化工原理干燥

第7章固体干燥soliddrying7.1概述7.2湿空气的性质7.3固体物料的干燥平衡7.4干燥器过程的计算7.5干燥速率与干燥时间7.6干燥器7.7固体干燥过程的强化与展望化工原理第7章固体干燥1、掌握的内家干燥过程原理、目的及实施；湿空气性质及计算、湿度图构成及应用；水分在气－固相间的平衡；干燥过程的物料衡算；干燥过程中空气状态的确定；结合水分、平衡水分和临界水分的概念及相互关系；恒速干燥与降速干燥的特点。2、熟悉的内容干燥过程的热量衡算；干燥器的热效率及提高干燥过程经济性的途径；恒定干燥条件下干燥速率与干燥时间计算；干燥过程的强化途径。3、了解内容常用干燥器的性能特点及选用原则；各种干燥方法的基本原理、特点及应用。第7章固体干燥7.1概述1、物料去湿的方法（1）干燥工程目的：去湿——去除固体物料中含有的湿分（水或有机溶剂）（2）去湿方法①机械去湿：离心过滤、压滤、抽滤等②吸附去湿用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaCl2、硅胶等）与湿物料并存，使物料种的水分相继经气相而转入干燥剂内。③热能去湿－去湿彻底，但能耗大向物料供热以汽化其中的水分。这种利用热能除去固体物料中湿分和单元操作称为干燥（drying）。2、物料的干燥方法（1）传导干燥，热能以传导方式通过传热壁面加热物料，使其中的湿分汽化。（2）对流干燥，干燥介质与湿物料直接接触，以对流方式给物料供热使湿分汽化。7.1概述(3)辐射干燥，热能以电磁波形式由辐射器发射到湿物料表面，被物料吸收并转化为热能，使湿分汽化。（4）介电加热干燥，将需要干燥的物料置于高频电场中，利用高频电场的交变作用将湿物料加热，并汽化湿分。本章讨论以空气为干燥介质，湿分为水的对流干燥过程。7.1概述3、对流干燥过程的特点传热：tөi(物料表面温度өi低于气流温度t)：气体固体传质：P水汽Pi（气流中的水汽分压P水汽固体表面水分的分压Pi）：湿物料内部的水表面气相。特点：热、质反向传递过程。HtqWөiP水汽piM7.1概述4、对流干燥流程及经济性（1）对流干燥流程：间歇：湿物料被成批放入干燥器内，特干燥到指定的含湿要求后一次取出。连续：湿物料被连续地加入与排出（并流与逆流）。经济性：主要取决于能耗和热的利用率。损固温升废利用加QQQQQ7.1概述7.2湿空气的性质与湿度图7.2.1湿空气的性质7.2.2湿空气的湿度图及其应用7.2.1湿空气的性质一、空气中水分含量的表示方法1、水汽分压p水汽与露点td在总压p=const，将水汽分压为p的空气等湿冷却至饱和状态，此时的温度称为露点tddtfpp水汽,const可根据td查手册得p水汽2、空气的湿度H空气的湿度H定义为每kg干空气所带有的水汽量，单位是kg/kg干气，即水汽水汽水汽水汽气水ppppppMMH622.03、相对湿度ψ定义：空气中的水汽分压p水汽与一定总压及一定温度下空气中水汽分压可能达到的最大值之比定义为相对湿度，以表示ψ。pps当spp水汽pps当pp水汽7.2.1湿空气的性质说明：(1)值说明湿空气偏离饱和空气或绝干空气的程度，值越小吸湿能力越大；(2)=0，p=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。(3)=1，p=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿。(4)对于空气-水系统sspppH622.07.2.1湿空气的性质(5)若t总压下湿空气的沸点，0100%；(6)若t总压下湿空气的沸点，湿份psP，最大(空气全为水汽)100%。故工业上常用过热蒸汽做干燥介质；(7)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。7.2.1湿空气的性质4、四种温度(1)干球温度t：湿空气的真实温度，简称温度(℃或K)。