第五章 干燥原理--5.1+5.2干燥速率.ppt

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1、1第五章第五章 干燥原理干燥原理西安建筑科技大学粉体工程研究所西安建筑科技大学粉体工程研究所李李 辉辉12提提 纲纲概概 述述干燥静力学干燥静力学干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程干燥技术干燥技术2第5章 干燥原理干燥原理5.1 概述概述去湿概念脱水原理机械去湿 吸附去湿 热能去湿(干燥)加热方式传导干燥 对流干燥 辐射干燥 场干燥法 干燥介质有空气、烟气；对流干燥特点 一种典型的非稳态不可逆过程；有多相多组分参与，一般要涉及相变传热传质，影响因素众多；在干燥过程中传热传质相互耦合；干燥过程与物料性质、干燥介质组分和状态密切相关。34处理工业固体废弃物的高压辊式立磨处理工业固体废弃物的高压辊

2、式立磨在磨细的过程中完成对湿物料的干燥。56 材料行业以对流干燥为主，下图为对流干燥示意图：干空气将热量传给湿物料；湿物料中的水分受热汽化进入空气。65.2 干燥静力学干燥静力学5.2.1 湿空气的性质湿空气的性质5.2.1.1 干空气与湿空气干空气与湿空气 完全不含水蒸汽的空气称为绝干空气（简称干空气）。湿空气是指含有水蒸气的空气,是干空气和水蒸气的混合物。特点：湿空气中水蒸气分压通常很低（0.0030.004MPa）,可视为理想气体。湿空气是理想气体的混合物，遵循理想气体状态方程。道尔顿（Dalton）分压定律：湿空气中的水蒸气通常处于过热状态，干空气与过热水蒸气组成的湿空气称为未饱和空气

3、。当水蒸气的分压达到对应温度下的饱和压力，水蒸气达到饱和状态。由干空气与饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和空气。75.2.1.2 湿空气中水蒸气的量湿空气中水蒸气的量5.2 干燥静力学干燥静力学表示方式有三种：绝对湿度、相对湿度和湿含量。（1）绝对湿度绝对湿度 单位体积湿空气所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度，用v表示。根据理想气体状态方程：对于饱和空气：水在大气压下的饱和蒸汽压仅是温度的单值函数。在0100范围及标准大气压下 说明：绝对湿度仅表示湿空气中水蒸气的质量的多少，不能完全说明空气干燥能力。85.2 干燥静力学干燥静力学（2）相对湿度相对湿度相对湿度是指湿空气的绝对湿度v与相同温度下可

4、能的最大绝对湿度（即饱和空气的绝对湿度）sv的比值，用 表示。（psvp时）饱和度当作为干燥介质的湿空气被加热到相当高的温度时，psv可能大于总压力。这种情况下，相对湿度的定义为：（psvp时）相对湿度 与干燥能力的关系95.2 干燥静力学干燥静力学（3）含湿量）含湿量 空气的含湿量是指1kg干空气所携带的水蒸气质量（又称为比湿度），以d表示。（kg水蒸气/kg干空气）根据理想气体状态方程，有：（kg水蒸气/kg干空气）总结：绝对湿度：用在测定湿空气中水蒸气量的多少时；相对湿度：用在描述湿空气的干燥能力时较为清楚；含湿量：用在进行干燥计算时较为方便。105.2.1.3 湿空气的温度参数湿空气的

5、温度参数5.2 干燥静力学干燥静力学（1）干球温度干球温度 干球温度即是湿空气的实际温度，也就是通常用普通温度计（干球温度计）测量得到的空气温度。简称为空气温度。（2）湿球温度湿球温度 在普通温度计外包裹湿纱布，湿纱布的一端浸入水中，使得纱布保持湿润，这种温度计称为湿球温度计。在平衡状态下，湿球温度计测出的空气温度称为湿球温度，用tw表示。由干球温度计和湿球温度计组合成的温度计称为干湿球温度计。在平衡状态下，空气向湿纱布传递的热量恰好等于湿纱布表面水分汽化所需热量。即：湿球温度不是湿空气的状态参数 115.2 干燥静力学干燥静力学（3）绝热饱和温度绝热饱和温度 绝热饱和过程绝热饱和过程 以1k

6、g干空气为基准，热量平衡关系如下：湿空气的状态参数 系统由一个装有足够多水的绝热长管道组成，在管道内水的温度等于管道出口空气达到的饱和状态下(绝热饱和)的温度情况下，此时管道出口的饱和空气温度称为绝热饱和温度，以 表示。125.2 干燥静力学干燥静力学（4）露点露点 当未饱和湿空气中水蒸气分压或含湿量不变时，湿空气冷却到饱和状态（=100）的温度称为露点，用td表示。分析：湿空气在露点温度下处于饱和状态，其含湿量保持不变。（kg水蒸气/kg干空气）湿空气的状态参数 总结：对空气-水系统，twtas，对于饱和空气：。对于未饱和空气：；13145.2.1.4 湿空气的密度5.2 5.2 干燥静力学

