干燥塔热计算.ppt

化工原理 PrinciplesofChemicalEngineering 第五章干燥Chapter5Drying 第一节概述 Introduction 在化学工业生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过多的水分或有机溶剂 湿份 要制得合格的产品需要除去固体物料中多余的湿份 例如 制盐工业中 在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶粒 塑料工业中 氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒 除湿方法 机械脱水 沉降或过滤 干燥 加热使湿份汽化 惯用做法 先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿份除去 然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉 以降低除湿的成本 干燥方法的分类 根据加热方法可分为传导干燥 对流干燥和辐射干燥 对流干燥过程举例 对流干燥器 空气通过送风机吹入空气预热器 预热后的热空气送入气流干燥管 湿料由螺旋加料器推入干燥器并分散于热气流中 受气流的输送并进行干燥 干燥产品通过旋风分离器从气流中分离出来 湿废气体由引风机抽出排空 1 鼓风机 2 预热器 3 气流干燥管 4 加料斗 5 螺旋加料器 6 旋风分离器 7 卸料阀 8 引风机 化工生产中最常用的是对流干燥 干燥介质 用来传递热量 载热体 和湿份 载湿体 的介质 由于温差的存在 气体以对流方式向固体物料传热 使湿份汽化 在分压差的作用下 湿份由物料表面向气流主体扩散 并被气流带走 对流干燥过程原理 温度为t 湿份分压为p的湿热气体流过湿物料的表面 物料表面温度ti低于气体温度t 注意 只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压 干燥即可进行 与气体的温度无关 气体预热并不是干燥的充要条件 其目的在于加快湿份汽化和物料干燥的速度 达到一定的生产能力 H t q W ti p pi M 干燥是热 质同时传递的过程 干燥过程的基本问题 1 干燥介质用量的确定 2 干燥条件的优化 3 干燥速率的强化 4 干燥方法的合理选择 解决这些问题需要掌握的基本知识有 1 湿分在气固两相间的传递规律 2 湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化 3 物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征 4 干燥过程中物料衡算关系 热量衡算关系和速率关系 本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基本问题 介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程 第二节湿气体的性质及湿度图 一 湿空气的性质在干燥操作中 常采用不饱和空气为干燥介质 湿空气 绝干气体与湿份蒸汽的混合物 其性质与湿份蒸汽的数量有关 在干燥过程中 随着物料中湿份的汽化 气体中湿份蒸汽的含量在不断增加 但绝干气体的量保持不变 1 绝对湿度 湿度 H Humidity 湿空气中湿份蒸汽的质量与绝干气体的质量之比 若湿份蒸汽和绝干气体的摩尔数 nw ng 和摩尔质量 Mw Mg kg湿份蒸汽 kg绝干气体 对于空气 水系统 Mw 18 02kg kmol Mg 28 96kg kmol 总压一定时 气体的湿度只与湿份蒸汽的分压有关 5 1 5 2 2 相对湿度 Relativehumidity 湿度只表示湿气体中所含湿份的绝对数 不能反映气体偏离饱和状态的程度 气体的吸湿潜力 相对湿度 一定的系统总压和温度下 气体中湿份蒸汽的分压p与系统温度下湿份的饱和蒸汽压ps之比 值越低 气体偏离饱和的程度越远 吸湿潜力越大 100 时 p ps 气体被湿份蒸汽所饱和 不能再吸湿 对于空气 水系统 5 3 5 4 5 5 值较好反映了湿空气的吸水能力 3 湿比容 H Humidvolume 或干基湿比容 m3 kg绝干气体 1kg绝干空气的体积和其带有的Hkg水气的体积之和 常压下 P 1013 25kN m2 4 湿比热cH Humidheat 或干基湿比热J kg绝干气体 1kg绝干空及其带有的Hkg水气温度升高1 所需要的热量 式中 cg 绝干气体的比热 J kg绝干气体 cv 湿份蒸汽的比热 J kg水汽 