页数：40页文件大小：825.1 KB来源： 化工原理ppt课件
本课件对应《化工原理》第三节 干燥速率与干燥过程的计算，沿第三节干燥速率与干燥过程的计算主线展开，梳理干燥、干燥器等核心概念与工程计算思路，配合图示说明设备结构与操作要点。
第三节干燥速率与干燥过程的计算
一、物料在定态空气条件下的干燥速率•恒定干燥条件：空气的温度、湿度、流速及物料接触方式不变。
1、干燥动力学实验用温度t、相对湿度φ及流速保持不变的空气流干燥小块固体物料，物料表面处的空气状况基本相同，随着干燥时间的延续，水分被不断汽化。
湿物料的质量减少，自由含水量X与时间τ的关系如下。
干燥速率
τAdNA=−GCdX干燥速率或水分汽化速率—单位时间、单位物料表面被汽化的水分。
ABCDE时间τ0自由含水量Xkg/kg(a)干燥曲线
干燥速率
由干燥曲线各点求斜率，再根据干燥速率公式计算NA可得干燥速率曲线NA=f（X）对指定的物料，干燥速率与空气的状态有关系，即空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置就不同。
0EDABCXC自由含水量X(b)干燥速率曲线干燥速率NAkg/kgdXdτ
干燥速率
图14-13石棉纸浆的干燥速率曲线
干燥速率
根据干燥速率曲线，物料的干燥速率从B点到C点是保持恒定的，干燥速率并不随含水量的减少而改变，称其为恒速干燥阶段。
从A到B为物料的预热阶段，此阶段所需时间很短，通常归并在恒速阶段处理，对于含水量低于Xc，直到平衡含水量X*这一阶段内，干燥速率随着含水量的减少而降低，称为降速干燥阶段，C点为降速与恒速段的分界点，称为临界点。
该点的干燥速率仍等于恒速阶段的干燥速率，与C点对应的物料含水量XC称为临界含水量，从中扣除平衡含水量后则称为临界自由含水量XC。
传质速率
2、恒速干燥阶段当物料最初非常潮湿，其表面层的水分可认为全部是非结合水分，在干燥时，物料与空气间的传热、传质过程和测定湿球温度时的情况相类似，经过较短的接触时间后，物料表面即达空气的湿球温度tw，且维持不变，按传质速率式HNA=k（Hw-H）在恒速干燥阶段，干燥速率的大小是由物料表面水分水分汽化的速率而定。
因此，恒速干燥阶段又称表面汽化控制阶段。
影响恒速干燥阶段速率的因素有kH和（Hw-H），即增大空气流速便能提高kH，提高空气的温度降低H，以增大（Hw-H），此外，水分从物料表面汽化的速率与空气和物料接触的方式有关。
表面汽化控制阶段只与空气的状
恒速干燥特点：1.NA＝NAC＝const.2.物料表面温度为tw3.去除的水分为非结合水分4.影响NA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t↑→(t−tw)↑H↓→(Hw−H)↑NAC↑NA↑u↑→α↑kH↑
干燥速率
临界含水量
干燥速率
5、干燥操作对物料性状的影响在恒速阶段，物料表面温度维持在湿球温度。
因此，即使在高温下易于变质、破坏的物料，仍然允许在恒速阶段采用较高的气流温度，以提高干燥速率及热的利用率。
