化工原理_干燥.ppt

1,第 8 章 干燥,学习目的与要求,通过本章学习，应掌握干燥的基本概念和原理；湿空气的性质及湿焓图；干燥过程的物料衡算与热量衡算方法；干燥过程的平衡关系与速率关系，学会干燥时间的计算方法。,2,本章应重点掌握内容,1.湿空气的性质、湿度图及其应用 2.干燥过程的物料衡算与热量衡算 3.干燥过程的平衡关系与速率关系： 平衡曲线； 物料中所含水分的性质； 干燥曲线与干燥速率曲线； 干燥速率与干燥时间的计算； 干燥过程机理（热质同传机理）。,3,8.1 概述 8.1.1 干燥的原理 8.1.2 干燥的分类与应用,4,气、固相中所含湿分的不同。,分离物系,固体中的湿分。,形成两相体系的方法,引入一气相（干燥介质）。,传质依据,（固相气相）,8.1.1 干燥的原理 一、干燥过程的原理,干燥原理：热空气把热量传给湿物料，湿物料中的 水分受热汽化扩散到空气中被带走,干燥极限：物料中水汽分压 = 干燥介质中水汽分压,通常指水分,（空气）,5,湿 物 料,热 空 气,气膜,气相主体,q 推动力 t - tw,n 推动力 pw- p,固体物料干燥过程示意图,干燥过程热质同传示意图,6,工程中的常用除湿方法：, 机械除湿, 物理除湿, 热能除湿,干燥除湿的特点：, 除湿彻底；, 能耗高。,工业上多采用联合除湿节能,机械除湿,干燥除湿,沉降、,过滤、,离心分离,吸附（氯化钙、硅胶）,干燥,二、干燥过程与其他除湿方法的比较,干燥产品,7,1.按操作压力分类,干燥,3.按传热方式分类,常压干燥,真空干燥,传导干燥,对流干燥,2.按操作方式分类,辐射干燥,介电加热干燥,干燥,间歇干燥,连续干燥,干燥,8.1.2 干燥的分类与应用 一、干燥过程的分类,新技术：真空冷冻干燥 简称：冻干,8,应用示例：,2、湿聚氯乙烯干燥成聚氯乙烯产品,1、湿尿素干燥成尿素产品。,含水量 3%,含水量 0.5%,干燥,含水量 2%,含水量 0.3%,干燥,二、干燥过程的应用,3、刚打的粮食干燥成储备粮（例如玉米）,含水量 20%,干燥,含水量 12%（南方）,含水量 14%（北方）,国储玉米,9,8.2 湿空气的性质及湿焓图 8.2.1 湿空气的性质 8.2.2 湿空气的 h- i 图,10,干燥介质：,干燥湿分：,计算基准：,湿空气中水汽的质量与绝干空气的质量之比,定义：,湿空气,水分,1kg 绝干气,kg（水汽）/ kg绝干气），,h,符号：,单位：,kg / kg（绝干气）,8.2.1 湿空气的性质（p243） 一、湿度 h (湿含量),11,常压下湿空气可视为理想气体,水汽的分压,总压,12,湿空气被水所饱和,若,饱和湿空气,空气温度下纯水的饱和蒸汽压,13,湿空气中水汽分压与同温度水的饱和蒸汽压之比。,定义：,符号：,单位：,二、相对湿度,14,干燥 能力,吸收水 分能力,干燥 速率,传质 推动力,pv = 0, = 0,绝干空气,pv = ps, = 100,饱和空气,分析：,j 的大小，表明了空气偏离饱和的程度，体现了空气吸湿能力的大小。 j 越大, 吸湿能力越小； j 越小，吸湿能力越大，干燥速率越大。,15,以1 kg 绝干气为基准的湿空气的体积,m3（湿空气） / kg（绝干气）,定义：,符号：,单位：,三、比体积 vh,1kg 绝干空气的体积与其所携带的 h kg水汽的体积之和称为湿空气的比体积。,16,设:,湿空气的温度、湿度、总压： t， h， p，则,17,常压下将以 1kg 绝干气为基准的湿空气的温度升高（或降低）1 所吸收（或放出）的热量。,kj / (kg（绝干气）),定义：,符号：,单位：,设湿空气的湿度为 h,则,绝干气比热容,水汽的比热容,四、比热容 ch,常压下将 1 kg 绝干空气与其所携带的h kg水汽的温度升高（或降低）1 所吸收（或放出）的热量。