对于空气 水系统 cg 1 005kJ kg cv 1 884kJ kg 5 6 5 7 5 湿焓iH Totalenthalpy 或干基湿焓 kJ kg绝干气体 1kg绝干气体及其带有的Hkg水气的焓的总和 由于焓是相对值 计算焓值时必须规定基准状态和基准温度 一般取0 下的绝干气体和液态水的焓为零 则 对于空气 水系统 显热项 汽化潜热项 5 8 5 8a 5 8b 6 干球温度 temperature 和湿球温度tW wetbulbtemperature 用普通的温度计测得湿空气温度为其真实温度 为了与下面讨论的湿球温度相区别 称为干球温度 用t表示 湿球温度tW wetbulbtemperature 如图 用水保持润湿的纱布包在温度计的汞感温部分 纱布下端浸在水中以保持润湿状态 此种温度计称为湿球温度计 若将湿球温度计置于一定温度和湿度的湿空气流中 达到平衡或稳定时的温度称为该空气的湿球温度 通过测量湿球温度 可以求出湿空气的湿度H 空气 温度t tW 湿度H 原理如下 由于未饱和的湿空气的温度与纱布水分温度相同 但湿度不相同 湿纱布表面的水分必然汽化 并向空气主体中扩散 水分汽化结果 使湿纱布水分温度下降 致使湿空气与纱布之间产生温度差 引起湿空气向湿布对流传热 但湿纱布水分的温度还会下降以弥补水分汽化所需的热量 直至空气向湿布单位时间传递的热量 正好等于单位时间自纱布表面汽化水分所需的热量时 纱布中的水温就保持不变 达到平衡 湿球湿度计所指示的温度便是平衡时湿纱布的水分温度 也就是湿空气的湿球湿度tW 空气 温度t tW 湿度H 湿球温度与干球温度 当湿空气的温度一定时 若湿度越高 测得的湿球温度也越高 若空气为水气所饱和 测得的湿球温度就是空气的温度 湿球温度为湿空气的温度和湿度所决定 它是湿空气的性质之一 当湿球温度计的温度达到稳定时 气膜层中的湿度为温度tW下的饱和湿度 气膜中水气向空气的传递速率为 在定态状态下 传热速率与传质速率的关系为 rtW 湿球温度下水气的汽化潜热 联立上面三式得 5 9 实验表明kH 与 二者都与空气的速度的0 8方成正比 故二者比值与空气流速无关 对于空气 水蒸气系统kH 1 09 此式表明 湿空气t和H高 tW也就高 t与tW差越大 H越低 当tW t H HS tw HS 因此可以通过测定湿度计的干 湿球温度 查出rtW 和PS 算出HS tw 然后用上述关系求出湿空气的湿度H 5 10 7 绝热饱和冷却温度tas 绝热饱和冷却温度也是湿空气的一种性质 绝热饱和冷却温度可在绝热饱和冷却塔中测得 这是一个等焓过程 在绝热饱和冷却温度下对应的湿度称为绝热饱和湿度 注意 绝热饱和温度和湿球温度是两个完全不同的概念 但两者都是初始湿空气温度和湿度的函数 对于水蒸汽 空气体系 有tas tW可以简化计算 补充水 t H I 空气 空气 tas Has I2 5 11 9 露点温度td 将不饱和的空气等湿 H 冷却到饱和状态时的温度称为该空气的露点 以td表示 此时空气达到饱和状态 此时空气的湿度为饱和湿度HS Hs td 由于温度为t的不饱和空气是在等湿下冷却至温度等于td的饱和状态的 故温度为t的不饱和空气的湿度H Hs td 5 12 若测出露点温度td 可以查出td下水的饱和蒸汽压Ps td可求出总压为P时的湿度 反之 可求td 对于不饱和空气 t tW tas td饱和 t tW td 二 湿空气的湿焓图 H I图 由前面介绍可知 湿空气的状态可用温度t 湿度H 相对湿度 水汽分压p 露点td 湿球温度tW等不同的参量描述 它们是不是全是独立的呢 湿空气体系实际上是两组分一个相 根据相律f x 2 f 2 1 2 3 当总压固定时 f 2 只用两个独立参量就可以描述湿空气的状态 G x x1 x2 这两个参数应是不同类型的 如果一个是湿度参数 另一个则必定是温度参数 对有两个独立变量的体系 用公式计算湿空气的其它参数往往比较麻烦 有时还必须试差 为了计算方便 将湿空气的各种参数之间的关系绘制成线图 有两种不同类型的线图 H I图和t H图 我们主要介绍H I图 湿焓图 湿焓图 A E D F B C tw td 1 H p I 湿焓图 1 等湿线 等H线为一系列平行于纵轴的直线 在同一条等H线上 不同点具有相同的湿度 但是湿空气的状态并不相同 H的读数范围为0 0 2 绝干空气 根据露点的定义可知 凡湿度相同的湿空气 具有相等的露点td 因此在同一条H线上湿空气的露点是不变的 H I图由以下五种线群所组成 等焓线为一系列平行横轴 斜轴 的直线 在同一条等I线上不同点所代表的空气状态不相同 但都具有相同的焓值 图中I的读数范围为0 680kJ 绝干空气 