化工原理干燥概要课件

1、第 8 章 干燥学习目的与要求 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，学会干燥时间的计算方法。1本章应重点掌握内容1.湿空气的性质、湿度图及其应用2.干燥过程的物料衡算与热量衡算3.干燥过程的平衡关系与速率关系： 平衡曲线； 物料中所含水分的性质； 干燥曲线与干燥速率曲线； 干燥速率与干燥时间的计算； 干燥过程机理（热质同传机理）。28.1 概述8.1.1 干燥的原理8.1.2 干燥的分类与应用3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）。传质依据（固相气相）

2、 8.1.1 干燥的原理 一、干燥过程的原理干燥原理：热空气把热量传给湿物料，湿物料中的 水分受热汽化扩散到空气中被带走干燥极限：物料中水汽分压 = 干燥介质中水汽分压通常指水分（空气）4湿物料热空气气膜气相主体Q 推动力 t - twN 推动力 pw- p固体物料干燥过程示意图干燥过程热质同传示意图5工程中的常用除湿方法： 机械除湿 物理除湿 热能除湿干燥除湿的特点： 除湿彻底； 能耗高。工业上多采用联合除湿节能机械除湿干燥除湿 沉降、过滤、离心分离吸附（氯化钙、硅胶）干燥 二、干燥过程与其他除湿方法的比较干燥产品 61.按操作压力分类干燥3.按传热方式分类常压干燥 真空干燥传导干燥 对流干

3、燥2.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8.1.2 干燥的分类与应用 一、干燥过程的分类新技术：真空冷冻干燥 简称：冻干7应用示例：2、湿聚氯乙烯干燥成聚氯乙烯产品1、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%干燥二、干燥过程的应用3、刚打的粮食干燥成储备粮（例如玉米）含水量 20%干燥含水量 12%（南方）含水量 14%（北方）国储玉米88.2 湿空气的性质及湿焓图8.2.1 湿空气的性质 8.2.2 湿空气的 H- I 图9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

4、（水汽）/ kg绝干气），H符号：单位：kg / kg（绝干气）8.2.1 湿空气的性质（p243）一、湿度 H (湿含量)10常压下湿空气可视为理想气体水汽的分压总压11湿空气被水所饱和若饱和湿空气空气温度下纯水的饱和蒸汽压12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：二、相对湿度13干燥能力吸收水分能力干燥速率传质推动力pv = 0 = 0 绝干空气pv = ps = 100 饱和空气分析： j 的大小，表明了空气偏离饱和的程度，体现了空气吸湿能力的大小。 j 越大, 吸湿能力越小； j 越小，吸湿能力越大，干燥速率越大。14以1 kg 绝干气为基准的湿空气的体积m3（

5、湿空气） / kg（绝干气）定义：符号：单位：三、比体积 vH1kg 绝干空气的体积与其所携带的 H kg水汽的体积之和称为湿空气的比体积。15设:湿空气的温度、湿度、总压： t， H， p，则用途： 确定湿空气体积流量，从而选择风机 计算湿空气密度kg/m316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四、比热容 cH常压下将 1 kg 绝干空气与其所携带的H kg水汽的温度升高（或降低）1 所吸收（或放出）的热量。17在常用温度范围内 cg =1.01

6、 kJ / (kg（绝干气） cv =1.88 kJ / (kg（水汽）故有 kJ / (kg（水汽）18kJ/kg（绝干气）以1 kg 绝干气为基准的湿空气的焓值定义：符号：单位：设绝干气的焓值为 Ig，水汽的焓值为 Iv，则五、焓 I 以 0为基准，设湿空气的温度为 t，湿空气的湿度为 H，则 以 0的空气和 0的液态水为计算基准。湿空气中1kg 绝干空气的焓与其所携带的H kg水汽的焓之和称为湿空气的焓191. 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

7、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之大小。 六、温度（p246）20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(气相温度下降)达平衡状态 t tw 温度维持不变 不饱和湿空气 湿球温度的测量机理（湿纱布处，局部）21 设湿空气的干球温度为 t，湿空气的湿球温度为 tw，湿空气的湿度为 H，气膜中的饱和湿度为 Hs,tw，则传热速率为 J/s 传质速率为 kg/s (3) 湿球温度与干球温度及湿度的关系22稳态下 联立得 测定 t、tw 湿度 H 未饱和湿空气，t tw 饱和

