九章干燥.ppt

第九章 干 燥,概述（Introduction）,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：,本章重点：以不饱和热空气为干燥介质，除去湿物料中水分的连续对流干燥过程。,干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。,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。,对流干燥过程原理,温度为 t、湿份分压为 p 的湿热气体流过湿物料的表面，物料表面温度 ti 低于气体温度 t。,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。,H,t,q,W,ti,p,pi,M,干燥是热、质同时传递的过程,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,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,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 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。且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。,1.湿份的表示方法,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(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。,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，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。,相对湿度（Relative humidity）,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。,=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。,2.比容H(Humid volume)或湿比容(m3/kg绝干气体),比容：1kg 绝干空气和相应水汽体积之和。,3.比热cH(Humid heat)或比热容KJ/(kg),比热：1kg 绝干空气及相应水汽温度升高1所需要的热量,式中：cg 绝干空气的比热，KJ/(kg)；cv 水汽的比热，KJ/(kg)。,对于空气-水系统：cg=1.01 kJ/(kg)，cv=1.88 kJ/(kg),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：,5.干燥过程中的物料温度,(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.定义,q,N,对流传热,h,kH,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,(2)空气的湿球温度（Wet-bulb temperature）,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：,结论：tw=f(t,H)，气体的 t 和 H 一定，tw 为定值。,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,t,tw,b.湿球温度的测定,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，tw100。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,b.湿球温度的测定,(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。,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：,绝热饱和过程(Adiabatic saturation process)：,(4)露点td,温度为t的不饱和空气在等湿下冷却至温度等于td的饱和状态，此时H=Hs,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。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,水蒸气-空气系统：不饱和空气t tas（或 tw）td；饱和空气 t=tas=td,气体湿度图（Humidity chart）,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，通常使用湿度图。,等湿线,等焓线,等温线,p-H线,空气湿度图的绘制（Humidity chart）,对于空气-水系统，tas tw，等 tas 线可近似作为等tw线。每一条绝热冷却线上所有各点都具有相同的 tas。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，所有各状态的气体的温度都变为同一温度。,横坐标：空气的湿度，所有的横线为等湿度线。右侧纵坐标：空气的干球温度，所有纵线为等温线。,(1)等湿度线(等 H 线),(2)等焓线（等 I 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=1时的温度。,(3)等干球温度线(等 t 线),I与H呈直线关系，t越高，等t线的斜率越大，读数0-250C。,(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,总压 P 一定，ps=f(H)，p-H 近似为直线关系。,空气湿焓图的用法（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,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。,第二节干燥相平衡关系及干燥速率,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。,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。,p,X,ps,Xh,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。,X*,p,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。,物料中的水分,湿含量 X,Xh,相对湿度,非结合水分,结合水分,0,1.0,0.5,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。,1.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，,2.平衡水分和自由水分,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 XXh，则物料将吸收饱和气体中的水分使湿含量增加至湿含量 Xh，即最大吸湿湿含量，物料不可能通过吸收饱和气体中的湿份使湿含量超过 Xh。