化工原理下第14章董.ppt

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1、14.1 概述14.2 干燥静力学14.3 干燥速率与干燥过程的计算14.4 干燥器,固体干燥Dryness of solids,回转真空转筒干燥机,375,化工原理（下）-固体干燥,机械去湿用离心机、过滤机等除去大量水分。吸附去湿用干燥剂吸收物料中的水分。供热干燥向物料供热使其中水分汽化，从而干燥物料。工业上最常用的是对流干燥。,14.1 概述 Introduction,14.1.1 固体去湿方法和干燥过程,物料的去湿方法,376,化工原理（下）-固体干燥-概述,含有固体溶质的溶液分散成滴，与热气流接触，湿分汽化，从而得到粉粒状固体产物。离心喷雾 压力喷雾,喷雾干燥,376,化工原理（下）-

2、固体干燥-概述,对流干燥,以热空气或其它高温气体为介质，使之掠过物料表面，介质向物料供热并带走湿分.,传热、传质过程并存。热空气与湿物料直接接触，传热推动力为空气温度与物料表面温度之差。水汽蒸发出来被空气带走，传质推动力为水汽饱和分压与空气主体水汽实际分压差。空气既是载热体又是载湿体，空气必须相当干燥(水汽分压足够低)和较高温度才能完成干燥任务。所以干空气一般先预热到较高温度后进入干燥器进行干燥操作。干燥操作的必要条件：物料表面水的饱和蒸汽压大于干燥介质中水气的分压。其差值为推动力。,对流干燥过程的特点,379,化工原理（下）-固体干燥-概述,14.1.2 对流干燥流程及经济性,对流干燥可以连

3、续操作也可间歇操作。,380,干燥操作的经济性主要取决于能耗和热利用率。通常与机械去湿操作联合，先除去大量水分，再进行干燥能耗较少。同时注意干燥过程的热效率。热利用 1.水分汽化。2.被废气带走。3.固体物料的温升。4.设备热损失。,化工原理（下）-固体干燥-概述,14.2 干燥静力学,14.2.1 湿空气的状态参数,空气中水分含量的表示方法,1.水汽分压与露点 水汽分压 p水汽即为露点温度 td时的饱和蒸汽压。2.湿度H：每千克干空气所含有的水汽量，kg/kg.,381,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,(3)相对湿度在一定总压下和温度下，湿空气中水汽分压与空气中水汽分压可能达到的最大值

4、（同温度下水的饱和蒸汽压）之比。=0 绝干空气 1 未饱和空气=1 饱和空气（不能作干燥空气）当空气温度较高时，psP,此时相对湿度为,382,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,由于空气中的水汽不饱和，但湿球表面水的饱和蒸汽压大于空气中的水汽分压，就有水汽不断向空气汽化。汽化所需的热量只能由水温降低来提供。,355,湿球温度(wet bulb temperature)tW,未饱和湿球温度恒低于干球温度,化工原理（下）,在空气与湿球间产生温度差，热量由空气向湿球传递。传递热量不够汽化所需时，湿球温度继续下降。同时饱和蒸汽压也降低，汽化速率减小。当传递热量刚好等于汽化所需时，达到平衡。湿球水温

5、不再下降，这个动态平衡的温度就是湿球温度。,显然，湿球温度是由干球温度和湿度决定，空气湿度越大，两个温度差越小。当干球温度与湿球温度相等时达到饱和，相对湿度等于1。,356,化工原理（下）-热质同时传递的过程-气液直接接触,空气向湿球表面的对流传热速率必须供给水汽化所需热量式中tW为湿球温度，HW为湿球表面饱和湿度。于是 对于水-空气体系，1.09 kJ/(kg水.K),357,化工原理（下）-热质同时传递的过程-气液直接接触,显然，湿球温度是由干球温度和湿度决定，湿度越大，两个温度差越小。当干球温度与湿球温度相等时达到饱和。相对湿度等于1。,与过程计算有关的参数 湿空气的焓,383,化工原理

