第十二章 干燥2006-2.ppt

1 水分活度 水蒸气分压pv与同温度下纯水的饱和蒸气压ps之比 物料的水分活度与其含水量和温度有关 一定温度下水分活度与含水量的关系曲线称为吸着等温线 水分活度不仅与物料的贮藏性有关 而且决定了干燥进行的方向 aw 时 解吸水分 干燥 4干燥动力学 一 湿物料中的水分 划分依据 物料所含水分能否用干燥方法除去 物料中的水分与一定温度t 相对湿度 的不饱和湿空气达到平衡状态 此时物料所含水分称为该空气条件 t 下物料的平衡水分 在干燥过程中能除去的水分只是物料中超出平衡水分的那一部分 称为自由水分 平衡水分随物料的种类及空气的状态 t 不同而异 平衡水分代表物料在一定空气状况下可以干燥的限度 2 平衡水分 equilibriumwater 和自由水分 freewater 划分依据 根据物料与水分结合力的状况 结合水分包括物料细胞壁内的水分 物料内毛细管中的水分 及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等 特点 借化学力或物理化学力与物料相结合的 由于结合力强 其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压 致使干燥过程的传质推动力降低 故除去结合水分较困难 3 结合水分 boundwater 与非结合水分 unboundwater 非结合水分包括机械地附着于固体表面的水分 如物料表面的吸附水分 较大孔隙中的水分等 特点 物料中非结合水分与物料的结合力弱 其蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同 干燥过程中除去非结合水分较容易 物料的结合水分和非结合水分的划分只取决于物料本身的性质 而与干燥介质的状态无关 平衡水分与自由水分则还取决于干燥介质的状态 干燥介质状态改变时 平衡水分和自由水分的数值将随之改变 强调 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 在干燥过程中物料内外的温度不一致 温度梯度促使水分传递 称为热导湿 方向是从高温到低温 1湿度梯度的形成 以上两种梯度导致的水分传递称为内部扩散 湿物料表面水分的汽化 遂形成物料内部与表面的湿度差 促使物料内部的水分向表面移动 2温度梯度的形成 二 干燥机理 一 物料中水分汽化的过程 造成该分压的原因是 3外部的传质推动力 水分由物料内部扩散到表面后 便在表面气化 可认为在表面附近存在一层气膜 在气膜内水蒸气分压等于物料中水分的蒸气压 水分在气相中的传质推动力为此蒸气压与气相主体中水蒸气分压之差 对对流干燥 由于介质的不断流动 带走气化的水分 对真空干燥而言 则是气化的水分被真空泵抽走 水分的内部扩散和表面汽化是同时进行的 但在干燥过程的不同阶段其速率不同 从而控制干燥速率的机理也不相同 原因在于受到物料的结构 性质 湿度等条件和干燥介质的影响 强化措施 对对流干燥而言 提高空气的温度 降低相对湿度 改善空气与物料的接触和流动情况 均有助于提高干燥速率 在干燥过程中 当物料中水分表面汽化的速率小于内部扩散的速率时 称为表面汽化控制 当物料中水分表面汽化的速率大于内部扩散的速率 称为内部扩散控制 强化措施 从改善内部扩散着手 如 减少物料厚度 使物料堆积疏松 搅拌或翻动物料 采用微波干燥等 干燥速率 单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量W 恒定干燥条件 干燥介质的温度 湿度 流速及与物料的接触方式 在整个干燥过程中均保持恒定 u dw Ad 式中u 干燥速率 kg m2 h W 汽化水分量 kgA 干燥面积 m2 干燥所需时间 h 二 干燥曲线与干燥速率曲线 dW GdX u dW Ad GdX Ad 式中 湿物料中绝对干料的量 kg X 湿物料中干基的含水量 kg水 kg干物料 负号表示物料含水随着干燥时间的增加而减少 u dw Ad 影响干燥速率的因素 对对流干燥而言 湿物料的性质与形状 包括物理结构 化学组成 形状大小 料层厚薄及水分结合方式 物料的湿度 物料的水分活度与湿度有关 因而影响干燥速率 物料的温度 温度与水分的蒸气压和扩散系数有关 干燥介质的状态 温度越高 相对湿度越低 干燥速率越大 干燥介质的流速 由边界层理论可知 流速越大 气膜越薄 干燥速率越大 介质与物料的接触状况 