《食品工程原理》课件8-1 干燥（new）

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,干燥机理,干燥曲线,干燥时间的计算,重,点,难,点,第八章 干 燥,空气的湿焓图,干燥图,8,概述,干燥：,利用能量除去固体物料,中的湿分的单元操作。,湿分：,水分或化学溶剂,除湿方法：,机械除湿、吸附除湿、,加热除湿,即,干燥（,drying,）,：指利用热能，,使湿,物料中的湿分气化而除去的方法。,8,概述,干燥方法：,传导干燥、对流干燥、辐射干燥等,T,Q,t,w,p,w,N,p,传热,传质,物,料,推动力（,T,t,w,）,推动力（,p,w,p,）,方向相反,干,燥,介,质,8,概,述,常用的,干燥介质：空气；,湿分：水,干燥介质：,载热体、载湿体,干燥速率：由传热速率和传质速率共同控制,水汽的质量,绝干空气的质量,H,=,p,v,p,p,v,H,=,0.622,p,s,p,p,s,H,s,=,0.622,饱和湿度,8.1,湿,空气的性质及湿焓图,一湿空气的性质,1.,湿度,H,( humidity,）,又称,湿含量或绝对湿度,，为湿空气中水汽的质量与,绝干空气的质量之比。,湿空气,=,绝干空,气,+,水蒸汽,kg,水汽,/,kg,绝干气,p,s,p,p,s,=,0.622,p,v,p,p,v,H,=,0.622,8.1,湿,空气的性质及湿焓图,2.,相对湿度,（,relative humidity,）,p,v,p,s,相对湿度和绝对湿度的关系,相对湿度：可以说明湿空气偏离饱和空气的程度，能用,于判定该湿空气能否作为干燥介质。,湿度：是湿空气含水量的绝对值，不能用于分辨湿空气,的吸湿能力。,273,+,t,1.0133,10,5,273,P,v,H,=,(,0.772,+,1.244,H,),8.1,湿,空气的性质及湿焓图,湿空气的体积,1,kg,绝干空气,比体积,=,m,3,湿,空气,kg,绝干气,3.,比体积,v,H,Humid volume,又称,湿容积,，在湿空气中，,1kg,绝干空气的体积和其所带,有,H,kg,水汽的体积之和。,kJ/(,kg,绝干气,),8.1,湿,空气的性质及湿焓图,4,比热容,c,H,Specific heat,常压下，将湿空气中,1kg,绝干空气及其所带的,H,kg,水汽,的温度升高（或降低）,1,所吸收（或放出）的热量。,c,H,=,c,g,+,c,v,H,=,1.01,+,1.88,H,c,g,干空气的比热，约,1.01 kJ/(k,g,),；,c,v,水汽的比热，约,1.88 kJ/(kg,),；,kJ/,kg,绝干气,8.1,湿,空气的性质及湿焓图,5,焓,I,enthalpy,湿空气中,1kg,绝干空气,的焓与其所带的,H kg,水汽的焓之和。,I,=,I,g,+,I,v,H,I,(,1.01,+,1.88,H,),t,+,2490,H,计算基准：干空气及液态水在,0,时焓为,零,。,8.1,湿,空气的性质及湿焓图,6,干球温度,t,和湿球温度,t,w,干球温度,：,dry-bulb tempe,rature,t,空气,t, H,t,w,空气的真实温度，可直接用,普通温度计测出。,湿球温度,：,wet-bulb temperature,大量、流动的空气,(5m/s),与,少量水接触，达到稳定时，湿球,温度计指示的温度。,),(,H,s,t,w,k,H t,r,w,H,t,w,=,t,在与外界,绝热,情况下，空气,与,大量水,经过无限长时间接触,后，空气温,度与水温相等，称这,一稳定的温度为湿空气的,绝热饱,和温度,。,湿空气为,等焓变化：,I,1,=,I,2,r,0,c,H,t,as,=,t,(,H,as,H,),t,H, I,1,补充水,t,as,绝热饱和塔示意图,8.1,湿,空气的性质及湿焓图,7,绝热饱和温度,t,as,adiabatic,saturation temperature,饱和空气,t,as,H,as,I,2,H,t,湿空,气,( ) (,H,s,t,w,H,=,t, ,r,t,w,H,s,t,w,H,(,H,as,H,),=,t, ,r,0 as,H,),(,H,c,H,，,r,0,r,w,8.1,湿,空气的性质及湿焓图,湿球温度,t,w,与绝热饱和温度,t,as,的异同：,k,H t,r,w,t,w,=,t,r,0,c,H,t,as,=,t,对于,空气,-,水体系,：,所以，,t,w,k,H,t,as,),k,H,1,c,H,p,v,=,p,s,t,d,H,=,H,s,t,d,s,t,d,=,100%,H,s,t,d,p,s,t,d,p,p,s,t,d,=,0.622,p,v,p,p,v,=,H,=,0.622,8.1,湿,空气的性质及湿焓图,8,露点,t,d,dew point,在总压不变的条件下，将不饱和湿空气冷却，直至冷,凝,出水珠为止，此时的温度称为露点，用,t,d,表示。