第六章 干燥.ppt
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1、第六章 干 燥 Chapter6DryingChapter6Drying6.1湿空气的性质与湿度图湿空气的性质与湿度图6.2干燥过程的物料衡算干燥过程的物料衡算与热量衡算与热量衡算6.3干燥速率与干燥时间干燥速率与干燥时间6.4干燥器干燥器概述概述(IntroductionIntroduction)在在化化学学工工业业生生产产中中所所得得到到的的固固态态产产品品或或半半成成品品往往往往含含有有过过多多的的水水分分或或有有机机溶溶剂剂(湿湿份份),要要制制得得合合格格的的产产品品需需要要除除去去固固体体物料中多余的湿份。物料中多余的湿份。例如:例如:制盐工业中,在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶
2、粒;制盐工业中,在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶粒;塑料工业中,氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒。塑料工业中,氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒。除湿方法:除湿方法:机械脱水机械脱水(沉降或过滤沉降或过滤);干燥;干燥(加热使湿份汽化加热使湿份汽化)惯惯用用做做法法:先先采采用用机机械械方方法法把把固固体体所所含含的的绝绝大大部部分分湿湿份份除除去去,然然后后再再通通过过加加热热把把机机械械方方法法无无法法脱脱除除的的湿湿份份干干燥燥掉掉,以以降降低低除湿的成本。除湿的成本。干干燥燥方方法法的的分分类类:根根据据加加热热方方法法可可分分为为传传导导干干燥燥、对对流流干干燥和辐射干燥。燥
3、和辐射干燥。对流干燥过程举例对流干燥过程举例对对流流干干燥燥器器:空空气气通通过过送送风风机机吹吹入入空空气气预预热热器器,预预热热后后的的热热空空气气送送入入气气流流干干燥燥管管,湿湿料料由由螺螺旋旋加加料料器器推推入入干干燥燥器器并并分分散散于于热热气气流流中中,受受气气流流的的输输送送并并进进行行干干燥燥,干干燥燥产产品品通通过过旋旋风风分分离离器器从从气气流流中中分分离离出出来来,湿废气体由引风机抽出排空。湿废气体由引风机抽出排空。1-1-鼓风机;鼓风机;2-2-预热器;预热器;3-3-气流干燥管;气流干燥管;4-4-加料斗;加料斗;5-5-螺旋加料器;螺旋加料器;6-6-旋风分离器;
4、旋风分离器;7-7-卸料阀;卸料阀;8-8-引风机。引风机。化工生产中最常用的是对流干燥。化工生产中最常用的是对流干燥。干干燥燥介介质质:用用来来传传递递热热量量(载载热热体体)和湿份(载湿体)的介质。和湿份(载湿体)的介质。由由于于温温差差的的存存在在,气气体体以以对对流流方方式式向固体物料传热,使湿份汽化;向固体物料传热,使湿份汽化;在在分分压压差差的的作作用用下下,湿湿份份由由物物料料表表面向气流主体扩散,并被气流带走。面向气流主体扩散,并被气流带走。对流干燥过程原理对流干燥过程原理对流干燥过程原理对流干燥过程原理温温度度为为 t、湿湿份份分分压压为为 p 的的湿湿热热气气体体流流过过湿
5、湿物物料料的的表表面面,物物料表面温度料表面温度 ti低于气体温度低于气体温度 t。注注意意:只只要要物物料料表表面面的的湿湿份份分分压压高高于于气气体体中中湿湿份份分分压压,干干燥燥即可进行,与气体的温度无关。即可进行,与气体的温度无关。气气体体预预热热并并不不是是干干燥燥的的充充要要条条件件,其其目目的的在在于于加加快快湿湿份份汽汽化化和物料干燥的速度,达到一定的生产能力。和物料干燥的速度,达到一定的生产能力。HtqWtippi M干燥是热、质同时传递的过程干燥是热、质同时传递的过程干燥过程的基本问题干燥过程的基本问题干燥过程的基本问题干燥过程的基本问题(1)干燥介质用量的确定;干燥介质用
