化工原理课件13 干 燥.ppt

1、13 干 燥,福州大学化学化工学院 李 玲 TELEmail ： ,13 干燥,13.1 概述 13.1.1 干燥的目的、本质及分类 13.1.1.1 目的 将湿固体物料除去湿分（水或其他液体）去湿。 去湿的方法： （1）机械去湿，即通过压榨、过滤、离心分离等方法去湿，这是一种低能耗的去湿方法，但这种方法湿分的除去不完全。 （2）热能去湿，即借热能使物料的湿分汽化，并将汽化产生的蒸汽由惰性气体带走或用真空抽吸而除去的方法，这种方法简称为干燥。,13.1 概述,13.1.1.2 本质 本质：水分从物料表面向气相转移的过程。干燥过程是传质和传热相结合的过程（热、质反向传递

2、），干燥速率同时由传热速率和传质速率所支配。 必要条件：被干燥物料表面上的蒸汽压超过干燥介质中的蒸汽分压，即pm pw。 p =( pm- pw), 干燥速率 因此，作为干燥介质的热空气必须不断提供热量给湿物料，使湿物料表面的水分不断汽化pm, 物料内部的水分可继续扩散到表面来。另一方面，干燥介质应及时将汽化的水汽带走pw，以保持一定的传质推动力p 。,13.1 概述,13.1.1.3 分类 根据热能传递方式的不同分成以下四类： （1）传导干燥,能通过传热壁面以传导方式传给与壁面接触的湿物料。 优点：热能利用程度较高； 缺点：与金属壁面接触的物料在干燥时易形成过热而变质。,13.1 概述,（2

3、）对流干燥 热能以对流方式由热空气传给与其直接接触的湿物料，产生的蒸汽也由热空气带走。 优点：热空气的温度调节比较方便，物料不至于被过热。 缺点：热空气离开干燥器时尚带有相当大的一部分热能，因此对流干燥的热能利用程度比传导干燥差。,13.1 概述,（3）辐射干燥 热能以电磁波的形式由辐射器发射到达湿物料表面，被湿物料吸收后又转变为热能将水分加热汽化而达到干燥的目的。 优点：生产强度大，产品干燥均匀而洁净，设备紧凑使用灵活，可以减少占地面积，缩短干燥时间。 缺点：电能消耗大。,（4）介电加热干燥 将需要干燥的物料置于高频电场内，依靠电能加热物料并使湿分汽化。此法由于加热的能量是由高频装置产生的，

4、其所需的费用较大，故在工业上的应用受到限制。,13.1 概述,13.1.2 对流干燥流程及其经济性,经济性：能耗和热的利用率,13.2 湿空气的性质及湿度图,13.2.1 湿空气的性质 （1）水蒸汽分压pw（kPa） 空气中水蒸汽分压pw，水汽含量就越高，根据分压定律， pw与干空气分压pa之比,为水汽与干空气的摩尔数之比，其中p为湿空气的总压。,13.2.1 湿空气的性质,（2）湿空气湿含量（湿度） 定义：单位质量干空气中含有水汽的质量为湿度或湿含量，记为H。,（13-1）,对理想气体，摩尔比等于分压比，所以湿度又可写成下式：,13.2.1 湿空气的性质,非空气水系统,空气乙醇系统,注：式中

5、pw、p的单位可取atm、kPa、mmHg，但pw与p的单位必须一致；,13.2.1 湿空气的性质,（3）相对湿度,（13-2）,0 1。相对湿度可用来衡量湿空气的不饱和程度。 =0，即pw =0，为绝干空气； =1，即pw = ps，此时湿空气中水蒸汽分压达到最大值，为饱和湿空气 当总压p一定时，H随及温度t而变，在一定总压p下，只要知道 、 t就可求H 。,（13-3）,13.2.1 湿空气的性质,思考：在t、H相同的条件下，提高压强对于干燥操作是否有利？为什么？,t 相同， ps不变，H相同，p，吸收水汽能力，不利于干燥。因此干燥操作经常在常压或真空条件下进行。,13.2.1 湿空气的性

