干燥過程的物料衡算與熱量衡算

1、藥品生產(chǎn)技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫-制藥單元操作技術(shù)教學(xué)設(shè)計教 師 姓 名授課班級授課形式講授授 課 日 期 授課時數(shù)2授課內(nèi)容情景7 干燥過程及操作任務(wù)4 干燥過程的物料衡算與熱量衡算教學(xué)目的知 識目 標(biāo)1了解濕物料含水量的表示方法2. 了解濕物料中水分的分類及內(nèi)涵3. 掌握干燥操作中物料衡算方法。4.掌握熱量衡算方法能 力目 標(biāo)1能夠根據(jù)日常現(xiàn)象，說出并計算物料中的各種水分量；2、能夠根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，進行干燥過程分析，分析空氣消耗量和水分蒸發(fā)量；3、能夠根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，進行干燥過程的熱量和熱效率的計算，以確定換熱器的熱負(fù)荷；思 想目 標(biāo)1. 具有分析問題解決問題的能力；2. 具有一定組織協(xié)調(diào)能力；3.

2、 具有搜索、整理材料及文字表達相關(guān)能力教 學(xué) 重 點干燥過程物料衡算教 學(xué) 難 點干燥過程熱量的衡算。更新、補充、刪 節(jié) 內(nèi) 容使 用 教 具多媒體課 外 作 業(yè)課 后 體 會授課主要內(nèi)容及課堂教學(xué)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié) 課 程 內(nèi) 容 設(shè) 計教學(xué)方法時間min組織復(fù)習(xí)引入新課小結(jié)作業(yè)干燥過程是熱、質(zhì)同時傳遞的過程。進行干燥計算，必須解決干燥中濕物料去除的水分量及所需的熱空氣量。濕物料中的水分量如何表征呢？任務(wù)4干燥過程的物料衡算與熱量衡算一、濕物料中水分的性質(zhì)干燥過程中除去的水分是由物料內(nèi)部遷移到表面，然后有表面汽化進入空氣主體。在相同的干燥條件下，有的物料很容易干燥，有的物料很難干燥，比如有些衣服比

3、較容易干，有的不容易。因此干燥的快慢，不是只取決于空氣的性質(zhì)和操作條件，還取決物料中所含水分的性質(zhì)，下面做詳細(xì)介紹。1.濕物料含水量的表示方法濕物料的含水量的表示方法有：濕基含水量和干基含水量濕基含水量單位質(zhì)量濕物料所含水分的質(zhì)量，即濕物料中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，稱為濕物料的濕基含水量，用符號表示，單位：kg水/kg濕物料=濕物料中水分的質(zhì)量濕物料的總質(zhì)量干基含水量濕物料在干燥過程中，水分不斷被汽化移走，濕物料的總質(zhì)量在不斷變化，因此我們采用在干燥過程中濕物料中始終保持不變的絕干物料做計算基準(zhǔn)，就是所謂的干基含水量。指單位干物料中所含水分的質(zhì)量，用符號X表示，單位為kg水/kg干燥。X=濕物料中水分

4、的質(zhì)量濕物料的總質(zhì)量-濕物料中水分的質(zhì)量干基含水量和濕基含水量的換算 X=1- 或 =X1-X （7-13）2.平衡水分與自由水分根據(jù)物料在一定干燥條件下其所含水分能否用干燥方法除去劃分為平衡水分和自由水分。能用干燥方法除去的水分稱為自由水分，不能除去的水分稱為平衡水分。圖7-18 物料的平衡水分圖（25）當(dāng)濕物料與一定狀態(tài)的濕空氣接觸時，若濕物料表面產(chǎn)生的水汽分壓大于空氣中的水汽分壓，濕物料中的水分向空氣中轉(zhuǎn)移，濕物料放出水分，干燥可以順利進行；若濕物料表面產(chǎn)生的水汽分壓小于空氣中水汽分壓，濕物料吸收空氣中的水分，產(chǎn)生“返潮”現(xiàn)象；當(dāng)濕物料表面產(chǎn)生的水汽分壓等于空氣中水汽分壓時，兩者處于動態(tài)