相应的湿度,称为饱和湿度，,H,s,td,特点：,饱和空气,8.1,湿,空气的性质及湿焓图,对水蒸气空气系统：,不饱和空气,t,t,as,t,w,t,d,t,t,as,t,w,t,d,273,+,t,1.0133,10,5,273 p,H,=,(,0.772,+,1.244,H,),p,v,s,p,s,p,p,s,=,0.622,p,v,p,p,v,H,=,0.622,c,H,=,1.01,+,1.88,H,I,=,(,1.01,+,1.88,H,),t,+,2490,H,8.1,湿,空气的性质及湿焓图,湿度,比体积,比热容,焓,干球温度,t,、湿球温,度,t,w,、绝热饱和温度,t,as,、露点,t,d,H-I,图,等,I,线群（,0680,）,等,H,线群（,00.2,）,等,t,线群（,0250,）,（,5%100%,）,蒸,汽,分,压,线,群,等,线,群,在,H-I,图,中确定湿空气的状态点,已知,t,t,w,已知,t,t,d,已知,t,H-I,图的应用,100 %,水分质量,湿物料的总质量,w,=,8.2,干,燥过程的计算,通过,物料衡算,和,热量衡算,计算出湿物料中水分蒸发、空,气用量和所需热量，再依此选择适宜型号的鼓风机、设计,或选择换热器等。,一、物料含水量的表示方法,湿基含水量,w,：,水分在,湿物料中,的质量百分数。,湿物料中水分的质量,湿物料中绝干料的质量,X,=,两种含水量之间的换算关系为,w,=,X,1,+,X,X,=,w,1,w,注：工业上常采用湿基含水量。,干基含水量：,湿物料中水分质量与,绝干物料,的质量之比，,kg,水,/kg,绝干料,。,二、物料衡算,新鲜空气,L,，,H,1,干燥产品,G, X,2,;,或,G,2, w,2,废气,L,，,H,2,湿物料,G, X,1,;,或,G,1, w,1,L,绝干空气的消耗量，,kg,绝干气,/s,；,H,1,，,H,2,分别为湿空气进出,干燥器时的湿度，,kg/kg,绝干气；,X,1,，,X,2,分别为物料进出干燥器时的干,基含水量，,kg,水,/kg,绝干料；,G,1,，,G,2,分别为物料进出干燥器时的流量，,kg,湿物料,/s,；,G,绝干物料的流量，,kg,绝干料,/s,。,水分蒸发量,W,干空气消耗量,L,L,(,H,2,H,1,),=,G,(,X,1,X,2,),W,H,2,H,1,=,G(X,1,X,2,),H,2,H,1,L,=,对连续干燥器作水分的物料衡算，以,1s,为基准。,LH,1,+,GX,1,=,LH,2,+,GX,2,W,=,L(H,2,H,1,),=,G(X,1,X,2,),kg,水,/s,kg,绝干气,/s,l,= =,=,令,l=L/W,，,称为,单位空气消耗量,（比空气用量），即从湿物,料中气化,1kg,水分所需,的干空气量。,L,W,1,H,2,H,1,如果新鲜空气进入干燥器前先通过预热器加热，由于加热,前后空气的湿度不变，以,H,0,表示进入预热器时的空气湿度,，,则有,1 1,H,2,H,1,H,2,H,0,l,=,上式说明：,单位空气消耗量只与空气的最初和最终湿度有,关,，而与干燥过程所经历的途径无关。,G,1,(1,w,1,),1,w,2,G,2,=,式中,w,1,、,w,2,物料进出干,燥器时,的湿基含水量,湿空气的消耗量,L,L, =,L(1,+,H,1,),=,L(1,+,H,0,),干燥产品的流量,G,2,G,=,G,2,(1,w,2,),=,G,1,(1,w,1,),X,2,=,0 . 0204,kg,水,/,kg,绝干料,0 . 02,1,0 . 02,=,w,2,1,w,2,=,=,0 . 111,kg,水,/,kg,绝干料,0 . 1,1,0 . 1,=,w,1,1,w,1,X,1,=,例：在一连续干燥器中，每小时处理湿物料,1000kg,，经干燥后,物料的含水量由,10%,降至,2%,（湿基）。