6、（下）-固体干燥-干燥静力学,(2)湿空气的比体积【单位】定义常压下易得以下关系或者,(14-9),384,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,在一定总压下，只要两个独立变量就可确定湿空气的状态，从而确定湿空气的性质。原则上，知道 pv,H,I,t,tW其中某两个独立参数就可通过前面讨论的基本公式计算出其它参数。但有时计算并不是直接的，比较麻烦。工程上为了方便，将湿空气的性质作成图，用已知条件在图上能迅速查到其它性质。这种图就叫湿空气的湿焓图。,内热真空耙式干燥机,湿度图,385,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,湿度H/(kg水/kg干空气）,湿空气的焓I/(kJ/kg干空气),水汽分

7、压p/kPa,386,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,等温线I=(1.01+1.88H)t+2490H,I-H图的用法,由湿度和温度读出焓值。由湿度读出水汽分压值。由湿度读出露点。由焓I读出绝热饱和温度或湿球温度。,燃煤热风炉,热风循环烘箱,I=(1.01+1.88H)t+2490H,387,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,湿度H/(kg水/kg干空气）,湿空气的焓I/(kJ/kg干空气),温度/C,水汽分压p/kPa,388,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,湿度H/(kg水/kg干空气）,湿空气的焓I/(kJ/kg干空气),温度/C,水汽分压p/kPa,389,化工原理（下

8、）-固体干燥-干燥静力学,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,在预热器中的过程为加热过程。总压和水汽分压没有变化，空气湿度不变。,A,B,C,t,t1,tas,H1,Has,H,加热和冷却过程,390,14.2.2 湿空气状态的变化过程,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,A,B,C,t,t1,tas,H1,Has,H,水汽化吸收热量，空气温度降低。但汽化的水又将热量带入空气。此过程没有热损失时为绝热增湿过程。整个过程的焓增起就是水的焓值。(14-11),绝热增湿过程,390,14.2.2 湿空气状态的变化过程,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,V,H,t,V,H1,t2,14.2.2

9、 湿空气状态的变化过程,若水量足够，接触充分，出口气体可达饱和，湿度Has，如果水的温度与出口温度相同，此时空气的出口温度tas，称为绝热饱和温度。,绝热增湿过程,390,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,V,H,t,V,H+(Has-H),tas,14.2.2 湿空气状态的变化过程,特点：气体传递给水的热量全部恰好等于水汽化所需热量。,390,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,湿球温度与绝热饱和温度近似相等，绝热饱和温度近似地在I-H图上做等焓线上至饱和线获得。因此等焓线近似看作绝热增湿线。,例 14-1 今测得空气的干球温度为60C，湿球温度为45C，求湿空气的湿度、相对湿度、焓和

10、露点。解：注意空气的湿球温度近似等于绝热饱和温度。找出45C等温线与饱和线的交点，再由等焓线上找出60C的点即为该空气的状态点。读出焓值、湿度、相对湿度，再过状态点作垂直线交于饱和线即读得露点。,A,B,t,td,tas,Has,H,I=212,=1,391,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,不同湿度空气混合后，温度变化并引起其他性质变化，混合后还是空气。由物料衡算和热量衡算容易求解。,两股气流的混合,计算负荷杠杆定律,392,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,例14-2 在总压100kPa下将温度为18C湿度为0.006kg/kg的新鲜空气与部分废气混合，然后将混合气加热送入干燥器作

11、为干燥介质。设混合后空气湿度为0.065kg/kg，废气排出温度为58C，相对湿度为 70%。求废气与新鲜空气混合比及混合气进预热器的温度。,解：,V1,t1,t,Hm,L,t2,H2,W,先由混合后湿度求混合比。查58C水的饱和蒸汽压后可求废气湿度再由物料衡算V1H1+V2H2=(V1+V2)Hm得,V2,393,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,kg/kg,再由热量衡算求混合气温度。最好用焓差列式计算解得 t=47.0 C,A,B,t1,t2,t,H2,H1,I2,=1,=0.7,Hm,394,C,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,14.2.3 水分在气-固两相间的平衡,结合水：结

