第九章 干燥
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第九章 干燥. 主要内容: 湿空气的性质及其计算; 湿度图的应用; 连续干燥过程的物料衡算和热量衡算; 恒定干燥条件下的干燥速率和干燥时间计算。. 干燥是利用热能除去固体物料中湿分的单元操作。 一、物料的去湿方法 1 、机械去湿法:如压滤、离心 优点:能量低;缺点:去湿不完全。 2 、化学去湿法 优点:去湿完全;缺点:费用高,操作麻烦。 3 、热能去湿法 优点:去湿较完全;缺点:能耗高。 在化工生产过程中,常常是两种方法一起使用,当物料中的湿分较多时,采用机械去湿法,然后用热能去湿法进一步除去湿分,这样既可减少能耗,又可以满足生产的要求。.

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第九章 干燥

主要内容:

湿空气的性质及其计算;

湿度图的应用;

连续干燥过程的物料衡算和热量衡算;

恒定干燥条件下的干燥速率和干燥时间计算。


干燥是利用热能除去固体物料中湿分的单元操作。干燥是利用热能除去固体物料中湿分的单元操作。

一、物料的去湿方法

1、机械去湿法:如压滤、离心

优点:能量低;缺点:去湿不完全。

2、化学去湿法

优点:去湿完全;缺点:费用高,操作麻烦。

3、热能去湿法

优点:去湿较完全;缺点:能耗高。

在化工生产过程中,常常是两种方法一起使用,当物料中的湿分较多时,采用机械去湿法,然后用热能去湿法进一步除去湿分,这样既可减少能耗,又可以满足生产的要求。

第一节 概述


二、干燥过程的分类干燥是利用热能除去固体物料中湿分的单元操作。

1、按操作压力分:

常压干燥

真空干燥

2、按操作方式分:

连续式干燥

间歇式干燥

3、按给湿物料提供热能的方式分:

传导干燥(间接加热干燥):将热能以传导的方式通过金属壁面传给湿物料。特点:热能利用率高。

对流干燥:(直接加热干燥):将热能以对流的方式传给与其直接接触的湿物料。特点:热能利用率比传导干燥低。

辐射干燥:热能以电磁波的形式由辐射器发射,射至湿物料表面被其吸收再转变为热能。

介电加热干燥:将需要干燥的物料置于高频电场的交变作用使物料加热而达到干燥。


预热器干燥是利用热能除去固体物料中湿分的单元操作。

废气

干燥器

空气

湿物料

干燥产品

三、对流干燥过程

1、对流干燥的流程

2、对流干燥的特点

t

必要条件:是物料表面所产生的是蒸汽(或其它蒸汽)压力要大于干燥介质中水汽(或其它蒸汽)的分压。

tw

Q

湿物料

N

ps

pw


第二节 湿空气的性质和湿度图干燥是利用热能除去固体物料中湿分的单元操作。

一、湿空气的性质

湿空气:干空气和水蒸汽的混合物,这种混合物称湿空气。

1、湿空气中水气分压pW

P=pg+pW

2、湿度H

定义:湿空气中单位质量绝干空气所带有的水蒸汽的质量,或湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气质量之比值。 即:

理想气体:摩尔数之比=压力之比,则:

P一定 :


若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:

P一定 :

3、相对湿度百分数

定义:在一定的总压下,湿空气中水蒸汽分压p与同温度下水的饱和蒸汽压pS之比的百分数,称为相对湿度百分数,简称相对湿度。

T一定

φ越小,空气距饱和程度越远,吸水能力越强。


4若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:、湿容积vH

定义:单位质量的绝干空气和其所带的Hkg水蒸汽所共同占有的体积称为湿空气的湿容积,又称湿空气的比容,即

在常压下,vH的计算公式为:

H↑,t↑,湿容积增大。

5、湿热cH

定义:将1kg绝干空气和其所带的Hkg水蒸汽的温度升高1℃所需的总热量,称为湿热,又称湿空气的比热。即


6若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:、焓ΙH

定义:1kg绝干空气和其所带的Hkg水蒸汽所具有的焓,称湿空气的焓ΙH

7、湿球温度 tW

湿球温度计:用保持湿润的纱布将温度计的感温部分包起来,这种温度计称湿球温度计。

湿球温度 tW:将湿球温度计置于一定的温度和湿度的湿空气中,达到稳定时所显示的温度为湿空气的。湿球温度 tW。

湿球原理:

测量刚开始时,设纱布中水分的温度与空气的温度相同。

H<HS→传质 →tW↓→tw<t→传热→达到平衡。


t若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:w

t

H

HW

在单位时间内,由空气传给湿纱布的热量为

水蒸汽向湿空气的传质速率为

在达到稳定状态下,对水作热量衡算可得:

整理得:

kH,a—通过同一气膜的传质系数和对流传质系数。

对于湿空气—水系统而言,a/kH值约为1.09。


8若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:、绝热饱和温度tas

定义:空气达到绝热饱和时所显示的温度。

设进入和离开绝热饱和器的湿空气的焓值分别为Ι1和Ι2,则:

Ι1 = cHt +Hr0 = (1.01 +1.88H)t +Hr0

Ι2= cH,ast as+Hasr0 = (1.01 +1.88Has)tas +Hasr0

cH=(1.01 +1.88H)≈ (1.01 +1.88Has)

cHt +Hr0 ≈cH,ast +Hasr0

对于空气—水蒸汽系统,当空气流速较高时,1/cH值与kH/a值甚为接近,故tas≈tw


9若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:、露点td

定义:将不饱和的湿空气等湿冷却至饱和状态,此时的温度称为该湿空气初始状态的露点。相应的湿度为饱和湿度Hs,td,其数值等于此湿空气的温度H。

对于不饱和湿空气 t>tW>td

饱和湿空气 t=tW=td


若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:、湿空气的湿度图及其应用


1若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:、湿度图的构造

1、等t线

2、等H线

3、等相对湿度线

4、等焓线

5、水蒸汽分压线

2、湿度图的应用

利用湿度图查物性

湿空气状态点的确定


φ若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:B

B

φA

φ=100%

A

tB

IB

IA

tA

H

3、湿空气加热、冷却过程的图示与讨论

间接加热过程


φ若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:A

A

φB

φ=100%

B

tA

IA

IB

tB

H

间接冷却过程

td

tc


空气在干燥器内的冷却过程若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:

A

φ=100%

C

tA

C’

tC

H

HC’

HC


第三节 连续干燥器的物料衡算和热量衡算若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:

一、物料衡算

1、湿基含水量

2、干基含水量


预热器若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:

废气

干燥器

空气

湿物料

干燥产品

二、 物料衡算

GC:绝干物料量;

L:绝干空气的流量;

X1,X2:干燥前后湿物料的干基含水量;

H1,H2:干燥前后湿空气的湿度。


对水进行物料衡算:若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:

空气消耗量L :

单位空气消耗量 :


因为 若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:H1=H0

夏季要比冬季空气的消耗量大。空气的鼓风机等装置要以全年最热月份的空气消耗量来决定湿空气的体积流量。


空气若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:t1,H1,I1

QL

废气t2,H2,I2

空气t0,H0,I0

预热器

干燥器

湿物料t1’,X1,I1’

干燥产品t2’,X2,I2’

QP

QD

三、热量衡算

对预热器做热量衡算 :


对干燥过程作热量衡算:若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:

简化计算:


则热量衡算式为:若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:


四、空气进、出干燥器的状态变化:若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:

在干燥操作中,空气通过预热器时,状态变化过程为温度升高而湿度不变。若预热后的空气温度t1为已知,则空气的状态也就确定了。而空气通过干燥器时,由于空气和物料间进行热和质的交换,而且还受外加热量的影响以及热损失等,所以其状态变化过程是比较复杂的。通常,根据干燥过程中空气焓的变化情况,将干燥过程分为等焓与非等焓干燥过程。

1、等焓干燥过程(绝热干燥过程)

对干燥器作热量衡算,

若QD=0;QL=0:I1’=I2’。

则:即 I1 = I2


2若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:、非等焓干燥过程(非绝热干燥过程)

实际的干燥过程皆为非等焓干燥过程,依其具体情况分为以下三种:

1)干燥器中不补充热量,即QD=0,而QL≠0、GC(I2’-I1’)≠0。

则:I2<I1

2)干燥器中补充热量QD,而且比干燥器的热损失及被干燥物料带进和带出干燥器热量之差值之和还要大,,即QD>QL+GC(I2’—I1’)。

则:I2>I1

3)干燥器中补充热量QD,此热量可使干燥过程在等温条件下进行,即在干燥器中空气状态变化保持恒定的温度t1下进行。


I若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:1

φB

B

φA

φ=100%

t1

A

t2

I0

t0

H


五、干燥器的热效率若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即:

干燥器的热效率η一般定义为:

若蒸发水分量为W,空气出干燥器时温度为t2,物料进干燥器温度为t1’,则干燥器内蒸发(气化)水分所需Q1可用下式计算:


干燥操作中干燥器的热效率表示干燥器操作的性能,效率愈高表示热利用程度愈好。干燥操作中干燥器的热效率表示干燥器操作的性能,效率愈高表示热利用程度愈好。

在干燥操作中,若将离开干燥器的空气温度降低而湿度增大,则亦能提高干燥效率和节省空气的消耗量以降低输送空气的能量。但是空气的湿度增加,会使物料和空气间的传质推动力(即HW—H)减小。一般地吸水性物料的干燥,空气出口的温度应高一些,而湿度应低些。通常,在实际干燥操作中,空气出干燥器之温度t1需比进入干燥器时的绝热饱和温度高20到50℃,这样去保证在干燥器以后的设备中空气不致分出水滴,以免造成设备材料的腐蚀等问题。此外,废气中热量的回收利用对提高干燥操作的热效率也具有实际意义。当然还应注意干燥设备和管路的保温,以减少干燥系统的热损失。


