化工原理-8章固体物料的干燥

化工原理principlesofchemicalengineering第八章干燥延安大学化学与化工学院第八章干燥第一节概述第二节湿空气的性质及湿度图第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算第四节干燥速率和干燥时间第五节干燥设备第一节概述去湿:将固体物料中所含的湿分（水或有机溶剂）去除至规定指标的操作。去湿方法：机械去湿法——能耗少、费用低，但湿分去除不彻底；物理去湿法——受吸湿剂的平衡浓度的限制，且只适用于脱除微量湿分。干燥方法——工业上利用热能去湿的方法。8.1.1固体去湿方法干燥过程：利用热能除去固体物料中的湿分（水或其他溶剂）的单元操作。真空干燥操作压力常压干燥间歇干燥连续干燥操作方式8.1.2干燥过程的分类机理:质量传递：湿份的转移，由固相到气相，以蒸汽分压为推动力。热量传递：由气相到固相，以温度差为推动力。物料湿分热空气tQNpiδθip热空气与物料间传热和传质传导干燥对流干燥辐射干燥介电加热干燥加热方式8.1.3对流干燥过程的传热与传质利用热空气和湿物料作相对运动，气体的热量传递给湿物料，使湿物料的湿分汽化并传递到气体中，并被带走。说明：对流干燥是动量、热量、质量传递同时进行的传递过程。典型的对流干燥流程：风机预热器干燥器空气蒸气湿物料干燥产品对流干燥流程示意图第二节湿空气性质及湿度图湿空气：含有湿分的空气，是常用的干燥介质，且一般情况下可视为理想气体。8.2.1湿空气的性质干燥过程中，干空气的质量不变，故干燥计算以单位质量干空气为基准（干基）。（1）湿度H（湿含量或绝对湿度）湿空气中水蒸气质量和干空气质量之比。aVaVaaVVnnnnnMnMH0.6222918kg水/kg干空气视为理想气体，则：VVpPpH622.0饱和湿度Hs:湿空气中水蒸气分压等于该温度下水的饱和蒸汽压。SSSPPPH622.0（2）相对湿度)(%100)(%100PPPpPPPpsvssv相对湿度表明湿空气的不饱和度，反映湿空气吸收水汽的能力。SSPPPH622.0H=f(,t)在p=101.3kN/m2时273273)244.1773.0(273273184.22273273294.22tHHttHH（4）湿比热容cH（kJ/kg干空气C）HHcccVaH88.101.1ca：干空气比热容，约1.01kJ/kg干空气·C；cv：水蒸汽比热容，约1.88kJ/kg干空气·C。（3）湿比体积H(m3/kg干空气)基准:0C干空气、0C时液态水的焓为零。HtHHcrtcIVa2490)88.101.1()(0r0：0C时水蒸气汽化热，2490kJ/kg（6）绝热饱和温度tas①绝热饱和过程:系统与外界绝热，不饱和气体与液体长时间接触，传热传质达平衡态时，则：asttasHH（5）湿比焓I(kJ/kg干空气)asasasHr)HH()tt(c)HH(crttasHasas稳态下，以单位质量的干空气为基准，对全塔作热量衡算得：②绝热饱和温度是状态函数),(Htftas③绝热饱和过程可当作等焓处理即空气的入口焓近似等于空气的出口焓。补充水t、Htas、Has空气空气绝热饱和塔示意图（7）干、湿球温度①干球温度与湿球温度干球温度：普通温度计测出的空气温度；湿球温度：湿球温度计。气流吹过——湿份气化——表面降温——热量传递)(AHHkwwH)(稳态时，空气传入的显热等于水的汽化潜热。)tt(AW)HH(ArkwwH)(HHhrkttWWHW注意：湿球温度不是状态函数。补充液，温度tw空气湿度H温度t湿球温度计的原理②应用Hkh近似为常数（=0.96~1.005），数值上等于相同条件下的绝热饱和温度，故可以用其确应空气状态。说明：测量湿球温度时，空气速度一般需大于5m/s，使测量较为精确。