,18,在常用温度范围内,cg =1.01 kj / (kg（绝干气）,cv =1.88 kj / (kg（水汽）,故有,kj / (kg（水汽）,19,kj/kg（绝干气）,以1 kg 绝干气为基准的湿空气的焓值,定义：,符号：,单位：,设绝干气的焓值为 ig，,水汽的焓值为 iv，则,五、焓 i,以 0为基准，设湿空气的温度为 t，湿空气的湿度为 h，,则,以 0的空气和 0的液态水为计算基准。,湿空气中1kg 绝干空气的焓与其所携带的h kg水汽的焓之和称为湿空气的焓,20,1. 干球温度与湿球温度,用普通温度计直接测得的湿空气的温度，称为干球温度，简称温度，以 t 表示。它是湿空气的真实温度。,(1) 干球温度 t,(2) 湿球温度 tw,用湿球温度计测得的湿空气的温度，称为湿球温度。湿球温度可度量湿空气的湿度之大小。,六、温度（p246）,21,水分汽化：向气相主体传递 (汽化热为水分本身温度降低放出显热),热量传递,湿度差,质量传递,温度差,热量由气相主体传递给水分 (气相温度下降),达平衡状态,t tw,温度维持不变,不饱和 湿空气,湿球温度的测量机理,（湿纱布处，局部）,22,设湿空气的干球温度为 t，湿空气的湿球温度为 tw，湿空气的湿度为 h，气膜中的饱和湿度为 hs,tw，则,传热速率为,j/s,传质速率为,kg/s,(3) 湿球温度与干球温度及湿度的关系,23,稳态下,联立得,测定 t、tw,湿度 h,未饱和湿空气，,t tw,饱和湿空气，,t = tw,24,不饱和 湿空气,水,绝热状态接触,水分汽化：向气相主体传递 (汽化热为水分本身温度降低放出显热),热量传递,饱和湿空气,湿度差,质量传递,温度差,热量由气相主体传递给水分 (气相温度下降绝热冷却),达饱和状态,t tas,h has, 100,2. 绝热饱和冷却温度 tas,25,绝热饱和温度与干球温度及湿度的关系如下：,未饱和湿空气的焓,饱和湿空气的焓,绝热过程,26,因为h、has值很小，故,整理得,空气-水蒸气系统：,比较得,27,不饱和 湿空气,饱和湿 空气,等湿下冷却达饱和状态,t td,h hs,td, 100,t,ps,示例：露珠的产生,不饱和湿空气，,t tw（tas） td,饱和湿空气 ，,t tw（tas）= td,3. 露点 td,28,在一定总压下，湿空气的各参数中，只有两个是独立的，只要确定了湿空气的两个独立参数，湿空气的状态就确定了。工程上为了方便计算，常将湿空气各参数标绘成图，称为湿空气的湿度图。,湿空气的 湿度图,湿度焓（hi）图,湿度温度（ht）图,8.2.2 湿空气的 h- i 图 一、h i 图的构造,29,常压下湿空气的 hi 图（p251）,等温线-左下右上,等焓线-左上右下,焓坐标（最左+三边）,水汽分压坐标（最右）,温度坐标,湿度坐标,等湿线-垂线,等相对湿度线-曲线,等水汽分压线-水平线,（p196）,30,hi 图由以下线群组成:,等湿线（等h 线），范围 00.2 kg/kg(绝干气)；,等焓线（等i 线），范围 0680 kj/kg(绝干气)；,等温线（等t 线），范围 0250；,等相对湿度线（等 线），范围 5 100；, =100 饱和空气线,蒸气分压线（pv 线），范围 026 kpa。,31,1.已知状态点求湿空气的参数,已知状态点可由 h-i 图求出湿空气的各参数值：,湿度 h，,温度，包括干球温度t、露点td、绝热饱和冷却温度tas（湿球温度tw）。,焓 i，,相对湿度 ，,蒸气分压 pv，,二、hi 图的应用,32,a,h,t,i,pv,td,tas,空气-水蒸气体系 tw tas,已知状态点求湿空气的参数,33,2. 由两个独立参数确定其他参数,已知两个独立参数可由 h i 图确定湿空气的状态点，继而求出湿空气的各参数值。,已知温度 t湿球温度 tw；,已知温度 t露点 td；,已知温度 t相对湿度 。