化工原理干燥技术.ppt
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1、第二章干燥Chapter2Drying化工原理李英利重点重点:湿空气的性质、湿空气的性质、空气的焓湿图、空气的焓湿图、连续连续干燥过程的物料衡算和热量衡算、干燥过程的物料衡算和热量衡算、干燥机理、干燥机理、干燥曲线干燥曲线难点难点:空气的焓湿图、干燥机理;:空气的焓湿图、干燥机理;第一节概述第一节概述(IntroductionIntroduction)在化学工业生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过多的水分或有机溶剂(湿份),要制得合格的产品需要除去固体物料中多余的湿份。除湿方法:机械除湿如离心分离、沉降、过滤。干燥利用热能使湿物料中的湿份汽化。除湿程度高,但能耗大。惯用做法:先采用机械方法
2、把固体所含的绝大部分湿份除去,然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉,以降低除湿的成本。干燥分类:本章重点:以不饱和热空气为干燥介质,除去湿物料中水分的连续对流干燥过程。q去湿去湿:除去物料中的水分和或其它溶剂(统称为湿分)的:除去物料中的水分和或其它溶剂(统称为湿分)的过程。过程。q一、固体物料的去湿方法一、固体物料的去湿方法:机械去湿法:即通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除机械去湿法:即通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除去湿分。去湿分。物理化学去湿法:用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸收物理化学去湿法:用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸收水分。该法费用高,操作麻烦,只适用于小
3、批量固体物料的去水分。该法费用高,操作麻烦,只适用于小批量固体物料的去湿,或用于除去气体中的水分。湿,或用于除去气体中的水分。热能去湿法:如蒸发、干燥等热能去湿法:如蒸发、干燥等用加热的方法使水分或其它溶剂汽化,并将产生的蒸气排用加热的方法使水分或其它溶剂汽化,并将产生的蒸气排除,藉此来除去固体物料中湿分的操作,称为除,藉此来除去固体物料中湿分的操作,称为固体的干燥固体的干燥。第一节第一节概述概述二、干燥过程的分类1、按操作压力分:常压干燥真空干燥2、按操作方式分:连续式干燥间歇式干燥3、按给湿物料提供热能的方式分:传导干燥(间接加热干燥):将热能以传导的方式通过金属壁面传给湿物料。特点:热能
4、利用率高。对流干燥:(直接加热干燥):将热能以对流的方式传给与其直接接触的湿物料。特点:热能利用率比传导干燥低。辐射干燥:热能以电磁波的形式由辐射器发射,射至湿物料表面被其吸收再转变为热能。介电加热干燥:将需要干燥的物料置于高频电场的交变作用使物料加热而达到干燥。三、对流干燥过程1、对流干燥的流程空气预热器干燥器废气湿物料干燥产品2、对流干燥的特点湿物料ttwpspwQN必要条件:是物料表面所产生的是蒸汽(或其它蒸汽)压力要大于干燥介质中水汽(或其它蒸汽)的分压。干燥介质:用来传递热量(载热体)和湿份(载湿体)的介质。由于温差的存在,气体以对流方式向固体物料传热,使湿份汽化;在分压差的作用下,
5、湿份由物料表面向气流主体扩散,并被气流带走。对流干燥过程原理温度为 t、湿份分压为 p 的湿热气体流过湿物料的表面,物料表面温度 ti低于气体温度 t。注意:只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压,干燥即可进行,与气体的温度无关。气体预热并不是干燥的充要条件,其目的在于加快湿份汽化和物料干燥的速度,达到一定的生产能力。HtQWtippiM干燥是热、质同时传递的过程干燥过程热空气流过湿物料表面热量传递到湿物料表面湿物料表面水分汽化并被带走表面与内部出现水分浓度差内部水分扩散到表面传热过程传热过程传质过程传质过程传质过程传质过程干燥过程推动力传质推动力:物料表面水分压P表水热空气中的水分压P空水
6、传热推动力:热空气的温度t空气物料表面的温度t物表对流干燥过程实质除水分量除水分量空气消耗量空气消耗量干燥产品量干燥产品量热量消耗热量消耗干燥时间干燥时间物料衡算物料衡算能量衡算能量衡算涉及干燥速率和水在涉及干燥速率和水在气固相的平衡关系气固相的平衡关系涉及湿空气的性质涉及湿空气的性质干燥过程基本问题解决这些问题需要掌握的基本知识有:(1)湿分在气固两相间的传递规律;(2)湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化;(3)物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征;(4)干燥过程中物料衡算关系、热量衡算关系和速率关系。本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基本问题,介绍的范围主要针对连续稳态的