6、质,（4）湿空气的湿比热cH（湿质量热容） 在常压下将1kg的绝干空气和其所带有的Hkg水蒸汽的温度升高1 所需的总热量，称为湿空气的比热，简称湿比热。 cH = ca+ cwH,cH 湿空气的比热，kJ/kg绝干空气 ； ca 干空气的比热，kJ/kg绝干空气 ； cw 水蒸汽的比热，kJ/kg水蒸汽 ； H 湿度， kg水汽/kg绝干空气。,在工程计算中， ca、 cw通常取为常数， ca=1.01 kJ/kg ， cw=1.88 kJ/kg ，则 cH = 1.01+ 1.88H （ kJ/kg ，SI制）,13.2.1 湿空气的性质,（5）湿空气的焓I I = Ia+ iwH,I 湿空

7、气的焓，kJ/kg绝干空气； Ia 绝干空气的焓，kJ/kg绝干空气； iw 水蒸汽的焓，kJ/kg水蒸汽； H湿度， kg水汽/kg绝干空气。,注：由于焓值只有相对量没有绝对量，故存在基准问题，由物化知识可知焓值取物质常态为基准态，即0 的空气和液体水（非蒸汽）, Ia =ca（t -0）= ca t ，iw=cw（t -0）+ r0 I = Ia+ iwH= ca t + (cwt + r0) H=(ca +cw H) t + r0 H （13-5a）,I = Ia+ iwH= ca t + (cwt + r0) H=(ca +cw H) t + r0 H （13-5a）,13.2.1 湿

8、空气的性质, ca +cw H= cH I = cH t + r0 H r0 水在0 时的汽化潜热，SI制r0 =2492 kJ/kg， 工程制r0 =595 kcal/kgf。,13.2.1 湿空气的性质,（6）湿空气比容 （湿比容）H,绝干空气比容,水汽的比容,湿比容为单位质量干空气的体积和其所带有的水汽的体积之和，记为H ； H=a+w H H 湿比容，m3/kg绝干空气； a 绝干空气比容，m3/kg绝干空气； w 水汽的比容，m3/kg水蒸汽；,13.2.1 湿空气的性质,（7）湿空气的绝热饱和温度tas,（13-7）,ras tas下水的汽化潜热，kJ/kg； Has tas下空气

9、的饱和湿度，kg/kg。,气相： I始= I末,绝热饱和 增湿塔,13.2.1 湿空气的性质,（8）干球温度t 用普通温度计所测得温度为湿空气的干球温度（一般所讲的温度均指干球温度）。 （9）湿球温度tw,平衡时的热量衡算：,13.2.1 湿空气的性质,Q1, Q2传热、需热速率，kW； A湿纱布与空气的接触面积，m2； 空气与湿纱布之间的对流传热系数，kW/(m K); t, tW 空气的干、湿球温度， ； GW水分汽化速率，kg/s； kH以湿度差(H)为推动力的传质系数，kg/(m2 s); rW水在tW下的汽化潜热，kJ/kg; HW 空气在tW下饱和湿度， kg/kg; H空气的湿度

10、， kg/kg。,13.2.1 湿空气的性质,在达到稳定即达到湿球温度时， Q1= Q2，即,式中rW 、HW是湿球温度tW的函数，求必须用试差。湿球温度tW主要取决于 空气状态：t、H； 流动条件：影响着、 kH。,对空气水系统，空气速度为3.810m/s范围内,u0.8，kHu0.8，所以/kHu0与流速无关而只与物性有关。 对空气水系统 /kH1.09 cH； 对空气有机液体系统/kH1.672.09cH 比较湿球温度与绝热饱和温度可知对空气水系统，若湿空气t，H相同，则tas tW；空气有机液体系统， tastW。,13.2.1 湿空气的性质, H， tW，空气达到饱和状态时 tW =

