化工原理（下）干燥课件.ppt

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1、第5章 干燥 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。了解干燥时间的计算；干燥设备的类型及结构特点。学习目的与要求5.1 干燥过程概述 5.1.1 干燥的原理与应用第5章 固体物料的干燥一、干燥过程的原理气、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）传质原理（固相气相）固体物料干燥过程湿物料热空气气膜气相主体Q 推动力 t-twN 推动力 pw-p二、干燥过程的应用应用示例湿聚氯乙烯干燥成聚氯乙烯产品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

2、 0.3%干燥三、干燥过程与其他除湿方法的比较工程中的常用除湿方法v 机械除湿v 物理除湿v 利用热能除湿干燥除湿的特点v 除湿彻底v 能耗高为节能工业上多采用联合除湿机械除湿干燥除湿沉降过滤离心吸附干燥5.1 干燥过程概述 5.1.1 干燥的原理与应用第5章 固体物料的干燥5.1.2 干燥过程的分类按操作压力分类干燥按传热方式分类干燥过程的分类常压干燥 真空干燥传导干燥 对流干燥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5.1 干燥过程概述 第5章 固体物料的干燥5.2.1 湿空气的性质5.2 湿空气的性质及湿度图 一、湿度 H(湿含量)干燥介质干燥湿分计算基准湿空气中水汽

3、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水汽/kg绝干气H符号单位kg/kg绝干气常压下湿空气可视为理想气体一、湿度 H(湿含量)水汽的分压总压湿空气中水汽与绝干气的摩尔比湿空气被水所饱和若饱和湿空气一、湿度 H(湿含量)空气温度下纯水的饱和蒸汽压二、相对湿度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干燥能力吸收水分能力干燥速率传质推动力p=0 =0 绝干空气p=ps =100 饱和空气二、相对湿度分析三、比体积 vH以1 kg 绝干气为基准的湿空气的体积m3湿空气/kg绝干气定义符号单位设湿空气的温度为 t湿空气的湿度为 H湿空气的总压力为 p总三、比体积 vH

4、四、比热容 cH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在常用温度范围内 cg=1.01 kJ/(kg绝干气)cv=1.88 kJ/(kg水汽)四、比热容 cH故有 五、焓 IkJ/kg绝干气以1 kg 绝干气为基准的湿空气的焓值则定义符号单位绝干气的焓值为 Ig水汽的焓值为 Iv设湿空气的温度为 t湿空气的湿度为 H以0为基准设五、焓 I则 六、温度1.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。(

5、1)干球温度 t(2)湿球温度 tW 用湿球温度计测得的湿空气的温度，称为湿球温度。湿球温度可度量湿空气的湿度大小。tW是空气的温度t和湿度H的函数。湿球温度计示意图湿球温度计构成：用普通温度计，在其感温部位包上细纱布且浸在水中。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 六、温度湿球温度的测量机理(3)湿球温度与干球温度及湿度的关系湿空气的干球温度为 t湿空气的湿度为 H设湿空气的湿球温度为 tw气膜中饱和湿度为 Hs,tw传热速

6、率为 J/s 传质速率为 kg/s 六、温度稳态下 联立得 测定 t、tw 湿度 H 未饱和湿空气t tw 饱和湿空气t=tw 六、温度不饱和湿空气 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 六、温度绝热饱和冷却塔示意图1塔 身2填 料3循环泵绝热状态绝热饱和温度与干球温度及湿度的关系未饱和湿空气的焓饱和湿空气的焓绝热过程六、温度因为H、Has值很小整理得通常比较得六、温度不饱和湿空气 饱和湿空

7、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（tas）=td3.露点 td 六、温度绝热饱和冷却温度与湿球温度n湿球温度和绝热饱和温度都不是湿气体本身的温度,但都和湿气体的温度t和湿度H有关，且都表达了气体入口状态已确定时与之接触的液体温度的变化极限。n在绝热条件下，用湿空气干燥湿物料，如果湿物料足够润湿，则其表面温度也就是湿空气的绝热饱和温度 ，亦即湿球温度，而湿球温度容易测定，因此湿空气在等焓过程中的其它参数的确定就比较容易了。练 习 题 目思考题作业题:1、21.湿空气的湿度、相对湿度、比体积、比

8、热容和 焓各表示何意义，如何计算？2.湿空气的干球温度、湿球温度、绝热饱和冷却 温度、露点各表示何意义，其关系如何？例1 已知湿空气的温度为50，总压强为100 kPa，湿球温度为30，试计算该湿空气以下个参数：（1）湿度；（2）相对湿度;(3)露点；（4）热焓；（5）湿比容。解：（1）由饱和水蒸气压力表查得，在tw=30时，水的饱和蒸汽压ps=4.25 kPa，汽化潜热rw=2.423 kJ/kg。在湿球温度下，空气的饱和湿度为：湿空气的湿度为：（2）由饱和水蒸汽压表查得，在干球温度t=50，水的饱和蒸汽压ps=12.34 kPa，求得该空气中的水蒸气分压为空气的相对湿度为（3）在露点下，空