,34,a,h,t,i,td,tas,已知 t tw 求其他参数,pv,空气-水蒸气体系 tw tas,35,a,h,t,i,pv,td,tas,tw,已知 t td 求其他参数,空气-水蒸气体系 tw tas,36,a,h,t,i,pv,td,tas,已知 t 求其他参数,空气-水蒸气体系 tw tas,37,解: (1) t1=293k=20 , j1 = 80%，,p总 =101.3kpa, t1 = 20 , 算得：ps1=2.338kpa,p1 = j1 ps1,【例8-1】,38,【例8-1b】,（2）t2 =373k=100, h2 = h1 = 0.0117,比质量分率，与温度无关,（p221） （p220）,39,经过加热，j，湿空气吸湿能力增大，是一种很好的 载湿体； i, 湿空气热焓增大，是一种很好的 载热体；,【例8-1】讨论：,所以，新鲜空气进入干燥器之前需要预热,t () j h i (kj/kg) 20 80% 0.0117 49.69 100 1.85% 0.0117 131.85,空气价廉易得，热空气是最常用的干燥介质,(小),(大),40,8.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 8.3.1 干燥过程的物料衡算 8.3.2 干燥过程的热量衡算 8.3.3 空气通过干燥器时的状态变化,41,（kg / kg湿物料） (干燥过程中基准有变化）,湿基含水量是指湿物料中水分的质量分数。,工业上通常用湿基含水量表示湿含量。,注意,8.3.1 干燥过程的物料衡算（p254） 一、湿物料含水量的表示方法 1.湿基含水量（质量分率）,( 常用于原料、在产品和产品质量分析、检测 ),42,干基含水量是指湿物料中水分质量与绝干物料的质量比。,（kg / kg绝干料） (干燥过程中基准无变化),两种含水量之间的关系,2.干基含水量（比质量分率）,(常用于干燥计算及科研试验),43,干燥器,新鲜空气,废气,湿物料,干燥产品,绝干空气流量,绝干物料流量,干燥产品流量,湿物料处理量,二、干燥系统的物料衡算,确定水分蒸发量 w（kg/s） 确定绝干空气用量 l (干气kg/s),角标：1干燥器进口； 2干燥器出口,h0,44,1.水分蒸发量,（kg/s）,2.空气消耗量,（kg 绝干气/s）,绝干空气消耗量,l 用途：,45,新鲜空气消耗量,（kg(新鲜气）/s）,单位空气消耗量,（kg(绝干气)/ kg (水),新鲜空气体积消耗量,（m3（新鲜气）/s）,46,3. 湿物料处理量及干燥产品流量,（kg/s）,绝干料衡算,湿物料处理量,干燥产品流量,（kg/s),47,【例8-2】,【例8-2】某厂用干燥器处理湿物料2100kg/h，已知物料湿基含水量由13%降至9%,干燥介质空气初温20,湿度h0为0.009 kg/kg绝干气，经加热器预热至115后进入干燥器。设空气离开干燥器时温度40，湿度h2为0.036 kg/kg绝干气，试求水分蒸发量w；干空气消耗量l；干燥得率97%时产品量g2；风机的风量vs。,解： 水分蒸发量 w 已知 w1= 13%, w2= 9%, g1= 2100kg/h, = 0.97 h0= 0.009 kg/kg绝干气，h2 = 0.036 kg/kg绝干气 先把湿物料湿基含水量换算成干基含水量,48,【例8-2b】,送入干燥器的绝干物料量 g = g1(1-w1) =2100(1-0.13) = 1827 kg绝干料/h 则水分蒸发量 w = g (x1-x2) =1827(0.149-0.099) = 91.35 kg水/h,干空气消耗量 l,空气通过预热器湿度不变，即 h1 =h0,49,【例8-2c】,干燥得率97%时产品量g2,得率=实际产品量/理论产品量 = g2/ g2 = 0.97 g2 = g2 = (g1 w) = 0.97(2100 91.35) = 1948.39 kg/h = 0.541 kg/s,讨论：干燥产品量（理论值）g2 的 3 种求法（p234）, g2 = g1 ( 1 w1 ) / ( 1 w2 ) = 2100(1 0.13) /(1 0.09) = 2007.69 kg/h, g2 = g1 (1+x2) / (1+x1) = 