化工原理干燥ppt课件 (2).ppt

化工原理A 2 PrinciplesofChemicalEngineeringA 2 A2 5 第1章蒸馏第2章吸收第3章蒸馏和吸收塔设备第4章液 液萃取第5章干燥 化工原理A 2 本章内容提要 5 1概述 5 2湿空气的性质及湿度图 5 3干燥过程的物料衡算与热量衡算 5 4干燥过程物料的平衡关系与速率关系 5 5干燥器 一 除湿及其方法 1 何为除湿 从湿物料中脱除湿分的过程称为除湿 湿分不一定是水分 水分或其它液体 2 除湿方法机械法 挤压 拧衣服 压榨 过滤 离心分离 吸附法 固体吸附剂吸附 硅胶 无水CaCl2 分子筛等 干燥法 加热 利用热能 使湿物料中的湿分汽化而除去 5 1概述 干燥方法 二 干燥方法 传导干燥 对流干燥 辐射干燥 介电干燥 5 1概述 三 对流干燥的传热传质过程 1 传热过程 干燥介质 湿物料表面 湿物料内部 2 传质过程 湿物料内部 湿物料表面 干燥介质 5 1概述 对流干燥是热量和质量同时 反向的传递过程 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 传热 传质 湿物料 推动力 t tw 推动力 pw p 传质 传热同时发生 本章讨论以空气作干燥介质 以水为湿份的对流干燥过程 方向相反 干燥介质 5 1概述 一 湿空气的性质 1 湿度 与相对湿度 2 比容vH3 比热容cH4 焓I5 干球温度t与湿球温度tw6 绝热饱和温度tas7 露点td二 湿空气的H I图 1 H I图中的线群2 H I图应用 5 2湿空气的性质及湿焓图 一 湿空气的性质 1 湿度H 湿空气的性质 又称湿含量或绝对湿度 为湿空气中水汽的质量与绝干空气的质量之比 H 5 2湿空气的性质及湿焓图 湿度 比容 比热容 焓 温度等 1 湿度与相对湿度 2 相对湿度 居室里比较舒适的气象条件是 室温达25 时 相对湿度控制在40 50 为宜 室温达18 时 相对湿度应控制在30 40 湿空气中水汽分压pv与同温度水的饱和蒸汽压ps的百分比称为相对湿度 相对湿度代表湿空气的不饱和程度 0 绝对干燥空气 吸纳水汽能力最强 1 湿空气达到饱和 不能作为干燥介质 0 1 湿空气未达到饱和 愈低 表明该空气吸湿能力越大 高温干燥原理 H一定 t ps 而pv不变 湿空气的性质 低压干燥原理 pv ps不变 冰箱 冷冻干燥 2 比容 湿容积 vH m3湿空气 kg干空气 湿空气的性质 含1kg绝干气的湿空气之体积称为湿空气的比容 vH 常压下 3 比热容 湿比热 cH 比热容是指常压下 含1kg绝干气的湿空气之温度升高 或降低 1 所吸收 或放出 的热量 cH 湿空气的性质 cg 干空气的比热 kJ kg cv 水汽的比热 kJ kg 1 01kJ kg 1 88kJ kg kJ kg干气 4 焓I r0 2490kJ kg 水0 时的汽化热 含1kg绝干气的湿空气的焓 I 若Ig 绝干空气的焓 kJ kg绝干气Iv 水汽的焓 kJ kg水汽 则 湿空气的性质 kJ kg干气 通常规定 0 时绝干空气及液态水的焓为零 5 干球温度t和湿球温度tw 干球温度t 用普通温度计直接测得的湿空气的温度 是湿空气的真实温度 湿球温度计 用湿纱布包裹温度计的感温部分 水银球 纱布下端浸在水中 以保证纱布一直处于充分润湿状态 这种温度计称为湿球温度计 将湿球温度计置于温度为 湿度为 的流动不饱和空气中 湿纱布中的水分汽化 并向空气主流中扩散 同时汽化吸热使湿纱布中的水温下降 与空气间出现温差 引起空气向水分传热 湿球温度tw 当空气传给水分的显热恰好等于水分汽化所需的潜热时 