11、 t。,讨论： 当t一定时， ，即pw，p = ps - pw， 水分汽化速率， 传热速率，所以达到的湿球温度；,13.2.1 湿空气的性质,（10）露点td 定义：湿空气在湿度不变条件下冷却，达到饱和状态时的温度为露点温度，记为td。,但ps， ，,13.2.1 湿空气的性质,注意： 不饱和湿空气（ ）：t twtas td， 饱和湿空气（ ）： t = tw= tas = td ， tas与td大小的比较： tas与td均为同样的湿空气状态t、H达到饱和时的温度，但Has Hd， tas td。,13.2.2 空气的湿度图,湿空气的性质可以根据以上介绍的公式进行计算，但工程上也将不同状态下

12、的湿空气性质计算绘制成图即湿度图，便于工程计算。目前工程计算中用得比较广泛的是采用tH图，此外也有用IH图。,13.2.2 空气的湿度图,（1）等干球温度线（等 t 线）：所有与纵坐标轴平行的线。 （2）等湿度线（等 H 线）：所有与横坐标轴平行的线。,当H一定，t， ，吸湿能力越强。所以湿空气进入干燥器之前须先经过预热，以提高其温度，这除了提高焓以使其作为载热体外，同时也是为了降低其湿度而作为载湿体。,（3）等相对湿度线（等 线）：, =1的线称为饱和曲线。,图13-3是以总压为101.3kPa为前提制的，当相对湿度一定，t100 时，ps=p= 101.3kPa，H一定，书上图有错。,13

13、.2.2 空气的湿度图,（4）绝热冷却线,空气在绝热冷却过程中，其温度t和湿度H近似地沿着（ t，H）和（ tas，Has）两点之间的直线而变化，此线称为绝热饱和或绝热冷却线，其斜率为-cH/ras 。 注意：对空气水系统，tw= tas，绝热冷却线几乎与湿球温度线重合，某一状态（ t，H）的湿空气沿绝热冷却线与饱和空气线相交，其交点所指出的温度即该湿空气的绝热饱和温度tas也是湿球温度tw 。,13.2.2 空气的湿度图,（5）等焓线（等I线）,或,13.2.2 空气的湿度图,注意：教材中的湿度图为常压条件下绘制的，不适用于其他压力；湿度图主要有tH、 IH两种形式； 在多数教材湿度图中存在

14、的问题,当 一定，H与t呈非线性关系；当t，H（相对湿度不变）；但是t升高到100以上时，总压力仍为1atm，所以饱和蒸汽压仍为100所对应的1atm。故t100的湿度不变与100时的湿度相同，等相对湿度线在温度为100时以上时应为水平线（饱和线左上方为饱和区，右下方为未饱和区）。,13.2.3 湿空气状态的确定,根据相律： 自由度=组分数-相数+2 湿空气各种性质中只有三个独立变量，一般p不变，剩余两个独立变量。湿度图上的点就代表一种湿空气状态，湿空气状态可以由湿度图上的一个点来表示。,湿空气性质主要有：t、p、H、pw、 、tas、 tw、 td、I等，是否相互独立？不是的，哪些参数相互独

15、立，哪些是有关联的？,13.2.3 湿空气状态的确定,在等湿线上任一点H相同，但温度t不同，他们的露点温度td均相同，H与td等价，这两参数并非相互独立，不能由此两参数确定湿空气的状态； 在等焓线上任一点， H与t不同，但tas与tw均相同，即I与tas、 tw不相互独立；,所以（H，td）、（H，pw）、(I，tw)、(I ，tas) 、（ tw，tas ）均无法确定湿空气状态，但（t , H）、(t , ) 、（ t , tw）、（ t，tas）、（t，td）、（t，I）、（I，H） 等是相互独立的，可以用于确定湿空气状态。,13.2.4 湿度图的应用,（1）湿空气状态点A的确定,（2）其

