干燥速率与干燥过程计算

武汉工程大学化工原理课件14.3干燥速率与干燥过程计算14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率14.3.2间歇干燥过程的计算14.3.3连续干燥过程的一般特性14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算14.3.5干燥过程的热效率14.3.6连续干燥过程设备容积的计算方法武汉工程大学化工原理课件恒定干燥条件：变动干燥操作：空气状态是否变化干燥过程中空气状态不断变化。空气的温度、湿度、流速及物料接触方式不变。武汉工程大学化工原理课件14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率一、干燥动力学实验热空气干燥动力学实验装置1.实验装置实验数据Gc(绝干物料的质量)Gi(湿物料的质量)τi(干燥时间)武汉工程大学化工原理课件2.数据处理①典型干燥曲线的形状干燥曲线：物料的的自由含水量X与干燥时间τ的关系曲线。ABCDE自由含水量X(kg/kg)时间τ干燥曲线0A武汉工程大学化工原理课件②干燥速率曲线物料的干燥速率或水分汽化速率NA：指单位时间、单位面积（气固接触界面）被汽化的水量。AddXGAddWNcAGc——试样中绝对干燥物料的质量，kg；A——试样暴露于气流中的表面积，m2,X——物料的自由含水量，kg水/kg干料,W——汽化的水分量，kg。武汉工程大学化工原理课件ABCDE自由含水量X干燥速率NA(kg.m-2.s-1)0干燥速率曲线A恒速段降速段XC3干燥速率曲线分析①AB（或A'B）段——预热段一般该过程的时间很短，在分析干燥过程中常可忽略，将其作为恒速干燥的一部分。②BC段——恒速段③C点：临界含水量④CDE段——降速段武汉工程大学化工原理课件⑤两种典型的降速段干燥曲线ABCDE自由含水量X干燥速率NA(kg.m-2.s-1)0干燥速率曲线A恒速段降速段XCCD段:第一降速阶段DE段:第二降速阶段D点:第二临界点BE自由含水量X干燥速率NA(kg.m-2.s-1)0降速段无转折点时的干燥速率曲线C非多孔物料武汉工程大学化工原理课件⑥空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同。石棉纸浆的干燥速率曲线图武汉工程大学化工原理课件二、恒速干燥阶段5.恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态有关，而与物料的种类无关。2.(NA)C＝常量3.物料表面温度为tw；4.在该阶段除去的水分为非结合水分；1.湿物料表面全部润湿，即湿物料水分从物料内部迁移至表面的速率大于水分在表面汽化的速率。恒速干燥阶段为表面汽化控制。)()()(HHkttrNwHwwCA武汉工程大学化工原理课件三、降速干燥阶段1.降速的原因①实际汽化表面减小;②汽化面内移;③平衡蒸汽压下降;④固体内部水分的扩散极慢。武汉工程大学化工原理课件(4)降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、形状及尺寸有关，而与空气状态关系不大。2.降速干燥阶段特点(1)随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥速率降低，物料表面温度逐渐升高；(2)物料表面温度大于湿球温度；(3)除去的水分为非结合、结合水分；武汉工程大学化工原理课件四、临界含水量等速干燥阶段的速率越大，Xc↑降低物料厚度，Xc↓物料越细，Xc↑武汉工程大学化工原理课件五、干燥操作对物料性状的影响1.恒速段可以采用较高的气流温度，以提高干燥速率和热的利用率。2.降速段尤其是干燥后期需控制干燥速率，防止物料温度过高。b.某些物质因脱水而产生种种物理的、化学的以致生物的变化。