空气与湿纱布间的热质传递达到平衡 湿球温度计上的温度维持恒定 此时湿球温度计所测得的温度称为湿空气的湿球温度 湿空气的性质 因此 空气的湿球温度tw与空气的干球温度 和湿度 有关 tw f t H 在一定总压下 只要测出湿空气的干 湿球温度 就可由上式计算出空气的湿度 干球温度t和湿球温度tw 实验证明 传质系数kH和对流传热系数 均与空气流速的0 8次方成正比 故可认为其比值 kH与气流速度无关 对于空气 水蒸汽系统 当被测气体温度不太高 流速 5m s时 kH 1 09 t越小 H越小 tw就越小 6 绝热饱和温度tas 绝热饱和温度tas 在与外界绝热情况下 空气与大量水经过无限长时间接触后 达到与水温相等的空气温度 设塔与外界绝热 初始湿空气 t H 与大量水充分接触 水分汽化进入空气中 汽化所需热量由空气温度下降放出显热供给 若空气与水分两相有足够长的接触时间 最终空气为水汽所饱和 而温度降到与循环水温相同 空气在塔内的状态变化是在绝热条件下降温 增湿直至饱和的过程 达到稳定状态下的温度tas就是初始湿空气 t H 的绝热饱和温度 与之相应的湿度称为绝热饱和湿度Has 湿空气的性质 空气传给水分的显热 水分汽化所需的潜热 绝热塔内气液两相间的传热过程为 tas是湿空气的性质 它是湿空气在绝热 冷却 增湿过程中达到的极限冷却温度 在一定的总压下 只要测出湿空气的初始温度t和绝热饱和温度tas 就可用上式算出湿空气的湿度 湿空气 状态 t H 1 I 状态 tas Has 1 Ias 为绝热过程 所以焓不变 即有I Ias 绝热饱和温度tas 即空气的绝热饱和温度tas也与空气的干球温度 和湿度 有关 t越小 H越小 tas就越小 湿球温度tw与绝热饱和温度tas的差异 实验证明 对于湍流状态下的水蒸汽 空气系统 常用温度范围内 kH与湿空气比热容 H值很接近 同时ras rtw 即在一定温度 与湿度 下 tw tas 绝热饱和温度tas 路易斯规则 水汽 空气系统 7 露点td 在总压不变的条件下 将不饱和湿空气 t H 冷却 直至冷凝出水珠为止 此时 湿空气的温度称为露点 td 相应的湿度称为饱和湿度 Hs td 对水蒸气 空气系统 t tw tas td之间的关系为 不饱和空气 t tas 或tw td 饱和空气 t tas 或tw td 湿空气的性质 t td等湿过程 H不变 ps t td时 湿空气的性质 湿度 相对湿度 比容 m3湿空气 kg干空气 比热容 焓 湿球温度 绝热饱和温度 干球温度 露点 t tas 或tw 等焓过程t td等湿过程 tas tw 自学教材P245 例5 1 P249 例5 2 作业教材P293第1题 二 湿空气的H I图 湿空气的有关性质可由前面所学的公式计算 工程上为了方便计算 常将湿空气的各参数标绘成图 只要知道湿空气任意两个独立参数 即可从图上查出其它参数 常用的有湿度 焓 H I 图 温度 湿度 t H 图等 我们仅讨论应用最广的H I图 教材中H I图是根据常压数据绘制的 若系统总压偏离常压较远 则不能应用此图 1 H I图中的线群 5 2湿空气的性质及湿焓图 H I图 等I线群 0 680kJ kg绝干空气 等H线群 0 0 2kg水 kg绝干空气 等 线群 5 100 等蒸汽分压pv线群 0 250 等t线群 水蒸气分压线 等湿降温 等H线与 100 线交点 2 H I图应用 已知状态点A 等温线 露点td 等 线 湿空气的H I图 1 根据H I图上湿空气的状态点 可查出湿空气的其它性质参数 等焓线 等湿线 绝热饱和温度tas 或湿球温度tw 等焓降温 等I线与 100 线交点 湿空气中水汽的分压pv 