5、平衡狀態(tài)，濕物料中的水分不會因為與濕空氣接觸時間的延長而增減，濕物料中水分含水量為一定值，該含水量就稱為該物料在此空氣狀態(tài)下的平衡含水量，又稱平衡水分，用X*表示，單位為kg水/kg干物料。濕物料中水分含量大于平衡水分時，其含水量與平衡水分之差稱為自由水分。即通過干燥可以除去的水分。平衡水分的含量不僅與空氣的狀態(tài)有關(guān)，還與物料的性質(zhì)有關(guān)。如圖7-18所示，不同物料的平衡水分?jǐn)?shù)值相差較大。例如，玻璃絲和瓷土等結(jié)構(gòu)致密的固體，其平衡水分很小，而煙葉、羊毛、皮革等物質(zhì)，則平衡水分較大。同一種物料，在相同的溫度下，平衡水分隨著空氣的相對濕度的減小而降低。當(dāng)空氣的相對濕度減小為零時，各種物理的平衡水分都

6、為零。即想要獲得一個干物料，必須有絕對干燥的空氣（=0）與濕物料進行長時間的充分接觸，而實際生產(chǎn)很難滿足這個條件。如果濕物料和具有一定濕度的空氣接觸，物料必有一部分水分不能被去除。干燥的極限是達到平衡水分，但是在實際干燥過程中，無法達到極限的情況，因此自由水分不是都可以被除去的。3.結(jié)合水與非結(jié)合水根據(jù)濕物料中水分除去的難易程度劃分為結(jié)合水分和非結(jié)合水分。（1）結(jié)合水借助化學(xué)力或者物理化學(xué)力與固體相接觸的那部分水分，稱為結(jié)合水分。如結(jié)晶水、毛細(xì)管中水分、細(xì)胞內(nèi)水分等。結(jié)合水分與固體物料間的結(jié)合力較強，較難除去。（2）非結(jié)合水分指機械地附著在固體物料表面或積存在大孔隙中的水分。它與固體物料的結(jié)合

7、輕度較弱，是較易除去的水分。其飽和蒸汽壓等于同溫度下純水的飽和蒸汽壓。平衡水分與自由水分、結(jié)合水分與非結(jié)合水分是物料中所含水分的兩種不同分類。平衡水分與自由水分的區(qū)別不僅取決于物料的性質(zhì)，還取決于空氣的狀態(tài)；而結(jié)合水分與非結(jié)合水分的區(qū)別只取決于物料的性質(zhì)與空氣的狀態(tài)無關(guān)。圖7-19 水分種類（溫度為定值）對于溫度和質(zhì)量恒定的濕物料，結(jié)合水分不會因為空氣的相對濕度不同而發(fā)生變化，它是一個固定值。結(jié)合水與非結(jié)合水都難以用實驗方法直接測得，根據(jù)它們的特點，可將平衡曲線外延與同溫度下=100%線相交，交點的平衡水分即為濕物料的結(jié)合水分。物料中幾種水分的關(guān)系可通過圖7-19說明，從圖中可看出，平衡水分隨

8、濕空氣的相對濕度的變化而變化，結(jié)合水則為常數(shù)。技術(shù)訓(xùn)練 平衡水分和自由水分 結(jié)合水分和非結(jié)合水分某物料在25時的平衡曲線如圖7-20所示，已知物料的含水量X=0.3kg水/kg干料，若與=70%時的濕空氣接觸，試劃分該物料的平衡水分和自由水分，結(jié)合水分和非結(jié)合水分。圖7-20 固體物料的水分性質(zhì)分析：由=70%作水平線與平衡曲線相交，與交點A讀出平衡水分為0.08kg水/kg干料，故自由水分為0.30-0.08=0.22kg水/kg干料由圖7-20中讀出=100%時的平衡水分為0.20kg水/kg干料，則物料的結(jié)合水分為0.20kg水/kg干料，非結(jié)合水分為0.30-0.20=0.10kg水/

9、kg干料。二、空氣干燥器的操作過程圖7-21是空氣干燥系統(tǒng)的物料流程示意圖。空氣經(jīng)預(yù)熱器加熱后溫度增高，吸收水分的能力增強，然后進入干燥室與濕物料相接觸，傳熱傳質(zhì)。干燥過程中濕物料中的水分汽化所需的熱量可以全部由熱空氣提供，也可以由熱空氣供給一部分，另一部分由設(shè)于干燥室中的加熱器供給。圖7-21 干燥系統(tǒng)物料流程示意圖L干氣消耗量，kg干氣/s；Gc濕物料中干物料的流量，kg干料/s；H0、H1、H2空氣進入預(yù)熱器及進、出干燥器時的濕度，kg水汽/kg干氣；G1、G2濕物料進、出干燥器時的流量，kg物料/s；w1、w2濕物料進出干燥器時的濕基含水量，kg水分/kg物料；X1、X2濕物料進出干燥

