化工原理干燥講解學(xué)習(xí)

第7章固體(gùtǐ)干燥

soliddrying7.1概述7.2濕空氣的性質(zhì)7.3固體物料的干燥平衡7.4干燥器過(guò)程的計(jì)算7.5干燥速率(sùlǜ)與干燥時(shí)間7.6干燥器7.7固體干燥過(guò)程的強(qiáng)化與展望化工(huàgōng)原理第一頁(yè)，共54頁(yè)。第7章固體(gùtǐ)干燥1、掌握的內(nèi)家干燥(gānzào)過(guò)程原理、目的及實(shí)施；濕空氣性質(zhì)及計(jì)算、濕度圖構(gòu)成及應(yīng)用；水分在氣－固相間的平衡；干燥(gānzào)過(guò)程的物料衡算；干燥(gānzào)過(guò)程中空氣狀態(tài)的確定；結(jié)合水分、平衡水分和臨界水分的概念及相互關(guān)系；恒速干燥(gānzào)與降速干燥(gānzào)的特點(diǎn)。2、熟悉的內(nèi)容干燥(gānzào)過(guò)程的熱量衡算；干燥(gānzào)器的熱效率及提高干燥(gānzào)過(guò)程經(jīng)濟(jì)性的途徑；恒定干燥(gānzào)條件下干燥(gānzào)速率與干燥(gānzào)時(shí)間計(jì)算；干燥(gānzào)過(guò)程的強(qiáng)化途徑。第二頁(yè)，共54頁(yè)。3、了解內(nèi)容常用干燥器的性能(xìngnéng)特點(diǎn)及選用原則；各種干燥方法的基本原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。第7章固體(gùtǐ)干燥第三頁(yè)，共54頁(yè)。7.1概述(ɡàishù)1、物料去濕的方法（1）干燥工程目的(mùdì)：去濕——去除固體物料中含有的濕分（水或有機(jī)溶劑）（2）去濕方法①機(jī)械去濕：離心過(guò)濾、壓濾、抽濾等②吸附去濕用某種平衡水汽分壓很低的干燥劑（如CaCl2、硅膠等）與濕物料并存，使物料種的水分相繼經(jīng)氣相而轉(zhuǎn)入干燥劑內(nèi)。第四頁(yè)，共54頁(yè)。③熱能去濕－去濕徹底，但能耗大向物料供熱以汽化其中的水分。這種利用(lìyòng)熱能除去固體物料中濕分和單元操作稱為干燥（drying）。2、物料的干燥方法（1）傳導(dǎo)干燥，熱能以傳導(dǎo)方式通過(guò)傳熱壁面加熱物料，使其中的濕分汽化。（2）對(duì)流干燥，干燥介質(zhì)與濕物料直接接觸，以對(duì)流方式給物料供熱使?jié)穹制?.1概述(ɡàishù)第五頁(yè)，共54頁(yè)。(3)輻射干燥，熱能以電磁波形式由輻射器發(fā)射到濕物料表面，被物料吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，使?jié)穹制＃?）介電加熱干燥，將需要干燥的物料置于高頻電場(chǎng)中，利用高頻電場(chǎng)的交變作用將濕物料加熱，并汽化濕分。本章討論以空氣為干燥介質(zhì)，濕分為(fēnwéi)水的對(duì)流干燥過(guò)程。7.1概述(ɡàishù)第六頁(yè)，共54頁(yè)。3、對(duì)流干燥過(guò)程的特點(diǎn)傳熱：t>?i(物料表面溫度?i低于氣流溫度t)：氣體固體傳質(zhì)：P水汽<Pi（氣流中的水汽分壓P水汽<固體表面水分(shuǐfèn)的分壓Pi）：濕物料內(nèi)部的水表面氣相。特點(diǎn)：熱、質(zhì)反向傳遞過(guò)程。HtqW?iP水汽(shuǐqì)piM7.1概述(ɡàishù)第七頁(yè)，共54頁(yè)。4、對(duì)流干燥流程及經(jīng)濟(jì)性（1）對(duì)流干燥流程：間歇：濕物料被成批(chénɡpī)放入干燥器內(nèi)，特干燥到指定的含濕要求后一次取出。