化工原理第十二章-干燥

1、化工原理化工原理 Principles of Chemical Engineering任課教師：周勇Pro.Dr. zhou Yong第十二章第十二章 干干 燥燥 Chapter 12 DryingChapter 12 Drying除濕的慣用做法：機械方法+干燥。固體干燥固體干燥 利用熱能去除濕物料中的濕分，獲得固體產(chǎn)品的單元操作。干燥方法的分類傳導干燥、對流干燥、輻射干燥對流干燥流程干燥的經(jīng)濟性主要取決于能耗和熱的利用率。干燥可以連續(xù)操作也可以間歇操作。物料與氣流可以并流，也可以逆流或其他接觸形式風機風機 預熱器預熱器干燥器干燥器空氣空氣廢氣廢氣濕物料濕物料干燥產(chǎn)品干燥產(chǎn)品qWt ti 氣體

2、傳熱給固體對流傳熱；傳熱推動力 t=t-tipi p 濕分由物料表面向氣流主體傳遞對流傳質。傳質推動力 p =pi-p特點特點：熱、質同時反向傳遞。 氣體稱為干燥介質。tqWtippi注意：只要物料表面的濕分分壓高于氣體中濕分分壓，干燥即可進行，與氣體的溫度無關。 氣體預熱并不是干燥的充要條件，其目的在于加快濕份汽化和物料干燥的速度，達到一定的生產(chǎn)能力。對流干燥過程原理濕氣體的性質濕氣體：絕干氣體與濕份蒸汽的混合物，其性質與濕份蒸汽的數(shù)量有關。干球溫度 t氣氣體體t濕氣體的真實溫度，簡稱溫度（或 K）。將溫度計直接插在濕氣體中測得的溫度就是干球溫度。濕氣體中濕份蒸汽的壓力，用 p 表示（kPa

3、）。濕份分壓 psppmax對于空氣-水系統(tǒng)：Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96 kg/kmolpPpMMMnMnHgwggwwpPpH622. 0每 kg 絕干氣體所攜帶的濕氣量，簡稱濕度， H ，kg濕份蒸汽/kg絕干氣體。P一定時，H=f（p） 絕對濕度 H絕干氣體質量濕分蒸汽質量H濕氣體濕氣體濕份蒸汽濕份蒸汽: nw，Mw絕干氣體絕干氣體:ng，Mg%100spp一定的系統(tǒng)總壓和溫度下，氣體中濕份蒸汽的分壓 p 與系統(tǒng)溫度下濕份的飽和蒸汽壓 ps 之比。相對濕度 濕氣體飽和度的量度 =100%時，濕氣體已達飽和狀態(tài)，不能再吸濕。 值越小，濕氣體偏離飽和的程度越遠，吸濕潛力

4、越大。sspPpH622. 0對于空氣-水系統(tǒng)：H一定，t，氣體的吸濕能力增加，故氣體用作干燥介質時常預熱。H一定，t，氣體趨近飽和狀態(tài)。當氣體達到飽和狀態(tài)（露點）而繼續(xù)冷卻時，氣體中的濕份將以液態(tài)形式析出。 P一定時， = f (H, t)pPpH622. 0%100spp84.23311.39915916.18exp152tps【例12-1】擬將溫度20的空氣預熱至150用作干燥介質，已知預熱前空氣的相對濕度為80%，濕份為水，總壓P =101.325kN/m2。試求： 空氣的濕度； 預熱后空氣的相對濕度和最大相對濕度。解： 水在20下的飽和蒸汽壓為kPatps338. 284.23320

5、11.39915916.18exp15284.23311.39915916.18exp152空氣的濕度為絕干氣體水汽 kgkgpPpHss0117. 0338. 28 . 0325.101338. 28 . 0622. 0622. 0空氣中水汽分壓為kPapps87. 1338. 28 . 0kPaps44.48284.23315011.39915916.18exp152%39. 044.48287. 1spp%2144.482325.101maxspP（2）水在150的飽和蒸汽壓為空氣預熱至150時的相對濕度為 可見，將空氣從20加熱至150，相對濕度從80%降至0.39%，吸濕能力增加。

6、當空氣中水汽分壓等于總壓時相對濕度達到最大，即150空氣相對濕度的變化范圍為021%。每 kg 絕干氣體連同它所攜帶的 H kg 濕份蒸汽溫度升高1所需要的熱量，cH，kJ/ kg絕干氣體。 HcccvgHHcH884. 1005. 1cg 絕干氣體的比熱，kJ/ kg絕干氣體；cv 濕份蒸汽的比熱，kJ/kg濕份蒸汽 。對于空氣-水系統(tǒng)：cg=1.005 kJ/(kg)，cv=1.884 kJ/(kg) 濕比熱（Humid heat） (1+H)kg濕氣體每 kg 絕干氣體連同它所攜帶的 H kg 濕份蒸汽所具有的焓之和， iH ，kJ/kg絕干氣體?；鶞剩焊蓺怏w的焓取0的氣體為基準，濕分的

7、焓取0下的液態(tài)濕份為基準，則對于空氣-水系統(tǒng)：vgHHiiiHrtcHrtHcciHvgH00)(HtHiH27.2491)884. 1005. 1 (tcigg濕焓tcrivv0每 kg 絕干氣體連同它所攜帶的 H kg 濕份蒸汽所具有的體積， H ，m3/kg絕干氣體。常壓下（P=101.325kN/m2 ）：PtHPtHvH273)462. 0287. 0(325.1012732734 .2218291)273)(004557. 0002835. 0(tHvH對于空氣-水系統(tǒng)：1kg 絕干氣體和 H kg 濕份蒸汽的摩爾數(shù)為18291H體積濕比容（Humid volume） 絕熱飽和溫度

8、 tas總壓一定，濕氣體絕熱降溫增濕至飽和狀態(tài)的溫度。 tas 補充水補充水 飽和空氣飽和空氣 tas ,Has 絕熱絕熱 濕空氣濕空氣 t ,H tas 絕熱飽和塔示意圖絕熱飽和塔示意圖asasasHrHHLttLc)()()(HHcrttasHasasHtftas,rastas 溫度下的汽化熱Hastas 溫度下的飽和濕度 對給定物系，tas僅由氣體狀態(tài)唯一決定，已知 t 和 H，可用試差求解 tas： asasasasasHttHrtcH,假設一個asastr3 . 227.2491asasaspPpH622. 084.23311.39915916.18exp152asastp)(HHc