8、湿空气，t = tw 23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 H Has 100 2. 绝热饱和冷却温度 tas 24绝热饱和温度与干球温度及湿度的关系如下：未饱和湿空气的焓饱和湿空气的焓绝热过程25因为H、Has值很小，故整理得空气-水蒸气系统：比较得26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 tps示例：露珠的产生不饱和湿空气， t tw（tas） td饱和湿空气 ，t tw（ta

9、s）= td3. 露点 td 27 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。湿空气的湿度图湿度焓（HI）图湿度温度（Ht）图8.2.2 湿空气的 H- I 图 一、H I 图的构造28常压下湿空气的 HI 图（p251）等温线-左下右上等焓线-左上右下焓坐标（最左+三边）水汽分压坐标（最右）温度坐标湿度坐标等湿线-垂线等相对湿度线-曲线等水汽分压线-水平线（p196）29HI 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

10、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 5 100； =100 饱和空气线蒸气分压线（pv 线），范围 026 kPa。 301.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，包括干球温度t、露点td、绝热饱和冷却温度tas（湿球温度tW）。焓 I，相对湿度 ，蒸气分压 pv，二、HI 图的应用31AHtIpvtdtas空气-水蒸气体系 tW tas已知状态点求湿空气的参数322. 由两个独立参数确定其他参数 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

11、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 。33AHtItdtas已知 t tw 求其他参数pv空气-水蒸气体系 tW tas34AHtIpvtdtastW已知 t td 求其他参数空气-水蒸气体系 tW tas35AHtIpvtdtas已知 t 求其他参数空气-水蒸气体系 tW tas36解: (1) t1=293K=20 ,j1 = 80%，p总 =101.3kPa, t1 = 20 , 算得：ps1=2.338kPa p1 = j1 ps1【例8-1】t1=293K, j1 = 80% 时, 求 H1 , I1t2=373K, 求 H2 , j2

12、 , I2常压下的空气，37【例8-1b】（2）t2 =373K=100, H2 = H1 = 0.0117 比质量分率，与温度无关（p221）（p220）38经过加热，j，湿空气吸湿能力增大，是一种很好的 载湿体； I, 湿空气热焓增大，是一种很好的 载热体； 【例8-1】讨论：所以，新鲜空气进入干燥器之前需要预热 t () j H I (kJ/kg) 20 80% 0.0117 49.69 100 1.85% 0.0117 131.85空气价廉易得，热空气是最常用的干燥介质(小)(大)398.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算8.3.1 干燥过程的物料衡算8.3.2 干燥过程的热量衡算8.3

13、.3 空气通过干燥器时的状态变化40（kg / kg湿物料） (干燥过程中基准有变化）湿基含水量是指湿物料中水分的质量分数。工业上通常用湿基含水量表示湿含量。注意8.3.1 干燥过程的物料衡算（p254） 一、湿物料含水量的表示方法1.湿基含水量（质量分率） ( 常用于原料、在产品和产品质量分析、检测 )41 干基含水量是指湿物料中水分质量与绝干物料的质量比。（kg / kg绝干料） (干燥过程中基准无变化)两种含水量之间的关系 2.干基含水量（比质量分率） (常用于干燥计算及科研试验)42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二、干燥系统的

14、物料衡算衡算目的确定水分蒸发量 W（kg/s）确定绝干空气用量 L (干气kg/s)角标：1干燥器进口； 2干燥器出口H0431.水分蒸发量 （kg/s） 2.空气消耗量 （kg 绝干气/s） 绝干空气消耗量 选风机 V ”= L vHvH =f (H , t ) L L 用途：44新鲜空气消耗量 （kg(新鲜气）/s） 单位空气消耗量 （kg(绝干气)/ kg (水)新鲜空气体积消耗量 （m3（新鲜气）/s） 453. 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) 46【例8-2】【例8-2】某厂用干燥器处理湿物料2100kg/h，已知物料湿基含水

