固体干燥 - 3.pdf

第三节 干燥速率与干燥过程计算 14.3.1 物料在定态空气条件下的干燥速率 恒定干燥操作恒定干燥操作是指在恒定的干燥条件下的干燥过程，采用大 量的空气干燥少量的物料，因此干燥过程中空气的温度、湿 度、流速及与物料的接触方式 空气的温度、湿 度、流速及与物料的接触方式不变。 第三节 干燥速率与干燥过程计算 1.干燥动力学实验 14.3.1 物料在定态空气条件下的干燥速率 物料的干燥速率即水分汽化速率N A,可用单位时间、 单 位 面 积 ( 气 固 接 触 界 面 ) 被 汽 化 的 水 量 表 示 Ad dXG N c A = 式中 c G A X 试样中绝对干燥物料的质量，kg； 试样暴露于气流中的表面积，m2； 物料的自由含水量，kg水/kg干料。 * t XXX= 第三节 干燥速率与干燥过程计算 干燥速率曲线：干燥速率NA与湿含量X 的关系曲线。干燥过 程的特征在干燥速率曲线上更为直观。 干燥曲线或干燥速率曲线是恒定的空气条件（指一定的速率、温度、湿度）下获得的。 对指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同， 干燥曲线或干燥速率曲线是恒定的空气条件（指一定的速率、温度、湿度）下获得的。 对指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同，图14.13图14.13所示所示 第三节 干燥速率与干燥过程计算 Ad dXG N c A = C点：临界点 XC：临界含水量 AB段：预热段 BC段：恒速段 CDE段：降速干燥阶段 第三节 干燥速率与干燥过程计算 2.恒速干燥阶段BC 恒定干燥条件下 = tw，p = ps 和kH不变 湿物料与空气间 的q 和 N 恒定 物料内、外温度变化不大，物料表面始终保持湿润状态，物料内、 外无温度梯度和湿度梯度，物料表面蒸汽压等于同温下纯水的饱 和蒸汽压。 )()( wH w HHktt r N wA = 恒速干燥速率 第三节 干燥速率与干燥过程计算 恒速干燥特点：恒速干燥特点： （1）干燥速率处于最大值且变化不大；NAConst. （2） 物料表面温度为tw； （3） 去除的水分为非结合水分； （4） 恒速干燥阶段表面汽化控制阶段 第三节 干燥速率与干燥过程计算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 )()( wH w HHktt r N wA = )( w HHH )( w ttt H ,ku A N 第三节 干燥速率与干燥过程计算 固体内部水分扩散极慢 降速的原因： 实际汽化表面减少(出现干区) ；CD段汽化面的内移； DE段 平衡蒸汽压下降；(各种形式的结合水) CD为第一降速阶段， DE为第二降速阶段， DE段温度升高很快。 3. 降速干燥阶段 CDE 第三节 干燥速率与干燥过程计算 CD为第一降速阶段， DE为第二降速阶段， DE段温度升高很快。 3. 降速干燥阶段 CDE 降速段干燥速率取决于湿份与物料的结合方式，物料的结构， 物料外部的干燥条件对其影响不大。物料内部迁移控制阶段 物料表面温度 w t 第三节 干燥速率与干燥过程计算 固体物料在恒速干燥终了时的含水量为临界含水量Xc 4.临界含水量 第三节 干燥速率与干燥过程计算 5 不同干燥阶段对物料性状的影响 恒速阶段，物料表面温度维持在湿球温度，即使在高温下易于变质， 破坏的物料(如药物、食品等)仍可允许采用较高的温度，以便提高干 燥速率和热利用率。 降速阶段，物料温度逐渐升高，特别是干燥后期，不应使温升过快。 因物料脱水过快将产生各种物理、化学乃致生物的变化。因此为避免 表面硬化、开裂、起皱、焦化等不良现象，常需对降速阶段的干燥条 件严格加以控制。通过降低干燥介质温度，提高湿度，采用废气循环 等措施减小干燥速率，使物料内部水分逐步除去 降低干燥介质温度，提高湿度，采用废气循环 等措施减小干燥速率，使物料内部水分逐步除去，保证产品的质量。 