现代干燥技术

现代干燥技术2005年1月第一篇干燥过程的基本原理第1章湿气体和湿物料的性质1湿气体的性质和湿度图1.1纯物质的基本热物理性质1.1.1汽-液平街当液体暴露于气体中时，液体汽化，形成蒸汽并逸入气相中。设蒸汽为理想气体，则有式中，Pw、V、T为蒸汽压、体积和温度；R为气体常数；Vw为气体的摩尔体积；mw、Ww为蒸汽的质量和分子量。第1章湿气体和湿物料的性质在任一温度下，Pw可能达到的最大值是饱和蒸汽压。如果标绘此物质的蒸汽压与温度图，可得如图1-1所示的TC曲线(汽-液平衡曲线)。在此图上也可作出固-液平衡曲线(熔化曲线TL)和固-汽平衡曲线(升华曲线TS)。在图上的T点处，所有三相能同时存在，T点称为三相点。液体和蒸汽沿TC线同时存在，并对应于饱和液体和饱和蒸汽状态，C点称为临界点。液相和汽相的差别在此点处消失，此时液相的全部性质如密度、粘度、折射率等和汽相的全部性质是相同第1章湿气体和湿物料的性质的。高于临界温度的物质是气体。对应于TC曲线上每一点压力的温度即为沸点。对应于101.3kPa压力(常压)时的温度称为常态沸点(100℃)。水的三相点(T)温度为0℃，对应的压力为0.611kPa。1.1.2焓及临界点所有物质都具有和组分原子和分子的运动状态有关的内能。第1章湿气体和湿物料的性质内能的绝对值M(J/kg)是未知的，但是相对于某一任意定义的基准温度便可计算其数值。此外，在稳定流动系统中，有一种为克服阻力以强制流入和流出系统的附加能量。单位质量的附加能量，称为流动功，记为。此处，为压力；为比容。单位质量内能和流动功PD之组合称为焓I，由下式定义:v其单位为J/kg或N·m/kg。某物质焓的绝对值和内能同样是未知的。可以计算在某一条件下焓的相对值，ppvu第1章湿气体和湿物料的性质只要假设在某个习惯的参照状态下，焓值为零即可。零焓的习惯参照状态取为液态水的三相点，即温度为273.16K(0.01℃)和蒸汽压为611.2Pa。1.1.3热容热容定义为使单位物质质量升高单位温度需要的热量。1.2湿空气(空气—蒸汽混合气)的基本性质多数工业干燥过程采用预热后的空气作为干燥介质。空气是含有少量水蒸气的一种气体混合物。预热后的空气在与湿物料接触时把热量传递给湿物料，同时又带走从湿物料中逸出的水蒸气，从而使湿物料干燥。在干燥过程计算中必需知道湿空气的第1章湿气体和湿物料的性质基本热力学性质。本章的主要研究对象是由于空气和水蒸气组成的湿空气，且设总压为0.101MPa(一个大气压)。但是各种计算湿空气性质的关系式，对于总压大于或小于0.101MPa的系统，以及由其他惰性气体和挥发性组分组成的混合气系统也是适用的。后者在工业干燥系统中常有应用。(1)干球温度Tg用普通温度计在空气中测得的温度称为干球温度。第1章湿气体和湿物料的性质(2)绝对湿度y每千克干空气中含有水蒸气的质量，称为空气的绝对湿度，又称湿度或湿含量，可表示为：(3)相对湿度湿空气的实际蒸汽压与相同温度下的饱和蒸汽压之比，称为相对湿度第1章湿气体和湿物料的性质(4)湿气体的比容(湿容积)湿空气的比容是在一定温度和压力下，1kg干空气及其携带的水蒸气量(kg)所占有的体积。(5)湿空气的密度湿空气的密度是单位体积的湿空气所对应的质量。(6)湿空气的比热容(又称湿热或湿比热容)湿空气的比热容是1kg干空气和其中含有的水蒸气组成的混合湿空气的比热容。(7)湿焓I湿空气的焓是1kg干空气及其携带的水蒸气焓值之和。HHcHv第1章湿气体和湿物料的性质(8)露点ts使不饱和的湿空气在总压和绝对湿度不变的情况下冷却达到饱和状态时的温度，称为该湿空气的露点。(9)湿球温度tw在不饱和的空气-蒸汽混合气环境中，湿物料(含水量足够多)蒸发少量液体而达到平衡时的温度，称为湿球温度。(10)绝热饱和温度tas在一个绝热系统中，湿空气与液体接触足够长的时间达到平衡时，湿空气便达到饱和。此时气相和液相为同一温度。