15、量由13%降至9%,干燥介质空气初温20,湿度H0为0.009 kg/kg绝干气，经加热器预热至115后进入干燥器。设空气离开干燥器时温度40，湿度H2为0.036 kg/kg绝干气，试求水分蒸发量W；干空气消耗量L；干燥得率97%时产品量G2；风机的风量Vs。解： 水分蒸发量 W已知 w1= 13%, w2= 9%, G1= 2100kg/h, = 0.97 H0= 0.009 kg/kg绝干气，H2 = 0.036 kg/kg绝干气先把湿物料湿基含水量换算成干基含水量47【例8-2b】送入干燥器的绝干物料量G = G1(1-w1) =2100(1-0.13) = 1827 kg绝干料/h则

16、水分蒸发量W = G (X1-X2) =1827(0.149-0.099) = 91.35 kg水/h干空气消耗量 L空气通过预热器湿度不变，即 H1 =H048【例8-2c】干燥得率97%时产品量G2得率=实际产品量/理论产品量 = G2/ G2 = 0.97G2 = G2 = (G1 W) = 0.97(2100 91.35) = 1948.39 kg/h = 0.541 kg/s讨论：干燥产品量（理论值）G2 的 3 种求法（p234） G2 = G1 ( 1 w1 ) / ( 1 w2 ) = 2100(1 0.13) /(1 0.09) = 2007.69 kg/h G2 = G1

17、(1+X2) / (1+X1) = 2100(1 + 0.099) /(1 + 0.149) = 2008.62 kg/h G2 = G1 W = 2100 91.35 = 2008.65 kg/h49【例5-2d】风机的风量V ”vH = (0.722+1.2440.009) 293/2731 = 0.73321.073 = 0.787 m3新鲜空气/kg干气选风机 V ”= L vHV ”= L vH = 3383 0.787 =2663 m3新鲜空气/h50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，kW。干燥器 新鲜空气 废气 湿物料 干燥产品

18、 预热器 8.3.2 干燥过程的热量衡算 一、热量衡算基本方程t2t1H2I151预热器热量衡算 干燥器热量衡算 整个干燥系统热量衡算新鲜空气 预热器 干燥器 废气 湿物料 干燥产品 52由 设绝干空气的焓水汽的焓则53以 0为基准故 受热空气的焓变蒸发水分的焓变54湿物料的平均比热容绝干料的平均比热容水的比热容物料的焓值55由整理得 加热空气热量加热物料热量蒸发水分热量损失热量总热量 = + + + 56定义二、干燥系统的热效率 热效率表示输入系统的总热量中真正用于汽化水分的那部分热量所占的百分数57ABC1.等焓干燥过程的状态变化理想干燥绝热干燥8.3.3 空气通过干燥器时的状态变化 一、

19、等焓干燥过程58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 2. 等焓干燥过程的条件59AB1.非等焓干燥过程的状态变化实际干燥等温干燥升焓干燥降焓干燥二、非等焓干燥过程60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.非等焓干燥过程的条件61升焓干燥过程应满足以下条件： 需向干燥器补充热量，且干燥器的热损失不能忽略，物料进出干燥器的焓不相等，L 0。 62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

20、；且 L 0； 638.4 干燥过程的平衡关系与速率关系（p264）8.4.1 干燥过程的平衡关系8.4.2 干燥过程的速率关系8.4.3 干燥机理及干燥时间的计算64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*X8.4.1 干燥过程的平衡关系 一、平衡曲线651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棉花平衡含水量X*与空气相对湿度 的关系（25 ）6600.20.40.60.81.00.10.20.3含水量 X相对湿度 j - X 关系 在一定的温度范围内，温度改变对 j X 关系的影响很小，可视为 t 与 j X 无关。使用方便。

21、jX1XB*非结合水分结合水分自由水分平衡水分jX* 非吸湿性物料： XB* = X*0烟叶氯化锌木材优质纸 强吸湿性物料： XB* 大多数物料介于两者之间。物料的吸湿性067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1.平衡水分与自由水分二、物料中所含水分的性质682. 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结合水分的特点：结合力强，不易除去。非结合水分的特点：结合力弱，容易除去

