第四章_干燥及干燥器x.ppt

1 概述 1 固体物料中的湿份 水分或化学溶剂 2 除湿方法 干燥 利用热能使湿物料中的湿份汽化 除湿程度高 能耗大 3 干燥分类 第四章干燥及干燥器 湿物料的干燥方法机械去湿吸附去湿供热去湿 加热干燥方法热传导干燥法对流传热干燥法红外线辐射干燥法微波加热干燥法 2 4 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 5 干燥过程推动力 物料表面水分压P表水 热空气中的水分压P空水 3 对流干燥过程 对流干燥 热空气等干燥介质与湿物料接触 以对流方式向湿物料传递热量 使湿分汽化 并带走所产生的蒸气 对流干燥 传质与传热相结合的过程 4 干燥过程进行的必要条件 1 物料表面的水蒸汽压力大于干燥介质中水蒸汽的分压力 2 及时移走干燥过程中产生的蒸汽 5 6 干燥要解决的问题 干燥内容 干燥静力学物料衡算热量衡算 干燥动力学物料含水性质干燥速率干燥时间 6 质量守恒 进入与离开的物料质量之差 等于该过程中累积的物料质量 即 对于稳定状态 若各物理量不随时间改变 过程中无物料积累 则 输入量 输出量 累积量 输入量 输出量 物料平衡 第一节干燥过程的物料衡算与热量衡算 物料衡算目的 计算水分蒸发量 空气耗量和干燥产品量 7 物料衡算要规定计算基准 一 物料含水量的两种表示方法 式中 mw 湿物料中的含水质量G 湿物料的总质量Gc 绝干物料的质量 干燥前后绝干物料的质量不变 8 总结 湿基含水量w 干基含水量w 9 二 物料衡算 水分蒸发量WG1 G2 干燥前 后湿物料的质量流量 kg hGc 绝干物料的质量流量mw 湿物料中的含水质量 10 2 空气用量 单位空气消耗量 11 水分衡算 LH1 GX1 LH2 GX2 Gkg绝干物料 s 水分蒸发量W kg水 s 干燥产品流量G2 kg湿物料 s W L H2 H1 G X1 X2 新鲜空气L H1 干燥产品G2 X2 废气L H2 湿物料G1 X1 Gkg绝干物料 s G1 G2kg湿物料 s Lkg绝干空气 s H 含湿量 小结 12 练习 在常压连续干燥器中用状态为t 25 H 0 005kg kg的空气 将物料自含水量50 干燥至6 均为湿基 干燥后废气含湿量H 0 034kg kg 试求每小时干燥1000kg湿物料的水分蒸发量和所需的空气量 13 水分蒸发量为 其中 所以 干空气量 或 解 14 依据 能量守恒 干燥器的热平衡 收入热量 支出热量 三 能量平衡 干燥过程包括预热和干燥两部分 15 状态变化过程较为简单 温度升高而湿度不变 状态变化过程较为复杂 求解空气状态也比较困难 由于空气和物料间进行热和质的交换 而且还有其它外加热量 作简化 等焓干燥过程或非等焓干燥过程 1 干燥过程分析 16 2 干燥器的热量衡算 一 理论干燥过程 等焓干燥过程或绝热干燥过程 进入干燥器的热量全部用于蒸发水满足条件 不向干燥器补充热量 干燥器的热损失可忽略 进 出制品的温度不变 物料进出干燥器的焓相等衡算规则 冷空气的热焓 预热空气得热量 进入干燥器空气的热量 离开干燥器空气的热量 理论干燥过程图解 17 二 实际干燥过程 非等焓 非理想 干燥过程 干燥器的热损失不能忽略 物料进出干燥器时的焓不相等 可分以下几种情况 1 干燥器中不补充热量 即Qd 0 物料进出干燥器的焓差均不能忽略 I2 I1 2 干燥器中补充的热量Qd比热损失及物料带走的热量之和还要大 则 I2 I1 3 等温干燥 18 衡算规则 干燥介质带入的热量 预热量 蒸发水带入的热量 补充热量 加热干燥物料的热量 废气带走的热量 干燥器表面散失热量 三 干燥器的热效率 h表示干燥器的性能 h 热利用程度 19 干燥系统的热量衡算 计算空气吸热Qp 物料吸热QD和消耗的总热量Q I kJ kg绝干空气焓 I kJ kg绝干物料焓 物料温度 20 空气吸收的热物料吸收的热热损失 