等H线与蒸汽分压线的交点 t 干球温度 I 焓 H 湿度 相对湿度 2 根据湿空气的任意两个独立的参数 可确定其状态点 注意 td H p H td p tw I tas I等各对都不是相互独立的 a 由t tw定状态 b 由t td定状态 c 由t 定状态 等焓 等湿 交点 H I图应用 自学教材P253 例5 3 作业教材P293第2题 5 3干燥过程的物料衡算与热量衡算 一 物料湿含量的表示方法1 湿基含水量2 干基含水量二 干燥系统的物料衡算 1 水分蒸发量W2 空气消耗量L3 干燥产品流量 2三 干燥系统的热量衡算 1 热量衡算的基本方程2 干燥系统的热效率四 空气通过干燥器时的状态变化1 等焓干燥过程2 非等焓干燥过程 干燥过程 干燥室 预热室 5 3干燥过程的物料衡算与热量衡算 已知 干燥介质 空气 的进口条件 如温度 湿度 压力等 物料的进口条件 如温度 湿含量 质量或质量流率 物料的干燥要求 湿含量 求解 干燥介质用量 干燥条件 如进干燥室的空气温度 出干燥室的空气温度和湿度等 整个设备的热能消耗 干燥室尺寸等等 5 3干燥过程的物料衡算与热量衡算 一 物料湿含量的表示方法 5 3干燥过程的物料衡算与热量衡算 5 3干燥过程的物料衡算与热量衡算 二 干燥系统的物料衡算 L 绝干空气的消耗量 kg绝干气 sH1 H2 湿空气进 出干燥器时的湿度 kg水 kg绝干气G 绝干物料进 出干燥器时的流量 kg绝干料 sX1 X2 湿物料进 出干燥器时的干基含水量 kg水 kg绝干料G1 G2 湿物料进 出干燥器时的流量 kg湿物料 sw1 w2 湿物料进 出干燥器时的湿基含水量 kg水 kg湿物料 连续逆流干燥物料衡算示意图 2 空气消耗量L 每蒸发1kg水分时 消耗的绝干空气量l kg水 s 对水分作物料衡算 1 水分蒸发量W 干燥系统的物料衡算 kg绝干气 kg水 kg绝干气 s 空气获得的水分 物料失去的水分 3 干燥产品流量G2 对进出干燥器的绝干物料进行衡算 干燥系统的物料衡算 注意 干燥产品是指离开干燥器时的物料 并非是绝干物料 它仍是含少量水分的湿物料 kg湿物料 s 整个系统 Q Qp QD 干燥器 预热器 忽略其热损失 Qp L I1 I0 QD L I2 I1 G I2 I1 QL 热量衡算 其中物料的焓I 包括绝干物料的焓和水分的焓 即 1 热量衡算的基本方程 连续逆流干燥热量衡算示意图 三 干燥系统的热量衡算 5 3干燥过程的物料衡算与热量衡算 H0 H1 H2 湿空气进入预热器 离开预热器 进入干燥器 及离开干燥器时的湿度 kg kg绝干气I0 I1 I2 湿空气进入预热器 离开预热器 进入干燥器 及离开干燥器时的焓 kJ kg绝干气t0 t1 t2 湿空气进入预热器 离开预热器 进入干燥器 及离开干燥器时的温度 Qp 单位时间内预热器消耗的热量 kW 1 2 湿物料进 出干燥器时的温度 I1 I2 湿物料进 出干燥器时的焓 kJ kg绝干料QD 单位时间内向干燥器补充的热量 kWQL 干燥器的热损失速率 kW 1 热量衡算的基本方程 1 将湿度为H0的新鲜空气L由t0加热至t2 所需热量 系统所需总热量 2 湿物料进料G1 G2 W 其中干燥产品G2由 1加热至 2 所需热量为 水分W由 1被加热汽化并升温至t2 所需热量为 温度 1的水先降至0 汽化 再加热至t2 包括 3 干燥系统损失的热量QL 因此 干燥系统的热量衡算 空气升温所需热量 蒸发水份所需热量 物料升温所需热量 干燥器热量损失 和湿物料中水分带入系统的焓 则有 若忽略空气中水汽进出系统的焓变 干燥系统的热量衡算 1 热量衡算的基本方程 2 