9、rttasHasas分析：分析： 絕熱過程，系統(tǒng)總焓不變忽略水的顯熱（Wcwtas/L)時，濕氣體為等焓過程。氣體放出的顯熱以潛熱的形式返還氣體。asHwHLiWiLiwHHWiiiLas tas 補充水補充水 W,tas 飽和空氣飽和空氣 L,tas ,Has 絕熱絕熱 濕空氣濕空氣 L,t ,H tas 絕熱飽和塔示意圖絕熱飽和塔示意圖 aswHHtWciiLas大量氣體與少量液體長期接觸后，熱、質傳遞達到穩(wěn)態(tài)時的液體溫度稱為氣體的濕球溫度。)(wtthqwNrq wwHwr)HH(k)tt ( h)(HHrhkttwwHw對流傳熱對流傳熱 qhkH氣體氣體t, H對流傳質對流傳質N液滴表

10、面液滴表面tw, Hw液滴液滴rwtw溫度下的汽化熱Hwtw溫度下的飽和濕度 )HH(kNwH濕球溫度 tw 濕球溫度 tw 定義式 由于方程的非線性，求解 tw 需用試差法。 對于空氣-水系統(tǒng)：1hckHH)(HHcrttwHwwwwtr3 . 227.2491wwwpPpH622. 084.23311.39915916.18exp152wwtpt 不太高，u 較大時，熱質均以對流傳遞為主，比值kH /h與流速無關，而取決于物系性質和氣體狀態(tài)。因此，對給定物系，tw僅由氣體狀態(tài)唯一決定，即tw = f (t, H ) 飽和氣體（ =1）：H=Hw，tw=t，干、濕球溫度相等不飽和氣體：HHw

11、，twt，相差越大，濕含量越低)(HHcrttwHww)(HHcrttasHasas濕球溫度和絕熱飽和溫度的關系（1）兩者有著完全不同的物理意義；（2）它們都不是濕氣體本身（或始態(tài)）的溫度，但都取決于濕氣體的狀態(tài)（t，H）；（2）對空氣-水系統(tǒng)，它們在數(shù)值上相等，twtas。 濕度的測定 濕球溫度計測定濕球溫度的條件是保證純對流傳熱，即氣體應有較大的流速和不太高的溫度，否則，熱傳導或熱輻射的影響不能忽略，測得的濕球溫度會有較大的誤差。 通過測定氣體的干球溫度和濕球溫度，可以計算氣體的濕度：wwHwrttcHH)( 氣體氣體ttw露點 td濕氣體等壓降溫至飽和時對應的溫度。 濕份分壓常通過測定露

12、點溫度來測定 。 在總壓一定時，露點與濕份分壓之間有單一函數(shù)關系。p =ps(td)對于空氣-水系統(tǒng)：84.23311.39915916.18exp152dtpkPa.pCs341250 時，查表：【例】已知：t=50，P=101.3kPa，H=0.016kg水汽/kg絕干氣體。求：i、p、td、tw 。解：kgkJ.H.tH.iH629101602724915001608841005127249188410051pPpH622. 0kPa.HPHp54262200160016031016220%.pps5820341254284.23311.39915916.18exp152tps將 p =

13、2.54kPa代入上式得C.td272184233113991591618152.t.exppwwwwwpPp.H6220)(HHcrttwHwwwwtr3 . 227.2491試差得：C.tw728 總壓一定時，上述濕空氣的參數(shù)中只總壓一定時，上述濕空氣的參數(shù)中只有兩個參數(shù)是獨立的，工程上為了方便起見，將諸有兩個參數(shù)是獨立的，工程上為了方便起見，將諸參數(shù)之間的關系在平面坐標上繪制成濕度圖。參數(shù)之間的關系在平面坐標上繪制成濕度圖。氣體濕度圖(1) 等相對濕度線（等 線）總壓 P 一定，對給定的 ：因 ps= f (t) ， 故 H = f (t) 。sspPpH622. 0空氣濕度圖的繪制對空

14、氣-水系統(tǒng)，tas tw，等 tas 線可近似作為等tw線。每一條絕熱冷卻線對應一個確定的 tas，故該線上所有各點都具有相同的 tas。即以絕熱冷卻線上所有各點為始點，經(jīng)過絕熱飽和過程到達終點時，所有各狀態(tài)的氣體的溫度都變?yōu)橥粶囟取?(HHcrttasHasas(2) 絕熱冷卻線（等 tas 線）對給定的 tas： t = f (H) 。(3) 濕熱-濕度線（cH - H） 濕比熱是濕度的函數(shù)，在圖示溫度范圍內與溫度無關。HcH884. 1005. 1總壓總壓 P = 101.325 kPa 時：時： (4) 濕比容-溫度線（H - H）273004557. 0002835. 0tHvH2

15、73004557. 0002835. 0tHvasHas對于對于P = 101.325 kPa 的飽和空氣：的飽和空氣： 由于由于Has= f (t) ，故，故 Has = f (t) 。注意：高溫 t H 圖具有不同的特點。【例12.6】已知t=62，H=0.092，求、tas、tw、td、cH和 iH。 過P點的絕熱冷卻線與 =100%等相對濕度線的交點對應的溫度即為絕熱飽和溫度，tw=tas=52 ；解：解：由t=62、H=0.092確定空氣中狀態(tài)點P；過P點的等 線上讀得 =60%；cH H = 60%1.18cH kJ/(kg絕干氣體絕干氣體K) 0.092濕度濕度 H絕熱冷卻線絕熱

