干燥

null第五章 干燥第五章 干燥第一节 概述 第二节 湿空气的性质及湿焓图 第三节 干燥过程的物料衡算与热量衡算 第四节 固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系 第五节 干燥设备 （了解）第一节 概述第一节 概述一、固体物料的去湿 二、干燥过程的分类 三、对流干燥过程原理 四、对流干燥过程实质 五、干燥过程基本问题一、固体物料的除湿方法一、固体物料的除湿方法去湿：除去固体物料、半成品和成品中含有的水分或其它湿分。 1、除湿方法：借热能使物料中的水分（或其它湿分）汽化，并排出生成的蒸气以获得湿含量达到要求的产品。除湿彻底，但能耗大。机械除湿：通过沉降、过滤、离心分离等除去湿分。能耗少，但除湿不完全。吸附除湿：加热除湿(干燥）：用干燥剂如石灰、无水氯化钙、硅胶等吸附物料中水分。只能除去少量水分，适合实验室用。 一、固体物料的除湿方法一、固体物料的除湿方法 工业除湿（联合采用机械除湿和加热除湿操作）：即先采用比较经济的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。二、干燥过程的分类二、干燥过程的分类利用热能除去固体物料中的湿分（水或其他溶剂）的单元操作。 操作压力常压干燥间歇干燥 ：处理小批量、多品种或要求干燥时间长的物料。 连续干燥：生产能力大、质量均匀、热效率高、劳动条件好。 操作方式传导干燥 对流干燥 辐射干燥 介电加热干燥 传热方式真空干燥：处理热敏物 、易氧化物；要求含湿量低的场合。 二、干燥过程的分类 目前，工业上应用最普遍的是对流干燥。通常使用的干燥介质是空气，被除去的湿分是水分。本章主要讨论对流干燥，且只限于以热空气为干燥介质且除去的湿分为水分的干燥。二、干燥过程的分类三、对流干燥过程原理三、对流干燥过程原理由于温差的存在，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，湿份由物料面向气流主体扩散，并被气流带走。温度为t、湿份分压为p 的湿热气体流过湿物料的表面，湿物料表面温度ti、表面湿份分压为pi。HtQWtippiM干燥是质量、热量同时传递的过程。传质推动力：物料表面水分压p物表 > 热空气中的水分压p空气传热推动力：热空气的温度t空气 >物料表面的温度t物表null干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。 注意： 1.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。 2.气体预热并不是干燥的充要条件，预热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。 3.若介质为水汽所饱和，则推动力为零，干燥操作即停止进行。四、对流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质过程传质过程四、对流干燥过程干燥过程：五、干燥过程基本问题除水分量 空气消耗量 干燥产品量 热量消耗 干燥时间物料衡算能量衡算涉及干燥速率和水在气固相的平衡关系涉及湿空气的性质五、干燥过程基本问题null(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、热量衡算关系和干燥速率关系。解决这些问题需要掌握的基本知识有：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。第二节 湿空气的性质及湿焓图第二节 湿空气的性质及湿焓图一、湿空气的性质 二、湿空气的湿焓图一、湿空气的性质一、湿空气的性质湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。 湿空气的性质: 湿度性质：湿度、相对湿度百分数、饱和湿度 温度性质：干球温度、湿球温度、露点温度、绝热饱和 冷却温度 容积性质：湿容积或比体积 比热性质：比热容、焓一、湿空气的性质一、湿空气的性质为研究方便，假设： (1) 干燥过程的湿空气，可以作为理想气体处理，满足理想气体方程式、道尔顿分压定律。 (2) 因为干空气只作为载热体，它的质量在干燥过程中始终保持不变，所以湿空气的有关参数都以1kg绝干空气为基准。 (3) 系统总压p=101.33kPa。 1.湿度的表示方法1.湿度的表示方法Mv=18.kg/kmol，Mg=29 kg/kmol湿空气中水汽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 (nv, ng) 和摩尔质量 (Mv , Mg) 已知，则(1)绝对湿度(湿度) H（Humidity）总压一定时，湿空气的湿度只与水蒸汽的分压有关。 