干燥系统的热效率 干燥系统的热量衡算 即有 热效率愈高表明干燥系统的热利用率愈好 可通过提高t1 降低t2 提高H2及废热利用等措施来提高热效率 自学教材P257 例5 5 但提高t1不适合热敏性物料 降低t2 提高H2会导致干燥过程热质传递推动力的降低 从而降低干燥速率 四 空气通过干燥器时的状态变化 5 3干燥过程的物料衡算与热量衡算 根据空气在干燥器内焓的变化 将干燥过程分为等焓过程与非等焓过程 1 等焓干燥过程 绝热或理想干燥过程 不向干燥器补充热量 QD 0 忽略干燥器向周围散失的热量 QL 0 物料进出干燥器的焓相等 I2 I1 代入干燥器热衡式QD L I2 I1 G I2 I1 QL 得I2 I1 表明空气通过干燥器时焓恒定 H0 t0 A I H t1 B t2 C 等焓干燥过程空气的状态变化示于H I图 由 0及 0确定空气进入预热器前的状态点A 空气在预热器内等湿加热至 1 即至点B 空气在干燥器内等焓吸湿降温至t2 即至点C t 过点 的等焓线是理想干燥过程的操作线 条件 注意 温度t 湿度H 相对湿度 空气通过干燥器时的状态变化 1 等焓干燥过程 绝热或理想干燥过程 思考 I 2 非等焓干燥过程 实际干燥过程 不向干燥器补充热量 QD 0 不能忽略干燥器向周围散失的热量 QL 0 物料进出干燥器时的焓不相等 I2 I1 0 空气通过干燥器时的状态变化 非等焓干燥过程空气焓的变化情况 空气焓值降低 空气焓值增大 空气等温变化 焓值增大 代入式QD L I2 I1 G I2 I1 QL 得I2 I1 2 空气焓值增大 向干燥器补充的热量大于损失的热量与加热物料消耗的热量之和 有I2 I1 向干燥器补充的热量足够多 能使空气在干燥过程中维持恒定的温度 1 3 空气等温变化 条件 1 空气焓值降低 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 解 理想干燥器 空气在干燥器内经历等焓过程 绝干物料量 绝干空气量 预热器的传热速率 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 60 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 当t2 40 时 干燥器出口空气中水汽分压为 t 30 时 饱和蒸汽压ps 4 25kPa 物料可能返潮 自学教材P261 262 例5 6 例5 7 作业教材P294第3 4题 5 4干燥过程物料的平衡关系与速率关系 一 物料中的水分 1 平衡水分及自由水分2 结合水分与非结合水分二 恒定干燥条件下的干燥速率曲线1 干燥实验和干燥曲线2 干燥速率曲线3 干燥机理三 恒定干燥条件下干燥时间的计算 5 4干燥过程物料的平衡关系与速率关系 一 物料中的水分 湿物料内部 水分扩散 湿物料表面 干燥介质 水分扩散 干燥传质过程 水分除去的难易程度取决于湿物料内部物料与水分的结合方式 1 平衡水分与自由水分 湿物料与某状态的空气接触足够长时间后 热质传递达于平衡 物料表面水汽的分压等于空气中的水汽分压 此时物料含水量恒定 此含水量称为该物料在该空气状态下的平衡水分 平衡含水量 X kg水分 kg绝干料 平衡水分是一定干燥条件下不能被干燥除去的那部分水分 是干燥的极限 平衡水分 X 湿物料中超过平衡水分的那部分水分称为自由水分 自由水分可被干燥除去 平衡水分与物料的种类有关平衡水分随空气相对湿度的增加而增加平衡水分随温度的升高而减少 温度升高 水的饱和蒸汽压增大 空气相对湿度减小 物料中的水分 1 平衡水分与自由水分 平衡曲线 在相同的空气状态下 