16、冷卻線tdtas62溫度溫度 tP 過P點的等濕度線（H=0.092）與 =100%等相對濕度線的交點對應的溫度即為露點溫度，td=51； = 100%5251空氣濕度圖的用法cH H = 60%1.18cH kJ/(kg絕干氣體絕干氣體K) 0.092濕度濕度 H絕熱冷卻線絕熱冷卻線tdtas62溫度溫度 tP = 100%5251 過P點的等濕度線與 cH -H 線的交點在頂部橫軸上的讀數(shù)即為 cH ， cH =1.18 kJ/(kg絕干氣體K) ； 在 H t 線簇中內插找到 H=0.092 的直線，該直線與 t = 62 的等溫線相交于一點，由該交點讀得 H =1.092 m3/kg絕

17、干氣體；62溫度溫度 t1.092 H (m3/kg) H tkJ/kg.).(iH26302092027249162092088410051 在 t-H 圖中沒有濕焓 iH，可直接由公式計算： Has tH=0.092在橫軸上作t=52的等溫線與 =100%的等相對濕度線相交，作過此交點的絕熱冷卻線，與 t = 62 的等溫線的交點即為空氣狀態(tài) P 點。【例12.7】測得空氣的干球溫度 t = 62，濕球溫度 tw=52，試求空氣的H、tas、td和iH。 解：解：tw = tas = 52；先確定 tas = 52 的絕熱冷卻線。 = 60%0.092濕度濕度 H絕熱冷卻線絕熱冷卻線tdt

18、as62溫度溫度 tP = 100%5251由氣體狀態(tài) P 點，用上例中類似的方法可以查出H=0.092， =60%，td=51，計算得出 iH = 302.26 kJ/kg。 【例12.8】已知空氣的露點溫度 td=51，相對濕度 =60% ，試求 t、H、tas、tw 和 iH。 解：解：由 t=51 的等溫線 與 =100% 的等相對濕度線的交點作過該點的等濕度線（H=0.092），該線與 =60% 的等相對濕度線交于 P 點。 = 60%0.092濕度濕度 H絕熱冷卻線絕熱冷卻線tdtas62溫度溫度 tP = 100%5251 由氣體狀態(tài)P點，用上例中類似的方法可以讀出 P 點對應的

19、空氣參數(shù)：t=62，H=0.092，tas= tw=52，計算得 iH = 302.26 kJ/kg。 濕空氣性質小結（1）當總壓一定時，表征濕空氣狀態(tài)只有兩個獨立參數(shù)。即已知兩個相互獨立的參數(shù)，其它參數(shù)即可確定。（2）t、tw、tas、td 的關系 =1，t =tw =tas =td tw =tas td習題習題12.312.22濕基濕含量w干基濕含量X物料濕分的表示方法 WGWwc濕物料的質量量物料所含液態(tài)濕份的質cGWX絕干物料的質量量物料所含液態(tài)濕份的質XXw1wwX1工業(yè)生產(chǎn)中，物料濕含量常以濕基濕含量表示，在干燥計算中則以干基濕含量表示較為方便。 Gc絕干物料質量；W液態(tài)濕分質量。

20、濕份在氣體和固體間的平衡關系 X*與氣體濕度、溫度和物料種類有關。pe 與物料濕含量、溫度和物料種類有關。)(*pfX 濕物料濕空氣pX接觸時間*XX 平衡曲線達平衡狀態(tài)時平衡濕含量pX*XX*p一定濕份在氣體和固體兩相間的平衡關系決定了濕份的傳遞方向（干燥或吸濕）和限度（干燥程度）。pXpsXhX*p平衡蒸汽壓曲線 一定溫度下，物料濕含量與平衡蒸汽壓的關系。 X1XhX* 平衡蒸汽壓曲線與溫度有關。但若采用相對濕度時，平衡蒸汽壓曲線隨溫度的變化就較小。結合水分：以化學力或物理化學力與固體結合的水分。非結合水分：機械地附著于固體表面或顆粒層的大空隙（不存在毛細管力）中，與物料沒有任何形式的結合

21、的水分。濕含量濕含量 XXh相對濕度相對濕度 非結合水分非結合水分結合水分結合水分01.00.5結合水分與非結合水分 結合水與非結合水的區(qū)別是其表現(xiàn)的平衡蒸汽壓不同非結合水的性質與純水相同，其平衡蒸汽壓即為同溫度下純水的飽和蒸汽壓，與物料性質無關。XXh 結合水所表現(xiàn)出的蒸汽壓則低于同溫度下純水的飽和蒸汽壓，并與水分和物料結合力的強弱有關。 XXh平衡水分：低于平衡濕含量 X* 的水分。是不可除水分。自由水分：高于平衡濕含量 X* 的水分。是可除水分。濕含量濕含量 XXh相對濕度相對濕度 非結合非結合水分水分結合水分結合水分自由水分自由水分平衡平衡水分水分X*01.0X 平衡水分和自由水分 飽

22、和氣體( =1)與濕物料接觸 若XXh，物料濕含量不變。 若XXh，物料吸濕至最大吸濕濕含量 Xh。不飽和氣體(X*，濕物料被干燥，干燥過程的極限為X*。 若XX*，物料吸濕。濕含量濕含量 XXh相對濕度相對濕度 非結合水分非結合水分結合水分結合水分自由水分自由水分平衡平衡水分水分X*01.00.5X 物料不可能通過吸收飽和氣體中的濕份使?jié)窈砍^Xh。欲使物料增濕超過Xh，必須與液態(tài)水直接接觸。欲使物料減濕至絕干，必須與絕干氣體接觸！結合水與非結合水是以水與固體物料之間的結合力來區(qū)分的，表現(xiàn)為平衡蒸汽壓的不同，其大小只與濕固體的性質有關而與氣體狀態(tài)無關。濕含量濕含量 XXh相對濕度相對濕度

23、非結合水分非結合水分結合水分結合水分自由水分自由水分平衡平衡水分水分X*01.00.5X 水分性質水分性質結合力結合力平衡蒸汽壓平衡蒸汽壓非結合水非結合水機械力機械力pe=ps結合水結合水化學力，物理化學力，物理化學力化學力peXc=tw，pi=ps()不變h 和 kp 不變q 和 N 恒定在恒速干燥階段汽化的是非結合水。此時，由物料內部向表面輸送的濕份足以保持物料表面充分濕潤，干燥速率由濕份汽化速率控制（取決于物料外部的干燥條件），故恒速干燥段又稱為表面汽化控制階段。恒定干燥條件：t，p，u 恒定（pi-p）， （t-）不變降速干燥段： XXcpi tw 且不斷上升h 和 kp 變化不大q

