化工原理干燥課件

1、第七章 干 燥 Chapter 7 Drying,概述（Introduction）,在化學工業(yè)生產(chǎn)中所得到的固態(tài)產(chǎn)品或半成品往往含有過多的水分或有機溶劑 (濕分)，要制得合格的產(chǎn)品需要除去固體物料中多余的濕分。除濕方法：機械除濕——如離心分離、沉降、過濾。 干燥 ——利用熱能使?jié)裎锪现械臐穹制?。除濕程度高，但能耗大。慣用做法：先采用機械方法把固體所含的絕大部分濕分除去，然后再

2、通過加熱把機械方法無法脫除的濕分干燥掉，以降低除濕的成本。,干燥分類：,1.傳導干燥　熱能通過傳熱壁面以傳導方式傳給物料，產(chǎn)生的濕分蒸汽被氣相(又稱干燥介質(zhì))帶走，或用真空泵排走。例如紙制品可以鋪在熱滾筒上進行干燥。,2.對流干燥　使干燥介質(zhì)直接與濕物料接觸，熱能以對流方式加入物料，產(chǎn)生的蒸汽被干燥介質(zhì)帶走。,3.輻射干燥　由輻射器產(chǎn)生的輻射能以電磁波形式達到物體的表面，為物料吸收而重新變?yōu)闊崮?，從而使?jié)穹謿饣?。例如用紅外線干燥法將自行

3、車表面油漆烘干。,4.介電加熱干燥　將需要干燥電解質(zhì)物料置于高頻電場中，電能在潮濕的電介質(zhì)中變?yōu)闊崮?，可以使液體很快升溫氣化。這種加熱過程發(fā)生在物料內(nèi)部，故干燥速率較快，例如微波干燥食品。,5、冷凍干燥 物料冷凍后，用干燥器抽成真空，并使再熱體循環(huán)，對物料提供必要的升華熱。冷凍干燥常用于醫(yī)藥品、生物制品及食品的干燥。真空干燥的特點：（1）操作溫度低，干燥速度快，熱的經(jīng)濟性好；（2）適用于維生素、抗菌素等熱敏性產(chǎn)

4、品以及在空氣中易氧化、易燃易爆的物料；,（3）適用于含有溶劑或有毒氣體的物料，溶劑回收容易；（4）在真空下干燥，產(chǎn)品含水量可以很低，適用于要求低含水量的產(chǎn)品；（5）由于加料口與產(chǎn)品排除口等處的密封問題，大型化、連續(xù)化生產(chǎn)有困難。,本章重點： 以不飽和熱空氣為干燥介質(zhì)，除去濕物料中水分的連續(xù)對流干燥過程。,干燥介質(zhì)：用來傳遞熱量（載熱體）和濕分（載濕體）的介質(zhì)。,由于溫差的存在，氣體以對流方式向固體物料傳熱，使?jié)穹制?在分壓差

5、的作用下，濕分由物料表面向氣流主體擴散，并被氣流帶走。,,對流干燥過程原理,溫度為 t、濕分分壓為 p 的濕熱氣體流過濕物料的表面，物料表面溫度 ti 低于氣體溫度 t 。,注意：只要物料表面的濕分分壓高于氣體中濕分分壓，干燥即可進行，與氣體的溫度無關。氣體預熱并不是干燥的充要條件，其目的在于加快濕分汽化和物料干燥的速度，達到一定的生產(chǎn)能力。,?H,t,q,W,,ti,,p,pi,,,,,?M,,,,,,,,,,,,干燥是熱、質(zhì)同時

6、傳遞的過程,干燥過程,熱空氣流過濕物料表面,熱量傳遞到濕物料表面,濕物料表面水分汽化并被帶走,表面與內(nèi)部出現(xiàn)水分濃度差,內(nèi)部水分擴散到表面,,,,,傳熱過程,傳質(zhì)過程,傳質(zhì)過程,干燥過程推動力：,傳質(zhì)推動力：物料表面水分壓P表水 > 熱空氣中的水分壓P空水傳熱推動力：熱空氣的溫度t空氣 >物料表面的溫度t物表,,對流干燥過程實質(zhì),干燥過程基本問題,解決這些問題需要掌握的基本知識有：(1) 濕分在氣固兩相間的傳遞規(guī)律；(

7、2) 濕氣體的性質(zhì)及在干燥過程中的狀態(tài)變化；(3) 物料的含水類型及在干燥過程中的一般特征； (4)干燥過程中物料衡算關系、熱量衡算關系和速率關系。本章主要介紹運用上述基本知識解決工程中物料干燥的基本問題，介紹的范圍主要針對連續(xù)穩(wěn)態(tài)的干燥過程。,第一節(jié) 濕氣體的熱力學性質(zhì),濕空氣：指絕干空氣與水蒸汽的混合物。在干燥過程中，隨著濕物料中水份的汽化，濕空氣中水份含量不斷增加，但絕干空氣的質(zhì)量保持不變。因此，濕空氣性質(zhì)一般都以1kg

8、絕干空氣為基準。 操作壓強不太高時，空氣可視為理想氣體。,,一、濕空氣的性質(zhì),常壓下濕空氣可視為理想氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律，,1、水氣分壓ｐv,（一）濕空氣中濕含量的表示方法,系統(tǒng)總壓 P ：濕空氣的總壓（kN/m2），即P干空氣 與P水之和。干燥過程中系統(tǒng)總壓基本上恒定不變。且干燥操作通常在常壓下進行，常壓干燥的系統(tǒng)總壓接近大氣壓力，熱敏性物料的干燥一般在減壓下操作。,表明濕空氣被水汽飽和。,對于空氣-水蒸