以热空气为干燥介,质，初始,湿度,H,1,=0.008kg,水,/kg,绝干气，离开干燥器时湿度为,H,2,=0.05 kg,水,/kg,绝干气，假设干燥过程中无物料损失，试求：,水分蒸发,量、空气消耗量以及干燥产品流量。,解：（,1,）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量，即,进入干燥器的绝干物料为,G=G,1,（,1-w,1,）,=1000,（,1-0.1,）,=900kg,绝干料,/h,水分蒸发量为,W=G,（,X,1,-X,2,）,=900,（,0.111-0.0204,）,=81.5kg,水,/h,（,2,）,空气消耗量,=,1940,kg,绝干气,/,h,81.5,0.05,0.008,=,W,H,2,H,1,L,=,=,23.8,kg,绝干气,/,kg,水,1,0.05,0.008,=,1,H,2,H,1,l,=,（,3,）,干燥产品量,G,2,=,G,1,W,=,1000,81.5,=,918.5,kg,/,h,=,918.4,kg,/,h,1,0.1,1,0.02,=,1000,1,w,1,1,w,2,G,2,=,G,1,原湿空气的消耗量为：,L,=L,（,1+H,1,）,=1940,（,1+0.008,）,=1960kg,湿空气,/h,单位空气消耗量（比空气用量）为：,Q,p,预热,器的传热速率，,kw,；,Q,D,向干燥器中补,充热量的速率，,kw,；,Q,L,干燥器的热损失速率，,kw,L,H,0,t,0,I,0,L,H,1,t,1,I,1,Q,p,Q,D,G,2,X,2,2,I,2,L,H,2,t,2,I,2,G,1,X,1,1,I,1,三、热量衡算,Q,L,预热器,干燥器,预热器的热量衡算,1,0,p,Q,p,=,L,(,I,1,I,0,),+,Q,=,LI,干燥器的热量衡算, , ,LI,1,+,GI,1,+,Q,D,=,LI,2,+,GI,2,+,Q,L, ,若忽略预热器的热损失，,LI,Q,D,=,L,(,I,2,I,1,),+,G,(,I,2,I,1,),+,Q,L,干燥系统消耗的总热量,Q,=,Q,p,+,Q,D,=,L,(,I,2,I,0,),+,G,(,I,2,I,1,),+,Q,L,Q,=,L,(1.01,+,1.88,H,0,)(,t,2,t,0,),+,Gc,m,2,(,2,1,),+,W,(2490,+,1.88,t,2,4.187,1,),+,Q,L,假设：,（,1,）,新鲜空气中水蒸气的焓等于离开干燥器时废空气中水,蒸气的焓，即：,I,v0,=I,v2,。,（,2,）,湿物料中水分带入干燥系统的焓可以忽略。,向系统输入的热量用于：,加热空气、加热物料、蒸发水分、热损失,等四个方面。,Q,=,L,(1.01,+,1.88,H,0,)(,t,2,t,0,),+,Gc,m,2,(,2,1,),+,W,(2490,+,1.88,t,2,4.187,1,),+,Q,L,Q,=,1.01,L,(,t,2,t,0,),+,W,(2490,+,1.88,t,2,),+,Gc,m,(,2,1,),+,Q,L,干燥系统的热效率,100%,蒸发水分所需的热量,向干燥系统输入的总热 量,100%,W,( 2490,+,1 .88,t,2,),Q,=,定义,：,=,蒸发水分所需的热量为：,Q,v,=W(2490+1.88t,2,)-4.187,1,W,若忽略湿物料中水分代入系统中的焓，则有,提高热效率的措施,使离开干燥器的空气温度降低，湿度增加（注意吸湿性物,料）；,提高热空气进口温度（注意热敏性物料）；,废气回收，利用其预热冷空气或冷物料；,注意干燥设备和管路的保温隔热，减少干燥系统的热损失。,例：某糖厂的回转干燥器的生产能力为,4030kg/h (,产品,),，湿,糖含水量为,1.27%,，于,31,进入干燥器，离开干燥器时的温,度为,36,，含水量为,0.18%,，此时糖的比热为,1.26kJ/kg,绝干,料,。干燥用空气的初始状况为：干球温度,20,，湿度为,0.011kg,水,/kg,绝干料，焓为,48kJ/kg,干空气，预热至,97,后进,入干燥室，此时的焓是,127kJ/kg,干空气。