14.3.2 间歇干燥过程的计算 1. 恒速阶段的干燥时间1 物料的停留时间应大等于给定条件下将物料干燥至指 定的含水量所需的干燥时间，并由此确定干燥器尺寸。 如物料在干燥之前的自由含水量X1大于临界含水量Xc，则干燥必先有一恒速 阶段。忽略物料的预热阶段，恒速阶段的干燥时间1由下面积分式求出。 Ad dXG N c A = = C 1 1 A 0 d d X X c N X A G 因干燥速率NA为一常数， A cc N XX A G ×= 1 1 第三节 干燥速率与干燥过程计算 传质系数的测量技术不如给热系数测量那样成熟与准确，在干 燥计算中常用经验的给热系数进行计算。气流与物料的接触方 式对给热系数影响很大，以下是几种典型接触方式的给热系数 经验式。 速率NA由实验决定，也可按传质或传热速率式估算，即 )()( w w wHA tt r HHkN= Hw为湿球温度tw下的气体的饱和湿度。 14.3.2 间歇干燥过程的计算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 8 . 0 0143. 0G=kW/m2· 式中为气体的质量流速，kg/（m2·s）。 上式的试验条件为G=0.688.14kg/（m2·s），45150气温。 （1）空气平行于物料表面流动（图14-16a） 14.3.2 间歇干燥过程的计算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 （2）空气自上而下或自下而上穿过颗粒堆积层 （图14-16b） 41 . 0 p 59. 0 0189. 0 d G = 350 Gd p G p d 气体质量流速，kg/（m2·s）； 具有与实际颗粒相同表面的 球的直径，m； 气体粘度，Pa·s。 式中 14.3.2 间歇干燥过程的计算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 （3）单一球形颗粒悬浮于气流中（图14-16c） 3/1 2/1 p p PrRe65. 02+= d udp p Re = 式中气体与颗粒的相对运动速度； 、 、 气体的密度、粘度和普朗特数。 u Pr 14.3.2 间歇干燥过程的计算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 2 降速阶段的干燥时间2 降速阶段的干燥时间2 当XX*）所需时间为2 = 2 c 2 A c 0 2 d d X X N X A G XKN x = A c cA, X X N K= = C 2 2dd X c X c 2 X X X X X X AK G X X AK G c 2 c X c 2 ln X X AK G = 21 则 得 += 总干燥时间为总干燥时间为 近似计算法 14.3.2 间歇干燥过程的计算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 NEXT. 14.3.1 湿物料含水量的湿物料含水量的两种表示法表示法 1.湿基含水量 定义：水分在湿物料中的质量分数， kg水/kg湿物料。 2.干基含水量 X 定义：湿物料中水分与绝干物料的质量分数比， kg水/kg 干物料。 湿物料总质量 湿物料中水分质量 = 14.3干燥过程的物料衡算和热量衡算 湿物料中绝干物料质量 湿物料中水分质量 =X 第三节 干燥速率与干燥过程计算 3.两种含水量间关系3.