9、氣系統(tǒng)：Mv=18.02kg/kmol，Mg=28.95 kg/kmol,濕空氣中水氣的質(zhì)量與絕干空氣的質(zhì)量之比。若濕分蒸汽和絕干空氣的摩爾數(shù) (nv, ng) 和摩爾質(zhì)量 (Mv , Mg),絕對濕度(濕度) H（Humidity）,總壓一定時，濕空氣的濕度只與水蒸汽的分壓有關。,Kg水蒸汽/kg絕干空氣,當pV =ps時，濕度稱為飽和濕度，以Hs表示。,,相對濕度（Relative humidity）,濕度只表示濕空氣中所含水份的

10、絕對數(shù)，不能反映空氣偏離飽和狀態(tài)的程度（即氣體的吸濕能力）。,?值說明濕空氣偏離飽和空氣或絕干空氣的程度， ?值越小吸濕能力越大；? = 0 ， pv=0時，表示濕空氣中不含水分，為絕干空氣。? = 1 ， pv=ps時，表示濕空氣被水汽所飽和，不能再吸濕。對于空氣-水系統(tǒng)：,相對濕度：在總壓和溫度一定時，濕空氣中水汽的分壓pV 與系統(tǒng)溫度下水的飽和蒸汽壓 ps 之比的百分數(shù)。,相對濕度（Relative humidity）,若

11、 t 總壓下濕空氣的沸點，最大? (空氣全為水汽) 濕分的臨界溫度，氣體中的濕分已是真實氣體，此時? =0，理論上吸濕能力不受限制。,= f (H, t) ps 隨溫度的升高而增加，H 不變,提高 t，???，氣體的吸濕能力增加，故空氣用作干燥介質(zhì)應先預熱。H 不變而降低 t，??，空氣趨近飽和狀態(tài)。當空氣達到飽和狀態(tài)而繼續(xù)冷卻時，空氣中的水份將呈液態(tài)析出。,1.比體積?H (Humid volume) 或濕比容 (m3/kg絕

12、干氣體),比容：1kg 絕干空氣和相應水汽體積之比。,（二）濕空氣的比體積、比熱容和焓,2.比熱cH (Humid heat)或比熱容kJ/(kg· ℃),比熱：1kg 絕干空氣及相應水汽溫度升高1℃所需要的熱量,式中：cg — 絕干空氣的比熱，kJ/(kg·℃)； cv — 水汽的比熱，kJ/(kg·℃) 。,對于空氣-水系統(tǒng)：溫度在273~393K范圍內(nèi)，cg=1.01 kJ

13、/(kg·℃)，cv=1.88 kJ/(kg·℃),3、焓I (Total enthalpy),焓：1kg 絕干空氣的焓與相應水汽的焓之和。,由于焓是相對值，計算焓值時必須規(guī)定基準狀態(tài)和基準溫度，一般以0℃為基準，且規(guī)定在0℃時絕干空氣和液態(tài)水的焓值均為零，則,對于空氣-水系統(tǒng)：,顯熱項,汽化潛熱項,,,當熱、質(zhì)傳遞達平衡時，氣體對液體的供熱速率恰等于液體汽化的需熱速率時：,,,（三）濕空氣的溫度,(1)干球溫度

14、t ：濕空氣的真實溫度，簡稱溫度(℃ 或 K)。將溫度計直接插在濕空氣中即可測量。,(2) 空氣的濕球溫度（Wet-bulb temperature） a.定義,q,N,對流傳熱,h,kH,氣體t, H,,氣膜,對流傳質(zhì),,,,液滴表面tw , Hw,,液滴,—— 濕球溫度 tw 定義式,(2) 空氣的濕球溫度（Wet-bulb temperature）,因流速等影響氣膜厚度的因素對 α 和 kH 有相同的作用，可認為 kH /

15、α與速度等因素無關，而僅取決于系統(tǒng)的物性。,飽和氣體: H = Hs，tw = t，即飽和空氣的干、濕球溫度相等。不飽和氣體:H < Hs，tw < t 。,對于空氣-水系統(tǒng)：,,結論： tw = f (t, H) ，氣體的 t 和 H 一定，tw 為定值。,濕球溫度計測定濕球溫度的條件是保證純對流傳熱，即氣體應有較大的流速和不太高的溫度，否則，熱傳導或熱輻射的影響不能忽略，測得的濕球溫度會有較大的誤差。,通過測定氣體的干

16、球溫度和濕球溫度，可以計算氣體的濕度：,,,,氣體,t,tw,,,,,濕球溫度的測定,物料充分濕潤，濕分在物料表面的汽化和在液面上汽化相同。物料經(jīng)過預熱，很快達到穩(wěn)定的溫度，由于對流傳熱強烈，物料溫度接近氣體的濕球溫度 tw。,對于空氣-水系統(tǒng)， tw<100℃。當氣體的濕度一定時，氣體的溫度越高，干、濕球溫度的差值越大。結論：當物料充分濕潤時，可以使用高溫氣體做干燥介質(zhì)而不至于燒毀物料。例如，可以使用500℃的氣體烘干淀粉。

