化工原理干燥課件

1、第七章 干 燥 Chapter 7 Drying,概述（Introduction）,在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中所得到的固態(tài)產(chǎn)品或半成品往往含有過多的水分或有機(jī)溶劑 (濕分)，要制得合格的產(chǎn)品需要除去固體物料中多余的濕分。除濕方法：機(jī)械除濕——如離心分離、沉降、過濾。 干燥 ——利用熱能使?jié)裎锪现械臐穹制?。除濕程度高，但能耗大。慣用做法：先采用機(jī)械方法把固體所含的絕大部分濕分除去，然后再

2、通過加熱把機(jī)械方法無法脫除的濕分干燥掉，以降低除濕的成本。,干燥分類：,1.傳導(dǎo)干燥　熱能通過傳熱壁面以傳導(dǎo)方式傳給物料，產(chǎn)生的濕分蒸汽被氣相(又稱干燥介質(zhì))帶走，或用真空泵排走。例如紙制品可以鋪在熱滾筒上進(jìn)行干燥。,2.對(duì)流干燥　使干燥介質(zhì)直接與濕物料接觸，熱能以對(duì)流方式加入物料，產(chǎn)生的蒸汽被干燥介質(zhì)帶走。,3.輻射干燥　由輻射器產(chǎn)生的輻射能以電磁波形式達(dá)到物體的表面，為物料吸收而重新變?yōu)闊崮?，從而使?jié)穹謿饣?。例如用紅外線干燥法將自行

3、車表面油漆烘干。,4.介電加熱干燥　將需要干燥電解質(zhì)物料置于高頻電場(chǎng)中，電能在潮濕的電介質(zhì)中變?yōu)闊崮?，可以使液體很快升溫氣化。這種加熱過程發(fā)生在物料內(nèi)部，故干燥速率較快，例如微波干燥食品。,5、冷凍干燥 物料冷凍后，用干燥器抽成真空，并使再熱體循環(huán)，對(duì)物料提供必要的升華熱。冷凍干燥常用于醫(yī)藥品、生物制品及食品的干燥。真空干燥的特點(diǎn)：（1）操作溫度低，干燥速度快，熱的經(jīng)濟(jì)性好；（2）適用于維生素、抗菌素等熱敏性產(chǎn)

4、品以及在空氣中易氧化、易燃易爆的物料；,（3）適用于含有溶劑或有毒氣體的物料，溶劑回收容易；（4）在真空下干燥，產(chǎn)品含水量可以很低，適用于要求低含水量的產(chǎn)品；（5）由于加料口與產(chǎn)品排除口等處的密封問題，大型化、連續(xù)化生產(chǎn)有困難。,本章重點(diǎn)： 以不飽和熱空氣為干燥介質(zhì)，除去濕物料中水分的連續(xù)對(duì)流干燥過程。,干燥介質(zhì)：用來傳遞熱量（載熱體）和濕分（載濕體）的介質(zhì)。,由于溫差的存在，氣體以對(duì)流方式向固體物料傳熱，使?jié)穹制?在分壓差

5、的作用下，濕分由物料表面向氣流主體擴(kuò)散，并被氣流帶走。,,對(duì)流干燥過程原理,溫度為 t、濕分分壓為 p 的濕熱氣體流過濕物料的表面，物料表面溫度 ti 低于氣體溫度 t 。,注意：只要物料表面的濕分分壓高于氣體中濕分分壓，干燥即可進(jìn)行，與氣體的溫度無關(guān)。氣體預(yù)熱并不是干燥的充要條件，其目的在于加快濕分汽化和物料干燥的速度，達(dá)到一定的生產(chǎn)能力。,?H,t,q,W,,ti,,p,pi,,,,,?M,,,,,,,,,,,,干燥是熱、質(zhì)同時(shí)

6、傳遞的過程,干燥過程,熱空氣流過濕物料表面,熱量傳遞到濕物料表面,濕物料表面水分汽化并被帶走,表面與內(nèi)部出現(xiàn)水分濃度差,內(nèi)部水分?jǐn)U散到表面,,,,,傳熱過程,傳質(zhì)過程,傳質(zhì)過程,干燥過程推動(dòng)力：,傳質(zhì)推動(dòng)力：物料表面水分壓P表水 > 熱空氣中的水分壓P空水傳熱推動(dòng)力：熱空氣的溫度t空氣 >物料表面的溫度t物表,,對(duì)流干燥過程實(shí)質(zhì),干燥過程基本問題,解決這些問題需要掌握的基本知識(shí)有：(1) 濕分在氣固兩相間的傳遞規(guī)律；(

7、2) 濕氣體的性質(zhì)及在干燥過程中的狀態(tài)變化；(3) 物料的含水類型及在干燥過程中的一般特征； (4)干燥過程中物料衡算關(guān)系、熱量衡算關(guān)系和速率關(guān)系。本章主要介紹運(yùn)用上述基本知識(shí)解決工程中物料干燥的基本問題，介紹的范圍主要針對(duì)連續(xù)穩(wěn)態(tài)的干燥過程。,第一節(jié) 濕氣體的熱力學(xué)性質(zhì),濕空氣：指絕干空氣與水蒸汽的混合物。在干燥過程中，隨著濕物料中水份的汽化，濕空氣中水份含量不斷增加，但絕干空氣的質(zhì)量保持不變。因此，濕空氣性質(zhì)一般都以1kg

8、絕干空氣為基準(zhǔn)。 操作壓強(qiáng)不太高時(shí)，空氣可視為理想氣體。,,一、濕空氣的性質(zhì),常壓下濕空氣可視為理想氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律，,1、水氣分壓ｐv,（一）濕空氣中濕含量的表示方法,系統(tǒng)總壓 P ：濕空氣的總壓（kN/m2），即P干空氣 與P水之和。干燥過程中系統(tǒng)總壓基本上恒定不變。且干燥操作通常在常壓下進(jìn)行，常壓干燥的系統(tǒng)總壓接近大氣壓力，熱敏性物料的干燥一般在減壓下操作。,表明濕空氣被水汽飽和。,對(duì)于空氣-水蒸

