干燥原理-51+52干燥速率課件

1第五章干燥原理12提綱概述干燥靜力學(xué)干燥速率和干燥過程干燥技術(shù)2第5章干燥原理5.1

概述去濕概念脫水原理機(jī)械去濕

吸附去濕

熱能去濕

(干燥)加熱方式傳導(dǎo)干燥

對流干燥

輻射干燥

場干燥法

干燥介質(zhì)有空氣、煙氣；對流干燥特點(diǎn)

⑴一種典型的非穩(wěn)態(tài)不可逆過程；⑵有多相多組分參與，一般要涉及相變傳熱傳質(zhì)，影響因素眾多；⑶在干燥過程中傳熱傳質(zhì)相互耦合；⑷干燥過程與物料性質(zhì)、干燥介質(zhì)組分和狀態(tài)密切相關(guān)。3處理工業(yè)固體廢棄物的高壓輥式立磨在磨細(xì)的過程中完成對濕物料的干燥。56材料行業(yè)以對流干燥為主，下圖為對流干燥示意圖：干空氣將熱量傳給濕物料；濕物料中的水分受熱汽化進(jìn)入空氣。65.2干燥靜力學(xué)5.2.1

濕空氣的性質(zhì)5.2.1.1干空氣與濕空氣

完全不含水蒸汽的空氣稱為絕干空氣（簡稱干空氣）。

濕空氣是指含有水蒸氣的空氣,是干空氣和水蒸氣的混合物。

特點(diǎn)：濕空氣中水蒸氣分壓通常很低（0.003~0.004MPa）,可視為理想氣體。濕空氣是理想氣體的混合物，遵循理想氣體狀態(tài)方程。

道爾頓（Dalton）分壓定律：濕空氣中的水蒸氣通常處于過熱狀態(tài)，干空氣與過熱水蒸氣組成的濕空氣稱為未飽和空氣。當(dāng)水蒸氣的分壓達(dá)到對應(yīng)溫度下的飽和壓力，水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)。由干空氣與飽和水蒸氣組成的濕空氣稱為飽和空氣。

75.2干燥靜力學(xué)（2）相對濕度相對濕度是指濕空氣的絕對濕度ρv與相同溫度下可能的最大絕對濕度（即飽和空氣的絕對濕度）ρsv的比值，用

表示。（psv≤p時(shí)）

飽和度當(dāng)作為干燥介質(zhì)的濕空氣被加熱到相當(dāng)高的溫度時(shí)，psv可能大于總壓力。這種情況下，相對濕度的定義為：

（psv＞p時(shí)）

相對濕度

與干燥能力的關(guān)系95.2干燥靜力學(xué)（3）含濕量

空氣的含濕量是指1kg干空氣所攜帶的水蒸氣質(zhì)量（又稱為比濕度），以d表示。（kg水蒸氣/kg干空氣）

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，有：（kg水蒸氣/kg干空氣）

總結(jié)：絕對濕度：用在測定濕空氣中水蒸氣量的多少時(shí)；相對濕度：用在描述濕空氣的干燥能力時(shí)較為清楚；

含濕量：用在進(jìn)行干燥計(jì)算時(shí)較為方便。

105.2.1.3濕空氣的溫度參數(shù)5.2干燥靜力學(xué)（1）干球溫度

干球溫度即是濕空氣的實(shí)際溫度，也就是通常用普通溫度計(jì)（干球溫度計(jì)）測量得到的空氣溫度。簡稱為空氣溫度。

（2）濕球溫度

在普通溫度計(jì)外包裹濕紗布，濕紗布的一端浸入水中，使得紗布保持濕潤，這種溫度計(jì)稱為濕球溫度計(jì)。在平衡狀態(tài)下，濕球溫度計(jì)測出的空氣溫度稱為濕球溫度，用tw表示。

由干球溫度計(jì)和濕球溫度計(jì)組合成的溫度計(jì)稱為干濕球溫度計(jì)。

在平衡狀態(tài)下，空氣向濕紗布傳遞的熱量恰好等于濕紗布表面水分汽化所需熱量。即：濕球溫度不是濕空氣的狀態(tài)參數(shù)115.2干燥靜力學(xué)（4）露點(diǎn)