17、,對初始溫度為 20℃、相對濕度為 80% 的常壓空氣,濕球溫度的測定,注意：(1)    濕球溫度tw為濕空氣溫度t和濕度H的函數(shù)，tw≤t，濕度越大，濕球溫度tw越高，越接近濕空氣溫度t，當空氣達到飽和濕度時，tw=t。(2 測量濕球溫度時，空氣速度一般需大于5m/s，使對流傳熱起主要作用，相應減少熱輻射和傳導的影響，使測量較為精確。,(3)絕熱飽和冷卻溫度tas,,,高溫不飽和空

18、氣與水在絕熱條件下進行傳熱、傳質(zhì)并達到平衡狀態(tài)的過程。達到平衡時，空氣與水溫度相等，空氣被水的蒸汽所飽和。,絕熱飽和過程 (Adiabatic saturation process)：,設塔與外界絕熱，在不飽和空氣與大量水充分接觸的過程中，水分會不斷汽化進入空氣中，汽化所需的熱量由空氣溫度下降放出顯熱供給，水汽又將這部分熱量以汽化潛熱的形式帶回至空氣中。隨著過程的進行，空氣的溫度沿塔高逐漸下降、濕度逐漸升高，若兩相有足夠長的接觸時間，最

19、終空氣為水汽所飽和，而溫度降到與循環(huán)水溫相同。空氣在塔內(nèi)的狀態(tài)變化是在絕熱條件下降溫、增濕直至飽和的過程，達到穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度就是初始濕空氣的絕熱飽和冷卻溫度，與之相應的濕度稱為絕熱飽和濕度，以Has表示。,由于 ras 和 Has 是 tas 的函數(shù)，故絕熱飽和溫度 tas 是氣體溫度 t 和濕度 H 的函數(shù)。已知 t 和 H，可以試差求解 tas。,對于空氣-水系統(tǒng)：,,絕熱飽和冷卻溫度：不飽和的濕空氣等焓降溫到飽和狀態(tài)時的溫度。,

20、,tas,tw,大量空氣與少量濕物料接觸 大量濕物料與空氣接觸空氣的t，H不變 空氣的t，H 變化動態(tài)平衡 靜態(tài)平衡,濕球溫度與絕熱飽和溫度對于空氣-水蒸汽系統(tǒng)，在數(shù)值上相等。但濕球溫度和絕熱飽和溫度是兩個完全不同的概念，區(qū)別如下：,(4)露點td,,,溫度為

21、t的不飽和空氣在等濕下冷卻至溫度等于td的飽和狀態(tài)，此時H = Hs,td。,露點：不飽和空氣等濕冷卻到飽和狀態(tài)時的溫度，以td表示；相應的濕度為飽和濕度，以Hs,td 表示。處于露點溫度的濕空氣的相對濕度? = 1，空氣濕度達到飽和濕度， 濕空氣中水汽分壓等于露點溫度下水的飽和蒸氣壓，則,,水蒸氣-空氣系統(tǒng)：不飽和空氣t > tas （或 tw）> td；飽和空氣 t = tas = td,二、氣體濕度圖（Humidi

22、ty chart）,濕空氣參數(shù)的計算比較繁瑣，甚至需要試差。為了方便和直觀，通常使用濕度圖。,等濕線,等焓線,等溫線,,,,p-H線,空氣濕度圖的繪制 （Humidity chart）,對于空氣-水系統(tǒng)，tas ? tw，等 tas 線可近似作為等tw線。每一條絕熱冷卻線上所有各點都具有相同的 tas 。物理意義：以絕熱冷卻線上所有各點為始點，經(jīng)過絕熱飽和過程到達終點時，所有各狀態(tài)的氣體的溫度都變?yōu)橥粶囟取?橫坐標：空氣的濕度，所

23、有的縱線為等濕度線。左側(cè)縱坐標：空氣的干球溫度，所有橫線為等溫線。,(1) 等濕度線 (等 H 線),(2) 等焓線（等 I 線）,對給定的 tas： t = f (H),,在同一條等濕線上不同點所代表的濕空氣狀態(tài)不同，但H相同，露點是將濕空氣等H冷卻至? = 1時的溫度。,(3) 等干球溫度線 (等 t 線),I與H呈直線關系，t越高，等t線的斜率越大，讀數(shù)0-250ºC。,,(4) 等相對濕度線 (等 ? 線),總壓 P

24、 一定，對給定的? ：因 ps= f (t) ， 故 H = f (t) 。,,(5) 蒸氣分壓線,,總壓 P 一定， ps= f (H) ， p-H 近似為直線關系。,,空氣濕焓圖的用法 （Use of humidity chart）,兩個參數(shù)在曲線上能相交于一點，即這兩個參數(shù)是獨立參數(shù)，這些參數(shù)才能確定空氣的狀態(tài)點。,,,? =100%，空氣達到飽和，無吸濕能力。? <100%，屬于未飽和空氣，可作為干燥介質(zhì)。 ? 越小

25、，干燥條件越好。,1.確定空氣的干燥條件,2.確定空氣的狀態(tài)點，查找其它參數(shù),3.確定絕熱飽和冷卻溫度,1）等I干燥過程等焓干燥過程又稱絕熱干燥過程。a.不向干燥器重補充熱量，即QD=0.b.忽略干燥器向周圍散失的熱量，即QL=0.c.物料進出干燥器的焓相等，即G(I2’ _ I1’ )=0沿等I線 ，空氣t1 、t2已知，即可確定H1 、H2。2）等H干燥過程恒壓下，加熱或冷卻過程。,根據(jù) 圖上濕空氣的狀態(tài)點，

