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文档简介
1、第5章干燥,通过本章学习,应掌握干燥的基本概念和原理;湿空气的性质及湿焓图;干燥过程的物料衡算与热量衡算方法;干燥过程的平衡关系与速率关系。了解干燥时间的计算;干燥设备的类型及结构特点。,学习目的与要求,5.1干燥过程概述,5.1.1干燥的原理与应用,第5章固体物料的干燥,一、干燥过程的原理,气、固相中所含湿分的不同,分离物系,固体中的湿分,形成两相体系的方法,引入一气相(干燥介质),传质原理,(固相气相),固体物料干燥过程,湿物料,热空气,气膜,气相主体,Q推动力t-tw,N推动力pw-p,二、干燥过程的应用,应用示例,湿聚氯乙烯干燥成聚氯乙烯产品,湿尿素干燥成尿素产品,含水量3%,含水量0
2、.5%,干燥,含水量2%,含水量0.3%,干燥,三、干燥过程与其他除湿方法的比较,工程中的常用除湿方法,机械除湿,物理除湿,利用热能除湿,干燥除湿的特点,除湿彻底,能耗高,为节能工业上多采用联合除湿,机械除湿,干燥除湿,沉降,过滤,离心,吸附,干燥,5.1干燥过程概述,5.1.1干燥的原理与应用,第5章固体物料的干燥,5.1.2干燥过程的分类,按操作压力分类,干燥,按传热方式分类,干燥过程的分类,常压干燥,真空干燥,传导干燥,对流干燥,按操作方式分类,辐射干燥,介电加热干燥,干燥,间歇干燥,连续干燥,干燥,5.1干燥过程概述,第5章固体物料的干燥,5.2.1湿空气的性质,5.2湿空气的性质及湿
3、度图,一、湿度H(湿含量),干燥介质,干燥湿分,计算基准,湿空气中水汽的质量与绝干空气的质量之比,定义,湿空气,水分,1kg绝干气,kg水汽/kg绝干气,H,符号,单位,kg/kg绝干气,常压下湿空气可视为理想气体,一、湿度H(湿含量),水汽的分压,总压,湿空气中水汽与绝干气的摩尔比,湿空气被水所饱和,若,饱和湿空气,一、湿度H(湿含量),空气温度下纯水的饱和蒸汽压,二、相对湿度,湿空气中水汽分压与同温度水的饱和蒸汽压之比,定义,符号,单位,干燥能力,吸收水分能力,干燥速率,传质推动力,p=0,=0,绝干空气,p=ps,=100,饱和空气,二、相对湿度,分析,三、比体积vH,以1kg绝干气为基
4、准的湿空气的体积,m3湿空气/kg绝干气,定义,符号,单位,设,湿空气的温度为t,湿空气的湿度为H,湿空气的总压力为p总,三、比体积vH,四、比热容cH,常压下将以1kg绝干气为基准的湿空气的温度升高(或降低)1所吸收(或放出)的热量,kJ/(kg绝干气),定义,符号,单位,设,湿空气的湿度为H,则,绝干气比热容,水汽的比热容,在常用温度范围内,cg=1.01kJ/(kg绝干气),cv=1.88kJ/(kg水汽),四、比热容cH,故有,五、焓I,kJ/kg绝干气,以1kg绝干气为基准的湿空气的焓值,则,定义,符号,单位,绝干气的焓值为Ig,水汽的焓值为Iv,设,湿空气的温度为t,湿空气的湿度为
5、H,以0为基准,设,五、焓I,则,六、温度,1.干球温度与湿球温度,用普通温度计直接测得的湿空气的温度,称为干球温度,简称温度,以t表示。它是湿空气的真实温度。,(1)干球温度t,(2)湿球温度tW,用湿球温度计测得的湿空气的温度,称为湿球温度。湿球温度可度量湿空气的湿度大小。tW是空气的温度t和湿度H的函数。,湿球温度计示意图湿球温度计构成:用普通温度计,在其感温部位包上细纱布且浸在水中。,不饱和湿空气,水,接触,水分汽化:向气相主体传递(汽化热为水分本身温度降低放出显热),热量传递,湿度差,质量传递,温度差,热量由气相主体传递给水分(气相温度下降),达平衡状态,ttw,温度维持不变,不饱和
