08 第八章 干燥.pptx

第1页：第八章干燥

• 干燥
• 湿空气的性质与湿度图
• 干燥过程的物料衡算与热量衡算
• 干燥速率与干燥时间
• 干燥器

第2页：在化工生产中

在化工生产中,一些固体产品或半成品可能混有大量的湿分,将湿分从物料中去除的过程,称为去湿。

去湿的方法可分为以下三类:

机诫去湿:用于去除固体物料中大部分湿分。

吸附去湿:用于去除少量湿分。

热能去湿(干燥):向物料供热以汽化其中

的湿分的单元操作。

第3页：干燥过程的分类

干燥过程的分类:

常压干燥

真空干燥

连续式

间歇式

传导干燥(间接加热干燥)

对流干燥(直接加热干燥)

辐射干燥

介电加热干燥

按操作压力分

按操作方式分

按供热方式分

第4页：根据供热方式不同

根据供热方式不同,干燥可分为以下四种情况:

传导干燥(间接加热干燥):

热能通过壁面以传导方式加热物料。

对流干燥(直接加热干燥):

干燥介质与湿物料直接接触,并以对流

方式加热湿物料。

辐射干燥:

热能以电磁波的形式射到湿物料表面。

介电加热干燥:

将湿物料置于高频电场内,使其被加热。

第5页：本章主要讨论对流干燥

本章主要讨论对流干燥,干燥介质是热空气,除去的湿分是水分。

对流干燥是传热、传质同时进行的过程,但传递方向不同,是热、质反向传递过程:

传热

传质

方向

推动力

气

固

固

气

温度差

水汽分压差

第6页：干燥过程进行的必要条件

干燥过程进行的必要条件:

*物料表面水汽压力大于干燥介质中水汽分压;

*干燥介质要将汽化的水分及时带走。

第7页：8.1湿空气的性质与湿度图

• 湿空气的性质与湿度图
• 湿空气的性质
• 空气的湿度图及其应用

第8页：8.1.1湿空气的性质

8.1.1湿空气的性质

通常用两个参数来表征空气中所含水分的大小:

湿度H及相对湿度φ

第9页：一、湿度湿含量H

一、湿度(湿含量)H

定义:湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气

质量之比。

湿空气是由水蒸汽和绝干空气构成。

nw:湿空气中水汽的摩尔数,kmol;

ng:湿空气中绝干空气的摩尔数,kmol;

Mw:水汽的分子量,kg/kmol;

Mg:空气的平均分子量,kg/kmol。

第10页：当湿空气可视为理想气体时,则有

当湿空气可视为理想气体时,则有:

式中:pw为空气中水蒸汽分压。

即:

当P为一定值时,

第11页：当湿空气中水蒸汽分压pw恰好等于同温度下

当湿空气中水蒸汽分压pw恰好等于同温度下

水蒸汽的饱和蒸汽压ps时,则表明湿空气达到饱和,此时的湿度H为饱和湿度Hs。

二、相对湿度φ

定义: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。

即:

即:

第12页：湿度H只能表示出水汽含量的绝对值

结论:

湿度H只能表示出水汽含量的绝对值,而相对湿度却能反映出湿空气吸收水汽的能力。

当φ=1时:

pw=ps,湿空气达饱和,不可作为干燥介质;

当φ<1时:

pw<ps,湿空气未达饱和,可作为干燥介质。

φ越小,湿空气偏离饱和程度越远,干燥能力越大。

第13页：湿空气中水的蒸汽分压pw=17.5mmH

【例7-1】

湿空气中水的蒸汽分压pw=17.5mmHg,总压P=760mmHg,求20℃时的相对湿度φ;若空气分别被加热到50℃和120℃,求φ值。

相对湿度φ与湿度H的关系:

第14页：三、湿空气的比热与焓

三、湿空气的比热与焓

1、湿比热(湿热)cH[kJ/kg干气

℃]