26、可方便地查出濕空氣的其它性質(zhì)參數(shù)。如圖片所示，已知空氣的狀態(tài)點為A，由通過A點的等ｔ、等H、等I 線可確定A點的溫度、濕度和焓。因為露點是在空氣等濕冷卻至飽和時的溫度，所以等Ｈ線與 =100%的飽和空氣線的交點所對應的等ｔ線所示的溫度即為露點 .,絕熱飽和溫度是空氣等焓增濕至飽和時的溫度，因此，由等I 線與 =100%的飽和空氣線交點的等t線所示的溫度即為絕熱飽和溫度tas，對于水蒸汽～空氣系統(tǒng)，它也是濕球溫度tw。由

27、等H 線與蒸汽分壓線的交點可讀出濕空氣中水汽的分壓值。,,,A,若已知濕空氣的兩個獨立參數(shù)分別為：t–tw、t–td、t–Φ ，濕空氣的狀態(tài)點Ａ的確定方法分別示于圖5-5（ａ）、（ｂ）及（ｃ）中。,,第二節(jié)干燥過程的物料衡算和熱量衡算,濕物料水分含量的表示方法,濕物料是絕干固體與液態(tài)濕分的混合物。濕基含水量 w：水分在濕物料中的質(zhì)量百分數(shù)。,干基含水量 X：濕物料中的水分與絕干物料的質(zhì)量比。,換算關系：,工業(yè)生產(chǎn)中，物料濕含量通常以

28、濕基含水量表示，但由于物料的總質(zhì)量在干燥過程中不斷減少，而絕干物料的質(zhì)量不變，故在干燥計算中以干基含水量表示較為方便。,二、干燥過程的物料衡算和熱量衡算,（一）物料衡算（Mass balance）,G1 — 濕物料進口的質(zhì)量流率，kg/s；G2 — 產(chǎn)品出口的質(zhì)量流率，kg/s； Gc — 絕干物料的質(zhì)量流率，kg/s； w1 — 物料的初始濕含量； w2 — 產(chǎn)品濕含量； L — 絕干氣體的質(zhì)量流率，kg/s； H1

29、— 氣體進干燥器時的濕度； H2 — 氣體離開干燥器時的濕度； W —單位時間內(nèi)汽化的水分量，kg/s。,,,濕物料G1 , w1,干燥產(chǎn)品G2 , w2,熱空氣L , H1,濕廢氣體L , H2,,,,,,水分蒸發(fā)量：,,絕干空氣消耗量,絕干空氣比消耗,作絕干物料的衡算：,--干燥產(chǎn)品，與絕干物料是有區(qū)別的。,（二）熱量衡算（Heat balance）,Qp —— 預熱器向氣體提供的熱量，kW；QD—— 向干燥器補充的熱

30、量，kW；QL — 干燥器的散熱損失，kW。,,,濕物料G1 , w1 , ?1, I’1,干燥產(chǎn)品G2 , w2 , ?2, I’2,熱氣體L, H1, t1, I1,濕廢氣體L, H2, t2, I2,,,,,,,,,濕氣體L, H0, t0, I0,,,,Qp,QD,QL,預熱器,干燥器,整個干燥系統(tǒng)的熱量衡算,在連續(xù)穩(wěn)定操作條件下，系統(tǒng)無熱量積累，單位時間內(nèi)(以1秒鐘為基準)：,,氣體焓變,,物料焓變,氣體

31、焓變：,整個干燥系統(tǒng)的熱量衡算,汽化濕分所需要的熱量：,物料焓變：,加熱固體產(chǎn)品所需要的熱量 ：,加熱空氣 ：,總熱量衡算 ：,,,預熱器的熱量衡算,預熱器的作用在于加熱空氣。根據(jù)加熱方式可分為兩類：直接加熱式：如熱風爐。將燃燒液體或固體燃料后產(chǎn)生的高溫煙氣直接用作干燥介質(zhì)；間接換熱式：如間壁換熱器。,空氣預熱器傳給氣體的熱量為,如果空氣在間壁換熱器中進行加熱，則其濕度不變，H0=H1，即,通過預熱器的熱量衡算，結合傳熱基本方程式，

32、可以求得間壁換熱空氣預熱器的傳熱面積。,立筒式金屬體燃煤間接加熱熱風爐,干燥器的熱量衡算,理想干燥過程：氣體放出的顯熱全部用于濕分汽化。多數(shù)工業(yè)干燥器無補充加熱，如果散熱損失可視為零，且物料的初始溫度與產(chǎn)品溫度相同，則加熱物料所消耗的熱量為零；或當干燥器的補充加熱量恰等于加熱物料和散熱損失的熱量，則干燥過程可視為理想干燥過程。,理想干燥過程的熱量衡算式為,理想干燥過程可近似為等焓過程，對空氣-水系統(tǒng)：,干燥器的熱量衡算,熱氣體在干燥

33、器中冷卻而放出的熱量 ：,物理意義：氣體在干燥器中放出的熱量和補充加熱的熱量用于汽化濕分、加熱產(chǎn)品和補償設備的散熱損失。,干燥系統(tǒng)的熱效率和干燥效率,熱效率的定義：用于汽化濕分和加熱物料的熱量與外界向干燥系統(tǒng)提供的總熱量之比，即,Ql’, Ql ?，?h ?。干燥任務一定，氣體用量?，QL’ ↓，或?氣體用量， ? QD ，可以提高干燥系統(tǒng)的熱效率。,若 QL= QD =0,干燥系統(tǒng)的熱效率和干燥效率,干燥效率：汽化濕分所需熱量與氣體在

