北京化工大学 《化工原理》 课件 第八章 干燥.ppt

1 8 干燥 8 1湿空气的性质与湿度图 8 2干燥过程的物料衡算与热量衡算 8 3干燥速率与干燥时间 8 4干燥器 2 在化工生产中 一些固体产品或半成品可能混有大量的湿分 将湿分从物料中去除的过程 称为去湿 去湿的方法可分为以下三类 机诫去湿 用于去除固体物料中大部分湿分 吸附去湿 用于去除少量湿分 热能去湿 干燥 向物料供热以汽化其中的湿分的单元操作 3 干燥过程的分类 常压干燥真空干燥 连续式间歇式 传导干燥 间接加热干燥 对流干燥 直接加热干燥 辐射干燥介电加热干燥 4 根据供热方式不同 干燥可分为以下四种情况 传导干燥 间接加热干燥 热能通过壁面以传导方式加热物料 对流干燥 直接加热干燥 干燥介质与湿物料直接接触 并以对流方式加热湿物料 辐射干燥 热能以电磁波的形式射到湿物料表面 介电加热干燥 将湿物料置于高频电场内 使其被加热 5 本章主要讨论对流干燥 干燥介质是热空气 除去的湿分是水分 对流干燥是传热 传质同时进行的过程 但传递方向不同 是热 质反向传递过程 传热 传质 方向 推动力 温度差 水汽分压差 6 干燥过程进行的必要条件 物料表面水汽压力大于干燥介质中水汽分压 干燥介质要将汽化的水分及时带走 7 8 1湿空气的性质与湿度图 8 1 1湿空气的性质 8 1 2空气的湿度图及其应用 8 8 1 1湿空气的性质 通常用两个参数来表征空气中所含水分的大小 湿度H及相对湿度 9 一 湿度 湿含量 H定义 湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气质量之比 湿空气是由水蒸汽和绝干空气构成 nw 湿空气中水汽的摩尔数 kmol ng 湿空气中绝干空气的摩尔数 kmol Mw 水汽的分子量 kg kmol Mg 空气的平均分子量 kg kmol 10 当湿空气可视为理想气体时 则有 式中 pw为空气中水蒸汽分压 即 当P为一定值时 11 当湿空气中水蒸汽分压pw恰好等于同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压ps时 则表明湿空气达到饱和 此时的湿度H为饱和湿度Hs 二 相对湿度 定义 在一定温度及总压下 湿空气的水汽分压pw与同温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数 即 即 12 结论 湿度H只能表示出水汽含量的绝对值 而相对湿度却能反映出湿空气吸收水汽的能力 当 1时 pw ps 湿空气达饱和 不可作为干燥介质 当 1时 pw ps 湿空气未达饱和 可作为干燥介质 越小 湿空气偏离饱和程度越远 干燥能力越大 13 例7 1 湿空气中水的蒸汽分压pw 17 5mmHg 总压P 760mmHg 求20 时的相对湿度 若空气分别被加热到50 和120 求 值 相对湿度 与湿度H的关系 14 三 湿空气的比热与焓1 湿比热 湿热 cH kJ kg干气 定义 在常压下 将1kg干空气和其所带有的Hkg水汽升高温度1 所需的热量 干空气比热 1 01kJ kg干气 水汽比热 1 88kJ kg水汽 15 2 焓 热含量 I kJ kg干气 定义 湿空气的焓为干空气的焓与水汽的焓之和 计算基准 以0 干空气及0 液态水的焓值为0作基准 因此 对于温度为t 湿度为H的湿空气 其焓值包括由0 的水变为0 水汽所需的潜热及湿空气由0 生温至t 所需的显热之和 16 即 式中 I 温度为t 湿度为H的湿空气的焓值 kJ kg干气 Ig 干空气的焓值 kJ kg干气 Iv 水汽的焓值 kJ kg水汽 r0 0 时水的汽化潜热 r0 2492kJ kg水汽 17 由上式可知 湿空气的焓值只与湿空气的湿度及温度有关 即 18 四 湿空气的比容 湿容积 H m3湿空气 kg干气 定义 每单位质量绝干空气中所具有的湿空气 绝干空气和水蒸汽 的总体积 式中 压力P 温度t下湿空气比容 m3湿气 kg干气 压力P 温度t下干空气比容 m3干气 kg干气 压力P 温度t下水汽比容 m3水 kg水 19 所以 20 综合以上分析可得 当总压力P为一定值时 另外 湿空气密度 21 定义 一定压力下 将不饱和空气等湿降温至饱和 出现第一滴露珠时的温度 湿度H与露点td的关系 五 露点td pd td下的饱和蒸汽压 22 