kg水蒸汽/kg绝干空气当p=ps时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。(2)相对湿度（Relative humidity）(2)相对湿度（Relative humidity）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，pv=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。  = 1 , pv=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿。相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压 pV 与系统温度下水的饱和蒸汽压 ps 之比的百分数。(2)相对湿度（Relative humidity）(2)相对湿度（Relative humidity）随温度的升高，ps增加，H不变，，气体的吸湿能力增加，故空气用作干燥介质应先预热。对于空气-水系统：H 不变而t↓，则，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。2.比体积H (Humid volume) 或湿容积2.比体积H (Humid volume) 或湿容积比体积：1kg 绝干空气和相应水汽体积之和。3.比热容cH (Humid heat)或湿热kJ/(kg绝干气· ℃)比热容：1kg 绝干空气及相应水汽温度升高1℃所需要的热量cg=1.01 kJ/(kg绝干气·℃)，cv=1.88 kJ/(kg水汽·℃) 4.焓I (Total enthalpy)4.焓I (Total enthalpy)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℃时绝干空气和液态水的焓值均为零，则对于空气-水系统：显热项汽化潜热项5.干燥过程中的物料温度5.干燥过程中的物料温度当热、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：(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（Wet-bulb temperature） a.湿球温度定义QN对流传热akH气体 t, H气膜对流传质液滴表面 tw , Htw液滴null—— 湿球温度 tw 定义式 结论： tw = f (t, H) ，气体的 t 和 H 一定，tw 为定值。 对于空气-水系统： 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。b. 湿球温度的测定b. 湿球温度的测定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(＞5m/s)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：气体ttwnull物料充分湿润，湿分在物料表面的汽化和在液面上汽化相同。 物料经过预热，很快达到稳定的温度，由于对流传热强烈，物料温度接近气体的湿球温度 tw。对于空气-水系统， tw<100℃。当气体的湿度一定时，气体的温度越高，干、湿球温度的差值越大。 结论：当物料充分湿润时，可以使用高温气体做干燥介质而不至于烧毁物料。例如，可以使用500℃的气体烘干淀粉。 对初始温度为 20℃、相对湿度为 80% 的常压空气：(3)绝热饱和冷却温度tas(3)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。绝热饱和过程 (Adiabatic saturation process)：null由于 ras 和 Has 是 tas 的函数，故绝热饱和温度 tas 是气体温度 t 和湿度 H 的函数。已知 t 和 H，可以试差求解 tas。 对于空气-水系统： 则（1）（2）比较(1)、(2)得： (4)露点td (4)露点td露点：不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度，以td表示；相应的湿度为饱和湿度，以Hs,td表示。 （Hs,td = H ）水蒸气-空气系统： 不饱和空气t > tas = tw> td；饱和空气 t = tas = tw = td 处于露点温度的湿空气的相对湿度 = 1，空气湿度达到饱和湿度， 湿空气中水汽分压等于露点温度下水的饱和蒸气压，则例题: 求湿空气的性质例题: 求湿空气的性质 例题1：已知湿空气的总压为101.325 kPa，相对湿度为 50%，干球温度为20℃。