化工原理12

《化工原理》任课教师：杨雪峰Prof.Dr.YangXuefengPrinciplesofChemicalEngineering第十二章干燥Chapter12Drying概述（Introduction）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。例如：制盐工业中，在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶粒；塑料工业中，氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒。除湿方法：机械脱水(沉降或过滤)；干燥(加热使湿份汽化)惯用做法：先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿份除去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉，以降低除湿的成本。干燥方法的分类：根据加热方法可分为传导干燥、对流干燥和辐射干燥。对流干燥过程举例对流干燥器：空气通过送风机吹入空气预热器，预热后的热空气送入气流干燥管，湿料由螺旋加料器推入干燥器并分散于热气流中，受气流的输送并进行干燥，干燥产品通过旋风分离器从气流中分离出来，湿废气体由引风机抽出排空。1-鼓风机；2-预热器；3-气流干燥管；4-加料斗；5-螺旋加料器；6-旋风分离器；7-卸料阀；8-引风机。17654328干品化工生产中最常用的是对流干燥。干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。对流干燥过程原理温度为t、湿份分压为p的湿热气体流过湿物料的表面，物料表面温度ti低于气体温度t。注意：只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压，干燥即可进行，与气体的温度无关。气体预热并不是干燥的充要条件，其目的在于加快湿份汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力。HtqWtippiM干燥是热、质同时传递的过程干燥过程的基本问题(1)干燥介质用量的确定；(2)干燥条件的优化；(3)干燥速率的强化；(4)干燥方法的合理选择。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。湿气体的性质湿气体：绝干气体与湿份蒸汽的混合物，其性质与湿份蒸汽的数量有关。在干燥过程中，随着物料中湿份的汽化，气体中湿份蒸汽的含量在不断增加，但绝干气体的量保持不变。干球温度t：湿气体的真实温度，简称温度（℃或K）。将温度计直接插在湿气体中即可测量。系统总压P：即湿气体的总压（kN/m2）。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。干燥操作通常在常压下进行，常压干燥的系统总压接近大气压力，热敏性物料的干燥一般在减压下操作。湿气体的干球温度和总压湿份的表示方法湿气体中湿份蒸汽的压力，用p表示（kN/m2）；当气体为湿份蒸汽所饱和时，湿份分压达到最大值，即系统温度下湿份的饱和蒸汽压。对于空气-水系统：Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96kg/kmolpPpMMMnMnHgwggwwpPpH622.0湿份分压（Moisturepartialpressure）湿气体中湿份蒸汽的质量与绝干气体的质量之比。若湿份蒸汽和绝干气体的摩尔数(nw,ng)和摩尔质量(Mw,Mg)绝对湿度(湿度)H（Humidity）总压一定时，气体的湿度只与湿份蒸汽的分压有关。kg湿份蒸汽/kg绝干气体相对湿度（Relativehumidity）湿度只表示湿气体中所含湿份的绝对数，不能反映气体偏离饱和状态的程度（气体的吸湿潜力）。相对湿度：一定的系统总压和温度下，气体中湿份蒸汽的分压p与系统温度下湿份的饱和蒸汽压ps之比。值越低，气体偏离饱和的程度越远，吸湿潜力越大；=100%时，p=ps，气体被湿份蒸汽所饱和，不能再吸湿。对于空气-水系统：%100sppsspPpH622.0相对湿度（Relativehumidity）若t总压下湿份的沸点，0100%；若t总压下湿份的沸点，湿份psP，最大(气体全为湿份蒸汽)100%。故工业上常用过热蒸汽做干燥介质；若t湿份的临界温度，气体中的湿份已是真实气体，此时0，理论上吸湿能力不受限制。=f(H,t)。ps随温度的升高而增加，H不变提高t，，气体的吸湿能力增加，故气体用作干燥介质应预热。H不变而降低t，，气体趋近饱和状态。当气体达到饱和状态(露点)而继续冷却时，气体中的湿份将呈液态析出。84.23311.39915916.18exp152tps湿份为水时，可按下式由系统温度t计算饱和蒸汽压湿比容H(Humidvolume)或干基湿比容(m3/kg绝干气体)1kg绝干气体及所含湿份蒸汽所具有的体积常压下(P=1013.25kN/m2)：PtHPTHvH273)462.0287.0(325.1012732734.2218291)273)(004557.0002835.0(tHvH湿比热cH(Humidheat)或干基湿比热J/(kg绝干气体·℃)1kg绝干气体及所含湿份蒸汽温度升高1℃所需要的热量HcccvgH1HcH884.1005.1式中：cg—绝干气体的比热，J/(kg绝干气体·℃)；cv—湿份蒸汽的比热，J/(kg湿份蒸汽·℃)。