12、晶水、溶解水、毛细孔中的水、吸附水（物理吸附和化学吸附）。结合水以化学力或物理化学力与固体分子结合。非结合水：附在物料表面或大空隙中的水称非结合水（自由水）。非结合水的平衡蒸汽压为水的饱和蒸汽压，而结合水的平衡蒸汽压低于纯水的饱和蒸汽压。因此非结合水较易除去，结合水不易除去。,395,结合水与非结合水,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,非结合水存在时，平衡蒸汽压始终是水的饱和蒸汽压，没有非结合水时，平衡蒸汽压小于纯水饱和蒸汽压。用含水量X与相对湿度图表示如右图。在某空气条件下，固体物料与空气平衡时所含水量称平衡水。平衡水是在该条件下不能除去的水分。,平衡蒸汽压曲线,平衡水与自由水,396,

13、化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,平衡水分,自由水分,结合水,j,X,B,非结合水,X*,Xmax,396,化工原理（下）-固体干燥-干燥静力学,已知在常压及25下水份在某湿物料与空气之间的平衡关系为：相对湿度=100%时，平衡含水量x*=0.02kg水/kg绝干料；相对湿度=40%时,平衡含水量 x*=0.007 kg水kg绝干料。现该物料含水量为0.23kg水kg绝干料,令其与25,=40%的空气接触,则该物料的自由含水量为 kg水kg绝干料,结合水含量为 kg水kg绝干料。,14.3 干燥速率与干燥过程的计算Drying rate and the calculation of dry

14、ness process,将湿物料放在恒定空气流中干燥，测定不同时间物料温度及含水量的变化，绘成干燥曲线。,温度,14.3.1 物料在定态空气条件下的干燥速率,干燥动力学实验,397,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,物料干燥速率用单位时间单位气固接触面积汽化的水量表示。式中Gc为绝对干燥物料量，X为以绝干物料为基准的干基含水量。开始干燥时，汽化速率小，主要是将物料预热到饱和温度。所以曲线坡度小，物料湿度变化小。,398,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,当物料表面被非结合水覆盖时，物料表面基本保持tw温度，空气状态也不变，所以传热推动力(t-tw)和传质推动力(Hw-

15、H)都不变。因此水分汽化速率恒定。BC段近似为直线。干度与时间关系曲线坡度加大。除去的是非结合水。,A,B,C,X*Xc,恒速干燥阶段,干燥速率,399,D,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,Hw：物料表面温度tw下，空气的饱和温度。,干燥到CD段，多孔物质表面有些区域已成干区，实际汽化面积减小，所以用物料全部外表面计算的干燥速率下降,A,B,C,X*Xc,干燥速率,降速干燥阶段,399,D,干燥到D点以后，进入第二降速阶段。物料表面都成为干区后，汽化表面向物料内部转移，热量必须通过毛细管向内传递，传质也必须克服毛细管形成的阻力。干燥速度进一步降低，曲线变得平坦。,DE阶段干燥速率

16、下降的另一原因：平衡蒸汽压下降，推动力降低，干燥速率下降。非多孔性物料内部水分扩散很慢时，固体内部扩散速率跟不上蒸发速率也导致干燥速率下降。第二降速一直到E点达到物料在该条件下的平衡含水量X*为止。,400,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,A,B,C,X*Xc,干燥速率,D,恒速阶段与降速段的转折点C称为临界点，此处的含水量称为临界含水量Xc。,干燥操作对物料性状的影响：恒速阶段，物料表面维持在湿球温度，因此不会对干燥物体造成损害。降速阶段，物料温度逐渐升高，注意不要使物料温度过高。,400,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,14.3.2 间歇干燥过程的计算,特点：物

17、料表面非常润湿，物料表面温度与空气湿球温度相等，物料表面空气湿含量为一定值。因干燥速率为常数，所以干燥速率由实验决定，也可按传质速率估算。,恒速干燥阶段的干燥时间,(14-20),(14-21),401,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,提高空气温度、降低湿度可增大传热推动力和传质推动力,干燥操作的对流传热系数有以下几种经验公式可供选用.空气平行流过静止物料层表面式中G为气体的质量流速，kg/(m2.s).上式应用条件：G=0.688.14 kg/(m2.s)空气平均温度45150C,kW/(m2.C),402,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,气体垂直穿过颗粒堆积层单