7、干燥过程。湿空气:指绝干空气与水蒸汽的混合物。在干燥过程中,随着湿物料中水份的汽化,湿空气中水份含量不断增加,但绝干空气的质量保持不变。因此,湿空气性质一般都以1kg绝干空气为基准。操作压强不太高时,空气可视为理想气体。系统总压P:湿空气的总压(kN/m2),即P干空气与P水之和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。且干燥操作通常在常压下进行,常压干燥的系统总压接近大气压力,热敏性物料的干燥一般在减压下操作。第二节第二节湿空气的性质及湿度图湿空气的性质及湿度图一、湿空气的性质一、湿空气的性质1水蒸气分压水蒸气分压pv空气中水蒸气分压愈大,水分含量就愈高,根据气体分空气中水蒸气分压愈大,水分含量就
8、愈高,根据气体分压定律,则有压定律,则有2湿度湿度(humidity)H-容纳水分的能力容纳水分的能力 又称为湿含量或绝对温度又称为湿含量或绝对温度(absolutehumidity)。它以湿它以湿空气中所含水蒸汽的质量与绝对干空气的质量之比表示,使空气中所含水蒸汽的质量与绝对干空气的质量之比表示,使用符号,其单位为:用符号,其单位为:kg水气水气/kg干空气干空气。第二节第二节湿空气的性质及湿度图湿空气的性质及湿度图一、湿空气的性质一、湿空气的性质常温下,湿空气可视为理想气体,则有常温下,湿空气可视为理想气体,则有在饱和状态时,湿空气中水蒸气分压在饱和状态时,湿空气中水蒸气分压pv等于该空气
9、温度等于该空气温度下纯水的饱和蒸气压下纯水的饱和蒸气压ps,则有则有由于水的饱和蒸气压仅与温度有关,故湿空气的饱和湿由于水的饱和蒸气压仅与温度有关,故湿空气的饱和湿度度(容纳水分的最大能力容纳水分的最大能力)是温度和总压的函数,即是温度和总压的函数,即3相对湿度相对湿度当当pv=0时,时,=0,表示湿空气不含水分,即为绝干空气。表示湿空气不含水分,即为绝干空气。当当pv=ps时,时,=1,表示湿空气为饱和空气。表示湿空气为饱和空气。在一定温度及总压下,湿空气的水汽分压在一定温度及总压下,湿空气的水汽分压pv与同温度下与同温度下水的饱和蒸汽压水的饱和蒸汽压pS之比的百分数,称为相对湿度之比的百分
10、数,称为相对湿度(relative humidity),用符号用符号表示,即表示,即相对湿度相对湿度(RelativehumidityRelativehumidity)若t 总压下湿空气的沸点,湿份psP,最大(空气全为水汽)湿份的临界温度,气体中的湿份已是真实气体,此时=0,理论上吸湿能力不受限制。j=f(H,t)ps 随温度的升高而增加,H 不变提高t,气体的吸湿能力增加,故空气用作干燥介质应先预热。H 不变而降低t,空气趋近饱和状态。当空气达到饱和状态而继续冷却时,空气中的水份将呈液态析出。u相对湿度:湿空气相对湿度:湿空气吸收水分吸收水分的能力,可以说明湿空气偏的能力,可以说明湿空气偏
11、离饱和空气的程度,能用于判定该湿空气能否作为干燥介离饱和空气的程度,能用于判定该湿空气能否作为干燥介质,质,值与越小,则吸湿能力越大。值与越小,则吸湿能力越大。u湿度:湿空气湿度:湿空气容纳水分容纳水分的能力的能力在一定总压和温度下,两者之间的关系为在一定总压和温度下,两者之间的关系为相对湿度和绝对湿度的关系相对湿度和绝对湿度的关系相相对对湿湿度度和和绝绝对对湿湿度度的的关关系系u饱和湿度:湿空气饱和湿度:湿空气容纳水分的最大容纳水分的最大能力能力4.比容H(Humidvolume)或湿比容(m3/kg绝干气体)比容:比容:1kg绝干空气和相应水汽体积之和。5.比热cH(Humidheat)或
12、比热容KJ/(kg)比热:比热:1kg绝干空气及相应水汽温度升高1所需要的热量式中:cg 绝干空气的比热,KJ/(kg);cv 水汽的比热,KJ/(kg)。对于空气-水系统:cg=1.01kJ/(kg),cv=1.88kJ/(kg)6.焓I(Totalenthalpy)焓:1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。由于焓是相对值,计算焓值时必须规定基准状态和基准温度,一般以0为基准,且规定在0时绝干空气和水汽的焓值均为零,则对于空气-水系统:显热项汽化潜热项7.干燥过程中的物料温度(1)干球温度t:湿空气的真实温度,简称温度(或K)。将温度计直接插在湿空气中即可测量。(2)空气的湿球温度(Wet-