在降速阶段，物料温度逐渐升高，所以，在干燥后期须注意不使物料温度过高。
二、间歇干燥过程的计算
在恒定空气条件下，物料从自由含水量X1干燥到X2所需时间，可根据相同情况下的干燥速率式写成：∫∫1XAXd/NAτGX2d=−c0τ可分别就恒速和降速两个阶段，分别求解
二、间歇干燥过程的计算（续）
1、恒速阶段的干燥时间在恒速阶段中，NA=常数。
在恒速干燥阶段中，物料表面温度等于湿球温度，空气传热给物料的传热速率与水分汽化带走潜热的速率相等。
∫cXXAXcdANG1∫0τ1dτ=−ACG⋅X−XANc11τ=WWWHAN=k(H−H)=α(t−t)r
给热系数
气流与物料的接触方式对给热系数的影响很大。
⑴空气平行于物料表面流动；⑵空气自上而下或自下而上穿过颗粒堆积层；⑶单一球形颗粒悬浮于气流中。
降速阶段的干燥时
2、降速阶段的干燥时间τ2当X=XC（自由含水量），降速阶段开始X=X2时，τ=τ22∫0∫XccANAGX2dXd=−ττNA与自由含水量有关，NA=f（X）则∫XcX=GcdX2Af(X)2τ
干燥速率
若把降速阶段的干燥曲线近似当做通过原点和临界点的直线,即：NA=KX..X∫=∫XXXCCXXCdxGCXCXXCdx=CAGXK212(NA)恒AX2(N)恒=(NA)恒τ22lnXXKACXGCτ=0EABXC自由含水量X对间歇操作,计入装卸时间后,每一个干燥周期所用时间D(b)干燥速率曲线干燥速率NAkg/kgτ=τ1+τ2+τ′
瞬间中气固之间的的传热
3干燥结束时的物料温度:θ表=tw在降速阶段,物料表面不再能保持时球温度不变.做物料恒算:量应等于水分气化及物料升温所需的热量(1)αA(t−θ)dτ=−rGCdx+GCCmdθdτ瞬间中气固之间的的传热kJ(kg.c)oCkJ(kg.oC)−1o−1moCr→水的气化热C→固体物的比热t→气率温度为一定值θ→瞬间的物料温度在恒速阶段时
边界条件
在降速阶段,设:(2)AdGdxxCA=KXN=−τ联立(1),(2)求解消去dt得KXmXX=−rd+Cdθ−α(t−θ)dX边界条件为:X=XCX=X2θ=twθ=θ2
降速阶段的速率与物料的自
解得:}2XwXCXrXC−Cm(t−tw)rX2−Cm(t−tw)(C2)Cm(t−tw)t−θ=(t−t){上式使用条件为:1、物体内部温度均一,即指悬浮颗粒或藻层物料;,2、降速阶段的速率与物料的自由含水量成正比3、水的气化热r,物料比热Cm均取常数.
干燥器
表面汽化阶段预热阶段升温阶段设备长度温度tjtkt2θ2aθ1j气温料温twkt1图14-20并流干燥器内气、固两相温度的变化三、连续干燥过程的一般过程1、连续干燥过程的特点:（并流）
临界含水量
当物料的含水量大于临界含水量XC(X>X)C1预热阶段物料所以空气,但不存θ1↑=twH↑t↓2表面水分气化段(不存在恒速段)物料温度θ=tw在恒速段.若不计热损失，气体绝热增湿.3升温段物料表面水分气化完毕θ↑=θ2此时不能假设NA≠KX.X注意：和定态空气条件下的降速阶段不同,与同一物料接触的空气状态不断变化.