第四节 干燥过程的相平衡关系和速率关系干燥操作中干燥器的热效率表示干燥器操作的性能,效率愈高表示热利用程度愈好。

干燥器的尺寸需要通过干燥速率关系和干燥时间来确定,而干燥速率不仅与空气的性质有关,也取决于物料含水分的性质。而物料所含水分性质又与物料的结构和化学状态密切相关。

一、水分在汽-固两相间的平衡关系

1、物料的φ-X平衡关系

如将某一物料与一定温度及湿度地空气相接触,物料将被除去或吸收水分,直到物料表面所产生的水蒸汽压力与空气中的水蒸汽压力相等为止,而使物料的含水量达于一定数值,此数值称为该光线状态下此物料的平衡含水量。

φ

X


平衡水分因物料种类的不同有很大的差别;同一种物料的平衡水分也因空气状态的不同而异。平衡水分因物料种类的不同有很大的差别;同一种物料的平衡水分也因空气状态的不同而异。

只有使物料与相对湿度百分数为零的空气相接触,才能获得绝干的物料;反之如果使物料与一定湿度的空气接触,物料中总有一部分水(即平衡水分)不能除去。故平衡水分是在一定的空气状态下物料可以被干燥的最大限度。

2、物料中的水分分类:

平衡水分与自由水分:根据物料中所含水分在一定的条件下能否用对流干燥的方法将除去来划分为平衡水分和自由水分。

结合水和非结合水分:

结合水是指存在于物料细胞壁内的水分、小毛细管中的水分以及胶体结构物料中的水分等。这些水分与物料结合力强,因此结合水分的特点是产生低蒸汽压,即其蒸汽压低于同温度下纯水的蒸汽压,所以结合水是较难除去的水分。


X平衡水分因物料种类的不同有很大的差别;同一种物料的平衡水分也因空气状态的不同而异。

非结合水是指存在于物料表上的润湿水以及颗粒堆积层中的大空隙中的水分等。这些水与物料结合力弱,其蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同,因此非结合水的气化与纯水的气化相同,在干燥过程中易被除去。

结合水与非结合水分都很难用实验方法直接测定,但可根据它们的特点,而利用平衡关系外推得到。在一定温度下,物料中的结合水与非结合水的划分,只取决于物料本身的特性,而与其接触的空气无关。

非结合水

自由水分

总水分

结合水分

平衡水分

φ

100%

50%


二、恒定干燥条件下的干燥过程平衡水分因物料种类的不同有很大的差别;同一种物料的平衡水分也因空气状态的不同而异。

1、恒定干燥条件:是指干燥介质的温度、相对湿度、流过物料表面的速度、与物料的接触方式以及物料的尺寸或料层的厚度恒定。

2、干燥速率:单位时间内在单位干燥面积上被干燥物料所能气化的水分质量,称为干燥速率u.


3平衡水分因物料种类的不同有很大的差别;同一种物料的平衡水分也因空气状态的不同而异。、干燥曲线和干燥速率曲线

湿物料的干燥曲线,它表明在干燥过程中湿物料的平均含水量X及物料表面温度t’与干燥时间τ的关系。这种曲线是通过实验测定而绘出。为了比较不同物料在相同条件下的干燥速率,还可以把干燥曲线转化成干燥速率曲线。

A

B

u

C

B

X

C

A

D

t2’

D

tW

t1’

τ

X*

X1


4平衡水分因物料种类的不同有很大的差别;同一种物料的平衡水分也因空气状态的不同而异。、恒速干燥阶段和降速干燥阶段

物料干燥过程中有一个转折点C,此点称为临界点。从干燥开始到临界点为第一阶段,临界点以后为第二阶段。第一阶段为表面气化控制阶段,此段的干燥速率是恒定不变,故称第一阶段为恒定干燥阶段。第二阶段为内部扩散控制阶段,由于此阶段内干燥速率是随着物料含水量的减少而降低。故称为降速干燥阶段。恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点C称为临界点,处于临界点物料的平均含水量称为临界含水量X0。

临界含水量随物料的性质、厚度及干燥速率的不同而异。物料的临界含水量通常由实验测定。


三、恒定干燥条件下的干燥时间的计算:平衡水分因物料种类的不同有很大的差别;同一种物料的平衡水分也因空气状态的不同而异。

恒速干燥阶段:

降速干燥阶段:


第五节 干燥器平衡水分因物料种类的不同有很大的差别;同一种物料的平衡水分也因空气状态的不同而异。

厢式干燥器

气流干燥器

喷雾干燥器

流化干燥器


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