9、氣系統(tǒng)：Mv=18.02kg/kmol，Mg=28.95 kg/kmol,濕空氣中水氣的質(zhì)量與絕干空氣的質(zhì)量之比。若濕分蒸汽和絕干空氣的摩爾數(shù) (nv, ng) 和摩爾質(zhì)量 (Mv , Mg),絕對(duì)濕度(濕度) H（Humidity）,總壓一定時(shí)，濕空氣的濕度只與水蒸汽的分壓有關(guān)。,Kg水蒸汽/kg絕干空氣,當(dāng)pV =ps時(shí)，濕度稱為飽和濕度，以Hs表示。,,相對(duì)濕度（Relative humidity）,濕度只表示濕空氣中所含水份的

10、絕對(duì)數(shù)，不能反映空氣偏離飽和狀態(tài)的程度（即氣體的吸濕能力）。,?值說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；? = 0 ， pv=0時(shí)，表示濕空氣中不含水分，為絕干空氣。? = 1 ， pv=ps時(shí)，表示濕空氣被水汽所飽和，不能再吸濕。對(duì)于空氣-水系統(tǒng)：,相對(duì)濕度：在總壓和溫度一定時(shí)，濕空氣中水汽的分壓pV 與系統(tǒng)溫度下水的飽和蒸汽壓 ps 之比的百分?jǐn)?shù)。,相對(duì)濕度（Relative humidity）,若

11、 t 總壓下濕空氣的沸點(diǎn)，最大? (空氣全為水汽) 濕分的臨界溫度，氣體中的濕分已是真實(shí)氣體，此時(shí)? =0，理論上吸濕能力不受限制。,= f (H, t) ps 隨溫度的升高而增加，H 不變,提高 t，???，氣體的吸濕能力增加，故空氣用作干燥介質(zhì)應(yīng)先預(yù)熱。H 不變而降低 t，??，空氣趨近飽和狀態(tài)。當(dāng)空氣達(dá)到飽和狀態(tài)而繼續(xù)冷卻時(shí)，空氣中的水份將呈液態(tài)析出。,1.比體積?H (Humid volume) 或濕比容 (m3/kg絕

12、干氣體),比容：1kg 絕干空氣和相應(yīng)水汽體積之比。,（二）濕空氣的比體積、比熱容和焓,2.比熱cH (Humid heat)或比熱容kJ/(kg· ℃),比熱：1kg 絕干空氣及相應(yīng)水汽溫度升高1℃所需要的熱量,式中：cg — 絕干空氣的比熱，kJ/(kg·℃)； cv — 水汽的比熱，kJ/(kg·℃) 。,對(duì)于空氣-水系統(tǒng)：溫度在273~393K范圍內(nèi)，cg=1.01 kJ

13、/(kg·℃)，cv=1.88 kJ/(kg·℃),3、焓I (Total enthalpy),焓：1kg 絕干空氣的焓與相應(yīng)水汽的焓之和。,由于焓是相對(duì)值，計(jì)算焓值時(shí)必須規(guī)定基準(zhǔn)狀態(tài)和基準(zhǔn)溫度，一般以0℃為基準(zhǔn)，且規(guī)定在0℃時(shí)絕干空氣和液態(tài)水的焓值均為零，則,對(duì)于空氣-水系統(tǒng)：,顯熱項(xiàng),汽化潛熱項(xiàng),,,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)：,,,（三）濕空氣的溫度,(1)干球溫度

14、t ：濕空氣的真實(shí)溫度，簡(jiǎn)稱溫度(℃ 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（Wet-bulb temperature） a.定義,q,N,對(duì)流傳熱,h,kH,氣體t, H,,氣膜,對(duì)流傳質(zhì),,,,液滴表面tw , Hw,,液滴,—— 濕球溫度 tw 定義式,(2) 空氣的濕球溫度（Wet-bulb temperature）,因流速等影響氣膜厚度的因素對(duì) α 和 kH 有相同的作用，可認(rèn)為 kH /

15、α與速度等因素?zé)o關(guān)，而僅取決于系統(tǒng)的物性。,飽和氣體: H = Hs，tw = t，即飽和空氣的干、濕球溫度相等。不飽和氣體:H < Hs，tw < t 。,對(duì)于空氣-水系統(tǒng)：,,結(jié)論： tw = f (t, H) ，氣體的 t 和 H 一定，tw 為定值。,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，測(cè)得的濕球溫度會(huì)有較大的誤差。,通過測(cè)定氣體的干

16、球溫度和濕球溫度，可以計(jì)算氣體的濕度：,,,,氣體,t,tw,,,,,濕球溫度的測(cè)定,物料充分濕潤，濕分在物料表面的汽化和在液面上汽化相同。物料經(jīng)過預(yù)熱，很快達(dá)到穩(wěn)定的溫度，由于對(duì)流傳熱強(qiáng)烈，物料溫度接近氣體的濕球溫度 tw。,對(duì)于空氣-水系統(tǒng)， tw<100℃。當(dāng)氣體的濕度一定時(shí)，氣體的溫度越高，干、濕球溫度的差值越大。結(jié)論：當(dāng)物料充分濕潤時(shí)，可以使用高溫氣體做干燥介質(zhì)而不至于燒毀物料。例如，可以使用500℃的氣體烘干淀粉。

17、,對(duì)初始溫度為 20℃、相對(duì)濕度為 80% 的常壓空氣,濕球溫度的測(cè)定,注意：(1)    濕球溫度tw為濕空氣溫度t和濕度H的函數(shù)，tw≤t，濕度越大，濕球溫度tw越高，越接近濕空氣溫度t，當(dāng)空氣達(dá)到飽和濕度時(shí)，tw=t。(2 測(cè)量濕球溫度時(shí)，空氣速度一般需大于5m/s，使對(duì)流傳熱起主要作用，相應(yīng)減少熱輻射和傳導(dǎo)的影響，使測(cè)量較為精確。,(3)絕熱飽和冷卻溫度tas,,,高溫不飽和空

