化工原理第十三章 干燥.ppt

1、2020/10/14,第十三章 干 燥 Drying,13.1 概述 13.2 湿空气的性质与 湿度图 13.3 干燥器的物料衡算 与热量衡算 13.4 干燥速率与干燥时间 13.5 干燥器,2020/10/14,第十三章 干燥 Drying,13.1.1 去湿及其方法 13.1.2 干燥过程的分类 13.1.3 对流干燥的传热 传质过程,第一节 概述,2020/10/14,13.1.1 去湿及其方法,1、何为去湿？,从物料中脱除湿分的过程称为去湿。 湿分：不一定是水分！ 2、去湿方法 机械去湿法 ：挤压（拧衣服、过滤）含液体较多 物理法：浓硫酸吸收, 分子筛吸附, 膜法脱湿 化学法：利用化学

2、反应脱除湿分（CaO） 加热去湿法：干燥（向物料供热以汽化其中 的湿分的单元操作。 ）,2020/10/14,常压干燥 真空干燥,连续式 间歇式,传导干燥（间接加热干燥） 对流干燥（直接加热干燥） 辐射干燥 介电加热干燥,13.1.2 干燥过程的分类,2020/10/14,1、传导干燥 热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物料 被干燥的物料与加热介质不直接接触，属间接干燥 优点：热能利用较多 缺点：与传热壁面接触的物料易局部过热而变质，受热不均匀。 2、辐射干燥 热能以电磁波的形式由辐射器发射到湿物料表面，被物,2020/10/14,料吸收转化为热能，而将水分加热汽化。 优点：生产能力强，干燥产

3、物均匀 缺点：能耗大 3、介电加热干燥 将需干燥的物料置于交频电场内，利用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。 优点：干燥时间短，干燥产品均匀而洁净。 缺点：费用大。,2020/10/14,4、对流干燥 热能以对流给热的方式由热干燥介质（通常热空气）传给湿物料，使物料中的水分汽化。物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸汽从表面扩散至干燥介质主体，再由介质带走的干燥过程称为对流干燥。 优点：受热均匀，所得产品的含水量均匀。 缺点：热利用率低。,2020/10/14,13.1.3 对流干燥的传热传质过程,对流干燥中，传热和传质同时发生 1、传热过程,干燥介质,

4、湿物料表面,湿物料内部,2、传质过程,湿物料内部,湿物料表面,干燥介质,2020/10/14,干燥介质：载热体、载湿体 干燥过程：物料的去湿过程 介质的降温增湿过程 干燥速率：由传热速率和传质速率共同控制,2020/10/14,本章主要讨论对流干燥，干燥介质是热空气，除去的湿分是水分。,对流干燥是传热、传质同时进行的过程，但传递方向不同，是热、质反向传递过程：,传热,传质,方向,推动力,温度差,水汽分压差,2020/10/14,干燥过程进行的必要条件： 物料表面水汽压力大于干燥介质中水汽分压；两 者差别越大，干燥进行的越快。 干燥介质要将汽化的水分及时带走。以维持一 定的扩散推动力。 若干燥介

5、质为水汽所饱和，则推动力为零，这时 干燥操作即停止进行。,2020/10/14,第十三章 干燥 Drying,13.2.1 湿空气的性质 13.2.2 湿度图及其应用,第二节 湿空气的性质和湿度图,2020/10/14,13.2.1 湿空气的性质,1、湿含量H（ humidity）,单位质量干空气中所含水汽的质量 ，又称湿含量。,对于水蒸气空气系统：,单位：kg水汽kg-1干空气,2020/10/14,一定温度条件下，当湿空气中水汽分压pw等于空气饱和蒸汽压ps时，其湿度称为饱和湿度，用Hs表示。,2020/10/14,2、相对湿度 （ relative humidity）,在总压P一定的条件

6、下，湿空气中水蒸气分压pw与同温度下的饱和蒸汽压ps之比。,相对湿度代表湿空气的不饱和程度， 愈低，表明该空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。 =1，湿空气达到饱和，不能作为干燥介质。,2020/10/14,在总压一定时,2020/10/14,4、湿比热容,常压下，将湿空气1Kg绝干空气及相应水汽的温度升高（或降低）1所需要（或放出）的热量，称为湿比热容。,在湿空气中，1kg绝干空气体积和相应水汽体积之和，又称湿容积。,3、湿比容,2020/10/14,5、湿空气的焓,湿空气中1 kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。,2020/10/14,6、干球温度t和湿球温度,1）干球温度 用普通温度计测