空气自干燥室排出,时，,干球温度为,40,，湿度为,0.0265kg,水,/kg,绝干料，焓为,110kJ/kg,干空气，试求：,(1),蒸发的水分量；,(2),新鲜空气用量；,(3),预热器蒸气用量，加热蒸气压为,200,kPa (,绝压,),；,(4),干燥器的热损失，,Q,D,=,0,；,(5),热效率。,t,0,=20,H,0,=0.011,t,1,=97,I,1,= 127,Q,p,Q,D,=0,G,2,=4030kg/h,w,2,=0.18%,2,=36,t,2,=40, I,2,=,110,H,2,=0.0265,I,0,=48,1,=31,w,1,=1.27%,Q,L,预热器,干燥器,=,0.0129,kg,水,/,kg,绝干料,=,0.0018,kg,水,/,kg,绝干料,1.27%,1,1.27%,0.18%,1,0.18%,=,=,w,1,1,w,1,w,2,1,w,2,X,1,=,X,2,=,进入干燥器的绝干物料为,G=G,2,（,1-w,2,）,=4030,（,1-0.18%,）,=4022.7kg,绝干料,/h,水分蒸发量为,W=G,（,X,1,-X,2,）,=4022.7,（,0.0129-0.0018,）,=44.6kg,水,/h,解： （,1,）水分蒸,发量：物料的干基含水量为：,（,2,）,新鲜空气用量：首先计算绝干空气消耗量。,=,2877.4,kg,绝干气,/,h,44.6,0.0265,0.011,=,W,H,2,H,o,L,=,新鲜空气消耗量为：,L,=L,（,1+H,0,）,=2877.4,（,1+0.011,）,=2909kg,新鲜空气,/h,由题意可知：,t,0,=20,0,C,，,H,0,=0.011kg,水,/kg,绝干料；,t,2,=40,0,C,，,H,2,=0.0265kg,水,/kg,绝干料。,绝干空气消耗量为：,由题意知：,（,3,）,预热器中的蒸气用量,2204.6,kJ /kg,，,故蒸气消耗量为：,2.27,10,5,/2204.6=10,3kg/h,I,0,=48kJ/kg,干空,气；,I,1,= 127kJ/kg,干空,气；,I,2,= 110kJ/kg,干空气,Q,p,=L(I,1,-I,0,)=2877.4,（,127-48,）,=2.27,10,5,kJ /h,查饱和蒸气压表得：,200kPa,（绝压）的饱和水蒸气的潜热为,=,50.4%,44.6,(2490,+,1.88,40),2.27,10,5,100%,=,W,(2490,+,1.88,t,2,),Q,=,（,4,）,干燥器的热损失,Q,L,=,Q,p,+,Q,D,1.01,L,(,t,2,t,0,),W,(2490,+,1.88,t,2,),Gc,m,(,2,1,),=,2.27,10,5,+,0,1.01,2877.4,(40,20),44.6,(2490,+,1.88,40),4022.7,1.26,(36,31),=,2.9,10,4,kJ,/,h,（,5,）热效率,若忽略湿物料中水分带入系统中的焓，则有,态，此时物料所含水分称为该空气条件（,t,，,）下物料的,平,衡水分,。,在干燥过程中能除去的水分只是物料中超出平衡水分的那一,部分，称为,自由水分,。,平衡水分随物料的种类及空气的状态（,t,，,）不同而异。,平衡水分代表物,料在一定空气状况下可以干燥的限度。,8.3,湿,物料的性质及干燥机理,一、平衡水分,(equilibrium wa,ter),和自由水分,(free water),划分依据：物料所含水分能否用干燥方法除去。,物料中的水分与一定温度,t,、相对湿度,的空气达到平衡状,二、结合水分,(bound water),与非结合水分,(unbound water),划分依据：根据物料与水分结合力的状况,结合水分：包括物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中,的水分、以结晶水形态存在于固体物料中的水分等。,特点：籍化学力或物理化学力与物料相结合的，由于结,合力强，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，致使,干燥过程的传质推动力降低，故除去结合水分较困难。,非结合水分：包括机械地附着于固体表面的水分，如物料,表面的吸附水分、较大孔隙中的水分等。,特点：与物料的结合力弱，其蒸汽压与同温度下纯水的饱和,蒸汽压相同，干燥过程中较易除去。