物料管理_化工原理之固体物料的干燥培训课件

化工原理principlesofchemicalengineering 第八章干燥 延安大学化学与化工学院 第八章干燥 第一节概述第二节湿空气的性质及湿度图第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算第四节干燥速率和干燥时间第五节干燥设备 第一节概述 去湿 将固体物料中所含的湿分 水或有机溶剂 去除至规定指标的操作 去湿方法 机械去湿法 能耗少 费用低 但湿分去除不彻底 物理去湿法 受吸湿剂的平衡浓度的限制 且只适用于脱除微量湿分 干燥方法 工业上利用热能去湿的方法 8 1 1固体去湿方法 干燥过程 利用热能除去固体物料中的湿分 水或其他溶剂 的单元操作 真空干燥 操作压力 常压干燥 间歇干燥 连续干燥 操作方式 8 1 2干燥过程的分类 机理 质量传递 湿份的转移 由固相到气相 以蒸汽分压为推动力 热量传递 由气相到固相 以温度差为推动力 传导干燥对流干燥辐射干燥介电加热干燥 加热方式 8 1 3对流干燥过程的传热与传质 利用热空气和湿物料作相对运动 气体的热量传递给湿物料 使湿物料的湿分汽化并传递到气体中 并被带走 说明 对流干燥是动量 热量 质量传递同时进行的传递过程 典型的对流干燥流程 第二节湿空气性质及湿度图 湿空气 含有湿分的空气 是常用的干燥介质 且一般情况下可视为理想气体 8 2 1湿空气的性质 干燥过程中 干空气的质量不变 故干燥计算以单位质量干空气为基准 干基 1 湿度H 湿含量或绝对湿度 湿空气中水蒸气质量和干空气质量之比 kg水 kg干空气 视为理想气体 则 饱和湿度Hs 湿空气中水蒸气分压等于该温度下水的饱和蒸汽压 2 相对湿度 相对湿度表明湿空气的不饱和度 反映湿空气吸收水汽的能力 H f t 在p 101 3kN m2时 4 湿比热容cH kJ kg干空气 C ca 干空气比热容 约1 01kJ kg干空气 C cv 水蒸汽比热容 约1 88kJ kg干空气 C 3 湿比体积 H m3 kg干空气 基准 0 C干空气 0 C时液态水的焓为零 r0 0 C时水蒸气汽化热 2490kJ kg 6 绝热饱和温度tas 绝热饱和过程 系统与外界绝热 不饱和气体与液体长时间接触 传热传质达平衡态时 则 5 湿比焓I kJ kg干空气 稳态下 以单位质量的干空气为基准 对全塔作热量衡算得 绝热饱和温度是状态函数 绝热饱和过程可当作等焓处理 即空气的入口焓近似等于空气的出口焓 7 干 湿球温度 干球温度与湿球温度 干球温度 普通温度计测出的空气温度 湿球温度 湿球温度计 气流吹过 湿份气化 表面降温 热量传递 稳态时 空气传入的显热等于水的汽化潜热 注意 湿球温度不是状态函数 应用 近似为常数 0 96 1 005 数值上等于相同条件下的绝热饱和温度 故可以用其确应空气状态 说明 测量湿球温度时 空气速度一般需大于5m s 使测量较为精确 8 露点td 保持空气的H不变 降低温度 使其达到饱和状态时的温度 pd 为露点td时饱和蒸汽压 既该空气在初始状态下的水蒸气分压pv 8 2 2湿空气的湿度图 根据相律 当压力一定时 双组分 单相的湿空气自由度为2 湿度图 t H图和I H图 等温度线 坐标轴X 等湿度线 坐标轴Y 等相对湿度线 1 湿空气的湿度图 t H图 一定总压下 固定 则可确定t H的关系 绝热饱和线 等湿球温度线 湿比热线 比容线 干比容线 汽化潜热 温度线 饱和湿比容线 2 湿度图的应用 求湿空气的性质参数 湿空气状态变化过程的图示 8 3 1干燥过程的物料衡算 典型的干燥流程 第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算 