34、干燥器中放出的熱量之比值。（因為汽化濕分的熱量才是有效熱量）,干燥系統(tǒng)的總效率 ：,對理想干燥過程： Qg= Qw，?d,max=100%,空氣通過干燥器的狀態(tài)變化,一. 理想干燥過程（絕熱干燥過程 ）,若干燥過程中忽略設備的熱損失和物料進出干燥器的溫度的變化,而且不向干燥器補充熱量,此時干燥器內(nèi)空氣放出的顯熱全部用于蒸發(fā)濕物料中的水分,最后水分又將潛熱帶回空氣中,此時I1=I2,這種干燥過程稱為理想干燥過程,又稱絕熱

35、干燥或是等焓干燥.,,二.實際干燥過程,在實際干燥過程中,干燥器有一定的熱量損失,而且濕物料本身也要被加熱,即θ1≠θ2,因此空氣的狀態(tài)不是沿著絕熱冷卻線變化,這種情況比較復雜，大體可以分為以下幾種：1、操作線在過點B等焓線的下方 此過程的條件：（1） 不向干燥器補充熱量；（2） 不能忽略干燥器向周圍散失的熱量；（3）物料進出干燥器時的焓不相等。,2、操作線在過點B的等焓線的上方 若向干燥器補充的熱量大于損失的熱量和加熱物

36、料消耗的熱量總和：,得：,3、操作線在過點B的等溫線若向干燥器補充的熱量足夠多，恰使干燥過程在等溫下進行，即空氣在干燥過程中維持恒定的溫度。,例1 某濕物料在常壓氣流干燥器中進行干燥。濕物料流量為2400kg/h，初始濕基含水量為3.5%，干燥產(chǎn)品的濕基含水量為0.5%。溫度為20℃，濕度為0.005kg/kg絕干氣的空氣經(jīng)間接預熱后溫度升高至120℃進入干燥器。假設干燥過程為理想干燥過程。試求：當空氣離開干燥器的溫度為60℃時，

37、（1）絕干空氣的消耗量； （2）預熱器所需提供的熱量,因理想干燥過程可看作等焓干燥：,,,,,=0.0285 kg/kg絕干氣,絕干物料量：,,kg絕干料/h,,絕干料,絕干料,絕干空氣消耗量：,,kg絕干氣/h,預熱器所需要提供的熱量：,,例2某濕物料在常壓理想干燥器中進行干燥，濕物料的流率為 ，初始濕含量（濕基，下同）為3.5%，干燥產(chǎn)品的濕含量為0.5%?？諝鉅顩r為：初始溫度為25℃、濕

38、度為 ，經(jīng)預熱后進干燥器的溫度為160℃，如果離開干燥器的溫度選定為60℃或40℃，試分別計算需要的空氣消耗量及預熱器的傳熱量。又若空氣在干燥器的后續(xù)設備中溫度下降了10℃，試分析以上兩種情況下物料是否返潮？,解： (1) w1= 0.035，w2= 0.005，∴,kg水/kg干物料,kg水/kg干物料,絕干物料：Gc = G1(1－w1) = 1?(1－0.035) = 0.965 kg/s水分蒸發(fā)量：W= Gc(X1－X2)

39、 = 0.03 kg/s,空氣消耗量：,H1= H0 = 0.005 kg水/kg干空氣,t2 = 60℃時 ∵干燥為等焓過程 ∴查圖H2 = 0.0438 kg水/kg干空氣∴L = 0.773 kg干空氣/sQ = L(I1－I0) = L(1.01+1.88H0)(t1－t0)= 0.773? (1.01+1.88?0.005) ?(160－25) = 106.4 kJ/st2 = 40℃時，查圖H

40、2 = 0.0521kg水/kg干空氣∴L = 0.637 kg干空氣/s∴Q = L(I1－I0) = 87.68 kJ/s,H = 0.0438 kg水/kg干空氣時 td = 38℃ ＜ 50℃ ∴不返潮H = 0.0521 kg水/kg干空氣時 td = 40℃ ＞ 30℃ ∴返潮,例3 采用廢氣循環(huán)干燥流程干燥某物料，溫度 為20℃、相對濕度 為7

41、0%的新鮮空氣與干燥器出來的溫度 為50℃相對濕 度 為80%的部分廢氣混合后進入預熱器，循環(huán)的廢氣量為離開干燥器廢空氣量的80%?；旌蠚馍邷囟群笤龠M入并流操作的常壓干燥器中，離開干燥器的廢氣除部分循環(huán)使用外，其余放空。濕物料經(jīng)干燥后濕基含水量從47%降至5%,濕物料流量為 ，設干燥過程為絕熱過程，預熱器的熱損失可忽略不計。試求：①新鮮空氣的流量；②整個干燥系統(tǒng)所需熱量；③進

42、入預熱器濕空氣的溫度。,第三節(jié) 固體物料在干燥過程中的平衡關系與速率關系,濕分的傳遞方向 (干燥或吸濕) 和限度 (干燥程度) 由濕分在氣體和固體兩相間的平衡關系決定。,,,,,,,,p,X,ps,Xh,平衡狀態(tài)：當濕含量為 X 的濕物料與濕分分壓為 p 的不飽和濕氣體接觸時，物料將失去自身的濕分或吸收氣體中的濕分，直到濕分在物料表面的蒸汽壓等于氣體中的濕分分壓。平衡含水量：平衡狀態(tài)下物料的含水量。不僅取決于氣體的狀態(tài)，還與物料的