将温度计直接插在湿空气中即可测量。(2)空气的湿球温度tw（Wet-bulbtemperature）定义qN对流传热hkH气体t,H气膜对流传质液滴表面tw,Hw液滴当热、质传递达平衡时，气体对液体的供热速率恰等于液体汽化的需热速率时：)(wwHwHHrktt7.2.1湿空气的性质湿球温度是大量空气与少量水长期接触后水面的温度(水温变化的极限温度)。结论：tw=f(t,H)，气体的t和H一定，tw为定值。当t不太高，流速5m/s时，Air-H2O系统09.1Hk)(09.1,HHrttwtswwa.饱和气体：H=Hs，tw=t，即饱和空气的干、湿球温度相等。b.不饱和气体：HHs，twt。7.2.1湿空气的性质湿球温度计测定湿球温度的条件是保证纯对流传热，即气体应有较大的流速和不太高的温度，否则，热传导或热辐射的影响不能忽略，测得的湿球温度会有较大的误差。通过测定气体的干球温度和湿球温度，可以计算气体的湿度：wwHtsrttcHHw)(,气体ttw湿球温度的测定7.2.1湿空气的性质(3)绝热饱和冷却温度tas大量水与空气长期接触，气温变化的极限温度称为绝热饱和温度。)(HHcrttasHasas注：lewis规则：对于Air-H2O系统)(,HHkrttwwtsHtwHHkcwastt7.2.1湿空气的性质结论：对于Air-H2O系统不饱和空气：ttw(或tas)td饱和空气：t=tw(或tas)=td二、与过程计算有关的参数1、湿空气的焓I定义：湿空气的焓为每kg干空气及其所带kg水汽所具有的焓，kJ/kg。以0℃的气体为基准，水汽的焓以0℃的液态水为基准，故有7.2.1湿空气的性质对于空气-水系统：HrtcHrtHccIHvg00)(HtHI2490)88.101.1(显热项汽化潜热项7.2.1湿空气的性质2、湿空气的比体积H定义：指1kg干气及所带的kg水汽所占的总体积，m3/kg。PtHPtHvH55100133.1273273)244.1772.0(100133.12732734.2218291除特殊需要外，用绝干空气的比体积代替湿空气的比体积所选成的误差并不大。7.2.1湿空气的性质7.2.2湿空气湿度图及其应用等湿线等焓线等温线等相对湿度线水蒸汽分压线一、湿空气的状态点1、已知湿空气的状态点：H、p、td、tw、t、φ、I等2、已知两个独立参数，确定状态点。练习：已知p=100kpa,t=30℃,H=0.024kg水/kg干气，求：φ、td、I、p水汽td=28I=98φ=98%P水汽=3.6kpa7.2.2湿空气湿度图及其应用二、加热与冷却过程若不计换热器的流动阻力，湿空气的加热或冷却属于等压过程。1、等压加热p一定，p=const，H=const。见下图AB线。t↑→φ↓→接纳水汽的能力↑7.2.2湿空气湿度图及其应用2、等压冷却P=const，ps(t)↓(1)P水汽ps(t)，H不变，AC线。(2)P水汽=ps(t)，t=td,D点·(3)t↓td→ps(t)↓→H↓,DE线。7.2.2湿空气湿度图及其应用三、绝热增湿过程：Q损=0空气给水的显热全部变为水分汽化的潜热返回空气，称为绝热增湿过程。工程上，常将等焓线近似地看成既是绝热增湿线，又是等湿球温度线。7.2.2湿空气湿度图及其应用7.3固体物料的干燥平衡7.3.1物料中水分含量的表示方法7.3.2水分在气－固两相间的平衡7.3.1物料中水分含量的表示方法(1)湿基含水量w湿物料总质量湿物料中水分的质量w(2)干基含水量Xt湿物料中绝干料的质量湿物料中水分的质量X两者关系：wwX1XXw17.3.2水分在气－固两相间的平衡一、结合水与非结合水1、结合水：借化学力或物理化学力与固体相结合的水。包括：结晶水、毛细管水和吸附水。难通过干燥去除。2、非结合水：水分只是机械地附着于固体表面或颗粒堆积层的大空隙中的水。易通过干燥去除。