化工原理第九章课件

第九章第九章 干燥干燥 Drying一、去湿及其方法一、去湿及其方法二、二、干燥方法干燥方法 三、三、对流干燥的传热传质过程对流干燥的传热传质过程 第一节第一节 概述概述2024/6/16第九章 干燥 Drying一、去湿及其方法第一节 概1一、去湿及其方法1、何为去湿？、何为去湿？从物料中脱除湿分湿分的过程称为去湿。去湿。在化学工业生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过多的水分或有机溶剂(湿份)，要制得合格的产品需要除去固体物料中多余的湿份。湿分：湿分：不一定是水分！2、去湿方法、去湿方法机械去湿法机械去湿法：挤压（拧衣服、过滤）物理法物理法：浓硫酸吸收,分子筛吸附,膜法脱湿化学法化学法：利用化学反应脱除湿分（CaO）干燥法：干燥法：加热惯用做法：惯用做法：先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿份除去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉，以降低除湿的成本。2024/6/16一、去湿及其方法1、何为去湿？从物料中脱除湿分的过程称为去湿2二、干燥方法二、干燥方法 1、传导干燥、传导干燥 热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物料 被干燥的物料与加热介质不直接接触，属间接干燥 优点：优点：热能利用较多 缺缺点点：与传热壁面接触的物料易局部过热而变质，受热不均匀。2、辐射干燥、辐射干燥 热能以电磁波的形式由辐射器发射到湿物料表面，被物2024/6/16二、干燥方法 1、传导干燥2023/8/93料吸收转化为热能，而将水分加热汽化。优点：生产能力强，干燥产物均匀 缺点：能耗大3、介电加热干燥、介电加热干燥 将需干燥的物料置于交频电场内，利用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。优点：干燥时间短，干燥产品均匀而洁净。缺点：费用大。2024/6/16料吸收转化为热能，而将水分加热汽化。2023/8/944、对流干燥、对流干燥 热能以对流给热的方式由热干燥介质（通常热空气）传给湿物料，使物料中的水分汽化。物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸汽从表面扩散至干燥介质主体，再由介质带走的干燥过程称为对流干燥。优点：受热均匀，所得产品的含水量均匀。缺点：热利用率低。2024/6/164、对流干燥 2023/8/95三、对流干燥的传热传质过程三、对流干燥的传热传质过程对流干燥中，传热和传质同时发生传热和传质同时发生1、传热过程、传热过程 干燥介质 Q湿物料表面 Q湿物料内部2、传质过程、传质过程 湿物料内部湿分湿物料表面 湿分干燥介质 2024/6/16三、对流干燥的传热传质过程对流干燥中，传热和传质同时发生干燥6物物 料料QNTtwpwp干燥介质：载热体、载湿体载热体、载湿体干燥过程：物料的去湿过程 介质的降温增湿过程2024/6/16物 料QNTtwpwp干燥介质：载热体、载湿体20237干燥过程热空气流过湿物料表面热量传递到湿物料表面湿物料表面水分汽化并被带走表面与内部出现水分浓度差内部水分扩散到表面传热过程传热过程传质过程传质过程传质过程传质过程干燥过程推动力传质推动力：物料表面水分压P表水 热空气中的水分压P空水传热推动力：热空气的温度t空气 物料表面的温度t物表对流干燥过程实质2024/6/16干燥过程热空气流过湿物料表面热量传递到湿物料表面湿物料表面水8第九章第九章 干燥干燥 Drying一、一、湿空气的性质湿空气的性质二、二、湿度图及其应用湿度图及其应用 第二节第二节 湿空气的性质和湿度湿空气的性质和湿度图图 2024/6/16第九章 干燥 Drying一、湿空气的性质第二节 湿9一、湿空气的性质一、湿空气的性质1、湿度、湿度H（humidity）湿空气中水汽的质量与绝干空气的质量之比，又称湿含量。对于水蒸气空气系统：2024/6/16一、湿空气的性质1、湿度H（humidity）湿空气中水汽10当湿空气中水汽分压pw等于该空气温度下的饱和蒸汽压ps时，其湿度称为饱和湿度，用Hs表示。2024/6/16当湿空气中水汽分压pw等于该空气温度下的饱和蒸汽压ps时，其112、相对湿度百分数、相对湿度百分数（relative humidity）在总压P一定的条件下，湿空气中水蒸气分压pw与同温度下的饱和蒸汽压ps之比。