目的 确定出湿物料干燥到指定的含水量所需除去的水分量及所需的空气量 1 湿物料的水分蒸发量 或 又 所以 2 空气用量 进入和排出干燥器的湿分相等 故有 干空气用量 kg s kg s 单位空气消耗量 比空气消耗量 kg干空气 kg水 换算为湿空气的质量为 换算为湿气体的体积量为 kg湿空气 s m3湿空气 s 8 3 2干燥过程的热量衡算 目的 确定干燥器的出口空气状态参数或所需的加热量 基准 连续式干燥器的热量衡算以单位时间为基准 间歇式干燥器则以一次干燥周期为基准 全系统的热量衡算 进一步简化整理得 或 预热器的耗热量 该过程为恒湿增温过程 忽略热损失 有 表中 干燥器热量衡算 以干燥器为衡算系统 热量收支情况如下表所示 产品升温热量 由此可列出干燥器的热量衡算式 令 将带入 整理得 或 kW kg 8 3 3空气通过干燥器时的状态变化 无热损失 不加入补充热量 物料足够湿润 理想干燥过程 理想干燥过程为等焓过程 近似绝热饱和过程 干燥器出口空气状态亦可利用图解法在湿度图中直接求得 对于理想干燥过程 有 非理想干燥过程 非理想干燥过程为非等焓干燥过程 空气状态不是沿绝热饱和线变化 实际的干燥过程大多为非理想干燥过程 出口状态参数需由下式计算求得 湿基含水量w kg kg湿物料 干基含水量X kg kg干物料 换算关系 8 4 1物料中所含水分的性质 第四节干燥速率和干燥时间 一 湿物料含水量的表示方法 1 干燥平衡曲线 温度一定 对于一定的湿物料长时间接触湿空气 达到平衡状态 平衡蒸气压 平衡状态下湿物料表面的蒸气压 平衡含水量 平衡状态下物料的含水量 二 水分在气 固之间的平衡及干燥平衡曲线 p X 或p X 线 平衡含水量 f 物料的性质 空气的状态 可见 pV 0X 0 当时 pV X 当时 X线 X图受温度的影响相对较小 三 物料中所含水分的性质 自由水分和平衡水分 平衡水分 用一定状态的湿空气 干燥某湿物料 物料能够达到的极限含水量称为为对应于该空气状态的平衡水分 即 X X 不能被空气干燥的水分 注意 对于同一物料 不同的空气状态对应于不同的平衡水分 自由水分 物料含水量超出平衡水分的部分称为自由水分 即 X X 可能被空气干燥的水分 结合水分和非结合水分 结合水分 固 液之间结合力较强的水分 存在于物料细胞壁内或毛细管内 注 结合水产生的蒸汽压小于同温度下纯水的蒸汽压 非结合水分 固液之间结合力较弱的水分 如物料表面的附着水分 或物料表面大孔内的水分 注 非结合水产生的蒸汽压等于同温度下纯水的蒸汽压 2 非结合水分是在干燥中容易除去的水分 而结合水分较难除去 是结合水还是非结合水仅决定于固体物料本身的性质 与空气状态无关 注意 1 自由水分是在干燥中可以除去的水分 而平衡水分是不能除去的 自由水分和平衡水分的划分除与物料有关外 还决定于空气的状态 8 4 2固体物料的干燥机理 1 湿物料分类 多孔性物料 如催化剂颗粒 砂子等 主要特征 水分存在于物料内部大小不同的细孔和通道中 湿分移动主要靠毛细管作用力 这类物料的临界含水量较低 降速段一般分为两个阶段 非多孔性物料 如肥皂 浆糊 骨胶等 主要特征 结合水与固相形成了单相溶液 湿分靠物料内部存在的湿分差以扩散的方式进行迁移 这类物料的干燥曲线的特点是恒速阶段短 临界含水量 较高 降速段为一平滑曲线 8 4 2固体物料的干燥机理 2 液体扩散理论 主要论点 在降速干燥阶段中 湿物料内部的水分不均匀 形成了浓度梯度 使水分由含水量较高的物料内部向含水量较低的表面扩散 然后水分在表面蒸发 进入干燥介质 干燥速率完全决定于物料内部的扩散速率 此时 除了空气的湿度影响表面上的平衡值外 干燥介质的条件对干燥速率已无影响 非多孔性湿物料的降速干燥过程较符合扩散理论 