6、量的确定;(2)干燥条件的优化;干燥条件的优化;(3)干燥速率的强化;干燥速率的强化;(4)干燥方法的合理选择。干燥方法的合理选择。解决这些问题需要掌握的基本知识有: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;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;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;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。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本章主要介绍运用
7、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。问题,介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。湿气体的性质湿气体的性质湿气体的性质湿气体的性质 湿湿气气体体:绝绝干干气气体体与与湿湿份份蒸蒸汽汽的的混混合合物物,其其性性质质与与湿湿份份蒸蒸汽汽的数量有关。的数量有关。在在干干燥燥过过程程中中,随随着着物物料料中中湿湿份份的的汽汽化化,气气体体中中湿湿份份蒸蒸汽汽的的含量在不断增加,但绝干气体的量保持不变。含量在不断增加,但绝干气体的量保持不变。干干球球温温度度t:湿湿气气体体的的真真实实温温度度,简简称称温温度度(或或K)。将温度计直接插在湿气体中即可测量将温度计
8、直接插在湿气体中即可测量。系系统统总总压压P:即即湿湿气气体体的的总总压压。干干燥燥过过程程中中系系统统总总压压基基本本上恒定不变。上恒定不变。干干燥燥操操作作通通常常在在常常压压下下进进行行,常常压压干干燥燥的的系系统统总总压压接接近近大大气气压力,热敏性物料的干燥一般在减压下操作。压力,热敏性物料的干燥一般在减压下操作。湿气体的干球温度和总压湿气体的干球温度和总压湿气体的干球温度和总压湿气体的干球温度和总压湿份的表示方法湿份的表示方法湿气体中湿份蒸汽的压力,用湿气体中湿份蒸汽的压力,用p 表示(表示(kpa););当当气气体体为为湿湿份份蒸蒸汽汽所所饱饱和和时时,湿湿份份分分压压达达到到最
9、最大大值值,即即系系统统温度下湿份的饱和蒸汽压。温度下湿份的饱和蒸汽压。对于空气对于空气-水系统:水系统:Mw=18.02kg/kmol,Mg=28.96kg/kmol湿份分压湿份分压(Moisturepartialpressure)湿湿气气体体中中湿湿份份蒸蒸汽汽的的质质量量与与绝绝干干气气体体的的质质量量之之比比。若若湿湿份份蒸蒸汽和绝干气体的摩尔数汽和绝干气体的摩尔数(nw,ng)和摩尔质量和摩尔质量(Mw,Mg)绝对湿度绝对湿度(湿度湿度)H(Humidity)总压一定时,气体的湿度只与湿份蒸汽的分压有关。kg湿份蒸汽湿份蒸汽/kg绝干气体绝干气体相对湿度相对湿度(Relative h
10、umidityRelative humidity)湿湿度度只只表表示示湿湿气气体体中中所所含含湿湿份份的的绝绝对对数数,不不能能反反映映气气体体偏偏离离饱和状态的程度(气体的吸湿潜力)。饱和状态的程度(气体的吸湿潜力)。相相对对湿湿度度:一一定定的的系系统统总总压压和和温温度度下下,气气体体中中湿湿份份蒸蒸汽汽的的分分压压p 与系统温度下湿份的饱和蒸汽压与系统温度下湿份的饱和蒸汽压ps 之比。之比。值越低,气体偏离饱和的程度越远,吸湿潜力越大;值越低,气体偏离饱和的程度越远,吸湿潜力越大;=100%时,时,p=ps,气体被湿份蒸汽所饱和,不能再吸湿。气体被湿份蒸汽所饱和,不能再吸湿。对于空气对