24、和 N 減小恒定干燥條件：t，p，u恒定（pi-p）， （t-）減小降速段汽化的是內部非結合水和結合水。干燥速率取決于物料的結構、形狀和尺寸，而與干燥介質狀況關系不大。故降速階段又稱物料內部遷移控制階段。 臨界濕含量不但與物料本身的結構、分散程度有關，也受干燥介質條件（流速、溫度、濕度）的影響。臨界濕含量注意：Xc和Xh同為臨界點處的濕含量，但兩者又有所不同。 Xc Xh 。物料分散越細，臨界濕含量越?。缓闼俣蔚母稍锼俾试娇?，臨界濕含量越高，即降速段較早開始。物物 料料 空氣條件空氣條件 臨界濕含量臨界濕含量 品種品種厚度厚度mm速度速度m/s溫度溫度相對濕度相對濕度%kg水水/ kg干料干料

25、粘土粘土6.41.0370.100.11粘土粘土15.91.0320.150.13粘土粘土25.410.6250.400.17高嶺土高嶺土302.1400.400.181鉻革鉻革101.549-1.25砂砂0.044mm252.05440.074mm253.45740.177mm253.5530.150.0530.2080.295mm253.5550.170.053新聞紙新聞紙-0190.351.00鐵杉木鐵杉木254.0220.341.28羊毛織物羊毛織物-25-0.31白嶺粉白嶺粉31.81.0390.200.084白嶺粉白嶺粉6.41.03

26、7-0.04白嶺粉白嶺粉16911260.400.13某些材料的臨界濕含量（c）干燥介質自下而上穿過流化物料層。（好） （a）干燥介質平行掠過物料層表面。（差）（b）干燥介質自下而上穿過固定物料層。（中） 物料尺寸和氣固接觸方式影響干燥過程的主要因素 減小物料尺寸，干燥面積增大，干燥速率加快。干燥介質條件 恒速干燥段為表面汽化控制，提高氣體溫度、降低濕度、提高氣速，可以增加傳熱傳質推動力，降低阻力，提高恒速段的干燥速率。降速干燥段受內部遷移控制，強化外部干燥條件對干燥速率的提高遠不如恒速段有效。物料本性不影響恒速段的干燥速率，但對降速段干燥速率有重要影響。不同的物料，其結構不同，與水分的結合方

27、式不同，結合力強弱不同，干燥速率差異大。物料本性 恒速段恒速段降速段降速段去除的水分去除的水分非結合水非結合水內部非結合水，結合水內部非結合水，結合水表面溫度表面溫度 = tw = tw t影響速率的影響速率的主要因素主要因素空氣性質，流速；空氣性質，流速；與物料性質無關與物料性質無關固體內部水分擴散速率固體內部水分擴散速率恒速段與降速段小結小結 12.512.6已知：絕干物料量 Gc，干燥面積 A，干燥速率曲線 求：X1X2 的干燥時間若對流傳熱面積，即干燥面積 A 已知，則求干燥時間 的問題就歸結為氣固對流給熱系數(shù) h 的求取。 cccXXccUXXGXUGc)(dd10111HHAkUw

28、Hc)()(11wwcctthArXXGconstXGWUcdddd干燥速率干燥時間恒速干燥段的干燥時間1或wwwcrtthArQU)( 干燥速率干燥速率 U 或或 NXcX*濕含量濕含量 XX1X2(1) 氣體平行流過板狀物料或靜止的物料層 L 濕氣體的質量流速，kg/(m2h)； h 給熱系數(shù)，W/(m2K)。u0空床氣速，m/s； L濕氣體質量流速，kg/(m2h)；dp物料粒徑，m； cp物料比熱，kJ/(kgK)；、 氣體的密度和粘度。 8 . 0)(0204. 0Lh3251. 00Pr95. 1udLchpp3500udp3241. 00Pr95. 1udLchpp3500udp

29、(2) 氣體穿流通過顆粒物料的固定床層 適用條件：L=245029300 kg/(m2h)，氣溫t =45150。 (3) 氣體通過顆粒流化床層 等速運動段(4) 氣流干燥器中氣體與顆粒間的傳熱 33. 03 . 10Pr016. 0uddhppg21054. 02udhdpgp56. 0014. 1udhdpgp Frantz 表觀給熱系數(shù)通用計算式 加速運動段注意：利用上述方程計算給熱系數(shù)來確定干燥速率和干燥時間，其誤差較大，僅能作為粗略估計。 聚氯乙烯 桐榮良三計算式【例12-10 】在一常壓操作的干燥器中干燥某板狀濕物料，濕份為水，將初始溫度為20、相對濕度為80% 的空氣加熱至150

30、用作干燥介質，熱空氣以3m/s的速度平行流過該物料的表面，干燥器在近似恒定的干燥條件下操作，試計算此板狀物料在恒速干燥段的干燥速度。解：恒速干燥段物料的表面溫度等于濕球溫度，根據(jù)例12-4的計算結果，進口熱空氣的濕度H=0.0117，濕球溫度tw=42.84，濕球溫度下的汽化潛熱kgkJ.rw72392844232272491熱空氣的密度 382970273150273422182911mkg.HH空氣的質量流速 hmkgsmkg.uL2289604892382970空氣對物料的給熱系數(shù) smW.L.h.28080612989600204002040物料在恒速段的干燥速度smkg.).(.r)

31、tt (hNwwc23310326110723928442150629水(1) 圖解積分法 降速段的干燥時間可以從物料干燥曲線上直接讀取。計算上通常是采用圖解法或解析法。 當降速段的U X 呈非線性變化時，應采用圖解積分法。 在 X2 Xc 之間取一定數(shù)量的 X 值，從干燥速率曲線上查得對應的 U，計算 Gc /U；作圖Gc /U X，計算曲線下面陰影部分的面積。ccXXcXXcXUGXUG222ddd02XoXcX2Gc / UcXXcUXG2d2降速干燥段的干燥時間2(2) 解析法 當降速段的干燥曲線（UX）為直線時可采用解析法。 降速段干燥速率曲線可表示為 XXXXUUccXXXXUUc