干球温度t是用普通温度计测得的湿空气的真实温度 湿球温度计在空气中所达到的平衡或稳定的温度 湿球温度计 温度计的感温球用纱布包裹 纱布用水保持湿润 这支温度计为湿球温度计 不饱和空气的湿球温度tw低于干球温度t 六 干球温度t 七 湿球温度tw 23 湿球温度计工作原理分析 24 湿球温度tw计算公式 推导过程见P332 式中 空气至湿纱布的对流传热系数 W m2 以湿度差为推动力的传质系数 kg m2 s H 水在湿球温度tw时的汽化潜热 kJ kg水 湿空气在温度为tw下的饱和湿度 kg水 kg干气 空气的湿度 kg水 kg干气 25 物系性质 与 kH有关的物性 空气状态 t H 流动条件 kH 实验表明 与kH都Re与的0 8次幂成正比 故 与kH之比值与流速无关 只与物性有关 当物系已确定 则物系性质就不再改变 此时 湿球温度只与气相状态有关 即 影响湿球温度tw的三方面因素 26 对于空气 水系统 当空气流速u 5m s时 传热以对流方式为主 有 因此 湿球温度是湿空气的温度和湿度的函数 即当t H一定时 tw也为定值 可写为 在实际生产中 常常利用干 湿球温度计来测量空气的湿度 1 09kJ kg 27 七 绝热饱和温度tas定义 空气绝热增湿至饱和时的温度 绝热饱和器工作原理分析 28 经过以上分析可知 在空气绝热增湿过程中 空气失去的显热与汽化水分带来的潜热相等 空气的温度和湿度虽随过程的进行而变化 但其焓值不变 推导过程见P334 ras tas温度下水的汽化潜热 kJ kg水 Has 空气的绝热饱和湿度 kg水 kg干气 cH 湿空气的比热 kJ kg干气 29 湿球温度tw与绝热饱和温度tas的关系 tw 大量空气与少量水接触 空气t H的不变 tas 大量水与一定量空气接触 空气降温 增湿 tw 是传热与传质速率均衡的结果 属于动平衡 tas 是由热量横算与物料衡算导出的 属于静平衡 tw与tas数值上的差异取决于 kH与cH两者之间的差别 30 当空气为不饱和状态 t tw tas td 当空气为饱和状态 t tw tas td 31 8 1 2空气的湿度图及其应用 一 湿度图 五条线 1 等H线 2 等I线 3 等t线 4 等 线 5 水蒸气分压线 32 二 湿度图的应用 1 利用湿度图查取湿空气的物性 33 2 湿空气状态点的确定 34 例7 2 在总压为101 3kpa下 空气的温度为20 湿度为0 01kg水 kg干气 试求 1 td tw 2 总压P与湿度H不变 将空气温度提高至50 时的 3 温度t与湿度H不变 将空气总压提高至120kpa时的 4 若总压提高至300kpa 温度仍为20 每100m3原来的湿空气所冷凝出来的水分量 35 结论 因此 提高湿空气温度t 不仅提高了湿空气的焓值 使其作为载热体外 也降低了相对湿度使其作为载湿体 例7 3 教材P281 例7 2 36 7 2干燥过程的物料衡算与热量衡算 7 2 1湿物料中含水量 7 2 2干燥过程的物料衡算 7 2 3热量衡算 7 2 4空气出口状态的确定 7 2 5干燥器的热效率 37 7 2 1湿物料中含水量 两种表示方法 一 湿基含水量w kg水 kg湿物料 38 二 干基含水量X kg水 kg干物料 三 两者关系 39 7 2 2干燥过程的物料衡算 干燥流程图 40 L 绝干空气质量流量 kg干气 hr G1 G2 物料进出干燥器总量 kg物料 hr 一 绝干物料量Gc kg干物料 hr 二 汽化水分量W kg水 hr 水分汽化量 湿物料中水分减少量 湿空气中水分增加量 41 三 绝干空气用量L kg干气 hr kg干气 kg水 42 四 湿空气参数 1 湿空气用量 kg湿气 kg水 2 湿空气体积 kg湿气 kg水 3 湿空气密度 kg湿气 m3湿气 43 7 2 3热量衡算 44 QP 预热器内加入热量 kJ hr QD 干燥器内加入热量 kJ hr 外加总热量Q QP QD 汽化1kg水所需热量 kJ kg水 45 一 预热器的加热量计算qP 若忽略热损失 则 kJ kg水 二 干燥器的热量衡算 输入量 1 湿物料带入热量 焓值 46 cM 干燥后物料比热 kJ kg湿料 cw 水的比热 kJ kg水 2 空气带入的焓值 kJ kg水 3 干燥器补充加入的热量 kJ kg水 47 2 输出量 1 干物料带出焓值 2 废气带出焓值 3 