过程的数学描述
2连续干燥过程的数学描述连续干燥为一定态过程,即湿空气与物料状态的流动途径不断变化，但干燥气内某些确定部分的空气和物料状态不随时间变化.因此用欧拉法(即站岗发)对其进行数学描述取设备微元写出物料衡算式,热量衡算式与相际传质传热速率式.而相际传质,传热速率方程中分别包含界面温度与界面上气体的饱和温度,对气固系统,要确定其是十分复杂的.另外还要列出物料内部的传热传质速率方程微元塔段的传热速率传质速率VCHdt=αa(θ−t)dzVdH=NAadz
四、连续干燥过程的物料衡算
干燥器物料G1,GC,X1,θ11、物料衡算:G2,GC,X2,θ2V,t0,H0,I0V,t1,H1,I1Q预热器空气四、连续干燥过程的物料衡算与热量衡算V,t2,H2,I2图14-21干燥过程的流程图
物料衡算
W−−−kg.s−1;以干燥器为控制体对平衡水分做物料衡算W=GC(X1−X2)=V(H2−H1)在干燥过程中被除去的水分GC−−−kg干料/sV−−−kg干气/sX1,X2−−−自由含水量,kg水/kg干料H1,H2−−−kg水/kg干气ooo
干燥器
湿基含水量w:每Kg湿物料中所含有的水分质量X=w1−wGC=(1-w1)=G2(1-w2)111−ww−w2w=G1−G2=G1w1、w2—分别为进出干燥器的湿物料含水量，Kg/Kg湿物料G1、G2—分别为进出干燥器的干燥产品量，Kg/s（湿基）
干燥器
g1V1101g0V0000=V[(Ct+CHt+rH)−(Ct+CHt+rH)]=V(Cg+CVH1)(t1−t0)=V(Cg+CVH1)(t1−t0)−V(Cg+CVH1)t2+V(Cg+CVH1)t2=V(Cg+CVH1)(t1−t2)+V(Cg+CVH1)(t2−t0)空气在干燥器放出的热量废气带走的热量2热量衡算:O预热器Q=V(I−I0)
干燥器
θ=V(I1−I2)=GCCSθ2+GCX2CLθ2−GCCSθ1−GCX2CLθ1−WCLθ1+θ损VI1=VI2+GC(CS+X2CL)θ2−GC(CS+X2CL)θ1−WCLθ1+θ损V(Cg+CVH1(t1−t2)=V(H2−H1)(r0+CVt2−CLθ1)+GLCm2(θ2−θ1)+Q损进入干燥器的热量:GCCSθ1GCX2CLθ1WCLθ1CS2GCθC2L2带出干燥器的热量:GXCθ损热量损失:θ0干燥器以干燥器为控制体做热量衡算
物料衡算
3物料衡算式与热量衡算式的联立求解设计性问题：已知GC、θ、X1、X2(由干燥任务规定)H1由空气初始状态决定,Q损由传热一章的有关公式计算,由经济条件决定.物料出口θ2是干燥末期气固两相之间及物料内部传质,传热过程综合结果,不能任意给定.一般应由实验测定。
联立物衡和热衡可求得VH2
干燥器
4连续干燥过程的热效率+CVt2−CLθ1)干燥器热量衡算式:V(Cg+CVH1)(t1−t2)=V(H2−H1)(r0+GCCm2(θ2−θ1)+θ损Q1=V(H2−H1)(r0+CVt2−CLθ1)Q1表示V(H1-H2)的水分由进口状态加热气化或废气出口状态所消耗的热量Q2=G2Cm2(θ2−θ1)物料温度升高所带走的热量
干燥器
V(Cg+CVH1)(t1−t2)=θ1+θ2+θ损]将上式带入预热器热量衡算式Q=V(Cg+CVH1)(t1−t2)+V(Cg+CVH1)(t2−t0)废气带走的热空气在干燥器中放出的热θ=θ1+θ2+θ3+θ损θ3=(Cg+CVH1)(t2−t0)废气带走的热量
干燥器（续）
干燥过程的经济性主要取决于热量的有效利用过程,从上式可知,空气在预热器中所获得的能量消耗预四个方面.是直接用来干燥物料的,是为达到规定含水量而不可避免的,因此,Q1Q2定义热效率η=Q1+Q2Q提高效率的措施:a、降低废气出口温度.t2b、提高空气的预热温度t1
二、影响热效率的因素
1.t0、t1一定时，t↓→η↑2H2↑→η↑传热推动力(t−t)↓，传质推动力(H−Hww)↓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.t0、t2一定时，t1↑→η↑3.回收废气中热量4.加强管道保温，减少热损失