11、于空气-水系统:水系统:相对湿度相对湿度相对湿度相对湿度(RelativehumidityRelativehumidity)若若t 总总压压下下湿湿份份的的沸沸点点,湿湿份份psP,最最大大 (气气体体全全为为湿湿份蒸汽份蒸汽)湿湿份份的的临临界界温温度度,气气体体中中的的湿湿份份已已是是真真实实气气体体,此此时时 0,理论上吸湿能力不受限制。,理论上吸湿能力不受限制。=f(H,t)。ps 随随温温度度的的升升高高而而增增加加,H 不不变变提提高高t,气体的吸湿能力增加,故气体用作干燥介质应预热。气体的吸湿能力增加,故气体用作干燥介质应预热。H 不不变变而而降降低低t,气气体体趋趋近近饱饱和和
12、状状态态。当当气气体体达达到到饱饱和和状态状态(露点露点)而继续冷却时,气体中的湿份将呈液态析出。而继续冷却时,气体中的湿份将呈液态析出。湿份为水时,可按下式由系统温度湿份为水时,可按下式由系统温度t 计算饱和蒸汽压计算饱和蒸汽压湿比容湿比容 H H (Humid volume)(Humid volume)或干基湿比容或干基湿比容 (m(m3 3/kg/kg绝干气体绝干气体)1kg绝干气体及所含湿份蒸汽所具有的体积绝干气体及所含湿份蒸汽所具有的体积常压下常压下(P=1013.25kpa):湿比热湿比热c cH H (Humid heat)(Humid heat)或干基湿比热或干基湿比热J/(k
13、gJ/(kg绝干气体绝干气体 )1kg绝干气体及所含湿份蒸汽温度升高绝干气体及所含湿份蒸汽温度升高1所需要的热量所需要的热量式中:式中:cg 绝干气体的比热,绝干气体的比热,J/(kg绝干气体绝干气体);cv 湿份蒸汽的比热,湿份蒸汽的比热,J/(kg湿份蒸汽湿份蒸汽)。对于空气对于空气-水系统:水系统:cg=1.005kJ/(kg),cv=1.884kJ/(kg)湿焓湿焓i iH H (Total enthalpy)(Total enthalpy)或干基湿焓或干基湿焓 (kJ/kg(kJ/kg绝干气体绝干气体)1kg绝干气体及所含湿份蒸汽所具有焓的总和绝干气体及所含湿份蒸汽所具有焓的总和由由
14、于于焓焓是是相相对对值值,计计算算焓焓值值时时必必须须规规定定基基准准状状态态和和基基准准温温度度,若取若取0下的绝干气体和液态湿份的焓为零,则下的绝干气体和液态湿份的焓为零,则对于空气对于空气-水系统:水系统:显热项显热项汽化潜热项汽化潜热项干燥过程的基本规律干燥过程的基本规律 湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。湿基湿含量湿基湿含量w:单位质量的湿物料中所含液态湿分的质量。单位质量的湿物料中所含液态湿分的质量。干基湿含量干基湿含量X:单位质量的绝干物料中所含液态湿分的质量。单位质量的绝干物料中所含液态湿分的质量。换算关系:换算关系:物料湿分的表示方法物料
15、湿分的表示方法工工业业生生产产中中,物物料料湿湿含含量量通通常常以以湿湿基基湿湿含含量量表表示示,但但由由于于物物料料的的总总质质量量在在干干燥燥过过程程中中不不断断减减少少,而而绝绝干干物物料料的的质质量量不不变变,故在干燥计算中以干基湿含量表示较为方便。故在干燥计算中以干基湿含量表示较为方便。湿份在气体和固体间的平衡关系湿份在气体和固体间的平衡关系 湿湿份份的的传传递递方方向向(干干燥燥或或吸吸湿湿)和和限限度度(干干燥燥程程度度)由由湿湿份份在在气体和固体两相间的平衡关系决定。气体和固体两相间的平衡关系决定。pXpsXh平平衡衡状状态态:当当湿湿含含量量为为 X 的的湿湿物物料料与与湿湿