連續(xù)：濕物料被連續(xù)地加入與排出（并流與逆流(nìliú)）。經(jīng)濟(jì)性：主要取決于能耗和熱的利用率。7.1概述(ɡàishù)第八頁(yè)，共54頁(yè)。7.2濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)與濕度圖7.2.1濕空氣的性質(zhì)7.2.2濕空氣的濕度(shīdù)圖及其應(yīng)用第九頁(yè)，共54頁(yè)。7.2.1濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)一、空氣中水分含量的表示(biǎoshì)方法1、水汽分壓p水汽與露點(diǎn)td在總壓p=const，將水汽分壓為p的空氣等濕冷卻至飽和狀態(tài)，此時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)td可根據(jù)td查手冊(cè)(shǒucè)得p水汽2、空氣的濕度H

空氣的濕度H定義為每kg干空氣所帶有的水汽量，單位是kg/kg干氣，即第十頁(yè)，共54頁(yè)。3、相對(duì)濕度ψ定義：空氣中的水汽(shuǐqì)分壓p水汽(shuǐqì)與一定總壓及一定溫度下空氣中水汽(shuǐqì)分壓可能達(dá)到的最大值之比定義為相對(duì)濕度，以表示ψ。7.2.1濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)第十一頁(yè)，共54頁(yè)。說(shuō)明：(1)值說(shuō)明濕空氣偏離飽和空氣或絕干空氣的程度，值越小吸濕能力越大；(2)=0，p=0時(shí)，表示濕空氣中不含水分，為絕干空氣。(3)=1，p=ps時(shí)，表示濕空氣被水汽(shuǐqì)所飽和，不能再吸濕。(4)對(duì)于空氣-水系統(tǒng)7.2.1濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)第十二頁(yè)，共54頁(yè)。(5)若t<總壓下濕空氣的沸點(diǎn)，0100%；(6)若t>總壓下濕空氣的沸點(diǎn)，濕份ps>P，最大(空氣全為水汽)<100%。故工業(yè)上常用過(guò)熱蒸汽做干燥介質(zhì)；(7)若t>濕份的臨界溫度(línjièwēndù)，氣體中的濕份已是真實(shí)氣體，此時(shí)=0，理論上吸濕能力不受限制。7.2.1濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)第十三頁(yè)，共54頁(yè)。4、四種溫度(1)干球溫度t：濕空氣的真實(shí)溫度，簡(jiǎn)稱(jiǎnchēng)溫度(℃或K)。將溫度計(jì)直接插在濕空氣中即可測(cè)量。(2)空氣的濕球溫度tw（Wet-bulbtemperature）定義qN對(duì)流傳(liúchuán)熱hkH氣體(qìtǐ)t,H氣膜對(duì)流傳質(zhì)液滴表面tw,Hw液滴當(dāng)熱、質(zhì)傳遞達(dá)平衡時(shí)，氣體對(duì)液體的供熱速率恰等于液體汽化的需熱速率時(shí)：7.2.1濕空氣的性質(zhì)第十四頁(yè)，共54頁(yè)。濕球溫度是大量空氣與少量水長(zhǎng)期接觸后水面的溫度(水溫變化的極限溫度)。結(jié)論(jiélùn)：tw=f(t,H)，氣體的t和H一定，tw為定值。當(dāng)t不太高，流速>5m/s時(shí)，Air-H2O系統(tǒng)a.飽和氣體(qìtǐ)：H=Hs，tw=t，即飽和空氣的干、濕球溫度相等。b.不飽和氣體(qìtǐ)：H<Hs，tw<t。7.2.1濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)第十五頁(yè)，共54頁(yè)。