干燥速率與干燥過(guò)程計(jì)算課件

14.3枯燥速率與枯燥過(guò)程計(jì)算14.3.1物料在定態(tài)空氣條件下的枯燥速率14.3.2間歇枯燥過(guò)程的計(jì)算14.3.3連續(xù)枯燥過(guò)程的一般特性14.3.4枯燥過(guò)程的物料衡算與熱量衡算14.3.5枯燥過(guò)程的熱效率連續(xù)枯燥過(guò)程設(shè)備容積的計(jì)算方法恒定枯燥條件：變動(dòng)枯燥操作：空氣狀態(tài)是否變化枯燥過(guò)程中空氣狀態(tài)不斷變化。空氣的溫度、濕度、流速及物料接觸方式不變。14.3.1物料在定態(tài)空氣條件下的枯燥速率一、枯燥動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Gc(絕干物料的質(zhì)量)Gi(濕物料的質(zhì)量)τi(枯燥時(shí)間)2.數(shù)據(jù)處理①典型枯燥曲線的形狀枯燥曲線：物料的的自由含水量X與枯燥時(shí)間τ的關(guān)系曲線。②枯燥速率曲線

物料的枯燥速率或水分汽化速率NA：指單位時(shí)間、單位面積〔氣固接觸界面〕被汽化的水量。Gc——試樣中絕對(duì)枯燥物料的質(zhì)量，kg；A——試樣暴露于氣流中的外表積，m2,X——物料的自由含水量，kg水/kg干料,W——汽化的水分量，kg。3枯燥速率曲線分析①AB〔或A'B〕段——預(yù)熱段一般該過(guò)程的時(shí)間很短，在分析枯燥過(guò)程中?？珊雎?，將其作為恒速枯燥的一局部。②BC段——恒速段

③C點(diǎn)：臨界含水量④CDE段——降速段

⑤兩種典型的降速段枯燥曲線CD段:第一降速階段DE段:第二降速階段D點(diǎn):第二臨界點(diǎn)非多孔物料⑥空氣的溫度、濕度不同，速率曲線的位置也不同。石棉紙漿的枯燥速率曲線圖二、恒速枯燥階段5.恒速枯燥階段的枯燥速率只與空氣的狀態(tài)有關(guān)，而與物料的種類無(wú)關(guān)。2.(NA)C

＝常量3.物料外表溫度為tw；4.在該階段除去的水分為非結(jié)合水分；1.濕物料外表全部潤(rùn)濕，即濕物料水分從物料內(nèi)部遷移至外表的速率大于水分在外表汽化的速率。恒速枯燥階段為外表汽化控制。三、降速枯燥階段1.降速的原因①實(shí)際汽化外表減小;②汽化面內(nèi)移;③平衡蒸汽壓下降;④固體內(nèi)部水分的擴(kuò)散極慢。(4)降速枯燥階段的枯燥速率與物料種類、結(jié)構(gòu)、形狀及尺寸有關(guān)，而與空氣狀態(tài)關(guān)系不大。2.降速枯燥階段特點(diǎn)(1)隨著枯燥時(shí)間的延長(zhǎng)，干基含水量X減小，枯燥速率降低，物料外表溫度逐漸升高；(2)物料外表溫度大于濕球溫度；(3)除去的水分為非結(jié)合、結(jié)合水分；四、臨界含水量等速枯燥階段的速率越大，Xc↑降低物料厚度，Xc↓物料越細(xì)，Xc↑五、枯燥操作對(duì)物料性狀的影響1.恒速段可以采用較高的氣流溫度，以提高枯燥速率和熱的利用率。2.降速段尤其是枯燥后期需控制枯燥速率，防止物料溫度過(guò)高。b.某些物質(zhì)因脫水而產(chǎn)生種種物理的、化學(xué)的以致生物的變化。如木材脫水收縮，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)可使木材沿薄弱面開(kāi)裂。有些物質(zhì)脫水后會(huì)產(chǎn)生外表硬化、干裂，起皺等不良現(xiàn)象。a.降速段，物料溫度升高；原因：14.3.2間歇枯燥過(guò)程的計(jì)算物料在恒定枯燥條件下所需枯燥時(shí)間確實(shí)定方法：a.同一物料的枯燥試驗(yàn)確定b.當(dāng)生產(chǎn)條件與試驗(yàn)差異不大時(shí)，可進(jìn)行估算。14.3.2.1恒速階段的枯燥時(shí)間τ11.物料的自由含水量由X1降至XC忽略物料的預(yù)熱階段2.NA確實(shí)定②按傳質(zhì)或傳熱速率式估算①實(shí)驗(yàn)測(cè)定幾種典型的氣流與物料的接觸方式時(shí)的給熱系數(shù)①空氣平行于物料外表流動(dòng)kW/m2·℃G為氣體的質(zhì)量流速，kg/(m2·s)

條件為G=0.68~8.14kg/〔m2·s〕，氣溫t=45~150℃②空氣自上而下或自下而上穿過(guò)顆粒堆積層③單一球形顆粒懸浮于氣流中14.3.2.2降速階段的枯燥時(shí)間τ21.物料的自由含水量由XC降至X2〔X2>X*)所需時(shí)間2.計(jì)算