两种含水量间关系 = + = 1 1 X X X 14.3干燥过程的物料衡算和热量衡算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 预热器预热器 V, t0, H0 V, t1, H1 干 燥 器 干 燥 器 废气V, t2, H2 湿物料 G1, X1, 1产品 G2, X2, 2 新鲜空气 14.3.2 干燥过程的物料衡算 计算内容：计算内容： 水分蒸发量水分蒸发量W，kg/s，即从物料中除去的水分量，也即空气吸收的水分量；，即从物料中除去的水分量，也即空气吸收的水分量； 空气消耗量，包括绝干空气消耗量空气消耗量，包括绝干空气消耗量V，kg/s； 干燥产品的流量，包括绝干物料流量干燥产品的流量，包括绝干物料流量Gc，kg/s和湿物料流量和湿物料流量G1,kg/s。 第三节 干燥速率与干燥过程计算 预热器预热器 V, t0, H0 V, t1, H1 干 燥 器 干 燥 器 废气V, t2, H2 湿物料 G1, X1, 1产品 G2, X2, 2 新鲜空气 14.3.2 干燥过程的物料衡算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 1.水分蒸发量W, kg水/s 水分蒸发量=湿空气中水分增加量=湿物料中水分减少量 2112 ()() c WV HHG XX= 21 GG = 1 2 21 2 1 21 11 GG = = 预热器预热器 V, t0, H0 V, t1, H1 干 燥 器 干 燥 器 废气V, t2, H2 湿物料 G1, X1, 1产品 G2, X2, 2 新鲜空气 14.3.2 干燥过程的物料衡算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 2.空气消耗量 绝干空气消耗量V，kg绝干气/s 21 ()WV HH= 21 W V HH = 预热器预热器 V, t0, H0 V, t1, H1 干 燥 器 干 燥 器 废气V, t2, H2 湿物料 G1, X1, 1产品 G2, X2, 2 新鲜空气 14.3.2 干燥过程的物料衡算 第三节 干燥速率与干燥过程计算 3.干燥产品量 (1)绝干物料量Gc，kg绝干物料/s (2)湿物料量G2， kg湿物料/s 2 2 1 1 2211 11 )1 ()1 ( X G X G GGGc + = + = 1 2 1 2 1 12 1 1 1 1 X X GGG + + = = 14.3.3 干燥系统的热量衡算 QL 预热器预热器 V, t0, H0 , I0 V, t1, H1 , I1干 燥 器 干 燥 器 废气V, t2, H2 , I2 湿物料 G1, X1, 1, 产品 G2, X2, 2, 新鲜空气 ' I1 ' I2 Q补 Q 第三节 干燥速率与干燥过程计算 14.3.3 干燥系统的热量衡算 预热器预热器 V, t0, H0 , I0 V, t1, H1 , I1 Q 新鲜空气 第三节 干燥速率与干燥过程计算 1、预热器消耗的热量Q，kW(忽略预热器热损失)，对预热器 进行热量衡算： )()( 01101 ttVcIIVQ pH = )( 0110 IIVQVIQVI=+ )()(88. 101. 1 ( 2500)88. 101. 1 ( 2500)88. 101. 1 ( 01101001 0000 1111 01 ttcttHII HtHI HtHI pH HH =+= += += = 2. 对干燥器进行热量衡算： 损补 QIGVIQIGVI cc +=+ ' 22 ' 11 QL V, t1, H1 , I1干 燥 器 干 燥 器 废气V, t2, H2 , I2 湿物料 GC, X1, 1, 产品 GC, X2, 2, ' I 1 ' I 2 Q补 式中物料的焓是指以0为基准时 1kg绝干物料及其所含水分两者焓 之和，以kJ/kg绝干料表示。 