當(dāng)未飽和濕空氣中水蒸氣分壓或含濕量不變時(shí)，濕空氣冷卻到飽和狀態(tài)（=100％）的溫度稱為露點(diǎn)，用td表示。

分析：濕空氣在露點(diǎn)溫度下處于飽和狀態(tài)，其含濕量保持不變。（kg水蒸氣/kg干空氣）

濕空氣的狀態(tài)參數(shù)總結(jié)：對空氣-水系統(tǒng)，tw≈tas，

對于飽和空氣：。對于未飽和空氣：；13145.2.1.4濕空氣的密度5.2干燥靜力學(xué)濕空氣的密度

濕空氣的密度表示單位體積濕空氣的質(zhì)量，用ρ表示,kg/m3。它也表示濕空氣中空氣的質(zhì)量濃度與水蒸氣的質(zhì)量濃度之和，即：145.2.1.5濕空氣的比熱和焓5.2干燥靜力學(xué)（1）濕空氣的比熱

濕空氣的比熱是指1kg干空氣及其所攜帶的dkg水蒸氣升高或降低單位溫度所吸收或釋放的熱量，用cw表示,kJ/(kg干空氣·℃)

。

cw=ca+dcv0～120℃

cw＝1.01+1.88d(0~120oC)（2）濕空氣的焓

濕空氣的焓是以1kg干空氣為基準(zhǔn)，是指1kg干空氣焓與其所攜帶的dkg水蒸氣的焓值之和，用h表示，kJ/kg干空氣

。以0℃時(shí)的干空氣和飽和水為焓基準(zhǔn)點(diǎn)0～120℃

ha＝cat＝1.01t

1517濕空氣的h-d圖1.h-d圖的組成等濕含量線(等d線)等焓線(等h線)等干球溫度線(等t線)等相對濕度線(等線)等濕球溫度線(等tw線)水蒸汽分壓線(等pv線)h-d圖的組成dPvh2h1h1718例：在容積為50m3的空間中，空氣溫度為30℃，相對濕度為60%，大氣壓強(qiáng)p=101.3kPa。求濕空氣的露點(diǎn)、含濕量、干空氣的質(zhì)量、水蒸氣質(zhì)量和濕空氣的焓值。5.2干燥靜力學(xué)解：由飽和水蒸氣表5.1查得，t=30℃時(shí)，psv=4.243KPa，所以pv=φpsv=0.6×4.243=2.546kPa反查飽和水蒸氣表，可得td

=21.25℃干空氣分壓：干空氣質(zhì)量：水蒸氣質(zhì)量：濕空氣的焓：

=（1.01+1.88×0.016）×30+2501×0.016=71.05kJ/（kg干空氣）1819例：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下(101.325kPa),由干濕球溫度計(jì)測得空氣的干球溫度和濕球溫度分別為30℃和20℃。求濕空氣的d、、h、pv、pa。tas＝20℃；

γas＝γw＝2453kJ/kg；das＝dw＝0.0147kg水蒸氣/kg干空氣，Cw＝1.01+1.88d

d＝0.0105溫度為30℃時(shí)＝39.6％

＝56.99kJ/（kg干空氣）

水蒸氣分壓干空氣分壓kPa

kPa

【解】：由表5-1中查得，20℃和30℃時(shí)飽和水蒸氣分壓分別為psv1=2.338kPa和psv2=4.243kPa，由附錄查得20℃時(shí)水的汽化潛熱w=2453kJ/kg，20℃時(shí)飽和濕空氣的濕含量為

kg水蒸氣/kg干空氣kg水蒸氣/kg干空氣30℃時(shí)空氣的焓19215.2.2.2加濕和去濕過程5.2干燥靜力學(xué)熱空氣的加濕過程

無外加熱源的物料干燥過程可以看作是絕熱加濕過程。絕熱加濕過程中，濕空氣的焓保持不變，而相對濕度和濕含量均增加，濕空氣溫度降低。各狀態(tài)參數(shù)之間的具體關(guān)系

絕熱去濕過程各狀態(tài)參數(shù)的大小關(guān)系與上式相反。

注意：在外界有熱量交換的加濕或去濕過程中，焓值將增加或減小。各參數(shù)在加濕或去濕過程中的計(jì)算可以根據(jù)過程特點(diǎn)及狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系確定。d1d221225.2干燥靜力學(xué)5.2.2.3

