《固体干燥》PPT课件

8.1概述8.2湿空气的性质和湿度图8.3干燥器的物料衡算和热量衡算8.4干燥速率8.5干燥设备,2,化工生产中的固体物料，通常含有水分或其他溶剂（统称为湿分）。为了便于加工、运输、储存和使用，往往需要将其中的部分湿分除去，以使物料中的含湿量达到规定的要求，这种操作称为去湿。常用的去湿方法有机械去湿法和加热去湿法。1.机械去湿法当固体物料中的含湿量较高时，可先采用沉降、过滤、离心分离等机械分离法，除去其中的大部分湿分。这种去湿过程中没有相变化，能耗较少，费用较低，但去湿不彻底，一般用于初步去湿。,8.1概述8.1.1固体物料的去湿方法,3,2.加热去湿法对固体物料加热，使所含的湿分汽化，并及时移走所生成的蒸汽，使固体物料中的含湿量达到规定要求，这种去湿方法称为固体干燥。固体干燥过程中湿分发生相变化，故其热能消耗较多。工业生产中，通常将上述两种去湿方法进行联合操作，先用机械去湿法除去物料中的大部分湿分，然后再用干燥的方法进一步去湿，使物料中含湿量达到规定的标准。干燥操作不仅用于化工、石油化工等工业中，还应用于医药、食品、原子能、纺织、建材、采矿以及农产品等行业中。例如，合成树脂必须进行干燥以防止在加工成塑料制品中生成气泡，谷物、蔬菜经干燥后可以长期贮存，纸张、木材经干燥后便于使用和贮存等。,4,8.1.2干燥过程的分类（1）按操作的压强，可分为常压干燥和真空干燥。真空干燥适用于热敏性、易氧化或要求产品含湿量极低的物料干燥。（2）按操作方式，可分为连续干燥和间歇干燥。连续干燥的特点是生产能力大，热效率高，产品质量均匀及劳动条件好；间歇干燥的特点是费用低，操作易于控制，适用于小批量、多品种或要求干燥时间较长的物料干燥。（3）按热能传给湿物料的方式，可分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥和介电干燥以及由其中两种或三种方式组成的联合干燥。,5,用图8-1来描述对流干燥过程的传热和传质。图中t为空气的主体温度、tw为湿物料表面的温度、p为空气中水蒸气分压、pw为湿物料表面的水蒸气分压、Q为单位时间内空气传给物料的热量、N为单位时间内从物料表面汽化出的水蒸气量、为物料表面的虚拟气膜厚度。,8.1.3对流干燥过程的传热与传质,图8-1热空气和物料表面间的传热和传质情况,6,热空气将热能Q传到湿物料表面，再由表面传到物料内部，这是一个传热过程，传热的推动力为空气温度t与湿物料表面温度tw的温度差t=t-tw；与此同时，物料表面上的水分由于受热汽化，使物料内部和表面之间产生水分差，物料内部的水分以液态或气态的形式向表面扩散，然后汽化的水分再通过物料表面处的气膜而扩散到气流主体，并由气体带走，这是一个传质过程，传质推动力为湿物料表面的水蒸气分压pw与空气中水蒸气分压p的分压差p=pw-p。由此看出，干燥是传热和传质相结合的操作，干燥速率是由传热速率和传质速率共同控制的。综上所述，在对流干燥操作中，空气既要为物料提供水分汽化所需的热量，又要带走所汽化的水分。因此空气既是载热体又是载湿体。空气在进入干燥器之前需要经预热器加热到一定温度，在干燥器中，空气从进口到出口逐渐降温、增湿，最后作为废气排出。,7,8.2湿空气的性质和湿度图8.2.1湿空气的性质湿空气是干空气和水蒸气的混合物，在对流干燥操作中，一般可视为理想气体来处理，即有关理想气体的一切定律均适用于干燥操作中所用的湿空气。在干燥过程中，湿空气中的水蒸气量是在变化的，而其中干空气仅作为湿和热的载体，它的质量是不变的。因此，为了计算方便，在讨论湿空气的主要物理性质或状态参数及其相互关系时，是以单位质量的干空气为基准的。,8,1湿空气中水蒸气分压p依据分压定律，湿空气的总压P等于干空气的分压pa和水蒸气的分压p之和。总压一定时，空气中水蒸气分压p越大，则空气中水蒸气含量也越大。