经简化并整理可得 Q 1 01L t2 t0 W 2490 1 88t2 GCm 2 1 QL 空气用热蒸发水用热加热干物料用热热损失 Q Qp QD L I2 I0 G I 2 I 1 QL 忽略湿物料中水分带入系统的焓 空气吸收的热 预热 干燥物料吸收的热 蒸发水用热 加热干物料用热 21 等焓干燥过程 又称绝热干燥 理想干燥 条件 QD 0QL 0G I 2 I 1 0得 I2 I1 非等焓干燥过程条件 1 QD 0QL 0G I 2 I 1 0得 I1 I2BC1线在BC线下方 2 QD QL G I 2 I 1 得 I1 I2BC2线在BC线上方 3 等温下进行 BC3线 22 例1 在总压100kpa下将温度为18 含湿度为0 006kg kg的空气加热 送入干燥器作为干燥介质使用 进干燥器时的气体的含湿度维持在0 065kg kg 废气的排出温度为58 相对湿度70 设气体在干燥器内状态的变化是一绝热过程 试求空气进入干燥器时的温度 23 解 查出t2 58 时的饱和水蒸汽压ps 18 2kPa废气中的水汽分压为 pv ps 0 70 x18 2 12 7kPa 废气含湿度 废气的焓 根据题设干燥器内空气状态的变化为一绝热过程 故进干燥器时气体的焓与废气的焓相等 即 预热器出口温度 24 例2 在常压连续干燥器中将物料自含水量50 干燥至6 均为湿基 设空气在干燥器中经历等焓过程 已知进入预热器空气的状态为to 36 Ho 0 028kg kg 预热器出口空气为to 54 废气的状态为t2 38 H2 0 034kg kg 试求每小时干燥1000kg湿物料所需的空气量及预热器的加热量 设预热器的热量损失可忽略 25 I2 I1 解 过程路线及有关参数如下 空气状态点 t0 36 H0 0 028 预热 H0 H1 t1 54 H1 0 028 t2 38 H2 0 034 干燥 水分蒸发量为 其中 所以 26 绝干空气量可由整个干燥系统的物料衡算求得 即 故空气量为 预热器的传热量为 其中 所以 27 第二节干燥速度和干燥时间 干燥动力学 物料衡算和热量衡算 W L Q 选风机 预热器 干燥速度和干燥时间 干燥动力学 干燥器的设计 干燥速度即取决于空气的性质和操作条件 也取决于水分在空气与物料间的平衡关系 水分在空气与物料间的平衡关系 用干燥方法从物料中除去水分与物料结构空气状态含水分的性质有关 28 干燥过程中 物料内的水分先扩散到物料表面 再向干燥介质主流扩散 水分在物料内部的扩散速率与物料结构以及物料中水分的性质有关 水分除去的难易程度取决于物料与水分的结合方式 一 物料中含水分的性质 29 物料的平衡含水量曲线 一 能否除去平衡水分自由水分二 难易除去结合水非结合水 30 水的蒸汽压与含水量的关系曲线 pw X的关系 一 结合水分与非结合水分 X XspW ps 非结合水分 以机械方法附着在物料上德部分水分 特点 无结合力 易除去 X XspW pw ps 结合水分 以某种力 化学力 毛细管力 吸附力等 附着在物料上 特点 结合水的蒸气压低于同温下水的饱和蒸气压 借化学力或物理化学力与固体相结合 较难去除 31 二 平衡水分与自由水分 平衡水分 在一定空气状态下的干燥极限 在一定的干燥条件下 物料中不能被除去的那部分水分称为平衡水分 平衡水分必定是结合水分 自由水分 能除去的水分 即X X 的那部分水 区别 结合水分与非结合水分 仅取决于物料本身 平衡水分与自由水分 不仅取决于物料本身 则还取决于干燥介质的状况 物料的平衡水分随温度升高而减少 例如 棉花与50 的空气相接触 当空气的温度由37 8 升高到93 3 时 平衡水分由0 073降至0 057kg水 kg绝干气 约减少25 物料中的总水分 自由水分 平衡水分 32 三 水分与物料的结合方式 水分与物料的结合方式对干燥速度有显著的影响 附着水分 毛细管水分 溶胀水分 pw pw 