6、湿空气,六、温度,湿球温度的测量机理,(3)湿球温度与干球温度及湿度的关系,湿空气的干球温度为t,湿空气的湿度为H,设,湿空气的湿球温度为tw,气膜中饱和湿度为Hs,tw,传热速率为,J/s,传质速率为,kg/s,六、温度,稳态下,联立得,测定t、tw,湿度H,未饱和湿空气,ttw,饱和湿空气,t=tw,六、温度,不饱和湿空气,水,绝热状态接触,水分汽化:向气相主体传递(汽化热为水分本身温度降低放出显热),热量传递,饱和湿空气,湿度差,质量传递,温度差,热量由气相主体传递给水分(气相温度下降绝热冷却),达饱和状态,ttas,HHas,100,2.绝热饱和冷却温度tas,六、温度,绝热饱和冷却塔
7、示意图,1塔身2填料3循环泵,绝热状态,绝热饱和温度与干球温度及湿度的关系,未饱和湿空气的焓,饱和湿空气的焓,绝热过程,六、温度,因为H、Has值很小,整理得,通常,比较得,六、温度,不饱和湿空气,饱和湿空气,等湿下冷却达饱和状态,ttd,HHs,td,100,t,ps,示例:露珠的产生,不饱和湿空气,ttw(tas)td,饱和湿空气,ttw(tas)=td,3.露点td,六、温度,湿球温度和绝热饱和温度都不是湿气体本身的温度,但都和湿气体的温度t和湿度H有关,且都表达了气体入口状态已确定时与之接触的液体温度的变化极限。在绝热条件下,用湿空气干燥湿物料,如果湿物料足够润湿,则其表面温度也就是湿
8、空气的绝热饱和温度,亦即湿球温度,而湿球温度容易测定,因此湿空气在等焓过程中的其它参数的确定就比较容易了。,练习题目,思考题,作业题:1、2,1.湿空气的湿度、相对湿度、比体积、比热容和焓各表示何意义,如何计算?2.湿空气的干球温度、湿球温度、绝热饱和冷却温度、露点各表示何意义,其关系如何?,例1已知湿空气的温度为50,总压强为100kPa,湿球温度为30,试计算该湿空气以下个参数:(1)湿度;(2)相对湿度;(3)露点;(4)热焓;(5)湿比容。,解:(1)由饱和水蒸气压力表查得,在tw=30时,水的饱和蒸汽压ps=4.25kPa,汽化潜热rw=2.423kJ/kg。在湿球温度下,空气的饱和
9、湿度为:,湿空气的湿度为:,(2)由饱和水蒸汽压表查得,在干球温度t=50,水的饱和蒸汽压ps=12.34kPa,求得该空气中的水蒸气分压为,空气的相对湿度为,(3)在露点下,空气刚好达到饱和状态,空气中的水汽分压p=12.34kPa即为水露点下的饱和蒸汽压,故由饱和蒸汽压表查得,此空气的露点td=23。(4)若以0的水及0的空气的焓为基准,该空气的焓为,(5)在压强不太高时,湿空气可视为理想气体,,5.1干燥过程概述,第5章固体物料的干燥,5.2.1湿空气的性质,5.2湿空气的性质及湿度图,5.2.2湿空气的湿度图,在一定总压下,湿空气的各参数中,只有两个是独立的,只要确定了湿空气的两个独立
10、参数,湿空气的状态就确定了。工程上为了方便计算,常将湿空气各参数标绘成图,称为湿空气的湿度图。,一、HI图的构造,湿空气的湿度图,湿度焓(HI)图,湿度温度(Ht)图,湿空气的HI图,HI图由以下线群组成,等湿线(等H线)范围00.2kg/kg绝干气,等焓线(等I线)范围0680kJ/kg绝干气,等温线(等t线)范围0250,等相对湿度线(等线)范围5100,=100饱和空气线,水汽分压线(p线)范围026kPa,一、HI图的构造,1.已知状态点求湿空气的参数,已知状态点可由H-I图求出湿空气的各参数值:,湿度H,温度,焓I,相对湿度,水汽分压p,干球温度t,绝热饱和冷却温度tas(湿球温度t
11、W),露点td,二、HI图的应用,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,2.由两个独立参数确定其它参数,已知两个独立参数可由H-I图确定湿空气的状态点,继而求出湿空气的各参数值。,已知温度t湿球温度tW,已知温度t露点td,已知温度t相对湿度,二、HI图的应用,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,5.1干燥过程概述,第5章固体物料的干燥,5.2湿空气的性质及湿度图,5.3干燥过程的物料衡算与热量衡算,5.3