32、cXXXXUXXGXXdXUXXGUXG2ccccXXcccXXc2c2c2ln)()(dABCD干燥速率干燥速率 UXUXcX*濕含量濕含量 XUc當缺乏平衡水分的實驗數(shù)據(jù)時，可以假設 X* = 0。總的干燥干燥時間21【例12-14】在某常壓干燥器中將濕物料由 X1=0.25干燥至 X2=0.1，所用干燥時間為1.5小時，已知物料臨界濕含量 Xc=0.15，平衡濕含量 X*=0.01，降速干燥段可近似視為直線，求物料濕含量由0.35降至0.05所需的干燥時間。解：解：X由0.25降至0.1經(jīng)歷兩個干燥階段，總干燥時間XXXXUXXGUXXGccccccc2121ln)()(即 XXXXXX

33、XXUGccccc21ln)()(代入已知條件01. 01 . 001. 015. 0ln)01. 015. 0()15. 025. 0(5 . 1ccUG解得27. 9ccUG由此可得物料濕含量X由0.35降至0.05所需干燥時間 h.ln).().(.483010050010150010150150350279在降速階段，d 時間內氣體傳給固體的熱量應等于濕份的汽化和物料升溫所需的熱量，即 設干燥速率與自由含水率成正比（干燥曲線為直線），即dCGdXrGdthAmccXXKAddXGxc兩式聯(lián)立消去 d，得dCrdXdXXXKthmx邊界條件22wcXXtXX;XXNKccx干燥結束時的物

34、料溫度 解微分方程得上式的近似條件為：1）物料內部溫度均勻；2）降速段的干燥速率與濕含量成正比（直線）；3）水的汽化潛熱 r 取為常數(shù)（可取 tw下的值），物料比熱 Cm 也取為常數(shù)（取絕干物料的比熱）。)()()()()()(wmcttcXXrc2wm2w2ttcXXrXXXXttcXXrtttwmc習題習題新書：21，22連續(xù)干燥過程的特點 （1）沿設備長度方向氣體狀態(tài)不再恒定，t ，H ；設備長度溫度t1tb預熱階段表面汽化階段升溫階段1tw2tct2氣體溫度物料溫度（3）若忽略熱損失，表面汽化階段：物料溫度 = tw = constant，氣體為絕熱增濕，等焓過程。（2）無恒速干燥階段

35、、降速干燥階段，只分為預熱階段、表面汽化階段和升溫階段；并流干燥Qp預熱器向氣體提供的熱量，kW；Qd 向干燥器補充的熱量，kW；Ql 干燥器的散熱損失，kW。 濕物料濕物料G1 , w1 , 1, cm1干燥產(chǎn)品干燥產(chǎn)品G2 , w2 , 2, cm2熱氣體熱氣體L, H1, t1, i1濕廢氣體濕廢氣體L, H2, t2, i2濕氣體濕氣體L, H0, t0, i0QpQdQl預熱器預熱器干干燥燥器器為完成一定的干燥任務，需要確定干燥器的有關尺寸，還要配置適當?shù)娘L機和預熱器，干燥過程的物料衡算和熱量衡算是解決這些問題的基礎。物料的濕比熱 cm：1kg 絕干物料連同它所攜帶的 X kg 液態(tài)

36、濕份溫度升高1所需要的熱量，kJ/kg絕干物料。 wsmXccc物料焓 im：以0 為基準的 1kg 絕干物料和其攜帶的 X kg 液態(tài)濕分所具有的焓的總和。mwsmcXcci)(cs絕干物料的比熱，kJ/kg；cw 液態(tài)濕分的比熱，kJ/kg。01HH )(010ttLcQHp（間壁換熱器）通過預熱器的熱量衡算，結合傳熱基本方程式，可以求得間壁換熱空氣預熱器的傳熱面積。 立筒式金屬體燃煤間接加熱熱風爐 熱氣體熱氣體L, H1, t1, i1濕氣體濕氣體L, H0, t0, i0Qp預熱器物料衡算 01LHLH )(01HHpiiLQ熱量衡算 干燥器 濕物料濕物料G1 , w1 1,cm1,

37、im1干燥產(chǎn)品干燥產(chǎn)品G2 , w2 , 2, cm2 , im2熱氣體熱氣體L, H1, t1, i1濕廢氣體濕廢氣體L, H2, t2, i2QdQl干干燥燥器器)()(122121HHLXXGGGWc12HHWL121HHWLl絕干氣體消耗量絕干氣體比消耗汽化1kg 濕分消耗的絕干氣體量稱為比消耗 l，kg 絕干氣體/kg 濕份物料衡算 ldmmcHHQQiiGiiL1212熱量衡算 01HH LWHH02cGWXX21lmcwvdHQcGctcrWQttLc)()()(122120210)(210ttLcQHg熱氣體在干燥器中冷卻放出的熱量lmwlmcwvdgQQQQcGctcrWQQ

38、)()(122120HrtciHH0)Xcc(iwsm濕物料濕物料G1 , w1 1,cm1, im1干燥產(chǎn)品干燥產(chǎn)品G2 , w2 , 2, cm2 , im2熱氣體熱氣體L, H1, t1, i1濕廢氣體濕廢氣體L, H2, t2, i2QdQl干干燥燥器器物理意義：氣體在干燥器中放出的熱量和補充加熱一起提供的熱能，用于三個方面：濕分汽化升溫、加熱產(chǎn)品和補償設備的散熱損失。 l122mc1w2v012d210HQcGctcrHHLQttLc)()()(lmwlmcwvdgQQQQcGctcrWQQ)()(122120式中物料出口溫度2 是干燥末期氣固兩相間及物料內部傳熱、傳質的綜合結果不能