对于空气-水系统：cg=1.005kJ/(kg·℃)，cv=1.884kJ/(kg·℃)湿焓iH(Totalenthalpy)或干基湿焓(kJ/kg绝干气体)1kg绝干气体及所含湿份蒸汽所具有焓的总和由于焓是相对值，计算焓值时必须规定基准状态和基准温度，若取0℃下的绝干气体和液态湿份的焓为零，则对于空气-水系统：vgHHiiiHrtcHrtHcciHvgH00)(HtHiH27.2491)884.1005.1(显热项汽化潜热项干燥过程的基本规律湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。湿基湿含量w：单位质量的湿物料中所含液态湿分的质量。干基湿含量X：单位质量的绝干物料中所含液态湿分的质量。换算关系：物料湿分的表示方法TcTWGWw湿物料的质量量物料所含液态湿份的质cTGWX绝干物料的质量量物料所含液态湿份的质XXw1wwX1工业生产中，物料湿含量通常以湿基湿含量表示，但由于物料的总质量在干燥过程中不断减少，而绝干物料的质量不变，故在干燥计算中以干基湿含量表示较为方便。湿份在气体和固体间的平衡关系湿份的传递方向(干燥或吸湿)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。pXpsXh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。平衡湿含量：平衡状态下物料的湿含量。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。结合水分与非结合水分非结合水分：与物料没有任何形式的结合，具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力。湿含量XXh相对湿度非结合水分结合水分01.00.5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。平衡水分和自由水分平衡水分：低于平衡湿含量X*的水分。是不可除水分。自由水分：高于平衡湿含量X*的水分。是可除水分。吸湿过程：若XXh，则物料将吸收饱和气体中的水分使湿含量增加至湿含量Xh，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Xh。欲使物料增湿超过Xh，必须使物料与液态水直接接触。干燥过程：当湿物料与不饱和气体接触时，X向X*接近，干燥过程的极限为X*。物料的X*与湿气体的状态有关，气体的温度和湿度不同，物料的X*不同。欲使物料减湿至绝干，必须与绝干气体接触。湿含量XXh相对湿度非结合水分结合水分自由水分平衡水分X*01.00.5物料的吸湿性物料湿含量的平衡曲线有两种极端情况。强吸湿性物料：与水分的结合力很强，平衡线只是渐近地与=100%接近，平衡湿含量很大。如某些生物材料。非吸湿性物料：与水结合力很弱，平衡线与纵坐标基本重合，X*=Xh0，如某些不溶于水的无机盐(碳酸盐、硅酸盐)等。00.20.40.60.81.00.10.20.3烟叶木材氯化锌优质纸湿含量X相对湿度一般物料的吸湿性都介于二者之间。对流干燥的基本规律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，即在一定的气－固接触方式下，固定气体的温度、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，以使气体的温度、湿度和流速在干燥器中恒定不变。实验为间歇操作，物料的温度和湿含量随时间连续变化。干燥曲线和干燥速率曲线Dryingcurveanddrying-ratecurve恒速干燥段(Constant-rateperiod)：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(Pre-heatperiod)：初始湿含量X1和温度1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：物料湿含量X与干燥时间的关系曲线。干燥曲线和干燥速率曲线A湿含量XXctwDCBADCBtX*物料表面温度干燥时间预热段恒速段降速段降速干燥段(Falling-rateperiod)：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。物料的结构和吸湿性降速段干燥速率曲线的形状因物料的结构和吸湿性而异。多孔性物料(Porousmedia)：湿份主要是藉毛细管作用由内部向表面迁移。非多孔性物料(Nonporousmedia)：借助扩散作用向物料表面输送湿份，或将湿份先在内部汽化后以汽态形式向表面扩散迁移。如肥皂、木材、皮革等。吸湿性物料(Hygroscopicmedia)：与水份的亲合能力大。非吸湿性物料(Nonhygroscopicmedia)：不同物料的干燥机理不同，湿份内扩散机理不同，干燥速率曲线的形状不同，情况非常复杂，故干燥曲线应由实验的方法测定。干燥速度和干燥速率的定义干燥速率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；干燥速度(干燥通量)N：干燥器单位时间内在物料单位表面积上汽化的湿分量（kg湿分/(m2·s)）。微分形式为ddddXGWUcddddXAGAWNc式中：N——干燥器的干燥速度，kg/(m2·s)；A——物料表面积，即干燥面积，m2。如果物料的形状规则，干燥面积容易求出，使用干燥速度较为方便。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X1＞Xc和X2＜Xc时，干燥有两个阶段；当X1＜Xc或X2＞Xc时，干燥都只有一个阶段，即恒速干燥段。由于物料预热段很短，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或干燥速度N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。干燥曲线和干燥速率曲线ABCD干燥速率U或NABCD物料温度twXcX*湿含量XIIIC’理论解释对固体干