿比热 cH 与温度 t 有关。高温 t H 图可从有关手册查取。,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8-1】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,空气湿度图的用法 （Use of humidity chart）,【例8-1】已知 t=62，H=0.092，求、tas、tw、td、cH 和 IH。,在 H t 线簇中内找到 H=0.092 的直线，该直线与 t = 62 的等温线相交于一点，由该交点读得 H =1.092 m3/kg绝干气体；,62,温度 t,1.092,H (m3/kg),H t,在 t-H 图中没有湿焓 IH，可直接由公式计算：,Has t,H=0.092,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8-2】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 和 IH。,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，计算得出 IH = 302.26 kJ/kg。,空气湿度图的用法 （Use of humidity chart）,【例8-3】已知空气的露点温度 td=51，相对湿度 =60% ，试求 t、H、tas、tw 和 IH。,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，计算得 IH = 302.26 kJ/kg。,干燥器 （Dryer）,干燥器：实现物料干燥过程的机械设备。,被干燥物料的特点：,形状：有板状、块状、片状、针状、纤维状、粒状、粉状，膏糊状甚至液状等； 结构：多孔疏松型，紧密型； 耐热性：热敏性； 结块：易粘结成块的湿物料在干燥过程中能逐步分散，散粒性很好的湿物料在干燥过程中可能会严重结块。,对产品的要求：,干燥程度：脱除表面水分，结合水分甚至结晶水分。要求的平均湿含量和干燥均匀性。 外观：一定的晶型和光泽，不开裂变形等。,由于物料的多样性，年生产能力也有很大差别，故干燥器的形式也很多。,干燥器 （Dryer）,按加热方式可将干燥器分为：,干燥器的选型应考虑以下因素：,(1) 对流干燥器，如：洞道式干燥器、转筒干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器等； (2) 传导干燥器，如：滚筒式干燥器、耙式干燥器、间接加热干燥器等； (3) 辐射干燥器，如：红外线干燥器； (4) 介电加热干燥器，如：微波干燥器。,(1) 保证物料的干燥质量，干燥均匀，不发生变质，保持晶形完整，不发生龟裂变形； (2) 干燥速率快，干燥时间短，单位体积干燥器汽化水分量大，能做到小设备大生产； (3) 能量消耗低，热效率高，动力消耗低； (4) 干燥工艺简单，设备投资小，操作稳定，控制灵活，劳动条件好，污染环境小。,对流干燥器（Convective Dryer）,(1) 并流干燥,(2) 逆流干燥,高湿含量物料在进口与高温低湿气体接触，传热传质推动力大，干燥速度很快。低湿含量物料在出口与低温高湿气体接触，推动力小，干燥速度较慢。适用于湿物料能承受强烈干燥而不发生龟裂、变形或表面结硬壳，而干物料又不能耐高温，且产品湿含量较高的情况。