第五章 干 燥.ppt

2020 1 28 1 固体干燥 一 定义 利用热能使物料中的水分汽化并由气流带走或真空抽走的单元操作 区别于利用重力或离心力进行的机械除湿 在工业生产中往往先采用机械除湿除去大量水分然后再干燥去除残余水分的方法 二 目的 使物料中的湿分 水分或者溶剂 含量达到规定的要求 从而进一步贮存 运输或加工 在食品工业中应用广泛 如麦片 奶粉 饼干 方便面等 2020 1 28 2 三 分类 按照带走水分的方法不同1利用热空气2利用真空泵按照提供热能的方法不同1对流利用热风传热并带走水分 2传导间接加热 水气由物料周围的气流带走 3辐射利用红外线 微波作热源 2020 1 28 3 关于对流干燥 如图 在流化床干燥器内 热空气与湿物料直接接触 它既是载热体又是载湿体 热空气放出热量使物料加热 物料吸收热量 其中的水分汽化被热空气带走 优点 热空气温度便于调节 物料不容易过热 缺点 热能利用率低 因为热空气在离开干燥器时仍带有相当大的一部分热能 在工业上应用最为广泛 是我们研究的主要对象 2020 1 28 4 关于传导干燥 工作原理 蒸汽在夹层内冷凝 放出的热量通过底板传给物料 物料吸热 其中水分汽化 被周围的气流带走 优点 热能利用程度高 缺点 与金属壁面接触的物料易过热 2020 1 28 5 关于辐射干燥 辐射器分为两种 一种利用红外线照射物料 热能被湿物料吸收 将水分汽化而达到干燥目的 另一种应用微波干燥 物料内部的温度先升高 优越性更大 优点 生产强度大 产品干燥均匀而且洁净 设备紧凑占地面积小 缺点 电能消耗大 2020 1 28 6 按照操作条件的不同常压干燥真空干燥适用于热敏性 易氧化物料按照操作方式的不同连续式生产能力大 劳动条件好间歇式费用低 适用于多品种物料 2020 1 28 7 四 必要条件物料表面的水气压强大于干燥介质 空气 中的水气分压 二者差别越大 干燥进行得越快 若干燥介质被饱和 推动力为零 扩散立即停止 传热推动力 温差干燥速率由二者共同决定传质推动力 压差干燥既是传热过程又是传质过程 2020 1 28 8 五 湿空气的性质湿空气是干空气和水气的混合物 在对流干燥过程中常采用不饱和空气作干燥介质 预热后的湿空气与湿物料进行热量和质量的交换从而达到干燥物料的目的 在整个操作过程中 湿空气的性质要发生一系列的变化 湿空气的性质包括 湿度 相对湿度 湿比体积 湿比热容 焓 干球温度 湿球温度 绝热饱和温度和露点 2020 1 28 9 湿度rm 定义 单位质量绝干气所带的水气质量 又叫湿含量 因为在干燥操作前后 湿空气中的水气质量在变化 而绝干气质量不变化 所以以单位质量绝干气作为基准 数学式其中 M为摩尔质量 n为摩尔数 v为水气 g为绝干气 2020 1 28 10 在水气 空气系统中 水的分子式H2O 设湿空气的总压为p 水气分压为p1 则干空气分压为p p1 视湿空气为理想气体 则根据理想气体的分压定律 组分的摩尔数之比等于其分压比 所以该式表明 当总压一定时 湿度仅与水气分压有关 即 2020 1 28 11 相对湿度 定义 湿空气中水气分压与同温度 同总压下饱和空气中的水气分压之比 也就是与同温度 同总压下的饱和蒸汽压之比 数学式 值越小 说明使空气偏离饱和程度越远 它的吸湿能力越强 0 空气就成为绝干空气 1 空气为水气所饱和 也就是饱和空气 此时吸湿能力为0 不能用来做干燥介质 2020 1 28 12 湿度与相对湿度 与湿度相比 湿度为湿空气中含水气的绝对值 而相对湿度为湿空气中含水气的相对值 只有相对湿度才能说明湿空气的吸湿能力 二者的数学关系对于饱和空气 1饱和空气的湿度为 2020 1 28 13 湿比体积vr 定义 含单位质量绝干气的湿空气的体积 即其中 湿空气的体积为单位质量绝干气的体积与相应的水气体积之和 2020 1 28 14 数学式 绝干气的摩尔数 1kmol绝干气29kg 1kg绝干气1 29kmol 水的摩尔数 由湿度的定义式而来 标准状态的温度换算 标准状态的压强换算 2020 1 28 15 湿比热容cr 定义 以单位质量绝干气为计算基准的湿空气比热容 