10、器時的干基含水量，kg水分/kg干料。 通常干燥器的物料衡算要解決的問題有三方面：干燥產(chǎn)品的流量；將濕物料干燥到指定的含水量所需蒸發(fā)的水分量；干燥過程需要消耗的空氣量。三、干燥介質(zhì)用量計算1.干燥產(chǎn)品流量Gc干燥產(chǎn)品是指離開干燥器的物料，其中包括干物料和仍含有的少量水分的濕物料。若無物料損失，則在干燥前后，物料中的干物料的質(zhì)量不變。Gc=G11-w1=G2(1-w2)或 G2=G1(1-w1)1-w2=Gc1-w2 （7-14）2.水分蒸發(fā)量W設(shè)濕物料在干燥器中蒸發(fā)的水分量為W（kg/s）,對濕物料做物料平衡。結(jié)合式（7-14），可得水分蒸發(fā)量的計算式W=G1w1-w21-w2=G2w1-w2

11、1-w1 （7-15）若在干燥器中對水分做物料衡算，則有LH1+GcX1=LH2+GcX2 故水分蒸發(fā)量還可寫為 W=GCX1-X2=L(H2-H1) （7-16）3.空氣的消耗量L由式（7-16）得，干燥所需要的干氣消耗量L為L=Gc（X1-X2）H2-H1=WH2-H1 （7-17）每蒸發(fā)1kg水分所需的干氣消耗量稱為單位蒸汽消耗量，符號l表示，單位為kg干氣/kg水。計算公式為：l=LW=lH2-H1 （7-18）由于進出預(yù)熱器的濕空氣的濕度不變，H1與進預(yù)熱器時的濕度H0相同，即H1=H0。則式（7-17）和（7-18）可寫為L=WH2-H0 或 l=1H2-H0由此可見，對于一定的水

12、分蒸發(fā)量，空氣的消耗只與空氣的最初濕度H0和最終濕度H2有關(guān)，與干燥的過程無關(guān)；當(dāng)空氣出干燥器的濕度H2不變時，空氣的消耗量決定于空氣的最初濕度H0，H0越大，空氣消耗量越大?？諝獾淖畛鯘穸菻0與氣候條件有關(guān)，通常情況下，同一地區(qū)夏季空氣的濕度大于冬季空氣的濕度，也就是說，干燥過程中空氣消耗量在夏季要比冬季大。因此，在干燥過程中，選擇輸送設(shè)備，如鼓風(fēng)機時，應(yīng)以全年中所需最大空氣消耗量為依據(jù)。鼓風(fēng)機所需風(fēng)量根據(jù)濕空氣的體積流量V而定，濕空氣的體積流量可由干氣的質(zhì)量流量L與比體積的乘積來確定，即:L=LvH=L(0.773+1.244H)t+273273 （7-19）式中，空氣的濕度H和溫度與鼓風(fēng)

13、機所安裝的位置有關(guān)。例如，鼓風(fēng)機安裝在干燥器的出口，H和t就應(yīng)取干燥器出口空氣的濕度和溫度。技術(shù)訓(xùn)練 空氣用量計算用空氣干燥某含水量為40%（濕基）的濕物料，每小時處理濕物料量1000kg，干燥后產(chǎn)品含水量為5%（濕基）?？諝獾某鯗貫?0%，相對濕度為60%，經(jīng)預(yù)熱至120后進入干燥器，離開干燥器時的溫度為40，相對濕度為80%。試求：（1）干燥器產(chǎn)品量；（2）水分蒸發(fā)量：（3）干氣消耗量和單位空氣消耗量；（4）如鼓風(fēng)機裝在預(yù)熱器進口處，風(fēng)機的風(fēng)量。分析：（1）干燥產(chǎn)品量G2=G11-w11-w2=1000×1-0.401-0.05=631.58kg/h（2）水分蒸發(fā)量W=G1w1-

14、w21-w2=1000×0.4-0.051-0.05=368.42kg/h（3）干氣消耗量和單位空氣消耗量0=40%，t0=20，查I-H圖的H0=0.007kg水汽/kg干氣；2=80%，t2=40，查的H2=0.040kg水汽/kg干氣L=WH2-H0=368.420.040-0.007=11164.24kg干氣/hl=1H2-H0=10.040-0.007=30.30kg干氣/kg水（4）鼓風(fēng)機風(fēng)量因風(fēng)機裝在預(yù)熱器進口處，輸送的是新鮮空氣，其溫度t0=20，濕度H0=0.007kg水/kg干氣，則濕空氣的體積流量為V=L0.773+1.244H=11164.24×0.