3 毛细管理论 主要论点 多孔性物料具有复杂的网状结构的孔道 水分在多孔性物料中的移动主要依靠毛细管力 多孔性物料的干燥过程较好地符合这一理论 干燥速率定义 以湿度差表示 以温度差表示 8 4 3恒定干燥条件下的干燥速率 干燥曲线与干燥速率曲线 恒定干燥条件 干燥过程中 空气的湿度 温度 速度及与湿物料的接触状态不变 例 少量湿物料与大量湿空气相接触 干燥曲线及干燥速率曲线 干燥曲线 X 关系 干燥速率曲线 R X之间的关系 AB 或A B 段 A点代表时间为零时的情况 AB为湿物料不稳定的加热过程 曲线分析 BC段 在BC段内干燥速率保持恒定 称为恒速干燥阶段 C点 由恒速阶段转为降速阶段的点称为临界点 所对应湿物料的含水量称为临界含水量 用Xc表示 CDE段 随着物料含水量的减少 干燥速率下降 CDE段称为降速干燥阶段 不同类型物料结构不同 降速阶段速率曲线的形状也不同 E点 E点的干燥速率为零 X 即为操作条件下的平衡含水量 注意 干燥曲线或干燥速率曲线是在恒定的空气条件下获得的 对指定的物料 空气的温度 湿度不同 速率曲线的位置也不同 8 4 4恒定干燥条件下干燥时间的计算 1 恒定干燥条件下的干燥时间计算 间歇过程 a 恒速干燥阶段 干燥速率R的求取 干燥速率R可由实验测定 所用实验条件必须与待设计的干燥器的条件 如干燥器型式 空气流速及空气的状态 湿物料的堆积厚度等 相同 也可按传质或传热速率式估算恒速阶段的干燥速率R kH h可由实验求得 可供参考的经验式 W m2oC 适用范围 空气平行流过物料表面 或 空气垂直流向固体表面 适用于 b 降速阶段的干燥时间 积分法 求解 干燥曲线已知 将1 R对相应的X值进行标绘 求得X2 Xc之间的面积 再由上式求得时间 2 特点 比较准确 但计算较繁 且事先应具有从实验获得的与生产条件相仿的干燥速度曲线 近似计算 简化 当降速段的速率曲线近似地以临界C点与平衡含水量E点的联线替代降速段曲线时 则R与X X 成正比 计算式 简化后 推导得降速阶段干燥时间 2为 对多孔性物料 符合毛细管理论的干燥过程适宜采用这种方法 按扩散理论计算 对于厚度为l的平板 当侧面和底面绝热 干燥只在表面上进行时 在干燥时间较长的情况下 最终含水量为X2所需降速干燥时间为 c 总的干燥时间 1 2 注 上式中的DL为常数 但DL是随含水量和温度而变化的 含水量越大 温度越高 DL越大 计算时应采用实验所得的平均值 2 非恒定干燥条件下的干燥时间计算 连续过程 实际干燥过程 干燥条件不是恒定的 一连续逆流干燥器物料与空气的温度沿流程的分布曲线 区 预热区 可忽略不计 区 干燥的第一阶段 区 干燥的第二阶段 忽略预热段 其它两段的干燥时间可分别计算如下 a 干燥的第一阶段在干燥的第一阶段 任一截面都可写出传递速率关系 任一微元距离内 空气与湿物料逆流接触的时间为d 相应的湿度和水分含量的变化为dH与dX 根据物料衡算有 若干燥的第一阶段为绝热冷却过程 则kH和Hw均为常数 式中 Hc为 设干燥速率与自由水分的关系仍可用下式表示 b 干燥的第二阶段 由物料衡算 第二阶段的任一截面和物料出口之间做水分的衡算 可得 如空气的状态变化可视为绝热冷却过程 则Hw为常数 上式积分后整理得 c 总干燥时间 1 2 3 干燥过程设计参数的确定 进口温度 为了强化干燥过程 降低设备成本 应提高空气的入口温度 空气的进口温度与湿度 空气出口温度 在并流操作中 一般取气体出口温度比固体出口温度高10 20 在逆流操作中 一般可选100 作为初步设计值 降低空气的出口温度 可减少空气的消耗量 提高热效率 降低操作费用 进口湿度 空气的进口湿度愈低 所需的空气量就愈少 一般情况下 空气的进口湿度决定于当时当地的大气状态 