非结合水分 较易除去 凹表面曲率的影响 pw pw 结合水分 较难除去 物料组成的一部分 pw pw 结合水分 较难除去 返潮 干燥的逆过程 X 的物料与 的空气接触 33 小结 结合水分与非结合水分 按物料中水分被干燥除去的难易程度划分 非结合水 湿物料表面上附着水分和大孔隙中的水分湿物料中超出 的那部分水分结合力较弱非结合水等于空气中的水汽分压结合水与非结合水只取决于物料的性质 与空气状态无关 结合水 湿物料中存在于细胞壁内和毛细管内的水分 其内水的分压力小于同温度下水的蒸汽压 除去较难 结合力较强曲线延长线与 100 线的交点 湿物料在点B处的平衡水分 B处湿物料与饱和空气达到平衡 34 小结 平衡水分及自由水分 按物料中的水分能否被干燥除去划分 平衡含水量 物料表面水的分压力与空气中水蒸汽分压力相等时物料的含水量 平衡水分平衡含水量 无法干燥除去的那部分水分 自由水分 平衡含水量 可以干燥除去的那部分水分 2 平衡水分与自由水分是物料性质和空气状态的函数 说明 1 平衡水分是是干燥的极限 自由水分是湿物料中超过平衡水分的那部分水分 3 同种物料 空气的 越小 平衡含水量越低 能够干燥除去的水分越多 当 0时 平衡含水量为零 即只有绝干空气才能将湿物料干燥成绝干物料 35 36 确定设备的大小 干燥速度 恒定干燥条件 湿空气的状态 温度 湿度 不变 空气流速不变 与物料的接触方式不变 二 恒定干燥的干燥速率 37 1 干燥速率曲线 干燥速率与含水量的关系 预热段AB 恒速干燥段BC 降速干燥段CDE 2干燥过程阶段 恒速干燥段BC 表面气化控制阶段空气传给物料的显热 水分汽化所需的潜热物料表面充满非结合水 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干燥速率保持恒定干燥速率只取决于空气状况 与物料无关 38 降速干燥段CDE 内部迁移控制阶段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物料升温在此阶段内干燥速率随物料含水量的减少而降低 直至物料的含水量等于平衡含水量X 干燥速率逐渐降低 降为零时干燥过程停止干燥速率只取决于物料状况 与空气无关 39 降速干燥速率曲线 因物料的内在性质不同而异 四种典型形状的干燥速率曲线 a 大孔隙粒状物料层干燥 粉粒状物料分散干燥 液滴干燥及薄片状物料等的干燥 其干燥速率与含水量近似呈线性关系 b 非亲水性细粉粒堆积层或纤维状物料层的干燥 依靠毛细管力的作用 使水分通过细小孔隙向物料表面传递 c 纤维性物料 木材 或细小粉粒物料 粘土 淀粉 等亲水性物料的干燥 第一降速阶段水分的传递主要依靠毛细管力 而第二降速阶段水分与水汽的传递主要依靠扩散作用 d 肥皂 胶类等能与水形成均相溶液的无孔吸湿性物料的干燥 物料内部与表面有浓度差 水分借扩散作用向表面传递 在表面汽化 这类物料不存在恒速干燥阶段 40 说明 Xc随物料的性质 厚度及干燥速率等有关无孔吸水性物料的Xc 多孔物料物料层越厚 c值越大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 c值越大 转入降速干燥段越早 所需干燥时间越长 对干燥过程不利减小Xc措施 减低物料层的厚度 加强对物料的搅拌 增大干燥面积 临界含水量Xc临界点 恒速干燥与降速干燥两个阶段的交点物料内部水分向表面迁移的速率小于表面气化的速率临界含水量Xc C点对应的物料含水量 41 临界含水量Xc值是干燥设计的重要参数 它不仅与物料的含水性质 大小 形态 堆积厚度有关 而且与干燥介质的温度 湿度 流速以及同物料的接触状态有关 1 同样大小和形态的吸水性物料的Xc值大于非吸水性物料 2 同一种粉粒状物料 当呈堆积状态干燥时 其Xc 0 10 若该为分散状态干燥时 Xc 0 01 膏糊状物料 若以层状干燥时 Xc 0 3 若边干燥边破碎成粉粒状 