12、.1湿物料的性质,一、湿物料的含水量,1.湿基含水量,kg/kg湿物料,湿基含水量是指湿物料中水分的质量分率。,工业上通常用湿基含水量表示湿含量。,注意,2.干基含水量,干基含水量是指湿物料中水分质量与绝干物料的质量比。,kg/kg绝干料,两种含水量之间的关系,一、湿物料的含水量,二、湿物料的比热容cm,将以1kg绝干料为基准的湿物料的温度升高(或降低)1所吸收(或放出)的热量,kJ/(kg绝干料),定义,符号,单位,设,湿物料的干基湿含量为X,则,绝干料比热容,水分的比热容,在常用温度范围内,cw=4.187kJ/(kg水),故有,二、湿物料的比热容cm,kJ/kg绝干料,以1kg绝干料为基
13、准的湿物料的焓值,则,定义,符号,单位,设,三、湿物料的焓,水的焓值为Iw,绝干料的焓值为,以0为基准,则,设,湿物料的温度为,湿物料的干基湿含量为X,三、湿物料的焓,5.1干燥过程概述,第5章固体物料的干燥,5.2湿空气的性质及湿度图,5.3干燥过程的物料衡算与热量衡算,5.3.1湿物料的性质,5.3.2干燥过程的物料衡算与热量衡算,一、物料衡算,干燥器物料衡算示意图,干燥器,新鲜空气,废气,湿物料,干燥产品,绝干空气流量,绝干物料流量,干燥产品流量,湿物料处理量,1.水分蒸发量W,kg/s,以1s为基准,设干燥器内无物料损失,对干燥器作物料衡算,一、物料衡算,则,单位时间内水分蒸发量,2.
14、空气消耗量L,kg绝干气/s,得,一、物料衡算,由,单位时间内消耗的绝干空气量,湿空气(新鲜空气)的消耗量为,kg新鲜气/s,湿空气(新鲜空气)的体积消耗量为,m3新鲜气/s,一、物料衡算,设,绝干空气消耗量为L,湿空气的湿度为H1,则,单位空气消耗量为,kg绝干气/kg水,一、物料衡算,单位时间内消耗的绝干空气量,3.湿物料处理量及干燥产品流量,kg/s,绝干料衡算,湿物料处理量,干燥产品流量,kg/s,一、物料衡算,二、热量衡算,干燥器热量衡算示意图,Qp预热器消耗热量,kW,QD干燥器补充热量,kW,QL热损失速率,kW,干燥器,新鲜空气,废气,湿物料,干燥产品,预热器,预热器热量衡算,
15、干燥器热量衡算,整个系统热量衡算,一、热量衡算基本方程,由,设,一、热量衡算基本方程,绝干空气的焓,水汽的焓,则,以0为基准,故,一、热量衡算基本方程,一、热量衡算基本方程,物料的焓值,湿物料的平均比热容,绝干料的平均比热容,水的比热容,由,整理得,加热空气,一、热量衡算基本方程,加热物料,蒸发水分,损失热量,练习题目,思考题,作业题:3、4、5,1.HI图的构造如何,如何由湿空气的状态点确定其状态参数?2.如何对干燥系统进行物料衡算?3.热量衡算的基本方程式是如何获得的?,第5章固体物料的干燥,5.3干燥过程的物料衡算与热量衡算,5.3.1湿物料的性质,5.3.2干燥过程的物料衡算与热量衡算
16、,5.3.3空气通过干燥器时的状态变化,一、绝热干燥过程,1.绝热干燥过程的状态变化,理想干燥等焓干燥,A,B,C,不向干燥器补充热量,干燥器的热损失可忽略,物料进出干燥器的焓相等,D=0,L=0,一、绝热干燥过程,2.绝热干燥过程的条件,由,一、绝热干燥过程,故,则,二、非绝热干燥过程,1.非绝热干燥过程的状态变化,实际干燥,A,B,等温干燥,升焓干燥,降焓干燥,降焓干燥过程应满足以下条件,不向干燥器补充热量,干燥器的热损失不能忽略,物料进出干燥器的焓不相等,D=0,L0,2.非绝热干燥过程的条件,二、非绝热干燥过程,二、非绝热干燥过程,由,故,则,升焓干燥过程应满足以下条件,需向干燥器补充