相对湿度代表湿空气的不饱和程度，愈低，表明该空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。=1，湿空气达到饱和，不能作为干燥介质。2024/6/162、相对湿度百分数（relative humidity）12将 代入 在总压一定时 3、比容、比容 在湿空气中，1kg绝干空气体积和相应水汽体积之和，又称湿容积。2024/6/16将 代入 在总压一定时 3、比容 在湿空气中，1134、比热、比热 常压下，将湿空气1Kg绝干空气及相应水汽的温度升高（或降低）1所需要（或放出）的热量，称为湿比热。2024/6/164、比热 常压下，将湿空气1Kg绝干空气及相145、湿空气的焓、湿空气的焓 湿空气中1 kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。2024/6/165、湿空气的焓 湿空气中1 kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之156、干球温度、干球温度t和湿球温度和湿球温度 1）干球温度）干球温度 用普通温度计测得的湿空气的真实温度 2）湿球温度）湿球温度 湿球温度计在温度为t，湿度为H的不饱和空气流中，达到平衡或稳定时所显示的温度。2024/6/166、干球温度t和湿球温度 1）干球温度2023/8/916t大量的湿空气t,Htw水2024/6/16t大量的湿空气tw水2023/8/917t大量的湿空气t,H水表面水的分压高N,kH水向空气主体传递Q,蒸发时需要吸热tw自身降温2024/6/16t大量的湿空气水表面水的分压高N,kH水向空气Q,蒸发时t18对于空气水蒸气系统而言 当 时，在一定的总压下，已知t、tw能否确定H?2024/6/16对于空气水蒸气系统而言 当 时，在一定的总压下，已知t、197、绝热饱和冷却温度、绝热饱和冷却温度 水分向空气中汽化 空气降温增湿饱和绝热焓不变2024/6/167、绝热饱和冷却温度 水分向空气中汽化 空气降温增湿饱和绝热20对绝热饱和器作焓衡算，即可求出绝热饱和温度 一般H及Has值均很小 2024/6/16对绝热饱和器作焓衡算，即可求出绝热饱和温度 一般H及Has值21 是湿空气在绝热、冷却、增湿过程中达到的极限冷却温度。对于空气水系统，注意：绝热饱和温度于湿球温度的区别和联系！注意：绝热饱和温度于湿球温度的区别和联系！2024/6/16 228、露点、露点 将不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度 相应的湿度称为饱和湿度 2024/6/168、露点 将不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度 2023/23 对于水蒸汽空气系统，干球温度、绝热饱和温度和露点间的关系为：不饱和空气：饱和空气：饱和空气：2024/6/16 对于水蒸汽空气系统，干球温度、绝热饱和温度24二、湿度图及其应用二、湿度图及其应用 1、H-I图图 P坐标轴五条线 -等湿线等焓线等干球温度线等相对湿度线水蒸汽分压线2024/6/16二、湿度图及其应用 1、H-I图 P2023/8/9252、湿度图的应用、湿度图的应用1）由测出的参数确定湿空气的状态）由测出的参数确定湿空气的状态 a）水与空气系统，已知空气的干球温度t和湿球温度tw，确定该空气的状态点A(t,H)。b）水与空气系统中，已知t和td，求原始状态点A(t,H)。c）水与空气系统中，已知t和，求原始状态点A的位置2）已已知知湿湿空空气气某某两两个个可可确确定定状状态态的的独独立立变变量量，求求该该湿湿空空气气的其他参数和性质的其他参数和性质 2024/6/162、湿度图的应用1）由测出的参数确定湿空气的状态 2023/26AtdA2024/6/16AtdA2023/8/927A2024/6/16A2023/8/928 例：例：已知湿空气的干球温度t=30，相对湿度=0.6，求湿空气的湿度H，露点td、tas。