16、份份分分压压为为 p 的的不不饱饱和和空空气气接接触触时时,物物料料将将失失去去自自身身的的湿湿份份或或吸吸收收气气体体中中的的湿湿份份,直到湿份在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿份分压。直到湿份在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿份分压。平平衡衡湿湿含含量量:平平衡衡状状态态下下物物料料的的湿湿含含量量。不不仅仅取取决决于于气气体体的的状态,还与物料的种类有很大的关系。状态,还与物料的种类有很大的关系。X*p结结合合水水分分:与与物物料料存存在在某某种种形形式式的的结结合合,其其汽汽化化能能力力比比独独立立存存在在的的水水要要低低,蒸蒸汽汽压压或或汽汽化化能能力力与与水水分分和和物物料料结结合合力
17、力的的强强弱有关。弱有关。结合水分与非结合水分结合水分与非结合水分结合水分与非结合水分结合水分与非结合水分 非非结结合合水水分分:与与物物料料没没有有任任何何形形式式的的结结合合,具具有有和和独独立立存存在在的水相同的蒸汽压和汽化能力。的水相同的蒸汽压和汽化能力。湿含量湿含量XXh相对湿度相对湿度 非结合非结合水分水分结合水分结合水分01.00.5结结合合水水分分按按结结合合方方式式可可分分为为:吸吸附附水水分分、毛毛细细管管水水分分、溶溶涨水分涨水分(物料细胞壁内的水分物料细胞壁内的水分)和化学结合水分和化学结合水分(结晶水结晶水)。化化学学结结合合水水分分与与物物料料细细胞胞壁壁水水分分以
18、以化化学学键键形形式式与与物物料料分分子子结结合合,结结合合力力较较强强,难难汽汽化化;吸吸附附水水分分和和毛毛细细管管水水分分以以物物理吸附方式与物料结合,结合力相对较弱,易于汽化。理吸附方式与物料结合,结合力相对较弱,易于汽化。平衡水分和自由水分平衡水分和自由水分平衡水分和自由水分平衡水分和自由水分 平衡水分:平衡水分:低于平衡湿含量低于平衡湿含量X*的水分。是不可除水分。的水分。是不可除水分。自由水分:自由水分:高于平衡湿含量高于平衡湿含量X*的水分。是可除水分。的水分。是可除水分。吸吸湿湿过过程程:若若X Xc,汽化的是非结合水分。汽化的是非结合水分。降速干燥段:降速干燥段:X Xc物
19、料实际汽化表面变小物料实际汽化表面变小(出现干区出现干区),第一降速段;,第一降速段;汽化表面内移,第二降速段;汽化表面内移,第二降速段;平衡蒸汽压下降平衡蒸汽压下降(各种形式的结合水各种形式的结合水);固体内部水分扩散速度极慢固体内部水分扩散速度极慢(非多孔介质非多孔介质)。降降速速段段干干燥燥速速率率取取决决于于湿湿份份与与物物料料的的结结合合方方式式,以以及及物物料料的的结结构构,物物料料外外部部的的干干燥燥条条件件对对其其影影响响不不大大。降降速速干干燥燥段段又称为内部迁移控制阶段。又称为内部迁移控制阶段。恒定干燥条件下恒定干燥条件下 =tw,p=psh 和和kp 不变不变由由物物料料
20、内内部部向向表表面面输输送送的的湿湿份份足足以以保保持持物物料料表表面面的的充充分分湿湿润润,干干燥燥速速率率由由湿湿份份汽汽化化速速率率控控制制(取取决决于于物物料料外外部部的的干干燥燥条条件件),故,故恒速干燥段又称为表面汽化控制阶段。恒速干燥段又称为表面汽化控制阶段。湿湿物物料料与与气气体体间间的的q和和N恒定恒定临界湿含量临界湿含量(Critical moisture contentCritical moisture content)Xc 决决定定两两干干燥燥段段的的相相对对长长短短,是是确确定定干干燥燥时时间间和和干干燥燥器器尺尺寸的基础数据,对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要。寸
