化工原理干燥.ppt

第七章干燥Chapter7Drying,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(湿分)，要制得合格的产品需要除去固体物料中多余的湿分。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分汽化。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分除去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿分干燥掉，以降低除湿的成本。,干燥分类：,1.传导干燥热能通过传热壁面以传导方式传给物料，产生的湿分蒸汽被气相(又称干燥介质)带走，或用真空泵排走。例如纸制品可以铺在热滚筒上进行干燥。,2.对流干燥使干燥介质直接与湿物料接触，热能以对流方式加入物料，产生的蒸汽被干燥介质带走。,3.辐射干燥由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到物体的表面，为物料吸收而重新变为热能，从而使湿分气化。例如用红外线干燥法将自行车表面油漆烘干。,4.介电加热干燥将需要干燥电解质物料置于高频电场中，电能在潮湿的电介质中变为热能，可以使液体很快升温气化。这种加热过程发生在物料内部，故干燥速率较快，例如微波干燥食品。,5、冷冻干燥物料冷冻后，用干燥器抽成真空，并使再热体循环，对物料提供必要的升华热。冷冻干燥常用于医药品、生物制品及食品的干燥。真空干燥的特点：（1）操作温度低，干燥速度快，热的经济性好；（2）适用于维生素、抗菌素等热敏性产品以及在空气中易氧化、易燃易爆的物料；,（3）适用于含有溶剂或有毒气体的物料，溶剂回收容易；（4）在真空下干燥，产品含水量可以很低，适用于要求低含水量的产品；（5）由于加料口与产品排除口等处的密封问题，大型化、连续化生产有困难。,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）和湿分（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，使湿分汽化；,在分压差的作用下，湿分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、湿分分压为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：只要物料表面的湿分分压高于气体中湿分分压，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，其目的在于加快湿分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,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。,一、湿空气的性质,常压下湿空气可视为理想气体，根据道尔顿分压定律，,1、水气分压v,（一）湿空气中湿含量的表示方法,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。,表明湿空气被水汽饱和。,对于空气-水蒸气系统：Mv=18.02kg/kmol，Mg=28.95kg/kmol,湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。若湿分蒸汽和绝干空气的摩尔数(nv,ng)和摩尔质量(Mv,Mg),绝对湿度(湿度)H（Humidity）,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pV=ps时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。,相对湿度（Relativehumidity）,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，pv=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。=1，pv=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pV与系统温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数。,相对湿度（Relativehumidity）,若t总压下湿空气的沸点，最大(空气全为水汽)湿分的临界温度，气体中的湿分已是真实气体，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。,1.比体积H(Humidvolume)或湿比容(m3/kg绝干气体),比容：1kg绝干空气和相应水汽体积之比。,（二）湿空气的比体积、比热容和焓,2.比热cH(Humidheat)或比热容kJ/(kg),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：cg绝干空气的比热，kJ/(kg)；cv水汽的比热，kJ/(kg)。,对于空气-水系统：温度在273393K范围内，cg=1.01kJ/(kg)，cv=1.88kJ/(kg),3、焓I(Totalenthalpy),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时绝干空气和液态水的焓值均为零，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：,（三）湿空气的温度,(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-bulbtemperature）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-bulbtemperature）,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:HHs，twtd；饱和空气t=tas=td,二、气体湿度图（Humiditychart）,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,p-H线,空气湿度图的绘制（Humiditychart）,对于空气-水系统，tastw，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，所有的纵线为等湿度线。