可降至Xc 0 01 3 恒速干燥阶段的干燥速率与空气的温度 湿度及流速有关 当空气温度升高 湿度减小 流速增大时 物料的干燥速率增高 Xc值也将增大 42 第三节常用干燥器的分类 43 swf 1 厢式干燥器 常用对流干燥器 又称盘式干燥器 是一种常压间歇操作的最古老的干燥设备之一 一般小型的称为烘箱 箱式干燥器 大型的称为烘房 44 按气体流动的方式分 并流式 穿流式和真空式厢式干燥器的特点 1 结构简单 设备投资少 适应性强 2 适用于干燥粒状 片状和膏状物料 较贵重的物料 批量小 尤其适合于实验室应用 3 干燥不均匀 干燥时间长 装卸物料劳动强度大 操作条件差 装卸物料热损失大 产品质量不易均匀 45 2 洞道式干燥器 洞道式干燥器的器身为狭长的洞道 内敷设铁轨 一系列的小车载着盛于浅盘中或悬挂在架上的湿物料通过洞道 在洞道中与热空气接触而被干燥 小车可以连续地或间歇地进出洞道 46 洞道干燥器的特点 洞道干燥器的容积大 小车在器内停留时间长 处理量大可干燥长时间的物料 如木材 陶瓷等 干燥介质为热空气或烟道气 气速一般应大于2 3m s 洞道中也可采用中间加热或废气循环操作 47 3 带式干燥器 带式干燥器干燥室的截面为长方形 内部安装有网状传送带 物料置于单层或多层传送带上 气流与物料错流流动 带子在前移过程中 物料不断地与热空气接触而被干燥 48 带式干燥器的特点 物料的运动方向上可分区 可实现不同区段内气流的方向 温度 湿度及速度的不同调控物料在带式干燥器内基本可保持原状 也可同时连续干燥多种固体物料要求带上物料的堆积厚度 装载密度均匀一致 否则通风不均匀 会使产品质量下降 适用于干燥颗粒状 块状和纤维状的物料生产能力及热效率较低 热效率约在40 以下 49 4 转筒干燥器气固在转筒内逆流接触 随着转筒的旋转 物料在重力作用下流向较低的一端 转筒干燥器的特点 1 机械化程度高 可连续操作 生产能力大 流体阻力小 容易控制 产品质量均匀 操作稳定可靠 2 对物料含水量 粒度等变动的适应性强 适用于粉粒状 片状及块状物料的干燥 3 设备笨重 占地面积大 swf 50 练习 1 物料的平衡水分一定是 A非结合水分B自由水分C结合水分D临界水分答 C2 湿空气在间接加热过程中不变化的参数是 A焓B相对湿度C露点D湿球温度答 C3 干燥的必要条件是 干燥过程是 与 相结合的过程 答 物料表面水分蒸汽压大于干燥介质中水气的分压传质传热4 在同样的干燥条件 干空气的t H一定 下 湿物料的尺度减小 则临界含水量 平衡含水量 答 降低不变 51 5 在连续干燥器之前用预热器加热空气 被加热的空气获得的热量按其去向可分为哪四项 答 1 加热空气2 加热物料3 蒸发水分4 热损失6 对一定湿度的空气 当空气温度升高时 露点温度td 答 不变7 通过干燥不可能被除去的水分是 平衡水分 自由水分 结合水 非结合水答 8 一般干燥过程可划分为 阶段和 阶段 答 恒速干燥阶段 降速干燥阶段 52 9 一般地 恒速干燥阶段除去的水分是 平衡水分 自由水分 结合水 非结合水答 10 一般地 降速干燥阶段除去的水分是 平衡水分 自由水分 结合水 非结合水答 11 在干燥过程中 表面汽化控制阶段所除去的水分是 平衡水分 自由水分 结合水 非结合水答 12 内部迁移控制阶段所除去水分是 平衡水分 自由水分 结合水 非结合水答 13 临界含水量是指 答 临界含水量为恒速干燥与降速干燥阶段的分界点14 干燥器的主要形式有 答 对流干燥器 传导干燥器 辐射干燥器 电加热干燥器 53 15 空气的湿含量一定时 其温度愈高 则它的相对温度 A 愈低 B 愈高 C 不变答 A16 对于恒速干燥阶段 下列哪个描述是错误的 A 干燥速度与气体的性质有关B 干燥速度与气体的流向有关C 干燥速度与气体的流速有关D 干燥速度与物料种类有关答 D17 在一定空气状态下 用对流干燥方法干燥湿物料时 能除