升高1 C所需要的热量 数学式 绝干气的比热容 水气的比热容 在常用温度范围内 cg 1 01kJ kg干空气 K cv 1 88kJ kg水气 K cr 1 01 1 88rmkJ kg绝干气K 2020 1 28 16 焓H 定义 含有1kg绝干气的湿空气所具有的热量 数学式 意为绝干气的焓和相应水气的焓之和 而水汽的焓中包括升温和汽化两部分 0 C下水的汽化潜热为2490kJ kg 规定0 C时干空气和液态水的焓值为0 带入上式 可得 湿比热容 2020 1 28 17 习题 若常压下某湿空气的温度为20 C 湿度为0 014673kg水气 kg绝干气 求 1 湿空气的相对湿度2 湿空气的湿比体积3 湿空气的湿比热容4 湿空气的焓若温度升高到50 C 上述参数有何变化 2020 1 28 18 干球温度和湿球温度 在湿空气中 用普通温度计测得的温度称为该空气的干球温度 也就是湿空气的真实温度 如果不特指都是说的干球温度t 见图11 1P 593用纱布包裹温度计的感温球 纱布下端浸在水中 由于毛细现象纱布完全被水浸润 这就是一支湿球温度计 它在空气中达到的平衡或稳定温度就成为湿球温度tw 2020 1 28 19 原理 少量水与大量空气接触 水温就会变化而达到空气的湿球温度 条件 经过一段时间达到稳定 过程 1由于湿度差 水分汽化而向空气中扩散2汽化扩散吸热使水的温度降低3由于温度差 空气向水中传热4水温继续下降 直至空气所传给的热量与水分汽化所需要的热量相等 湿球温度计上的温度稳定 2020 1 28 20 湿球温度的特点 1并不代表空气的真实温度 是湿空气的性质之一 2大小由空气的干球温度和湿度决定 当干球温度一定时 相对湿度越小 水分从湿纱布表面向空气中扩散的推动力越大 水分的汽化速率越高 传热速率越大 所达到的湿球温度越低 如果空气为饱和状态 扩散推动力为0 干球温度和湿球温度相等 Tw t 2020 1 28 21 意义 在干燥过程中 湿物料的表面温度就是干燥器中空气的湿球温度 空气对湿物料表面的传热温度差就是干球温度和湿球温度之差 即 根据牛顿冷却定律 空气向湿纱布表面的传热速率为 其中 S为湿纱布与空气的接触面积 I 2020 1 28 22 湿纱布表面的气膜层中的湿度为温度tw下的饱和湿度 写为气膜中水汽向空气扩散 传质系数为k 温度tw下潜热为rtw 传质推动力为与rm之差 所以 汽化水所需要的热量 湿球温度tw下水的汽化潜热 扩散速率 II 2020 1 28 23 平衡时 I与II相等 整理得 其中 k 为同一气膜的传质系数与传热系数之比 实验证明 该值与气速无关 由上式可知 当空气的干球温度和湿度一定时 它的湿球温度一定 该式表明了干球温度和湿球温度的关系 2020 1 28 24 绝热饱和温度tas 定义 一定量的湿空气和大量水接触 到达饱和状态时的温度 过程 如左图 水吸热向空气中汽化 沿塔的高度方向 空气湿度增加 温度下降 焓不变 是一个等焓过程 温度下降因为水汽化所吸收的热量来自空气 焓不变因为汽化水将所吸收热量带至空气 只不过吸收的是显热 带入的是潜热 形式不同 2020 1 28 25 条件 1 水与空气接触的时间足够长2 塔的保温效果良好 无热损失 所谓绝热 结果 饱和空气的温度与循环水温相等 这个温度就叫做湿空气的绝热饱和温度 意义 在系统中作焓衡算 0 C下的汽化潜热 塔底湿空气的焓 塔顶湿空气的焓 2020 1 28 26 rm和rm as均很小 可认为 代入焓衡算式 可得 由此 得出了绝热饱和温度与湿空气的干球温度和湿度之间的关系 只要测出干球温度和绝热饱和温度就可以求出湿空气的湿度 式中 rm as为绝热饱和温度下的湿度 称为绝热饱和湿度 2020 1 28 27 关于绝热饱和温度和湿球温度 绝热饱和温度和湿球温度的概念截然不同 但都是湿空气的初始温度和湿度的函数 对于水 空气系统 湿球温度和绝热饱和温度近似相等 由此可以简化水气 空气系统的干燥计算 2020 1 28 28 露点td 定义 湿空气在总压和湿度不变的条件下冷却 达到饱和即将结出露水状态时的温度 要点 1 露点是一个临界值 