湿物料的出口温度 目前还没有较精确的计算公式 一般取相似于设计条件下的实验值 或用经验式估算 物料允许的最高温度 对于细颗粒或液滴并流干燥时 湿物料的出口温度 2为 第五节干燥设备 为满足生产需要 干燥器应达到以下基本要求 适应被干燥物料的多样性和不同产品规格要求 设备的生产能力要高 能耗的经济性 还应便于操作 控制等 8 5 1干燥器简介 1 厢式干燥器 盘架式干燥器 原理 主要是以热风通过湿物料的表面 达到干燥的目的 厢式干燥器中的加热方式有两种 单级加热 多级加热 采用废气循环法的优点 可灵活准确地控制干燥介质的温度 湿度 干燥推动力比较均匀 增加气流速度使得传热 传质 系数增大 减少热损失 但干燥速率常有所减小 厢式干燥器的优点 构造简单 设备投资少 适应性强 物料损失小 盘易清洗 尤其适用于需要经常更换产品 小批量物料的干燥 物料得不到分散 干燥时间长 若物料量大 所需的设备容积也大 工人劳动强度大 热利用率低 产品质量不均匀 厢式干燥器的主要缺点 2 气流式干燥器结构 优点 气 固间传递表面积很大 体积传质系数很高 干燥速率大 接触时间短 热效率高 气 固并流操作 可以采用高温介质 对热敏性物料的干燥尤为适宜 由于干燥伴随着气力输送 减少了产品的输送装置 气流干燥器的结构相对简单 占地面积小 运动部件少 易于维修 成本费用低 缺点 必须有高效能的粉尘收集装置 否则尾气携带的粉尘将造成很大的浪费 也会对形成对环境的污染 对有毒物质 不易采用这种干燥方法 但如果必须使用时 可利用过热蒸汽作为干燥介质 对结块 不易分散的物料 需要性能好的加料装置 有时还需附加粉碎过程 气流干燥系统的流动阻力降较大 动力消耗较大 应用 气流干燥器适宜于处理含非结合水及结块不严重又不怕磨损的粒状物料 尤其适宜于干燥热敏性物料或临界含水量低的细粒或粉末物料 对粘性和膏状物料 采用干料返混方法和适宜的加料装置 如螺旋加料器等 也可正常操作 3 流化床干燥器 沸腾床干燥器 原理 流化床干燥器是流态化原理在干燥中的应用 流态化原理已在上册中叙述 在流化床干燥器中 颗粒在热气流中上下翻动 彼此碰撞和混合 气 固间进行传热 传质 以达到干燥目的 流化床干燥器的工艺流程 XF系列沸腾干燥器常州优力干燥设备有限公司 优点 与其它干燥器相比 传热 传质速率高 由于传递速率高 气体离开床层时几乎等于或略高于床层温度 因而热效率高 由于气体可迅速降温 所以与其他干燥器比 可采用更高的气体入口温度 设备简单 无运动部件 成本费用低 操作控制容易 用途 用于干燥难以流化的物料 物料自进料口进入 在振动力作用下 物料沿水平流化床抛掷向前连续运动 热风向上穿过流化床同湿物料换热后 湿空气经旋风分离器除尘后由排风口排出 干燥物料由排料口排出 4 振动流化床干燥器 振动流化床干燥器的特点 1 医药化工 如各种压片颗粒 硼酸 硼砂 苯二酚 苹果酸 马来酸等 2 食品建材 如酒糟 味精 砂糖 食盐 矿渣 豆瓣 种籽等 3 物料的冷却 增湿等 1 物料受热均匀 热交换充分 干燥强度高 比普通干燥器节能30 左右 2 流态化稳定 无死角和吹穿现象 3 可调性好 适应面宽 料层厚度和在机内移动速度以及振幅变更均可实现无级调节 4 对物料表面损伤小 可用于易碎 颗粒不规则物料的干燥 5 全封闭结构可有效防止物料与空气间的交叉污染 振动流化床干燥器的应用范围 振动流化床干燥器 ZLG系列振动流化床干燥器常州优力干燥设备有限公司 5 喷雾干燥器 原理 在喷雾干燥器中 将液态物料通过喷雾器分散成细小的液滴 在热气流中自由沉降并迅速蒸发 最后被干燥为固体颗粒与气流分离 优点 在高温介质中 干燥过程极快 适宜于处理热敏性物料 处理物料种类广泛 如溶液 悬浮液 浆状物料等皆可 