絕熱混合過程

在混合時(shí)，氣流與外界的熱交換量很少，此過程可視為絕熱過程。

忽略混合過程中微小的壓力變化，設(shè)

混合前：、d1、h1和、d2、h2，

混合后：

、d3、h3

空氣質(zhì)量守恒

濕空氣中水蒸氣質(zhì)量守恒

能量守恒

兩股氣流的混合

2223干燥過程5.2干燥靜力學(xué)干燥過程包括濕空氣的加熱過程和絕熱吸濕過程。例:已知空氣t1=30℃、pv1=2.938kPa，將該空氣送入加熱器進(jìn)行加熱后，t2=60℃，然后送入干燥器中作為干燥介質(zhì)?？諝饬鞒龈稍锲鲿r(shí)的溫度t3=35℃。求空氣在加熱器中吸收的熱量和1kg干空氣所吸收的水分。大氣壓強(qiáng)P=0.1MPa。解：從飽和水蒸氣表中可知，當(dāng)t1=30℃，psv1=4.243kPa；t2=60℃，psv2=19.916kPa；t3=35℃，psv3=5.6231kPa相對濕度1濕含量1焓123255.2干燥靜力學(xué)d0=d1d2dC(t2,h2,d2)hh225265.2.3水分在氣-固兩相間的平衡5.2.3.1

結(jié)合水與非結(jié)合水能否用干燥方法化學(xué)結(jié)合水

物理化學(xué)結(jié)合水

5.2.3.2

平衡水分和自由水分物料中所含水分

除水的難易結(jié)合水

非結(jié)合水

濕物料中水分

平衡水分

自由水分

（1）平衡水分平衡含水量是物料在一定空氣狀態(tài)下被干燥的極限。

比較物料的含水量（X）與平衡含水量（X*）的大小可判斷過程進(jìn)行的方向。

5.2干燥靜力學(xué)難易能不能265.3干燥速率和干燥過程5.3.1.2干燥速率曲線恒定干燥條件下的干燥速率曲線物料的干燥速率：kg/(m2.s)

干燥曲線

干燥速率曲線

干燥過程

預(yù)熱階段（A→B）

恒速干燥（B→C）

降速干燥（C→D→E）

29（1）恒速干燥階段5.3干燥速率和干燥過程分析：物料內(nèi)部的水分能及時(shí)擴(kuò)散到表面，物料整個(gè)表面都有充分的非結(jié)合水。

對流傳熱速率：

干燥速率

1)干燥速率不隨物料的含水量改變而變化；

2)干燥速率由物料表面的水分汽化速率所控制(外擴(kuò)散控制)，干燥速率取決于干燥條件。3）物料的表面溫度保持不變,為該空氣狀態(tài)下的濕球溫度。恒速干燥速率特點(diǎn)：恒定干燥條件下物料的干燥曲線305.3干燥速率和干燥過程（2）降速干燥階段分析：第一降速階段，物料內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散的速率已小于物料表面水分的汽化速率，實(shí)際汽化面積減小，干燥速率下降。第二降速階段，水分的汽化面由物料表面移向內(nèi)部，使傳熱和傳質(zhì)途徑加長，造成干燥速率下降。

1)干燥速率取決于水分在物料內(nèi)部的擴(kuò)散(內(nèi)擴(kuò)散)速率，與物料本身的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸等因素有關(guān)，受外部干燥介質(zhì)的條件影響較小。2)水分遷移形式：主要以液態(tài)形式擴(kuò)散，少時(shí)以氣態(tài)形式擴(kuò)散。降速干燥特點(diǎn)：水分在多孔物料中的分布

恒定干燥條件下物料的干燥曲線315.3干燥速率和干燥過程（3）臨界含水量恒速干燥階段與降速干燥階段的分界點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，相應(yīng)的物料平均含水量為臨界含水量（Xc）。

臨界含水量的影響因素：物料的性質(zhì)、厚度以及恒速階段干燥速率。

對于粘土制品，在制品水分沿厚度方向按拋物線分布時(shí)，臨界水分可表示為：分析：物料的平均臨界含水量Xc總是大于其最大吸濕量Xm，隨著物料厚度的增加和干燥速度的提高，Xc值加大；在干燥過程中ρ和D的增大，則使Xc下降。Xc值越大，干燥中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大。

