化工原理 干燥.ppt

1、化工原理课件/绪论,第九章 干 燥,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。 除湿方法：机械除湿如离心分离、沉降、过滤。 干 燥利用热能使湿物料中的湿份汽化,除湿程度高，但能耗大。 吸附脱水-即用固体吸附剂，如CaCl2、硅胶等吸去物料中所含的水分。这种方法只能除去少量湿分。,干燥分类：,本章重点：以不饱和热空气为干燥介质，除去湿物料中水分的连续对流干燥过程。,9.1 概述,对流干燥过程,干燥过程推动力,传质推动力：物料表面水分压P表水 热空气中的水分压P空水 传热推动力：热空气的温度t空气 物料表面的温度t

2、物表,干燥是热、质同时传递的过程,干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质,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。,湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。在干燥过程中，随着湿物料中水份的汽化，湿空气中水份含量不断增加，但绝干空气的质量保持不变。因此，湿空气性质一般都以1kg绝干空气为基准。 操作压强不

3、太高时，空气可视为理想气体。,系统总压P：湿空气的总压（kN/m2），即P干空气 与P水之和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。且,9.2 湿空气的热力学性质,对于空气-水蒸气系统： Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96 kg/kmol,湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。,总压一定时，湿空气的湿度只与水蒸汽的分压有关。,kg水蒸汽/kg绝干空气,当p=ps时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。,9.2.1 湿份的表示方法,1 绝对湿度(湿度) H,思考1：H属于前面介绍的哪一类浓度？,质量比,思考2：取1kg干空气作为湿度定义基准又何好处？,干燥过程中干空气的质量不变,湿度只表示

4、湿空气中所含水份的绝对数，不能反映空气偏离饱和状态的程度（即气体的吸湿能力）。, = 0 ，p=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。 = 1 ，p=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿。 对于空气-水系统：,相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压 p 与系统温度下水的饱和蒸汽压 ps 之比的百分数。,2 相对湿度,当热、质传递达平衡时，气体对液体的供热速率恰等于液体汽化的需热速率时：,(1)干球温度 t ：湿空气的真实温度，简称温度( 或 K)。将温度计直接插在湿空气中即可测量。,(2) 空气的湿球温度（Wet-bulb temperature） a.定义,q,N,对流传热

5、,h,kH,气体 t, H,气膜,对流传质,液滴表面 tw , Hw,液滴, 湿球温度 tw 定义式,3 干燥过程中的温度,湿球温度计测定湿球温度的条件是保证纯对流传热，即气体应有较大的流速和不太高的温度，否则，热传导或热辐射的影响不能忽略，测得的湿球温度会有较大的误差。,通过测定气体的干球温度和湿球温度，可以计算气体的湿度：,气体,t,tw,b. 湿球温度的测定,物料充分湿润，湿分在物料表面的汽化和在液面上汽化相同。 物料经过预热，很快达到稳定的温度，由于对流传热强烈，物料温度接近气体的湿球温度 tw。,对于空气-水系统， tw100。当气体的湿度一定时，气体的温度越高，干、湿球温度的差值越

6、大。 结论：当物料充分湿润时，可以使用高温气体做干燥介质而不至于烧毁物料。例如，可以使用500的气体烘干淀粉。,对初始温度为 20、相对湿度为 80% 的常压空气,(3)绝热饱和冷却温度tas,绝热饱和冷却温度：不饱和的湿空气等焓降温到饱和状态时的温度。,高温不饱和空气与水在绝热条件下进行传热、传质并达到平衡状态的过程。达到平衡时，空气与水温度相等，空气被水的蒸汽所饱和。,由于 ras 和 Has 是 tas 的函数，故绝热饱和温度 tas 是气体温度 t 和湿度 H 的函数。已知 t 和 H，可以试差求解 tas。,对于空气-水系统：,绝热饱和过程 (Adiabatic saturation

7、 process)：,(4)露点td,温度为t的不饱和空气在等湿下冷却至温度等于td的饱和状态，此时H = Hs,td。,露点：不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度，以td表示；相应的湿度为饱和湿度，以Hs,td表示。 处于露点温度的湿空气的相对湿度 = 1，空气湿度达到饱和湿度， 湿空气中水汽分压等于露点温度下水的饱和蒸气压，则,水蒸气-空气系统： 不饱和空气t tas （或 tw） td；饱和空气 t = tas = td,4.比容H (Humid volume) 或湿比容 (m3/kg绝干气体),比容：1kg 绝干空气和相应水汽体积之和。,5.比热cH (Humid heat)或比热容K

