化工原理--干燥.ppt

干 燥 概述（概述（IntroductionIntroduction）在化学工业生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过多的水分或有机溶剂(湿份)，要制得合格的产品需要除去固体物料中多余的湿份。除湿方法：机械除湿如离心分离、沉降、过滤。干燥 利用热能使湿物料中的湿份汽化。除湿程度高，但能耗大。惯用做法：先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿份除去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉，以降低除湿的成本。干燥分类：对流干燥过程原理湿热气体流过湿物料的表面，物料表面温度低于气体温度;由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。干燥是热、质同时传递的过程干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。注意：只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压，干燥即可进行，与气体的温度无关。气体预热并不是干燥的充要条件，其目的在于加快湿份汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力。HtqWtippiM干燥过程热空气流过湿物料表面热量传递到湿物料表面湿物料表面水分汽化并被带走表面与内部出现水分浓度差内部水分扩散到表面传热过程传热过程传质过程传质过程传质过程传质过程干燥过程推动力传质推动力：物料表面水分压P表水 热空气中的水分压P空水传热推动力：热空气的温度t空气 物料表面的温度t物表对流干燥过程实质除水分量除水分量空气消耗量空气消耗量干燥产品量干燥产品量热量消耗热量消耗干燥时间干燥时间物料衡算物料衡算能量衡算能量衡算涉及干燥速率和水在涉及干燥速率和水在气固相的平衡关系气固相的平衡关系涉及湿空气的性质涉及湿空气的性质干燥过程基本问题解决这些问题需要掌握的基本知识有：(1)湿分在气固两相间的传递规律；(2)湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化；(3)物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征；(4)干燥过程中物料衡算关系、热量衡算关系和速率关系。本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基本问题，介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。第一节第一节 湿气体的热力学性质湿气体的热力学性质 湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。在干燥过程中，随着湿物料中水份的汽化，湿空气中水份含量不断增加，但绝干空气的质量保持不变。因此，湿空气性质一般都以1kg绝干空气为基准。操作压强不太高时，空气可视为理想气体。系统总压 P：湿空气的总压（kN/m2），即P干空气 与P水之和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。干燥操作通常在常压下进行，常压干燥的系统总压接近大气压力，热敏性物料的干燥一般在减压下操作。湿空气是混合物，则混合的比例是多少呢？所以要研究，湿度性质（湿度，相对湿度，绝对湿度百分数）空气是气体，应适用于气体状态方程，即温度、压力、体积。所以要研究，温度性质（干球温度、湿球温度、绝热饱和湿度、露点）容积性质（湿容积、饱和湿容积）。由于大气压力，对一定地区，约为定值，所以不研究压力性质。要研究空气对湿物料的传热，所以要研究，空气的比热性质（湿热焓）实质是研究空气的四大类性质。为了叙述方便，我们假设下面三个前提：（1）干燥过程的湿空气，可作为理想气体处理，诸如理想气体方程式，道尔顿分压定律，均可应用于湿空气。（2）因为干空气是作为热载体，它的质量在干燥过程中始终不变，所以湿空气的有关参数均为单位质量的干空气为基准。（3）系统总压 101.3。湿空气中含量的表示方法湿空气中水汽分压湿度：湿空气中单位质量干空气所具有的水汽质量 相对湿度：在一定总压下，湿空气的水汽分压与同温下饱和水蒸汽压之比 表示了湿空气吸湿能力 对于空气-水蒸气系统：Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96 kg/kmol湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。若湿份蒸汽和绝干空气的摩尔数(nw,ng)和摩尔质量(Mw,Mg)绝对湿度绝对湿度(湿度湿度)H H总压一定时，湿空气的湿度只与水蒸汽的分压有关。当p=ps时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。湿度只表示湿空气中所含水份的绝对数，不能反映空气偏离饱和状态的程度（即气体的吸湿能力）。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；=0，p=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。