2100(1 + 0.099) /(1 + 0.149) = 2008.62 kg/h, g2 = g1 w = 2100 91.35 = 2008.65 kg/h,50,【例5-2d】,风机的风量v ”,vh = (0.722+1.2440.009) 293/2731 = 0.73321.073 = 0.787 m3新鲜空气/kg干气,v ”= l vh = 3383 0.787 =2663 m3新鲜空气/h,51,干燥器热量衡算示意图,qp预热器消耗热量，kw；,qd干燥器补充热量，kw；,ql热损失，kw。,干燥器,新 鲜 空 气,废 气,湿 物 料,干燥 产品,预热器,8.3.2 干燥过程的热量衡算 一、热量衡算基本方程,t2,t1,h2,i1,52,预热器热量衡算,干燥器热量衡算,整个干燥系统热量衡算,53,由,设,绝干空气的焓,水汽的焓,则,54,以 0为基准,故,受热空气 的焓变,蒸发水分 的焓变,55,湿物料的 平均比热容,绝干料的 平均比热容,水的 比热容,物料的焓值,56,由,整理得,加热 空气 热量,加热 物料 热量,蒸发 水分 热量,损失 热量,总热量 = + + +,57,定义,二、干燥系统的热效率,热效率表示输入系统的总热量中真正用于汽化水分的那部分热量所占的百分数,58,a,b,c,1.等焓干燥过程的状态变化,理想干燥 绝热干燥,8.3.3 空气通过干燥器时的状态变化 一、等焓干燥过程,59,不向干燥器补充热量，,干燥器的热损失可忽略，,物料进出干燥器的焓相等，,d=0,l=0,2. 等焓干燥过程的条件,60,a,b,1.非等焓干燥过程的状态变化,实际 干燥,等温 干燥,升焓 干燥,降焓 干燥,二、非等焓干燥过程,61,降焓干燥过程应满足以下条件：,不向干燥器补充热量，,干燥器的热损失不能忽略，,物料进出干燥器的焓不相等，,d=0；,l 0；,2.非等焓干燥过程的条件,62,升焓干燥过程应满足以下条件：,需向干燥器补充热量，且,干燥器的热损失不能忽略，,物料进出干燥器的焓不相等，,l 0。,63,64,8.4 干燥过程的平衡关系与速率关系（p264） 8.4.1 干燥过程的平衡关系 8.4.2 干燥过程的速率关系 8.4.3 干燥机理及干燥时间的计算,65,湿物料,湿空气,接触 时间,平衡曲线,达平衡状态时,平衡 湿含量,x*,x,8.4.1 干燥过程的平衡关系 一、平衡曲线,66,1新闻纸 2羊毛、毛织物 3硝化纤维 4丝 5皮革 6陶土 7烟叶 8肥皂 9牛皮胶 10木材 11玻璃绒 12棉花,平衡含水量x*与空气相对湿度 的关系（25 ）,67,j - x 关系,在一定的温度范围内，温度改变对 j x 关系的影 响很小，可视为 t 与 j x 无关。使用方便。,非吸湿性物料： xb* = x*0,强吸湿性物料： xb* ,大多数物料介于两者之间。,物料的吸湿性,0,68,在一定的干燥条件下,不能被除去的水分,平衡水分 x*,大于平衡水分的水分,自由水分 x-x*,物料所含水分 平衡水分 + 自由水分,平衡水分,自由水分,按能否被除去划分，取决于物料的性质和空气的状态,1.平衡水分与自由水分,二、物料中所含水分的性质,69,2. 结合水分与非结合水分,物料表面吸附及空隙中所含的水分,物料细胞壁及毛细孔道内所含的水分,湿物料,结合 水分,非结合 水分,70,非结合水分的特点：,，结合力弱，容易除去。,物料所含水分结合水分非结合水分,71,总 水 分,平衡水分,自由 水 分,非结合水分,结合水分,固体物料中所含水分的性质,72,1.恒定干燥实验,恒定干燥条件如下：,间歇操作；,用大量的空气干燥少量的物料；,维持空气的速度及与物料的接触方式不变。