2湿度H湿度表明空气中水蒸气的含量，又称为湿含量或绝对湿度，即湿空气中单位质量干空气所带有的水蒸气的质量或湿空气中所含水蒸气的质量与干空气质量的比值，即湿度=湿空气中水蒸气的质量湿空气中绝干空气的质量因气体的质量等于气体的摩尔数乘以摩尔质量。3相对湿度在一定温度及总压下，湿空气中水蒸气分压p与同温度下水的饱和蒸气压ps之比称为相对湿度。,9,4湿空气的比容vH当湿空气的温度为t，湿度为H、总压为P时，以1kg绝干空气为基准的湿空气体积称为湿空气的比容，又称湿容积。5湿空气的比热cH当湿空气的温度为t，湿度为H时，将湿空气中1kg绝干空气及相应水汽的温度升高（或降低）1所需（或放出）的总热量，称为湿空气的比热，简称湿热。6焓IH当湿空气的温度为t，湿度为H时，以1kg绝干空气为基准的绝干空气的焓与相应水气的焓之和为湿空气的焓。,10,（1）干球温度t在湿空气中，用普通温度计所测得的温度即为干球温度，它是湿空气的真实温度，简称温度t。（2）湿球温度tw将湿球温度计放在湿空气气流中所测得的温度称为湿球温度。如图8-2所示，是由两个温度计组合而成的干湿球温度计。左面的是普通温度计，所测得的温度是空气的干球温度。右面的温度计感温部分包以纱布，纱布的下端浸入水中，由于纱布的毛细管作用，纱布被水完全润湿，这就是湿球温度计，用其测得的温度即为湿球温度。,图8-2干湿球温度计,7湿空气的温度干球温度、湿球温度、绝热饱和温度及露点,11,从下面湿球温度的测量方法可进一步认识湿球温度的物理意义及湿球温度名称的由来。如图8-3所示。,图8-3湿球温度测定机理,12,（3）绝热饱和温度tas当空气在绝热条件下被水汽所饱和，所显示的温度称为绝热饱和温度。用tas表示。如图8-4所示，设有温度为t、湿度为H的不饱和空气在一绝热饱和器内，与大量的水密切接触，水用泵循环，所以可以认为水温完全均匀。,图8-4绝热饱和器,13,因在绝热情况下，故水向空气中气化时所需的潜热，只能取自空气中的显热，即空气的湿度在增加，而温度则在下降，但空气的焓是不变的。这一过程称为绝热冷却增湿过程。绝热冷却过程进行至空气被水汽所饱和，即达到稳定状态，此时空气的温度不再下降，而等于循环水的温度，此稳定状态的温度即为上述空气的绝热饱和温度。经实验测定证明，当空气温度不太高，相对湿度不太低时，在一般情况下，对于水蒸汽空气系统可以认为绝热饱和温度tas和湿球温度tw的数值近似相等。,14,（4）露点td将不饱和的空气在总压和湿度保持不变（不与水或湿物料接触）的情况下，进行冷却而达到饱和状态时的温度，称为空气的露点。综上所述，对于表示湿空气性质的三个温度，即干球温度t、湿球温度（或绝热饱和温度）与露点，有以下关系：对于不饱和湿空气ttwtd对于饱和湿空气t=tw=td,15,8.2.2湿空气的湿度图及其应用1.湿度图的构造如图8-5所示,该图是采用以温度t为横坐标、湿度H为纵坐标所绘制的温度一湿度图(tH图)，简称湿度图。图8-5是根据总压P101.3kPa绘制的。图上任何一点都代表一定温度和湿度的湿空气的状态。,16,图8-5湿空气的tH图（总压101.3kPa）,17,图中各线的意义如下：（1）等温线，简称等t线，是与纵坐标平行的一组直线。在同一根等t线上都具有相同的温度值。（2）等湿线，简称等H线，是与横坐标平行的一组直线。在同一根等H线上都具有相同的湿度值。（3）等相对湿度线，简称等线，是一组从坐标系原点（t0，H0）的附近散发出来的曲线，它是根据式（8-7）绘制的，当P一定时，对于某一定值的，已知温度t（即ps），就可以算得一个对应的湿度H。将许多（t，H）点连接起来，就成为某一百分数的等线。从式（8-7）或湿度图可知，当湿空气的H一定时，t越高，则越低，作为干燥介质时吸水能力越强。图中100的曲线称为饱和空气线，这时空气完全被水蒸汽所饱和，饱和空气线的左上方是过饱和区域，这时湿空气呈雾状，不能用来干燥物料。饱和空气线的右下方是不饱和区域，这个区域中的空气可以作为干燥介质。,18,（4）绝热冷却线，简称等焓线，是一组在不饱和区域内从左上方至右下方互不平行的倾斜线段，它是根据式（8-18）绘制的。