绝热增湿过程是等焓过程 在同一条等I线上 湿空气的温度t随其湿度H的增加而下降 但其焓却是不变的 2 等焓线 等I线 3 等干球温度线 I 1 01t 1 88t 2490 H上式表明湿空气温度一定时 其焓和湿度成直线关系 在H I图中 等t线即表示在一系列的干球温度t1 t2下湿空气的I和H之间关系直线群 由于个直线的斜率为 1 88t 2490 因此t越高 等I线的斜率也越大 所以各等t线不是相互平行 4 等 线 相对湿度 由上式可知 当湿空气的总压一定时 相对湿度 f H Ps 由于Ps仅与空气的t有关 因而 仅与H及t有关 对于某一固定的 值 若假设一个温度 便可由上式求出一个对应的H值 如此 将若干个 t H 点连接起来 即为一条等 线 湿焓图 图中有 5 100 的11条等 线 100 的等 线称为饱和空气线 此时空气为水汽所饱和 显然 只有位于饱和空气线上方的不饱和区域的空气才能作为干燥介质 由图可见 当湿空气的H一定时 t愈高 则 值愈低 因此吸水能力愈大 通常湿空气先经预热器提高温度后再送到干燥器 这样使空气的焓值增大有利于载热 同时因相对湿度降低而利于载湿 5 蒸气分压线 蒸气分压线标绘于饱和空气线的下方 表示空气的湿度H和空气中水分分压p之间的关系 5 13 由此式可见 若湿空气的总压一定 且H 0 622时 p与H可视为直线关系 三 H I图应用 1 某一状态点A各参数的求法 A 100 td tW t H p p a 例 已测出湿空气的温度t 100 tW 35 求该空气的状态点 先从坐标查温度tW 35 线与 100 相交点a 可确定其焓值I 由等I线查其干球温度线交点 就可得H值 2 已知湿空气的t tw t td t 确定状态点A方法如下 A 100 tW t 3 H 1 2 A 100 td t 3 H 1 2 A 100 td tW t 2 H 1 第三节干燥过程的物料衡算 湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物 1 湿基湿含量w 单位质量的湿物料中所含液态湿分的质量 2 干基湿含量X 单位质量的绝干物料中所含液态湿分的质量 换算关系 一 湿物料中含水量的表示方法 工业生产中 物料湿含量通常以湿基湿含量表示 但由于物料的总质量在干燥过程中不断减少 而绝干物料的质量不变 故在干燥计算中以干基湿含量表示较为方便 5 14 5 15 5 16 二 干燥系统的物料衡算 物料衡算 Massbalance G1 湿物料进口的质量流率 kg s G2 产品出口的质量流率 kg s Gc 绝干物料的质量流率 kg s w1 物料的初始湿含量 w2 产品湿含量 L 绝干气体的质量流率 kg s H1 气体进干燥器时的湿度 H2 气体离开干燥器时的湿度 W 单位时间内汽化的水分量 kg s 湿物料G1 w1 干燥产品G2 w2 热空气L H1 湿废气体L H2 绝干气体消耗量 绝干气体比消耗 5 17 三 热量衡算 Heatbalance Qp 预热器向气体提供的热量 kW Qd 向干燥器补充的热量 kW Ql 干燥器的散热损失 kW 湿物料G1 w1 1 cm1 干燥产品G2 w2 2 cm2 热气体L H1 t1 I1 湿废气体L H2 t2 I2 湿气体L H0 t0 I0 Qp QD Ql 预热器 干燥器 1 预热器的热量衡算 预热器的作用在于加热空气 根据加热方式可分为两类 直接加热式 如热风炉 将燃烧液体或固体燃料后产生的高温烟气直接用作干燥介质 间接换热式 如间壁换热器 空气预热器传给气体的热量为 如果空气在间壁换热器中进行加热 则其湿度不变 H0 H1 即 通过预热器的热量衡算 结合传热基本方程式 可以求得间壁换热空气预热器的传热面积 立筒式金属体燃煤间接加热热风炉 5 18 5 18a 2 干燥器的热量衡算 故单位时间向干燥器补充的热量为 H1 t1 I1 H2 t2 I2 G2X0 2 I2 G1X1 0 I1 L L QD QL 干燥器 5 19 3 整个系统的热量衡算 故单位时间干燥器消耗的热量为 5 19 以上两式中物料的焓是指以0 为基准时1 绝干物料及所含水分两者焓之和 以kJ 绝干物料表示 若物料的温度为t 干基含水量为X时 则以1 绝干物料为基准的湿料焓为 5 20 5 21 由于进出 干燥系统时空气中水气的焓值相差不大 则IV0 IV2 于是 又 由于c1c2的值相差不大 故假设两者的值近似等于它们的算术平均值cmc1 c2 cm 5 22 整理得 5 23 其中 1 01L t2 t0 Q1空气升温所带走的热量W 2490 1 88t2 Q2蒸发水分的热量GCm 2 1 