,实验数据：,8.4.2 干燥过程的速率关系 一、干燥实验和干燥曲线,恒定干燥条件：空气的温度、湿度、流速、与物料的接触方式均不变,73,1洞道干燥室 2离心鼓风机 3孔板流量计 4温度计 5干燥物料 6重量传感器 7加热器 8湿球温度计 9干球温度计 10重量显示仪 11温度显示仪 12湿球温度显 示仪 13电加热控制 仪表,洞道干燥实验流程示意图,74,预热阶段,恒速干燥阶段（第一干燥阶段）,降速干燥阶段（第二干燥阶段）,热量主要用于物料升温,热量用于 汽化水分,热量用于汽化水分和加热物料,干燥阶段,不变,逐渐减小趋近于零,很大,较小,（= tw）,75,2. 干燥曲线,将物料含水量（或物料表面温度 ）对干燥,干燥曲线,x- 曲线,-曲线,时间绘图，所得图形称为干燥曲线。,76,预热阶段,恒速干燥阶段,降速干燥阶段,干燥曲线（x-关系 ）,77,预热阶段,恒速干燥阶段,降速干燥阶段,干燥曲线（-关系 ）,78,干燥曲线归纳,干燥曲线：物料含水量 x 与干燥时间 的关系曲线； 或 物料表面温度与干燥时间 的关系曲线。,在恒定的干燥条件下实验得出。,恒定的干燥条件,a,含水量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,预热段 ab段: （pre-heat period）：,降速干燥段 cd段： falling-rate period,恒速干燥段 bc段: constant-rate period,干燥曲线图,干燥介质的 t、 h 不变,79,干燥曲线的实验测定,时 间 t (s) 物料质量 g (kg) 物表温度 q () 湿 含 量 x,0 g0 q0 x0,t1 g1 q1 x1,t2 g2 q2 x2,te ge qe x*,已知 g0 , w0,分别以x, q为纵坐标，t 为横坐标，做出物料含水量及物表温度随时间的变化图干燥曲线。,ge = 常数,80,1.干燥速率,单位时间单位干燥面积上汽化的水分质量。,kg/(m2),定义：,干燥 速率,二、干燥速率与干燥速率曲线,81,2.干燥速率曲线,u 与 的关系曲线 干燥速率曲线。,干燥曲线,干燥速率曲线,曲线 斜率,方法一,方法二 由定义式,82,预热阶段,恒速干燥阶段,降 速 干 燥 阶 段,临界 含水量,临界干燥速率,恒定干燥条件下的干燥速率曲线,83,湿空气,湿物料,8.4.3 干燥机理及干燥时间的计算 一、干燥过程机理,84,内部迁 移速率,表面汽 化速率,特征：, 物表维持充分润湿状态，汽化的水分为非结合水分 （物表空气的湿度 = 湿球温度下空气的饱和湿度）, 空气传给湿物料的显热水分汽化所需潜热,表面汽化控制阶段, 物料表面温度 = 空气的湿球温度 tw,水分,1.恒速干燥阶段,（空气的状态）,85,内部迁 移速率,表面汽 化速率,物料表面逐渐变干，汽化的水分为结合水分；,干燥速率不断降低，此时u与空气状态关系不大,内部迁移控制阶段,特征：,2. 降速干燥阶段,水分,86,1.恒定干燥条件下干燥时间的计算,(1)恒速干燥阶段,由,二、干燥时间的计算,87,积分得,uc的来源：,由干燥速率曲线得出；,由经验公式计算。,xc的来源,由干燥速率曲线得出；,由手册查出。,恒速干燥阶 段干燥时间,88,(2)降速干燥阶段,由,89,设 u 与 x 为线性关系,90,积分得,降速干燥阶 段干燥时间,代人定义式移项整理得,91,若 x * 很小或缺乏 x * 数据，可取,则,故,降速干燥阶段干燥时间,92,总干燥时间,2.变动干燥条件下干燥时间的计算(自学) 提示：面积积分、辛普森积分的基本原理,若,设计干燥器的主要参数之一,93,8.5 干燥设备（p274） 8.5.1 干燥器的基本要求与分类 8.5.2 干燥器的主要类型(自学) 8.5.3 干燥器的设计(自学),94,干燥器的基本要求：, 保证干燥产品的质量要求, 干燥速率快；, 操作控制方便、劳动条件好。,含水量、,强度；,形状、, 热效率高；,8.5.1 干燥器的基本要求与分类 一、干燥器的基本要求,95,按传热方式分类：,红外线 干燥器,辐射 干燥器,微波 干燥器,介电 干燥器,二、干燥器的分类,96,补充：真空冷冻干燥（升华干燥）技术,特点：物料中水分由冰直接升华为水蒸气被移除，物 料的物理化学结构变化很小。 特别适合