试求： (1)湿度； (2)水蒸气分压pv; (3)露点td (4)焓I (5)如将500kg/h干空气预热至117℃，求所需热量Q (6)每小时送入预热器的湿空气体积Vnullnullnullnull 不饱和空气： t > tas = tw > td饱和空气： t = tas = tw =td  = 0，pv=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。 = 1 , pv=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿，因此 不能作为干燥介质。重要知识点：二、湿空气的湿焓图二、湿空气的湿焓图湿空气参数的计算比较繁琐，甚至需要试差。为了方便和直观，通常使用湿焓(H-I)图迅速查出其他参数。等湿线等焓线等温线二、湿空气的湿焓图二、湿空气的湿焓图对于空气-水系统，tas  tw，等 tas 线可近似作为等tw线。 物理意义：以绝热冷却线上所有各点为始点，经过绝热饱和过程到达终点时，所有各状态气体的温度都变为同一温度。横坐标：空气的湿度，所有的纵线为等湿度线。 左侧纵坐标：空气的干球温度，所有斜上线为等温线。(1) 等湿度线 (等 H 线)(2) 等焓线（等 I 线）或绝热冷却线对给定的 tas： t = f (H)在同一条等湿线上不同点所代表的湿空气状态不同，但H相同，露点是将湿空气等H冷却至 = 100%时的温度。二、湿空气的湿焓图二、湿空气的湿焓图等湿线二、湿空气的湿焓图二、湿空气的湿焓图等焓线二、湿空气的湿焓图二、湿空气的湿焓图I与H呈直线关系，t越高，等t线的斜率越大，t读数0~250ºC。(4) 等相对湿度线 (等  线)总压 p 一定，对给定的 ： 因 ps= f (t) ， 故 H = f (t) 。(5) 蒸气分压线(3) 等干球温度线 (等 t 线)二、湿空气的湿焓图二、湿空气的湿焓图等温线二、湿空气的湿焓图二、湿空气的湿焓图相对湿度线二、湿空气的湿焓图二、湿空气的湿焓图p-H线空气湿焓图的应用 （Use of humidity chart） 空气湿焓图的应用 （Use of humidity chart） 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null3.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已知，即可确定H1 、H2。 2）等H干燥过程 恒压下，加热或冷却过程。null4. 湿度图的应用举例 （1）求湿空气的性质参数 已知：t=50℃, H=0.016kg水汽/kg绝干气 求：null（2）湿空气状态变化过程的图示 第三节 干燥过程的物料衡算与热量衡算第三节 干燥过程的物料衡算与热量衡算一、湿物料的性质 二、干燥系统的物料衡算 三、干燥系统的热量衡算 四、空气通过干燥器时的状态变化物料及热量衡算目的： 确定干燥过程蒸发的水分量、热空气消耗量、所需热量；确定预热器传热面积、干燥器工艺尺寸、风机型号等。一、湿物料的性质一、湿物料的性质１、湿基含水量 : 即是以湿物料为计算基准的物料中水分的质量百分数。 kg水/kg湿物料２、干基含水量Ｘ: 不含水分的物料通常称为绝干物料。 以绝干物料为基准的湿物料中含水量，称为干基含水量 。kg水/kg绝干料一、湿物料的性质一、湿物料的性质绝干物料的质量在干燥过程中是不变的，故用干基含水量计算较为方便。 这两种含水量之间的换算关系如下： 换算关系一、湿物料的性质一、湿物料的性质3、湿物料的比热容cm 仿照湿空气比热容计算方法。4、湿物料的焓I′规定0℃的物料及0℃液体水的焓值均为零。二、干燥系统的物料衡算二、干燥系统的物料衡算 通过物料衡算可确定将湿物料干燥到规定的含水量时水分蒸发量、空气消耗量及干燥产品的流量。 １、水分蒸发量 通过干燥器的湿空气中绝干空气量是不变的，又因为湿物料中蒸发出的水分被空气带走，故湿物料中水分的减少量等于湿空气中水分增加量。即：二、干燥系统的物料衡算二、干燥系统的物料衡算２、空气消耗量 单位绝干空气消耗量:如以Ｈ0表示预热前的湿度，而空气经预热前、后的湿度不变，故Ｈ0＝Ｈ1。 湿空气体积为：二、干燥系统的物料衡算二、干燥系统的物料衡算 3、干燥产品的流量G2 三、干燥系统的热量衡算三、干燥系统的热量衡算 通过热量衡算可以确定物料干燥所消耗的热量（预热器预热、向干燥器补充热量）或干燥器排出空气的状态(H2、I2 )。 可作为计算预热器传热面积、加入介质用量、干燥器尺寸及干燥系统热效应等的依据。1、预热器的加热量计算 如图所示，若忽略预热器周围热损失，加入预热器中的热量为：热量衡算（Heat balance）热量衡算（Heat balance）Qp——预热器向气体提供的热量，kW； QD——向干燥器补充的热量，kW； QL ——干燥器的散热损失，kW。 