18、氣與水在絕熱條件下進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)并達(dá)到平衡狀態(tài)的過程。達(dá)到平衡時(shí)，空氣與水溫度相等，空氣被水的蒸汽所飽和。,絕熱飽和過程 (Adiabatic saturation process)：,設(shè)塔與外界絕熱，在不飽和空氣與大量水充分接觸的過程中，水分會(huì)不斷汽化進(jìn)入空氣中，汽化所需的熱量由空氣溫度下降放出顯熱供給，水汽又將這部分熱量以汽化潛熱的形式帶回至空氣中。隨著過程的進(jìn)行，空氣的溫度沿塔高逐漸下降、濕度逐漸升高，若兩相有足夠長的接觸時(shí)間，最

19、終空氣為水汽所飽和，而溫度降到與循環(huán)水溫相同?？諝庠谒?nèi)的狀態(tài)變化是在絕熱條件下降溫、增濕直至飽和的過程，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度就是初始濕空氣的絕熱飽和冷卻溫度，與之相應(yīng)的濕度稱為絕熱飽和濕度，以Has表示。,由于 ras 和 Has 是 tas 的函數(shù)，故絕熱飽和溫度 tas 是氣體溫度 t 和濕度 H 的函數(shù)。已知 t 和 H，可以試差求解 tas。,對(duì)于空氣-水系統(tǒng)：,,絕熱飽和冷卻溫度：不飽和的濕空氣等焓降溫到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度。,

20、,tas,tw,大量空氣與少量濕物料接觸 大量濕物料與空氣接觸空氣的t，H不變 空氣的t，H 變化動(dòng)態(tài)平衡 靜態(tài)平衡,濕球溫度與絕熱飽和溫度對(duì)于空氣-水蒸汽系統(tǒng)，在數(shù)值上相等。但濕球溫度和絕熱飽和溫度是兩個(gè)完全不同的概念，區(qū)別如下：,(4)露點(diǎn)td,,,溫度為

21、t的不飽和空氣在等濕下冷卻至溫度等于td的飽和狀態(tài)，此時(shí)H = Hs,td。,露點(diǎn)：不飽和空氣等濕冷卻到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，以td表示；相應(yīng)的濕度為飽和濕度，以Hs,td 表示。處于露點(diǎn)溫度的濕空氣的相對(duì)濕度? = 1，空氣濕度達(dá)到飽和濕度， 濕空氣中水汽分壓等于露點(diǎn)溫度下水的飽和蒸氣壓，則,,水蒸氣-空氣系統(tǒng)：不飽和空氣t > tas （或 tw）> td；飽和空氣 t = tas = td,二、氣體濕度圖（Humidi

22、ty chart）,濕空氣參數(shù)的計(jì)算比較繁瑣，甚至需要試差。為了方便和直觀，通常使用濕度圖。,等濕線,等焓線,等溫線,,,,p-H線,空氣濕度圖的繪制 （Humidity chart）,對(duì)于空氣-水系統(tǒng)，tas ? tw，等 tas 線可近似作為等tw線。每一條絕熱冷卻線上所有各點(diǎn)都具有相同的 tas 。物理意義：以絕熱冷卻線上所有各點(diǎn)為始點(diǎn)，經(jīng)過絕熱飽和過程到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，所有各狀態(tài)的氣體的溫度都變?yōu)橥粶囟取?橫坐標(biāo)：空氣的濕度，所

23、有的縱線為等濕度線。左側(cè)縱坐標(biāo)：空氣的干球溫度，所有橫線為等溫線。,(1) 等濕度線 (等 H 線),(2) 等焓線（等 I 線）,對(duì)給定的 tas： t = f (H),,在同一條等濕線上不同點(diǎn)所代表的濕空氣狀態(tài)不同，但H相同，露點(diǎn)是將濕空氣等H冷卻至? = 1時(shí)的溫度。,(3) 等干球溫度線 (等 t 線),I與H呈直線關(guān)系，t越高，等t線的斜率越大，讀數(shù)0-250ºC。,,(4) 等相對(duì)濕度線 (等 ? 線),總壓 P

24、 一定，對(duì)給定的? ：因 ps= f (t) ， 故 H = f (t) 。,,(5) 蒸氣分壓線,,總壓 P 一定， ps= f (H) ， p-H 近似為直線關(guān)系。,,空氣濕焓圖的用法 （Use of humidity chart）,兩個(gè)參數(shù)在曲線上能相交于一點(diǎn)，即這兩個(gè)參數(shù)是獨(dú)立參數(shù)，這些參數(shù)才能確定空氣的狀態(tài)點(diǎn)。,,,? =100%，空氣達(dá)到飽和，無吸濕能力。? <100%，屬于未飽和空氣，可作為干燥介質(zhì)。 ? 越小

25、，干燥條件越好。,1.確定空氣的干燥條件,2.確定空氣的狀態(tài)點(diǎn)，查找其它參數(shù),3.確定絕熱飽和冷卻溫度,1）等I干燥過程等焓干燥過程又稱絕熱干燥過程。a.不向干燥器重補(bǔ)充熱量，即QD=0.b.忽略干燥器向周圍散失的熱量，即QL=0.c.物料進(jìn)出干燥器的焓相等，即G(I2’ _ I1’ )=0沿等I線 ，空氣t1 、t2已知，即可確定H1 、H2。2）等H干燥過程恒壓下，加熱或冷卻過程。,根據(jù) 圖上濕空氣的狀態(tài)點(diǎn)，

26、可方便地查出濕空氣的其它性質(zhì)參數(shù)。如圖片所示，已知空氣的狀態(tài)點(diǎn)為A，由通過A點(diǎn)的等ｔ、等H、等I 線可確定A點(diǎn)的溫度、濕度和焓。因?yàn)槁饵c(diǎn)是在空氣等濕冷卻至飽和時(shí)的溫度，所以等Ｈ線與 =100%的飽和空氣線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的等ｔ線所示的溫度即為露點(diǎn) .,絕熱飽和溫度是空氣等焓增濕至飽和時(shí)的溫度，因此，由等I 線與 =100%的飽和空氣線交點(diǎn)的等t線所示的溫度即為絕熱飽和溫度tas，對(duì)于水蒸汽～空氣系統(tǒng)，它也是濕球溫度tw。由