干燥器
五理想干燥过程的计算1.干燥过程的简化假设.所有水分都是在表面气化阶段除去的,物料保持一定温度不变实质上是假设物料内部水分向表面扩散的速率远大于表面气化速率.使物料表面温度计饱和温度与内部传递过程无关.忽略被除去水分带入干燥器的热量和设备热损失.VI1=VI2−WCLθ1+GCCm2(θ2−θ1)+θ损忽略忽略θ1=θ2彴少所以即理想干燥过程为等焓过程.I1=I2
过程的数学描述
2理想过程的计算:并流操作V,t1,H1,I1V,I,H,tV,I+dI,H,t+dtGc,X1,θGc,X,θGc,X+dX,θV,t2,H2,I2Gc,X2,θ理想干燥过程的数学描述图13-22物料衡算:VdH=−Gdx积分得V(H2-H1)=GC(X1-X2)热量衡算:根据理想干燥过程的两点假设dI=0积分得I1=I2或(Cg+CVH1)t1+r0H1=(Cg+CVH2)t2+r0H2
传质速率
传质传热速率式CHVdt=αa(t−θ)dVVdH=kHa(H0−H)dV微元体内传热微元体内传质H0—物料表面温度θ下气体的饱和温度。
dV—为控制体联立物衡算式，热衡算式及传热，传质速率式。
可解决理想干燥过程的计算问题
干燥器
所以在理想干燥器中，θ（不变）−CHVdt=r0VdH带入微元体内传热方程中r0VdH=αa(t−θ)dV000rVV−H)dVdH=kHa(Hα=α(t−θ)d即θ=t−kHr0(H−H)求出物质表面温度说明：物料表面温度θ等于与它接触的空气湿球温度tw
传热系数
积分传热速率式（因为容积传热系数a比传质系数kHa更容易得到）。
V将传热和传质速率积分可得所需设备容积。
2t1∫tV=VCHdtαa(t−θ)VH(CVdt=αa(t−θ)d)
改变该式形式
在理想干燥过程中θ=tW,I=Const.找出t的关系CH与通过数值积分算V（V为气体流量）CH=Cg+CVH=const−tWV=VClnt1αat2−tW改变该式形式如下t−tt−tt2−tWt2−tWt1−t2ln1W−tW)ln1W=αaV(t1−tW)−(t2VCH(t1−t2)=αaV
干燥器
V,H2,θ,V设计型计算时已知GC,X1,X2,H1选择t1,t2求得HVC(t1−t2)=αaVΔtm3理想干燥过程的热效率V(Cg+CVH1)(t1−t2)=θ1+θ2+θ损Q2=0,θ损=0气体在干燥器内所出的热量全部用于气化水分13211VggV1H)(t2−t0)+C+Q+Q+QQ=(C+CH)(t1−t2)Q=Q损Q=V(C
临界含水量
10Qt−tt1−t2==理想η所以t1↑,t2↓,可使η↑.32111V1gVg+CH)(t2−t0)+QQ=Q+Q+QQ=V(CQ113--3--6实际干燥过程所需要容积的估算对于某些干燥过程可简化为理想干燥过程，例如，临界含水量低，颗粒尺寸有很小的松散物料的干燥，但大多数情况下，不能简化为理想干燥过程。
前面讲过，物料内部的传热与传质将对干燥产声影响。
使问题变得更复杂。
迄今为止，还没有成熟的理论解决问题的办法。
往往是通过实验室或凭经验解决问题。
因此，对实际干燥过程做出某种程度的简化，然后粗略估算所需设备的容积。
参见课本（P248页）Q=(C+CH)(t1−t2)损
临界含水量
13-3-6实际干燥过程所需要容积的估算对于某些干燥过程可简化为理想干燥过程，例如，临界含水量低，颗粒尺寸有很小的松散物料的干燥，但大多数情况下，不能简化为理想干燥过程。
前面讲过，物料内部的传热与传质将对干燥产生影响。
使问题变得更复杂。
迄今为止，还没有成熟的理论解决问题的办法。
往往是通过实验室或凭经验解决问题。
因此，对实际干燥过程做出某种程度的简化，然后粗略估算所需设备的容积。
参见课本（P248页）
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}