在达到平衡的过程中，气相显热的减少等于部分液体汽化所需的潜热，因而湿空气在饱和过程中的焓保持不变。此平衡温度称为绝热饱和温度。第1章湿气体和湿物料的性质1.3蒸汽-空气湿度图常见的湿度图有两种：一种是温度-湿度t-y图;另一种是焓-湿度(I-y)图。在t-y图上，横坐标为温度t，纵坐标为绝对湿度y。此外，还有辅助纵坐标，如汽化潜热r、湿比容等，如图1-5所示。图1-5上诸线是根据前面所述各参数之间的关系和补充某些参数之间的热力学关系而绘制的，其作图关系式如表1-3所列。使用该图时，由任意两个参数便可确定湿空气的状态点，并进而可查出其他参数。Hv第1章湿气体和湿物料的性质2湿物料的性质2.1物料的湿含量物料中湿含量可按两种方法定义：干基湿含量湿基湿含量式中，mw和md分别为湿物料中湿分质量和绝干物料质量；md+mw＝mm为湿物料的质量。第1章湿气体和湿物料的性质2.4物料和湿分的结台形式从干燥的平衡特点看，根据空气相对湿度及物料混含量的大小可分别定义为：结合水分和非结合水分；平衡水分和自由水分。结合水分是空气相对湿度为100％时物料的平衡水分。此时物料湿含量又称为最大吸湿湿含量，在图1-13上记为Xmax，物料中超过此湿含量的水分称为非结合水分。对应于吸附等温线上任意点的湿含量称平衡水分，超过此湿含量的水分，称为自由水分。第1章湿气体和湿物料的性质第2章干燥中的试验技术和测量方法干燥过程的计算需要许多干燥工艺参数，如物料的特性、干燥动力学数据、传递系数等。在大多数情况下，这些参数不能由分析得到，而需由充分的试验来测定。干燥试验的目的一般如下：(1)选择适宜的干燥设备；(2)确定设计所需的数据；(3)考察已有干燥设备的有效性和处理能力；(4)考察操作条件对产品性状和质量的影响；(5)研究干燥机理。第2章干燥中的试验技术和测量方法当试验的目的是选择适宜的干燥设备和确定设计所需要的数据时，需在试验设备上作一系列试验。试验设备应与实际设备为同一种类型，并在相同的热力条件和物料处理状态下作试验。参数变动的范围要宽一些。在有条件时试验最好在已有的工业设备上进行。2物料湿含量和气体湿度的测定物料湿含量的测定方法，一类是直接测量法，另一类是间接测量法直接测量法包括：物料加热法，化学干燥法，共沸蒸馏法，化学滴定法间接测量法包括：电导率、电容、微波、远红外吸收等气体湿度的测量方法有:重量分析法，湿度计，露点法3物料吸附平衡特性的测定第2章干燥中的试验技术和测量方法4湿分扩散率(或称湿分扩散系数)5热导率6相间传热系数和传质系数7干燥常数8干燥动力学试验干燥动力学试验的目的主要是测定物料平均湿含量和平均温度(通常是测定物料的表面温度)随时间而变化的数据。根据实验结果获得一组数据，由此绘制下列曲线：物料湿含量-干燥时间（干燥曲线），干燥速率-物料湿含量（干燥速率曲线）。第2章干燥中的试验技术和测量方法第2章干燥中的试验技术和测量方法第2章干燥中的试验技术和测量方法第3章基本干燥过程的计算1干燥过程计算的目的干燥过程计算的目的在于确定以下数值：——干燥设备的尺寸；——干燥介质和被干燥物料进出口的参数值；——干燥介质和热量的需要量。在此基础上，确定热交换器、风机、除尘器以及各种项处理设备等辅助设备的性能参数。在干燥设备设计中涉及的最重要的参数如图3—1所示。第3章基本干燥过程的计算通常已知下列数据：——干燥器的型式已选定；——以绝干物料计的产量Ws；——物料的进、出口湿含量x1和兄x2；——物料的进、出口温度Tm1和Tm2；——干燥介质(空气)进入干燥器时的湿度y1。第3章基本干燥过程的计算图3—1中带*号的参数是未知量。干燥器的设计在选定了“目标函数”后是一个复杂的寻优过程。目的是求得主要参数的最佳值，如单位产品的干燥价格为最低等，也可采用多目标优化。第3章基本干燥过程的计算但在实践中，常因假设了某些参数而忽略了优化，这些参数为气流速度ug：，进口气体温度Tg1，惰性气体流量WB等。