16、他参数的确定,通常湿空气已知参数为 t 和tw， t 和td， t和 ，三种条件下空气的状态点确定分别如图、 、所示。,13.2.3 湿空气状态的确定,13.3 干燥器的物料衡算及热量衡算,13.3.1 对流干燥流程及操作原理,13.3.2 物料衡算,（1）物料中的含水率 以湿物料为基准的含水率（湿基含水率）w,以绝干物料为基准的含水率干基含水率X,（13-14）,（13-15）,X与w的关系,13.3.2 物料衡算,（2）干燥后的物料质量G2和水分蒸发量W 总物料衡算： G1= G2+W （13-17） 绝干物料衡算： Gc= G1（1-w1）= G2（1-w2） （13-18） 式中 Gc

17、湿物料中绝对干物料的质量，kg/h; G1 进入干燥器的湿物料质量， kg/h; G2 离开干燥器的物料质量， kg/h; w1 干燥前物料中的含水率，湿基； w2 干燥后物料中的含水率，湿基。,13.3.2 物料衡算,13.3.2 物料衡算,（3）空气用量的确定 通过干燥器的绝干空气质量是不变的，故用它作为计算的基准。 水分衡算：,（13-20）,式中 L绝干空气的质量流量，kg/h; H1、H2进、出干燥器的空气湿度，kg/ kg;,（13-20a）,13.3.2 物料衡算,令l = L/W为比空气用量，即从湿物料中汽化1kg水分所需的干空气用量，kg干空气/kg水，则,（13-21）,通

18、过预热器前后，空气的湿度不变，若以H0表示进入预热器时的空气湿度，则H1= H0,（13-21a）,13.3.2 物料衡算,13.3.3 热量衡算,13.3.3 热量衡算,对整个干燥系统进行热量衡算：输入热量=输出热量,（13-23）,13.3.3 热量衡算,令,干燥系统所需的总热量为：,13.3.3 热量衡算,注： 预热器加入热量 qp= l ( I1- I0 ) 或 Qp= L ( I1- I0 ) 干燥室内所需补充的热量,或,13.3.4 干燥过程的计算及图示,（13-23a）,即,式中,13.3.4.1 等焓干燥,则 I2=I1称为理想干燥过程或等焓干燥过程、绝热过程,即,“补充的热量

19、” = “损失的热量”,工程上符合下列条件的干燥过程可认为是等焓干燥过程： 干燥器内不补充热量，qd=0； 干燥器绝热良好， ql=0； 物料进出干燥器时的温差不大，tM1 tM2。,13.3.4.1 等焓干燥,等焓干燥过程湿空气出口状态的确定可采用以下方法： （1）解析法（已知空气出口温度t2时用此法方便） I2 = I1 (1.01+1.88H2)t2+2492H2= (1.01+1.88H1)t1+2492H1 若已知干燥器出口湿空气的温度或湿度，则可根据上式确定另一参数从而确定出口湿空气状态。,13.3.4.1 等焓干燥,（2）图解法 若干燥器出口湿空气的温度和湿度均未知，可采用图解法

20、较方便；,注意：等焓干燥过程 Qp = L（I1 - I0）= L（I2 - I0）,13.3.4.2 非等焓干燥,非等焓干燥过程，实际干燥过程,（1） 0 即 qd + cl tM1 qM + ql “补充的热量” “损失的热量”,（2） 0 即 qd + cl tM1 qM + ql “补充的热量” “损失的热量”,13.3.4.2 非等焓干燥,实际干燥过程空气出口状态的确定 （1）解析法 根据湿空气出口的温度或湿度，根据热量衡算式求另一参数确定湿空气出口状态；若已知的是相对湿度，则与等焓干燥一样需要联立以上热量衡算式和湿度计算式及饱和蒸汽压计算；,13.3.4.2 非等焓干燥,（2）近似