39、任意給定。在設計型計算中已知：Gc、1、X1、X2，H1=H0，Qd，Ql選定：t1 ，t2 求：L，H2 聯(lián)立解物料衡算方程與熱量衡算方程可得22211127.2491)884. 1005. 1 (27.2491)884. 1005. 1 (HtHHtH對空氣-水系統(tǒng)： 理想干燥過程：Qd=0，Ql=0，1=2；或Qd=Qm+Ql；則氣體放出的顯熱全部用于濕分汽化112221wswscHHcXccXcGiiLlmmcdHHQiiGQiiL1221111221wwcHHWccXXGiiL21HHii忽略濕分汽化前的焓忽略濕分汽化前的焓Wcw 1=0理想干燥過程近似為等焓過程00ldQ,Qldm

40、mcHHQQiiGiiL1212氣體焓變干燥系統(tǒng)的熱量分配與熱效率 干燥系統(tǒng)的熱量衡算 濕物料濕物料G1 , w1 , 1, cm1干燥產(chǎn)品干燥產(chǎn)品G2 , w2 , 2, cm2熱氣體熱氣體L, H1, t1, i1濕廢氣體濕廢氣體L, H2, t2, i2濕氣體濕氣體L, H0, t0, i0QpQdQl預熱器預熱器干干燥燥器器lmcHdpmcHQiGLiQQiGLi2210lmmcHHdpQiiGiiLQQQ)()(1202物料焓變)()()(0000202202HrtcHcHrtcHcLiiLvgvgHH)()()(020002202HHrtHtHcttcLvgLWHH02LWrtHt

41、LWHcttcLiiLvgHH000200202)()()()(20020tcrWttcHcLvvg2020)(vHWittLc氣體焓變：02HHLW)()()(112212wswscmmccXccXcGiiG)()(112212XXccGwsccGWXX2112221212)()(cwscmmcGWXXccGiiG1122)(wwscWccXcG1122)(wmcWccGlHmcwvdpQttLccGctcrWQQQ)()()(020122120物料焓變：21XXGWc濕分汽化升溫所需要的熱量： )(120wvwctcrWQ)(122mcmcGQ)(020ttLcQHlllmwdpQQQQQ

42、QQ加熱固體產(chǎn)品所需要的熱量 ： 放空熱損失 ： 總熱量衡算 ： lHmcwvdpQttLccGctcrWQQQ)()()(020122120通過預熱器提供的熱量Qp和干燥器補充熱量Qd一起向干燥系統(tǒng)輸入的熱量消耗于四個方面：汽化濕分Qw，加熱產(chǎn)品Qm，熱損失Ql，隨廢氣排空Ql。干燥器熱損失 ： lQ供給熱量供給熱量Qp+Qd廢氣帶走熱量廢氣帶走熱量Ql=LcH0(t2-t0)干燥器內放熱干燥器內放熱Qg=LcH0(t1-t2)濕分汽化升溫濕分汽化升溫Qw=W(r0+cvt2-cw 1)物料升溫物料升溫Qm=Gccm2 ( 2- 1)熱損失熱損失Ql供給干燥系統(tǒng)輸入的熱量除一部分在干燥器內釋

43、放外，尚有部分未被利用。用于汽化濕分和加熱物料的熱量與外界向干燥系統(tǒng)提供的總熱量之比，即 dpmwhQQQQdpllhQQQQ1llmwdpQQQQQQ干燥器的熱效率0121011021)()(11ttttttLcttLcQQHHplh若 Ql = Qd =0，則提高進氣溫度受熱源條件和物料耐熱性限制；降低氣體出口溫度受干燥器最低允許溫度的制約。提高干燥器熱效率的措施：（1）減少干燥器的熱損失Ql。（2）降低廢氣出口溫度t2，減少廢氣帶出熱量Ql。（3）提高空氣預熱溫度t1，可氣體用量減少，減少廢氣帶出熱量Ql。（4）采用中間加熱，即加大 Qd。dpllhQQQQ1【例例12.412.4】用流

44、化床干燥器干燥某晶體狀濕物料，產(chǎn)量5000kg/h，物料初始濕含量6%（濕基，下同），產(chǎn)品濕含量0.5%，濕分為水。初始溫度t0=20、相對濕度的空氣在預熱器中加熱至t1=150送入干燥器，出干燥器廢氣的溫度為t2=75，晶體物料進、出干燥器的溫度分別為和，絕干物料比熱為1.25kJ/(kgK)，預熱器使用0.8MPa（絕壓）的飽和水蒸氣作熱源，干燥器的散熱損失按氣體在干燥器中放出的熱量的5%計算，干燥器無補充加熱，試求： 汽化水分量； 空氣消耗量； 預熱器耗用的蒸汽量； 干燥器中各項熱量的分配； 干燥器的熱效率。解： 汽化水分量W063800601060w1wX111.005. 0005.

45、01005. 01222wwXskg3821hkg4975005015000w1GG22c/./).()(skg08120hkg52920050063804975XXGW21c/./.).()( 空氣消耗量L 20空氣的飽和蒸汽壓為 2smkN3428423320113991591618152p/.exp0117. 0338. 28 . 0325.101338. 28 . 0622. 0622. 00sspPpH0117. 001 HHKkgkJ02710117088410051c1H/.KkgkJ26100501874241Xccc2ws2m/.)()(1.05 )()()(12212012

46、2120210mcwvlmcwvdHcGctcrWQcGctcrWQttLcskg7483L/.絕干氣體 預熱器耗用的蒸汽量D kW45002015002717483ttLcQ011Hp.)(.)(0.8MPa 水蒸氣的飽和汽化潛熱r =2055.3 kJ/kg hkg87636003205545003600rQDp/. 干燥器中各項熱量的分配，預熱器向干燥器提供的熱量kW，該熱量在干燥器中分配如下： kW2620525187475884127249108120Qw.).(.kW656925652613821Qm.)(.kW7513656926205050Ql.).(.70.211)2075(