43、種類有很大的關系。,,X*,,p,物料中的水分,1.結合水分與非結合水分,一定干燥條件下，水分除去的難易，分為結合水與非結合水。非結合水分：與物料機械形式的結合，附著在物料表面的水，具有和獨立存在的水相同的蒸汽壓和汽化能力。,,,,,濕含量 X,Xh,相對濕度 ?,,,,,,非結合水分,結合水分,自由水分,平衡水分,X*,0,1.0,0.5,,結合水分按結合方式可分為：吸附水分、毛細管水分、溶漲水分(物料細胞壁內(nèi)的水分)和化學結合水分

44、(結晶水)?；瘜W結合水分與溶漲水分以化學鍵形式與物料分子結合，結合力較強，難汽化；吸附水分和毛細管水分以物理吸附方式與物料結合，結合力相對較弱，易于汽化。,結合水分：與物料存在某種形式的結合，其汽化能力比獨立存在的水要低，蒸汽壓或汽化能力與水分和物料結合力的強弱有關。,2.平衡水分和自由水分,一定干燥條件下，按能否除去，分為平衡水分與自由水分。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*

45、的水分，是可除水分。,吸濕過程：若 X<Xh ，則物料將吸收飽和氣體中的水分使?jié)窈吭黾又翝窈?Xh，即最大吸濕濕含量，物料不可能通過吸收飽和氣體中的濕分使?jié)窈砍^ Xh。欲使物料增濕超過 Xh，必須使物料與液態(tài)水直接接觸。,干燥過程：當濕物料與不飽和空氣接觸時，X 向 X* 接近，干燥過程的極限為 X*。物料的 X* 與濕空氣的狀態(tài)有關，空氣的溫度和濕度不同，物料的 X* 不同。欲使物料減濕至絕干，必須與絕干氣體接觸。,物料

46、的吸濕性,物料濕含量的平衡曲線有兩種極端情況。強吸濕性物料：與水分的結合力很強，平衡線只是漸近地與? = 100% 接近，平衡濕含量很大。如某些生物材料。非吸濕性物料：與水結合力很弱，平衡線與縱坐標基本重合，X*=Xh?0，如某些不溶于水的無機鹽(碳酸鹽、硅酸鹽)等。,一般物料的吸濕性都介于二者之間。,兩種分類方法的不同：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劃分除與物料有關外，還決定于空

47、氣的狀態(tài)。非結合水分是在干燥中容易除去的水分，而結合水分較難除去。是結合水還是非結合水僅決定于固體物料本身的性質(zhì)，與空氣狀態(tài)無關。,對流干燥的基本規(guī)律,,在恒定條件下（空氣溫度、濕度、流速及其與物料的接觸狀況保持恒定），定時測定物料的質(zhì)量變化，并記錄每一時間間隔內(nèi)物料質(zhì)量變化及物料表面溫度，直至物料的質(zhì)量恒定為止。,對一定干燥任務，干燥器尺寸取決于干燥時間和干燥速率。由于干燥過程的復雜性，通常干燥速率不是根據(jù)理論進行計算，而是通過

48、實驗測定的。為了簡化影響因素，干燥實驗都是在恒定干燥條件下進行的，即在一定的氣－固接觸方式下，固定空氣的溫度、濕度和流過物料表面的速度進行實驗。為保證恒定干燥條件，采用大量空氣干燥少量物料，以使空氣的溫度、濕度和流速在干燥器中恒定不變。實驗為間歇操作，物料的溫度和含水量隨時間連續(xù)變化。,干燥曲線和干燥速率曲線 Drying curve and drying-rate curve,恒速干燥段 (Constant-rate perio

49、d) BC ：物料溫度恒定在 tw，X~? 變化呈直線關系，氣體傳給物料的熱量全部用于濕分汽化。,預熱段(Pre-heat period)AB：初始含水量 X1 和溫度 ? 1 變?yōu)?X 和 tw。物料吸熱升溫以提高汽化速率，但濕含量變化不大。,干燥曲線：物料含水量 X 與干燥時間 ? 的關系曲線。,干燥曲線和干燥速率曲線,,,,降速干燥段 (Falling-rate period)CDE：物料開始升溫，X 變化減慢，氣體傳給物料

50、的熱量僅部分用于濕分汽化，其余用于物料升溫，當 X = X* ，? = t。,三、恒定干燥條件下的干燥速率與干燥時間,干燥速率u：干燥器單位時間內(nèi)單位干燥表面積上的汽化的水分量 (kg水分/( m2 s))。微分形式為：,式中：u —— 干燥器的干燥速率，kg/ (m2 s)； W —— 汽化水份量，kg； Gc —— 絕干物料的質(zhì)量，kg；,如果物料形狀是不規(guī)則的，干燥面積不易求出，則可使用

51、干燥速率進行計算。,一、間歇干燥過程的干燥速率曲線,干燥曲線和干燥速率曲線,干燥速率曲線：干燥速率 u 與濕含量 X 的關系曲線。干燥過程的特征在干燥速率曲線上更為直觀。,u,設物料的初始濕含量為 X1，產(chǎn)品濕含量為 X2：當 X1＞Xc 和 X2＜Xc 時，干燥有兩個階段；當 X1＜Xc 或 X2＞Xc 時，干燥都只有一個階段，即降速干燥或恒速干燥段。,由于物料預熱段很短，通常將其并入恒速干燥段；以臨界濕含量 Xc 為界，