27、等H 線與蒸汽分壓線的交點(diǎn)可讀出濕空氣中水汽的分壓值。,,,A,若已知濕空氣的兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)分別為：t–tw、t–td、t–Φ ，濕空氣的狀態(tài)點(diǎn)Ａ的確定方法分別示于圖5-5（ａ）、（ｂ）及（ｃ）中。,,第二節(jié)干燥過程的物料衡算和熱量衡算,濕物料水分含量的表示方法,濕物料是絕干固體與液態(tài)濕分的混合物。濕基含水量 w：水分在濕物料中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。,干基含水量 X：濕物料中的水分與絕干物料的質(zhì)量比。,換算關(guān)系：,工業(yè)生產(chǎn)中，物料濕含量通常以

28、濕基含水量表示，但由于物料的總質(zhì)量在干燥過程中不斷減少，而絕干物料的質(zhì)量不變，故在干燥計(jì)算中以干基含水量表示較為方便。,二、干燥過程的物料衡算和熱量衡算,（一）物料衡算（Mass balance）,G1 — 濕物料進(jìn)口的質(zhì)量流率，kg/s；G2 — 產(chǎn)品出口的質(zhì)量流率，kg/s； Gc — 絕干物料的質(zhì)量流率，kg/s； w1 — 物料的初始濕含量； w2 — 產(chǎn)品濕含量； L — 絕干氣體的質(zhì)量流率，kg/s； H1

29、— 氣體進(jìn)干燥器時(shí)的濕度； H2 — 氣體離開干燥器時(shí)的濕度； W —單位時(shí)間內(nèi)汽化的水分量，kg/s。,,,濕物料G1 , w1,干燥產(chǎn)品G2 , w2,熱空氣L , H1,濕廢氣體L , H2,,,,,,水分蒸發(fā)量：,,絕干空氣消耗量,絕干空氣比消耗,作絕干物料的衡算：,--干燥產(chǎn)品，與絕干物料是有區(qū)別的。,（二）熱量衡算（Heat balance）,Qp —— 預(yù)熱器向氣體提供的熱量，kW；QD—— 向干燥器補(bǔ)充的熱

30、量，kW；QL — 干燥器的散熱損失，kW。,,,濕物料G1 , w1 , ?1, I’1,干燥產(chǎn)品G2 , w2 , ?2, I’2,熱氣體L, H1, t1, I1,濕廢氣體L, H2, t2, I2,,,,,,,,,濕氣體L, H0, t0, I0,,,,Qp,QD,QL,預(yù)熱器,干燥器,整個(gè)干燥系統(tǒng)的熱量衡算,在連續(xù)穩(wěn)定操作條件下，系統(tǒng)無熱量積累，單位時(shí)間內(nèi)(以1秒鐘為基準(zhǔn))：,,氣體焓變,,物料焓變,氣體

31、焓變：,整個(gè)干燥系統(tǒng)的熱量衡算,汽化濕分所需要的熱量：,物料焓變：,加熱固體產(chǎn)品所需要的熱量 ：,加熱空氣 ：,總熱量衡算 ：,,,預(yù)熱器的熱量衡算,預(yù)熱器的作用在于加熱空氣。根據(jù)加熱方式可分為兩類：直接加熱式：如熱風(fēng)爐。將燃燒液體或固體燃料后產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵苯佑米鞲稍锝橘|(zhì)；間接換熱式：如間壁換熱器。,空氣預(yù)熱器傳給氣體的熱量為,如果空氣在間壁換熱器中進(jìn)行加熱，則其濕度不變，H0=H1，即,通過預(yù)熱器的熱量衡算，結(jié)合傳熱基本方程式，

32、可以求得間壁換熱空氣預(yù)熱器的傳熱面積。,立筒式金屬體燃煤間接加熱熱風(fēng)爐,干燥器的熱量衡算,理想干燥過程：氣體放出的顯熱全部用于濕分汽化。多數(shù)工業(yè)干燥器無補(bǔ)充加熱，如果散熱損失可視為零，且物料的初始溫度與產(chǎn)品溫度相同，則加熱物料所消耗的熱量為零；或當(dāng)干燥器的補(bǔ)充加熱量恰等于加熱物料和散熱損失的熱量，則干燥過程可視為理想干燥過程。,理想干燥過程的熱量衡算式為,理想干燥過程可近似為等焓過程，對(duì)空氣-水系統(tǒng)：,干燥器的熱量衡算,熱氣體在干燥

33、器中冷卻而放出的熱量 ：,物理意義：氣體在干燥器中放出的熱量和補(bǔ)充加熱的熱量用于汽化濕分、加熱產(chǎn)品和補(bǔ)償設(shè)備的散熱損失。,干燥系統(tǒng)的熱效率和干燥效率,熱效率的定義：用于汽化濕分和加熱物料的熱量與外界向干燥系統(tǒng)提供的總熱量之比，即,Ql’, Ql ?，?h ?。干燥任務(wù)一定，氣體用量?，QL’ ↓，或?氣體用量， ? QD ，可以提高干燥系統(tǒng)的熱效率。,若 QL= QD =0,干燥系統(tǒng)的熱效率和干燥效率,干燥效率：汽化濕分所需熱量與氣體在

34、干燥器中放出的熱量之比值。（因?yàn)槠瘽穹值臒崃坎攀怯行崃浚?干燥系統(tǒng)的總效率 ：,對(duì)理想干燥過程： Qg= Qw，?d,max=100%,空氣通過干燥器的狀態(tài)變化,一. 理想干燥過程（絕熱干燥過程 ）,若干燥過程中忽略設(shè)備的熱損失和物料進(jìn)出干燥器的溫度的變化,而且不向干燥器補(bǔ)充熱量,此時(shí)干燥器內(nèi)空氣放出的顯熱全部用于蒸發(fā)濕物料中的水分,最后水分又將潛熱帶回空氣中,此時(shí)I1=I2,這種干燥過程稱為理想干燥過程,又稱絕熱