Q3物料温升带走的热量热量损失QL 4 热效率干燥器的热效率可以定义为 5 24 第四节空气通过干燥器时的状态变化 理想干燥过程 气体放出的显热全部用于湿 水 分汽化 多数工业干燥器无补充加热 如果散热损失可视为零且物料的初始温度与产品温度相同 则加热物料所消耗的热量为零 或当干燥器的补充加热量恰等于加热物料和散热损失的热量 则干燥过程可视为理想干燥过程 也称为等焓过程 一般根据空气在干燥器内焓的变化 将干燥过程分为绝热干燥过程与非绝热干燥过程两大类 5 25 上式干燥器内焓变化的基本方程 第六节固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系 湿份的传递方向 干燥或吸湿 和限度 干燥程度 由湿份在气体和固体两相间的平衡关系决定 p X ps Xh 平衡状态 当湿含量为X的湿物料与湿份分压为p的不饱和湿气体接触时 物料将失去自身的湿份或吸收气体中的湿份 直到湿份在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿份分压 平衡湿含量 平衡状态下物料的湿含量 不仅取决于气体的状态 还与物料的种类有很大的关系 X p X 结合水分 与物料存在某种形式的结合 其汽化能力比独立存在的水要低 蒸汽压或汽化能力与水分和物料结合力的强弱有关 一 物料中的水分 非结合水分 与物料没有任何形式的结合 具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力 湿含量X Xh 相对湿度 非结合水分 结合水分 0 1 0 0 5 结合水分按结合方式可分为 吸附水分 毛细管水分 溶涨水分 物料细胞壁内的水分 和化学结合水分 结晶水 化学结合水分与物料细胞壁水分以化学键形式与物料分子结合 结合力较强 难汽化 吸附水分和毛细管水分以物理吸附方式与物料结合 结合力相对较弱 易于汽化 平衡水分和自由水分 平衡水分 低于平衡湿含量X 的水分 是不可除水分 自由水分 高于平衡湿含量X 的水分 是可除水分 吸湿过程 若X Xh 则物料将吸收饱和气体中的水分使湿含量增加至湿含量Xh 即最大吸湿湿含量 物料不可能通过吸收饱和气体中的湿份使湿含量超过Xh 欲使物料增湿超过Xh 必须使物料与液态水直接接触 干燥过程 当湿物料与不饱和气体接触时 X向X 接近 干燥过程的极限为X 物料的X 与湿气体的状态有关 气体的温度和湿度不同 物料的X 不同 欲使物料减湿至绝干 必须与绝干气体接触 湿含量X Xh 相对湿度 非结合水分 结合水分 自由水分 平衡水分 X 0 1 0 0 5 二 物料的吸湿性 物料湿含量的平衡曲线有两种极端情况 强吸湿性物料 与水分的结合力很强 平衡线只是渐近地与 100 接近 平衡湿含量很大 如某些生物材料 非吸湿性物料 与水结合力很弱 平衡线与纵坐标基本重合 X Xh 0 如某些不溶于水的无机盐 碳酸盐 硅酸盐 等 一般物料的吸湿性都介于二者之间 三 干燥时间的计算 对一定干燥任务 干燥器尺寸取决于干燥时间和干燥速率 由于干燥过程的复杂性 通常干燥速率不是根据理论进行计算 而是通过实验测定的 为了简化影响因素 干燥实验都是在恒定干燥条件下进行的 即在一定的气 固接触方式下 固定气体的温度 湿度和流过物料表面的速度进行实验 为保证恒定干燥条件 采用大量空气干燥少量物料 以使气体的温度 湿度和流速在干燥器中恒定不变 实验为间歇操作 物料的温度和湿含量随时间连续变化 1 干燥曲线和干燥速率曲线 Dryingcurveanddrying ratecurve 恒速干燥段 Constant rateperiod 物料温度恒定在tw X 变化呈直线关系 气体传给物料的热量全部用于湿份汽化 预热段 Pre heatperiod 初始湿含量X1和温度 1变为X和tw 物料吸热升温以提高汽化速率 但湿含量变化不大 干燥曲线 物料湿含量X与干燥时间 的关系曲线 干燥曲线和干燥速率曲线 A 湿含量X Xc tw D C B A D C B t X 物料表面温度 干燥时间 预热段 恒速段 降速段 降速干燥段 Falling rateperiod 物料开始升温 X变化减慢 气体传给物料的热量仅部分用于湿份汽化 其余用于物料升温 当X X t 物料的结构和吸湿性 降速段干燥速率曲线的形状因物料的结构和吸湿性而异 多孔性物料 Porousmedia 湿份主要是藉毛细管作用由内部向表面迁移 非多孔性物料 Nonporousmedia 借助扩散作用向物料表面输送湿份 或将湿份先在内部汽化后以汽态形式向表面扩散迁移 如肥皂 木材 皮革等 吸湿性物料 Hygroscopicmedia 与水份的亲合能力大 