15、773+1.244×0.007×20+273273 =9366.53m3/h四、干燥過程熱量衡算通過干燥器的熱量衡算，可以確定物料干燥所消耗的熱量或干燥器排出空氣的狀態(tài)。作為計算空氣預(yù)熱器和加熱器的傳熱面積、加熱劑的用量、干燥器的尺寸或熱效率的依據(jù)。1.流程圖圖7-22 干燥器熱量衡算溫度為，濕度為H0，焓為的新鮮空氣，經(jīng)加熱后的狀態(tài)為t1、H1、I1，進入干燥器與濕物料接觸，增濕降溫，離開干燥器時狀態(tài)為t2、H2、I2，固體物料進、出干燥器的流量為G1、G2，溫度為1、2，含水量為X1、X2。通過流程圖可知，整個干燥過程需外加熱量有兩處，預(yù)熱器內(nèi)加入熱量Qp，干燥器內(nèi)加入

16、熱量Qd。外加總熱量QQpQd。將Q折合為汽化1kg水分所需熱量2.預(yù)熱器熱量衡算 若忽略熱損失，則 kJ/kg水3.干燥器的熱量衡算（1）輸入量濕物料帶入熱量式中：干燥后物料比熱，kJ/kg濕料：水的比熱，kJ/kg水：絕干物料比熱，kJ/kg干料空氣帶入的焓值 干燥器補充的熱量 （2）輸出量干物料帶出焓值 廢氣帶出焓值 熱損失 在穩(wěn)定干燥過程中，輸入量等于輸出量，干燥器熱量衡算式為：五、干燥器空氣出口狀態(tài)的確定 由于空氣在干燥器內(nèi)發(fā)生增濕降溫變化過程，如何確定廢氣出口狀態(tài)，需對不同干燥過程進行分析。1.等焓干燥過程（理想干燥過程、絕熱干燥過程）等焓干燥過程是指干燥在絕熱情況下進行的，空氣在

17、進出干燥器的焓值不變，即I1I2。令：則：若為等焓過程，則I1I2，D0?？捎们蟪觯℉2、I2）。等焓干燥過程有以下兩種情況：A. 整個干燥過程無熱損失、濕物料不升溫、干燥器不補充熱量、濕物料中汽化水分帶入的熱量很少。B. 干燥過程中濕物料中水分帶入的熱量及補充的熱量剛好與熱損失及升溫物料所需的熱量相抵消。2.實際干燥過程很顯然，只有在保溫良好的干燥器和濕物料進出干燥器溫度相差不大的情況下，才可近似當(dāng)作等焓過程處理。由于對干燥器的絕熱保溫很難，因此實際干燥過程是在非絕熱情況下進行的，即。（1）當(dāng)補充的熱量大于損失的熱量時，。（2）當(dāng)補充的熱量小于損失的熱量時，。六、干燥器的熱效率干燥器的熱效率

18、是干燥器操作性能的一個重要指標(biāo)。熱效率高，表明熱的利用程度好，操作費用低，同時可合理利用能源，使產(chǎn)品成本降低。因此，在操作過程中，希望可獲得盡可能高的熱效率。1. 定義2. 提高熱效率途徑（1）當(dāng)t0，t1一定時， 但因此在設(shè)計時規(guī)定：t2要比熱空氣進入干燥器時的濕球溫度tw高2050。（2）當(dāng)t0，t2一定時， 提高空氣的預(yù)熱溫度，可提高熱效率。空氣預(yù)熱溫度高，單位質(zhì)量干空氣攜帶的熱量多，干燥過程所需要的空氣量少，廢氣帶走的熱量相應(yīng)減少，故熱效率得以提高。但是，空氣的預(yù)熱溫度應(yīng)以濕物料不致在高溫下受熱破壞為限。對不能經(jīng)受高溫的材料，采用中間加熱的方式，即在干燥器內(nèi)設(shè)置一個或多個中間加熱器，往往可提高熱效率。（3）盡量利用廢氣中的熱量，如用廢氣預(yù)熱冷空氣或濕物料，減少設(shè)備和管道的熱損失，都有助于