,(3) 错流干燥,进口端湿物料与低温高湿的气体接触，出口端干物料与高温低湿的气体接触，各处干燥推动力和干燥速度比较均匀，适用于湿物料不允许强烈干燥，而干物料又可以耐高温，产品湿含量很低的场合。,干燥介质垂直穿过物料层，气体进入和流出物料层时，其温度和湿度均有较大变化，要求物料能耐高温，并能承受快速干燥。,气流干燥器（Flash dryer）,气流干燥器的结构与流程：,1 - 空气过滤器 2 - 空气加热器 3 - 加料器 4 - 风机 5 - 干燥管 6 - 旋风分离器 7 - 除尘器,气流干燥器（Flash dryer）,气流干燥器的缺点,(1) 物料停留时间短，只适合于干燥非结合水分的干燥，故常被用作物料的预干燥； (2) 颗粒破碎现象比较严重，颗粒之间以及颗粒与器壁之间的碰撞与摩擦频繁。故不适合于干燥晶形不允许破坏的物料； (3) 气固两相分离任务很重，固体产品的放空损失较大，粉料排空对环境造成一定污染； (4) 气固两相接触时间短，传热不充分，气体放空损失大，热效率较低； (5) 气体通过干燥系统的流动阻力较大，因而风机的动力消耗较高，故总能耗较高。,加速运动段是气流干燥器最有效的干燥区段，一根 10m 长的气流管，80%左右的水分量是在长约 2m 左右的加速段汽化干燥的。,气流干燥器的传热强化,(1) 多级气流干燥器,(2) 脉冲式气流干燥器,(3) 旋风式气流干燥器,将多台气流干燥串联使用，总管长相同的情况下，加速段增加。且各干燥器可选择合适的气体条件，有利于热能的回收和合理利用。在淀粉、奶粉生产中被广泛采用。,脉冲管内气速随管径变化而交替地增大和减小。由于惯性的作用，颗粒运动速度滞后气体，使气固两相的相对速度增加。,类似于旋风分离器，但更长，气流携带固体颗粒沿切线方向进入后作螺旋运动，使物料在瞬间得到干燥。适用于允许磨损的热敏性物料（如制药行业）。,散粒状湿物料从加料口加入，热气体穿过流化床底部的多孔气体分布板，形成许多小气流射入物料层。 将操作气速控制在一定范围内时，颗粒物料悬浮在上升的气流中形成沸腾状流化床，料层内颗粒物料的相互碰撞、混合剧烈，气固两相间的传热传质过程得到强化，使物料得以干燥。 干燥产品经床侧出料管卸出，湿废气体由引风机从床层顶部抽出排空，用旋风分离器分离所夹带的少量细微粉。,流化床干燥器（Fluidized bed dryer）,又称为沸腾床干燥器，是流态化技术在干燥作业上的应用。,结构及操作原理,湿物料,废气,热空气,干品,流化床干燥器（Fluidized bed dryer）,流化床干燥器（Fluidized bed dryer）,流化床干燥器的特点,(1) 气流干燥与流态化干燥的区别在于操作气速不同。气流管中颗粒浓度较低，流化层中颗粒浓度较大； (2) 流化床操作气速低，但颗粒浓度高，气固接触面积很大，颗粒剧烈运动使气膜受到强烈冲刷，表面更新速率很快，传热传质速率很高，体积传热系数 a 可达23007000 W/(m3K)； (3) 物料颗粒的剧烈运动和相互混合使床内各处的温度均匀一致，避免了物料的局部过热，为物料的优质干燥提供了条件； (4) 物料停留时间任意可调，特别适合于干燥结合水分； (5) 连续操作时物料的停留时间分布很不均匀，部分物料因停留时间过短而干燥不充分(underdry)，部分颗粒因停留时间过长而过分干燥(overdry)。单层流化床仅用于对产品湿含量的均匀性要求不高的场合，如硫铵、磷铵和氯化铵等的干燥。,工业上常将流化床干燥器与气流干燥器串联使用，利用气流干燥的闪蒸作用，迅速使物料的表面水分汽化，然后送入流化床干燥器中进一步脱除物料所含的结合水分。