化工原理第十一章固体物料的干燥课件.ppt

《化工原理第十一章固体物料的干燥课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理第十一章固体物料的干燥课件.ppt（119页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、化工原理,固体物料的干燥,第十一章 固体物料的干燥,通过本章学习，应掌握干燥的基本概念和原理；湿空气的性质及湿焓图；干燥过程的物料衡算与热量衡算方法；干燥过程的平衡关系与速率关系。了解干燥时间的计算；干燥设备的类型及结构特点。,学习目的与要求,11.1 干燥过程概述,11.1.1 干燥的原理与应用,第十一章 固体物料的干燥,一、干燥过程的原理,气、固相中所含湿分的不同,分离物系,固体中的湿分,形成两相体系的方法,引入一气相（干燥介质）,传质原理,（固相气相）,固体物料干燥过程,湿物料,热空气,气膜,气相主体,Q 推动力 t-tw,N 推动力 pw-p,二、干燥过程的应用,湿聚氯乙烯干燥成聚氯乙

2、烯产品,湿尿素干燥成尿素产品,含水量 3%,含水量 0.5%,干燥,含水量 2%,含水量 0.3%,干燥,三、干燥过程与其他除湿方法的比较,工程中的常用除湿方法,机械除湿,物理除湿,利用热能除湿,干燥除湿的特点,除湿彻底,能耗高,为节能工业上多采用联合除湿,机械除湿,干燥除湿,沉降,过滤,离心,吸附,干燥,11.1 干燥过程概述,11.1.1 干燥的原理与应用,第十一章 固体物料的干燥,11.1.2 干燥过程的分类,按操作压力分类,干燥,按传热方式分类,干燥过程的分类,常压干燥,真空干燥,传导干燥,对流干燥,按操作方式分类,辐射干燥,介电加热干燥,干燥,间歇干燥,连续干燥,干燥,11.1 干燥

3、过程概述,第十一章 固体物料的干燥,11.2.1 湿空气的性质,11.2 湿空气的性质及湿度图,一、湿度 H(湿含量),干燥介质,干燥湿分,计算基准,湿空气中水汽的质量与绝干空气的质量之比,定义,湿空气,水分,1kg 绝干气,kg水汽/kg绝干气,H,符号,单位,kg/kg绝干气,常压下湿空气可视为理想气体,一、湿度 H(湿含量),水汽的分压,总压,湿空气中水汽与绝干气的摩尔比,湿空气被水所饱和,若,饱和湿空气,一、湿度 H(湿含量),空气温度下纯水的饱和蒸汽压,二、相对湿度,湿空气中水汽分压与同温度水的饱和蒸汽压之比,定义,符号,单位,干燥能力,吸收水分能力,干燥速率,传质推动力,p=0,=

4、0,绝干空气,p=ps,=100,饱和空气,二、相对湿度,分析,三、比体积 vH,以1 kg 绝干气为基准的湿空气的体积,m3湿空气/kg绝干气,定义,符号,单位,设,湿空气的温度为 t,湿空气的湿度为 H,湿空气的总压力为 p总,三、比体积 vH,四、比热容 cH,常压下将以 1kg 绝干气为基准的湿空气的温度升高（或降低）1 所吸收（或放出）的热量,kJ/(kg绝干气),定义,符号,单位,设,湿空气的湿度为 H,则,绝干气比热容,水汽的比热容,在常用温度范围内,cg=1.01 kJ/(kg绝干气),cv=1.88 kJ/(kg水汽),四、比热容 cH,故有,五、焓 I,kJ/kg绝干气,以

5、1 kg 绝干气为基准的湿空气的焓值,则,定义,符号,单位,绝干气的焓值为 Ig,水汽的焓值为 Iv,设,湿空气的温度为 t,湿空气的湿度为 H,以0为基准,设,五、焓 I,则,六、温度,1.干球温度与湿球温度,用普通温度计直接测得的湿空气的温度，称为干球温度，简称温度，以 t 表示。它是湿空气的真实温度。,(1)干球温度 t,(2)湿球温度 tW,用湿球温度计测得的湿空气的温度，称为湿球温度。湿球温度可度量湿空气的湿度大小。,湿球温度计示意图,不饱和湿空气,水,接触,水分汽化:向气相主体传递(汽化热为水分本身温度降低放出显热),热量传递,湿度差,质量传递,温度差,热量由气相主体传递给水分(气

