化工原理(下)干燥.ppt

第十四章固体干燥 干燥是生活中最常见的单元操作如 洗衣服 脱水 凉晒 工厂中颗粒物料的凉晒 木材干燥等 气流干燥输送机 微波干燥杀菌设备 物料的去湿方法分类 1 机械去湿 离心过滤 去除大量水 2 吸附去湿 干燥器中硅胶 去少量水 3 热能去湿 对流 本章讲 常用 辐射 红外等 介电 微波炉 第一次课作业1 2 3 思考题1 2 3 从对流干燥流程可见 湿空气既是热的载体又是湿的载体 所以湿空气的性质对干燥过程至关重要 首先讨论湿空气性质 它属于干燥静力学范畴 给出过程进行的方向和极限 条件 1 操作压力不太高 湿空气可以认为是理想气体 计算方便 2 湿空气中干气量不变 计算时以干空气量为基准 饱和湿度 绝对湿度H只表明含水量的多少 看不出空气的吸湿能力 而干燥关心的正是吸湿能力 在一定温度及总压下 湿空气的水汽分压pw与同温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数 称为相对湿度 用符号 表示 原因 1时 湿空气饱和 PW P 即空气中全是水气 但此时温度高 PS P 如按 PW PS计算 1不合理 t PS 但H不变 在没达到饱和之前无水凝出 所以空气预热可提高载湿能力 计算 空气向纱布表面的传热速率为 湿纱布中水向空气的传质速率为 因湿球温度处的热量达平衡状态 空气向湿纱布表面的传热速率等于水分汽化所需的热量 即 例 测得t tW 求 t时的H解 由tW查PS rW算HW S 0 622PW S P PW S H HW 1 09 rw t tw 例 夏天太热把身体淋湿 天越晴湿后感觉越凉爽 闷热时 淋湿也不凉快 计算 因湿空气在绝热增湿过程中为等焓过程 所以 CH CHas 整理得 测td查PS即空气中PW 因为测量过程中PW不变总P H或PW不变 t 1 此时H HS td t tdH 0 622PW P PW 结论 越低 td越低例 一天中最低温度接近td 早晨出去草上会有露水 所以一天中温差越大 说明天气越晴 一般南方温差小 为了更清楚的反映各参数间的关系绘制了湿度图 即 在P一定时 将湿空气的各个参数关联起来的图 两个独立的变量即可在图上确定一个状态点 根据目的和使用 可选择不同坐标 所以湿度图的形式不同 如 H T 湿度 温度 图I H 焓 湿度 图I H图用的多 也较方便 I H图介绍此图在1atm的总压下绘制 P不同 图不同 纵轴为I 横轴为H 为避免线条太拥挤 采用了斜角坐标 即纵 横轴夹角为135 图上共有5条线 1 等湿线 平行纵轴 H相同 状态点不同的湿空气有相同的td 2 等焓线 平行真正横轴 I相同 状态点不同的湿空气有相同的tas或tw 3 等温线 I 1 01 1 88H t 2500H 1 01t 1 88t 2500 H可见t一定I H成直线关系 不同t有不同直线 等t线 t 斜率 等t线不平行 4 等 线 所有 线都到t 100 为止 当P 101 33Kpa t 100 时 Pw Ps H 0 622 Ps P Ps 与H t有关 而当P 101 33kPat 100 时Ps P Pw P Pw P H 0 622Pw P Pw 0 622 1 此时 只取决于H 与温度无关 此时 值均等于t 100 时的 值 所以t 100 后的 线 向上 与H线平行 如 已知Pw或H及t确定状态点 沿等H线向下与t 100 相交确定 值 例 H 0 032 t 120 求 解 按上面步骤得 5 100 为不饱和区 对干燥有意义 100 为过饱和区 此时湿空气呈雾状 是干燥应避免的 5 水蒸气分压线 Pw随H变 读右端纵标 湿空气性质课小结一 湿空气性质 9个H 0 622Pw P Pw 0 622 Ps P Ps HS 0 622Ps P Ps Pw PS PS P Pw P PS P CH Cg CvH 1 01 1 88H H 0 773 1 244H T 273I 1 01 1 88H t 2500Ht tw tas td 二 四个温度的关系tW tas 等I冷却 1 湿物料表面温度 td 等湿冷却 1 1 t tW tas td 1 t tW tas td 三 湿空气性质的求取计算 查图1 总压一定 两个独立变量确定一个状态点 查图2 利用定义式 计算 1 已知 P 101 33kpat 30 pw 2 33kpa求 1 H HS 2 将此湿空气加热到50 其湿度 相对湿度为多少 1kg干空气需加入热量多少 解 1 30 时 H 0 622pw P pw 0 622 2 33 101 33 2 33 0 0146kg kg 30 时 PS 4 25kpa HS 0 622pS P pS 0 622 4 25 101 33 4 25 0 0272kg