湿物料 G1 , w1 , 1, cm1干燥产品 G2 , w2 , 2, cm2 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 器三、干燥系统的热量衡算三、干燥系统的热量衡算2、干燥器的热量衡算 输入热量 (1)空气进入干燥器带入热量：LI1 (2)湿物料进入干燥器带入热量 ： (3)干燥器内补充加入的热量：QD 三、干燥系统的热量衡算三、干燥系统的热量衡算输出热量 (1)干燥后的物料Ｇ2带出的热量： (2)废空气出干燥器带走的热量： LI2 (3)干燥器的周围热损失：QL 在稳定干燥过程中，输入量等于输出量，干燥器热量衡算式为：三、干燥系统的热量衡算三、干燥系统的热量衡算3、干燥系统消耗的总热量三、干燥系统的热量衡算三、干燥系统的热量衡算 干燥系统的热效率是干燥器操作性能的一个重要指标。热效率高，表明热的利用程度好，操作费用低，同时可合理利用能源，使产品成本降低。因此，在操作过程中，希望可获得尽可能高的热效率。(1)定义：4、干燥系统的热效率三、干燥系统的热量衡算(2)提高热效率的途径三、干燥系统的热量衡算a.提高H2 b.降低t2 c.回收废气热量 d.干燥设备保温减少动力消耗降低传热、传质推动力，进而降低干燥速率吸水性物料干燥，t2应高些，H2应低些。t2-tas＞20~50℃,防止水滴析出，产品返潮，管道堵塞，设备腐蚀四、干燥器出口空气状态的确定四、干燥器出口空气状态的确定空气在预热器中经历的是等湿升温过程，只要被加热的温度已定，空气的状态参数很容易确定。空气在干燥器中，由于空气和物料间进行热、质传递，使空气增湿降温，及干燥器中补充加热，热损失等诸因素的影响，使空气离开干燥器的状态难于确定，通常按下列两种情况计算。 1、等焓干燥过程 2、非等焓干燥过程四、干燥器出口空气状态的确定四、干燥器出口空气状态的确定1、等焓干燥过程(或绝热干燥过程) 等焓干燥过程是指干燥在绝热情况下进行的，空气在进出干燥器的焓值不变，即I1＝I2。 等焓干燥过程应满足以下条件： a.不向干燥器中补充热量，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’ )=0四、干燥器出口空气状态的确定四、干燥器出口空气状态的确定2、等焓干燥过程A例题：物料衡算例题：物料衡算 例题2：在连续干燥器中用热空气作介质对物料进行干燥。湿物料的处理量为1600kg/h，进、出干燥器的湿基含水量分别为0.12和0.02，空气进、出干燥器的湿度分别为0.01和0.028。试求水分蒸发量、单位空气消耗量和新鲜空气消耗量、干燥产品量。 null例题：物料、热量衡算例题：物料、热量衡算 例题3：在常压绝热干燥器中将1500kg湿物料从原始含水量18％降至1.5％(湿基)。空气温度为25℃、湿度为0.01，在预热器升温至90℃后进入干燥器，离开干燥器的温度为50℃。试计算：完成任务所需新鲜空气量、预热器的热负荷。 nullnull第四节 干燥平衡关系与速率关系第四节 干燥平衡关系与速率关系一、物料中的水分 二、干燥速率 一、物料中的水分一、物料中的水分1、平衡水分与自由水分 根据物料在一定干燥条件下，其所含水分能否用干燥的方法除去来划分，可分为平衡水分与自由水分。 平衡水分：无法用相应空气所干燥的那部分水分。 自由水分：湿物料中大于平衡含水量，有可能被该湿空气干燥除去的那部分水分。一、物料中的水分一、物料中的水分2、结合水分和非结合水分 据物料与水分结合力的状况，可分为结合水分和非结合水 分。 结合水分：凡湿物料的含水量小于Xh的那部分水分称为结合水分。此时, 其蒸汽压都小于同温度下纯水的饱和蒸汽压。 非结合水分：含水量超过Xh的那部分水分称为非结合水分。此时，湿物料中的水分的蒸汽不再增加。固体物料中所含水分的性质固体物料中所含水分的性质湿含量 XXh非结合水分结合水分自由水分X*01.00.5相对湿度 一、物料中的水分一、物料中的水分平衡水分与自由水分，结合水分与非结合水分是两种概念不同的区分方法。 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划分除与物料有关外，还决定于空气的状态。 非结合水分是在干燥中容易除去的水分，而结合水分较难除去。是结合水还是非结合水仅决定于固体物料本身的性质，与空气状态无关。一、物料中的水分一、物料中的水分干燥过程：当湿物料与不饱和空气接触时，X 向 X* 接近，干燥过程的极限为 X*。物料的 X* 与湿空气的状态有关，空气的温度和湿度不同，物料的 X* 不同。欲使物料减湿至绝干，必须与绝干气体接触。 吸湿过程：若 X