自右下方沿线向左上方与100%的饱和空气线相交的线段，表明湿空气从干球温度t绝热冷却增湿至tas而达到饱和的过程。对于空气一水系统，绝热冷却线与等湿球温度线重合。故绝热冷却线又可称为等湿球温度线。所以，对某一状态的湿空气，若沿绝热冷却线向左上方与100的饱和空气线相交，其交点所指出的温度，即为该空气的tas亦即tw。（5）湿热线，湿热线是靠左半部的一条自左下方到右上方贯通全图的一条直线。它是根据式（8-9）绘制的。已知H，沿等H线与湿热线相交，由交点向上在横坐标上查取对应的cH数值。,19,（6）水蒸汽分压线。是靠左半部的一条自左下方到右上方贯通全图的一条近似直线，它是根据式（8-3）绘制的。其数值可在图的上方水蒸汽分压数标线上查取。（7）湿容积线。是在右上部的一组自左向右上方的倾斜直线。它是根据式（8-8）绘制的。当式（8-8）中的H0时，绘出的线为干空气的比容线。其数值可在图左边的湿容积数标线上查取。（8）饱和容积线。是在左上方的一条曲线。它也是根据式（8-8）绘制的。其饱和容积数值可在图左边的湿容积数标线上查取。而对于一定温度t和湿度H下空气的湿容积vH，可从干空气的比容线及饱和容积线之间，根据H/Hs比值，用内插法求得。,20,现将利用湿度图查取空气的各个状态参数的方法步骤叙述如下：图8-6中的A点代表一定状态的湿空气。,图8-6湿度图的用法,2湿度图的用法,21,现将利用湿度图查取空气的各个状态参数的方法步骤叙述如下：图8-6中的A点代表一状态的湿空气。由A点沿等t线向下，可在横坐标上查得温度t；由A点沿等H线向右，可在纵坐标上查得湿度H；由A点沿等H线向左与100%等线相交于C点（即A点空气在湿度不变时冷却到饱和状态），再由C点沿等t线向下，在横坐标上查得露点；由A点沿绝热冷却线向左上方与100%等线相交于D点，再由D点沿等t线向下，在横坐标上查得绝热饱和温度（即湿球温度），若由D点沿等H线向右，则在纵坐标上可查得达到时的饱和湿度Has；,22,由A点沿等t线向上与100%线相交于B点，再由B点沿等H线向右，在纵坐标上可查得在干球温度下达到饱和时的饱和湿度Hs；由A点沿等H线向左与湿热线相交于E点，由E点沿等t线向上，在图上边的湿热数标线上可查得湿比热cH；由A点沿等t线向上与湿容积线相交于G点，再由G点沿等H线向左，在图左边的湿容积数标线上可查得对应的湿容积vH；由A点作相邻两条绝热冷却线的平行线向左上方或右下方与图左边或右边湿空气的焓值数标线相交，可得对应的焓值；由A点沿等H线向左与水蒸汽分压线相交于K点，再由点K垂直向上，可在图上边的蒸汽分压数标线上查得对应的水蒸汽分压P。,23,由以上叙述可知，应用湿度图查取湿空气的状态参数时，须先确定代表湿空气状态的A点。通常是依下述已知条件之一来确定A点的。可能的已知条件是：（1）干球温度t和湿球温度tw；（2）干球温度t和露点td；（3）干球温度t和相对湿度。上述三种条件下确定湿空气状态点的方法可由图8-7表明。,图8-7湿空气状态在湿度图上的确定,24,湿空气先通过预热器被加热，温度升高而相对湿度降低。待达到工艺要求的温度后，通入干燥器中与湿物料密切接触，进行湿和热的交换。热空气把热量传给湿物料，湿物料中水分不断地向空气中扩散，并被空气带走。干燥中水分蒸发所需的热量全部由空气预热器供给，或由预热器供给一部分，另一部分由干燥器中设置的补充加热器供给。,1.进料口2.干燥器3.卸料口4.抽风机5、6.空气预热器和加热器图8-9空气干燥器的操作简图,8.3干燥器的物料衡算和热量衡算8.3.1空气干燥器的操作过程图9-9为空气干燥器的操作简图，湿物料由进料口l送入干燥室2，借输送装置沿干燥器移动，干燥后的物料经卸料口3卸出。冷空气（湿空气）由抽风机4抽入空气预热器5，预热到一定温度后进入干燥器中。在干燥操作中，,25,8.3.2物料衡算1物料含水量的表示方法（1）湿基含水量是指在整个湿物料中水分所占的质量百分数，以w表示。