濕球溫度計(jì)測(cè)定濕球溫度的條件是保證純對(duì)流傳熱，即氣體應(yīng)有較大的流速和不太高的溫度，否則，熱傳導(dǎo)或熱輻射的影響不能忽略(hūlüè)，測(cè)得的濕球溫度會(huì)有較大的誤差。通過(guò)測(cè)定氣體(qìtǐ)的干球溫度和濕球溫度，可以計(jì)算氣體(qìtǐ)的濕度：氣體(qìtǐ)ttw濕球溫度的測(cè)定7.2.1濕空氣的性質(zhì)第十六頁(yè)，共54頁(yè)。(3)絕熱飽和冷卻溫度tas大量水與空氣長(zhǎng)期接觸，氣溫變化(biànhuà)的極限溫度稱為絕熱飽和溫度。注：lewis規(guī)則(guīzé)：對(duì)于Air-H2O系統(tǒng)7.2.1濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)第十七頁(yè)，共54頁(yè)。結(jié)論：對(duì)于Air-H2O系統(tǒng)不飽和空氣：t>tw(或tas)>td飽和空氣：t=tw(或tas)=td二、與過(guò)程計(jì)算有關(guān)(yǒuguān)的參數(shù)1、濕空氣的焓I定義：濕空氣的焓為每kg干空氣及其所帶kg水汽所具有的焓，kJ/kg。以0℃的氣體為基準(zhǔn)，水汽的焓以0℃的液態(tài)水為基準(zhǔn)，故有7.2.1濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)第十八頁(yè)，共54頁(yè)。對(duì)于(duìyú)空氣-水系統(tǒng)：顯熱項(xiàng)汽化(qìhuà)潛熱項(xiàng)7.2.1濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)第十九頁(yè)，共54頁(yè)。2、濕空氣的比體積H定義(dìngyì)：指1kg干氣及所帶的kg水汽所占的總體積，m3/kg。除特殊需要外，用絕干空氣的比體積代替(dàitì)濕空氣的比體積所選成的誤差并不大。7.2.1濕空氣的性質(zhì)(xìngzhì)第二十頁(yè)，共54頁(yè)。7.2.2濕空氣濕度(shīdù)圖及其應(yīng)用等濕線等焓線等溫線等相對(duì)濕度線水蒸汽分壓線(yāxiàn)第二十一頁(yè)，共54頁(yè)。一、濕空氣的狀態(tài)點(diǎn)1、已知濕空氣的狀態(tài)點(diǎn)：H、p、td、tw、t、φ、I等2、已知兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，確定狀態(tài)點(diǎn)。練習(xí)(liànxí)：已知p=100kpa,t=30℃,H=0.024kg水/kg干氣，求：φ、td、I、p水汽td=28I=98φ=98%P水汽(shuǐqì)=3.6kpa7.2.2濕空氣濕度(shīdù)圖及其應(yīng)用第二十二頁(yè)，共54頁(yè)。二、加熱與冷卻過(guò)程若不計(jì)換熱器的流動(dòng)阻力，濕空氣的加熱或冷卻屬于(shǔyú)等壓過(guò)程。1、等壓加熱p一定，p=const，H=const。見下圖AB線。t↑→φ↓→接納(jiēnà)水汽的能力↑7.2.2濕空氣濕度(shīdù)圖及其應(yīng)用第二十三頁(yè)，共54頁(yè)。2、等壓冷卻(lěngquè)P=const，ps(t)↓(1)P水汽(shuǐqì)<ps(t)，H不變，AC線。(2)P水汽(shuǐqì)=ps(t)，t=td,D點(diǎn)·(3)t↓<td→ps(t)↓→H↓,DE線。7.2.2濕空氣濕度(shīdù)圖及其應(yīng)用第二十四頁(yè)，共54頁(yè)。三、絕熱增濕過(guò)程：Q損=0空氣給水的顯熱全部(quánbù)變?yōu)樗制臐摕岱祷乜諝?，稱為絕熱增濕過(guò)程。