7、得的湿空气的真实温度 2）湿球温度 湿球温度计在温度为t，湿度为H的不饱和空气流中，达到平衡或稳定时所显示的温度。,2020/10/14,2020/10/14,2020/10/14,对于空气水蒸气系统而言,在一定的总压下，已知t、tW能否确定H?,由以上分析可知,2020/10/14,7、绝热饱和温度,水分向空气中汽化,空气降温增湿,饱和,绝热,焓不变,2020/10/14,一般情况下，绝热增湿过程可看视为等焓过程，即 空气释放的显热与水分汽化带回的潜热相等：,Has、ras是tas的函数，cH是H的函数,2020/10/14,是湿空气在绝热、冷却、增湿过程中达到的极限冷却温度。,对于空气水系

8、统，,注意：绝热饱和温度于湿球温度的区别和联系！P191,2020/10/14,湿球温度 tw 与绝热饱和温度 tas 的关系：,tw ：大量空气与少量水接触，空气的 t、H 不变； tas ：大量水与一定量空气接触，空气降温、增湿。,tw ：传热与传质速率均衡的结果，属于动平衡； tas ：由热量衡算与物料衡算导出，属于静平衡。,tw 与 tas 数值上的差异取决于/kH 与cH两者 之间的差别。,2020/10/14,8、露点,将不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度 相应的湿度称为饱和湿度,一定总压下：,2020/10/14,对于水蒸汽空气系统，干球温度、绝热饱和温度和露点间的关系为：,不

9、饱和空气：,饱和空气：,2020/10/14,13.2.2 湿度图及其应用,1、H-t图,F=2-1+2=3,总压P一定，则F=2. 6条线 -等t线 等H线 等相对湿度线 等CH线 VH线 tas线,2020/10/14,2、湿度图的应用,1）由测出的参数确定湿空气的状态 a）水与空气系统，已知空气的干球温度t和湿球温度tw，确定该空气的状态点A(t,H)。 b）水与空气系统中，已知t和td，求原始状态点A(t,H)。 c）水与空气系统中，已知t和，求原始状态点A的位置 2）已知湿空气某两个可确定状态的独立变量，求该湿空气的其他参数和性质,2020/10/14,第十三章 干燥 Drying,

10、13.3.1 湿物料中含水量 13.3.2 干燥过程的物料衡算 13.3.3 热量衡算 13.3.4空气出口状态的确定 13.3.5干燥器的热效率,第三节 干燥器的物料衡算与热量衡算,2020/10/14,13.3.1 湿物料中含水量,两种表示方法：,一、湿基含水量 w kg水/kg湿物料,2020/10/14,二、干基含水量 X kg水/kg干物料,三、两者关系,2020/10/14,13.3.2 干燥过程的物料衡算,2020/10/14,L 绝干空气质量流量，kg干气/h； G1、G2 物料进出干燥器总量，kg物料/h。,一、绝干物料量Gc kg干物料/h,二、汽化水分量 W kg水/h,

11、水分汽化量湿物料中水分减少量湿空气中水分增加量,2020/10/14,三、绝干空气用量 L kg干气/h,kg干气/kg水,2020/10/14,四、湿空气用量、体积,1. 湿空气用量,kg湿气/kg水,2. 湿空气体积,kg湿气/kg水,2020/10/14,13.3.3 热量衡算,2020/10/14,QP：预热器内加入热量，kJ/h； QD：干燥器内加入热量，kJ/h。,外加总热量 QQPQD,汽化 1 kg 水所需热量：,kJ/kg水,2020/10/14,一、预热器的加热量计算 qP,若忽略热损失，则,kJ/kg水,二、干燥器的热量衡算,输入量,（1）湿物料带入热量（焓值）,2020

12、/10/14,cM：干燥后物料比热，kJ/(kg湿料)； cw：水的比热， kJ/(kg水)。,（2）空气带入的焓值,kJ/kg水,（3）干燥器补充加入的热量,kJ/kg水,2020/10/14,2. 输出量,（1）干物料带出焓值：,（2）废气带出焓值：,（3）热损失：,输入输出,2020/10/14,所需外加总热量 q：,2020/10/14,2020/10/14,13.3.4 空气出口状态的确定,一、绝热干燥过程（等焓干燥过程或理想干燥过程）, 空气在进、出干燥器的焓值不变。,过程分析：,2020/10/14,令：,则有：,：外界补充的热量及湿物料中被汽化水分 带入的热量；,：热损失及湿物