（8）露点td保持空气的H不变，降低温度，使其达到饱和状态时的温度。ddpPPH622.0pd：为露点td时饱和蒸汽压，既该空气在初始状态下的水蒸气分压pv。HHPpd622.08.2.2湿空气的湿度图根据相律，当压力一定时，双组分、单相的湿空气自由度为2。湿度图：t-H图和I-H图①等温度线（坐标轴X）；②等湿度线（坐标轴Y）；③等相对湿度线；SSPPPH622.0（1）湿空气的湿度图（t-H图，一定总压下）固定φ，则可确定t，H的关系④绝热饱和线（等湿球温度线）；asHasasrcttHH⑤湿比热线；HHcccVaH88.101.1⑥比容线；干比容线⑦汽化潜热-温度线。273273773.0ta饱和湿比容线273273)244.1773.0(tHSHS2280225024602370234023102430240024900203040506010708090100温度/℃1101200.010.030.020.080.060.050.040.100.120.140.16H湿空气的湿度-温度图湿度/kg.(kg干空气)-1汽化潜热/kJ.(kgH2O)-1湿比体积/m3.(kg干空气)-11.350.950.851.350.751.051.251.151.001.051.101.151.201.251.301.35湿比热容/kJ.(kgH2O.℃)-1（2）湿度图的应用①求湿空气的性质参数υHBCADH=0.016kg/kg干空气tυHtdcHcHt②湿空气状态变化过程的图示φ=1ABt1t2tH加热φ=1ABt1t2tH冷却td不同温度、湿度的气流的混合过程φ=1ABt1t2tHt3H1H2H3绝热饱和、非绝热增湿过程φ=1tHB’B’’BSAttasHHas8.3.1干燥过程的物料衡算典型的干燥流程：第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算目的：确定出湿物料干燥到指定的含水量所需除去的水分量及所需的空气量。qmL,t0,H0,I0t1,H1,I1t2,H2,I2qm1,θ1,X1qm2,θ2,X2ΦLΦDΦP干燥器物料与热量衡算（1）湿物料的水分蒸发量21mmmWqqq221121)(wqwqXXqqmmCmmW或)1()1(2211wqwqqmmCm1212221111又所以（2）空气用量2211HqXqHqXqmLCmmLCm进入和排出干燥器的湿分相等，故有：)()(1221HHqXXqqmLCmmW干空气用量：12HHqqmWmLkg/skg/s单位空气消耗量（比空气消耗量）：121HHqqlmWmL，kg干空气/kg水换算为湿空气的质量为：)1(HqqmLmL换算为湿气体的体积量为：，kg湿空气/s，m3湿空气/sHmLVvqq8.3.2干燥过程的热量衡算目的：确定干燥器的出口空气状态参数或所需的加热量。基准：连续式干燥器的热量衡算以单位时间为基准，间歇式干燥器则以一次干燥周期为基准。qmL,t0,H0,I0t1,H1,I1t2,H2,I2qm1,θ1,X1qm2,θ2,X2ΦLΦDΦP干燥器物料与热量衡算①全系统的热量衡算进一步简化整理得：LmCmLDPmCmLIqIqIqIq2210LmCmLDPIIqIIq)()(1202LmWmmCmLDPtqcqttq)88.12490()()(01.1212202或②预热器的耗热量))(88.101.1()(101omLomLPttHqIIq该过程为恒湿增温过程。忽略热损失，有：输入热量输出热量1.湿物料带入的热量干产品带入：qm2cmθ1蒸发水分带入：qmWcwθ11．干产品带出:qm2cmθ22.空气带入：qmLI1=qmL[(1.01+1.88H1)t1+r0H1]2．空气带出:qmLI2=qmL[(1.01+1.88H2)t2+r0H2]3．干燥器内补充加热：ΦD3．