工程上，常將等焓線近似地看成既是絕熱增濕線，又是等濕球溫度線。7.2.2濕空氣濕度(shīdù)圖及其應(yīng)用第二十五頁(yè)，共54頁(yè)。7.3固體物料(wùliào)的干燥平衡7.3.1物料中水分含量的表示方法(fāngfǎ)7.3.2水分在氣－固兩相間的平衡第二十六頁(yè)，共54頁(yè)。7.3.1物料(wùliào)中水分含量的表示方法(1)濕基含水量w(2)干基(ɡànjī)含水量Xt兩者關(guān)系(guānxì)：第二十七頁(yè)，共54頁(yè)。7.3.2水分(shuǐfèn)在氣－固兩相間的平衡一、結(jié)合(jiéhé)水與非結(jié)合(jiéhé)水1、結(jié)合(jiéhé)水：借化學(xué)力或物理化學(xué)力與固體相結(jié)合(jiéhé)的水。包括：結(jié)晶水、毛細(xì)管水和吸附水。難通過(guò)干燥去除。2、非結(jié)合水：水分只是機(jī)械地附著于固體表面或顆粒堆積層的大空隙中的水。易通過(guò)(tōngguò)干燥去除?；緟^(qū)別：表現(xiàn)的平衡蒸汽壓pe不同。非結(jié)合水：pe=ps→(pe–p水汽)大結(jié)合水：pe<ps→(pe–p水汽)小第二十八頁(yè)，共54頁(yè)。二、平衡(pínghéng)蒸汽壓曲線濕含量(hánliàng)XXh相對(duì)濕度(xiāngduìshīdù)非結(jié)合水分結(jié)合水分自由水分平衡水分X*01.00.5非結(jié)合水結(jié)合水三、平衡水分與自由水分平衡水分：物料在指定的空氣條件下，不能被除去的那部分水分。自由水分：能被指定狀態(tài)的空氣帶走的水分，也稱自由含水量X。7.3.2水分在氣－固兩相間的平衡第二十九頁(yè)，共54頁(yè)。小結(jié)：1、比較(1)在一定溫度下，物料結(jié)合(jiéhé)水分與非結(jié)合(jiéhé)水分的劃分只取決于物料本身的特點(diǎn)，而與空氣的狀態(tài)無(wú)關(guān)。(2)平衡水與自由水的劃分不僅與物料的性質(zhì)有關(guān)，而且取決于空氣的狀態(tài)。2、關(guān)系非結(jié)合(jiéhé)水+結(jié)合(jiéhé)水=自由水+平衡水自由水=可除去的全部非結(jié)合(jiéhé)水+可除去的部分結(jié)合(jiéhé)水平衡水=不可除去的部分結(jié)合(jiéhé)水返回(fǎnhuí)7.3.2水分在氣－固兩相間(xiāngjiàn)的平衡第三十頁(yè)，共54頁(yè)。7.4干燥(gānzào)過(guò)程的計(jì)算7.4.1干燥過(guò)程的物料衡算7.4.2干燥過(guò)程的熱量衡算7.4.3干燥系統(tǒng)(xìtǒng)的熱效率7.4.4干燥空氣出口狀態(tài)的確定第三十一頁(yè)，共54頁(yè)。7.4.1干燥(gānzào)過(guò)程的物料衡算目的：求水分蒸發(fā)量；空氣消耗量V鼓風(fēng)機(jī)型號(hào)。以干燥器為控制(kòngzhì)體，對(duì)水作物衡。水分蒸發(fā)量：濕物料(wùliào)G1,w1干燥產(chǎn)品G2,

w2熱空氣V,H1濕廢氣體V,H2絕干空氣消耗量第三十二頁(yè)，共54頁(yè)。干燥(gānzào)空氣消耗量V與新鮮空氣V/的關(guān)系：風(fēng)量(fēngliàng)：風(fēng)機(jī)選擇(xuǎnzé)根據(jù)風(fēng)壓p風(fēng)量Vh7.4.1干燥過(guò)程的物料衡算第三十三頁(yè)，共54頁(yè)。7.4.2干燥過(guò)程(guòchéng)的熱量衡算熱量衡算，目的(mùdì)：Q或Air的狀態(tài)：H2、I2濕物料(wùliào)G1,w1,1,cm1干燥產(chǎn)品G2,