左侧纵坐标：空气的干球温度，所有横线为等温线。,(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（Useofhumiditychart）,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。100%，属于未饱和空气，可作为干燥介质。越小，干燥条件越好。,1.确定空气的干燥条件,2.确定空气的状态点，查找其它参数,3.确定绝热饱和冷却温度,1）等I干燥过程等焓干燥过程又称绝热干燥过程。a.不向干燥器重补充热量，即QD=0.b.忽略干燥器向周围散失的热量，即QL=0.c.物料进出干燥器的焓相等，即G(I2_I1)=0沿等I线，空气t1、t2已知，即可确定H1、H2。2）等H干燥过程恒压下，加热或冷却过程。,根据图上湿空气的状态点，可方便地查出湿空气的其它性质参数。如图片所示，已知空气的状态点为A，由通过A点的等、等H、等I线可确定A点的温度、湿度和焓。因为露点是在空气等湿冷却至饱和时的温度，所以等线与=100%的饱和空气线的交点所对应的等线所示的温度即为露点.,绝热饱和温度是空气等焓增湿至饱和时的温度，因此，由等I线与=100%的饱和空气线交点的等t线所示的温度即为绝热饱和温度tas，对于水蒸汽空气系统，它也是湿球温度tw。由等H线与蒸汽分压线的交点可读出湿空气中水汽的分压值。,A,若已知湿空气的两个独立参数分别为：ttw、ttd、t，湿空气的状态点的确定方法分别示于图5-5（）、（）及（）中。,第二节干燥过程的物料衡算和热量衡算,湿物料水分含量的表示方法,湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。湿基含水量w：水分在湿物料中的质量百分数。,干基含水量X：湿物料中的水分与绝干物料的质量比。,换算关系：,工业生产中，物料湿含量通常以湿基含水量表示，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含水量表示较为方便。,二、干燥过程的物料衡算和热量衡算,（一）物料衡算（Massbalance）,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,水分蒸发量：,绝干空气消耗量,绝干空气比消耗,作绝干物料的衡算：,-干燥产品，与绝干物料是有区别的。,（二）热量衡算（Heatbalance）,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,I1,干燥产品G2,w2,2,I2,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)：,气体焓变,物料焓变,气体焓变：,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：,加热空气：,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,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。干燥任务一定，气体用量，QL，或气体用量，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%,空气通过干燥器的状态变化,一.理想干燥过程（绝热干燥过程）,若干燥过程中忽略设备的热损失和物料进出干燥器的温度的变化,而且不向干燥器补充热量,此时干燥器内空气放出的显热全部用于蒸发湿物料中的水分,最后水分又将潜热带回空气中,此时I1=I2,这种干燥过程称为理想干燥过程,又称绝热干燥或是等焓干燥.,二.实际干燥过程,在实际干燥过程中,干燥器有一定的热量损失,而且湿物料本身也要被加热,即12,因此空气的状态不是沿着绝热冷却线变化,这种情况比较复杂，大体可以分为以下几种：1、操作线在过点B等焓线的下方此过程的条件：（1）不向干燥器补充热量；（2）不能忽略干燥器向周围散失的热量；（3）物料进出干燥器时的焓不相等。,2、操作线在过点B的等焓线的上方若向干燥器补充的热量大于损失的热量和加热物料消耗的热量总和：,得：,3、操作线在过点B的等温线若向干燥器补充的热量足够多，恰使干燥过程在等温下进行，即空气在干燥过程中维持恒定的温度。,例1某湿物料在常压气流干燥器中进行干燥。湿物料流量为2400kg/h，初始湿基含水量为3.5%，干燥产品的湿基含水量为0.5%。温度为20，湿度为0.005kg/kg绝干气的空气经间接预热后温度升高至120进入干燥器。假设干燥过程为理想干燥过程。试求：当空气离开干燥器的温度为60时，（1）绝干空气的消耗量；（2）预热器所需提供的热量,因理想干燥过程可看作等焓干燥：,=0.0285kg/kg绝干气,绝干物料量：,kg绝干料/h,绝干料,绝干料,绝干空气消耗量：,kg绝干气/h,预热器所需要提供的热量：,例2某湿物料在常压理想干燥器中进行干燥，湿物料的流率为，初始湿含量（湿基，下同）为3.5%，干燥产品的湿含量为0.5%。空气状况为：初始温度为25、湿度为，经预热后进干燥器的温度为160，如果离开干燥器的温度选定为60或40，试分别计算需要的空气消耗量及预热器的传热量。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？,解：(1)w1=0.035，w2=0.005，,kg水/kg干物料,kg水/kg干物料,绝干物料：Gc=G1(1w1)=1(10.035)=0.965kg/s水分蒸发量：W=Gc(X1X2)=0.03kg/s,空气消耗量：,H1=H0=0.005kg水/kg干空气,t2=60时干燥为等焓过程查图H2=0.0438kg水/kg干空气L=0.773kg干空气/sQ=L(I1I0)=L(1.01+1.88H0)(t1t0)=0.773(1.01+1.880.005)(16025)=106.4kJ/st2=40时，查图H2=0.0521kg水/kg干空气L=0.637kg干空气/sQ=L(I1I0)=87.68kJ/s,H=0.0438kg水/kg干空气时td=3850不返潮H=0.0521kg水/kg干空气时td=4030返潮,例3采用废气循环干燥流程干燥某物料，温度为20、相对湿度为70%的新鲜空气与干燥器出来的温度为50相对湿度为80%的部分废气混合后进入预热器，循环的废气量为离开干燥器废空气量的80%。混合气升高温度后再进入并流操作的常压干燥器中，离开干燥器的废气除部分循环使用外，其余放空。湿物料经干燥后湿基含水量从47%降至5%,湿物料流量为，设干燥过程为绝热过程，预热器的热损失可忽略不计。