7、干燥静力学湿空气的密度 湿空气的密度表示单位体积湿空气的质量，用表示,kg/m3。它也表示湿空气中空气的质量浓度与水蒸气的质量浓度之和，即：145.2.1.5 湿空气的比热和焓湿空气的比热和焓5.2 干燥静力学干燥静力学（1）湿空气的比热湿空气的比热 湿空气的比热是指1kg干空气及其所携带的dkg水蒸气升高或降低单位温度所吸收或释放的热量，用cw表示,kJ/(kg干空气)。cw=ca+dcv0120 cw1.01+1.88d(0120oC)（2）湿空气的焓湿空气的焓 湿空气的焓是以1kg干空气为基准，是指1kg干空气焓与其所携带的dkg水蒸气的焓值之和，用h 表示，kJ/kg干空气。以0时的干

8、空气和饱和水为焓基准点0120 h acat1.01t 15湿空气的所有状态参数均可由两个独立的参数通过解析法确定。工程上常见的湿度图有温度-湿度图（t-d图）和焓-湿图（hd图）。5.2 干燥静力学干燥静力学空气空气-水系统的水系统的t-dt-d图图（100kPa100kPa）1617湿空气的h-d图1.h-d图的组成等湿含量线(等d线)等焓线(等h线)等干球温度线(等t线)等相对湿度线(等线)等湿球温度线(等tw线)水蒸汽分压线(等pv线)h-d图的组成dPvh2h1h1718例例：在容积为50m3的空间中，空气温度为30，相对湿度为60%，大气压强p=101.3kPa。求湿空气的露点、含

9、湿量、干空气的质量、水蒸气质量和湿空气的焓值。5.2 5.2 干燥静力学干燥静力学解解：由饱和水蒸气表5.1查得，t=30时，psv=4.243 KPa，所以pv=psv=0.64.243=2.546kPa反查饱和水蒸气表，可得 td=21.25干空气分压：干空气质量：水蒸气质量：湿空气的焓：=（1.01+1.880.016）30+25010.016 =71.05 kJ/（kg干空气）1819例例：在一个标准大气压下(101.325kPa),由干湿球温度计测得空气的干球温度和湿球温度分别为30和20。求湿空气的d、h、pv、pa。tas20；asw2453kJ/kg；dasdw0.0147 k

10、g水蒸气/kg干空气，Cw1.01+1.88d d0.0105温度为30时39.6 56.99kJ/（kg干空气）水蒸气分压干空气分压kPa kPa【解解】：由表5-1中查得，20和30时饱和水蒸气分压分别为psv1=2.338kPa和psv2=4.243kPa，由附录查得20时水的汽化潜热w=2453kJ/kg，20时饱和湿空气的湿含量为 kg水蒸气/kg干空气kg水蒸气/kg干空气30时空气的焓19205.2.2 湿空气状态的变化过程湿空气状态的变化过程5.2 5.2 干燥静力学干燥静力学5.2.2.1 加热和冷却过程加热和冷却过程空气的加热过程空气的加热过程 根据稳定流动能量方程，加热和

11、冷却过程中的吸热量和放热量分别等于过程中的湿空气焓增加值和减小值。d1 dhh2h120215.2.2.2 加湿和去湿过程加湿和去湿过程5.2 5.2 干燥静力学干燥静力学热空气的加湿过程热空气的加湿过程 无外加热源的物料干燥过程可以看作是绝热加湿过程。绝热加湿过程中，湿空气的焓保持不变，而相对湿度和湿含量均增加，湿空气温度降低。各状态参数之间的具体关系 绝热去湿过程各状态参数的大小关系与上式相反。注意：在外界有热量交换的加湿或去湿过程中，焓值将增加或减小。各参数在加湿或去湿过程中的计算可以根据过程特点及状态参数之间的关系确定。d1 d221225.2 5.2 干燥静力学干燥静力学5.2.2.