6、相温度下降),达平衡状态,t tw,温度维持不变,不饱和湿空气,六、温度,湿球温度的测量机理,(3)湿球温度与干球温度及湿度的关系,湿空气的干球温度为 t,湿空气的湿度为 H,设,湿空气的湿球温度为 tw,气膜中饱和湿度为 Hs,tw,传热速率为,J/s,传质速率为,kg/s,六、温度,稳态下,联立得,测定 t、tw,湿度 H,未饱和湿空气,t tw,饱和湿空气,t=tw,六、温度,不饱和湿空气,水,绝热状态接触,水分汽化:向气相主体传递(汽化热为水分本身温度降低放出显热),热量传递,饱和湿空气,湿度差,质量传递,温度差,热量由气相主体传递给水分(气相温度下降绝热冷却),达饱和状态,t tas

7、,H Has,100,2.绝热饱和冷却温度 tas,六、温度,绝热饱和冷却塔示意图,1塔 身2填 料3循环泵,绝热状态,绝热饱和温度与干球温度及湿度的关系,未饱和湿空气的焓,饱和湿空气的焓,绝热过程,六、温度,因为H、Has值很小,整理得,通常,比较得,六、温度,不饱和湿空气,饱和湿空气,等湿下冷却达饱和状态,t td,H Hs,td,100,t,ps,示例：露珠的产生,不饱和湿空气,t tw（tas）td,饱和湿空气,t tw（tas）=td,3.露点 td,六、温度,11.1 干燥过程概述,第十一章 固体物料的干燥,11.2.1 湿空气的性质,11.2 湿空气的性质及湿度图,11.2.2

8、湿空气的湿度图,在一定总压下，湿空气的各参数中，只有两个是独立的，只要确定了湿空气的两个独立参数，湿空气的状态就确定了。工程上为了方便计算，常将湿空气各参数标绘成图，称为湿空气的湿度图。,一、H I 图的构造,湿空气的湿度图,湿度焓（HI）图,湿度温度（Ht）图,湿空气的HI 图,HI 图由以下线群组成,等湿线（等 H 线）范围 00.2 kg/kg绝干气,等焓线（等 I 线）范围 0680 kJ/kg绝干气,等温线（等 t 线）范围 0250,等相对湿度线（等 线）范围 5100,=100 饱和空气线,水汽分压线（p 线）范围 026 kPa,一、H I 图的构造,1.已知状态点求湿空气的参

9、数,已知状态点可由 H-I 图求出湿空气的各参数值：,湿度 H,温度,焓 I,相对湿度,水汽分压 p,干球温度t,绝热饱和冷却温度tas(湿球温度 tW),露点td,二、H I 图的应用,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,2.由两个独立参数确定其它参数,已知两个独立参数可由 H-I 图确定湿空气的状态点，继而求出湿空气的各参数值。,已知温度 t湿球温度 tW,已知温度 t露点 td,已知温度 t相对湿度,二、H I 图的应用,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,已知状

10、态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,1.已知状态点求湿空气的参数,已知状态点可由 H-I 图求出湿空气的各参数值：,湿度 H,温度,焓 I,相对湿度,水汽分压 p,干球温度t,绝热饱和冷却温度tas(湿球温度 tW),露点td,二、H I 图的应用,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,2.由两个独立参数确定其它参数,已知两个独立参数可由 H-I 图确定湿空气的状态点，继而求出湿空气的各参数值。,已知温度 t湿球温度 tW,已知温度 t露点 td,已知温度 t相对湿度,二、H I 图的应用,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,

11、tas,tW,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,已知状态点求湿空气的参数,A,H,t,I,p,td,tas,tW,一、湿物料的含水量,1.湿基含水量,kg/kg湿物料,湿基含水量是指湿物料中水分的质量分率。,工业上通常用湿基含水量表示湿含量。,注意,2.干基含水量,干基含水量是指湿物料中水分质量与绝干物料质量的比,kg/kg绝干料,两种含水量之间的关系,一、湿物料的含水量,二、湿物料的比热容 cm,将以 1kg 绝干料为基准的湿物料的温度升高（或降低）1 所吸收（或放出）的热量,kJ/(kg绝干料),定义,符号,单位,设,湿物料的干基湿含量为 X,则,绝干料比热

12、容,水分的比热容,在常用温度范围内,cw=4.187 kJ/(kg水),故有,二、湿物料的比热容 cm,kJ/kg绝干料,以1 kg 绝干料为基准的湿物料的焓值,则,定义,符号,单位,设,三、湿物料的焓,水的焓值为 Iw,绝干料的焓值为,以0为基准,则,设,湿物料的温度为,湿物料的干基湿含量为 X,三、湿物料的焓,一、物料衡算,干燥器物料衡算示意图,干燥器,新鲜空气,废气,湿物料,干燥产品,绝干空气流量,绝干物料流量,干燥产品流量,湿物料处理量,1.水分蒸发量W,kg/s,以1 s 为基准，设干燥器内无物料损失，对干燥器作物料衡算,一、物料衡算,则,单位时间内水分蒸发量,2.空气消耗量 L,k