47、027. 1748. 3 lQ汽化水分 加熱物料 散熱損失 放空損失 %.41450026205QQpw%.1445006569QQpm%.7245007513QQpwl%.342450070211QQpl 干燥器的熱效率%554 .50070.21175.1311pllhQQQ【例12-15】常壓下干燥系統(tǒng)的空氣流程如下。假設干燥器為理想干燥器，數(shù)據(jù)如圖。試在濕度圖上畫出空氣狀態(tài)的變化情況。若絕干氣體的質量流量為1kg/s，計算各干燥器中水分汽化量和冷凝器中的冷凝量。 第一加熱器干燥器A第二加熱器干燥器AtD=85DE=90%EtF=83F冷卻冷凝器t=15G=80%G第一加熱器干燥器A第一

48、加熱器干燥器AtD=85DE=90%EtF=83F冷卻冷凝器t=15G=80%GTCTDCDEFGTF100%80%90%tHG解：解：空氣的狀態(tài)變化如圖所示。空氣預熱不改變濕度，因此，在第一加熱器和第二加熱器中空氣的狀態(tài)變化分別為C-D和E-F；因為干燥器為理想干燥器，空氣經(jīng)歷絕熱飽和過程，氣體狀態(tài)沿絕熱冷卻線D-E和F-G變化；在冷卻冷凝器中，空氣首先恒濕冷卻至露點，空氣狀態(tài)由G沿等H線變化至G，然后繼續(xù)冷卻，空氣中的水汽以液態(tài)析出，空氣狀態(tài)沿的等相對濕度線變至C。由圖可知：HC=HD=0.11kg/kg絕干空氣，HE=HF=0.031kg/kg絕干空氣，HG=0.047kg/kg絕干空氣

49、。skg.HHLWDEA020干燥器A中水分的汽化量冷凝器中水汽的冷凝量干燥器B中水分的汽化量skg.HHLWFGB0160skg.HHLWCGGC0360習題習題新書：12.13，12.17(1)舊書：16，23（1）對于空氣-水系統(tǒng)，在大氣壓下，twH0。t2和H2取決于干燥器的經(jīng)濟性：t2，傳熱傳質推動力，干燥速率，放空熱損失，熱效率。t2，干燥推動力 ，生產(chǎn)能力 ，甚至發(fā)生吸濕返潮現(xiàn)象，嚴重時會堵塞設備和管道，破壞干燥器的正常操作。氣體進出口狀態(tài)的確定 露點溫度為干燥系統(tǒng)中氣體的極限溫度為確保物料在干燥器以及其后的分離除塵系統(tǒng)中不發(fā)生返潮，氣體出口溫度需高于氣體出口濕度對應的露點溫度，

50、工業(yè)上一般取氣體的出口溫度高于露點溫度 20-50。由氣體的出口濕度求得露點溫度，根據(jù)氣體出口溫度與露點溫度 td 的差值的大小來判斷是否會發(fā)生濕分凝結。以蒸汽為熱源通過間壁換熱產(chǎn)生的熱空氣，其出口溫度一般取為60 90。氣體出口溫度以并流為例。預熱段的氣體狀態(tài) 預熱段為單純的物料加熱過程，物料濕含量可視為不變。若忽略預熱段的散熱損失，則氣體放出的熱量全部用于加熱物料。 L, t1, H1)(11111mHcG-t)(tLc)(11111HmLccGtt)(11111wHmbtLccGtttb , Hbtc , Hctw , Xbtw , XcGc, 1, X1L, t2, H2Gc, 2,

51、X2干燥器長度干燥器長度干燥器干燥器L, t1, H1Gc, 1, X1L, t, HGc, , X預熱段結束時=tw典型的干燥過程和參數(shù)變化上兩式為表面汽化段氣體溫度t和濕度H隨X的變化關系。給定 X (Xc X X1)，即可求得對應的氣體溫度 t 和濕度 H。已知物料的臨界濕含量 Xc，可計算臨界點的氣體溫度 tc 和濕度 Hc。 )()(0wwvbcwvwbbHtctcrXXGttWcWrttLc)()(XXGHHLbcbL, t1, H1tb , Hbtc , Hctw , Xbtw , XcGc, 1, X1t2, H2 2, X2干燥器長度干燥器長度若忽略散熱損失，表面汽化段氣體放

52、出的顯熱全部用于濕分汽化，氣體狀態(tài)經(jīng)歷降溫增濕的變化。 表面汽化段的氣體狀態(tài) )()()(0wmcwvcccHctcGctcrXXGttLc)()(XXGHHLccc若忽略散熱損失上兩式為降速段氣體溫度 t 和濕度 H 隨 X 的變化關系。給定 X (X2 X Xc)，即可求得對應的氣體溫度 t 和濕度 H。降速干燥段氣體狀態(tài) (1) 并流干燥 進口端，高濕含量物料與高溫低濕氣體接觸，傳熱傳質推動力大，干燥速度很快。在出口端，低濕含量物料與低溫高濕氣體接觸，推動力小，干燥速度較慢。適用于濕物料能承受強烈干燥而不發(fā)生龜裂、變形或表面結硬殼，而干物料又不能耐高溫，且產(chǎn)品濕含量較高的情況。對流干燥器

53、按介質和物料的流向可分為：并流干燥、逆流干燥和錯流干燥(2) 逆流干燥 進口端，濕物料與低溫高濕的氣體接觸，出口端干物料與高溫低濕的氣體接觸，各處干燥推動力和干燥速度比較均勻，適用于濕物料不允許強烈干燥，而干物料又可以耐高溫，產(chǎn)品濕含量很低的場合。(3) 錯流干燥 干燥介質垂直穿過物料層，氣體進入和流出物料層時，其溫度和濕度均有較大變化，要求物料能耐高溫，并能承受快速干燥。習題習題新書：12.16按加熱方式可將干燥器分為：(1) 對流干燥器如：洞道式干燥器、轉筒干燥器、氣流干燥器、流化床干燥器、噴霧干燥器等。(2) 傳導干燥器如：滾筒式干燥器、耙式干燥器、間接加熱干燥器等。(3) 輻射干燥器如