12、3 绝热绝热混合混合过过程程 在混合时，气流与外界的热交换量很少，此过程可视为绝热过程。忽略混合过程中微小的压力变化，设 混合前：、d1、h1和 、d2、h2，混合后：、d3、h 3 空气质量守恒 湿空气中水蒸气质量守恒 能量守恒 两股气流的混合两股气流的混合 2223干燥过程5.2 5.2 干燥静力学干燥静力学干燥过程包括湿空气的加热过程和绝热吸湿过程。例例:已知空气t1=30、pv1=2.938kPa，将该空气送入加热器进行加热后，t2=60，然后送入干燥器中作为干燥介质。空气流出干燥器时的温度t3=35。求空气在加热器中吸收的热量和1kg干空气所吸收的水分。大气压强P=0.1MPa。解：

13、从饱和水蒸气表中可知，当t1=30，psv1=4.243kPa；t2=60，psv2=19.916kPa；t3=35，psv3=5.6231kPa相对湿度1湿含量1焓123245.2 5.2 干燥静力学干燥静力学加热过程：d2=d1=0.0188kg水蒸气/kg干空气，空气在加热器所吸收的热量：q=h2h1=31.19 kJ/kg干空气。在干燥器中的吸湿过程中焓不变：h2=h3=109.4kJ/kg干空气。干燥过程中吸收水分：d=d3d2=0.02890.0188=0.0101 kg水蒸气/kg干空气相对湿度2湿含量2焓2焓3湿含量324255.2 5.2 干燥静力学干燥静力学 d0=d1 d

14、2 dC(t2,h2,d2)hh225265.2.3 水分在气-固两相间的平衡5.2.3.1 结合水与非结合水能否用干燥方法化学结合水 物理化学结合水 5.2.3.2 平衡水分和自由水分物料中所含水分 除水的难易结结合水合水 非非结结合水合水 湿物料中水分 平衡水分平衡水分 自由水分自由水分 （1）平衡水分平衡水分平衡含水量是物料在一定空气状态下被干燥的极限。比较物料的含水量（X）与平衡含水量（X*）的大小可判断过程进行的方向。5.2 5.2 干燥静力学干燥静力学难易能不能2627（2）自由自由含水量 物料中所含大于平衡含水量的那一部分含水量，即可在一定空气状态下用干燥方法去除的水分称为自由含

15、水量，其大小为（XX*）。利用平衡含水量曲线可确定物料中结合含水量与非结合含水量的大小，判断水分去除的难易程度。物料的平衡含水量物料的平衡含水量 曲线曲线5.2 5.2 干燥静力学干燥静力学X X*干燥不再进行 XX*干燥进行 275.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程5.3.1 恒定干燥条件下的干燥速率恒定干燥条件下的干燥速率5.3.1.1 干燥动力学实验干燥动力学实验恒定干燥条件下物料的干燥恒定干燥条件下物料的干燥曲线曲线干燥条件：恒定干燥 空气各项性质可取进、出口的平均值。实验中记录每一个时间间隔内物料质量的变化及物料的表面温度，直到湿物料的质量恒定，这时物料中含水量为该条件下的平

16、衡含水量。根据实验数据绘出物料含水量与物料表面温度、干燥时间的关系曲线。285.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程5.3.1.2 干燥速率曲线干燥速率曲线恒定干燥条件下的干燥速恒定干燥条件下的干燥速率曲线率曲线物料的干燥速率：kg/(m2.s)干燥曲线 干燥速率曲线 干燥过程 预热阶段（AB）恒速干燥（BC）降速干燥（CDE）29（1）恒速干燥阶段恒速干燥阶段5.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程分析分析：物料内部的水分能及时扩散到表面，物料整个表面都有充分的非结合水。对流传热速率：干燥速率 1)干燥速率不随物料的含水量改变而变化；2)干燥速率由物料表面的水分汽化速率所控制(外扩散

17、控制)，干燥速率取决于干燥条件。3）物料的表面温度保持不变,为该空气状态下的湿球温度。恒速干燥速率特点特点：恒定干燥条件下物料的恒定干燥条件下物料的干燥曲线干燥曲线305.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程（2）降速干燥阶段降速干燥阶段分析：第一降速阶段，物料内部水分向表面扩散的速率已小于物料表面水分的汽化速率，实际汽化面积减小，干燥速率下降。第二降速阶段，水分的汽化面由物料表面移向内部，使传热和传质途径加长，造成干燥速率下降。1)干燥速率取决于水分在物料内部的扩散(内扩散)速率，与物料本身的结构、形状和尺寸等因素有关，受外部干燥介质的条件影响较小。2)水分迁移形式：主要以液态形式扩散，

18、少时以气态形式扩散。降速干燥特点：水分在多孔物料中的分布水分在多孔物料中的分布 恒定干燥条件下物料的恒定干燥条件下物料的干燥曲线干燥曲线315.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程（3）临界含水量临界含水量恒速干燥阶段与降速干燥阶段的分界点称为临界点，相应的物料平均含水量为临界含水量（Xc）。临界含水量的影响因素：物料的性质、厚度以及恒速阶段干燥速率。对于粘土制品，在制品水分沿厚度方向按抛物线分布时，临界水分可表示为：分析：物料的平均临界含水量Xc总是大于其最大吸湿量Xm，随着物料厚度的增加和干燥速度的提高，Xc值加大；在干燥过程中和D的增大，则使Xc下降。Xc值越大，干燥中产生的内应力越