若物料的温度为，干基含水量 为X时，则以1kg绝干料为基准时 湿物料焓为： pmpLps cXccI=+=' pm ,/() ,/() ,/() ps pL ckJkg ckJkg ckJkg 绝干物料的比热绝干料 水分的比热水分 湿物料的比热绝干料 式中： 14.3.4 干燥过程的物料衡算与热量衡算干燥过程的物料衡算与热量衡算 在设计型问题中， 、 、 、 是干燥任务规定的，而 由空气初始状态决定，可按传热公式求或取 c G 1 1 X 2 X 01 HH = QL (0.05 0.10)QQ= L QL 预热器预热器 V, t0, H0 , I0 V, t1, H1干 燥 器 干 燥 器 废气V, t2, H2 湿物料 Gc, X1, 1, 产品 Gc, X2, 2, 新鲜空气 Q补 Q 14.3.4 干燥过程的物料衡算与热量衡算干燥过程的物料衡算与热量衡算 QL 选择气体出干燥器的状态（如t2及2），求V及Q补； 选定Q补(如许多干燥器Q补=0，即不补充热量）及气体出干燥器状态的一 个参数（H2、2、t2中的一个），求出V及另一个气体出口参数 预热器预热器 V, t0, H0 , I0 V, t1, H1干 燥 器 干 燥 器 废气V, t2, H2 湿物料 Gc, X1, 1, 产品 Gc, X2, 2, 新鲜空气 Q补 Q 1.理想干燥器过程的物料和热量衡算 图解法（已知t2或2均可用） ?按空气在干燥器内焓的变化，将干燥过程分为等焓干燥过程和非等焓干燥过程。 等焓干燥过程0 损 Q0= 补 Q ' 1 ' 2 II = A（t0，H0） B（t1，H1= H0） C（t2，或2） 沿等H线 沿等I线 确定C后可查出H2 02 HH W V = )( 01pH1 ttVcQ= 预 损补 QIGVIQIGVI cc +=+ ' 22 ' 11 2.实际干燥过程的物料和热量衡算 分两种情况： (1)干燥过程空气焓值降低 满足条件： 不向干燥器内补充热量，或者补充的 热量不足以弥补物料带走的热量和干燥 器的热损失 ?此时干燥过程的操作线BC1在等I线BC下方。BC1线上各点的焓 ?不等，且均小于同温度下BC上相应点的数值。 ?满足条件： ?向干燥器内补充热量Q补比热损失Q损 及物料升温带走的热量之和还要大， 即 损补 QIIGQ c +)( ' 1 ' 2 ?(2)干燥过程空气焓值增大 ?此时干燥过程的操作线BC2在等I线BC上方。BC2线上各 点的焓不等，但均大于同温度下BC上相应点的数值。 实际干燥过程气体出干燥器的状态由物料衡算 式和热量衡算式联立求解决定，即 联立解出H2及L。 实际干燥过程计算 02 HH W V = 损补 QcGVIQcGVI+=+ 2pmc21pmc1 21 2222 2500)88. 101. 1 (HtHI+= 例题14-6 14.3.5 干燥过程的热效率干燥过程的热效率 ()()() 1 0pV 2pL1pm221pH20c QQW rc tcG cVcttQ+=+ 补损 123 QQQQQQ+=+ 补损 1 Q为将气化水分由进口态的水变成出口态的蒸汽所消耗的热； 2 Q物料温度升高所带走的热； 3 Q 废气离开干燥器时带走的热量。 其中 2 干燥器的热效率 12 QQ QQ + = + 补 () () 1 1 pH12 1212 pH2010 Vctt QQtt QQVctttt + = + 补 3.提高的措施 降低废气的温度； 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。 提高空气的预热温度； 减少干燥过程的各项热损失； 做好干燥设备和管道的保温工作； 空气预热温度高，单位质量干空气携带的热量多，干燥过程所需要的空气量 少，废气带走的热量相应减少，故热效率得以提高。但是，空气的预热温度 应以湿物料不致在高温下受热破坏为限。对不能经受高温的材料，采用中间 加热的方式，即在干燥器内设置一个或多个中间加热器，往往可提高热效 率。 采用部分废气循环操作 1212 10 QQtt QQtt + = + 补 优点：优点： a. 有废气循环时空气在干燥器内平均温度低， ; b.平均温度低对易受热分解的物料干燥有利； 损 Q c.有废气循环时空气在干燥器内的平均湿度大，对易发生翘曲 或干裂的物料干燥有利 ； 缺点：缺点：风机送风量，风机能耗。 采用部分废气循环操作 作业作业 教材：p264，题14-9 END.