13、bulbtemperature)qN对流传热hkH气体t,H气膜对流传质液滴表面tw,Hw液滴气体ttwl对于某一定干球温度的湿空气,其相对湿度越低,湿球温度对于某一定干球温度的湿空气,其相对湿度越低,湿球温度值越低。对于饱和湿空气而言,其湿球温度与干球温度相等。值越低。对于饱和湿空气而言,其湿球温度与干球温度相等。在稳定状态时,空气向湿纱布表面的传热速率为:在稳定状态时,空气向湿纱布表面的传热速率为:Q=S(t-tw)气膜中水气向空气的传递速率为:气膜中水气向空气的传递速率为:N=kH(Hs,tw-H)S在稳定状态下,穿热速率和传质速率之间的关系为:在稳定状态下,穿热速率和传质速率之间的关系
14、为:Q=Nrtwl湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度,而并不代表空气的真湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度,而并不代表空气的真实温度,由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定,故称其为湿实温度,由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定,故称其为湿空气的湿球温度,所以它是表明湿空气状态或性质的一种参数。空气的湿球温度,所以它是表明湿空气状态或性质的一种参数。强调强调:湿球温度 tw 定义式 饱和气体:H=Hs,tw=t,即饱和空气的干、湿球温度相等。不饱和气体:H Hs,tw tas(或 tw)td;饱和空气t=tas=td【思考题】1解释春季回潮、冬季干燥现象。解释春季回潮-湿度,饱和湿度,露点;冬季
15、干燥-相对湿度。2在静止的空气中有一干球温度计和一湿球温度计,若这两种温度计所测得的温度相差较小时,即说明该空气的湿度H(大)。若使静止的空气流动,则这两个温度计的温差将会(增大)。分析:若两温度计所测温差小-说明空气中吸收水分少,本身容纳水分多,即湿度大。若空气流动,则吸收水分的能力强,即温差大。3测定湿球温度和绝热饱和温度时,若水的初温不同,对测定结果是否有影响?为什么?讨论:因为湿球温度和绝热饱和温度只是空气的状态函数,与水温无关。分析:相对湿度 1-由H求1(查20时水的饱和蒸汽压ps=2.334kpa)空气中的水气分压为:2-温度提高后,Ps提高,H 不变且pt不变,即空气中水汽分压
16、来变。【例7-1】湿 空气在总压101.3kpa、干球温度为20下,湿度为 0.01,求:相对湿度 温度提高到50,计算相对湿度 总压提高到125kpa,温度为20,计算相对湿度 如总压提高到250kpa,温度维持20不变,计算每100m3原来湿空气所冷凝出来的水分量。2-温度提高后-减小查附录ps=14.99kPa,2=p/ps=1.603/14.99=10.7%3-温度不变,H不变,总压改变,则水汽分压为:总压增大,相对湿度增大,吸收水分的能力降低。总压P增大-求Hs-析出的水量。当总压为101.3kPa时,空气中水气分压为1.603kPa,现总压为250kPa,约为原总压的2.5倍,因p
17、与ps成正比,则理论上水气分压可达到p=2.51.603=4.01kPa,但实际上20下水的饱和蒸汽压ps=2.334kPa,因此在加压中必有水析出,空气中水气分压保持不变,空气湿度变为饱和湿度,即:Hs=0.622ps/(pt-ps)=0.6222.334/(259-2.334)=0.00586加压前空气湿度H=0.01kg水/kg干空气加压后每kg干空气所冷凝水分量为:H=H-Hs=0.01-0.00586=0.00414kg水/kg干空气原空气比容为:vH=(0.772+1.244H)(273+T)/273=0.842m3/kg干空气则100m3原湿空气所冷凝水分量为:W1000.004
18、14/0.842=0.492kg结论1当总压一定时,气体温度越高,其容纳水分的最大能力越大。(为何预热)2温度一定时,总压增大,空气容纳水分的最大能力下降,从而干燥多在常压或真空条件下进行。二、湿度图二、湿度图(HumiditychartHumiditychart)湿空气参数的计算比较繁琐,甚至需要试差。为了方便和直观,通常使用湿度图。等湿线等焓线等温线饱和空气线p-H线空气湿度图的绘制(Humiditychart)对于空气-水系统,tastw,等tas 线可近似作为等tw线。每一条绝热冷却线上所有各点都具有相同的tas。物理意义:以绝热冷却线上所有各点为始点,经过绝热饱和过程到达终点时,所有