（2）干基含水量是指湿物料中的水分质量与绝干物料质量之比的百分数，以X表示。上述两种含水量表示法之间的换算关系如下：,（8-20）,（8-20a）,26,2水分蒸发量W在干燥过程中，湿物料的含水量不断减少，但绝干物料量却不会改变。现对图9-10所示的连续干燥器作物料衡算。,图8-10连续干燥器的物料衡算,27,令Gc绝干物料的质量流量，kg/s；G1进干燥器的湿物料的质量流量，kg/s；G2出干燥器的湿物料的质量流量，kg/s；w1、w2湿物料与产品的湿基含水量，质量分数或质量百分数；X1、X2湿物料与产品的干基含水量，kg水/kg绝干物料；L干空气的质量流量，kg干空气/s；H1、H2湿空气进、出干燥器的湿度，kg水/kg干空气；,28,如果在干燥器中无物料损失，对绝干物料作物料衡算，则对进、出口干燥器的水分作物料衡算整理式（8-22）得式中W水分蒸发量，kg水/s。,（8-22）,（8-23）,（8-21）,29,3空气消耗量由式（8-23）可知，干燥过程所消耗的干空气量为蒸发1kg的水分所消耗的干空气的量为式中l单位空气消耗量，kg干空气/kg水。在干燥装置中风机所需的风量是根据湿空气的体积流量VS（m3/s）而定。湿空气的体积可由干空气的质量流量与湿容积vH的乘积求取。即：式中空气的温度t和湿度H由风机所在部位的空气状态而定。,（9-24）,（9-25）,（9-26）,30,8.3.3热量衡算现对图8-11所示的连续干燥器作热量衡算。图中所示冷空气（t0、0、H0、I0）流经预热器加热至t1，湿度不变，即H1=H0，其他状态参数即t1、1及I1都发生变化。热空气通过干燥器时，空气的湿度增加而温度在下降，离开干燥器时为t2、2、H2及I2。进入干燥器的干空气质量流量为L。物料进出干燥器时的干基含水量分别为X1和X2，温度为1和2，绝干物料的质量流量为Gc。,图8-11连续干燥器热量衡算示意图,31,当上述干燥过程达到稳定后，热量衡算方程式中各项数值可由下列各式算出。1输入热量（1）预热器将空气从t0加热至t1所需要的热量Q0（kW）即上式表明，热消耗量Q0是随t0的降低而增加的。所以，计算预热器的传热面积时，应以热消耗量最大的冬季为基准。,（8-27）,32,2输出热量（1）蒸发Wkg水/s（由1的水变为t2的水蒸汽时）所需的热量Q1（kW），即式中cW水的比热，取4.187kJ/kg；I2温度为t2的水蒸气的焓，kJ/kg。代入上式得（2）被干物料由1升温至2所需的热量Q2（kW），即式中cm湿物料的比热，kJ/kg绝干料。式中cs绝干物料的比热，kJ/kg绝干料。,（8-28）,（8-29）,（8-30）,33,（3）干燥器的热损失Q3（kW）由传热热损失公式计算。（4）废气带走的热量Q4（kW），因Wkg/s水汽带走的热量已计入Q1中，所以，随废气带走的热量Q4，可按空气湿度为计算，即将、t0的空气升温至t2，所需的热量Q4为：综上所述，在稳定的干燥过程中，输入热量应等于输出的热量，故可写出下列热量衡算方程式：或,（9-32）,34,将式（8-27）和式（8-31）代入上式得：上式说明，空气通过干燥器时，温度由t1降至t2所放出的热量，只用于：（1）蒸发水分Q1；（2）物料的升温Q2；（3）补偿热损失Q3。又因H0=H1，将式（8-24）代入（9-32），整理得：上式表明了在干燥过程中空气的温度和湿度的变化关系。,（8-32）,（8-33）,35,8.3.4干燥器的热效率和干燥效率1干燥器的热效率空气在干燥器内所放出的热量与空气在预热器中所获得的热量的比值，称为干燥器的热效率，以表示。2干燥器的干燥效率蒸发水分所需的热量与空气在干燥器内放出的热量的比值，称为干燥器的干燥效率，以表示。干燥操作中干燥器的热效率和干燥效率表示干燥器操作的性能，效率越高表示热利用程度越好。,36,8.4干燥速率8.4.1物料中所含水分的性质1平衡水分和自由水分根据在一定的空气条件下，物料中所含水分能否用干燥方法除去，划分为平衡水分和自由水分。