t=30AH=0.016kg/kg干气Dtd=21等焓线Ctas=232024/6/16 例：已知湿空气的干球温度t=30，相对湿度29第九章第九章 干燥干燥 Drying一、一、湿物料中含水量的表示湿物料中含水量的表示 方法方法二、二、干燥系统的物料衡算干燥系统的物料衡算 三、三、干燥系统的热量衡算干燥系统的热量衡算 四、空气通过干燥器时的状空气通过干燥器时的状 态变化态变化 第三节第三节 干燥过程的物料与热干燥过程的物料与热量衡算量衡算 2024/6/16第九章 干燥 Drying一、湿物料中含水量的表示第三节30一、湿物料中含水量的表示方法一、湿物料中含水量的表示方法1、湿基含水量、湿基含水量W 2、干基含水量、干基含水量X3、换算关系、换算关系 2024/6/16一、湿物料中含水量的表示方法1、湿基含水量W 2、干基含水量31二、干燥系统的物料衡算二、干燥系统的物料衡算 1、水分蒸发量、水分蒸发量 以s为基准，对水分作物料衡算 2024/6/16二、干燥系统的物料衡算 1、水分蒸发量 以s为基准，对水分作322、空气消耗量、空气消耗量L 每蒸发1kg水分时，消耗的绝干空气数量l 2024/6/162、空气消耗量L 每蒸发1kg水分时，消耗的绝干空气数量l 333、干燥产品流量、干燥产品流量G2 对干燥器作绝干物料的衡算 2024/6/163、干燥产品流量G2 对干燥器作绝干物料的衡算 2023/834三、干燥系统的热量衡算三、干燥系统的热量衡算 1、热量衡算的基本方程、热量衡算的基本方程 忽略预热器的热损失，以1s为基准，对预热器列焓衡算 2024/6/16三、干燥系统的热量衡算 1、热量衡算的基本方程 忽略预热器的35单位时间内预热器消耗的热量为：对干燥器列焓衡算，以1s为基准 单位时间内向干燥器补充的热量为 单位时间内干燥系统消耗的总热量为 连续干燥系统热量衡算的基本方程式 2024/6/16单位时间内预热器消耗的热量为：对干燥器列焓衡算，以1s为基36假设：新鲜干空气中水汽的焓等于离开干燥器废气中水汽的焓 湿物料进出干燥器时的比热取平均值 湿空气进出干燥器时的焓分别为：2024/6/16假设：湿物料进出干燥器时的比热取平均值 湿空气进出干燥器时的37湿物料进出干燥器的焓分别为 2024/6/16湿物料进出干燥器的焓分别为 2023/8/938可见：向干燥系统输入的热量用于：加热空气；加热物料；蒸发水分；热损失 2024/6/16可见：向干燥系统输入的热量用于：加热空气；加热物料；蒸发水分392、干燥系统的热效率、干燥系统的热效率 蒸发水分所需的热量为 忽略物料中水分带入的焓 2024/6/162、干燥系统的热效率 蒸发水分所需的热量为 忽略物料中水分带40四、空气通过干燥器时的状态变化四、空气通过干燥器时的状态变化 1、等焓干燥过程、等焓干燥过程(理想干燥过程理想干燥过程)规定：不向干燥器中补充热量QD=0；忽略干燥器向周围散失的热量QL=0；物料进出干燥器的焓相等 2024/6/16四、空气通过干燥器时的状态变化 1、等焓干燥过程(理想干燥过41将上述条件代入H0t0AIHt1Bt2C2024/6/16将上述条件代入H0t0AIHt1Bt2C2023/8/9422、非等焓干燥过程、非等焓干燥过程 1）操作线在过）操作线在过B点等焓线下方点等焓线下方条件：不向干燥器补充热量QD=0；不能忽略干燥器向周围散失的热量 QL0；物料进出干燥器时的焓不相等 2024/6/162、非等焓干燥过程 1）操作线在过B点等焓线下方2023/843IHt1Bt2CC1C2C32024/6/16IHt1Bt2CC1C2C32023/8/9442）操作线在过点）操作线在过点B的等焓线上方的等焓线上方 向干燥器补充的热量大于损失的热量和加热物料消耗的热量之总和 3）操作线为过）操作线为过B点的等温线点的等温线 向干燥器补充的热量足够多，恰使干燥过程在等温下进行 2024/6/162）操作线在过点B的等焓线上方 向干燥器补充的热量45 例：例：某种湿物料在常压气流干燥器中进行干燥，湿物料的流量为1kg/s，初始湿基含水量为3.5%，干燥产品的湿基含水量为0.5%。空气状况为：初始温度为25，湿度为0.005kg/kg干空气，经预热后进干燥器的温度为140，若离开干燥器的温度选定为60和40，试分别计算需要的空气消耗量及预热器的传热速率。又若空气在干燥器的后续设备中温度下降了10，试分析以上两种情况下物料是否返潮？假设干燥器为理想干燥器。2024/6/16 例：某种湿物料在常压气流干燥器中进行干燥，湿46解：解：因在干燥器内经历等焓过程，2024/6/16解：因在干燥器内经历等焓过程，2023/8/947绝干物料量：绝干空气量 2024/6/16绝干物料量：绝干空气量 2023/8/948预热器的传热速率 2024/6/16预热器的传热速率 2023/8/949分析物料的返潮情况 当t2=60时，干燥器出口空气中水汽分压为 t=50时，饱和蒸汽压ps=12.34kPa，即此时空气温度尚未达到气体的露点，不会返潮。