热损失 输入 输出 48 所需外加总热量q 49 50 7 2 4空气出口状态的确定 一 等焓干燥过程 绝热干燥过程或理想干燥过程 空气在进 出干燥器的焓值不变 过程分析 51 则有 外界补充的热量及湿物料中被汽化水分带入的热量 热损失及湿物料进出干燥器热量之差 52 等焓过程 等焓过程又可分为两种情况 其一 无热损失 湿物料不升温 干燥器不补充热量 湿物料中汽化水分带入的热量很少 53 空气放出的显热完全用于蒸发水分所需的潜热 而水蒸汽又把这部分潜热带回到空气中 所以空气焓值不变 以上两种干燥过程均为等焓干燥过程 若 即 湿物料中水分带入的热量及干燥器补充的热量正好与热损失及物料升温所需的热量相抵消 此时 空气的焓值也保持不变 其二 54 二 实际干燥过程 1 补充热量大于损失的热量 即 在非绝热情况下进行的干燥过程 2 补充热量小于损失的热量 即 55 3 空气出口状态的确定方法 即确定H2 I2 1 计算法 2 图解法 举一例题 56 7 2 5干燥器的热效率 一 热效率 定义 二 影响热效率的因素 1 57 因此 t2不能过低 一般规定t2比进入干燥器时空气的湿球温度tw高20 50 2 3 回收废气中热量 4 加强管道保温 减少热损失 58 7 3干燥速率与干燥时间 7 3 1物料中所含水分性质 7 3 2恒定干燥条件下的干燥速率 7 3 3恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间 7 3 4恒定干燥条件下降速阶段干燥时间 59 7 3 1物料中所含水分性质 一 物料与水分结合方式 吸附水分 湿物料的粗糙外表面附着的水分 毛细管水分 多孔性物料的孔隙中所含的水分 溶胀水分 是物料组成的一部分 可透入物料细胞壁内 使物料的体积为之增大 60 二 平衡水分与自由水分 1 平衡水分 X 不能用干燥方法除去的水分 2 自由水分 X X 可用干燥方法除去的水分 X f 物料种类 空气性质 61 三 结合水分与非结合水分 结合水分 水与物料结合力强 pw ps 2 非结合水分 水与物料结合力弱 pw ps 结合水分与非结合水分只与物料的性质有关 而与空气的状态无关 这是与平衡水分的主要区别 平衡水分一定是结合水分 62 63 例7 4 在常压25 下 水分在ZnO与空气间的平衡关系为 相对湿度 100 平衡含水量X 0 02kg水 kg干料相对湿度 40 平衡含水量X 0 007kg水 kg干料现ZnO的含水量为0 25kg水 kg干料 令其与25 40 的空气接触 求物料的自由水分 平衡水分 结合水分和非结合水分 64 7 3 2恒定干燥条件下的干燥速率 一 干燥速率定义 单位时间 单位干燥面积汽化水分量 kg水 m2 s 恒定干燥条件 空气的温度 湿度 流速及物料接触方式不变 65 二 干燥曲线及干燥速率曲线 用于描述物料含水量X 干燥时间 及物料表面温度 之间的关系曲线 1 干燥曲线 66 2 干燥速率曲线 ABC段 恒速干燥阶段AB段 预热段BC段 恒速段CDE段 降速干燥阶段 C点 临界点XC 临界含水量E点 平衡点X 平衡水分 67 三 恒速干燥阶段 前提条件 湿物料表面全部润湿 汽化速率 传质速率 kg水 m2 s 传热速率 恒速干燥速率 68 恒速干燥特点 1 U UC const 2 物料表面温度为tw3 去除的水分为非结合水分4 影响U的因素 恒速干燥阶段 表面汽化控制阶段只与空气的状态有关 而与物料种类无关 69 四 降速干燥阶段 实际汽化表面减小汽化面内移 降速干燥阶段特点 1 2 物料表面温度 3 除去的水分为非结合 结合水分 4 影响u的因素 与物料种类 尺寸 形状有关 与空气状态关系不大 70 五 临界含水量XC 1 吸水性物料XC大于不吸水性物料XC2 物料层越薄 分散越细 XC越低3 恒速干燥uC越大 XC越高 71 7 3 3恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间 由干燥速率定义式 对于恒速干燥 U UC const 恒速干燥所需时间 72 UC的来源 1 由干燥速率曲线查得 求取 经验关联式 1 气体流动方向与物料平行 w m2k G 2500 3000 质量流速 kg m2hr 73 2 气体流动方向与物料垂直 G 4000 20000 kg m2hr 74 7 3 4恒