定义:在常压下,将1kg干空气和其所带有的Hkg水

汽升高温度1℃所需的热量。

:干空气比热=1.01kJ/kg干气

℃

:水汽比热=1.88kJ/kg水汽

℃

式中

第15页：2、焓热含量IkJ/kg干气

2、焓(热含量)I[kJ/kg干气]

定义:湿空气的焓为干空气的焓与水汽的焓之和。

计算基准:

以0℃干空气及0℃液态水的焓值为0作基准。

因此,对于温度为t、湿度为H的湿空气,其焓值包括由0℃的水变为0℃水汽所需的潜热及湿空气由0℃生温至t℃所需的显热之和。

第16页：I:温度为t、湿

即:

式中:

I:温度为t、湿度为H的湿空气的焓值。[kJ/kg干气];

Ig:干空气的焓值。[kJ/kg干气];

Iv:水汽的焓值。[kJ/kg水汽];

r0:0℃时水的汽化潜热。r0=2492kJ/kg水汽。

第17页：由上式可知

由上式可知,湿空气的焓值只与湿空气的湿度及温度有关。即:

第18页：四、湿空气的比容湿容积υHm3

四、湿空气的比容(湿容积)υH[m3湿空气/kg干气]

定义:每单位质量绝干空气中所具有的湿空气(绝干

空气和水蒸汽)的总体积。

式中:

:压力P、温度t下湿空气比容。[m3湿气/kg干气]

:压力P、温度t下干空气比容。[m3干气/kg干气]

:压力P、温度t下水汽比容。[m3水/kg水]

第19页：的数值为

、

的数值为:

所以:

第20页：综合以上分析可得

综合以上分析可得:

当总压力P为一定值时,

另外:湿空气密度

第21页：定义:一定压力下

定义:一定压力下,将不饱和空气等湿降温至

饱和,出现第一滴露珠时的温度。

湿度H与露点td的关系:

五、露点td

pd:td下的饱和蒸汽压。

第22页：干球温度t是用普通

干球温度t是用普通温度计测得的湿空气的真实温度。

湿球温度计在空气中所达到的平衡或稳定的温度。

湿球温度计:温度计的感温球用纱布包裹,纱布用水

保持湿润,这支温度计为湿球温度计。

不饱和空气的湿球温度tw低于干球温度t。

六、干球温度t

七、湿球温度tw

第23页：*物系性质:与α、kH有关的物性

*物系性质:与α、kH有关的物性;

*空气状态:t、H;

*流动条件:α/kH。

实验表明,α与kH都Re与的0.8次幂成正比,故α与kH之比值与流速无关,只与物性有关。当物系已确定,则物系性质就不再改变,此时,湿球温度只与气相状态有关,即:

影响湿球温度tw的三方面因素:

第24页：对于空气—水系统

对于空气—水系统:

当空气流速u>5m/s时,传热以对流方式为主,有:

因此,湿球温度是湿空气的温度和湿度的函数,

即当t、H一定时,tw也为定值。可写为:

在实际生产中,常常利用干、湿球温度计来测量空气的湿度。

1.09kJ/kg℃

第25页：经过以上分析可知

经过以上分析可知,在空气绝热增湿过程中,空

气失去的显热与汽化水分带来的潜热相等,空气的温

度和湿度虽随过程的进行而变化,但其焓值不变。

推导过程见P334

ras:tas温度下水的汽化潜热,kJ/kg水;

Has:空气的绝热饱和湿度,kg水/kg干气;

cH:湿空气的比热,kJ/kg干气

℃

第26页：湿球温度tw与绝热饱

湿球温度tw与绝热饱和温度tas的关系:

tw:大量空气与少量水接触,空气t、H的不变;

tas:大量水与一定量空气接触,空气降温、增湿。

tw:是传热与传质速率均衡的结果,属于动平衡;

tas:是由热量横算与物料衡算导出的,属于静平衡。

tw与tas数值上的差异取决于α/kH与cH两者之间的差别。

第27页：当空气为不饱和状态

当空气为不饱和状态:t>tw(tas)>td;