17、热量,干燥器的热损失不能忽略,物料进出干燥器的焓不相等,且,L0,二、非绝热干燥过程,二、非绝热干燥过程,由,故,则,因,等温干燥过程应满足以下条件,干燥器的热损失不能忽略,物料进出干燥器的焓不相等,需向干燥器补充热量,D足够大,维持t1=t2,且,L0,二、非绝热干燥过程,第5章固体物料的干燥,5.3干燥过程的物料衡算与热量衡算,5.3.1湿物料的性质,5.3.2干燥过程的物料衡算与热量衡算,5.3.3空气通过干燥器时的状态变化,5.3.4干燥系统的热效率,一、干燥系统的热效率,干燥系统的热效率定义,蒸发水分所需热量,一、干燥系统的热效率,由,忽略湿物料中水分带入系统中的焓,则,故,对于理想
18、干燥器,二、提高干燥系统热效率的措施,提高干燥系统热效率措施,提高而降低,提高空气入口温度,采用二级干燥,采用内换热器,干燥系统的保温,采用废气循环工艺,二、提高干燥系统热效率的措施,带废气循环的干燥系统(1),二、提高干燥系统热效率的措施,带废气循环的干燥系统(2),例2.采用常压干燥器干燥湿物料。处理量为2000kg/h,干燥操作使物料的湿基含量由40%减至5%,干燥介质是湿空气,初温为20,H0=0.009kg水/kg绝干空气,经预热器加热至120后进入干燥器中,离开干燥器时废气温度为40,若干燥器中空气状态沿等焓变化。试求:(1)水分蒸发量W(kg/s);(2)绝干空气消耗量L(kg绝
19、干空气/s);(3)如鼓风机装在新鲜空气入口处,风机的风量应为多少m3/s?,解:(1)水分蒸发量,(2)绝干空气消耗量,H1=H0=0.009kg水/kg绝干空气。空气状态沿等焓线变化,即I1=I2,H2可计算求出。,解得H2=0.041kg水/kg绝干空气,则蒸发0.205kg/s的水分所消耗的绝干空气量为,(3)t0=20,H0=0.009kg水/kg绝干空气,L=6.406kg绝干空气/s,则其体积流量为,例3.常压下以温度为20、相对湿度为60%的新鲜空气为介质,干燥某种湿物料。空气在预热器中被加热到90后送入干燥器,离开时的温度为45、湿度为0.022kg/kg绝干空气。每小时有1
20、100kg温度为20、湿基含水量为3%的湿物料送入干燥器,物料离开干燥器温度升到60,湿基含水量降到0.2%,湿物料的平均比热容为3.28kJ/(绝干物料)。忽略预热器损失的热量,干燥器的热损失速率为1.2kw,求:(1)水分蒸发量;(2)新鲜空气消耗量(3)若风机装在新鲜空气入口处,求风机风量(4)预热器消耗的热量(5)干燥系统消耗的总热量(6)干燥系统补充的热量(7)干燥系统的热效率,(1)蒸发量,(2)新鲜空气消耗量,(3)风机风量,(4)预热器中消耗的热量,(5)干燥系统消耗的总热量,(6)干燥补充的热量,(7)干燥系统的热效率,第5章固体物料的干燥,5.3干燥过程的物料衡算与热量衡算
21、,5.4干燥速率与干燥时间,5.4.1物料中水分的性质,一、平衡水分与自由水分,湿物料,湿空气,接触时间,平衡曲线,达平衡状态时,平衡湿含量,X*,X,1.平衡曲线,平衡含水量X*与空气相对湿度的关系(25),1新闻纸2羊毛、毛织物3硝化纤维4丝5皮革6陶土7烟叶8肥皂9牛皮胶10木材11玻璃绒12棉花,在一定的干燥条件下,不能被除去的水分,平衡水分X*,大于平衡水分的水分,自由水分X-X*,物料所含水分平衡水分自由水分,平衡水分,自由水分,按能否被除去划分,取决于物料的性质和空气的状态。,2.平衡水分与自由水分,一、平衡水分与自由水分,结合水分的特点,结合力强,不易除去。,二、结合水分与非结