8、J/(kg ),比热：1kg 绝干空气及相应水汽温度升高1所需要的热量。,式中：cg 绝干空气的比热，KJ/(kg)； cv 水汽的比热，KJ/(kg) 。,对于空气-水系统： cg=1.01 kJ/(kg)，cv=1.88 kJ/(kg),6.焓I (Total enthalpy),焓：1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。,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，一般以0为基准，且规定在0时绝干空气和水汽的焓值均为零，则,对于空气-水系统：,显热项,汽化潜热项,气体湿度图（Humidity chart）,湿空气参数的计算比较繁琐，甚至需要试差。为了方便和直观，通常使用湿度图。

9、,等湿线,等焓线,等温线,p-H线,常用的湿度图： 3个独立变量取为P、t、H-温湿图（t-H图） P、I、H-焓湿图（I-H图）,湿比热容线,（P=1atm时）,等线,饱和比容线,干空气比容线,绝热饱和线,等焓线,等湿球温度线,湿度图,湿比热容线cH,kJ/kgK,湿比热容线,（P=1atm时）,等线,饱和比容线,干空气比容线,绝热饱和线,等焓线,等湿球温度线,湿度图的应用,1、查湿空气性质,例如：已知t、H,湿比热容线cH,kJ/kgK,值需用线性内插求,2表示湿空气的状态变化过程,（1）加热过程,（2）冷却过程,（3）干燥过程,增湿、降温 焓增大,等焓,焓减小,三、湿度图的应用,2表示湿

10、空气的状态变化过程,（1）加热过程,（2）冷却过程,（3）干燥过程,（4）两股湿空气混合,-杠杆原则,9.3 物料含水量,(1) 湿基含水量w,(2) 干基含水量X,kg水/kg绝干物料,kg水/kg湿料,(3) 二者关系,干燥过程,干燥室,预热室,思考：空气预热有两个好处： （1）相对湿度下降，吸水能力增强； （2）空气温度高，物料温度就高，水汽化速率就快。,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

11、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,绝干空气消耗量,绝干空气比消耗,水分蒸发量：,9.4 干燥过程的物料衡算和热量衡算,9.4.1 物料衡算,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

12、器,9.4.2 热量衡算,总热量衡算：,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,1 预热器的热量衡算,热气体在干燥器中冷却而放出的热量 ：,物理意义：气体在干燥器中放出的热量和补充加热的热量用于汽化湿分、加热产品和补偿设备的散热损失。,2 干燥器的热量衡算,3 理想干燥过程（

13、又称等焓或绝热干燥过程）,Qd=0、Ql =0、物料带进、带出的热量均可忽略不计，,汇总：,物料衡算,热量衡算,实际干燥过程举例,【例】常压下拟用温度为20、相对湿度为57.5的空气干燥某种湿物料。空气在预热器中被加热到90后送入干燥室，离开时的温度为45、湿度为0.022kg水/kg干气。现要求每小时将1200kg的湿物料由含水率3%（湿基）干燥至0.2%（湿基），已知物料进、出口温度分别为20和60，在此温度范围内，绝干物料的比热为3.5kJ/(kg)，水的平均比热为4.19 kJ/(kg)。干燥设备热损失可按预热器中加热量的5%计算。试求： (1)新鲜空气用量，kg/h； (2)预热器的

14、加热量QP，kW； (3)干燥室内补充的热量Qd，kW； (4)画出湿空气状态变化。,（1）新鲜空气用量，kg/h,查图或计算得H00.008kg干/kg,实际干燥过程举例,【解】,实际干燥过程举例,（2）预热器的加热量QP，kW,H00.008kg干/kg,实际干燥过程举例,H00.008kg干/kg,（3）干燥室内补充的热量Qd，kW,其中：,实际干燥过程举例,H00.008kg干/kg,实际干燥过程举例,H00.008kg干/kg,代入式,中得：,实际干燥过程举例,H00.008kg干/kg,实际干燥过程举例,H00.008kg干/kg,（4）画出湿空气状态变化,湿份的传递方向 (干燥或

15、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,Xs,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。 平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。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,9.5.1 湿份在气体和固体间的平衡关系,9.5干燥相平衡关系,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。,湿含量 X,Xs,相对湿度 ,非结合水分,结合水分,0,1.0,0.