21、法,在干燥过程中用大量的空气干燥少量的物料，其湿度变化较小故对湿比热影响较小，忽略其变化，cH1cH2cH, （cH1已知，cH2、cH未知）；则：,13.3.4.2 非等焓干燥,（3）图解法,步骤：在t-H图上，根据已知条件定出新鲜空气状态点； 根据t1、H1、H0定出点B； 计算值； 根据,13.3.4.3 干燥器的热效率,q用于汽化1kg水分的热量,等焓干燥过程，湿空气放出的热量全部用于水分的蒸发，此时：,（2）提高热效率的途径 提高空气出口湿度或降低出口温度,13.3.4.3 干燥器的热效率,措施：t2,H2L=W/(H2-H1)，qp, q,q不变，h； 注意： t2,H2湿空气出口

22、相对湿度增大，要注意避免返潮现象的发生； 代价： t2,H2干燥器内湿空气与物料间的传热、传质推动力均下降，干燥时间延长，所需干燥器的体积要增大。, 提高空气进入干燥器的温度 措施： t1 qp，若qp一定，则L，h；,13.3.4.3 干燥器的热效率,注意： t1温度较高，对热敏性物料不适用； 代价： t2 预热器所需加热蒸汽的品位高。, 采用中间加热 措施：湿空气进出口状态不变则采用中间加热器时，干燥器内的平均温度低于没有采用中间加热器的干燥器，热损失降低，从而提高热效率h； 代价：需要中间加热器，平均温度低，干燥器体积要增大。,13.3.4.3 干燥器的热效率, 部分废气循环 措施：湿空

23、气出口温度若较高，作为废气排放也是一种热量损失，为利用废气的余热，可将其与新鲜空气混合，若与新鲜空气混合后进入预热器则为“先混合、后预热”废气循环流程；若与预热器出口的空气混合后进入干燥器，则为“先预热、后混合”废气循环流程；在循环流程中干燥器平均温度降低，热损失减少，热效率提高； 注意：当干燥器进出口湿空气状态不变时，不论循环方式如何，在等焓条件下其绝干空气消耗量和热量消耗量均与无循环情况的相同（见指南）； 代价：在干燥器中传热、传质推动力下降，所需干燥器体积增大。,13.3.4.3 干燥器的热效率,13.3.4.3 干燥器的热效率, 改善保温措施,例 用连续逆流干燥器干燥含水2%物料900

24、0kg/h，物料进出口温度分别为25、35；产品要求含水0.2%（均为湿基），绝干物料比热1.6，空气干球温度为27，湿球温度为20，预热至90，空气离开干燥器时为60，干燥器热损失为600kJ/kg，试求： （1）产品量； （2）绝干、新鲜空气量； （3）预热器耗热量； （4）干燥器所需总热量； （5）热效率； （6）返潮校核。,13.3.4.3 干燥器的热效率,13.4 干燥速度与干燥时间,13.4.1 水分在空气与物料间的平衡关系,13.4.1 水分在空气与物料间的平衡关系,（1）结合水分与非结合水分 根据水分干燥的难易程度，可以将湿物料中的水分划分为结合水分与非结合水分。 非结合水分：

25、机械附着水分和大毛细管水分，易于干燥； 结合水分：小毛细管水分等，难于干燥； 当湿空气 =100%时的物料平衡含水量为结合水分，其余为非结合水分。 结合水分与非结合水分的区分与物料性质有关，与湿空气的状态无关。,13.4.1 水分在空气与物料间的平衡关系,（2）平衡水分、自由水分 按造水分能否干燥划分为平衡水分与自由水分。 平衡时，物料中的水分称为平衡水分，其含量用X*表示，平衡水分与与湿空气性质有关，与物料结构、水分性质有关。如教材（图13-11）湿空气状态相同（相对湿度一样），物料不同则其平衡含水量不同；同一物料用不用状态的湿空气进行干燥，其平衡含水量也不相同。 平衡含水量是干燥过程的极限