干燥器的设计过程通常包括下列计算步骤：——由热、质衡算确定出口空气的温度Tg2和湿度y2；——由Tg2、y2及其他有关参数确定干燥操作的平均推动力；——确定热、质传递系数；第3章基本干燥过程的计算——以传热、传质动力学方程为基础，确定传递面积，并进而确定干燥器操作室的尺寸。干燥过程的能量消耗对干燥器的设计和操作影响很大。有多种技术经济指标可作依据。常用的指标为：第3章基本干燥过程的计算2总体热质衡算2.1质量(物料)衡算上式中等号的左项和右项均等于干燥器中蒸发的水分质量(WA)。2.2热量衡算第3章基本干燥过程的计算第3章基本干燥过程的计算热量衡算方程：通常绝热干燥过程的总体热量衡算及传热、传质动力学可列出以下5个方程：第3章基本干燥过程的计算第4章干燥过程的数学模型和模拟基础1数学模型1.1定义所谓“数学模型”是指用数学表达式表示现实事物。即运用数学语言对现实世界的信息加以归纳和描述，是对现实世界的抽象。1.3数学模型的分类数学模型的分类和基准有关。第4章干燥过程的数学模型和模拟基础第一种分类是与时基有关的，按事件产生的时间关系可将模型分成以下两种。(1)连续模型(Continuousmodel)如果过程连续进行，即模型的时间变量在某一时基上按实数平稳的增加，则该模型为连续模型。如谷物干燥喷雾干燥、气流干燥以及作物的生长等常采用连续模型。第4章干燥过程的数学模型和模拟基础(2)离散模型(Discretemodel)如果时间的流逝为跳跃式，即模型的时间变量从一个时间整数跳跃到下一个时间整数，这样的模型叫离散模型。它描述的是一个间断的，不连续的过程。如谷物的收获、运输和储存过程采用离散模型。第二种分类是按模型描述中是否有随机变量，模型可分成以下两种。第4章干燥过程的数学模型和模拟基础(1)确定模型(Deterministic)一个系统的输出完全取决于输入，模型的结果与输入参数之间有确定的关系。模型内不包含随机变量。这样的模型叫做确定模型。(2)随机模型(Stochasticmodel)模型中至少包含一个随机变量，一样的输入可能会得出不同的输出结果。例如模拟土壤在某一个月份的含水量，由于它与降雨时间和降雨量这两个随机变量有关，属于随机模型。随机模型也叫概率模型。第4章干燥过程的数学模型和模拟基础第三种分类是按照模型参数的关系是否依赖于时间分成以下两种：时变模型时不变模型第四种分类是按照建模的方法分为经验模型和理论模型。2.5模拟的步骤第4章干燥过程的数学模型和模拟基础5气流干燥的模拟建模的假设条件：(1)干燥管内沿横截面物料分布均匀，气流分布均匀；(2)物料颗粒为球形，粒径和水分均匀一致；(3)干燥管绝热，无散热损失；(4)干燥管与水平面垂直，管内物料与热空气同向运动。第4章干燥过程的数学模型和模拟基础气流干燥的数学模型：气流干燥模型的建立是基于传热、传质和两相流理论。它包括以下5个常微分方程：第二篇干燥方法和干燥器（第五章~第二十七章）第5章隧道干燥器和厢式干燥器1厢式干燥器厢式干燥器内部主要结构有：逐层存放物料的盘子、框架、蒸汽加热翅片管(或无缝钢管)或裸露电热元件加热器。由风机产生的循环流动的热风，吹到潮湿物料的表面达到干燥目的。在大多数设备中，热空气被反复循环通过物料。第5章隧道干燥器和厢式干燥器厢式干燥器的工作原理和结构，如图5-1所示。第5章隧道干燥器和厢式干燥器厢式干燥器中，一般用盘架盛放物料。优点是：容易装卸，物料损失小，盘易清洗。主要缺点是：物料得不到分散，干燥时间长；若物料量大，所需的设备容积也大；工人劳动强度大，如需要定时将物料装卸或翻动时，粉尘飞扬，环境污染严重；热效率低，一般在40％左右，每干燥1kg水分约需消耗加热蒸汽2.5kg以上。此外，产品质量不够稳定。因此随着干燥技术的发展将逐渐被新型干燥器所取代。第5章隧道干燥器和厢式干燥器2隧道干燥器(洞道式干燥器)将被干燥物料放置在小车内、运输带上、架子上或自由地堆置在运输设备上。物料沿着干燥室中通道，向前移动，并一次通过通道。被干燥物料的加料和卸料在