当t2=40时，干燥器出口空气中水汽分压为 2024/6/16分析物料的返潮情况 当t2=60时，干燥器出口空气中水汽分50t=30时，饱和蒸汽压ps=4.25kPa，物料可能返潮。2024/6/16t=30时，饱和蒸汽压ps=4.25kPa，物料可能返潮。51第九章第九章 干燥干燥 Drying一、一、物料中所含水分的性质物料中所含水分的性质 二、二、干燥曲线和干燥速率曲线干燥曲线和干燥速率曲线 三、干燥时间的计算三、干燥时间的计算 第四节第四节 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间 2024/6/16第九章 干燥 Drying一、物料中所含水分的性质 第四52一、物料中所含水分的性质一、物料中所含水分的性质 1、平衡水分与自由水分、平衡水分与自由水分1）平衡水分）平衡水分 用某种空气无法再去除的水分。与物料的种类、温度及空气的相对湿度有关 物料中的平衡水分随温度升高而减小 随湿度的增加而增加。2）自由水分）自由水分 在干燥过程中所能除去的超出平衡水分的那一部分水分。2024/6/16一、物料中所含水分的性质 1、平衡水分与自由水分2023/8532024/6/162023/8/9542、结合水分和非结合水分、结合水分和非结合水分结合水分：结合水分：与物料之间有物理化学作用，因而产生的蒸汽压 低于同温度下纯水的饱和蒸汽压。包括溶涨水分和小毛细管中的水分。难于除去 非结合水分非结合水分：机械地附着在物料表面，产生的蒸汽压与纯 水无异。包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。容易除去。平衡水分一定是结合水分；平衡水分一定是结合水分；自由水分包括了全部非结合水分和一部分结合水分。自由水分包括了全部非结合水分和一部分结合水分。2024/6/162、结合水分和非结合水分2023/8/9552024/6/162023/8/956二、干燥曲线和干燥速率曲线二、干燥曲线和干燥速率曲线 1、干燥实验和干燥曲线、干燥实验和干燥曲线 干燥曲线：恒定干燥条件下，物料的含水率X与时间的关系 2、干燥速率曲线、干燥速率曲线1）干燥速率曲线）干燥速率曲线 干燥速率：单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量 2024/6/16二、干燥曲线和干燥速率曲线 1、干燥实验和干燥曲线 干燥曲线572024/6/162023/8/958 ABC段表示干燥第一阶段，BC段为恒速干燥阶段，AB段为物料的预热阶段，但此段所需的时间很短，一般并入BC段内考虑。CDE段为第二阶段，在此阶段内干燥速率随物料含水量的减小而降低，称为降速干燥阶段。两个干燥阶段之间的交点称为临界点。与该点对应的物料含水量称为临界含水XC。2024/6/16 ABC段表示干燥第一阶段，BC段为恒速干592024/6/162023/8/9602）干燥机理）干燥机理a）恒速干燥阶段 干燥速度由水的表面汽化速度所控制b）降速干燥阶段 过程速度由水分从物料内部移动到表面的速度所控制。c）临界含水量 临界水分随物料本身性质、厚度和干燥速率的不同而异，通常临界水分随恒速阶段的干燥速度和物料厚度的增加而增大。2024/6/162）干燥机理2023/8/961三、干燥时间的计算三、干燥时间的计算1、恒定干燥条件下干燥时间的计算、恒定干燥条件下干燥时间的计算1）利用干燥速度曲线进行计算）利用干燥速度曲线进行计算 分离变量积分 2024/6/16三、干燥时间的计算1、恒定干燥条件下干燥时间的计算分离变量积622）用对流传热系数或传质系数进行计算）用对流传热系数或传质系数进行计算 水分由表面汽化的速率 2024/6/162）用对流传热系数或传质系数进行计算 水分由表面汽化的速率 63汽化所需热量 3）影响恒速干燥的因素）影响恒速干燥的因素 空气流速的影响 空气湿度的影响空气温度的影响 2024/6/16汽化所需热量 3）影响恒速干燥的因素 空气流速的影响 202642、降速干燥时间的计算、降速干燥时间的计算 不论干燥曲线如何，都可用图解积分法 当干燥曲线为直线或近似直线时 2024/6/162、降速干燥时间的计算 不论干燥曲线如何，都可用图解积分法 652024/6/162023/8/9663、干燥总时间、干燥总时间 2024/6/163、干燥总时间 2023/8/967