21、的基础数据,对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要。物物料料空气条件空气条件临界湿含量临界湿含量品种品种厚度厚度mm速度速度m/s温度温度相对湿度相对湿度%kg水水/kg干干料料粘土粘土6.41.0370.100.11粘土粘土15.91.0320.150.13粘土粘土25.410.6250.400.17高岭土高岭土302.1400.400.181铬革铬革101.549-1.25砂砂0.044mm252.0540.170.210.0440.074mm253.4530.140.100.0740.177mm253.5530.150.0530.2080.295mm253.5550.170.053新闻纸新
22、闻纸-0190.351.00铁杉木铁杉木254.0220.341.28羊毛织物羊毛织物-25-0.31白岭粉白岭粉31.81.0390.200.084白岭粉白岭粉6.41.037-0.04白岭粉白岭粉16911260.400.13注注意意:Xc 与与物物料料的的厚厚度度、大大小小以以及及干干燥燥速速率率有有关关,所所以以不不是物料本身的性质。一般需由实验测定。是物料本身的性质。一般需由实验测定。影响干燥过程的主要因素影响干燥过程的主要因素 物料尺寸和气固接触方式物料尺寸和气固接触方式 减小物料尺寸,干燥面积增大,干燥速率加快。减小物料尺寸,干燥面积增大,干燥速率加快。粘土粒径粘土粒径dp,m0
23、.12410-210-310-410-510-6表面积表面积A,m20.0240.33303003000(c)干燥介质自下而上穿过物料层,可形成流化床干燥介质自下而上穿过物料层,可形成流化床。(b)干燥介质自上而下穿过物料层,不能形成流化床干燥介质自上而下穿过物料层,不能形成流化床;(a)干燥介质平行掠过物料层表面干燥介质平行掠过物料层表面;干燥介质条件干燥介质条件 物料本性物料本性 通通过过强强化化外外部部干干燥燥条条件件(t,H,u)来来增增加加传传热热传传质质推推动动力力,减减小小气气膜膜阻阻力力,可可提提高高恒恒速速段段(表表面面汽汽化化控控制制)的干燥速率,但对降速段的干燥速率,但对
24、降速段(内部扩散控制内部扩散控制)的改善不大。的改善不大。强化干燥条件将使强化干燥条件将使Xc 增加,更多水分将在降速段汽化。增加,更多水分将在降速段汽化。气体温度的提高受热源条件和物料耐热性的限制。气体温度的提高受热源条件和物料耐热性的限制。u,H,需使用更大量的气体,干燥过程能耗增加。需使用更大量的气体,干燥过程能耗增加。物料本性不影响恒速段的干燥速率;物料本性不影响恒速段的干燥速率;物物料料结结构构不不同同,与与水水分分的的结结合合方方式式、结结合合力力的的强强弱弱不不同同,降速段干燥速率差异很大。降速段干燥速率差异很大。强强化化干干燥燥速速率率时时,须须考考虑虑物物料料本本性性。若若恒
25、恒速速段段速速率率太太快快,有有些些物物料料会会变变形形、开开裂裂或或表表面面结结硬硬壳壳;而而在在降降速速段段则则应应考考虑虑物物料料的的耐耐热热性性,如如热热敏敏性性物物料料不不能能采采用用过过高高温温度度的的气体作为干燥介质。气体作为干燥介质。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 物料衡算(物料衡算(Mass balanceMass balance)G1湿湿物物料料进进口口的的质质量量流流率率,kg/s;G2产品出口的质量流率,产品出口的质量流率,kg/s;Gc绝干物料的质量流率,绝干物料的质量流率,kg/s;w1物料的初始湿含量;物料的初始湿含量;w2产品湿含量;产
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