非吸湿性物料 Nonhygroscopicmedia 不同物料的干燥机理不同 湿份内扩散机理不同 干燥速率曲线的形状不同 情况非常复杂 故干燥曲线应由实验的方法测定 干燥速度和干燥速率的定义 干燥速率U 干燥器单位时间内汽化的湿分量 kg湿分 s 微分形式为 式中 U 干燥器的干燥速率 kg s W 汽化水份量 kg Gc 绝干物料的质量 kg 干燥速度 干燥通量 N 干燥器单位时间内在物料单位表面积上汽化的湿分量 kg湿分 m2 s 微分形式为 式中 N 干燥器的干燥速度 kg m2 s A 物料表面积 即干燥面积 m2 如果物料的形状规则 干燥面积容易求出 使用干燥速度较为方便 如果物料形状是不规则的 干燥面积不易求出 则可使用干燥速率进行计算 设物料的初始湿含量为X1 产品湿含量为X2 当X1 Xc和X2 Xc时 干燥有两个阶段 当X1 Xc或X2 Xc时 干燥都只有一个阶段 即恒速干燥段 由于物料预热段很短 通常将其并入恒速干燥段 以临界湿含量Xc为界 可将干燥过程只分为恒速干燥和降速干燥两个阶段 干燥速率曲线 干燥速率U或干燥速度N与湿含量X的关系曲线 干燥过程的特征在干燥速率曲线上更为直观 干燥曲线和干燥速率曲线 A B C D 干燥速率U或N A B C D 物料温度 tw Xc X 湿含量X I II C 理论解释 对固体干燥过程中出现两个干燥阶段如何解释 固体干燥过程中热量 质量同时传递 传热速率和传质速率可以表示为 式中 q 传热通量 W m2 N 干燥通量 kg m2 s Q 传热量 J W 物料中所含的湿份总量 kg h 对流传热系数或给热系数 W m2 K kp 推动力为 p的对流传质系数 kg m2 p s t 气体的温度 物料的表面温度 pi 物料表面处湿分蒸汽的分压 kN m2 p 气体中湿分蒸汽的分压 kN m2 理论解释 恒速干燥段 物料表面湿润 X Xc 汽化的是非结合水分 降速干燥段 X Xc物料实际汽化表面变小 出现干区 第一降速段 汽化表面内移 第二降速段 平衡蒸汽压下降 各种形式的结合水 固体内部水分扩散速度极慢 非多孔介质 降速段干燥速率取决于湿份与物料的结合方式 以及物料的结构 物料外部的干燥条件对其影响不大 恒定干燥条件下 tw p ps 和kp不变 由物料内部向表面输送的湿份足以保持物料表面的充分湿润 干燥速率由湿份汽化速率控制 取决于物料外部的干燥条件 故恒速干燥段又称为表面汽化控制阶段 湿物料与气体间的q和N恒定 理论解释 开尔文公式 多孔介质内水份的传递 临界湿含量 Criticalmoisturecontent Xc决定两干燥段的相对长短 是确定干燥时间和干燥器尺寸的基础数据 对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要 注意 Xc与物料的厚度 大小以及干燥速率有关 所以不是物料本身的性质 一般需由实验测定 影响干燥过程的主要因素 物料尺寸和气固接触方式 减小物料尺寸 干燥面积增大 干燥速率加快 c 干燥介质自下而上穿过物料层 可形成流化床 好 b 干燥介质自上而下穿过物料层 不能形成流化床 中 a 干燥介质平行掠过物料层表面 差 干燥介质条件 物料本性 通过强化外部干燥条件 t H u 来增加传热传质推动力 减小气膜阻力 可提高恒速段 表面汽化控制 的干燥速率 但对降速段 内部扩散控制 的改善不大 强化干燥条件将使Xc增加 更多水分将在降速段汽化 气体温度的提高受热源条件和物料耐热性的限制 u H 需使用更大量的气体 干燥过程能耗增加 物料本性不影响恒速段的干燥速率 物料结构不同 与水分的结合方式 结合力的强弱不同 降速段干燥速率差异很大 强化干燥速率时 须考虑物料本性 若恒速段速率太快 有些物料会变形 开裂或表面结硬壳 而在降速段则应考虑物料的耐热性 如热敏性物料不能采用过高温度的气体作为干燥介质 二 恒定干燥条件下物料的干燥时间 物料的停留时间应大等于给定条件下将物料干燥至指定的湿含量所需的干燥时间 并由此确定干燥器尺寸 若已知物料的初始湿含量X1和临界湿含量Xc 则恒速段的干燥时间为 1 恒速干燥段的干燥时间 若传热干燥面积A为已知 则由上式求干燥时间 的问题归结为气固对流给热系数h的求取 恒速干燥段的干燥时间 1 对于板状物料或静止的物料层 L 湿气体质量流速 kg m2 h u0 空床气速 m s L 湿气体质量流速 kg m2 h dp 物料粒径 m cp 物料比热 kJ kg K 气体的密度和粘度 2 气体穿流通过颗粒物料的固定床层 适用条件 L 2450 29300kg m2 h 气体温度45 150 3 气体通过颗粒流化床层 因流化床中气固两相对流传热机理的复杂性 