52、可將干燥過程只分為恒速干燥和降速干燥兩個階段。,,,,,,,,,A,B,C,D,,,干燥速率 u或N,,,,,A,B,C,D,物料溫度?,,tw,Xc,X*,濕含量 X,I,II,,C’,理論解釋,1、恒速干燥段：物料表面濕潤，其狀況與濕球溫度計的濕棉布表面的狀況類似。物料表面的溫度等于空氣的濕球溫度（假設濕物料受輻射傳熱的影響可忽略）。 X > Xc，汽化的是非結合水。,恒定干燥條件下,α和 kH 不變,由物料內(nèi)部向表面輸送的

53、水分足以保持物料表面的充分濕潤，干燥速率由水分汽化速率控制(取決于物料外部的干燥條件)，故恒速干燥段又稱為表面汽化控制階段。,濕物料與空氣間的q 和 N 恒定,,,由于物料表面和空氣間的傳熱和傳質(zhì)過程與測濕球溫度時的情況基本相同：,一批操作中空氣傳給物料的總熱量，kJ。,在恒定干燥階段，空氣傳給濕物料的顯熱恰等于水分汽化所需的汽化熱：,恒速干燥的特點：（1）u=uc=const.（2）物料表面溫度為tw；（3）在該階段除去的

54、水分為非結合水分。（4）恒速干燥階段的干燥速率只與空氣的狀態(tài)有關，而與物料的種類無關。,物料的結構和吸濕性,降速段干燥速率曲線的形狀因物料的結構和吸濕性而異。,A 多孔性物料 (Porous media)：濕分主要是藉毛細管作用由內(nèi)部向表面遷移。B 非吸濕性物料 (Nonhygroscopic media)：依靠毛細管力的作用使水分向表面?zhèn)鬟f。C 吸濕性物料 (Hygroscopic media)：與水分的親合能力大。D 非多

55、孔性物料 (Nonporous media)：借助擴散作用向物料表面輸送濕分，或?qū)穹窒仍趦?nèi)部汽化后以汽態(tài)形式向表面擴散遷移。如肥皂、木材、皮革等。不同物料的干燥機理不同，濕分內(nèi)擴散機理不同，干燥速率曲線的形狀不同，情況非常復雜，故干燥曲線應由實驗的方法測定。,2、降速干燥段：X < Xc物料實際汽化表面變小 (出現(xiàn)干區(qū))，第一降速段； 隨著干燥過程的進行，物料內(nèi)部水分遷移到表面的速率已經(jīng)小于表面水分的汽化速率。物

56、料表面不能再維持全部潤濕，而出現(xiàn)部分“干區(qū)”，即實際汽化表面減少。去除的水分為結合、非結合水分。汽化表面內(nèi)移，第二降速段； 當物料全部表面都成為干區(qū)后，水分的汽化面逐漸向物料內(nèi)部移動，傳熱是由空氣穿過干料到汽化表面，汽化的水分又從濕表面穿過干料到空氣中，降速干燥階段又稱為物料內(nèi)部遷移控制階段。,降速干燥階段特點：（1）隨著干燥時間的延長，干基含水量X減小，干燥速率降低；（2）物料表面溫度大于濕球溫度；（3）除去的水分為

57、非結合、結合水分；（4）降速干燥階段的干燥速率與物料種類、結構、形狀及尺寸有關，而與空氣狀態(tài)關系不大。,3、臨界濕含量（Critical moisture content）,物料在干燥過程中經(jīng)歷了預熱、恒速、降速干燥階段，用臨界含水量Xc加以區(qū)分，Xc越大，越早地進入降速階段，使完成相同的干燥任務所需的時間越長，Xc的大小不僅與干燥速率和時間的計算有關，同時由于影響兩個階段的因素不同，因此確定Xc值對強化干燥過程也有重要意義。 X

58、c 決定兩干燥段的相對長短，是確定干燥時間和干燥器尺寸的基礎數(shù)據(jù)，對制定干燥方案和優(yōu)化干燥過程十分重要。,注意：Xc 與物料的厚度、大小以及干燥速率有關，所以不是物料本身的性質(zhì)。一般需由實驗測定。,第四節(jié) 干燥過程的計算,物料的停留時間應大等于給定條件下將物料干燥至指定的含水量所需的干燥時間，并由此確定干燥器尺寸。,若已知物料的初始濕含量 X1 和臨界濕含量 Xc，則恒速段的干燥時間為,恒速干燥段的干燥時間,若傳熱干燥面積 S 為已知，

59、則由上式求干燥時間 ? 的問題歸結為氣固對流給熱系數(shù) α 的求取。,1.恒定干燥條件下干燥時間的計算,恒速干燥段的干燥時間,(1) 空氣平行流過靜止物料層的表面,L’ — 濕氣體質(zhì)量流速，kg/(m2·h)；,(2) 空氣垂直流過靜止物料層的表面,適用條件：L’=2450~29300 kg/(m2·h)，氣體溫度 45~150℃。,適用條件：L’=3900~19500 kg/(m2·h),(3) 氣體與運動