kg pw pS 2 33 4 25 0 548 2 50 时 PS 12 33kpaH不变 pw pS 2 33 12 33 0 189Q IH50 IH30 1 01 1 88H t50 r0H 1 01 1 88H t30 r0H 1 01 1 88H 50 30 20 74KJ 2 在101 33kpa压力下 测得湿空气的露点为20 求此空气的湿度 解 20 下 PS 2 34kpa HS 0 622pS P pS 0 622 2 34 101 33 2 34 0 0147kg kg此时空气湿度H HS 3 湿空气在温度308K和总压1 52Mpa下 已知其湿度 为0 0023Kg水 Kg绝干空气 则其比容 H应为多少 解 H 0 772 1 244H T 273 1 013 105 P 0 772 1 244 0 0023 308 273 1 013 15 2 0 0583 3湿气 K 绝干空气 确定状态点 1 已知 t 60 tw 45 求 H I td解 tw tas 45 100 相交 沿等焓线I与t 60 相交的交点为状态点 由此点查所需值 2 已知 t 100 tas 35 求 H I td解 同1 3 已知 t 100 td 20 求 H I tw解 td 20 100 相交 沿等湿线H与t 100 相交的交点为状态点 由此点查所需值 4 已知 t 30 H 0 024求 I tw td Pw解 t H的交点为状态点 5 已知 Pw 1kpa t 50 求 H 解 Pw H 沿等湿线向上交t 50 为状态点 6 已知 I tw能否确定状态点 7 已知 H td能否确定状态点 t升高 P不变 pw不变 H不变 减小 表明湿空气接纳水汽的能力增强 第三次课作业6 思考题 7 8 提问 1 空气预热时 其H和 如何变化 2 99 8 时 四个温度的关系 3 100 呢 4 t 50 td 30 能否确定状态点 5 t 50 tw 35 能否确定状态点 6 H 0 02 pw 3kPa能否确定状态点 干燥是湿空气和湿物料之间的传热传质过程 所以讨论完湿空气的性质 接下来要讨论湿物料的性质 即 湿物料中的水是以何种方式与物料结合的 根据物料与水分结合状况可将物料中所含水分为 结合水与非结合水 只要有非结合水存在 物料中水的平衡蒸汽压Pe不变 总等于纯水的饱和蒸汽压Ps 因为此时物料中含的水相当于纯水 非结合水除完 平衡蒸汽压Pe下降 测此曲线可知非结合水含量 用 代替Pe 平衡曲线随温度变化较小 用实验方法直接测定困难 可利用平衡关系外推得到 不同物料平衡曲线不同 在一定t下 由实验测定的某物料平衡曲线 将该平衡曲线延长 与 100 相交 交点以下为该物料的结合水 其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压 交点以上为非结合水 其蒸汽压等于纯水的饱和蒸汽压 根据物料在一定的干燥条件下 其中所含水分能否用对流干燥方法除去来划分 可分为 平衡水分自由水分平衡水是指定空气状态下的干燥极限 推动力 Pe Pw 例 晒衣服 阴天晒不干 平衡水含量高 1 已知在常压及25 下水份在某湿物料与空气之间的平衡关系为 100 时 x 0 02Kg水 Kg绝干料 50 时 x 0 008Kg水 Kg绝干料 现该物料含水量为0 25Kg水 Kg绝干料 令其与25 50 的空气接触 则该物料的 自由含水量为 Kg水 Kg绝干料 结合水含量为 Kg水 Kg绝干料 非结合水的含量为 Kg水 Kg绝干料 2 木材与t 25 0 6的湿空气接触 由平衡曲线查得X 0 117kg水 kg干若 木材的含水量为X 0 3 是什么过程 推动力 木材的含水量为X 0 1 是什么过程 推动力 固体物料的干燥机理 水分自内向外扩散与表面汽化 二者同时进行 受物料结构 性质 湿度等条件和干燥介质的影响 一些物料中水分表面汽化速率小于内部扩散速率 称表面汽化控制 另一些物料中水分表面汽化速率大于内部扩散速率 称内部扩散控制 而内部扩散控制与表面汽化控制两者速率相等的情况则很少 一 表面汽化控制如纸 皮革等 其内部水能迅速地达到物料表面 因此为表面汽化控制 只要物料表面潮湿 其温度为空气的湿球温度 此类干燥操作 完全由周围干燥介质的情况而定 二 内部扩散控制如木材 陶土等 表面干燥后内部水不能及时扩散到表面 因此蒸发表面向内移动 这种情况 必须设法增加内部扩散速率 或降低表面的汽化速率 例如 在木材干燥中 常采用湿空气为干燥介质 否则木材表面干燥而内部潮湿 将引起因表面干燥收缩而发生拗曲或开列的现象 已知 湿空气的总压为101 3kPa 50 t 20 试用I H图求解 1 水气分压pw 2 湿度H 3 焓I 4 露点td 5 湿球温度tW 