喷雾干燥可直接获得干燥产品 因而可省去蒸发 结晶 过滤 粉碎等工序 能得到速溶的粉末或空心细颗粒 过程易于连续化 自动化 缺点 热效率低 设备占地面积大 设备成本费高 粉尘回收麻烦 回收设备投资大 在一狭长的通道内铺设铁轨 物料放置在一串小车上 小车可以连续地或间歇地在进 出通道 空气连续地在洞道内被加热并强制地流过物料表面 流程可安排成并流或逆流 还可根据需要安排中间加热或废气循环 干燥介质可用热空气和烟道气 洞道式干燥器容积大 小车在洞道内停留时间长 适用于具有一定形状的比较大的物料如木材 皮革或陶器等的干燥 6 洞道式干燥器 结构及原理 将物料通过布料机构 如星型布料器 摆动带 粉碎机或造粒机 分布在输送带 多为网状 上 输送带通过一个或几个加热单元组成的通道 每个加热单元均配有空气加热和循环系统 每一个通道有一个或几个排湿系统 在输送带通过时 热空气从上往下或从下往上通过输送带上的物料 从而使物料能均匀干燥 传送带可以做成多层 带宽1 3m 长为4 50m 干燥时间为5 120分钟 7 带式干燥器 优点 干燥过程中物料翻动少 对晶体形状保持完好 适用于处理粒状 块状和纤维状物料 缺点 热效率较低 生产能力较小 典型产品 脱水蔬菜 颗粒饲料 味精 鸡精 椰蓉 有机颜料 合成橡胶 丙稀纤维 药品 药材 小木制品 塑料制品 电子元器件老化 固化等 结构及工作原理 干燥器主体为一沿轴向装有若干抄板的圆筒 圆筒略呈倾斜放置 在齿轮机构的驱动下作旋转运动 物料由转筒的较高一端送入 由较低端卸出 热风由转筒的较低端吹入 由较高端排出 气固两相呈逆流接触 也可安排成并流随着圆筒的旋转 物料首先被炒板抄起然后洒下 以改善气固两相的传热传质 提高干燥速率 物料湿含量较低 产品能承受高温 宜采用逆流干燥 物料湿含量较高 产品湿含量不是很低的场合宜采用并流干燥 8 转筒干燥器 转筒干燥器的特点 国内现有转筒干燥器的直径一般为0 5 3m 长度为2 27m 长径比为4 10 物料在转筒内的装填量约为筒体容积的8 13 物料沿转筒轴向前进的速度为0 01 0 08m s 其停留时间一般为1h左右 1 机械化程度较高 生产能力较大 2 干燥介质通过转筒的阻力较小 3 对物料的适应性较强 操作稳定方便 运行费用较低 4 装置比较笨重 金属耗材多 传动机构复杂 维修量较大 5 设备投资高 占地面积大 真空状态下的双锥形回转罐体 由夹套内的蒸汽或热水加热 热量通过罐体内壁与湿物料接触 蒸发水汽由真空泵从排气管抽走 由于罐体内处于真空状态 且罐体的回转使物料不断的上下 内外翻动 提高了干燥速度 干燥效率和干燥的均匀性 9 双锥回转真空干燥机 适用于医药 食品 化工等行业的粉 粒状物料的真空干燥和混合 尤其适用有下列要求的物料 1 不能接受高温的热敏性物料 2 容易氧化 有危险的物料 3 需回收溶剂和有毒气体的物料 4 要求残留挥发物含量极低的物料 5 对结晶形状有要求的物料 6 要求混合充分 均匀的物料 经加热 或除湿 的空气以适宜的喷动速度从干燥机底部进入搅拌破碎干燥室 对物料产生强烈的剪切 吹浮 旋转作用 物料受到离心 剪切 碰撞 摩擦而被微粒化 形成较大的比表面积 强化了传质传热 在干燥室底部 较大较湿的颗粒团在搅拌器的作用下被机械破碎 湿含量较低 颗粒度较小的颗粒被旋转气流夹带上升 在上升过程中进一步干燥 并被分级 1 空气过滤器2 鼓风机3 加热器 电 蒸汽 燃油 气 煤 4 加料器5 主机6 旋风分离器7 二级收尘器 旋风分离器 袋滤器 8 引风机9 湿式除尘器 水沫除尘器 文丘里 10 旋转闪蒸干燥机 旋转闪蒸干燥机的特点 1 干燥器内锥体结构 气流对器壁的冲刷和搅拌器的结构 使其能处理有一定粘性的物料 2 由于干燥时间短 物料与热空