,结合水分和非结合水分的划分只取决于,物料本身的性质,，,而与干燥介质的状态无关；,平衡水分与自由水分还取决于,干燥介质的状态,。干燥介质,状态改变时，平衡水分和自由水分的数值将随之改变。,强调：,物料的总水分、平衡水分、自由水分、结合水分、非结合,水分之间的关系见图示。,总,水,分,自,由,水,分,平,衡,水,分,非结合水分,结,合,水,分,x*,x,0,x,1,空气相对湿度,100%,物,料,的,含,水,量,0,三、干燥机理,在干燥过程中物料内外的温度不一致，温度梯度促使水分,传递，方向是从高温到低温。,湿度梯度的形成：,以上两种梯度导致的水分传递称为,内部扩散,。,湿物料表面水分的汽化，遂形成物料内部与表面的湿度,差，促使物料内部的水分向表面移动。,温度梯度的形成：,造成该压差的原因：,外部的传质推动力：,水分由物料内部扩散到表面后，便在,表面汽化,，可认为在表,面附近存在一层气膜，在气膜内水蒸气分压等于物料中水分的,蒸气压，水分在气相中的传质推动力为,此蒸气压与气相主体中,水蒸气分压之差。,对于对流干燥，由于介质的不断流动，带走气化的水分；,对真空干燥而言，则是气化的水分被真空泵抽走。,水分的,内部扩散,和,表面汽化,同时进行，但在干燥的不同阶段,其速率不同，从而控制干燥速率的机理也不相同。原因在于受,到,物料的结构、性质、湿度等条件和干燥介质,的影响。,强化措施,(,对流干燥,),：提高空气的温度，降,低相对湿度，改善,空气与物料的接触和流动情况，均有助于提高干燥速率。,在干燥过程中，当物料中水分表面汽化的速率小于内部扩散,的速率时，称为,表面汽化控制,；,当物料中水分表面汽化的速率大于内部扩散的速率，称为,内部扩散控制,。,强化措施：从改善内部扩散着手，如：减少物料厚度、使物料,堆积疏松、搅拌或翻动物料、采用微波干燥等。,8.4,干,燥速率和干燥时间,一、恒定干燥条件下的干燥速率,恒定干燥条件：干燥介质的温度、湿度、流速及与物料的接,触方式，在整个干燥过程中均保持恒定。,干燥速率：单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量。,U=dW/Sd,式中,U,干燥速率,kg/m,2,h,；,W,汽化水分量, kg,S,干燥面积,m,2,；,干,燥时间,h,影响干燥速率的因素,（对流干燥）,湿物料的性质与形状：包括物理结构、化学组成、形状大,小、料层厚薄及水分结合方式。,物料的湿度：物料的水分活度与湿度有关，因而影响干燥速,率。,物料的温度：温度与水分的蒸气压和扩散系数有关。,干燥介质的状态：温度越高，相对湿度越低，干燥速率越大。,干燥介质的流速：流速越大，气膜越薄，干燥速率越大。,介质与物料的接触状况：主要是指介质的流动方向，流动方,向垂直于物料表面时，干燥速率最快。,A,B,C,D,E,X,表,面,A B C,温,度,D,干燥时间,E,二、干燥曲线与干燥速率曲线,干燥曲线,：干燥过程中物料含水量,X,与干燥时间,、物料表面,温度,与干燥时间,的关系曲线。,干燥速率曲线,：物料干燥速率,U,与物料含水量,X,的关系曲线。,A,B,C,D,E,X,U,干燥过程分为,恒速干燥,和,降速干燥,两个阶段。,恒速干燥阶段,：,如,BC,段,所示（,AB,段为物料预热段,，此段所需时间很短，,一般并入,BC,段考虑）,。,除去的水分是非结合水；,属于表面汽化控制阶段；,物料表面的温度等于空气的湿球温度；,干燥速率的大小，主要取决于空气的性质。,此阶段特点：,降速干燥阶段,：如,CE,段所示,临界点：,C,点，该点,的干燥速率,Uc,等于恒速阶段的干燥速率。,临界含水量：,X,c,越大，则会过早的,转入降速干燥阶段，使在相,同的干燥任务下所需的干燥时间加长。,临界含水量与物料的性,质、厚度、干燥速率有关,。,第一降速阶段,（,CD,段）：物,料内部水分扩散速率小于表面,水分的汽化速率，这时物料表,面不能维持全面湿润而形成,“,干区,”,，导致干燥速率下降。,A,B,C,D,E,X,U,第二降速阶段,（,DE,段）：水分的汽,化面逐渐向物料内部移,动，从而使热、质传递途径加长，阻力增大，造成干燥速率,下降。,降速干燥阶段特点：,干燥速率主要决定于,物料本身的结构、形状和大小,等。而,与空气的性质关系很小。,物料表面的,温度不断上升,，最后接近于空气的温度。,Thank you,！,