22、。69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70总水分平衡水分自由水分非结合水分结合水分固体物料中所含水分的性质711.恒定干燥实验恒定干燥条件如下：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：时 间 物 料 温 度 物料湿含量 X8.4.2 干燥过程的速率关系 一、干燥实验和干燥曲线恒定干燥条件：空气的温度、湿度、流速、与物料的接触方式均不变72 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

23、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 仪表洞道干燥实验流程示意图73预热阶段恒速干燥阶段（第一干燥阶段）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干燥阶段不变逐渐减小趋近于零很大较小（= tw）742. 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。75预热阶段恒速干燥阶段降速干燥阶段干燥曲线（X-关系 ）76预热阶段恒速干燥阶段降速干燥阶段干燥曲线（-关系 ）77干燥曲线归纳 干燥曲线：物料含水量 X 与干燥时间 的关系曲线； 或 物料表面

24、温度与干燥时间 的关系曲线。 在恒定的干燥条件下实验得出。 恒定的干燥条件A含水量XXctwDCBADCBtX*物料表面温度干燥时间 预热段恒速段降速段预热段 AB段:（Pre-heat Period）：降速干燥段 CD段：Falling-rate Period恒速干燥段 BC段: Constant-rate Period干燥曲线图干燥介质的 t、 H 不变78干燥曲线的实验测定时 间 t (s)物料质量 G (kg)物表温度 q ()湿 含 量 X0G0q0X0t1G1q1X1t2G2q2X2teGeqeX*已知 G0 , w0 分别以X, q为纵坐标，t 为横坐标，做出物料含水量及物表温度

25、随时间的变化图干燥曲线。A含水量XtwDCBADCBtX*物料表面温度干燥时间 Ge = 常数791.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：干燥速率二、干燥速率与干燥速率曲线干燥速率定义式802.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方法一方法二 由定义式81预热阶段恒速干燥阶段降速干燥阶段临界含水量临界干燥速率恒定干燥条件下的干燥速率曲线82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8.4.3 干燥机理及干燥时间的计算 一、干燥过程机理83内部迁移速率表面汽化速率特征： 物表维持充分润湿状态，汽化的水分为非结合水分

26、 （物表空气的湿度 = 湿球温度下空气的饱和湿度） 空气传给湿物料的显热水分汽化所需潜热表面汽化控制阶段 物料表面温度 = 空气的湿球温度 tw水分1.恒速干燥阶段（空气的状态）84内部迁移速率表面汽化速率物料表面逐渐变干，汽化的水分为结合水分；干燥速率不断降低，此时U与空气状态关系不大 内部迁移控制阶段特征：2. 降速干燥阶段水分851.恒定干燥条件下干燥时间的计算(1)恒速干燥阶段由二、干燥时间的计算86积分得Uc的来源：由干燥速率曲线得出；由经验公式计算。Xc的来源由干燥速率曲线得出；由手册查出。恒速干燥阶段干燥时间87(2)降速干燥阶段由88设 U 与 X 为线性关系89积分得降速干燥

27、阶段干燥时间代人定义式移项整理得90若 X * 很小或缺乏 X * 数据，可取则故降速干燥阶段干燥时间91总干燥时间2.变动干燥条件下干燥时间的计算(自学)提示：面积积分、辛普森积分的基本原理若设计干燥器的主要参数之一928.5 干燥设备（p274）8.5.1 干燥器的基本要求与分类8.5.2 干燥器的主要类型(自学)8.5.3 干燥器的设计(自学)93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；8.5.1 干燥器的基本要求与分类 一、干燥器的基本要求94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二、干燥器的分类95补充：真空冷冻干燥（升华干燥）技术特点：物料中水分由冰直接升华为水蒸气被移除，物 料的物理化学结构变化很小。 特别适合于热敏性物料的干燥。 用于干燥食品呈疏松多孔海绵状，可保持其原有的色、香、味及营养成分；用于干燥一般药品，对药效几乎无影响。真空：是指低于水的三相点压力缺点：耗时、耗能、成本较高。96补充（续）：真空冷冻干燥（升华干燥）技术阶段：1.预热 2.升华干燥（除去非结合水）