13、g绝干气/s,得,一、物料衡算,由,单位时间内消耗的绝干空气量,湿空气(新鲜空气)的消耗量为,kg新鲜气/s,湿空气(新鲜空气)的体积消耗量为,m3新鲜气/s,一、物料衡算,设,绝干空气消耗量为 L,湿空气的湿度为 H1,则,单位空气消耗量为,kg绝干气/kg 水,一、物料衡算,单位时间内消耗的绝干空气量,3.湿物料处理量及干燥产品流量,kg/s,绝干料衡算,湿物料处理量,干燥产品流量,kg/s,一、物料衡算,二、热量衡算,干燥器热量衡算示意图,Qp 预热器消耗热量，kW,QD 干燥器补充热量，kW,QL 热损失速率，kW,干燥器,新鲜空气,废气,湿物料,干燥产品,预热器,预热器热量衡算,干燥

14、器热量衡算,整个系统热量衡算,一、热量衡算基本方程,由,设,一、热量衡算基本方程,绝干空气的焓,水汽的焓,则,以0 为基准,故,一、热量衡算基本方程,一、热量衡算基本方程,物料的焓值,湿物料的平均比热容,绝干料的平均比热容,水的比热容,由,整理得,加热空气,一、热量衡算基本方程,加热物料,蒸发水分,损失热量,练 习 题 目,思考题,作业题:3、4,1.H I 图的构造如何，如何由湿空气的状态 点确定其状态参数？2.如何对干燥系统进行物料衡算？3.热量衡算的基本方程式是如何获得的？,第十一章 固体物料的干燥,11.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算,11.3.1 湿物料的性质,11.3.2 干燥过

15、程的物料衡算与热量衡算,11.3.3 空气通过干燥器时的状态变化,一、绝热干燥过程,1.绝热干燥过程的状态变化,理想干燥等焓干燥,A,B,C,不向干燥器补充热量,干燥器的热损失可忽略,物料进出干燥器的焓相等,D=0,L=0,一、绝热干燥过程,2.绝热干燥过程的条件,由,一、绝热干燥过程,故,则,二、非绝热干燥过程,1.非绝热干燥过程的状态变化,实际干燥,A,B,等温干燥,升焓干燥,降焓干燥,降焓干燥过程应满足以下条件,不向干燥器补充热量,干燥器的热损失不能忽略,物料进出干燥器的焓不相等,D=0,L 0,2.非绝热干燥过程的条件,二、非绝热干燥过程,二、非绝热干燥过程,由,故,则,升焓干燥过程应

16、满足以下条件,需向干燥器补充热量,干燥器的热损失不能忽略,物料进出干燥器的焓不相等,且,L 0,二、非绝热干燥过程,二、非绝热干燥过程,由,故,则,因,等温干燥过程应满足以下条件,干燥器的热损失不能忽略,物料进出干燥器的焓不相等,需向干燥器补充热量,D足够大，维持 t1=t2,且,L 0,二、非绝热干燥过程,第十一章 固体物料的干燥,11.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算,11.3.1 湿物料的性质,11.3.2 干燥过程的物料衡算与热量衡算,11.3.3 空气通过干燥器时的状态变化,11.3.4 干燥系统的热效率,一、干燥系统的热效率,干燥系统的热效率定义,蒸发水分所需热量,一、干燥系统的热

17、效率,由,忽略湿物料中水分带入系统中的焓，则,故,对于理想干燥器,二、提高干燥系统热效率的措施,提高干燥系统热效率措施,提高 而降低,提高空气入口温度,采用二级干燥,采用内换热器,干燥系统的保温,采用废气循环工艺,二、提高干燥系统热效率的措施,带废气循环的干燥系统（1）,二、提高干燥系统热效率的措施,带废气循环的干燥系统（2）,第十一章 固体物料的干燥,11.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算,11.4 干燥速率与干燥时间,11.4.1 物料中水分的性质,一、平衡水分与自由水分,湿物料,湿空气,接触时间,平衡曲线,达平衡状态时,平衡湿含量,X*,X,1.平衡曲线,平衡含水量X*与空气相对湿度 的

18、关系（25）,1新闻纸2羊毛、毛织物3硝化纤维4丝5皮革6陶土7烟叶8肥皂9牛皮胶10木材11玻璃绒12棉花,在一定的干燥条件下,不能被除去的水分,平衡水分 X*,大于平衡水分的水分,自由水分 X-X*,物料所含水分平衡水分自由水分,平衡水分,自由水分,按能否被除去划分，取决于物料的性质和空气的状态,2.平衡水分与自由水分,一、平衡水分与自由水分,结合水分的特点,结合力强，不易除去。,二、结合水分与非结合水分,物料表面吸附及空隙中所含的水分,物料细胞壁及毛细孔道内所含的水分,湿物料,结合水分,非结合水分,非结合水分的特点,结合力弱，容易除去。,物料所含水分结合水分非结合水分,结合水分,非结合水