主要是指介质的流动方向 流动方向垂直于物料表面时 干燥速率最快 1干燥曲线 干燥过程中物料含水量X与干燥时间t 物料表面温度 的关系曲线 2干燥速率曲线 物料干燥速率u与物料含水量X的关系曲线 干燥过程分为恒速干燥和降速干燥两个阶段 3恒速干燥阶段 如BC段所示 AB段为物料预热段 此段所需时间很短 一般并入BC段考虑 除去的水分是非结合水 属于表面汽化控制阶段 物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度 干燥速率的大小 主要取决于空气的性质 而与湿物料的性质关系很小 此阶段特点 在恒速干燥阶段中 空气传给物料的热量等于水分汽化所需的热量 即 在干燥过程中 传热速率为 传质速率为 所以 恒速干燥阶段的干燥速率为 4降速干燥阶段 如CE段所示 临界点 C点 该点的干燥速率Uc等于等速阶段的干燥速率 临界含水量 Xc越大 则会过早的转入降速干燥阶段 使在相同的干燥任务下所需的干燥时间加长 临界含水量与物料的性质 厚度 干燥速率有关 第一降速阶段 CD段 物料内部水分扩散速率小于表面水分在湿球温度下的汽化速率 这时物料表面不能维持全面湿润而形成 干区 导致干燥速率下降 第二降速阶段 DE段 水分的汽化面逐渐向物料内部移动 从而使热 质传递途径加长 阻力增大 造成干燥速率下降 降速干燥阶段特点 干燥速率主要决定于物料本身的结构 形状和大小等 而与空气的性质关系很小 物料表面的温度不断上升 而最后接近于空气的温度 积分边界条件为 开始时 0 X X1 终了时 1 X Xc 1恒速干燥阶段 设恒速干燥阶段的干燥速率为uc 根据干燥速率定义 有 三 恒定干燥条件下干燥时间的计算 临界处的干燥速率Uc可从干燥速率曲线查得 也可用下式进行估算 对流传热系数a可用以下几种经验公式计算 式中L 湿空气的质量流速 kg m2 h 适用条件 L 3900 19500kg m2 h 0 9 4 6m s 1 空气的流动方向与物料表面平行时 适用条件 L 2450 29300kg m2 h 0 6 8m s 空气的平均温度t 45 1500C 2 空气垂直于物料表面流动 例 将不溶于水的固体晶体装在0 5 0 5m的盘中干燥 物料层厚度为25mm 盘的侧面和底面可假定为绝热的 干燥所需热量由流动方向与物料平行的热空气以对流方式传到物料表面 空气流速为6m s 温度为700C 湿度为0 01kg水 kg绝干料 试估算恒速干燥阶段的干燥速率和蒸发量 湿空气的密度为 解 由湿度图查得H 0 01kg水 kg绝干料 t 700C的空气tw 300C 空气的湿比容为 湿空气的质量流速L u 61 023 6 14kg m2 s或22100kg m2 h 当tw 300C时 rtw 2424kJ kg 则有 蒸发量为Uc A 3 62 0 5 0 5 0 91kg水 h 对流传热系数 2降速干燥阶段 式中U 降速阶段的瞬时干燥速率 kg m2 s 积分边界条件 降速开始时 0 X Xc 终了时 2 X X2 在降速干燥阶段 U是变量 可采用以下两种方法进行计算 图解积分法 将1 U对各相应的X进行标绘 量出介于所得曲线与横轴两界限X2 Xc间的面积 其数值即为所求的积分值 近似计算法 式中Xe 平衡含水量kX 系数 直线CE的斜率 连接临界点C与平衡含水量E的直线来代替降速阶段的干燥速率 该近似方法认为在降速干燥阶段 干燥速率与物料中的自由水分成正比 即 真空干燥的基本原理 1 与热风干燥的主要区别 真空干燥时的总压很低混合气中空气为极少量热量由接触传热面或辐射面提供 2 特点 初期 物料含有大量水分时 其温度低于或接近于该真空度下水的沸点 后期 物料温度逐渐升高 强化强度逐渐下降 直到平衡 在一定的真空度下 水分汽化速度决定于传导或辐射的热量 料温只与真空度有关而与气体的温度无关废气几乎为零 一 干燥器的分类 按操作压强分 常压干燥器 真空干燥器 按供热方式分 对流干燥器 传导干燥器 辐射干燥器 介电加热干燥器 按操作方式分 连续式 间歇式 按介质和物料的相对运动方向分 并流 逆流 错流干燥器 5干燥设备 并流 逆流 错流干燥器的特点 并流 含水量高的物料与温度最高而湿度最低的介质相接触 在进口端的干燥推动力大 在出口端的推动力小 适用情况 1 干物料不耐高温而湿物料允许快速干燥 在干燥第一阶段 物料温度始终维持在湿球温度 到第二阶段 物料温度才逐渐上升 但此时介质温度已下降 物料不致于过热 