13、料进出干燥器热量之差。,2020/10/14,等焓过程：,等焓过程又可分为两种情况，其一,无热损失,湿物料不升温,干燥器不补充热量,湿物料中汽化水分带入的热量很少,2020/10/14,空气放出的显热完全用于蒸发水分所需的潜热，而水蒸汽又把这部分潜热带回到空气中，所以空气焓值不变。,以上两种干燥过程均为等焓干燥过程。,若,即：湿物料中水分带入的热量及干燥器补充的热 量正好与热损失及物料升温所需的热量相抵 消，此时，空气的焓值也保持不变。,其二,2020/10/14,二、实际干燥过程,1. 补充热量大于损失的热量,即, 在非绝热情况下进行的干燥过程。,2. 补充热量小于损失的热量,即,2020/

14、10/14,3. 空气出口状态的确定方法, 即确定H2、I2,（1）计算法,（2）图解法,2020/10/14,13.3.5 干燥器的热效率,一、热效率,定义：,其中：,2020/10/14,因此，t2 不能过低，一般规定 t2 比进入干燥器时空气的湿球温度 tw 高20 50。,2.,3. 回收废气中热量,4. 加强管道保温，减少热损失,二、影响热效率的因素,1.,2020/10/14,【例】在常压干燥器中将某物料从湿基含水量10干燥至2，湿物料处理量为300kg/h。干燥介质为温度80、相对湿度10的空气，其用量为900kg/h。试计算水分汽化量及空气离开干燥器时的湿度。,2020/10/

15、14,解：,在T-H图中查得H10.031kg/kg干气,物料干基含水量,绝干物料量,汽化水分量,又,则干燥器空气出口湿度,绝干空气质量,2020/10/14,【例】在某干燥器中干燥砂糖晶体，处理量为100kg/h，要求将湿基含水量由40减至5。干燥介质为干球温度20，湿球温度16的空气，经预热器加热至80后送至干燥器内。空气在干燥器内为等焓变化过程，空气离开干燥器时温度为30，总压为101.3kPa。试求：（1）水分汽化量；（2）干燥产品量；（3）湿空气的消耗量；（4）加热器向空气提供的热量。,2020/10/14,解：（1）水分汽化量,或,（2）干燥产品量,2020/10/14,（3）由,

16、查图，得,预热后,出口空气：等焓过程,即,得：,而,湿空气用量,2020/10/14,（4）预热器中的加热量：,2020/10/14,【例】在常压干燥器中，将某物料从湿基含水量5干燥到0.5。干燥器的生产能力为7200kg干料/h。已知物料进、出口温度分别为25、65，平均比热为1.8kJ/(kg)。干燥介质为温度20、湿度0.007 kgkg干气的空气，经预热器加热至120后送入干燥器，出干燥器的温度为80。干燥器中不补充热量，且忽略热损失，试计算绝干空气的消耗量及空气离开干燥器时的湿度。,2020/10/14,解：物料干基含水量,又,即,干燥器中不补充热量，且忽略热损失，则,即,2020/

17、10/14,而,将上式代入（2）中，,联立（1）、（3）得：,2020/10/14,第十三章 干燥 Drying,13.4.1 物料中所含水分性质 13.4.2 恒定干燥条件下的干燥速度 13.4.3 恒定干燥条件下恒速阶段干燥 时间的计算 13.4.4 恒定干燥条件下降速阶段干燥 时间的计算,第四节 干燥速度和干燥时间,2020/10/14,13.4.1 物料中所含水分性质,一、物料与水分结合方式,附着水分：湿物料的粗糙外表面附着的水分。 毛细管水分：多孔性物料的孔隙中所含的水分。 溶胀水分：是物料组成的一部分，可透入物料细胞 壁内，使物料的体积为之增大。,二、平衡水分与自由水分能否用干燥方

18、法除去,1. 平衡水分（X*）, 不能用干燥方法除去的水分。,2020/10/14,2. 自由水分（XX*）, 可用干燥方法除去的水分。,物料表面水份产生的蒸汽压力与空气中水蒸汽 分压相同时，物料中的含水量为在该空气条件（温度， 湿度）下物料的平衡含水量。,X* = f（物料种类、空气性质）,吸水性弱的,小,2020/10/14,2. 非结合水分 水与物料无结合力， pw ps。机械结合， 结合力较弱，除去容易。,结合水分与非结合水分只与物料的性质有关，而与空气的状态无关，这是与平衡水分的主要区别。,平衡水分一定是结合水分。,三、结合水分与非结合水分水份去除的难易,结合水分 水与物料有结合力，