试求：新鲜空气的流量；整个干燥系统所需热量；进入预热器湿空气的温度。,第三节固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系,湿分的传递方向(干燥或吸湿)和限度(干燥程度)由湿分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的湿物料与湿分分压为p的不饱和湿气体接触时，物料将失去自身的湿分或吸收气体中的湿分，直到湿分在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿分分压。平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。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,物料中的水分,1.结合水分与非结合水分,一定干燥条件下，水分除去的难易，分为结合水与非结合水。非结合水分：与物料机械形式的结合，附着在物料表面的水，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,自由水分,平衡水分,X*,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)。化学结合水分与溶涨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。,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。,2.平衡水分和自由水分,一定干燥条件下，按能否除去，分为平衡水分与自由水分。平衡水分：低于平衡含水量X*的水分，是不可除水分。自由水分：高于平衡含水量X*的水分，是可除水分。,吸湿过程：若XXc，汽化的是非结合水。,恒定干燥条件下,和kH不变,由物料内部向表面输送的水分足以保持物料表面的充分湿润，干燥速率由水分汽化速率控制(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,由于物料表面和空气间的传热和传质过程与测湿球温度时的情况基本相同：,一批操作中空气传给物料的总热量，kJ。,在恒定干燥阶段，空气传给湿物料的显热恰等于水分汽化所需的汽化热：,恒速干燥的特点：（1）u=uc=const.（2）物料表面温度为tw；（3）在该阶段除去的水分为非结合水分。（4）恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态有关，而与物料的种类无关。,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。,A多孔性物料(Porousmedia)：湿分主要是藉毛细管作用由内部向表面迁移。B非吸湿性物料(Nonhygroscopicmedia)：依靠毛细管力的作用使水分向表面传递。C吸湿性物料(Hygroscopicmedia)：与水分的亲合能力大。D非多孔性物料(Nonporousmedia)：借助扩散作用向物料表面输送湿分，或将湿分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。不同物料的干燥机理不同，湿分内扩散机理不同，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。,2、降速干燥段：XXc物料实际汽化表面变小(出现干区)，第一降速段；随着干燥过程的进行，物料内部水分迁移到表面的速率已经小于表面水分的汽化速率。物料表面不能再维持全部润湿，而出现部分“干区”，即实际汽化表面减少。去除的水分为结合、非结合水分。汽化表面内移，第二降速段；当物料全部表面都成为干区后，水分的汽化面逐渐向物料内部移动，传热是由空气穿过干料到汽化表面，汽化的水分又从湿表面穿过干料到空气中，降速干燥阶段又称为物料内部迁移控制阶段。,降速干燥阶段特点：（1）随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥速率降低；（2）物料表面温度大于湿球温度；（3）除去的水分为非结合、结合水分；（4）降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、形状及尺寸有关，而与空气状态关系不大。,3、临界湿含量（Criticalmoisturecontent）,物料在干燥过程中经历了预热、恒速、降速干燥阶段，用临界含水量Xc加以区分，Xc越大，越早地进入降速阶段，使完成相同的干燥任务所需的时间越长，Xc的大小不仅与干燥速率和时间的计算有关，同时由于影响两个阶段的因素不同，因此确定Xc值对强化干燥过程也有重要意义。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。,第四节干燥过程的计算,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=245029300kg/(m2h)，气体温度45150。,适用条件：L=390019500kg/(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uX呈非线性变化时，应采用图解积分法。,在X2Xc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/Su；作图Gc/SuX，计算曲线下面阴影部分的面积。,X,o,Xc,X2,Gc/Su,降速干燥段的干燥时间,(2)解析法,当降速段的uX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,干燥时间为：=1+2,例1在盘式干燥器中，将某湿物料的含水量从0.6干燥至0.1（干基，下同）经历了4个小时恒定干燥操作。已知物料的临界含水量为0.15，平衡含水量为0.02，且降速干燥段的干燥速率与物料的含水量近似成线性关系。试求：将物料含水量降至0.05需延长多少干燥时间？,包括恒速及降速两个阶段。恒速干燥段所需要时间：,降速段干燥时间：,所以，总的干燥时间为：,原工况下的干燥时间为：,新工况下的干燥时间为：,=4.994h,或采用下列公式直接计算：,例2在恒定干燥条件下的箱式干燥器内，将湿染料由湿基含水量45%干燥到3%，湿物料的处理量为8000湿染料，实验测得：临界湿含量为30%，平衡湿含量为1%，总干燥时间为28h。试计算在恒速阶段和降速阶段平均每小时所蒸发的水分量。,解：w1