22、合水分,物料表面吸附及空隙中所含的水分,物料细胞壁及毛细孔道内所含的水分,湿物料,结合水分,非结合水分,非结合水分的特点,结合力弱,容易除去。,物料所含水分结合水分非结合水分,结合水分,非结合水分,按除去的难易程度划分,仅取决于物料的性质,而与空气的状态无关。,二、结合水分与非结合水分,固体物料中所含水分的性质,总水分,平衡水分,自由水分,非结合水分,结合水分,第5章固体物料的干燥,5.3干燥过程的物料衡算与热量衡算,5.4干燥速率与干燥时间,5.4.1物料中水分的性质,5.4.2恒定干燥条件下干燥时间的计算,一、干燥实验和干燥曲线,1.恒定干燥实验,恒定干燥条件,间歇操作,用大量的空气干燥少
23、量的物料,维持空气的速度及与物料的接触方式不变,实验数据,洞道干燥实验流程示意图,1洞道干燥室2离心鼓风机3孔板流量计4温度计5干燥物料6重量传感器7加热器8湿球温度计9干球温度计10重量显示仪11温度显示仪12湿球温度显示仪13电加热控制仪表,一、干燥实验和干燥曲线,预热阶段,恒速干燥阶段(第一干燥阶段),干燥阶段,降速干燥阶段(第二干燥阶段),热量主要用于物料升温,热量用于汽化水分,热量用于汽化水分和加热物料,一、干燥实验和干燥曲线,2.干燥曲线,将物料含水量(或物料表面温度)对干燥,干燥曲线,X曲线,曲线,时间绘图,所得图形称为干燥曲线。,干燥曲线(X关系),预热阶段,恒速干燥阶段,降速
24、干燥阶段,干燥曲线(关系),预热阶段,恒速干燥阶段,降速干燥阶段,思考题,作业题:6、7、8,练习题目,第5章固体物料的干燥,5.4干燥速率与干燥时间,5.4.1物料中水分的性质,5.4.2恒定干燥条件下干燥时间的计算,一、干燥实验和干燥曲线,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,1.干燥速率,单位时间单位干燥面积上汽化的水分质量。,kg/(m2),定义,干燥速率定义式,干燥速率,2.干燥速率曲线,U与的关系曲线干燥速率曲线。,干燥曲线,干燥速率曲线,曲线斜率,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,恒定干燥条件下干燥速率曲线,预热阶段,恒速干燥阶段,降速干燥阶段,临界湿含量,临界干燥速率,湿空气,水分传递
25、,由内部向表面迁移,由表面向空气中汽化,湿物料,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,3.干燥机理及影响因素,(1)恒速干燥阶段,内部迁移速率,表面汽化速率,特征,表面维持润湿状态,汽化的水分为非结合水分,空气传给湿物料显热水分汽化所需潜热,表面汽化控制阶段,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,设,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,一批操作中空气传给物料的总热量为,一批操作中蒸发的水分量为,则,空气与物料表面的对流传热速率为,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,湿物料与空气的传质速率为,联立并整理得,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,1)空气平行流过静止物料层表面,计算经验公式,湿空气的质量流速,2)空气垂直流过静止物料层表面,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,3)气体与运动着的颗粒间的传热,颗粒平均直径,空气导热系数,空气运动黏度,颗粒沉降速度,(2)降速干燥阶段,内部迁移速率,Xc,4小时前
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