26、，当湿空气相对湿度 0时， X*0 ；但实际难以实现。 湿物料中除平衡水分外能够被干燥的水分为自由水分，在干燥过程中被干燥掉的水分一定是自由水分。,13.4.1 水分在空气与物料间的平衡关系,图13-12各水分分别为：,（3）水分与物料的结合方式 附着水分：靠机械力与物料附着与普通水分一样易除去，pM= ps； 毛细管水分：直径小于1m的毛细管中所含的水分由于液面为凹面，水分蒸汽压pM ps ，难除去；直径较大的孔道中的水分则与附着水分相同； 化学结合水分：靠化学作用力结合，难除去； 溶胀水分：细胞内水分， pM ps，难除去；,13.4.1 水分在空气与物料间的平衡关系,13.4.2 恒定干

27、燥条件下的干燥速度,（1）恒定干燥条件 干燥过程的传热、传质推动力在干燥器内的变化如何？是否为常数？ 恒定干燥条件：干燥介质的温度、湿度、流速及空气与物料的接触方式恒定。这种完全恒定的条件在实际中是难以办到的，若用大量的干燥介质干燥少量的物料则可以近似符合恒定干燥条件。,13.4.2 恒定干燥条件下的干燥速度,（2）干燥曲线与干燥速度曲线 物料中的瞬间含水率为 X =（G-GC）/ GC 式中 G 物料在某瞬间的质量。,将物料的含水率X对干燥时间进行标绘可得图13-13的干燥曲线。由此图可直接读出在恒定干燥条件下将物料干燥至某一含水率所需的时间。,13.4.2 恒定干燥条件下的干燥速度,定义：

28、单位时间内，单位的物料表面积所蒸发的水分为干燥速度，即：,注意: 这里的单位与前面不一样，W：kg；：h（s）；A：m2；u：kg/(m2h)； 将图13-13中的数据换算成干燥速度与物料含水率之间的关系并进行标绘可得图13-14的干燥速度曲线。,13.4.2 恒定干燥条件下的干燥速度,由图可以看出，干燥速度曲线可以分成三个阶段： 预热段（AB段） 物料与空气接触并没有立刻有水分蒸发，首先物料被加热，在这一阶段物料温度上升，同时干燥速率也在提高部分水分蒸发；但实际过程中这一阶段时间较短，常被忽略不计或合并入后一阶段恒速干燥阶段。,13.4.2 恒定干燥条件下的干燥速度,恒速干燥阶段（BC段）

29、当物料表面是湿润的，用大量空气干燥少量物料，这与前面所讲的湿球温度条件类似。所以物料温度在这一阶段没有上升而是保持在什么温度？空气状态所对应的湿球温度。此时传热、传质的推动力恒定不变，其干燥速率也是恒定不变，故称为恒定干燥阶段。, 降速干燥阶段（加热段） 当物料中水分无法保持物料表面湿润时，表面水分蒸发速率下降，物料表面温度升高；当表面水分蒸发干以后，热量必须传如物料内部，内部水分蒸发后要扩散到物料表面才能进入空气，所以干燥速率进一步下降，直至干燥速率为零，物料的水分含量达到平衡含水量（此时所需的干燥时间要无限长）,13.4.2 恒定干燥条件下的干燥速度,13.4.2 恒定干燥条件下的干燥速度,（3）恒速干燥阶段,注：只有在恒定干燥状况下（且物料中无溶于水的物质），BC段才可能成为水平线，否则干燥速度将随干燥介质状况的改变而改变。恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态、空气流动状况及其与物料接触方式有关，而与物料的性质无关；该阶段又称为“表面蒸发汽化控制阶段”。在这一阶段除去的水分为非结合水分。,13.4.2 恒定干燥条件下的干燥速度,（4）降速干燥阶段 点C是由恒速阶段转到降速阶段的临界点，此时物料的平均含水率就称为临界含水率，用XC表示。,降速阶段又可以看成两个阶段： 降速第一阶段或不饱和表面干燥阶段，即CD段。 降速第二阶段，即（DE段）,13.4.2 恒定