35、干燥或是等焓干燥.,,二.實(shí)際干燥過程,在實(shí)際干燥過程中,干燥器有一定的熱量損失,而且濕物料本身也要被加熱,即θ1≠θ2,因此空氣的狀態(tài)不是沿著絕熱冷卻線變化,這種情況比較復(fù)雜，大體可以分為以下幾種：1、操作線在過點(diǎn)B等焓線的下方 此過程的條件：（1） 不向干燥器補(bǔ)充熱量；（2） 不能忽略干燥器向周圍散失的熱量；（3）物料進(jìn)出干燥器時(shí)的焓不相等。,2、操作線在過點(diǎn)B的等焓線的上方 若向干燥器補(bǔ)充的熱量大于損失的熱量和加熱物

36、料消耗的熱量總和：,得：,3、操作線在過點(diǎn)B的等溫線若向干燥器補(bǔ)充的熱量足夠多，恰使干燥過程在等溫下進(jìn)行，即空氣在干燥過程中維持恒定的溫度。,例1 某濕物料在常壓氣流干燥器中進(jìn)行干燥。濕物料流量為2400kg/h，初始濕基含水量為3.5%，干燥產(chǎn)品的濕基含水量為0.5%。溫度為20℃，濕度為0.005kg/kg絕干氣的空氣經(jīng)間接預(yù)熱后溫度升高至120℃進(jìn)入干燥器。假設(shè)干燥過程為理想干燥過程。試求：當(dāng)空氣離開干燥器的溫度為60℃時(shí)，

37、（1）絕干空氣的消耗量； （2）預(yù)熱器所需提供的熱量,因理想干燥過程可看作等焓干燥：,,,,,=0.0285 kg/kg絕干氣,絕干物料量：,,kg絕干料/h,,絕干料,絕干料,絕干空氣消耗量：,,kg絕干氣/h,預(yù)熱器所需要提供的熱量：,,例2某濕物料在常壓理想干燥器中進(jìn)行干燥，濕物料的流率為 ，初始濕含量（濕基，下同）為3.5%，干燥產(chǎn)品的濕含量為0.5%。空氣狀況為：初始溫度為25℃、濕

38、度為 ，經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)干燥器的溫度為160℃，如果離開干燥器的溫度選定為60℃或40℃，試分別計(jì)算需要的空氣消耗量及預(yù)熱器的傳熱量。又若空氣在干燥器的后續(xù)設(shè)備中溫度下降了10℃，試分析以上兩種情況下物料是否返潮？,解： (1) w1= 0.035，w2= 0.005，∴,kg水/kg干物料,kg水/kg干物料,絕干物料：Gc = G1(1－w1) = 1?(1－0.035) = 0.965 kg/s水分蒸發(fā)量：W= Gc(X1－X2)

39、 = 0.03 kg/s,空氣消耗量：,H1= H0 = 0.005 kg水/kg干空氣,t2 = 60℃時(shí) ∵干燥為等焓過程 ∴查圖H2 = 0.0438 kg水/kg干空氣∴L = 0.773 kg干空氣/sQ = L(I1－I0) = L(1.01+1.88H0)(t1－t0)= 0.773? (1.01+1.88?0.005) ?(160－25) = 106.4 kJ/st2 = 40℃時(shí)，查圖H

40、2 = 0.0521kg水/kg干空氣∴L = 0.637 kg干空氣/s∴Q = L(I1－I0) = 87.68 kJ/s,H = 0.0438 kg水/kg干空氣時(shí) td = 38℃ ＜ 50℃ ∴不返潮H = 0.0521 kg水/kg干空氣時(shí) td = 40℃ ＞ 30℃ ∴返潮,例3 采用廢氣循環(huán)干燥流程干燥某物料，溫度 為20℃、相對(duì)濕度 為7

41、0%的新鮮空氣與干燥器出來的溫度 為50℃相對(duì)濕 度 為80%的部分廢氣混合后進(jìn)入預(yù)熱器，循環(huán)的廢氣量為離開干燥器廢空氣量的80%?；旌蠚馍邷囟群笤龠M(jìn)入并流操作的常壓干燥器中，離開干燥器的廢氣除部分循環(huán)使用外，其余放空。濕物料經(jīng)干燥后濕基含水量從47%降至5%,濕物料流量為 ，設(shè)干燥過程為絕熱過程，預(yù)熱器的熱損失可忽略不計(jì)。試求：①新鮮空氣的流量；②整個(gè)干燥系統(tǒng)所需熱量；③進(jìn)

42、入預(yù)熱器濕空氣的溫度。,第三節(jié) 固體物料在干燥過程中的平衡關(guān)系與速率關(guān)系,濕分的傳遞方向 (干燥或吸濕) 和限度 (干燥程度) 由濕分在氣體和固體兩相間的平衡關(guān)系決定。,,,,,,,,p,X,ps,Xh,平衡狀態(tài)：當(dāng)濕含量為 X 的濕物料與濕分分壓為 p 的不飽和濕氣體接觸時(shí)，物料將失去自身的濕分或吸收氣體中的濕分，直到濕分在物料表面的蒸汽壓等于氣體中的濕分分壓。平衡含水量：平衡狀態(tài)下物料的含水量。不僅取決于氣體的狀態(tài)，還與物料的

43、種類有很大的關(guān)系。,,X*,,p,物料中的水分,1.結(jié)合水分與非結(jié)合水分,一定干燥條件下，水分除去的難易，分為結(jié)合水與非結(jié)合水。非結(jié)合水分：與物料機(jī)械形式的結(jié)合，附著在物料表面的水，具有和獨(dú)立存在的水相同的蒸汽壓和汽化能力。,,,,,濕含量 X,Xh,相對(duì)濕度 ?,,,,,,非結(jié)合水分,結(jié)合水分,自由水分,平衡水分,X*,0,1.0,0.5,,結(jié)合水分按結(jié)合方式可分為：吸附水分、毛細(xì)管水分、溶漲水分(物料細(xì)胞壁內(nèi)的水分)和化學(xué)結(jié)合水分