w2,2,cm2熱氣體V,H1,t1,i1濕廢氣體V,H2,t2,i2濕氣體V,H0,t0,i0QQ1Q2預(yù)熱器干燥器第三十四頁(yè)，共54頁(yè)。(1)預(yù)熱器熱衡(2)干燥器熱衡其中(qízhōng)：Cpm濕物料比熱容。7.4.2干燥(gānzào)過(guò)程的熱量衡算第三十五頁(yè)，共54頁(yè)。3、物衡與熱衡聯(lián)立求解(1)物料出口溫度2估算（一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定）(2)設(shè)計(jì)型已知：GC、X1、X2、H1=H0、Q損(估計(jì)),選t1、t2求：V、H2、Q4、連續(xù)(liánxù)干燥過(guò)程的熱效率熱效率的定義：用于汽化濕分和加熱物料的熱量(rèliàng)與外界向干燥系統(tǒng)提供的總熱量(rèliàng)之比，即7.4.2干燥(gānzào)過(guò)程的熱量衡算第三十六頁(yè)，共54頁(yè)。7.4.3干燥(gānzào)系統(tǒng)的熱效率討論：1、W↓→Q1↓→(Q+Q補(bǔ))↓∴濕物料應(yīng)盡可能先機(jī)械去濕。2、t2↓→Q3↓→Q↓→η↑缺點(diǎn)：1）t2↓→H2↑，傳質(zhì)推動(dòng)力(He-H)↓,NA↓，τ↑2）t2過(guò)低以至(yǐzhì)接近飽和狀態(tài)，氣流在設(shè)備或管道出口散熱析水，導(dǎo)致物料返潮堵塞或腐蝕設(shè)備。第三十七頁(yè)，共54頁(yè)。實(shí)際操作：t2>tw1+(20~50℃)3、t1↑→I1↑→V↓→Q3↓→η↑但是升高受下面兩種情況(qíngkuàng)限制：1)加熱物介質(zhì)溫位太高2)物料不允許接觸高溫氣流4、廢氣再循環(huán)(V↓)或中間加熱(t1↑)流程→η↑優(yōu)點(diǎn)：1)避免使用高溫加熱介質(zhì)2)保證物料不直接接觸高溫氣流3)減少新鮮空氣用量→Q3↓5、良好的保溫措施→Q損↓→η↑7.4.3干燥(gānzào)系統(tǒng)的熱效率第三十八頁(yè)，共54頁(yè)。7.5干燥(gānzào)速率與干燥(gānzào)時(shí)間7.5.1干燥速率7.5.2恒定(héngdìng)干燥條件下干燥時(shí)間的計(jì)算第三十九頁(yè)，共54頁(yè)。7.5.1干燥(gānzào)速率一、干燥曲線(qūxiàn)干燥曲線(qūxiàn)：物料含水量X與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線(qūxiàn)。A濕含量(hánliàng)XXctwDCBADCBtX*物料表面溫度干燥時(shí)間預(yù)熱段恒速段降速段預(yù)熱階段AB恒速干燥階段BC降速干燥階段CD在降速階段干燥速率的變化規(guī)律與物料性質(zhì)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。降速的原因大致有如下四個(gè)。(1)實(shí)際汽化表面減少；(2)汽化面的內(nèi)移；(3)平衡蒸汽壓下降；(4)固體內(nèi)部水分的擴(kuò)散極慢

第四十頁(yè)，共54頁(yè)。二、干燥速率及干燥速率曲線1、干燥速率U：干燥器單位時(shí)間(shíjiān)內(nèi)在物料單位表面積上汽化的濕分量（kg濕分/(m2·s)）。微分形式為：2、干燥曲線干燥速度U與濕含量X的關(guān)系曲線。干燥過(guò)程的特征(tèzhēng)在干燥速率曲線上更為直觀。7.5.1干燥(gānzào)速率第四十一頁(yè)，共54頁(yè)。AB段：預(yù)熱階段，所需時(shí)間很短，干燥計(jì)算忽略。三、恒速干燥階段和降速干燥階段BC段：干燥速率保持恒定(héngdìng)，即基本上不隨物料含水量而變——恒速干燥階段。CDE段：在此階