实验结果分散 误差很大 等速运动段 4 气流干燥器中气体与颗粒间的传热 Frantz表观给热系数通用计算式 加速运动段的给热系数随物性和操作条件而异 注意 利用上述方程计算给热系数来确定干燥速率和干燥时间 其误差较大 仅能作为粗略估计 聚氯乙烯桐荣良三式 降速干燥段的干燥时间 1 图解积分法 降速段的干燥时间可以从物料干燥曲线上直接读取 计算上通常是采用图解法或解析法 当降速段的U X呈非线性变化时 应采用图解积分法 在X2 Xc之间取一定数量的X值 从干燥速率曲线上查得对应的U 计算Gc U 作图Gc U X 计算曲线下面阴影部分的面积 X o Xc X2 Gc U 降速干燥段的干燥时间 2 解析法 当降速段的U X呈线性变化时 可采用解析法 降速段干燥速率曲线可表示为 A B C D 干燥速率U X U Xc X 湿含量X Uc 当缺乏平衡水分的实验数据时 可以假设X 0 则有 第七节干燥器 Dryer 干燥器 实现物料干燥过程的机械设备 被干燥物料的特点 形状 有板状 块状 片状 针状 纤维状 粒状 粉状 膏糊状甚至液状等 结构 多孔疏松型 紧密型 耐热性 热敏性 结块 易粘结成块的湿物料在干燥过程中能逐步分散 散粒性很好的湿物料在干燥过程中可能会严重结块 对产品的要求 干燥程度 脱除表面水分 结合水分甚至结晶水分 要求的平均湿含量和干燥均匀性 外观 一定的晶型和光泽 不开裂变形等 由于物料的多样性 年生产能力也有很大差别 故干燥器的形式也很多 干燥器 Dryer 按加热方式可将干燥器分为 干燥器的选型应考虑以下因素 1 对流干燥器 如 洞道式干燥器 转筒干燥器 气流干燥器 流化床干燥器 喷雾干燥器等 2 传导干燥器 如 滚筒式干燥器 耙式干燥器 间接加热干燥器等 3 辐射干燥器 如 红外线干燥器 4 介电加热干燥器 如 微波干燥器 1 保证物料的干燥质量 干燥均匀 不发生变质 保持晶形完整 不发生龟裂变形 2 干燥速率快 干燥时间短 单位体积干燥器汽化水分量大 能做到小设备大生产 3 能量消耗低 热效率高 动力消耗低 4 干燥工艺简单 设备投资小 操作稳定 控制灵活 劳动条件好 污染环境小 对流干燥器 ConvectiveDryer 1 并流干燥 2 逆流干燥 高湿含量物料在进口与高温低湿气体接触 传热传质推动力大 干燥速度很快 低湿含量物料在出口与低温高湿气体接触 推动力小 干燥速度较慢 适用于湿物料能承受强烈干燥而不发生龟裂 变形或表面结硬壳 而干物料又不能耐高温 且产品湿含量较高的情况 3 错流干燥 进口端湿物料与低温高湿的气体接触 出口端干物料与高温低湿的气体接触 各处干燥推动力和干燥速度比较均匀 适用于湿物料不允许强烈干燥 而干物料又可以耐高温 产品湿含量很低的场合 干燥介质垂直穿过物料层 气体进入和流出物料层时 其温度和湿度均有较大变化 要求物料能耐高温 并能承受快速干燥 气流干燥器 Flashdryer 气流干燥器的结构与流程 1 空气过滤器2 空气加热器3 加料器4 风机5 干燥管6 旋风分离器7 除尘器 气流干燥器的特点 1 干燥速度快 固体物料分散悬浮在气流中 气固两相间具有很大的传热传质面积 热气体进口速度高 20 40m s 气固两相间 尤其是加速段 相对速度很大 平均体积传热系数ha为3000 7000W m3 K 比其它类型干燥器高几倍至几十倍 同等生产能力条件下 气流干燥器的体积小得多 2 气固并流操作 符合干燥基本规律 即在恒速段干燥条件十分强烈 而在降速段内扩散控制时 温和的干燥条件正好与之相适应 可以使用高温气体作为干燥介质而不会烧坏物料 3 干燥时间短 物料从进入干燥器开始 到气固两相脱离接触 整个干燥过程不超过1秒钟 因而气流干燥又称为快速干燥或闪蒸干燥 特别适合于热敏性物料的干燥 4 气流干燥器中 固体物料呈活塞流流动 每一颗粒子经历的干燥时间大致相同 因而干燥产品的湿含量均匀一致 5 结构简单 设备投资少 占地面积小 操作方便 性能稳定 维修量小 气流干燥器的缺点 1 物料停留时间短 只适合于干燥非结合水分的干燥 故常被用作物料的预干燥 2 颗粒破碎现象比较严重 颗粒之间以及颗粒与器壁之间的碰撞与摩擦 故不适合于干燥晶形不允许破坏的物料 3 气固两相分离任务很重 固体产品的放空损失较大 粉料排空对环境造成一定污染 4 气固两相接触时间短 传热不充分 气体放空损失大 热效率较低 5 气体通过干燥系统的流动阻力较大 因而风机的动力消耗较高 故总能耗较高 加速运动段是气流干燥器最有效的干燥区段 一根10m长的气流管 80 左右的水分量是在长约2m左右的加速段汽化干燥的 气流干燥器的传热强化 1 多级气流干燥器 2 脉冲式气流干燥器 