如木材脱水收缩，内部产生应力，严重时可使木材沿薄弱面开裂。有些物质脱水后会产生表面硬化、干裂，起皱等不良现象。a.降速段，物料温度升高；原因：武汉工程大学化工原理课件14.3.2间歇干燥过程的计算物料在恒定干燥条件下所需干燥时间的确定方法：a.同一物料的干燥试验确定b.当生产条件与试验差别不大时，可进行估算。14.3.2.1恒速阶段的干燥时间τ11.物料的自由含水量由X1降至XC忽略物料的预热阶段cAGdXNAd1C10AddXcXGXAN11ccAGXXAN武汉工程大学化工原理课件2.NA的确定11ccAGXXAN②按传质或传热速率式估算)()(①实验测定几种典型的气流与物料的接触方式时的给热系数①空气平行于物料表面流动8.00143.0GkW/m2·℃武汉工程大学化工原理课件G为气体的质量流速，kg/(m2·s)条件为G=0.68~8.14kg/（m2·s），气温t=45~150℃②空气自上而下或自下而上穿过颗粒堆积层③单一球形颗粒悬浮于气流中0.590.410.0189/(/350)ppGddG0.490.410.0118/(/350)ppGddG1/21/3p20.65er(Re/)pppdRPdu武汉工程大学化工原理课件14.3.2.2降速阶段的干燥时间τ21.物料的自由含水量由XC降至X2（X2X*)所需时间2c2Ac02ddXXNXAG2.计算②近似计算法①数值积分法或图解积分法武汉工程大学化工原理课件②近似计算法ABCDE自由含水量X干燥速率NA0干燥速率曲线A恒速段降速段XC)(*AXXKNx用虚线CE代替CDE*ccA,XXXNK)()(wHww,HHkttNCAC22*Xc*Xc2ddXXXXXXXAKGXXXAKGc*2*cXc2lnXXXXAKGX—实际含水量*cC2*X2lnGXAKXX—自由含水量武汉工程大学化工原理课件教材p247例14-4X1=0.10Xc=0.08X*=0X2=0.04X1=0.10Xc=0.08X2=0.04恒速段降速段武汉工程大学化工原理课件0.80.0143G2491.32.303rt常压下将300kg物料(w1=25%)置于t=90℃，tw=40℃的空气中，空气以7m/s的流速平行流过物料。干燥面积为5.5m2，湿物料在该条件下的Xc=0.12kg水/kg干料，X*=0.03kg水/kg干料，降速段可视为直线。试求：(1)除去40kg水分所需的干燥时间(h)；(2)将物料继续干燥，再除去20kg水分所需的干燥时间(h)；(3)其他条件不变，只是将物料层厚度减半，求将物料干燥至同第(1)的含水量一样时所需干燥时间。已知：空气平行于物料表面流动时的对流给热系数为kW/(m2∙℃)，G的单位为kg/(m2∙s)；t的单位为℃；r的单位kJ/kg；40℃下水的饱和蒸汽压为7.377kPa。汽化潜热武汉工程大学化工原理课件解:(1)除去40kg水分所需的干燥时间0.6221.09()1()2918HHRTvp1HHvGuwAwttNrC10.156XXc10CAGXXANC31.367100.80.0143G1.48h武汉工程大学化工原理课件(2)再除去20kg水分所需干燥时间20.067XXc降速段1CXX2CXX恒速段降速段110.30hCCAGXXANC222lnCXCCCXXXGGXXdXAkXXAkXXAXCNkXXC0.67h120.300.670.97h武汉工程大学化工原理课件(3)Xc将减小，而X1不变，故干燥过程仍属恒速段10CAGXXANCGc减半1.48=0.7422武汉工程大学化工原理课件3.总干燥时间*cc1Xc1XXXXAKG)ln(*2*c*cc1Xc21XXXXXXXXAKG*2**cc121lnXXXXXXXXc11ccAGXXAN*A()xCNKXX*2*cXc2lnXXXXAKG武汉工程大学化工原理课件14.3.3连续干燥过程的一般特性一、连续干燥器中气流与物料的接触方式气固连续干燥器中气固接触方式——并流连续干燥器中气固接触方式——逆流气固气固连续干燥器中气固接触方式——错流武汉工程大学化工原理课件二、连续干燥过程的特点预热阶段温度设备长度ajkbθ1θjθkθ2t1tjtkt2料温tw气温表面汽化阶段升温阶段并流干燥器中气固两相温度的变化1.