一旦温度继续下降至露点以下 空气中的水汽即凝结出液态水 2 根据定义 当湿空气的温度达到露点时 相对湿度 1 3 与干球温度和湿球温度以及绝热饱和温度之间的关系 不饱和空气饱和空气 2020 1 28 29 六 湿空气的湿 焓图 P 596图11 3目的 解决计算繁杂的问题 1等湿线 使用条件 总压为常压 不符合此条件时要另外作图以相适应 2020 1 28 30 2等焓线 2020 1 28 31 3等干球温度线 2020 1 28 32 4等相对湿度线 2020 1 28 33 5水蒸气分压线 2020 1 28 34 湿焓图的应用 1确定湿空气的状态或性质2作干燥的物料衡算和热量衡算注意 根据两个独立参数在图上找出湿空气的状态点 然后查出其它性质 所谓两个独立参数就是两个参数不在同一等温线或等焓线上 否则形不成交点 无法确定湿空气的状态点 湿比体积vr和湿比热容cr无法从湿焓图中查出 必须计算 2020 1 28 35 由湿焓图查露点td 露点定义为等湿条件下冷却至饱和的温度 所以等湿线与饱和空气线相交 通过交点的那条等温线就是露点 2020 1 28 36 由湿焓图查绝热饱和温度tas 绝热饱和温度定义为等焓过程中空气被水所饱和时的温度 所以通过空气状态点的等焓线与饱和空气线交点的等温线就是绝热饱和温度 在水气 空气系统中 2020 1 28 37 已知t tw t td t 都可以确定湿空气的状态点 从而进一步查出其它未知参数 例题11 2P 598作业 11 1 2020 1 28 38 七 湿空气状态的基本变化过程 1间壁式加热为等湿过程 空气的温度升高 焓值增加 相对湿度降低 吸湿能力增强 这就是空气在预热器内进行的过程 若空气的温度降低 焓值减小 就是间壁式冷却 2020 1 28 39 2间壁式冷却减湿当间壁式冷却过程进行到露点 状态点沿饱和线行进 如果将凝结出的水分不断除去 温度虽然不断降低 空气却始终维持在饱和状态 如果将减湿后的空气重新加热 就可以得到新的状态点B 空气的湿度小于原来的湿度 2020 1 28 40 3不同状态的空气混合当两种不同状态的空气混合 混合气的状态点落在二状态点之间的连线上 2020 1 28 41 混合点具体位置的确定 对水气作物料衡算 混合前水气 混合后水气 作热量衡算 混合前热量 混合后热量 2020 1 28 42 整理两式 可得杠杆规则 从而确定混合点n点的具体位置和状态参数 2020 1 28 43 绝热冷却增湿空气与水直接接触 直至饱和 达到绝热饱和温度 为等焓过程 在等焓过程中空气增湿 物料被干燥 这就是干燥器内进行的过程 2020 1 28 44 习题11 4 5注意 概念明确 到底是什么过程 注意单位和计算 2020 1 28 45 干燥系统的物料衡算和热量衡算 1湿物料中含水量的表示方法湿基含水量 干基含水量 定义 水分在湿物料中的质量分数 以湿物料为计算基准 定义 水分与绝干物料的质量比 以绝干物料为计算基准 2020 1 28 46 湿基含水量和干基含水量之间的关系 2020 1 28 47 湿物料的比热容 湿物料的焓 其中 cs为绝干料的比热容 cw为水的比热容 其中 为湿物料的温度 2020 1 28 48 2物料衡算A 求水分蒸发量如右图 2 1 1 2 2020 1 28 49 设干燥器内无物料损失 2020 1 28 50 B 求干燥产品量在整个干燥过程中 绝干料不变 所以 2020 1 28 51 C 求空气消耗量物料中失去的水分就是空气中得到的水分 所以 可得 绝干气流量 2020 1 28 52 那么 新鲜空气质量流量 体积流量 湿空气的湿比体积 2020 1 28 53 注意 干燥产品 绝干物料废气 绝干空气习题 11 6 7注意 风量即湿空气的体积流量 水分气化速率即水分蒸发量 湿比体积的计算 2020 1 28 54 如左图所示 在干燥系统中 湿空气在预热器内经升温 在湿度不变的情况下 相对湿度降低 吸湿能力增强 p D 2热量衡算 2020 1 28 55 输入热量来自预热器湿空气带入湿物料带入向干燥器补充 2020 1 28 56 