3 旋风式气流干燥器 将多台气流干燥串联使用 总管长相同的情况下 加速段增加 且各干燥器可选择合适的气体条件 有利于热能的回收和合理利用 在淀粉 奶粉生产中被广泛采用 脉冲管内气速随管径变化而交替地增大和减小 由于惯性的作用 颗粒运动速度滞后气体 使气固两相的相对速度增加 类似于旋风分离器 但更长 气流携带固体颗粒沿切线方向进入后作螺旋运动 使物料在瞬间得到干燥 适用于允许磨损的热敏性物料 如制药行业 散粒状湿物料从加料口加入 热气体穿过流化床底部的多孔气体分布板 形成许多小气流射入物料层 将操作气速控制在一定范围内时 颗粒物料悬浮在上升的气流中形成沸腾状流化床 料层内颗粒物料的相互碰撞 混合剧烈 气固两相间的传热传质过程得到强化 使物料得以干燥 干燥产品经床侧出料管卸出 湿废气体由引风机从床层顶部抽出排空 用旋风分离器分离所夹带的少量细微粉 流化床干燥器 Fluidizedbeddryer 又称为沸腾床干燥器 是流态化技术在干燥作业上的应用 结构及操作原理 湿物料 废气 热空气 干品 流化床干燥器 Fluidizedbeddryer 流化床干燥器的特点 1 气流干燥与流态化干燥的区别在于操作气速不同 气流管中颗粒浓度较低 流化层中颗粒浓度较大 2 操作气速低 但颗粒浓度高 气固接触面积很大 颗粒剧烈运动使气膜受到强烈冲刷 表面更新速率很快 传热传质速率很高 体积传热系数ha可达2300 7000W m3 K 3 物料颗粒的剧烈运动和相互混合使床内各处的温度均匀一致 避免了物料的局部过热 为物料的优质干燥提供了条件 4 物料停留时间任意可调 特别适合于干燥结合水分 5 连续操作时物料的停留时间分布很不均匀 部分物料因停留时间过短而干燥不充分 underdry 部分颗粒因停留时间过长而过分干燥 overdry 单层流化床仅用于对产品湿含量的均匀性要求不高的场合 如硫铵 磷铵和氯化铵等的干燥 工业上常将流化床干燥器与气流干燥器串联使用 利用气流干燥的闪蒸作用 迅速使物料的表面水分汽化 然后送入流化床干燥器中进一步脱除物料所含的结合水分 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 流化床干燥器的用途 流化床干燥器适用于散粒状物料的干燥 物料的粒径一般为0 1 6mm 最佳粒径为0 5 3mm 1 医药药品中的原料药 压片颗粒 中药冲剂 2 化工原料中的塑料树脂 柠檬酸和其它粉状 颗粒状物料的干燥除湿 3 食品 粮食加工 食品饮料冲剂 玉米胚芽 饲料等的干燥 停留时间不均匀问题的解决方法 多层流化床 固体在每一层完全混合 但层与层之间不相混 改善了物料停留时间的分布 层数越多 产品湿含量愈均匀 国内使用五层流化床干燥涤纶切片 效果很好 气固两相逆流流动 有利于降低产品的湿含量 且可使热量的利用更加充分 多层流化床特别适合于产品湿含量较低 冷物料不能承受强烈干燥而干物料可以耐高温的场合 多层床其结构复杂 气体的流动阻力也较大 因而限制了多层流化床的应用 主要问题 控制物料顺利流至下一层的量 且不使气体沿溢流管短路跑掉 在应用中常因操作不当而不能正常生产 可按需将床层分隔成3 6室 最多可达12室 如聚丙烯流化床干燥器 物料依次通过各室 最后翻过堰板卸出 多个全混室串联的结果使物料的停留时间分布接近活塞流 各室气体流速 温度可灵活调节 以形成最佳流化状态和干燥条件 气体压降比多层床低 操作稳定性也好 但热效率不及多层床高 停留时间不均匀问题的解决方法 卧式多室流化床 流化床干燥器结构简单 造价较低 可动部件少 维修费用低 物料磨损较小 气固分离比较容易 传热传质速率快 热效率较高 物料停留时间可以任意调节 因而这种干燥器在工业上获得了广泛的应用 已发展成为粉粒状物料干燥的最主要手段 沸腾制粒干燥器 空气由系统风机从过滤器 加热器入口吸入 经净化 加热后从制粒器下部筛网穿过 高速气流维持粉末物料悬浮 形成稳定的流化床 粘结剂溶液经输液泵压送到喷枪 呈雾状喷射到干燥室中 使粉末凝聚成多孔状颗粒 粒子形成后 按预定周期在干燥器中干燥 含湿空气经干燥器顶部防静电袋滤器脱除粉尘后排至室外 沸腾制粒干燥器 沸腾制粒方法是喷雾技术和流化技术综合运用的成果 使传统的混合 制粒 干燥过程在同一密闭容器中一次完成 故又称为 一步制粒器 沸腾制粒干燥器的特点 1 粉末制粒后 改善了流动性 减少了粉尘的飞扬 同时获得了溶解性良好的产品 2 由于混合 制粒 干燥过程一次完成 热效率高 4 产品的粒度能自由调节 5 设备无死角 卸料快速 安全 清洗方便 沸腾制粒干燥器 FLCFLB型沸腾制粒干燥器常州优力干燥设备有限公司 GFG型沸腾制粒干燥器常州优力干燥设备有限公司 