不同物料的平衡水分有较大的差别 对于同一种物料 空气的相对湿度越小 平衡水分越低 此即能够被干燥除去的水分越多 0时 各种物料的平衡水分均为零 即只有绝干空气才有可能将湿物料干燥成绝干物料 在点B 湿物料与饱和空气达平衡 物料表面水汽的分压等于空气中的水汽分压 并等于同温度下纯水的饱和蒸汽压ps 物料中的水分 2 结合水分与非结合水分 湿物料在B点的平衡水分XB 称为结合水分 湿物料中超出XB 的那部分水分称为非结合水 pv ps 1 非结合水 机械地附着在物料表面 物料中的吸附水分和大孔隙中的水分 产生的蒸汽压与纯水的相同 易用干燥除去 结合水 与物料之间有物理化学作用 包括溶涨水分和毛细管中的水分 产生的蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压 难用干燥除去 其中平衡水分不能用干燥除去 将某湿物料的平衡曲线延长与 100 线交于点 二 恒定干燥条件下的干燥速率曲线 5 4干燥过程物料的平衡关系与速率关系 1 干燥实验和干燥曲线 设计干燥器 需知物料达到一定的干燥要求所需要的干燥时间 为此要知道干燥速率 由于干燥同时涉传热和传质 机理复杂 目前只能通过间歇干燥实验来测定干燥速率曲线 干燥过程 恒定干燥 变动干燥 干燥过程中空气的温度 湿度 流速及与物料的接触方式等都不发生变化 如用大量空气干燥少量物料 干燥过程中空气的状态不断变化 如连续操作的干燥过程 实验中 用大量热空气干燥少量湿物料 空气的温度 湿度 气速及流动方式都恒定不变 实验中 测定每个 时间间隔内 物料质量变化 W 及物料的表面温度 直到物料的质量不再变化 此时物料与空气达到平衡 物料中所含水分即为该干燥条件下物料的平衡水分 再将物料置于烘箱内烘干到恒重 控制温度低于物料的分解温度 即得绝干物料的质量 干燥实验和干燥曲线 将上述实验数据整理后绘制干燥曲线 X 图和 图 物料含水量 与干燥时间 的关系曲线 物料表面温度 与干燥时间 的关系曲线 恒定干燥条件下某物料的干燥曲线 实验结果应用于干燥器的设计与放大时 生产条件应与实验条件相似 2 干燥速率曲线 干燥速率 通量 单位时间 单位干燥面积上汽化的水分质量 U kg m2 干燥速率的微分式 由上图物料含水量 与干燥时间 的关系曲线可得dX d 与X的关系 得到干燥速率曲线 可看出 干燥过程可大致划分为两个阶段 I ABC段 AB段一般很短 通常并入BC段内考虑 恒速干燥阶段 II CDE段降速干燥阶段 两个干燥阶段间的交点 称为临界点 与点C对应的物料含水量称为临界含水量 以Xc表示 W 一批操作中汽化的水量 kg G 一批操作中绝干物料的质量 kg 干燥速率随物料含水量的减小而降低 恒定干燥条件下的干燥速率曲线 Uc 临界点的干燥速率仍等于恒速干燥阶段的速率 以Uc表示 I ABC段恒速干燥阶段 其中AB段为预热段 干燥速率升高 物料含水量略有下降 表面温度略有升高 在BC段内 空气传给物料的显热恰等于水分汽化所需的潜热 物料表面温度维持在tw不变 物料的含水量随干燥时间直线下降 而干燥速率保持恒定 故称为恒速干燥阶段 干燥速率曲线 至B点 物料的表面温度升至空气的湿球温度tw II CDE段降速干燥阶段 干燥速率曲线 干燥进入 段后 物料开始升温 热空气传给物料的热量一部分用于加热物料使其由tw升高到 2 另一部分用于水分汽化 在此阶段内干燥速率随物料含水量的减少而降低 直至E点 物料的含水量等于平衡含水量X 干燥速率降为零 干燥过程停止 恒定干燥条件下的干燥速率曲线 3 干燥机理 恒速干燥阶段与降速干燥阶段中的干燥机理及影响因素各有不同 1 恒速干燥阶段 此阶段 