19、pw ps。干燥过程中 传质推动力较低，除去较困难。,2020/10/14,2020/10/14,【例】在常压25下，水分在ZnO与空气间的平衡关系为： 相对湿度 100%，X*0.02 kg水/kg干料 相对湿度 40%，X*0.007 kg水/kg干料 现ZnO的含水量为0.25 kg水/kg干料，令其与25， 40%的空气接触，求物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。,2020/10/14,【例】附图为某物料在25时的平衡曲线。如果将含水量为0.35kg水kg干料的此种物料与50的湿空气接触，试确定该物料平衡水分和自由水分，结合水分和非结合水分的大小。,2020/10/14,解

20、：50， 平衡水分 则自由水分 100， 平衡水分 即结合水分 则非结合水分,2020/10/14,13.4.2 恒定干燥条件下的干燥速率,一、干燥速率定义, 单位时间、单位干燥面积汽化水分量。,kg水/(m2s),恒定干燥条件：空气的温度、湿度、流速及物 料接触方式不变。,2020/10/14,二、干燥曲线及干燥速率曲线,用于描述物料含水 量 X、干燥时间 及 物料表面温度t之间 的关系曲线。,1. 干燥曲线,2020/10/14,2. 干燥速率曲线,ABC段：恒速干燥阶段 AB段：预热段 BC段：恒速段 CDE段：降速干燥阶段,C点：临界点 XC：临界含水量 E点：平衡点 X*：平衡水分,

21、2020/10/14,三、恒速干燥阶段,前提条件：湿物料表面全部润湿。,汽化速率（传质速率）：,kg水/s,传热速率：, 恒速干燥速率,2020/10/14,恒速干燥特点：,1. UUCconst. 2. 物料表面温度为 tw 3. 去除的水分为非结合水分 4. 影响 U 的因素： 恒速干燥阶段表面汽化控制阶段 只与空气的状态有关，而与物料种类无关。,2020/10/14,四、降速干燥阶段内部扩散控制阶段,实际汽化表面减小 汽化面内移,降速干燥阶段特点：,1.,2. 物料表面温度,3. 除去的水分为非结合、结合水分,4. 影响 U 的因素： 与物料种类、尺寸、形状有关， 与空气状态关系不大。,

22、2020/10/14,五、临界含水量 XC,1. 吸水性强的物料的XC 大于吸水性弱的物料的 XC 2. 物料层越厚、粒度越细， XC 越大 3. 恒速干燥 UC 越大， XC 越高。 XC越大，干燥将会越早进入降速干燥阶段，故除去相同的水分量是，所需的干燥时间越长。故干燥是尽量减小物料层的厚度。,2020/10/14,13.4.3 恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间,由干燥速率定义式：,对于恒速干燥：,UUCconst.,恒速干燥所需时间,2020/10/14,UC的来源： (1) 由干燥速率曲线查得,求取 w/(m2k) 经验关联式： （1）气体流动方向与物料平行,G0.7 8.3,质量流速k

23、g/(m2 s),（2）气体流动方向与物料垂直,G1.1 5.6 kg/(m2hr),2020/10/14,13.4.4 恒定干燥条件下降速阶段干燥时间,求U 的方法： （1）图解积分法 （2）近似计算法,总干燥时间：,2020/10/14,(1) 图解积分法,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 1 /U； 作图1/U X，计算曲线下面阴影部分的面积。,2020/10/14,(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, 湿空气性质（计算及查图）,twtas,(等 I 增湿降温到=100%时 的温度),小结, 物料性质及平衡关系,物料内水分=平衡水分+自由水分 =结合水分+非结合水分,自由水分=非结合水分+部分结合水分, 物料衡算, 热量衡算（以1kg水为基准）,干燥器热效率 =qw/q,对无补充加热 (qd=0)，及绝热干燥过程(理想干燥器)： 空气显热=汽化水分潜热, 干燥时间（恒定条件）,复习题,1. 恒定干燥条件下，恒速干燥阶段属于_控制阶段；降速干燥阶段属于_控制阶段。 2. 恒定的干燥条件是指空气_、