9、气刚好达到饱和状态，空气中的水汽分压p=12.34 kPa即为水露点下的饱和蒸汽压，故由饱和蒸汽压表查得，此空气的露点td=23。（4）若以0的水及0的空气的焓为基准，该空气的焓为（5）在压强不太高时，湿空气可视为理想气体，5.1 干燥过程概述 第5章 固体物料的干燥5.2.1 湿空气的性质5.2 湿空气的性质及湿度图 5.2.2 湿空气的湿度图 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。一、H I 图的构造湿空气的湿度图湿度焓（HI）图湿度温度（Ht）图湿空气的HI

10、 图HI 图由以下线群组成v 等湿线（等 H 线）范围 00.2 kg/kg绝干气 v 等焓线（等 I 线）范围 0680 kJ/kg绝干气 v 等温线（等 t 线）范围 0250 v 等相对湿度线（等 线）范围 5100 =100 饱和空气线v 水汽分压线（p 线）范围 026 kPa 一、H I 图的构造1.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：v 湿度 Hv 温度v 焓 Iv 相对湿度 v 水汽分压 p干球温度t绝热饱和冷却温度tas(湿球温度 tW)露点td二、H I 图的应用已知状态点求湿空气的参数AHtIptdtastW2.由两个独立参数确定其它

11、参数 已知两个独立参数可由 H-I 图确定湿空气的状态点，继而求出湿空气的各参数值。v 已知温度 t湿球温度 tWv 已知温度 t露点 tdv 已知温度 t相对湿度 二、H I 图的应用已知状态点求湿空气的参数AHtIptdtastW已知状态点求湿空气的参数AHtIptdtastW已知状态点求湿空气的参数AHtIptdtastW5.1 干燥过程概述 第5章 固体物料的干燥5.2 湿空气的性质及湿度图 5.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.3.1 湿物料的性质一、湿物料的含水量1.湿基含水量 kg/kg湿物料 湿基含水量是指湿物料中水分的质量分率。工业上通常用湿基含水量表示湿含量。注意2.干

12、基含水量 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 两种含水量之间的关系 一、湿物料的含水量二、湿物料的比热容 cm将以 1kg 绝干料为基准的湿物料的温度升高（或降低）1 所吸收（或放出）的热量kJ/(kg绝干料)定义符号单位设湿物料的干基湿含量为 X则绝干料比热容水分的比热容在常用温度范围内 cw=4.187 kJ/(kg水)故有 二、湿物料的比热容 cmkJ/kg绝干料以1 kg 绝干料为基准的湿物料的焓值则定义符号单位设三、湿物料的焓水的焓值为 Iw绝干料的焓值为以0为基准则 设湿物料的温度为湿物料的干基湿含量为 X三、湿物料的焓5.1 干燥过程概述 第5章

13、固体物料的干燥5.2 湿空气的性质及湿度图 5.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.3.1 湿物料的性质5.3.2 干燥过程的物料衡算与热量衡算 一、物料衡算干燥器物料衡算示意图 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1.水分蒸发量W kg/s 以1 s 为基准，设干燥器内无物料损失，对干燥器作物料衡算一、物料衡算则 单位时间内水分蒸发量2.空气消耗量 L kg绝干气/s 得 一、物料衡算由 单位时间内消耗的绝干空气量湿空气(新鲜空气)的消耗量为 kg新鲜气/s 湿空气(新鲜空气)的体积消耗量为 m3新鲜气/s 一、物料衡算设 绝干空气消耗

14、量为 L 湿空气的湿度为 H1 则 单位空气消耗量为 kg绝干气/kg 水一、物料衡算单位时间内消耗的绝干空气量3.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 一、物料衡算二、热量衡算干燥器热量衡算示意图 Qp 预热器消耗热量，kWQD 干燥器补充热量，kWQL 热损失速率，kW干燥器 新鲜空气 废气 湿物料 干燥产品 预热器 预热器热量衡算 干燥器热量衡算 整个系统热量衡算 一、热量衡算基本方程由 设一、热量衡算基本方程绝干空气的焓水汽的焓则以0 为基准故 一、热量衡算基本方程一、热量衡算基本方程物料的焓值 湿物料的平均比热容绝干料的平均比热容水的比热容