干燥器内热损失：ΦLwSmcwcwc22)1(表中③干燥器热量衡算以干燥器为衡算系统，热量收支情况如下表所示：LmLmmDmLwnWmmIqcqIqcqcq2221112)(1221mmcq(产品升温热量)1121)(wmWDLmLcqIIq由此可列出干燥器的热量衡算式：令111221wmWDmWLmWcqqqHHII12HHqqmWmL将带入，整理得：或111221wDLcqqqHHIIkW/kg8.3.3空气通过干燥器时的状态变化▲无热损失；▲不加入补充热量；▲物料足够湿润。121)(wmWmLcqIIq21II①理想干燥过程理想干燥过程为等焓过程，近似绝热饱和过程。干燥器出口空气状态亦可利用图解法在湿度图中直接求得：HcrHHtt02121对于理想干燥过程，有：BAHφ=0.08tt0t2t1H0=H1CH2②非理想干燥过程▲非理想干燥过程为非等焓干燥过程；▲空气状态不是沿绝热饱和线变化；▲实际的干燥过程大多为非理想干燥过程。出口状态参数需由下式计算求得：HwDLcrcqqqHHtt0111221湿基含水量w：湿物料总质量湿物料中的水分的质量wkg/kg湿物料干基含水量X:湿物料绝干物料的质量湿物料中的水分的质量Xkg/kg干物料wwX1XXw1换算关系8.4.1物料中所含水分的性质第四节干燥速率和干燥时间一、湿物料含水量的表示方法（1）干燥平衡曲线温度一定，对于一定的湿物料长时间接触湿空气，达到平衡状态。平衡蒸气压：平衡状态下湿物料表面的蒸气压。平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。二、水分在气、固之间的平衡及干燥平衡曲线①p-X*(或p*-X)线平衡含水量=f(物料的性质，空气的状态)可见：▲pV=0X=0▲当时，pV↑X↑sXX▲当时，sXXsvppSSDTEBCOAppSp*AXSp1pCp*CX*XAXB平衡含水量曲线（t＝常数）②-X线-X图受温度的影响相对较小754210389112611060402080100481216202428φ/%X*/kg（水）/100kg（绝对干燥物料）某些物料的平衡含水量（常温下）1－新闻纸2－羊毛3－消化纤维4－丝5－皮革6－陶土7－烟叶8－肥皂9－牛皮胶10－木材11－玻璃丝12－棉花三、物料中所含水分的性质①自由水分和平衡水分平衡水分：用一定状态的湿空气，干燥某湿物料，物料能够达到的极限含水量称为为对应于该空气状态的平衡水分。即：XX*不能被空气干燥的水分。注意：对于同一物料，不同的空气状态对应于不同的平衡水分。自由水分：物料含水量超出平衡水分的部分称为自由水分。即：XX*可能被空气干燥的水分。②结合水分和非结合水分结合水分：固、液之间结合力较强的水分，存在于物料细胞壁内或毛细管内。注：结合水产生的蒸汽压小于同温度下纯水的蒸汽压。非结合水分：固液之间结合力较弱的水分，如物料表面的附着水分，或物料表面大孔内的水分。注：非结合水产生的蒸汽压等于同温度下纯水的蒸汽压。（2）非结合水分是在干燥中容易除去的水分，而结合水分较难除去。是结合水还是非结合水仅决定于固体物料本身的性质，与空气状态无关。注意：（1）自由水分是在干燥中可以除去的水分，而平衡水分是不能除去的，自由水分和平衡水分的划分除与物料有关外，还决定于空气的状态。8.4.2固体物料的干燥机理（1）湿物料分类①多孔性物料，如催化剂颗粒，砂子等。主要特征：▲水分存在于物料内部大小不同的细孔和通道中；▲湿分移动主要靠毛细管作用力；▲这类物料的临界含水量较低，降速段一般分为两个阶段。②非多孔性物料，如肥皂、浆糊、骨胶等。主要特征：▲结合水与固相形成了单相溶液；▲湿分靠物料内部存在的湿分差以扩散的方式进行迁移；▲这类物料的干燥曲线的特点是恒速阶段短，临界含水量；较高，降速段为一平滑曲线。8.4.2固体物料的