44、(結(jié)晶水)?；瘜W(xué)結(jié)合水分與溶漲水分以化學(xué)鍵形式與物料分子結(jié)合，結(jié)合力較強(qiáng)，難汽化；吸附水分和毛細(xì)管水分以物理吸附方式與物料結(jié)合，結(jié)合力相對(duì)較弱，易于汽化。,結(jié)合水分：與物料存在某種形式的結(jié)合，其汽化能力比獨(dú)立存在的水要低，蒸汽壓或汽化能力與水分和物料結(jié)合力的強(qiáng)弱有關(guān)。,2.平衡水分和自由水分,一定干燥條件下，按能否除去，分為平衡水分與自由水分。平衡水分：低于平衡含水量 X* 的水分，是不可除水分。自由水分：高于平衡含水量 X*

45、的水分，是可除水分。,吸濕過程：若 X<Xh ，則物料將吸收飽和氣體中的水分使?jié)窈吭黾又翝窈?Xh，即最大吸濕濕含量，物料不可能通過吸收飽和氣體中的濕分使?jié)窈砍^ Xh。欲使物料增濕超過 Xh，必須使物料與液態(tài)水直接接觸。,干燥過程：當(dāng)濕物料與不飽和空氣接觸時(shí)，X 向 X* 接近，干燥過程的極限為 X*。物料的 X* 與濕空氣的狀態(tài)有關(guān)，空氣的溫度和濕度不同，物料的 X* 不同。欲使物料減濕至絕干，必須與絕干氣體接觸。,物料

46、的吸濕性,物料濕含量的平衡曲線有兩種極端情況。強(qiáng)吸濕性物料：與水分的結(jié)合力很強(qiáng)，平衡線只是漸近地與? = 100% 接近，平衡濕含量很大。如某些生物材料。非吸濕性物料：與水結(jié)合力很弱，平衡線與縱坐標(biāo)基本重合，X*=Xh?0，如某些不溶于水的無機(jī)鹽(碳酸鹽、硅酸鹽)等。,一般物料的吸濕性都介于二者之間。,兩種分類方法的不同：自由水分是在干燥中可以除去的水分，而平衡水分是不能除去的，自由水分和平衡水分的劃分除與物料有關(guān)外，還決定于空

47、氣的狀態(tài)。非結(jié)合水分是在干燥中容易除去的水分，而結(jié)合水分較難除去。是結(jié)合水還是非結(jié)合水僅決定于固體物料本身的性質(zhì)，與空氣狀態(tài)無關(guān)。,對(duì)流干燥的基本規(guī)律,,在恒定條件下（空氣溫度、濕度、流速及其與物料的接觸狀況保持恒定），定時(shí)測(cè)定物料的質(zhì)量變化，并記錄每一時(shí)間間隔內(nèi)物料質(zhì)量變化及物料表面溫度，直至物料的質(zhì)量恒定為止。,對(duì)一定干燥任務(wù)，干燥器尺寸取決于干燥時(shí)間和干燥速率。由于干燥過程的復(fù)雜性，通常干燥速率不是根據(jù)理論進(jìn)行計(jì)算，而是通過

48、實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。為了簡(jiǎn)化影響因素，干燥實(shí)驗(yàn)都是在恒定干燥條件下進(jìn)行的，即在一定的氣－固接觸方式下，固定空氣的溫度、濕度和流過物料表面的速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為保證恒定干燥條件，采用大量空氣干燥少量物料，以使空氣的溫度、濕度和流速在干燥器中恒定不變。實(shí)驗(yàn)為間歇操作，物料的溫度和含水量隨時(shí)間連續(xù)變化。,干燥曲線和干燥速率曲線 Drying curve and drying-rate curve,恒速干燥段 (Constant-rate perio

49、d) BC ：物料溫度恒定在 tw，X~? 變化呈直線關(guān)系，氣體傳給物料的熱量全部用于濕分汽化。,預(yù)熱段(Pre-heat period)AB：初始含水量 X1 和溫度 ? 1 變?yōu)?X 和 tw。物料吸熱升溫以提高汽化速率，但濕含量變化不大。,干燥曲線：物料含水量 X 與干燥時(shí)間 ? 的關(guān)系曲線。,干燥曲線和干燥速率曲線,,,,降速干燥段 (Falling-rate period)CDE：物料開始升溫，X 變化減慢，氣體傳給物料

50、的熱量僅部分用于濕分汽化，其余用于物料升溫，當(dāng) X = X* ，? = t。,三、恒定干燥條件下的干燥速率與干燥時(shí)間,干燥速率u：干燥器單位時(shí)間內(nèi)單位干燥表面積上的汽化的水分量 (kg水分/( m2 s))。微分形式為：,式中：u —— 干燥器的干燥速率，kg/ (m2 s)； W —— 汽化水份量，kg； Gc —— 絕干物料的質(zhì)量，kg；,如果物料形狀是不規(guī)則的，干燥面積不易求出，則可使用

51、干燥速率進(jìn)行計(jì)算。,一、間歇干燥過程的干燥速率曲線,干燥曲線和干燥速率曲線,干燥速率曲線：干燥速率 u 與濕含量 X 的關(guān)系曲線。干燥過程的特征在干燥速率曲線上更為直觀。,u,設(shè)物料的初始濕含量為 X1，產(chǎn)品濕含量為 X2：當(dāng) X1＞Xc 和 X2＜Xc 時(shí)，干燥有兩個(gè)階段；當(dāng) X1＜Xc 或 X2＞Xc 時(shí)，干燥都只有一個(gè)階段，即降速干燥或恒速干燥段。,由于物料預(yù)熱段很短，通常將其并入恒速干燥段；以臨界濕含量 Xc 為界，