,流化床干燥器的工艺流程,XF系列沸腾干燥器 常州优力干燥设备有限公司,流化床干燥器的用途,流化床干燥器适用于散粒状物料的干燥。 物料的粒径一般为 0.16 mm，最佳粒径为 0.53 mm。,(1) 医药药品中的原料药、压片颗粒、中药冲剂； (2) 化工原料中的塑料树脂、柠檬酸和其它粉状、颗粒状物料的干燥除湿； (3) 食品、粮食加工、食品饮料冲剂、玉米胚芽、饲料等的干燥。,停留时间不均匀问题的解决方法,多层流化床,固体在每一层完全混合，但层与层之间不相混。改善了物料停留时间的分布，层数越多，产品湿含量愈均匀。国内使用五层流化床干燥涤纶切片，效果很好。 气固两相逆流流动，有利于降低产品的湿含量，且可使热量的利用更加充分。 多层流化床特别适合于产品湿含量较低、冷物料不能承受强烈干燥而干物料可以耐高温的场合。 多层床其结构复杂，气体的流动阻力也较大，因而限制了多层流化床的应用。,主要问题：控制物料顺利流至下一层的量，且不使气体沿溢流管短路跑掉。在应用中常因操作不当而不能正常生产。,可按需将床层分隔成 36 室，最多可达 12 室（如聚丙烯流化床干燥器）。 物料依次通过各室，最后翻过堰板卸出。多个全混室串联的结果使物料的停留时间分布接近活塞流。 各室气体流速、温度可灵活调节，以形成最佳流化状态和干燥条件， 气体压降比多层床低，操作稳定性也好，但热效率不及多层床高。,停留时间不均匀问题的解决方法,卧式多室流化床,流化床干燥器结构简单，造价较低，可动部件少，维修费用低，物料磨损较小，气固分离比较容易，传热传质速率快，热效率较高，物料停留时间可以任意调节，因而这种干燥器在工业上获得了广泛的应用，已发展成为粉粒状物料干燥的最主要手段。,沸腾制粒干燥器,空气由系统风机从过滤器、加热器入口吸入，经净化、加热后从制粒器下部筛网穿过，高速气流维持粉末物料悬浮，形成稳定的流化床； 粘结剂溶液经输液泵压送到喷枪，呈雾状喷射到干燥室中，使粉末凝聚成多孔状颗粒； 粒子形成后，按预定周期在干燥器中干燥，含湿空气经干燥器顶部防静电袋滤器脱除粉尘后排至室外。,沸腾制粒干燥器,沸腾制粒方法是喷雾技术和流化技术综合运用的成果，使传统的混合、制粒、干燥过程在同一密闭容器中一次完成，故又称为“一步制粒器”。,沸腾制粒干燥器的特点,(1) 粉末制粒后，改善了流动性，减少了粉尘的飞扬，同时获得了溶解性良好的产品； (2) 由于混合、制粒、干燥过程一次完成，热效率高； (4) 产品的粒度能自由调节； (5) 设备无死角，卸料快速、安全、清洗方便。,沸腾制粒干燥器,FLCFLB型沸腾制粒干燥器 常州优力干燥设备有限公司,GFG型沸腾制粒干燥器 常州优力干燥设备有限公司,振动流化床干燥器,用途：用于干燥难以流化的物料。,物料自进料口进入，在振动力作用下，物料沿水平流化床抛掷向前连续运动，热风向上穿过流化床同湿物料换热后，湿空气经旋风分离器除尘后由排风口排出，干燥物料由排料口排出。,振动流化床干燥器,振动流化床干燥器的特点,(1) 医药化工。如各种压片颗粒、硼酸、硼砂、苯二酚、苹果酸、马来酸等。 (2) 食品建材。如酒糟、味精、砂糖、食盐、矿渣、豆瓣、种籽等。 (3) 物料的冷却、增湿等。,(1) 物料受热均匀，热交换充分，干燥强度高，比普通干燥器节能30%左右； (2) 流态化稳定，无死角和吹穿现象； (3) 可调性好，适应面宽，料层厚度和在机内移动速度以及振幅变更均可实现无级调节； (4) 对物料表面损伤小，可用于易碎、颗粒不规则物料的干燥； (5) 全封闭结构可有效防止物料与空气间的交叉污染。