=1，p=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿。对于空气-水系统：相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压p与系统温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数。若 t 总压下湿空气的沸点，湿份 ps P，最大(空气全为水汽)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。j=f(H,t)ps 随温度的升高而增加，H 不变提高 t，气体的吸湿能力增加，故空气用作干燥介质应先预热。H 不变而降低 t，空气趋近饱和状态。当空气达到饱和状态而继续冷却时，空气中的水份将呈液态析出。比容H或湿比容：即每Kg干空气和其所带的HKg水汽所具有的体积 比热容cH：1Kg干空气和其所带的HKg水汽升高温度1，所需的热量 式中：cg 绝干空气的比热 cv 水汽的比热对于空气-水系统：cg=1.01 kJ/(kg)，cv=1.88 kJ/(kg)焓：1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。由于焓是相对值，计算焓值时必须规定基准状态和基准温度，一般以0为基准，且规定在0时绝干空气和水汽的焓值均为零，则对于空气-水系统：显热项汽化潜热项当热、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：干燥过程中的物料温度 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。空气的湿球温度：qN对流传热hkH气体t,H气膜对流传质液滴表面tw,Hw液滴 湿球温度 tw 定义式 当湿球温度计上温度达到稳定时，空气向棉布表面的传热速率为：气膜中水气向空气的传递速率为:在稳定状态下，传热速率与传质速率之间关系为:左边的温度计（A），感温球裸露在空气中，则此温度计所测得的温度为空气的干球温度。右边的温度计（B），感温球用纱布包裹，纱布用水保持湿润，则此温度计所测得的温度为空气的湿球温度。因流速等影响气膜厚度的因素对和 kH 有相同的作用，可认为kH/与速度等因素无关，而仅取决于系统的物性。饱和气体:H=Hs，tw=t，即饱和空气的干、湿球温度相等。不饱和气体:H Hs，tw t。对于空气-水系统：露点:不饱和的湿空气在总压与湿度保持不变的情况下，降低温度，使之达到饱和状态之湿度，即为露点 某湿空气Td下的湿度Hs与该湿空气在某一温度下的湿度H应相等 即已知露点求湿度的原理 若总压P，湿度H为已知,可求出饱和水蒸气分压ps;查水蒸气压表，与ps相应温度即为露点。此即已知湿度求露点的原理。绝热饱和冷却温度绝热饱和冷却温度tas绝热饱和冷却温度：不饱和的湿空气等焓降温到饱和状态时的温度。高温不饱和空气与水在绝热条件下进行传热、传质并达到平衡状态的过程。达到平衡时，空气与水温度相等，空气被水的蒸汽所饱和。因为是绝热过程，所以空气的焓是不会变的:对于不饱和的湿空气对于饱和的湿空气 气体湿度图气体湿度图计算湿空气的某些状态参数时，要采用麻烦的试差计算法，为了避免这种非常麻烦的方法，将表达湿空气各种参数的计算式标绘在坐标图上，只要知道湿空气任意两个独立参数，即可以从图上迅速地查出其它参数，常用的图有湿度焓图等 等湿线等焓线等温线饱和空气线p-H线空气湿度图的绘制 1、横坐标：空气的湿度，所有的横线为等湿度线。2、右侧纵坐标：空气的干球温度，所有纵线为等温线。3、等湿度线:是与横轴平行的一组直线，H值在水平辅助轴上读出。4、等焓线：是与横轴平行的一组直线，值从纵轴上读出。5、等干球温度线，简称等t线，所有与纵坐标平行的直线都是等t线。6等相对湿度线7绝热饱和（冷却）线、等湿球温度线 绝热饱和线又称为绝热冷却线。8等焓线：这些线近似为直线。9湿比热容线 湿比热容线为直线。10干空气比容线、饱和比容线、干空气比容线按干空气比容与温度关系绘制，它在图上为一直线。等干球温度线等相对湿度线蒸气分压线空气湿焓图的用法 两个参数在曲线上能相交于一点，即这两个参数是独立参数，这些参数才能确定空气的状态点。=100%，空气达到饱和，无吸湿能力。100%，属于未饱和空气，可作为干燥介质。越小，干燥条件越好。1.确定空气的干燥条件2.确定空气的状态点，查找其它参数3.确定绝热饱和冷却温度1）等I干燥过程等焓干燥过程又称绝热干燥过程。a.不向干燥器重补充热量，即QD=0.b.忽略干燥器向周围散失的热量，即QL=0.c.物料进出干燥器的焓相等，即G(I2 _ I1)=0沿等I线，空气t1、t2意志，即可确定H1、H2。2）等H干燥过程恒压下，加热或冷却过程。干燥过程的物料衡算和热量衡算干燥过程的物料衡算和热量衡算湿物料水分含量的表示方法 湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。湿基含水量 w：水分在湿物料中的质量百分数。干基含水量 X：湿物料中的水分与绝干物料的质量比。换算关系：工业生产中，物料湿含量通常以湿基含水量表示，但由于物料的总质量在干燥过程中不断减少，而绝干物料的质量不变，故在干燥计算中以干基含水量表示较为方便。