15、由整理得 加热空气一、热量衡算基本方程加热物料蒸发水分损失热量练 习 题 目思考题作业题:3、4、51.H I 图的构造如何，如何由湿空气的状态 点确定其状态参数？2.如何对干燥系统进行物料衡算？3.热量衡算的基本方程式是如何获得的？第5章 固体物料的干燥5.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.3.1 湿物料的性质5.3.2 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.3.3 空气通过干燥器时的状态变化一、绝热干燥过程1.绝热干燥过程的状态变化理想干燥等焓干燥ABCv 不向干燥器补充热量v 干燥器的热损失可忽略v 物料进出干燥器的焓相等D=0 L=0 一、绝热干燥过程2.绝热干燥过程的条件 由一、绝热

16、干燥过程 故 则二、非绝热干燥过程1.非绝热干燥过程的状态变化实际干燥AB等温干燥升焓干燥降焓干燥降焓干燥过程应满足以下条件 v 不向干燥器补充热量v 干燥器的热损失不能忽略v 物料进出干燥器的焓不相等D=0 L 0 2.非绝热干燥过程的条件二、非绝热干燥过程二、非绝热干燥过程 由 故 则升焓干燥过程应满足以下条件 v 需向干燥器补充热量v 干燥器的热损失不能忽略v 物料进出干燥器的焓不相等且 L 0 二、非绝热干燥过程二、非绝热干燥过程 由 故 则 因等温干燥过程应满足以下条件 v 干燥器的热损失不能忽略v 物料进出干燥器的焓不相等v 需向干燥器补充热量D足够大，维持 t1=t2且 L 0

17、二、非绝热干燥过程第5章 固体物料的干燥5.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.3.1 湿物料的性质5.3.2 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.3.3 空气通过干燥器时的状态变化5.3.4 干燥系统的热效率一、干燥系统的热效率干燥系统的热效率定义 蒸发水分所需热量一、干燥系统的热效率由 忽略湿物料中水分带入系统中的焓，则 故 对于理想干燥器二、提高干燥系统热效率的措施提高干燥系统热效率措施v 提高 而降低v 提高空气入口温度v 采用二级干燥v 采用内换热器v 干燥系统的保温v 采用废气循环工艺二、提高干燥系统热效率的措施带废气循环的干燥系统（1）二、提高干燥系统热效率的措施带废气循环的干燥

18、系统（2）例2.采用常压干燥器干燥湿物料。处理量为2000kg/h,干燥操作使物料的湿基含量由40%减至5%，干燥介质是湿空气，初温为20，H0=0.009 kg水/kg绝干空气，经预热器加热至120后进入干燥器中，离开干燥器时废气温度为40，若干燥器中空气状态沿等焓变化。试求：（1）水分蒸发量W（kg/s）；(2)绝干空气消耗量L(kg绝干空气/s)；（3）如鼓风机装在新鲜空气入口处，风机的风量应为多少m3/s?解：（1）水分蒸发量（2）绝绝干空气消耗量干空气消耗量 H1=H0=0.009 kg水/kg绝干空气。空气状态沿等焓线变化，即I1=I2，H2可计算求出。解得H2=0.041 kg水

19、/kg绝干空气，则蒸发0.205 kg/s的水分所消耗的绝干空气量为（3）t0=20，H0=0.009 kg水/kg绝干空气L=6.406 kg绝干空气/s，则其体积流量为例3.常压下以温度为20、相对湿度为60%的新鲜空气为介质，干燥某种湿物料。空气在预热器中被加热到90后送入干燥器，离开时的温度为45、湿度为0.022kg/kg绝干空气。每小时有1100kg温度为20、湿基含水量为3%的湿物料送入干燥器，物料离开干燥器温度升到60，湿基含水量降到0.2%，湿物料的平均比热容为3.28kJ/(绝干物料）。忽略预热器损失的热量，干燥器的热损失速率为1.2kw，求：（1）水分蒸发量；（2）新鲜空

20、气消耗量（3）若风机装在新鲜空气入口处，求风机风量（4）预热器消耗的热量（5）干燥系统消耗的总热量（6）干燥系统补充的热量（7）干燥系统的热效率（1）蒸发量）蒸发量（2）新鲜空气消耗量）新鲜空气消耗量（3）风机风量）风机风量（4）预热器中消耗的热量）预热器中消耗的热量（5）干燥系统消耗的总热量）干燥系统消耗的总热量（6）干燥补充的热量（7）干燥系统的热效率第5章 固体物料的干燥5.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.4 干燥速率与干燥时间 5.4.1 物料中水分的性质一、平衡水分与自由水分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*X1.平衡曲线平衡含水量X*与空气相对湿度 的关

21、系（25）1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。2.平衡水分与自由水分一、平衡水分与自由水分结合水分的特点结合力强，不易除去。二、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