18、一球形颗粒悬浮于气流中,403,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,例 14-3 在总压100kPa下将温度为20C，相对湿度70%的空气预热至70C后送入间歇干燥器。空气以6.0m/s的流速平行流过物料表面。估计恒速阶段的干燥速率。若空气预热温度改为80 C，干燥速率有何变化？解：先必须得出湿球温度和相应的汽化潜热及。rw,tw可由湿空气的湿焓图查得。然后由质量流速求出。,Kg/(m2.s),404,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,预热温度为80 C查图得湿球温度 tW=32.3 C再查水蒸气表得汽化潜热 rtw=2420 kJ/kg,kW/(m2.C),kg/(m2

19、.s),kg/(m2.s),A,B,t1,t2,H1,=1,=0.7,405,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,根据降速段浓度变化与干燥速率的函数关系，可用图解积分法或解析法计算。当速率与浓度变化呈线性关系时，且最终干燥浓度为零时 NA=KXX总干燥时间为=1+2,(14-30),A,B,C,E,X*Xc,降速阶段的干燥时间,干燥速率,406,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,例 14-4 已知某物料在恒定空气条件下从自由含水量0.10kg/kg干料干燥至0.04kg/kg干料共需5h，问将这些物料继续干燥至自由含水量为0.01kg/kg干料还需多少时间？已知XC=0.

20、08kg/kg干料，降速阶段速率曲线可作通过原点的直线处理。解：总干燥时间=1+2=5,407,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,解得 1=1.33 h 2=3.67 h继续干燥所需时间因继续干燥一定在降速干燥阶段，所以3=32 3 2=22=23.67=7.34 h,408,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,降速干燥阶段,气体供给热量一部分用于升高固体物料温度.为简便计,设固体物料内部温度均匀.在极短瞬间进行热量衡算得设降速阶段干燥速率与物料自由含水量成正比消去时间得,干燥结束时的物料温度,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,409,应用边界条件 X=XC,

21、=tw X=X2,=2解微分方程得上式成立条件还应加上水的汽化热和热容均为常数.,410,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,将前面含水量随干燥时间变化关系改为物料温度随设备长度变化关系.如图所示:开始,固体物料温度升高到湿球温度,需热量少,空气温度下降小.,14.3.3 连续干燥过程的一般特性,tw,1,设备长度,j,k,2,tj,tk,t2,t1,连续干燥过程的特点,411,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,温度升至空气湿球温度后,物料温度基本不变,空气温度下降放出热量用于汽化水分.气温下降多.此段主要蒸发固体物料表面水分.表面水分蒸发完后,固体物料开始升温,最后达到

22、物料末温.应注意:连续干燥器内固体物料升温阶段与定态空气条件干燥降速阶段不同,空气状态不断变化,其干燥速率不与物料自由含水量成正比.,tw,1,设备长度,j,k,2,tj,tk,t2,t1,412,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,物料衡算,用Gc表示绝干物料流量，对干燥器进行物料衡算得物料含水量习惯上以湿基表示，干基与湿基含水量的关系为 X=w/(1-w),热空气V,H1,废气V,H2,产品Gc,X2 G2，w2,湿物料Gc,X1 G1，w1,14.3.4 干燥过程的物料衡算与热量衡算,413,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,忽略热损失时 Q=V(I1-I0)=V(

23、1.01+1.88H1)(t1-t0),V,t0,H0,V,t1,H1,V,t2,H2,Gc,X1,1,Gc,X2,2,W,414,预热器的热量衡算,干燥器的热量衡算,(14-38),化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,连续干燥的计算,415,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,第一：物料衡算,H0已知，W可求出，求V关键在于确定出干燥器空气湿度H2，必须用后面的干燥器热量衡算结合才能确定H2。,1.对于理想干燥过程：因为过程等焓，I2=I1 知道空气出口温度，即可求出湿度，（或知道出口湿度，即可求出温度）。2.对于非理想干燥过程，必须进行热量和衡算。,415,化工原理（下