19、分,按除去的难易程度划分，仅取决于物料的性质，而与空气的状态无关。,二、结合水分与非结合水分,固体物料中所含水分的性质,总水分,平衡水分,自由水分,非结合水分,结合水分,第十一章 固体物料的干燥,11.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算,11.4 干燥速率与干燥时间,11.4.1 物料中水分的性质,11.4.2 恒定干燥条件下干燥时间的计算,一、干燥实验和干燥曲线,1.恒定干燥实验,恒定干燥条件,间歇操作,用大量的空气干燥少量的物料,维持空气的速度及与物料的接触方式不变,实验数据,洞道干燥实验流程示意图,1洞道干燥室 2离心鼓风机 3孔板流量计 4温度计 5干燥物料 6重量传感器 7加热器 8湿

20、球温度计 9干球温度计10重量显示仪11温度显示仪12湿球温度显 示仪13电加热控制 仪表,一、干燥实验和干燥曲线,预热阶段,恒速干燥阶段（第一干燥阶段）,干燥阶段,降速干燥阶段（第二干燥阶段）,热量主要用于物料升温,热量用于汽化水分,热量用于汽化水分和加热物料,一、干燥实验和干燥曲线,2.干燥曲线,将物料含水量（或物料表面温度）对干燥,干燥曲线,X 曲线,曲线,时间绘图，所得图形称为干燥曲线。,干燥曲线（X关系）,预热阶段,恒速干燥阶段,降速干燥阶段,干燥曲线（关系）,预热阶段,恒速干燥阶段,降速干燥阶段,第十一章 固体物料的干燥,11.4 干燥速率与干燥时间,11.4.1 物料中水分的性质

21、,11.4.2 恒定干燥条件下干燥时间的计算,一、干燥实验和干燥曲线,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,1.干燥速率,单位时间单位干燥面积上汽化的水分质量。,kg/(m2),定义,干燥速率定义式,干燥速率,2.干燥速率曲线,U 与 的关系曲线 干燥速率曲线。,干燥曲线,干燥速率曲线,曲线斜率,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,恒定干燥条件下干燥速率曲线,预热阶段,恒速干燥阶段,降速干燥阶段,临界湿含量,临界干燥速率,湿空气,水分传递,由内部向表面迁移,由表面向空气中汽化,湿物料,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,3.干燥机理及影响因素,(1)恒速干燥阶段,内部迁移速率,表面汽化速率,特征,表面维持润

22、湿状态，汽化的水分一般为非结合水分,空气传给湿物料显热水分汽化所需潜热,表面汽化控制阶段,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,设,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,一批操作中空气传给物料的总热量为,一批操作中蒸发的水分量为,则,空气与物料表面的对流传热速率为,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,湿物料与空气的传质速率为,联立并整理得,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,1)空气平行流过静止物料层表面,计算 经验公式,湿空气的质量流速,2)空气垂直流过静止物料层表面,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,3)气体与运动着的颗粒间的传热,颗粒平均直径,空气导热系数,空气运动黏度,颗粒沉降速度,(2)降速干燥阶段,内部

23、迁移速率,表面汽化速率,表面逐渐变干，汽化的水分为结合水分,干燥速率,内部迁移控制阶段,特征,二、干燥速率曲线及干燥过程分析,1.恒速干燥阶段,由,三、干燥时间的计算,分离变量积分,得,恒速干燥阶段干燥时间,Xc的来源,由干燥速率曲线得出,由手册查出,三、干燥时间的计算,Uc的来源,由干燥速率曲线得出,由经验公式计算,三、干燥时间的计算,2.降速干燥阶段,由,三、干燥时间的计算,分离变量积分,设 U 与 X 为线性关系,三、干燥时间的计算,积分得,三、干燥时间的计算,降速干燥阶段干燥时间,若 X*很低或缺乏 X*数据，令,三、干燥时间的计算,则,故此,降速干燥阶段干燥时间,总干燥时间,三、干燥时间的计算,若,一般程序：予冻升华干燥解析干燥,升华干燥冻干（freeze-drying）,第十一章 固体物料的干燥,11.6 干燥器,11.6.1 干燥器的基本要求与分类,一、干燥器的基本要求,干燥器的基本要求,保证干燥产品的质量要求,干燥速率快,操作控制方便、劳动条件好,含水量,强度,形状,热效率高,二、干燥器的分类,按传热方式分类,对流干燥器,厢式干燥器,气流干燥器,沸腾干燥器,转筒干燥器,喷雾干燥器,传导干燥器,滚筒干燥器,真空盘架式干燥器,红外线干燥器,辐射干燥器,微波干燥器,介电干燥器,