,振动流化床干燥器的应用范围,振动流化床干燥器,ZLG系列振动流化床干燥器 常州优力干燥设备有限公司,喷雾干燥器（Spray dryer）,用于干燥溶液、浆液或悬浮液。液状物料由雾化器喷成雾状细滴并分散于热气流中，使水分迅速汽化而获得微粒状干燥产品。,雾滴直径通常仅为 3060m，每升料液具有 100600m2 的蒸发面积，故所需干燥时间很短（约为530s）。 特别适合于干燥热敏性的物料，如牛奶、蛋制品、血浆、洗衣粉、抗菌素、酵母和染料等，已广泛应用于食品、医药、燃料、塑料及化学肥料等行业。,喷雾干燥器（Spray dryer）,喷雾干燥器（Spray dryer）,1 - 滤风罩 2 - 送风机 3 - 加热器 (电,蒸汽,燃油,气,煤) 4 - 料槽 5 - 供料泵 6 - 喷枪 7 - 干燥塔 8 - 一级收尘器 (旋风分离器) 9 - 二级收尘器 (旋风分离器,袋滤器) 10 - 引风机 11 - 湿式除尘器 (水沫除尘器,文丘里),雾化器（Sprayer）,雾化器的一般要求,雾化器是喷雾干燥器的关键部件，它将影响到产品的质量和能量消耗，好的雾化器应具有雾滴直径均匀，喷嘴结构简单，生产能力大，能量消耗低，操作方便等特点。,气流式雾化器,压缩空气在喷嘴处达到音速并形成很低的压力，抽送料液由喷嘴成雾状喷出。可制备粒径小于 5m 的微细颗粒，能处理粘度较大的料液，但动力消耗较大，装置的生产能力较小。,雾化器（Sprayer）,离心式雾化器,料液送入一高速旋转的（400020000 rpm）装有放射形叶片的圆盘中央，在离心力作用下加速从周边（周向速度100160m/s）呈雾状洒出。,优点：操作简单，对物料的适应能力强，操作弹性大，产品粒径均匀。特别适合于处理固相含量较高的液体。 缺点：干燥器直径较大，雾化器加工难度大，制造价格高。,雾化器（Sprayer）,压力式雾化器,应用最为广泛。用泵将料液加压至 30-200atm 并通入喷嘴，喷嘴内有螺旋室，液体在其中高速旋转并从出口小孔处呈雾状喷出。,优点：结构简单，造价低，动力消耗低。 缺点：操作弹性小，产品粒径不均匀，喷嘴容易因腐蚀或磨损而影响喷雾质量。,喷雾干燥器（Spray dryer）气液流动方式,直线型并流：对于易粘壁的物料，液滴随气流并行向下，可减少液滴撞向器壁的机会，但停留时间短，干燥器的塔身较高。 螺旋形并流：物料停留时间较长，塔身可较低，但离心力作用使液滴甩向器壁的机会增多。 逆流：废气从塔顶排出，为了减少未干液滴随废气带出，气体速度不宜过高，故达到一定生产能力的干燥器直径较大。,优点：干燥速度快，干燥时间短，特别适合于热敏性物料；由液体直接得到干燥产品，无需蒸发、结晶、固液机械分离等操作，故又称为一步干燥法。 缺点：体积传热系数很低，a约为3090W/m2K，水分汽化强度仅为1020kg/m3h，故干燥器体积庞大，热效率较低，动力消耗较大。,提高生产能力的方法： 采用过热料液，在加压下将料液预热至200300进入雾化器，液滴通过吸收自身的显热而使部分水分汽化。,厢式 (室式) 干燥器 (Tray dryer),小型的称为烘箱，大型的称为烘房，可同时处理多种物料。 通常在常压或真空下间歇操作。厢内设有支架，湿物料放在矩形浅盘内，或悬挂在支架上(板状物料)，空气经加热器预热并均匀分配后，平行掠过物料表面，离开物料表面的湿废气体，部分排空，部分循环，与新鲜空气混合后用作干燥介质。,厢式干燥器的特点,对各种物料的适应性强，但物料得不到分散，气固两相接触不好，干燥时间长。可用多孔底板浅盘，使气体自上而下穿流通过物料层 (穿流型厢式干燥