欲使物料增湿超过 Xh，必须使物料与液态水直接接触。,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。,湿含量 X,Xh,相对湿度,非结合水分,结合水分,自由水分,平衡水分,X*,0,1.0,0.5,物料的吸湿性,物料湿含量的平衡曲线有两种极端情况。强吸湿性物料：与水分的结合力很强，平衡线只是渐近地与=100%接近，平衡湿含量很大。如某些生物材料。非吸湿性物料：与水结合力很弱，平衡线与纵坐标基本重合，X*=Xh0，如某些不溶于水的无机盐(碳酸盐、硅酸盐)等。,一般物料的吸湿性都介于二者之间。,对流干燥的基本规律,对一定干燥任务，干燥器尺寸取决于干燥时间和干燥速率。由于干燥过程的复杂性，通常干燥速率不是根据理论进行计算，而是通过实验测定的。为了简化影响因素，干燥实验都是在恒定干燥条件下进行的，即在一定的气固接触方式下，固定空气的温度、湿度和流过物料表面的速度进行实验。为保证恒定干燥条件，采用大量空气干燥少量物料，以使空气的温度、湿度和流速在干燥器中恒定不变。实验为间歇操作，物料的温度和含水量随时间连续变化。,干燥曲线和干燥速率曲线 Drying curve and drying-rate curve,恒速干燥段(Constant-rate period)：物料温度恒定在 tw，X 变化呈直线关系，气体传给物料的热量全部用于湿份汽化。,预热段(Pre-heat period)：初始含水量 X1 和温度 1 变为 X 和 tw。物料吸热升温以提高汽化速率，但湿含量变化不大。,干燥曲线：物料含水量 X 与干燥时间 的关系曲线。,干燥曲线和干燥速率曲线,A,湿含量X,Xc,tw,D,C,B,A,D,C,B,t,X*,物料表面温度,干燥时间,预热段,恒速段,降速段,降速干燥段(Falling-rate period)：物料开始升温，X 变化减慢，气体传给物料的热量仅部分用于湿份汽化，其余用于物料升温，当 X=X*，=t。,物料的结构和吸湿性,降速段干燥速率曲线的形状因物料的结构和吸湿性而异。,多孔性物料(Porous media)：湿份主要是藉毛细管作用由内部向表面迁移。非多孔性物料(Nonporous media)：借助扩散作用向物料表面输送湿份，或将湿份先在内部汽化后以汽态形式向表面扩散迁移。如肥皂、木材、皮革等。吸湿性物料(Hygroscopic media)：与水份的亲合能力大。非吸湿性物料(Nonhygroscopic media)：不同物料的干燥机理不同，湿份内扩散机理不同，干燥速率曲线的形状不同，情况非常复杂，故干燥曲线应由实验的方法测定。,干燥速率的定义,干燥速率U：干燥器单位时间内汽化的湿分量(kg湿分/s)。微分形式为，,式中：U 干燥器的干燥速率，kg/s；W 汽化水份量，kg；Gc 绝干物料的质量，kg；,如果物料形状是不规则的，干燥面积不易求出，则可使用干燥速率进行计算。,设物料的初始湿含量为 X1，产品湿含量为 X2：当 X1Xc 和 X2Xc 时，干燥有两个阶段；当 X1Xc 或 X2Xc 时，干燥都只有一个阶段，即恒速干燥段。,由于物料预热段很短，通常将其并入恒速干燥段；以临界湿含量 Xc 为界，可将干燥过程只分为恒速干燥和降速干燥两个阶段。,干燥速率曲线：干燥速率 U 或干燥速度 N 与湿含量 X 的关系曲线。干燥过程的特征在干燥速率曲线上更为直观。,干燥曲线和干燥速率曲线,A,B,C,D,干燥速率 U 或 N,A,B,C,D,物料温度,tw,Xc,X*,湿含量 X,I,II,C,理论解释,恒速干燥段：物料表面湿润，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,临界湿含量（Critical moisture content）,Xc 决定两干燥段的相对长短，是确定干燥时间和干燥器尺寸的基础数据，对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要。,注意：Xc 与物料的厚度、大小以及干燥速率有关，所以不是物料本身的性质。一般需由实验测定。,第三节 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,若传热干燥面积 S 为已知，则由上式求干燥时间 的问题归结为气固对流给热系数 的求取。,1.恒定干燥条件下干燥时间的计算,恒速干燥段的干燥时间,(1)空气平行流过静止物料层的表面,L 湿气体质量流速，kg/(m2h)；,(2)空气垂直流过静止物料层的表面,适用条件：L=245029300 kg/(m2h)，气体温度 45150。,适用条件：L=39001950 kg/(m2h),(3)气体与运动着的颗粒间的传热,注意：利用上述方程计算给热系数来确定干燥速率和干燥时间，其误差较大，仅能作为粗略估计。,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。,X,o,Xc,X2,Gc/U,降速干燥段的干燥时间,(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,A,B,C,D,干燥速率 U,X,U,Xc,X*,湿含量 X,Uc,当缺乏平衡水分的实验数据时，可以假设 X*=0，则有,干燥时间为：=1+2,2.干燥过程的物料衡算和热量衡算,物料衡算（Mass balance）,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,绝干空气消耗量,绝干空气比消耗,水分蒸发量：,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,i0,Qp,Qd,Ql,预热器,干燥器,整个干燥系统的热量衡算,在连续稳定操作条件下，系统无热量积累，单位时间内(以1秒钟为基准)：,气体焓变,物料焓变,物料焓：,气体焓：,整个干燥系统的热量衡算,汽化湿分所需要的热量：,物料焓变：,加热固体产品所需要的热量：,放空热损失：,总热量衡算：,预热器的热量衡算,预热器的作用在于加热空气。根据加热方式可分为两类：直接加热式：如热风炉。将燃烧液体或固体燃料后产生的高温烟气直接用作干燥介质；间接换热式：如间壁换热器。,空气预热器传给气体的热量为,如果空气在间壁换热器中进行加热，则其湿度不变，H0=H1，即,通过预热器的热量衡算，结合传热基本方程式，可以求得间壁换热空气预热器的传热面积。,立筒式金属体燃煤间接加热热风炉,干燥器的热量衡算,热气体在干燥器中冷却而放出的热量：,物理意义：气体在干燥器中放出的热量和补充加热的热量用于汽化湿分、加热产品和补偿设备的散热损失。,干燥器的热量衡算,理想干燥过程：气体放出的显热全部用于湿分汽化。多数工业干燥器无补充加热，如果散热损失可视为零且物料的初始温度与产品温度相同，则加热物料所消耗的热量为零；或当干燥器的补充加热量恰等于加热物料和散热损失的热量，则干燥过程可视为理想干燥过程。,理想干燥过程的热量衡算式为,理想干燥过程可近似为等焓过程，对空气-水系统：,干燥系统的热效率和干燥效率,热效率的定义：用于汽化湿分和加热物料的热量与外界向干燥系统提供的总热量之比，即,Ql,Ql，h。气体用量，QL，干燥任务一定，气体用量，QD，可以提高干燥系统的热效率。,若 QL=QD=0,干燥系统的热效率和干燥效率,干燥效率：汽化湿分所需热量与气体在干燥器中放出的热量之比值。（因为汽化湿分的热量才是有效热量）,干燥系统的总效率：,对理想干燥过程：Qg=Qw，d,max=100%,