2 物料的吸湿性小或最终水分要求不很低 物料在出口处与温度最低 湿度最高 即相对湿度最大 的介质接触 其平衡水分高 逆流 物料与干燥介质的运动方向相反 干燥推动力在干燥器中分布较均匀 适用情况 1 湿物料不宜快干而干物料能耐高温 2 物料的吸湿性强或最终含水量要求低 注 在逆流时 湿物料进入的温度不应低于干燥介质在此处的露点 否则湿度高的干燥介质中有一部分水蒸气会冷凝在湿物料上 从而增加干燥时间 优点 构造简单 制造容易 适应性强 缺点 干燥不均匀 干燥时间长 劳动强度大 操作条件差 适用于干燥粒状 片状和膏状物料 批量小 干燥程度要求高 不允许粉碎的脆性物料 以及随时需要改变风量 温度和湿度等干燥条件的情况 1 厢式干燥器 盘式干燥器 二 对流干燥器 箱式干燥器 车厢式干燥器 带式干燥器是使用环带作为输送物料的干燥器 运输带通常用帆布 橡胶 金属丝网制成 以金属丝网居多 2 带式干燥器 工作原理 散粒状物料由床侧加料器加入 热气流通过多孔分布板与物料层接触 气流速度保持在临界流化速度和带出速度之间 颗粒即能在床层内形成流化 颗粒在热气流中上下翻动与碰撞 与热气流进行传热和传质而达到干燥的目的 当床层膨胀到一定高度时 床层空隙率增大而使气流流速下降 颗粒又重新落下而不致被气流所带走 经干燥之后的颗粒由床侧出料管卸出 气流由顶部排出 并经旋风分离器回收其中夹带的粉尘 优点 颗粒在干燥器内的停留时间可任意调节 气流速度小 物料与设备的磨损较轻 压降小 传热面大 物料的最终含水量低 结构简单 紧凑 缺点 因颗粒在床层中高度混合 则可引起物料的短路和返混 物料在干燥器内的停留时间不均匀 3 沸腾床干燥器 流化床干燥 流化床式干燥器 多室式流化床干燥器 原理及流程 物料从窄截面处加入 被进口气体夹带并进行输送 同时使物料沿器壁返回床层 从而使物料形成循环运动 物料循环频率与气速有关 物料在干燥器的扩大部分物料呈沸腾状态 在此被干燥 4 喷动床干燥器 喷动床干燥器 干物料 喷动床干燥器 湿物料 优点 对流传热系数和传热温度差大 干燥器的体积小 干燥速率快 物料停留时间短 可在高温下干燥 热利用率高 设备紧凑 结构简单 可以完全自动控制 缺点 气流在系统中压降较大 干燥管长 在干燥过程中存在摩擦 易将产品磨碎 分离器的负荷大 适用于在潮湿状态下仍能在气体中自由流动的颗粒物料 可利用高速的热气流使粉 粒状的物料悬浮于其中 在气力输送过程中进行干燥 5 气流干燥器 主要部件 优点 处理量大 适应性强 生产能力大 操作控制方便 干燥时间可藉调节转筒的转速来控制 产品质量均匀 缺点 设备笨重 热利用率低 结构复杂 占地面积大 转筒 呈倾斜状 在旋转时 借助重力的作用使物料向低端输送 抄板 将物料抄起后再洒下 增大干燥面积 提高干燥速率 同时促进物料向前运动 6 转筒干燥器 回转式干燥器 三 传导干燥器 1 滚筒式干燥器 2 真空干燥器3 带式真空干燥器 间接加热的连续干燥器 适用于溶液 悬浮液 胶体溶液等流动性物料的干燥 优点 动力消耗少 干燥时间和干燥强度易调节 四 辐射干燥器 1 红外线干燥器2 远红外线干燥器3 高频干燥器4 微波干燥器 五 干燥器的选择和设计 1 干燥器的选择2 干燥器的设计 原理 用喷雾器将稀料液喷成细雾滴分散于热气流中 使水分迅速蒸发而达到干燥的目的 通常雾滴直径为10 60um 每升溶液具有100 600m2的蒸发面积 喷雾器的类型 离心喷雾器 压力喷雾器 气流喷雾器 优点 干燥时间短 适于热敏性物料 所得产品为空心颗粒 溶解性好 质量高 操作稳定 能连续 自动化生产 由料液直接获得粉末产品 省去了蒸发 结晶 分离和粉碎操作 缺点 体积传热系数低 设备体积庞大 操作弹性较小 热利用律低 能耗大 第五节喷雾干燥 spraydryer 离心式喷雾器 压力式喷雾器 气流式喷雾器 四 喷雾干燥器基本设计计算 一 雾滴直径 1 离心式雾化器 2 压力式喷嘴3 气流式雾化器 二 离心式喷雾的喷雾幔 三 雾滴 颗粒在气体中的蒸发干燥 四 喷雾干燥室的直径和高度 第六节空气调节 一 空气调节系统基本原理及类型 1 基本原理2 分类 1 按空气调节机的形式可分成集中式 半集中式 独立式 2 使用循环空气的情况直流式 一次回风式 二次回风式 二 直流式空气调节系统 三 一次回风式空气调节系统 四 二次回风式空气调节系统 五 空气调节设备的计算 一 喷雾室 1 喷雾室截面积S 2 喷雾室喷水量 3 喷雾室内喷嘴数目 4 喷雾室