60、著的顆粒間的傳熱,注意：利用上述方程計算給熱系數(shù)來確定干燥速率和干燥時間，其誤差較大，僅能作為粗略估計。,降速干燥段的干燥時間,(1) 圖解積分法,降速段的干燥時間可以從物料干燥曲線上直接讀取。計算上通常是采用圖解法或解析法。,當降速段的u ~ X 呈非線性變化時，應采用圖解積分法。,在 X2 ~ Xc 之間取一定數(shù)量的 X 值，從干燥速率曲線上查得對應的 u，計算 Gc /Su；作圖Gc /Su ~ X，計算曲線下面陰影部分的面積。

61、,,,X,o,Xc,X2,,Gc / Su,,,,,,,,降速干燥段的干燥時間,(2) 解析法,當降速段的u ~ X 呈線性變化時，可采用解析法。,降速段干燥速率曲線可表示為,,,,,,,,A,B,C,D,,干燥速率 u,X,u,Xc,X*,濕含量 X,uc,,,,當缺乏平衡水分的實驗數(shù)據(jù)時，可以假設 X* = 0，則有,干燥時間為：τ = τ1 + τ2,例1 在盤式干燥器中，將某濕物料的含水量從0.6干燥至0.1（干基，下同）經(jīng)歷了

62、4個小時恒定干燥操作。已知物料的臨界含水量為0.15，平衡含水量為0.02，且降速干燥段的干燥速率與物料的含水量近似成線性關系。試求：將物料含水量降至0.05需延長多少干燥時間？,包括恒速及降速兩個階段。恒速干燥段所需要時間：,,降速段干燥時間：,,,所以，總的干燥時間為：,原工況下的干燥時間為：,,新工況下的干燥時間為：,,=4.994h,,或采用下列公式直接計算：,,例2在恒定干燥條件下的箱式干燥器內(nèi)，將濕染料由濕基含水量45%干燥

63、到3%，濕物料的處理量為8000㎏濕染料，實驗測得：臨界濕含量為30%，平衡濕含量為1%，總干燥時間為28h。試計算在恒速階段和降速階段平均每小時所蒸發(fā)的水分量。,解：w1 = 0.45,kg水/kg干料,kg水/kg干料,w2 = 0.03,同理 X0= 0.429 kg水/kg干料 X* = 0.01 kg水/kg干料 ? = 28h,? ?1 = 0.31?2,又 ∵ ?1+ ?2 = ? = 28h ∴ ?1 = 6.

64、6h ?2 = 21.4hGc = 8000×(1－0.45) = 4400 kg干料,kg水/h,kg水/h,第五節(jié) 干燥設備,干燥器的主要類型,在化工生產(chǎn)中，由于被干燥物料的形狀（如塊狀、粒狀、溶液、漿狀及膏糊狀等）和性質(zhì)（如耐熱性、含水量、分散性、粘性、耐酸堿性、防爆性及濕度等）各不相同；生產(chǎn)規(guī)模或生產(chǎn)能力存在很大差別；對于干燥后的產(chǎn)品要求（如含水量、形狀、強度及粒度等）也不盡相同，因此，所采用的干燥方法

65、和干燥器的型式也是多種多樣的。通常，對干燥器的主要要求為：     （1）能保證干燥產(chǎn)品的質(zhì)量要求，如含水量、強度、形狀等。（2）要求干燥速率快、干燥時間短，以減小干燥器的尺寸、降低耗能量，同時還應考慮干燥器的輔助設備的規(guī)格和成本，即經(jīng)濟性要好。（3）操作控制方便，勞動條件好。,,一、廂式干燥器（盤式干燥器）廂式干燥器又稱室式干燥器，一般小型的稱為烘箱，大型的稱為烘房。廂式干燥器為間歇式

66、常壓干燥設備的典型。廂體四壁用絕熱材料制成，以減小熱損失。,,二、帶式干燥器,,,,,帶式干燥器是把物料均勻地鋪在帶上，帶子在前移過程中與干燥介質(zhì)接觸，從而使物料得到干燥。帶式干燥器基本上是一個走廊，其內(nèi)裝置帶式輸送設備，根據(jù)工藝的不同要求，可以在每個區(qū)段采用不同的氣流方向（如圖中的下吹與上吹）、不同溫度和濕度的氣體。,,洞道式干燥器,三、沸騰床干燥器（又稱流化床干燥器）,使顆粒狀物料與流動的氣體或液體相接觸，并在后者作用下粒子相互分離

67、，且作上下、左右、前后的運動，這種類似流體狀態(tài)以完成某種操作過程的技術稱為流態(tài)化技術。由于干燥操作的工藝性質(zhì)，采用的是以氣體作介質(zhì)的固體流態(tài)化技術。,,,,多層圓筒沸騰床干燥器,臥室多室沸騰床干燥器,四、氣流干燥器,氣流干燥是指濕態(tài)時為泥狀、粉粒狀或塊狀的物料在熱氣流中分散成粉粒狀，一邊隨熱氣流并流輸送，一邊進行干燥。對于泥狀物料，需裝設粉碎加料裝置，使其粉碎后再進入干燥器；即使對塊狀物料，也可采用附設有粉碎加料裝置的氣流干燥器進行干燥

68、。,,五、轉(zhuǎn)筒干燥器,其主體為稍作傾斜而緩慢轉(zhuǎn)動的長圓筒，熱物料從較高的一端進人，與由下端進人的熱空氣或煙道氣作直接逆流接觸，隨著圓筒的旋轉(zhuǎn)，物料在重力作用下流向較低的一端時即被干燥完畢而送出。,,六、噴霧干燥器,,,離心式霧化器       壓力式霧化器        氣流式霧化器,七、滾筒