基本区别：表现的平衡蒸汽压pe不同。非结合水：pe=ps→(pe–p水汽)大结合水：peps→(pe–p水汽)小二、平衡蒸汽压曲线湿含量XXh相对湿度非结合水分结合水分自由水分平衡水分X*01.00.5sepp非结合水1结合水1三、平衡水分与自由水分平衡水分：物料在指定的空气条件下，不能被除去的那部分水分。自由水分：能被指定状态的空气带走的水分，也称自由含水量X。7.3.2水分在气－固两相间的平衡)()(*maxmaxt*tXXXXXXX小结：1、比较(1)在一定温度下，物料结合水分与非结合水分的划分只取决于物料本身的特点，而与空气的状态无关。(2)平衡水与自由水的划分不仅与物料的性质有关，而且取决于空气的状态。2、关系非结合水+结合水=自由水+平衡水自由水=可除去的全部非结合水+可除去的部分结合水平衡水=不可除去的部分结合水返回7.3.2水分在气－固两相间的平衡7.4干燥过程的计算7.4.1干燥过程的物料衡算7.4.2干燥过程的热量衡算7.4.3干燥系统的热效率7.4.4干燥空气出口状态的确定7.4.1干燥过程的物料衡算目的：求水分蒸发量；空气消耗量V鼓风机型号。以干燥器为控制体，对水作物衡。水分蒸发量：湿物料G1,w1干燥产品G2,w2热空气V,H1湿废气体V,H2)()(122121HHVXXGGGWc121221HHWHHXXGVC绝干空气消耗量干燥空气消耗量V与新鲜空气V/的关系：001HVVHVV风量：ptHVVvVHh3.101273273244.1773.0风机选择根据风压p风量Vh7.4.1干燥过程的物料衡算7.4.2干燥过程的热量衡算热量衡算，目的：Q或Air的状态：H2、I2湿物料G1,w1,1,cm1干燥产品G2,w2,2,cm2热气体V,H1,t1,i1湿废气体V,H2,t2,i2湿气体V,H0,t0,i0QQ1Q2预热器干燥器(1)预热器热衡01101ttHVCIIVQP(2)干燥器热衡损补QCGVIQCGVIpmCpmC22111其中：Cpm湿物料比热容。tpLpspmXCCC7.4.2干燥过程的热量衡算3、物衡与热衡联立求解(1)物料出口温度2估算（一般由实验测定）(2)设计型已知：GC、X1、X2、H1=H0、Q损(估计),选t1、t2求：V、H2、Q4、连续干燥过程的热效率损补QQQQQQ321热效率的定义：用于汽化湿分和加热物料的热量与外界向干燥系统提供的总热量之比，即7.4.2干燥过程的热量衡算7.4.3干燥系统的热效率补QQQQ21讨论：1、W↓→Q1↓→(Q+Q补)↓∴湿物料应尽可能先机械去湿。2、t2↓→Q3↓→Q↓→η↑缺点：1）t2↓→H2↑，传质推动力(He-H)↓,NA↓，τ↑2）t2过低以至接近饱和状态，气流在设备或管道出口散热析水，导致物料返潮堵塞或腐蚀设备。实际操作：t2tw1+(20~50℃)3、t1↑→I1↑→V↓→Q3↓→η↑但是升高受下面两种情况限制：1)加热物介质温位太高2)物料不允许接触高温气流4、废气再循环(V↓)或中间加热(t1↑)流程→η↑优点：1)避免使用高温加热介质2)保证物料不直接接触高温气流3)减少新鲜空气用量→Q3↓5、良好的保温措施→Q损↓→η↑7.4.3干燥系统的热效率7.5干燥速率与干燥时间7.5.1干燥速率7.5.2恒定干燥条件下干燥时间的计算7.5.1干燥速率一、干燥曲线干燥曲线：物料含水量X与干燥时间的关系曲线。A湿含量XXctwDCBADCBtX*物料表面温度干燥时间预热段恒速段降速段预热阶段AB恒速干燥阶段BC降速干燥阶段CD在降速阶段干燥速率的变化规律与物料性质及其内部结构有关。降速的原因大致有如下四个。(1)实际汽化表面减少；(2)汽化面的内移；(3)平衡蒸汽压下降；(4)固体内部水分的扩散极慢二、干燥速率及干燥速率曲线1、干燥速率U：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