24、）-固体干燥-干燥速率与过程计算,代入V=W/(H2-H1),例 14-5 在常压下将质量分数为5%的湿物料以1.58kg/s的速率送入干燥器,干燥产物的含水质量分数为0.5%。所用空气温度为20C,湿度为0.007kg/kg,预热温度为127C,废气出口温度为82C,设为理想干燥过程，求空气用量V和预热器的热负荷。解:(1)绝干物料量 GC=G1(1-w1)=1.58(1-0.05)=1.5 kg/s,kg/s,417,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,理想干燥过程即进出干燥器空气焓不变的过程。于是 空气用量(2)预热器的热负荷,kJ/kg,kg/kg,kg/s,kW,418,化

25、工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,实际干燥过程：1.补充的热量小于热损失和物料带走热量，气体焓减。2.补充的热量大于热损失和物料带走热量，气体焓增。,415,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,A,D,C,E,H0,H,H绝,H”,例 14-6 已知某连续干燥过程的有关参数如下：GC=1.5kg/s,X1=0.0527 kg/kg,X2=0.00502kg/kg,1=21C,2=66 C,Cs=1.9kg/(kg.K)t0=20C,H0=0.007kg/kg,t1=127C,t2=82C若热损失按空气在预热气体中获得热量的5%计算，干燥器中不补充热量，求：(1)空气用量V；

26、(2)预热器的热负荷Q。本题空气条件和干燥要求与上题一致。只是不是理想干燥过程，而是实际干燥过程。,419,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,过程的热量分析：,415,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,14.3.5 干燥过程的热效率,空气在干燥器中放出热量的分析,为废气离干燥器时带走的热量,定义干燥过程的热效率为：若无补充热量，不计热损失，则有,14.3.5 干燥过程的热效率,(14-47),(14-48),422,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,14.4 干燥器Equipments of dryness,单击播放厢式干燥器动画,425,常用对流干燥器简介

27、,厢式干燥器,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,425,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,转筒干燥器,单击播放转筒干燥器动画,426,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,流化床干燥器,单击播放流化床干燥器动画,427,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,气流干燥器,破碎机,产品,428,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,喷雾干燥器,单击播放喷雾干燥器动画,429,化工原理（下）-固体干燥-干燥速率与过程计算,气流干燥器一般是在瞬间完成的，故气流干燥器最宜于干燥物料中的。(A)自由水分（B）平衡水分（C）结合水分（D）非结合水分湿物料在指定

28、的空气条件下被干燥的极限含水量称为_。(A)结合水(B)平衡含水量(C)临界含水量(D)自由含水量已知物料的临界自由含水量为0.2kg水/kg绝干物料，空气的干球温度为t，湿球温度为tW，露点为td。现将该物料自初始自由含水量X1=0.45kg水/kg绝干物料，干燥至自由含水量X2=0.1kg水/kg绝干物料，则干燥物料表面温度tm：_。（A）tmtw（B）tm=t（C）tm=td（D）tm=tw,对于一定干球温度的空气，当其相对湿度愈低时，其湿球温度。愈高；愈低；不变；不一定，与其它因素有关；,已知湿空气总压为101.3kPa，温度为30，空气的湿度为0.016 kg/kg干空气,已查出30时水的饱和蒸气压为4.25 kPa，则空气的相对湿度等于。,将不饱和空气在间壁式换热器中由t1加热至t2，则其湿球温度tW（），露点温度td（），相对湿度（）。,用常压干燥器干燥某种湿物料，新鲜空气的温度30，湿度0.01kg水/kg绝干气，预热至120后送入干燥器，离开干燥器的废气温度为70，干燥产品的流量为600kg/h,进出干燥器的湿物料的含水量分别为10和2（均为湿基）。若干燥过程可视为等焓干燥过程。试求：（1）水分蒸发量；（2）绝干空气消耗量；（3）预热器消耗的热量；（4）在H-I图上定性画出空气的状态变化过程。,