振动流化床干燥器 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 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 喷雾干燥器 Spraydryer 用于干燥溶液 浆液或悬浮液 液状物料由雾化器喷成雾状细滴并分散于热气流中 使水分迅速汽化而获得微粒状干燥产品 雾滴直径通常仅为30 60 m 每升料液具有100 600m2的蒸发面积 故所需干燥时间很短 约为5 30s 特别适合于干燥热敏性的物料 如牛奶 蛋制品 血浆 洗衣粉 抗菌素 酵母和染料等 已广泛应用于食品 医药 燃料 塑料及化学肥料等行业 喷雾干燥器 Spraydryer 1 滤风罩2 送风机3 加热器 电 蒸汽 燃油 气 煤 4 料槽5 供料泵6 喷枪7 干燥塔8 一级收尘器 旋风分离器 9 二级收尘器 旋风分离器 袋滤器 10 引风机11 湿式除尘器 水沫除尘器 文丘里 喷雾干燥器 Spraydryer 包埋附聚微胶囊化造粒干燥系统 1 滤风罩2 送风机3 加热器4 料槽5 供料泵6 雾化器7 干燥塔8 一级收尘器 旋风分离器 9 二级收尘器 旋风分离器 袋滤器 10 引风机11 湿式除尘器 水沫除尘器 文丘里 12 振动流化床13 分级筛 雾化器 Sprayer 雾化器的一般要求 雾化器是喷雾干燥器的关键部件 它将影响到产品的质量和能量消耗 好的雾化器应具有雾滴直径均匀 喷嘴结构简单 生产能力大 能量消耗低 操作方便等特点 气流式雾化器 压缩空气在喷嘴处达到音速并形成很低的压力 抽送料液由喷嘴成雾状喷出 可制备粒径小于5 m的微细颗粒 能处理粘度较大的料液 但动力消耗较大 装置的生产能力较小 雾化器 Sprayer 离心式雾化器 料液送入一高速旋转的 4000 20000rpm 装有放射形叶片的圆盘中央 在离心力作用下加速从周边 周向速度100 160m s 呈雾状洒出 优点 操作简单 对物料的适应能力强 操作弹性大 产品粒径均匀 特别适合于处理固相含量较高的液体 缺点 干燥器直径较大 雾化器加工难度大 制造价格高 雾化器 Sprayer 压力式雾化器 应用最为广泛 用泵将料液加压至30 200atm并通入喷嘴 喷嘴内有螺旋室 液体在其中高速旋转并从出口小孔处呈雾状喷出 优点 结构简单 造价低 动力消耗低 缺点 操作弹性小 产品粒径不均匀 喷嘴容易因腐蚀或磨损而影响喷雾质量 喷雾干燥器 Spraydryer 直线型并流 对于易粘壁的物料 液滴随气流并行向下 可减少液滴撞向器壁的机会 但停留时间短 干燥器的塔身较高 螺旋形并流 物料停留时间较长 塔身可较低 但离心力作用使液滴甩向器壁的机会增多 逆流 废气从塔顶排出 为了减少未干液滴随废气带出 气体速度不宜过高 故达到一定生产能力的干燥器直径较大 优点 干燥速度快 干燥时间短 特别适合于热敏性物料 由液体直接得到干燥产品 无需蒸发 结晶 固液机械分离等操作 故又称为一步干燥法 缺点 体积传热系数很低 ha约为30 90W m2 K 水分汽化强度仅为10 20kg m3 h 故干燥器体积庞大 热效率较低 动力消耗较大 提高生产能力的方法 采用过热料液 在加压下将料液预热至200 300 进入雾化器 液滴通过吸收自身的显热而使部分水分汽化 厢式 室式 干燥器 Traydryer 小型的称为烘箱 大型的称为烘房 可同时处理多种物料 通常在常压或真空下间歇操作 厢内设有支架 湿物料放在矩形浅盘内 或悬挂在支架上 板状物料 空气经加热器预热并均匀分配后 平行掠过物料表面 离开物料表面的湿废气体 部分排空 部分循环 与新鲜空气混合后用作干燥介质 厢式干燥器的特点 对各种物料的适应性强 但物料得不到分散 气固两相接触不好 干燥时间长 可用多孔底板浅盘 使气体自上而下穿流通过物料层 穿流型厢式干燥器 以提高干燥速率 优点 对物料适应性强 可以用于各种物料的干燥 适用于小规模多品种 干燥条件变动大的场合 缺点 热效率较低 产品质量不易均匀 洞道式干燥器 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 带式干燥器 Beltdryer 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 带式干燥器 Beltdryer 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 带式干燥器 Beltdryer 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 转筒干燥器 Rotary