19、各状态的气体的温度都变为同一温度。横坐标:空气的湿度,所有的横线为等湿度线。右侧纵坐标:空气的干球温度,所有纵线为等温线。(1)等湿度线(等H 线)(2)等焓线(等I 线)对给定的tas:t=f(H)在同一条等湿线上不同点所代表的湿空气状态不同,但H相同,露点是将湿空气等H冷却至=1时的温度。(3)等干球温度线(等t 线)I与H呈直线关系,t越高,等t线的斜率越大,读数0-250C。(4)等相对湿度线(等 线)总压P 一定,对给定的:因 ps=f(t),故 H=f(t)。(5)蒸气分压线总压P 一定,ps=f(H),p-H近似为直线关系。AEDFBCtwtd=1HpI干球温度干球温度t、露点露
20、点td、湿球温湿球温度度tw(或绝热饱和温度或绝热饱和温度tas)都都是由等是由等t线确定的。线确定的。根据湿空气任意两个独立的参数,就可以在根据湿空气任意两个独立的参数,就可以在H-I图上确定该图上确定该空气的状态点,然后查出空气的其他性质。空气的状态点,然后查出空气的其他性质。非独立的参数如:非独立的参数如:tdH,pH,tdp,twI,tasI等,它们均等,它们均在同一等在同一等H线或等线或等I线上。线上。湿焓图的说明与应用湿焓图的说明与应用通常根据下述已知条件之一来确定湿空气的状态点,已知条通常根据下述已知条件之一来确定湿空气的状态点,已知条件是:件是:0HA=1ttwI1230HA=
21、1ttdI1230HA=1tI12()湿空气的干球温度()湿空气的干球温度t和湿球温度和湿球温度tw;()湿空气的干球温度()湿空气的干球温度t和露点和露点td;()湿空气的干球温度()湿空气的干球温度t和相对湿度和相对湿度。空气湿焓图的用法(Useofhumiditychart)两个参数在曲线上能相交于一点,即这两个参数是独立参数,这些参数才能确定空气的状态点。=100%,空气达到饱和,无吸湿能力。100%,属于未饱和空气,可作为干燥介质。越小,干燥条件越好。1.确定空气的干燥条件2.确定空气的状态点,查找其它参数3.确定绝热饱和冷却温度1)等I干燥过程等焓干燥过程又称绝热干燥过程。a.不向
22、干燥器重补充热量,即QD=0.b.忽略干燥器向周围散失的热量,即QL=0.c.物料进出干燥器的焓相等,即G(I2_I1)=0沿等I线,空气t1、t2意志,即可确定H1、H2。2)等H干燥过程恒压下,加热或冷却过程。【例7-2】已知湿空气的总压为已知湿空气的总压为101.3kN/m2,湿度为湿度为H=0.02kg水水/kg干空气,干球温度为干空气,干球温度为70oC。试用试用I-H图图求解:求解:(a)水蒸汽分压水蒸汽分压p;(b)相对湿度相对湿度;(c)热焓热焓;(d)露露点点td;(e)湿球温度湿球温度tw;解解由已知条件:由已知条件:101.3kN/m2,H=0.02kg水水/kg干干空气
23、空气,t=20oC,在在I-H图上定出湿空气的状态点点。图上定出湿空气的状态点点。pv=3kN/m2=10%I122kJ/kg干空气干空气td=24oCtw=33oCProblems1P355:ExercisesNo.7-4andNo.7-7第三节第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算干燥过程的物料衡算和热量衡算干燥过程的计算中应通过干燥器的物料衡算和热量衡算计算干燥过程的计算中应通过干燥器的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。型号的鼓风机、设计或选择换热器等。一、物料
24、含水量的表示方法一、物料含水量的表示方法1湿基含水量湿基含水量w以湿物料为计算基准的物料中水分的质量分率或质量百分数。以湿物料为计算基准的物料中水分的质量分率或质量百分数。第三节第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算干燥过程的物料衡算和热量衡算一、物料含水量的表示方法一、物料含水量的表示方法不含水分的物料通常称为绝对干物料或称干料。以绝对干物不含水分的物料通常称为绝对干物料或称干料。以绝对干物料为基准的湿物料中含水量,称为干基含水量,亦即湿物料中水料为基准的湿物料中含水量,称为干基含水量,亦即湿物料中水分质量与绝对干料的质量之比,单位为分质量与绝对干料的质量之比,单位为kg水分水分/kg绝干料。绝
25、干料。两种含水量之间的换算关系为两种含水量之间的换算关系为注:工业上常采用湿基含水量。注:工业上常采用湿基含水量。2干基含水量干基含水量:二、干燥过程的物料衡算(二、干燥过程的物料衡算(Mass balanceMass balance)G1湿物料进口的质量流率,kg/s;G2产品出口的质量流率,kg/s;Gc绝干物料的质量流率,kg/s;w1物料的初始湿含量;w2产品湿含量;L绝干气体的质量流率,kg/s;H1气体进干燥器时的湿度;H2气体离开干燥器时的湿度;W单位时间内汽化的水分量,kg/s。湿物料G1,w1干 燥产品G2,w2热空气L,H1湿废气体L,H2绝干空气消耗量绝干空气比消耗水分蒸
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