52、可將干燥過程只分為恒速干燥和降速干燥兩個(gè)階段。,,,,,,,,,A,B,C,D,,,干燥速率 u或N,,,,,A,B,C,D,物料溫度?,,tw,Xc,X*,濕含量 X,I,II,,C’,理論解釋,1、恒速干燥段：物料表面濕潤，其狀況與濕球溫度計(jì)的濕棉布表面的狀況類似。物料表面的溫度等于空氣的濕球溫度（假設(shè)濕物料受輻射傳熱的影響可忽略）。 X > Xc，汽化的是非結(jié)合水。,恒定干燥條件下,α和 kH 不變,由物料內(nèi)部向表面輸送的

53、水分足以保持物料表面的充分濕潤，干燥速率由水分汽化速率控制(取決于物料外部的干燥條件)，故恒速干燥段又稱為表面汽化控制階段。,濕物料與空氣間的q 和 N 恒定,,,由于物料表面和空氣間的傳熱和傳質(zhì)過程與測(cè)濕球溫度時(shí)的情況基本相同：,一批操作中空氣傳給物料的總熱量，kJ。,在恒定干燥階段，空氣傳給濕物料的顯熱恰等于水分汽化所需的汽化熱：,恒速干燥的特點(diǎn)：（1）u=uc=const.（2）物料表面溫度為tw；（3）在該階段除去的

54、水分為非結(jié)合水分。（4）恒速干燥階段的干燥速率只與空氣的狀態(tài)有關(guān)，而與物料的種類無關(guān)。,物料的結(jié)構(gòu)和吸濕性,降速段干燥速率曲線的形狀因物料的結(jié)構(gòu)和吸濕性而異。,A 多孔性物料 (Porous media)：濕分主要是藉毛細(xì)管作用由內(nèi)部向表面遷移。B 非吸濕性物料 (Nonhygroscopic media)：依靠毛細(xì)管力的作用使水分向表面?zhèn)鬟f。C 吸濕性物料 (Hygroscopic media)：與水分的親合能力大。D 非多

55、孔性物料 (Nonporous media)：借助擴(kuò)散作用向物料表面輸送濕分，或?qū)穹窒仍趦?nèi)部汽化后以汽態(tài)形式向表面擴(kuò)散遷移。如肥皂、木材、皮革等。不同物料的干燥機(jī)理不同，濕分內(nèi)擴(kuò)散機(jī)理不同，干燥速率曲線的形狀不同，情況非常復(fù)雜，故干燥曲線應(yīng)由實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定。,2、降速干燥段：X < Xc物料實(shí)際汽化表面變小 (出現(xiàn)干區(qū))，第一降速段； 隨著干燥過程的進(jìn)行，物料內(nèi)部水分遷移到表面的速率已經(jīng)小于表面水分的汽化速率。物

56、料表面不能再維持全部潤濕，而出現(xiàn)部分“干區(qū)”，即實(shí)際汽化表面減少。去除的水分為結(jié)合、非結(jié)合水分。汽化表面內(nèi)移，第二降速段； 當(dāng)物料全部表面都成為干區(qū)后，水分的汽化面逐漸向物料內(nèi)部移動(dòng)，傳熱是由空氣穿過干料到汽化表面，汽化的水分又從濕表面穿過干料到空氣中，降速干燥階段又稱為物料內(nèi)部遷移控制階段。,降速干燥階段特點(diǎn)：（1）隨著干燥時(shí)間的延長，干基含水量X減小，干燥速率降低；（2）物料表面溫度大于濕球溫度；（3）除去的水分為

57、非結(jié)合、結(jié)合水分；（4）降速干燥階段的干燥速率與物料種類、結(jié)構(gòu)、形狀及尺寸有關(guān)，而與空氣狀態(tài)關(guān)系不大。,3、臨界濕含量（Critical moisture content）,物料在干燥過程中經(jīng)歷了預(yù)熱、恒速、降速干燥階段，用臨界含水量Xc加以區(qū)分，Xc越大，越早地進(jìn)入降速階段，使完成相同的干燥任務(wù)所需的時(shí)間越長，Xc的大小不僅與干燥速率和時(shí)間的計(jì)算有關(guān)，同時(shí)由于影響兩個(gè)階段的因素不同，因此確定Xc值對(duì)強(qiáng)化干燥過程也有重要意義。 X

58、c 決定兩干燥段的相對(duì)長短，是確定干燥時(shí)間和干燥器尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)制定干燥方案和優(yōu)化干燥過程十分重要。,注意：Xc 與物料的厚度、大小以及干燥速率有關(guān)，所以不是物料本身的性質(zhì)。一般需由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。,第四節(jié) 干燥過程的計(jì)算,物料的停留時(shí)間應(yīng)大等于給定條件下將物料干燥至指定的含水量所需的干燥時(shí)間，并由此確定干燥器尺寸。,若已知物料的初始濕含量 X1 和臨界濕含量 Xc，則恒速段的干燥時(shí)間為,恒速干燥段的干燥時(shí)間,若傳熱干燥面積 S 為已知，

59、則由上式求干燥時(shí)間 ? 的問題歸結(jié)為氣固對(duì)流給熱系數(shù) α 的求取。,1.恒定干燥條件下干燥時(shí)間的計(jì)算,恒速干燥段的干燥時(shí)間,(1) 空氣平行流過靜止物料層的表面,L’ — 濕氣體質(zhì)量流速，kg/(m2·h)；,(2) 空氣垂直流過靜止物料層的表面,適用條件：L’=2450~29300 kg/(m2·h)，氣體溫度 45~150℃。,適用條件：L’=3900~19500 kg/(m2·h),(3) 氣體與運(yùn)動(dòng)