54、：紅外線干燥器。(4) 介電加熱干燥器如：微波干燥器。干燥器的選型應考慮以下因素：(1) 保證物料的干燥質量，干燥均勻，不發(fā)生變質，保持晶形完整，不發(fā)生龜裂變形；(2) 干燥速率快，干燥時間短，單位體積干燥器汽化水分量大，能做到小設備大生產(chǎn)；(3) 能量消耗低，熱效率高，動力消耗低；(4) 干燥工藝簡單，設備投資小，操作穩(wěn)定，控制靈活，勞動條件好，污染環(huán)境小。氣流干燥器的結構與流程：1-空氣過濾器2-空氣加熱器 3-加料器4-風機5-干燥管 6-旋風分離器7-除塵器 氣流干燥器（Flash dryer） （1）生產(chǎn)強度高A 大、h 大（u 大），平均體積傳熱系數(shù) ha 為 3000-7000

55、W/(m3K)，比其它類型干燥器高幾倍至幾十倍。（2）熱能利用好對能承受高溫的物料，熱效率高；否則熱效率降低。（3）適用于熱敏性物料（4）產(chǎn)品質量均勻（5）結構簡單，設備投資少，占地面積小，操作方便，性能穩(wěn)定，維修量小氣流干燥器的優(yōu)點（1）氣體通過干燥系統(tǒng)的流動阻力較大（2）物料和器壁的磨損比較大（3）對粉塵的回收裝置要求高（4）由于干燥時間短，不適于除去較多結合水的情況，特別不適合于最大吸濕濕含量很高的物料。 （5）不適合于高粘性的物料。加速運動段是氣流干燥器最有效的干燥區(qū)段，一根 10m 長的氣流管，80%左右的水分量是在長約 2m 左右的加速段汽化干燥的。氣流干燥器的缺點多級氣流干燥器脈

56、沖式氣流干燥器旋風式氣流干燥器將多臺氣流干燥串聯(lián)使用，總管長相同的情況下，加速段增加。且各干燥器可選擇合適的氣體條件，有利于熱能的回收和合理利用。在淀粉、奶粉生產(chǎn)中被廣泛采用。脈沖管內氣速隨管徑變化而交替地增大和減小。由于慣性的作用，顆粒運動速度滯后氣體，使氣固兩相的相對速度增加。類似于旋風分離器，但更長，氣流攜帶固體顆粒沿切線方向進入后作螺旋運動，使物料在瞬間得到干燥。適用于允許磨損的熱敏性物料（如制藥行業(yè)）。又稱為沸騰床干燥器，是流態(tài)化技術在干燥作業(yè)上的應用。它適用于散粒狀物料的干燥。物料的粒徑一般為0.1-6mm，最佳粒徑為0.5-3mm。熱風加料廢氣干品結構及操作原理流化床干燥器（Fl

57、uidized bed dryer） （1）與氣流干燥一樣，流化床干燥的體積傳熱系數(shù) ha 也很大，可達23007000 W/(m3K)。（2）物料停留時間任意可調，特別適合于干燥結合水分。（3）流化床的操作氣速低得多。 （4）顆粒的完全混合，床內各處的溫度均勻一致，避免了物料的局部過熱，為物料的優(yōu)質干燥提供了可能；在連續(xù)操作時物料的停留時間分布很不均勻，產(chǎn)品質量不均勻。（5）流化床干燥多為逆流或錯流，故采用的風溫較低。流化床干燥器的特點（與氣流干燥器比較）多層流化床氣體出口熱風出料加料溢流管床內分離器主要問題：控制物料順利流至下一層的量，且不使氣體沿溢流管短路跑掉。在應用中常因操作不當而不能

58、正常生產(chǎn)。停留時間不均勻問題的解決方法氣體壓降比多層床低，操作穩(wěn)定性也好，但熱效率不及多層床高。臥式多室流化床熱風冷風氣體出口出料加料隔板流化床干燥器結構簡單，造價較低，可動部件少，維修費用低，物料磨損較小，氣固分離比較容易，傳熱傳質速率快，熱效率較高，物料停留時間可以任意調節(jié)，因而這種干燥器在工業(yè)上獲得了廣泛的應用，已發(fā)展成為粉粒狀物料干燥的最主要手段。 振動流化床干燥器 產(chǎn)品廢氣濕料熱風轉筒干燥器（Rotary dryer） 特點：轉筒干燥器機械化程度較高，生產(chǎn)能力較大，干燥介質通過轉筒的阻力較小，對物料的適應性較強，操作穩(wěn)定方便，運行費用較低缺點：裝置比較笨重，金屬耗材多，傳動機構復雜，

59、維修量較大，設備投資高，占地面積大。 國內現(xiàn)有轉筒干燥器的直徑一般為0.5-3m，長度為2-27 m，長徑比為4-10，物料在轉筒內的裝填量約為筒體容積的8-13%，物料沿轉筒軸向前進的速度為0.01-0.08m/s，其停留時間一般為1h左右。 用于干燥溶液、漿液或懸浮液。液狀物料由霧化器噴成霧狀細滴并分散于熱氣流中，使水分迅速汽化而獲得微粒狀干燥產(chǎn)品。1234567897噴霧干燥器（Spray dryer） 優(yōu)點：干燥速度快，干燥時間短，特別適合于熱敏性物料的干燥，噴霧干燥由液體直接得到干燥產(chǎn)品，因而省去了蒸發(fā)、結晶、固液機械分離等操作，生產(chǎn)流程大為簡化，故又稱為一步干燥法。缺點：體積傳熱系

60、數(shù)很低，ha約為30-90W/m2K，水分汽化強度僅為10-20kg/m3h，因而干燥器體積龐大，熱效率較低，動力消耗較大。提高生產(chǎn)能力的方法是采用過熱料液，在加壓下將料液預熱至200-300進入霧化器，液滴通過吸收自身的顯熱而使部分水分汽化。霧化器的一般要求霧滴直徑均勻，噴嘴結構簡單，生產(chǎn)能力大，能量消耗低，操作方便等特點。氣流式霧化器可制備粒徑小于 5m 的微細顆粒，能處理粘度較大的料液，但動力消耗較大，裝置的生產(chǎn)能力較小。料液空氣離心式霧化器優(yōu)點：操作簡單，對物料的適應能力強，操作彈性大，產(chǎn)品粒徑均勻。特別適合于處理固相含量較高的液體。缺點：干燥器直徑較大，霧化器加工難度大，制造價格高。