16、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。,一定干燥条件下，水分除去的难易，分为结合水与非结合水。非结合水分：与物料机械形式的结合，附着在物料表面的水。,9.6.2 物料中的水分,1.结合水分与非结合水分,一定干燥条件下，按能否除去，分为平衡水分与自由水分。 平衡水分：低于平衡含水量 X* 的水分，是不可除水分。 自由水分：高于平衡含水量 X* 的水分，是可除水分。,吸湿过程：若

17、XXs ，则物料将吸收饱和气体中的水分使湿含量增加至湿含量 Xs，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 Xs。欲使物料增湿超过 Xs，必须使物料与液态水直接接触。,干燥过程：当湿物料与不饱和空气接触时，X 向 X* 接近，干燥过程的极限为 X*。物料的 X* 与湿空气的状态有关，空气的温度和湿度不同，物料的 X* 不同。欲使物料减湿至绝干，必须与绝干气体接触。,2.平衡水分和自由水分,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

18、，即在一定的气固接触方式下，固定空气的温度、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，以使空气的温度、湿度和流速在干燥器中恒定不变。实验为间歇操作，物料的温度和含水量随时间连续变化。,9.6 对流干燥的基本规律,9.6.1 干燥曲线和干燥速率曲线,恒速干燥段: 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: 初始含水量 X1 和温度 t1 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：物料含水量 X 与干燥时间 的关系曲线。,A,湿含量X,Xc,tw,D,C,B,A,D,C,B,t

19、,X*,物料表面温度t,干燥时间 ,预热段,恒速段,降速段,降速干燥段: 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。,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；,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 X1Xc 和 X2Xc 时，干燥有两个阶段； 当 X1Xc 或 X2Xc 时，干燥都只有一个阶段，即恒速干燥段。,由于物

20、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 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。,A,B,C,D,干燥速率 U,A,B,C,D,物料温度,tw,Xc,X*,湿含量 X,I,II,C,物料的停留时间应大于等于给定条件下将物料干燥至指定的含水量所需的干燥时间，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,恒速干燥段的干燥时间,若传热干燥面积 S 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 的求取。,9.7.1

21、 恒定干燥条件下干燥时间的计算,9.7 干燥过程的计算,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,当缺乏平衡水分的实验数据时，可以假设 X* = 0，则有,干燥时间为： = 1 + 2,9.8 常用工业干燥器,厢式干燥器（Disc Type Drier）,小型的称为烘箱，大型的称为烘房，是典型的常压、间歇式、对流干燥设备。,任何形状的物料,适用场合：,优点：,缺点：,对物料的适应性强。,物料得不到分散，干燥速率低，热利用率较差、且产品质量不均匀。产量不大。,一、常用工业干燥器,耙式真空干燥器：,适用场合：,优点：,缺点：,热敏性物料、易产生粉末的物料、易爆物料

22、、排出蒸汽需回收的物料,干燥温度不致过高,属减压、间歇、导热式,整套设备均需密封，不易。,一、常用工业干燥器,洞道式干燥器,（Series Flow Through Rotation Drier）,逆流式,错流式,连续的或半连续操作,一、常用工业干燥器,洞道式干燥器,（Series Flow Through Rotation Drier）,适用场合：,优点：,缺点：,处理量大、干燥时间长的物料,同厢式干燥器,中间加热式,一、常用工业干燥器,转筒干燥机（rotaty cylinder dryer）,适用场合：,优点：,缺点：,粒状、块状物料、膏糊状物料、甚至液体物料。,连续操作、对流或导热式,处

23、理量大；操作稳定可靠；与气流干燥器、流化床干燥器相比适应性强。,设备笨重、占地面积大。,一、常用工业干燥器,连续、对流式,气流干燥器（pneumatic conveying dryer）,干燥管-长度一般1020m,脉冲式干燥管-颗粒变速运动，强化了传热,一、常用工业干燥器,气流干燥器,晶体和小颗粒物料，尤其是热敏性、易氧化、不宜粉碎的物料,适用场合：,常用的气速约为1020/s以上，故物料停留时间0.5秒几秒。,1m,最有效的干燥段：干燥速率较快 传热温度差较大 空气湿度较小 颗粒处在加速阶段 与气流的相对速度较大,一、常用工业干燥器,气流干燥器,优点：,缺点：,干燥时间短 热效率高，可高达60 易实现自动化、连续生产,系统的流动阻力大 物料磨损大 要求的厂房高 对除尘系统要求高,一、常用工业干燥器,沸腾床干燥器（ boiling dryer ）,又称流化床干燥器（ fluid-bed dryer）,适用场合：主要用于干燥晶体和小颗粒物料， 尤其适合含结合水分较多的物料,优点：干燥热效率高。,单层流化床,多室流化床,一、常用工业干燥器,流化床干燥器与气流干燥器对比： 颗粒的停留时间长，干燥得到的产品含水率较低，尤其适合含结合水分较多的物料； 操作气速低，阻力小； 物料和设备的摩损较轻； 除尘器的负荷较轻； 设备紧凑、高度低。,一、常用工业干燥器,喷雾干燥器（ spray dry