物料衡算干燥产品流量 G2G1 湿物料进口的质量流率，kg/s；G2 产品出口的质量流率，kg/s；Gc 绝干物料的质量流率，kg/s；w1 物料的初始湿含量；w2 产品湿含量；L 绝干气体的质量流率，kg/s；H1 气体进干燥器时的湿度；H2 气体离开干燥器时的湿度；W 单位时间内汽化的水分量，kg/s。湿物料G1,w1干燥产品G2,w2热空气L,H1湿废气体L,H2出干燥器的绝干物料=入干燥器的绝干物料 物料衡算水分蒸发量：G1 湿物料进口的质量流率，kg/s；G2 产品出口的质量流率，kg/s；Gc 绝干物料的质量流率，kg/s；w1 物料的初始湿含量；w2 产品湿含量；L 绝干气体的质量流率，kg/s；H1 气体进干燥器时的湿度；H2 气体离开干燥器时的湿度；W 单位时间内汽化的水分量，kg/s。湿物料G1,w1干燥产品G2,w2热空气L,H1湿废气体L,H2物料衡算空气消耗量:G1 湿物料进口的质量流率，kg/s；G2 产品出口的质量流率，kg/s；Gc 绝干物料的质量流率，kg/s；w1 物料的初始湿含量；w2 产品湿含量；L 绝干气体的质量流率，kg/s；H1 气体进干燥器时的湿度；H2 气体离开干燥器时的湿度；W 单位时间内汽化的水分量，kg/s。绝干空气消耗量绝干空气比消耗湿物料G1,w1干燥产品G2,w2热空气L,H1湿废气体L,H2热量衡算湿物料Gc,X1,1,I1干燥产品Gc,X2,2,I2热气体L,H1,t1,I1湿废气体L,H2,t2,I2湿气体L,H0,t0,I0QpQdQl预热器干燥器湿物料Gc,X1,1,I1干燥产品Gc,X2,2,I2热气体L,H1,t1,I1湿废气体L,H2,t2,I2湿气体L,H0,t0,I0QpQdQl预 热器干燥器湿份在气体和固体间的平衡关系 湿份的传递方向(干燥或吸湿)和限度(干燥程度)由湿份在气体和固体两相间的平衡关系决定。平衡状态：当湿含量为 X 的湿物料与湿份分压为 p 的不饱和湿气体接触时，物料将失去自身的湿份或吸收气体中的湿份，直到湿份在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿份分压。平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。不仅取决于气体的状态，还与物料的种类有很大的关系。pXpsXhX*p物料的平衡含水量与干燥速度物料的平衡含水量与干燥速度 具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力。结合水分：与物料存在某种形式的结合，其汽化能力比独立存在的水要低，蒸汽压或汽化能力与水分和物料结合力的强弱有关。湿含量XXh相对湿度 非结合水分结合水分01.00.5结合水分按结合方式可分为：吸附水分、毛细管水分、溶涨水分(物料细胞壁内的水分)和化学结合水分(结晶水)。化学结合水分与物料细胞壁水分以化学键形式与物料分子结合，结合力较强，难汽化；吸附水分和毛细管水分以物理吸附方式与物料结合，结合力相对较弱，易于汽化。结合水分与非结合水分一定干燥条件下，水分除去的难易，分为结合水与非结合水。非结合水分：与物料机械形式的结合，附着在物料表面的水，一定干燥条件下，按能否除去，分为平衡水分与自由水分。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*的水分，是可除水分。吸湿过程：若 X Xc，汽化的是非结合水。降速干燥段：X Xc物料实际汽化表面变小(出现干区)，第一降速段；汽化表面内移，第二降速段；平衡蒸汽压下降(各种形式的结合水)；固体内部水分扩散速度极慢(非多孔介质)。降速段干燥速率取决于湿份与物料的结合方式，以及物料的结构，物料外部的干燥条件对其影响不大。恒定干燥条件下 =tw，p=ps和 kp 不变由物料内部向表面输送的水份足以保持物料表面的充分湿润，干燥速率由水份汽化速率控制(取决于物料外部的干燥条件)，故恒速干燥段又称为表面汽化控制阶段。湿物料与空气间的q 和 N 恒定干燥过程的计算干燥过程的计算物料的停留时间应大等于给定条件下将物料干燥至指定的含水量所需的干燥时间，并由此确定干燥器尺寸。若已知物料的初始湿含量 X1 和临界湿含量 Xc，则恒速段的干燥时间为 恒速干燥段的干燥时间 恒定干燥条件下干燥时间的计算降速干燥段的干燥时间(1)图解积分法 降速段的干燥时间可以从物料干燥曲线上直接读取。计算上通常是采用图解法或解析法。当降速段的U X 呈非线性变化时，应采用图解积分法。在 X2 Xc 之间取一定数量的 X 值，从干燥速率曲线上查得对应的 U，计算 Gc/U；作图Gc/U X，计算曲线下面阴影部分的面积。XoXcX2Gc/U(2)解析法 当降速段的U X 呈线性变化时，可采用解析法。降速段干燥速率曲线可表示为 ABCD干燥速率UXUXcX*湿含量XUc物料干燥所需总时间为：=1+2厢式干燥器干燥器洞道式干燥器气流干燥器沸腾床干燥器（称流化床干燥器）回转滚筒干燥机间接式燃气热风炉 沸腾制粒机 高效沸腾干燥机 压力喷雾干燥机 离心喷雾干燥机媒体流动喷雾干燥 沸腾干燥机 带式干燥机 真空干燥机双锥真空干燥器 热风循环烘箱空气热交换机银杏型干燥机组滚动刮板干燥机旋转闪蒸干燥机正负两极干燥机气流旋流干燥机振动流化床干燥机热风炉脉冲气流干燥机酒精回收塔真空进料快速混合机脉冲布筒滤尘器干燥操作条件的确定干燥操作条件的确定与许多因素有关，下面介绍一般的选择原则：1、干燥介质的选择2、流动方式的选择3、干燥介质进口温度的确定4、干燥介质出口温度t2及相对湿度的确定5、物料离开干燥器的温度的确定