6 如将含500kg h干空气的湿空气预热至117 求所需热量Q解 见图 第三次课小结 第四次课作业 7 8 了解了干燥过程的方向及极限下面讨论过程的速率 动力学 例 1 等速干燥阶段 在给定的空气条件下 对干燥速率正确的判断是 干燥速率随物料种类不同而有极大的差异 干燥速率随物料种类不同而有较大的差异 各种不同物料的干燥速率实质上是相同的 不一定 P247例14 4注意含水量表示方法差别例 湿物料经过七小时的干燥 含水量由28 6 降至7 4 若在同样操作条件下 由28 6 干燥至4 8 需要多少时间 以上均为湿基 已知 物料临界含水量XC 0 15 干基 平衡含水量X 0 04 干基 设 降速阶段中的干燥速度为NA XX该段干燥速率曲线为直线 解 X1 W1 1 W1 0 286 1 0 286 0 4X2 0 074 1 0 074 0 08X2 0 048 1 0 048 0 05 X临 0 15X2 XC 干燥分恒速与降速两阶段恒速段所需时间 1 二种情况降速阶段所需时间各为 2 2 以上X都没去掉平衡水 代公式时要去掉 1 Gc ANA恒 X1 XC 2 GcXC ANA恒 ln XC X2 1 2 7 Gc ANA恒 X1 XC GcXC ANA恒 ln XC X2 Gc ANA恒 X1 XC XCln XC X2 解得 Gc ANA恒 19 37 1 4 84小时 2 2 16小时 2 5 12小时 1 2 9 96小时 P246例14 3 第四次课小结 1 临界水 恒速干燥 降速干燥分界点2 恒速干燥时间 1 Gc ANA恒 X1 XC 3 降速干燥时间 2 Gc ANA恒 XCln XC X2 K NA恒 XC其他教材 2 Gc ANA XC X ln XC X X2 X K NA恒 XC X 第五次课作业 9 10 对干燥过程进行热量衡算与物料衡算 可确定 空气用量V 选风机 计算除水量W 分析干燥过程热效率 设计干燥器 3 5实际干燥过程 非等焓过程两种情况 1 出口气体的焓低于进口 I2 I1 若规定气体出口温度与等焓过程相同 则焓必小于等焓过程 干燥过程有热损失 或补充热量不足 2 出口气体的焓高于进口 I2 I1 若规定气体出口温度与等焓过程相同 则焓必大于等焓过程 干燥过程补充较多热量 P251 例14 5P252 例14 6 对干燥器做物料衡算 V H2 H1 GC X1 X2 WV 绝干空气流量 kg干气 hGC 绝干料量W 干燥过程中除掉的水量 GC G1 1 w1 G2 1 w2 W G1 G2 G1 G1 1 w1 1 w2 G1 w1 w2 1 w2 G2 w1 w2 1 w1 例 在一连续干燥器中干燥盐类结晶 每小时处理物料量为1000kg 经干后燥物料的含水量由40 减至5 均为湿基 以热空气为干燥介质 初始湿度H1为 0 009kg水 kg绝干气 离开干燥器时湿度H2为0 039kg水 kg绝干气 假定干燥过程中无物料损失 试求 1 水分蒸发量W kg水 h 2 空气消耗量V kg绝干气 h 原湿空气消耗量V kg原空气 h 3 干燥产品量G2 kg h 解 1 X1 w1 1 w1 0 667kg水 kg绝干料X2 w2 1 w2 0 053kg水 kg绝干料GC G1 1 w1 1000 1 0 4 600kg干料 h W GC X1 X2 600 0 667 0 053 368 4kg水 h 2 V W H2 H1 368 4 0 039 0 009 12280kg绝干气 h V V 1 H1 12280 1 0 009 12390 5kg原空气 h 3 G2 G1 W 1000 368 4 631 6kg h 填空1 在1atm下 不饱和空气 水体系 若t 则 H tW td IH 不变 不变 2 物料的平衡水一定是 C A 非结合水 B 自由水 C 结合水 D 临界水 3 恒定干燥条件是指空气的 及 都不变 t 或H u及与物料的接触方式 4 总压一定 t一定 td增加 则pw I tw 5 湿度为0 002 温度为20 的湿空气 经预热器预热至70 送入干燥器用于干燥湿物料 经等焓过程 干燥器出口废气温度为50 试在焓湿图中定性画出此过程 双转筒干燥器 卧式多室沸腾床干燥器 带式干燥器 干燥总结一 湿空气性质 1 记住定义式 2 I H图形状 每条线的意义3 利用已知的两个独立变量确定状态点找出相关的其他未知量 描述过程变化 二 水的性质1 搞清几个水分含量的定义 2 记住临界水的定义 与结合水比较 3 了解不同干燥阶段除去的是什么水 三 物料衡算求蒸发的水和空气用量四 热量衡算重点掌握等焓过程 求出口空气状态 五 干燥时间计算 1 Gc ANA恒 X1 XC 2 Gc ANA恒 XCln XC X2 NA恒 KXC