当空气为饱和状态:t=tw(tas)=td。

空气—水体系,

,

空气—甲苯体系,

>

,tw>tas

第28页：8.1.2空气的湿度图及其应用

• 空气的湿度图及其应用
• 湿度图
• 五条线:
• 等H线;
• 等I线;
• 等t线;
• 等φ线;
• 水蒸气分压线。

第29页：例7-2在总压为101.3kpa下

【例7-2】在总压为101.3kpa下,空气的温度为20℃,湿度为0.01kg水/kg干气。试求:

1.φ、td、tw;

2.总压P与湿度H不变,将空气温度提高至50℃时的φ;

3.温度t与湿度H不变,将空气总压提高至120kpa时的φ;

4.若总压提高至300kpa,温度仍为20℃,每100m3原来的湿空气所冷凝出来的水分量?

第30页：因此,提高湿空气温度t

结论:

因此,提高湿空气温度t,不仅提高了湿空气的焓值,使其作为载热体外,也降低了相对湿度使其作为载湿体。

【例7-3】教材P281、例7-2

第31页：7.2干燥过程的物料衡算与热量

• 干燥过程的物料衡算与热量衡算
• 湿物料中含水量
• 干燥过程的物料衡算
• 热量衡算
• 空气出口状态的确定
• 干燥器的热效率

第32页：等焓过程

等焓过程:

等焓过程又可分为两种情况,其一

无热损失

湿物料不升温

干燥器不补充热量

湿物料中汽化水分带入的热量很少

第33页：空气放出的显热完全用于蒸发水分所需的潜热

空气放出的显热完全用于蒸发水分所需的潜热,而水蒸汽又把这部分潜热带回到空气中,所以空气焓值不变。

以上两种干燥过程均为等焓干燥过程。

若

即:湿物料中水分带入的热量及干燥器补充的热

量正好与热损失及物料升温所需的热量相抵

消,此时,空气的焓值也保持不变。

其二

第34页：二、实际干燥过程

• 实际干燥过程
• 补充热量大于损失的热量
• 即
• ——在非绝热情况下进行的干燥过程。
• 补充热量小于损失的热量
• 即

第35页：3.空气出口状态的确定方法

• 空气出口状态的确定方法
• ——即确定H2、I2
• (H2、I2)
• 计算法
• 图解法
• 举一例题

第36页：7.2.5干燥器的热效率

• 干燥器的热效率
• 热效率
• 定义:
• 影响热效率的因素

第37页：因此,t2不能过低

因此,t2不能过低,一般规定t2比进入干燥器时空气的湿球温度tw高20~50℃。

2.

3.回收废气中热量

4.加强管道保温,减少热损失

第38页：7.3干燥速率与干燥时间

• 干燥速率与干燥时间
• 物料中所含水分性质
• 恒定干燥条件下的干燥速率
• 恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间
• 恒定干燥条件下降速阶段干燥时间

第39页：7.3.1物料中所含水分性质

7.3.1物料中所含水分性质

一、物料与水分结合方式

吸附水分:湿物料的粗糙外表面附着的水分。

毛细管水分:多孔性物料的孔隙中所含的水分。

溶胀水分:是物料组成的一部分,可透入物料细胞

壁内,使物料的体积为之增大。

第40页：二、平衡水分与自由水分

• 平衡水分与自由水分
• 平衡水分(X*)
• ——不能用干燥方法除去的水分。
• 自由水分(X-X*)
• ——可用干燥方法除去的水分。
• X*=f(物料种类、空气性质)