输出热量废气带走干燥产品带走其它热损失 损失于环境 总热量来源于 消耗于 蒸发水分 加热空气 损失对系统作热量衡算输入 输出 kW 2020 1 28 57 蒸发水分所需热量 蒸发水量 0 C下水的汽化潜热 常温下水的比热容 干燥系统的热效率 意为蒸发水分所需热量和干燥系统输入的总热量之比 2020 1 28 58 对系统作物料衡算 空气热量消耗 物料热量消耗 总热量消耗 预热器和干燥器提供的热量 例题11 6P 607 热损失 2020 1 28 59 空气通过干燥器的状态变化 1等焓过程 不向干燥器补充热量 忽略干燥器向周围散失的热量 而且物料进出干燥器的焓相等 这个干燥过程就是等焓过程 在实际操作中很难实现 被称为理想干燥过程 作用 简化计算 如图 在预热器里等湿加热 在干燥器里等焓干燥 2020 1 28 60 2非等焓过程 a补充热量热量损失实际操作线在等焓线上方 c补充热量 热量损失实际操作线在等温线上 2020 1 28 61 3中间加热干燥过程 等湿加热等焓干燥等湿加热等焓干燥等湿加热等焓干燥 通过干燥器的空气三次被加热 仍然由A点达到了最终状态C点 目的 降低空气的最高温度 对热敏性食品物料有利 2020 1 28 62 4废气循环干燥过程 A点的新鲜空气和C点的废气混合成为D点的混合气 然后等湿加热至E点 进入干燥器等焓干燥 到达C点 注意 a混合气的状态点在参与混合的两种气体状态点的连线上 b谁的量大混合点离谁近 因为受其影响大 优点 余热利用 习题11 8 9 2020 1 28 63 物料中的水分 湿物料中含有水分 通过干燥我们要去除一定量的水分 那么 湿物料中的水分有什么区别 水分与物料的结合又有哪几种方式 下面研究的就是物料中的水分 概念1 湿物料中水分的活度 水蒸气压pw与同温下纯水的饱和蒸汽压ps之比 水分活度值与物料的含水量以及温度有关 见图11 16吸着等温线 水分活度与含水量的关系曲线 P 6 8 2020 1 28 64 对于食物保鲜的意义 微生物繁殖快 微生物繁殖受抑制 微生物不能繁殖 2020 1 28 65 对于干燥的意义 物料中水分活度与湿空气相对湿度的关系 物料失水 活度降低 物料吸水 活度升高 达到平衡 结论 要使湿物料被干燥 其中的水分活度必须大于湿空气的相对湿度 2020 1 28 66 概念2 平衡水分和自由水分当一定状态的空气和湿物料接触 达到平衡时的水分就称为平衡水分 即湿物料中水分的活度pw ps与湿空气的相对湿度 相等时物料的含水量 若干食品的平衡水分见表11 1P 608 由表可知 物料的平衡水分取决于空气的相对湿度 某些食品的平衡水分曲线见图11 17P 609 由图中可知 0时 平衡水分为0 即物料为绝干物料 2020 1 28 67 综上所述 当物料和湿空气接触后 一旦达到平衡 即物料中的水分达到平衡水分 如果湿空气的状态不变 干燥就停止了 在此之前 物料水分大于平衡水分的那部分水分就称为自由水分 自由水分可以用干燥的方法去除 湿空气的相对湿度越低 物料的平衡水分越低 能被除去的自由水分越高 所以应该尽量采用相对湿度低的空气作为干燥介质 2020 1 28 68 概念3 结合水分与非结合水分按照物料中水分与物料的结合方式不同 物料中的水分可以划分为以下几种 化学结合水如结晶水 不能用干燥方法去除 物化结合水如吸附水分 渗透水分 结构水分 其中吸附水分结合力最强 机械结合水如毛细管水分 空隙中水分 表面湿润水分 其中表面湿润水分结合力最强 结合力强的水分水分难去除 称为结合水分 结合力弱的水分水分易去除 称为非结合水分 2020 1 28 69 见图11 18 P 609平衡水分曲线以上的为自由水分 平衡水分曲线与 100 线交点以上的为非结合水分 容易除去 非结合水分的活度 1 它与物料的结合力极弱 汽化这种水分与汽化纯水相同 极易用干燥的方法除去 例题11 7看书作业11 10 2020 1 28 70 干燥机理 水分由物料内部向表面扩散原因 表面水分先汽化 形成了内外湿度梯度 热量由表面向内部传递原因 热空气向物料表面传热 形成内外温度梯度 湿空气 在物料表面的气膜内 水分蒸汽