预热段(物料中的水分＞临界水分）沿设备长度增加，物料表面温度上升到气流的湿球温度，气流温度下降。武汉工程大学化工原理课件预热阶段温度设备长度ajkbθ1θjθkθ2t1tjtkt2料温tw气温表面汽化阶段升温阶段并流干燥器中气固两相温度的变化2.表面汽化阶段(物料中的水分＞临界水分)沿设备长度增加，物料表面水分汽化，空气湿度增加，空气经历绝热增湿过程；物料表面温度基本保持不变，为空气的湿球温度。武汉工程大学化工原理课件预热阶段温度设备长度ajkbθ1θjθkθ2t1tjtkt2料温tw气温表面汽化阶段升温阶段并流干燥器中气固两相温度的变化3.升温阶段(物料中的水分＜临界水分)沿设备长度增加，物料温度升高，气流温度继续下降。武汉工程大学化工原理课件二、连续干燥过程的数学描述分析1.考察方法：欧拉法考察对象：在垂直于气流运动方向上取一设备微元2.过程数学描述方程气固相际传热及传质速率方程式物料内部的传热、传质速率方程式物料衡算式热量衡算式武汉工程大学化工原理课件14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算一、空气干燥器的操作原理图1.进料口；2—干燥室；3—卸料口；4—抽风机；5—空气预热器；6—补充加热器武汉工程大学化工原理课件二、物料衡算①水分蒸发量；②空气消耗量；③干燥产品流量2.水分蒸发量W空气V,t0,H0V,t1,H1V,t2,H2废气产品物料Gc,X1,θ1Gc,X2,θ2QdQp预热器干燥器干燥过程的物料衡算1.计算目的)()(1221221121cHHVGGwGwGXXGW武汉工程大学化工原理课件)(02HHVW3.空气消耗量①干空气质量流量0212HHWHHWV211VlWHH)1('0HVV②实际空气（新鲜空气）质量流量kg湿空气/s③风机的风量qV（m3湿空气/s）ptHVVvqHv3.101273273)244.1773.0(比空气用量武汉工程大学化工原理课件4.干燥产品质量流量)1()1(2211wGwGGc)1/()1(2112wwGG注意：G2是指离开干燥器的物料的流量，其中包括绝干物料及含有的少量水分。武汉工程大学化工原理课件空气V,t0,H0,I0V,t1,H1,I1Qp预热器预热器的热量衡算三、热量衡算忽略预热器的热损失)()(01pH01p1ttVcIIVQ11112500)88.101.1(HtHI00002500)88.101.1(HtHI01HH01ppHHcc1.预热器的热量衡算武汉工程大学化工原理课件2.干燥器的热量衡算V,t2,H2,I2废气产品物料QD干燥器干燥器的热量衡算V,t1,H1,I1111,,IG222,,IGQLLcQIGVIQIGVI2c2D11LmcQcGVIQcGVI22pc2D11pm1Xccclppspm或cpm——湿物料的比热容，kJ/(kg干物料.℃)对于水cpl=4.18kJ/(kg.℃)武汉工程大学化工原理课件四、物料衡算与热量衡算的联立求解1.设计型问题分析目标：计算完成一定干燥任务所需干空气用量02HHWVLcQIGVIQIGVI2c2D11干燥任务→Gc、W、θ1、X1、X2空气初始状态→H1(=H0)QL可按传热公式求或取QL=(0.05~0.10)QPθ2不能任意选择未知变量：V、H2、t1、t2、QDV、W、H2、H0、t1、Gc、θ1X1、QD、t2、θ1、X2、QL武汉工程大学化工原理课件02HHWVLcQIGVIQIGVI2c2D11未知变量：V、H2、t1、t2、QDt1可以选定未知变量：V、H2、t2、QD约束方程：