第41页：三、结合水分与非

三、结合水分与非结合水分1.结合水分

——水与物料结合力强,pw<ps。

2.非结合水分

——水与物料结合力弱,pw=ps。

结合水分与非结合水分只与物料的性质有关,而与空气的状态无关,这是与平衡水分的主要区别。

平衡水分一定是结合水分。

第42页：

第43页：例7-4在常压25℃下

【例7-4】在常压25℃下,水分在ZnO与空气间的平衡关系为:

相对湿度φ=100%,平衡含水量X*=0.02kg水/kg干料

相对湿度φ=40%,平衡含水量X*=0.007kg水/kg干料

现ZnO的含水量为0.25kg水/kg干料,令其与25℃,φ=40%的空气接触,求物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。

第44页：7.3.2恒定干燥条件下

7.3.2恒定干燥条件下的干燥速率

一、干燥速率定义

——单位时间、单位干燥面积汽化水分量。

[kg水/m2

s]

恒定干燥条件:空气的温度、湿度、流速及物

料接触方式不变。

第45页：二、干燥曲线及干燥速率曲线

二、干燥曲线及干燥速率曲线

——用于描述物料含水

量X、干燥时间τ及

物料表面温度θ之间

的关系曲线。

1.干燥曲线

第46页：2.干燥速率曲线

2.干燥速率曲线

ABC段:恒速干燥阶段

AB段:预热段

BC段:恒速段

CDE段:降速干燥阶段

C点:临界点

XC:临界含水量

E点:平衡点

X*:平衡水分

第47页：三、恒速干燥阶段

三、恒速干燥阶段

前提条件:湿物料表面全部润湿。

汽化速率(传质速率):

[kg水/m2

s]

传热速率:

——恒速干燥速率

第48页：恒速干燥特点

• 恒速干燥特点:
• U=UC=const.
• 物料表面温度为tw
• 去除的水分为非结合水分
• 影响U的因素:
• 恒速干燥阶段——表面汽化控制阶段
• 只与空气的状态有关,而与物料种类无关

第49页：四、降速干燥阶段

• 降速干燥阶段
• 实际汽化表面减小
• 汽化面内移
• 降速干燥阶段特点:
• 物料表面温度
• 除去的水分为非结合、结合水分
• 影响u的因素:
• 与物料种类、尺寸、形状有关,
• 与空气状态关系不大。

第50页：五、临界含水量XC

• 临界含水量XC
• 吸水性物料XC大于不吸水性物料XC
• 物料层越薄、分散越细,XC越低
• 恒速干燥uC越大,XC越高。

第51页：7.3.3恒定干燥条件下恒速阶段

7.3.3恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间

由干燥速率定义式:

对于恒速干燥:

U=UC=const.

恒速干燥所需时间

第52页：UC的来源

UC的来源:

(1)由干燥速率曲线查得

求取α经验关联式:

(1)气体流动方向与物料平行

[w/m2k]

G=2500~3000

质量流速[kg/m2hr]

第53页：气体流动方向与物料垂直

(2)气体流动方向与物料垂直

G=4000~20000[kg/m2hr]

第54页：7.3.4恒定干燥条件下降速阶段

• 恒定干燥条件下降速阶段干燥时间
• 求U的方法:
• 图解积分法
• 近似计算法
• 总干燥时间:

第55页：8.4干燥器

• 干燥器
• 干燥器的基本要求
• 常用工业干燥器

第56页：8.4.1干燥器的基本要求

• 干燥器的基本要求
• 保证产品质量
• 干燥速率大,干燥时间短
• 热效率高
• 干燥介质流动阻力小
• 劳动强度低

第57页：干燥器分类

干燥器分类:

间歇常压干燥器

间歇常压干燥器——盘架式干燥器

间歇减压干燥器——耙式干燥器

连续常压干燥器——回转式干燥器、气流干燥器

喷雾干燥器

连续减压干燥器——减压滚筒干燥器

第58页：8.4.2常用工业干燥器

8.4.2常用工业干燥器

盘架式干燥器

耙式干燥器

回转式干燥器

气流干燥器

沸腾床干燥器

喷雾干燥器