325.3.2

影響干燥速率的因素5.3干燥速率和干燥過程5.3.2.1恒速干燥階段在恒速干燥階段，Le=1，Nu=Sh，即有a=D劉伊斯關(guān)系式

影響干燥速率的主要因素：

⑴

空氣流速

=0.68~8.14kg/(m2.s)

t=45~150℃

j∝

條件：絕熱且空氣流動方向與物料表面平行33條件：空氣垂直穿過物料顆粒堆積層時(shí)，設(shè)物料顆粒直徑為dp，則：5.3干燥速率和干燥過程j∝

⑵空氣中的含濕量

空氣溫度不變，空氣的含濕量降低，傳質(zhì)推動力（dw-d）將增大，干燥速率增加。⑶

空氣溫度

(4)空氣與物料接觸方式

物料顆粒懸浮分散在氣流，物料的干燥速率較大；

氣流掠過物料層表面時(shí)，干燥速率較低；

氣流垂直穿過物料時(shí)，干燥速率介于兩者之間。

345.3.2.2降速干燥階段5.3干燥速率和干燥過程水分在物料內(nèi)部擴(kuò)散的機(jī)制主要有液體擴(kuò)散理論和毛細(xì)管理論。在降速階段的前期，水分的移動靠毛細(xì)管作用力，而在后期，水分移動是以擴(kuò)散方式進(jìn)行的。

物料內(nèi)部的傳質(zhì)采用穩(wěn)態(tài)Fick定律：

在非等溫度條件下，存在熱濕傳導(dǎo)，又稱為Luikov效應(yīng)，在不可逆熱力學(xué)中將這種由溫差引起的質(zhì)量傳遞現(xiàn)象稱為Soret效應(yīng)。

物料中水分在壓力梯度作用下所產(chǎn)生的質(zhì)量擴(kuò)散通量jAp可表示為：355.3干燥速率和干燥過程根據(jù)物料中各種傳遞過程的耦合分析有：對沿X方向上的一維干燥過程，內(nèi)擴(kuò)散速率可用下式表示：

對厚度為δ的平板制品進(jìn)行兩面對稱干燥時(shí)，濕擴(kuò)散速率：

1)熱濕擴(kuò)散中水分?jǐn)U散與加熱強(qiáng)度及加熱方式有關(guān)。

2)外部加熱時(shí)，熱擴(kuò)散與質(zhì)擴(kuò)散方向相反；內(nèi)熱源加熱時(shí)，熱擴(kuò)散與質(zhì)擴(kuò)散方向相同，這有利于干燥速率的提高。3)濕擴(kuò)散和熱濕擴(kuò)散中的擴(kuò)散系數(shù)D和Dt的大小與物料的種類、結(jié)構(gòu)、形狀、大小等性質(zhì)有關(guān)，可由實(shí)驗(yàn)測得。

總結(jié)：365.3干燥速率和干燥過程5.3.3

間歇干燥過程的干燥時(shí)間計(jì)算5.3.3.1恒速干燥階段若物料在干燥前的含水量（X1）大于臨界含水量（XC），忽略物料的預(yù)熱階段，恒速干燥階段的干燥時(shí)間(τ1)可通過下式進(jìn)行計(jì)算。恒速干燥

已知：常壓下將干球溫度t=30℃、濕球溫度tw=20℃的空氣預(yù)熱到70℃后送入間歇式干燥器，空氣以6m/s的速度流過物料表面。干燥單位面積的干物料量為23.5kg/m2，物料的臨界含水量Xc=0.21kg/（kg干料）。求：（1）恒速干燥階段的干燥速率；（2）將物料含水量從X1=0.45kg/（kg干料）減少到X2=0.24kg/（kg干料）所需要的干燥時(shí)間。37385.3干燥速率和干燥過程解：(1)查附錄得tw=20℃時(shí)，水的汽化潛熱=2453kJ/kg，得tw=70℃時(shí)，Psv=4.243kPa。干燥器內(nèi)濕空氣的相對濕度

：濕空氣的密度：

濕空氣的質(zhì)量流速：

對流換熱系數(shù)：

W/