19、大。325.3.2 影响干燥速率的因素影响干燥速率的因素5.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程5.3.2.1 恒速干燥阶段恒速干燥阶段在恒速干燥阶段，Le=1，Nu=Sh，即有a=D刘伊斯关系式 影响干燥速率的主要因素：空气流速空气流速=0.688.14 kg/(m2.s)t=45150 j 条件：绝热且空气流动方向与物料表面平行33条件：空气垂直穿过物料颗粒堆积层时，设物料颗粒直径为dp，则：5.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程j 空气中的含湿量空气中的含湿量 空气温度不变，空气的含湿量降低，传质推动力（dw-d）将增大，干燥速率增加。空气温度空气温度(4)空气与物料接触方式空

20、气与物料接触方式 物料颗粒悬浮分散在气流，物料的干燥速率较大；气流掠过物料层表面时，干燥速率较低；气流垂直穿过物料时，干燥速率介于两者之间。345.3.2.2 降速干燥阶段降速干燥阶段5.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程水分在物料内部扩散的机制主要有液体扩散理论和毛细管理论。在降速阶段的前期，水分的移动靠毛细管作用力，而在后期，水分移动是以扩散方式进行的。物料内部的传质采用稳态Fick定律：在非等温度条件下，存在热湿传导，又称为Luikov效应，在不可逆热力学中将这种由温差引起的质量传递现象称为Soret效应。物料中水分在压力梯度作用下所产生的质量扩散通量jAp可表示为：355.3 干

21、燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程根据物料中各种传递过程的耦合分析有：对沿X方向上的一维干燥过程，内扩散速率可用下式表示：对厚度为的平板制品进行两面对称干燥时，湿扩散速率：1)热湿扩散中水分扩散与加热强度及加热方式有关。2)外部加热时，热扩散与质扩散方向相反；内热源加热时，热扩散与质扩散方向相同，这有利于干燥速率的提高。3)湿扩散和热湿扩散中的扩散系数D和Dt的大小与物料的种类、结构、形状、大小等性质有关，可由实验测得。总结：365.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程5.3.3 间歇干燥过程的干燥时间计算间歇干燥过程的干燥时间计算5.3.3.1 恒速干燥阶段恒速干燥阶段若物料在干燥前的含

22、水量（X1）大于临界含水量（XC），忽略物料的预热阶段，恒速干燥阶段的干燥时间(1)可通过下式进行计算。恒速干燥 已知：常压下将干球温度t=30、湿球温度tw=20的空气预热到70后送入间歇式干燥器，空气以6m/s的速度流过物料表面。干燥单位面积的干物料量为23.5kg/m2，物料的临界含水量 Xc=0.21kg/（kg干料）。求：（1）恒速干燥阶段的干燥速率；（2）将物料含水量从X1=0.45kg/（kg干料）减少到X2=0.24kg/（kg干料）所需要的干燥时间。37385.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程解解：(1)查附录得 t w=20时，水的汽化潜热 =2453kJ/kg，得

23、 t w=70时，Psv=4.243kPa。干燥器内湿空气的相对湿度：湿空气的密度：湿空气的质量流速：对流换热系数：W/（m2）恒速干燥阶段的干燥速率：kg/（m2s）（2）因X2Xc，恒速干燥阶段，干燥时间为：385.3.3.2 降速干燥阶段降速干燥阶段物料从临界含水量（XC）减少到（X2）所需要的时间2为：（1）图解积分法 物料在降速干燥阶段，干燥速率与含水量呈非线性变化，采用图解积分法求解2。图解积分法示意图解积分法示意（2）近似计算法物料在降速干燥阶段，干燥速率与含水量的变化关系可近似作为线性关系处理：干燥时间：降速干燥速率曲线处理为直线降速干燥速率曲线处理为直线 5.3 干燥速率和干

24、燥过程干燥速率和干燥过程总的干燥时间为：39例：已知物料在恒定空气条件下含水量从0.10kg/（kg干料）干燥至0.04kg/（kg干料）共需要5h。如果将此物料继续干燥到含水量为0.01kg/（kg干料）还需多少时间？已知：此干燥条件下物料的临界含水量Xc=0.08kg/kg干料，降速干燥阶段的干燥曲线近似作为通过原点的直线处理。5.3 干燥速率和干燥过程干燥速率和干燥过程解：（1）由X1XcX2，物料含水量经历等速和降速干燥两个阶段1=1.33 h 2=3.67 h （2）继续干燥所需要的时间设物料从临界含水量Xc干燥X3=0.01kg/kg干料至所需时间为3，则：3=32继续干燥所需要的时间3-2=2223.67=7.34h40