物料表面充分润湿 与湿球温度计的湿纱布表面的状况类似 物料表面的温度 等于空气的湿球温度tw 物料表面空气的湿度等于tw下的饱和湿度Hs tw 且空气传给湿物料的显热恰等于水分汽化所需的汽化热 其中空气与物料表面的对流传热通量为 湿物料与空气的传质速率为 因干燥在恒定的空气条件下进行 故随空气条件而变的 和kH值均不变 且 tw 及 Hs tw H 也为定值 因此 上述二式表示的湿物料和空气间的传热速率及传质速率均保持不变 即湿物料以恒定的速率U向空气中汽化水分 由上三式整理得 干燥机理 恒速干燥阶段的干燥速率的大小取决于物料表面水分的汽化速率 亦即决定于物料外部的干燥条件 与物料内部水分的状态无关 所以恒速干燥阶段又称为表面汽化控制阶段 在恒速干燥阶段中 湿物料内部的水分向其表面传递的能力能完全满足水分自物料表面汽化的要求 从而使物料表面始终维持恒定充分的润湿状态 一般来说 恒速干燥阶段汽化的水分为非结合水 与自由液面的汽化情况相同 干燥机理 2 降速干燥阶段 从点 开始 汽化面逐渐向物料内部移动 汽化所需热量通过已被干燥的固体层而传递到汽化面 从物料中汽化出的水分也通过这层固体传递到空气主流中 这时干燥速率比CD段下降得更快 湿物料的含水量降到 c以后 水分自物料内部向表面迁移的速率小于物料表面水分汽化速率 物料表面不能维持充分润湿 此时部分表面变干 空气传给的热量不能全部用于汽化水分 有一部分用于加热物料 因此干燥速率逐渐减小 物料温度升高 在部分表面上汽化出的是结合水分 至点 时干燥速率降至零 物料中所含水分即为该空气状态下的平衡水分 至D点时 全部物料表面都不含非结合水 降速阶段的干燥速率取决于物料本身结构 形状和尺寸 而与干燥介质的状态参数关系不大 干燥机理 3 临界含水量Xc 临界含水量Xc是恒速干燥段和降速干燥段的分界点 c值越大 转入降速干燥段越早 相同的干燥任务所需干燥时间越长 对干燥过程不利 Xc值的大小与物料的性质 厚度及干燥速率等有关 例如 无孔吸水性物料的比多孔物料的大 物料层越厚越大 干燥介质温度高 湿度低 则恒速干燥段干燥速率大 这可能使物料表面板结 较早地进入降速干燥段 c较大 了解影响 c的因素 控制干燥操作 减低物料层的厚度 加强对物料的搅拌都可减小Xc 同时又可增大干燥面积 如采用气流干燥器或流化床干燥器时 c值一般均较低 湿物料的临界含水量通常由实验测得 或从手册中查得 不同物料的临界含水量 三 恒速干燥条件下干燥时间的计算 5 4干燥过程物料的平衡关系与速率关系 分离变量 并确定积分边界条件 0 1 干燥速率 1 利用干燥速度曲线进行计算 积分得恒速阶段干燥时间 1 根据恒速阶段Uc的确定方法不同有两种计算干燥时间的方法 Uc 为常数 干燥速率 1 恒速阶段 2 用对流传热系数或传质系数进行计算 恒速阶段干燥时间的计算 前面由恒速段的干燥机理得到 代入式 3 恒速干燥的影响因素 干燥速率越快 干燥时间越短 空气的流速越高 kH越大 空气温度越高 t越大 空气湿度越低 H越小 但温度过高 湿度过低 可能会因干燥速率太快而引起物料变形 开裂或表面硬化 此外 空气速度太大 还会产生气流夹带现象 所以 应视具体情况选择适宜的操作条件 恒定干燥条件下干燥时间的计算 2 降速阶段 汽化速率 不为常数 0 Uc 2 1 任何情况都可用图解积分法求 2 当干燥曲线为直线或近似直线时 代入上式中积分得降速阶段干燥时间 2 总干燥时间 1 2 变动干燥条件下的干燥操作 5 4干燥过程物料的平衡关系与速率关系 对变动干燥条件下的干燥操作 干燥过程中空气的状态不断变化 若干燥时湿空气的状态沿等I线变化 在逆流干燥器中空气与湿物料的温度分布如图