60、著的顆粒間的傳熱,注意：利用上述方程計(jì)算給熱系數(shù)來確定干燥速率和干燥時(shí)間，其誤差較大，僅能作為粗略估計(jì)。,降速干燥段的干燥時(shí)間,(1) 圖解積分法,降速段的干燥時(shí)間可以從物料干燥曲線上直接讀取。計(jì)算上通常是采用圖解法或解析法。,當(dāng)降速段的u ~ X 呈非線性變化時(shí)，應(yīng)采用圖解積分法。,在 X2 ~ Xc 之間取一定數(shù)量的 X 值，從干燥速率曲線上查得對(duì)應(yīng)的 u，計(jì)算 Gc /Su；作圖Gc /Su ~ X，計(jì)算曲線下面陰影部分的面積。

61、,,,X,o,Xc,X2,,Gc / Su,,,,,,,,降速干燥段的干燥時(shí)間,(2) 解析法,當(dāng)降速段的u ~ X 呈線性變化時(shí)，可采用解析法。,降速段干燥速率曲線可表示為,,,,,,,,A,B,C,D,,干燥速率 u,X,u,Xc,X*,濕含量 X,uc,,,,當(dāng)缺乏平衡水分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可以假設(shè) X* = 0，則有,干燥時(shí)間為：τ = τ1 + τ2,例1 在盤式干燥器中，將某濕物料的含水量從0.6干燥至0.1（干基，下同）經(jīng)歷了

62、4個(gè)小時(shí)恒定干燥操作。已知物料的臨界含水量為0.15，平衡含水量為0.02，且降速干燥段的干燥速率與物料的含水量近似成線性關(guān)系。試求：將物料含水量降至0.05需延長多少干燥時(shí)間？,包括恒速及降速兩個(gè)階段。恒速干燥段所需要時(shí)間：,,降速段干燥時(shí)間：,,,所以，總的干燥時(shí)間為：,原工況下的干燥時(shí)間為：,,新工況下的干燥時(shí)間為：,,=4.994h,,或采用下列公式直接計(jì)算：,,例2在恒定干燥條件下的箱式干燥器內(nèi)，將濕染料由濕基含水量45%干燥

63、到3%，濕物料的處理量為8000㎏濕染料，實(shí)驗(yàn)測(cè)得：臨界濕含量為30%，平衡濕含量為1%，總干燥時(shí)間為28h。試計(jì)算在恒速階段和降速階段平均每小時(shí)所蒸發(fā)的水分量。,解：w1 = 0.45,kg水/kg干料,kg水/kg干料,w2 = 0.03,同理 X0= 0.429 kg水/kg干料 X* = 0.01 kg水/kg干料 ? = 28h,? ?1 = 0.31?2,又 ∵ ?1+ ?2 = ? = 28h ∴ ?1 = 6.

64、6h ?2 = 21.4hGc = 8000×(1－0.45) = 4400 kg干料,kg水/h,kg水/h,第五節(jié) 干燥設(shè)備,干燥器的主要類型,在化工生產(chǎn)中，由于被干燥物料的形狀（如塊狀、粒狀、溶液、漿狀及膏糊狀等）和性質(zhì)（如耐熱性、含水量、分散性、粘性、耐酸堿性、防爆性及濕度等）各不相同；生產(chǎn)規(guī)?；蛏a(chǎn)能力存在很大差別；對(duì)于干燥后的產(chǎn)品要求（如含水量、形狀、強(qiáng)度及粒度等）也不盡相同，因此，所采用的干燥方法

65、和干燥器的型式也是多種多樣的。通常，對(duì)干燥器的主要要求為：     （1）能保證干燥產(chǎn)品的質(zhì)量要求，如含水量、強(qiáng)度、形狀等。（2）要求干燥速率快、干燥時(shí)間短，以減小干燥器的尺寸、降低耗能量，同時(shí)還應(yīng)考慮干燥器的輔助設(shè)備的規(guī)格和成本，即經(jīng)濟(jì)性要好。（3）操作控制方便，勞動(dòng)條件好。,,一、廂式干燥器（盤式干燥器）廂式干燥器又稱室式干燥器，一般小型的稱為烘箱，大型的稱為烘房。廂式干燥器為間歇式

66、常壓干燥設(shè)備的典型。廂體四壁用絕熱材料制成，以減小熱損失。,,二、帶式干燥器,,,,,帶式干燥器是把物料均勻地鋪在帶上，帶子在前移過程中與干燥介質(zhì)接觸，從而使物料得到干燥。帶式干燥器基本上是一個(gè)走廊，其內(nèi)裝置帶式輸送設(shè)備，根據(jù)工藝的不同要求，可以在每個(gè)區(qū)段采用不同的氣流方向（如圖中的下吹與上吹）、不同溫度和濕度的氣體。,,洞道式干燥器,三、沸騰床干燥器（又稱流化床干燥器）,使顆粒狀物料與流動(dòng)的氣體或液體相接觸，并在后者作用下粒子相互分離

67、，且作上下、左右、前后的運(yùn)動(dòng)，這種類似流體狀態(tài)以完成某種操作過程的技術(shù)稱為流態(tài)化技術(shù)。由于干燥操作的工藝性質(zhì)，采用的是以氣體作介質(zhì)的固體流態(tài)化技術(shù)。,,,,多層圓筒沸騰床干燥器,臥室多室沸騰床干燥器,四、氣流干燥器,氣流干燥是指濕態(tài)時(shí)為泥狀、粉粒狀或塊狀的物料在熱氣流中分散成粉粒狀，一邊隨熱氣流并流輸送，一邊進(jìn)行干燥。對(duì)于泥狀物料，需裝設(shè)粉碎加料裝置，使其粉碎后再進(jìn)入干燥器；即使對(duì)塊狀物料，也可采用附設(shè)有粉碎加料裝置的氣流干燥器進(jìn)行干燥

68、。,,五、轉(zhuǎn)筒干燥器,其主體為稍作傾斜而緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的長圓筒，熱物料從較高的一端進(jìn)人，與由下端進(jìn)人的熱空氣或煙道氣作直接逆流接觸，隨著圓筒的旋轉(zhuǎn)，物料在重力作用下流向較低的一端時(shí)即被干燥完畢而送出。,,六、噴霧干燥器,,,離心式霧化器       壓力式霧化器        氣流式霧化器,七、滾筒