大多数固体物料与一定状态的湿空气共存时，物料中必有一定量不可除去的水分。这部分不能除去的水分，称为平衡水分。平衡水分的数值不仅与物料的性质有关，还受空气状态的影响。湿空气的相对湿度越大或温度越低则平衡水分的数值越大。,37,图8-12是某些物料在25时的平衡含水量X*与空气相对湿度之间的关系曲线干燥平衡曲线。物料的含水量大于平衡含水量时，含水量与平衡含水量之差称为自由水分或自由含水量：自由水分是在一定空气状态下能用干燥的方法除去的水分。但在实际干燥操作中，自由水分往往也只能被除去一部分，物料所含总水分是自由水分和平衡水分之和。,图8-1225时某些物料的平衡水分,38,2结合水分和非结合水分根据物料中水分被除去的难易程度，划分为结合水分和非结合水分。结合水分是指存在于物料渗透膜内部、溶液中和毛细管中的水分。它与固体物料结合力强，是较难除去的水分。其蒸气压低于同温度下纯水的饱和蒸气压。若物料中只存在结合水分时，干燥过程中水汽至空气主体的扩散推动力是随过程的进行逐渐下降的。非结合水分是指存在于物料表面的吸附水分以及较大孔隙中的水分。它与固体物料结合力弱，是容易除去的水分。其蒸气压等于同温度下纯水的饱和蒸气压。,39,在一定温度下，划分平衡水分和自由水分是根据物料的性质和所接触的空气状态而定。而划分结合水分和非结合水分只是根据物料的性质而定。固体物料中几种水分的关系如图8-13所示，图中AB是平衡曲线，A点表示在空气相对湿度为的情况下物料的平衡水分，而大于A点的水分是由由水分。B点是平衡曲线与=100%的交点，B点以下的水分是结合水分，而大于B点的水分是非结合水分。,图8-13固体物料中的水分,40,自由水分,3几种水分的关系,物料中所含水分,平衡水分不能除去的结合水分,能除去的结合水分,非结合水分首先除去的水分,41,1干燥速率和干燥速率曲线单位时间内在单位干燥面积上被干燥物料气化的水分质量，称为干燥速率，用符号U表示。图8-15表示在空气状态恒定时典型的干燥速率曲线。图中纵坐标是干燥速率U，横坐标是物料的干基含水量X。从干燥速率曲线可以看出，干燥过程明显地分成等速干燥和降速干燥两个阶段。综上所述，当物料的含水量大于临界含水时，属于等速干燥阶段；当物料含水量小于时，属于降速干燥阶段。在平衡含水量X*时，干燥速率U等于零。实际生产中物料常被干燥到和X*之间。,8.4.2干燥速率及其影响因素,图8-15恒定干燥条件下干燥速率曲线,42,2影响干燥速率的因素影响干燥速率的因素主要是物料的状况、干燥介质的状态、干燥设备的结构和物料流程等几个方面。现就其中较为重要的影响因素讨论如下：,（1）湿物料的性质和形状，包括湿物料的物理结构、化学组成、形状及大小、物料层的厚薄以及水分的结合方式等。（2）湿物料本身的温度。湿物料本身的温度愈高，则干燥速率愈大。在干燥器中湿物料的温度又与干燥介质的状态有关。（3）物料的含水量，包括物料的最初、最终的含水量以及临界含水量。,43,（4）物料的堆置方法。对细粒物料，可使其悬浮或分散在气流中，若悬浮受到限制，则可加强搅拌。而对既不能悬浮又不能搅拌的大块物料，则可将其悬挂而使其全部表面充分暴露在气流之中。（5）干燥介质的温度。当干燥介质（热空气）的湿度不变时，其温度愈高，则干燥速率愈大，但要以不损害被干燥物料的品质为原则。此外，要防止由于干燥过快，物料表面形成硬壳而减小以后的干燥速率，使总的干燥时间加长。（6）干燥介质的湿度。当干燥介质（热空气）的温度不变时，其相对湿度愈低，水分的汽化愈快，尤其是在表面汽化控制时最为显著。,44,（7）干燥介质的速度。增加干燥介质的速度，可以提高表面汽化控制阶段的干燥速率；在内部扩散控制阶段，气速对干燥速率影响不大。（8）干燥介质的流向。流动方向与物料的汽化表面垂直时，干燥速率最快，平行时则差。其原因可用气体边界层的厚薄来解释。即干燥介质流动方向与物料的汽化表面垂直时的边界层之厚度要比平行时为薄。（9）干燥器的构造。