22、，而与空气的状态无关。二、结合水分与非结合水分固体物料中所含水分的性质总水分平衡水分自由水分非结合水分结合水分第5章 固体物料的干燥5.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.4 干燥速率与干燥时间 5.4.1 物料中水分的性质5.4.2 恒定干燥条件下干燥时间的计算一、干燥实验和干燥曲线1.恒定干燥实验恒定干燥条件v 间歇操作v 用大量的空气干燥少量的物料v 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 X洞道干燥实验流程示意图 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湿球温度计 9干球温度计10重量显示仪11温度显

23、示仪12湿球温度显 示仪13电加热控制 仪表一、干燥实验和干燥曲线预热阶段恒速干燥阶段（第一干燥阶段）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一、干燥实验和干燥曲线2.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。干燥曲线（X关系）预热阶段恒速干燥阶段降速干燥阶段干燥曲线（关系）预热阶段恒速干燥阶段降速干燥阶段思考题作业题:6、7、8练 习 题 目2.何为平衡水分与自由水分，根据什么划分？3.何为结合水分与非结合水分，根据什么划分？4.干燥曲线有何形式，其构造如何？1.空气通过干燥器

24、时有哪些状态变化？第5章 固体物料的干燥5.4 干燥速率与干燥时间 5.4.1 物料中水分的性质5.4.2 恒定干燥条件下干燥时间的计算一、干燥实验和干燥曲线二、干燥速率曲线及干燥过程分析1.干燥速率单位时间单位干燥面积上汽化的水分质量。kg/(m2)定义干燥速率定义式干燥速率2.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二、干燥速率曲线及干燥过程分析恒定干燥条件下干燥速率曲线预热阶段恒速干燥阶段降速干燥阶段临界湿含量临界干燥速率湿空气水分传递 由内部向表面迁移由表面向空气中汽化湿物料二、干燥速率曲线及干燥过程分析3.干燥机理及影响因素(1)恒速干燥阶段内部迁移

25、速率表面汽化速率特征v表面维持润湿状态，汽化的水分为非结合水分v空气传给湿物料显热水分汽化所需潜热表面汽化控制阶段二、干燥速率曲线及干燥过程分析设二、干燥速率曲线及干燥过程分析一批操作中空气传给物料的总热量为一批操作中蒸发的水分量为则空气与物料表面的对流传热速率为二、干燥速率曲线及干燥过程分析湿物料与空气的传质速率为联立并整理得二、干燥速率曲线及干燥过程分析1)空气平行流过静止物料层表面计算 经验公式湿空气的质量流速2)空气垂直流过静止物料层表面二、干燥速率曲线及干燥过程分析3)气体与运动着的颗粒间的传热颗粒平均直径空气导热系数空气运动黏度颗粒沉降速度(2)降速干燥阶段内部迁移速率Xc，4小时

26、前为恒速干燥，干燥速率为：将物料干燥到临界含水量所需要的时间为继续干燥到X2所需要的时间为干燥总时间(2)物料均匀地平摊在两个相同的浅盘内的干燥时间设Xc=0.05，第5章 固体物料的干燥5.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.4 干燥速率与干燥时间 5.4.1 物料中水分的性质5.4.2 变动条件下的干燥过程变动条件下的干燥过程连续逆流干燥器中典型温度分布情况 在连续干燥器中，无论空气与物料的接触方式是并流、逆流还是错流，空气的状态都是沿着干燥器的长度或高度变化的变动条件下的干燥过程。第5章 固体物料的干燥5.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 5.4 干燥速率与干燥时间 5.5 真空冷冻干

27、燥(选读)5.6 干燥器5.6.1 干燥器的基本要求与分类一、干燥器的基本要求干燥器的基本要求v 保证干燥产品的质量要求v 干燥速率快v 操作控制方便、劳动条件好 含水量 强度 形状v 热效率高二、干燥器的分类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第5章 固体物料的干燥5.6 干燥器5.6.1 干燥器的基本要求与分类5.6.2 干燥器的主要型式干燥器的主要型式(自学)自学要求 掌握 5 种以上主要干燥器的名称。了解主要干燥器的结构形式与工作原理。了解干燥器选型时应考虑的主要因素。第5章 固体物料的干燥5.6 干燥器5.6.1 干燥器的基本要求与分类5.6.2 干燥器的主要型式5.6.3 干燥器的设计(选读)5.7 增湿与减湿(选读)思考题作业题:10、11、12练 习 题 目1.何为干燥速率？2.干燥速率曲线的构造如何？3.恒定干燥条件下的干燥时间如何计算？本 章 小 结本章重点掌握内容v 湿空气的性质及湿度图湿空气的性质湿度图的构造及应用v 干燥过程的物料衡算与热量衡算物料衡算热量衡算空气通过干燥器时的状态变化干燥系统的热效率本 章 小 结v 干燥速率与干燥时间物料中水分的性质干燥曲线干燥速率与干燥速率曲线干燥过程机理