②近似計(jì)算法①數(shù)值積分法或圖解積分法②近似計(jì)算法用虛線CE代替CDEX—實(shí)際含水量X—自由含水量教材p247例14-4X1=0.10Xc=0.08X*=0X2=0.04X1=0.10Xc=0.08X2=0.04恒速段降速段常壓下將300kg物料(w1=25%)置于t=90℃，tw=40℃的空氣中，空氣以7m/s的流速平行流過(guò)物料?？菰锩娣e為5.5m2，濕物料在該條件下的Xc=0.12kg水/kg干料，X*=0.03kg水/kg干料，降速段可視為直線。試求：(1)除去40kg水分所需的枯燥時(shí)間(h)；(2)將物料繼續(xù)枯燥，再除去20kg水分所需的枯燥時(shí)間(h)；(3)其他條件不變，只是將物料層厚度減半，求將物料枯燥至同第(1)的含水量一樣時(shí)所需枯燥時(shí)間。：空氣平行于物料外表流動(dòng)時(shí)的對(duì)流給熱系數(shù)為kW/(m2?℃)，G的單位為kg/(m2?s)；t的單位為℃；r的單位kJ/kg；40℃下水的飽和蒸汽壓為7.377kPa。汽化潛熱解:(1)除去40kg水分所需的枯燥時(shí)間

(2)再除去20kg水分所需枯燥時(shí)間降速段恒速段降速段(3)Xc將減小，而X1不變，故枯燥過(guò)程仍屬恒速段Gc減半3.總枯燥時(shí)間14.3.3連續(xù)枯燥過(guò)程的一般特性一、連續(xù)枯燥器中氣流與物料的接觸方式二、連續(xù)枯燥過(guò)程的特點(diǎn)1.預(yù)熱段(物料中的水分＞臨界水分〕沿設(shè)備長(zhǎng)度增加，物料外表溫度上升到氣流的濕球溫度，氣流溫度下降。2.外表汽化階段(物料中的水分＞臨界水分)沿設(shè)備長(zhǎng)度增加，物料外表水分汽化，空氣濕度增加，空氣經(jīng)歷絕熱增濕過(guò)程；物料外表溫度根本保持不變，為空氣的濕球溫度。3.升溫階段(物料中的水分＜臨界水分)

沿設(shè)備長(zhǎng)度增加，物料溫度升高，氣流溫度繼續(xù)下降。二、連續(xù)枯燥過(guò)程的數(shù)學(xué)描述分析1.考察方法：歐拉法考察對(duì)象：在垂直于氣流運(yùn)動(dòng)方向上取一設(shè)備微元2.過(guò)程數(shù)學(xué)描述方程氣固相際傳熱及傳質(zhì)速率方程式物料內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)速率方程式物料衡算式熱量衡算式14.3.4枯燥過(guò)程的物料衡算與熱量衡算一、空氣枯燥器的操作原理圖進(jìn)料口；2—枯燥室；3—卸料口；4—抽風(fēng)機(jī)；5—空氣預(yù)熱器；6—補(bǔ)充加熱器二、物料衡算①水分蒸發(fā)量；②空氣消耗量；③枯燥產(chǎn)品流量2.水分蒸發(fā)量W1.計(jì)算目的3.空氣消耗量①干空氣質(zhì)量流量②實(shí)際空氣〔新鮮空氣〕質(zhì)量流量kg濕空氣/s③風(fēng)機(jī)的風(fēng)量qV〔m3濕空氣/s〕比空氣用量4.枯燥產(chǎn)品質(zhì)量流量注意：G2是指離開(kāi)枯燥器的物料的流量，其中包括絕干物料及含有的少量水分。三、熱量衡算忽略預(yù)熱器的熱損失1.預(yù)熱器的熱量衡算2.枯燥器的熱量衡算或cpm——濕物料的比熱容，kJ/(kg干物料.℃)對(duì)于水cpl=4.18kJ/(kg.℃)四、物料衡算與熱量衡算的聯(lián)立求解1.設(shè)計(jì)型問(wèn)題分析目標(biāo)：計(jì)算完成一定枯燥任務(wù)所需干空氣用量枯燥任務(wù)→Gc、W、θ1、X1、X2空氣初始狀態(tài)→H1(=H0)

QL可按傳熱公式求或取QL=(0.05~0.10)QP

θ2不能任意選擇未知變量：V、H2

、t1、t2、QD

V、W、H2、H0、t1、Gc

、θ1X1、QD、t2、θ1

、X2、QL未知變量：V、H2

、t1、t2、QD

t1可以選定未知變量：V、H2

、t2、QD

約束方程：2個(gè)

設(shè)計(jì)者應(yīng)選擇的參數(shù)2個(gè)

2、枯燥過(guò)程的物料和熱量衡算常遇到以下兩種情況未知變量：V、H2

、t2、QD

①選擇氣體出枯燥器的狀態(tài)〔如t2及即H2已定，求V與QD。②選定QD〔如許多枯燥器QD=0，即不補(bǔ)充熱量〕及氣體出枯燥器狀態(tài)的一個(gè)參數(shù)，求V及另一個(gè)氣體出口參數(shù)。五、理想枯燥器過(guò)程的物料和熱量衡算1.理想枯燥過(guò)程熱量衡算式①整個(gè)枯燥過(guò)程濕物料不升溫〔物料中的水分都在外表汽化段去除，物料的升溫很小θ1≈θ2〕、無(wú)熱損失、枯燥器不補(bǔ)充熱量；②枯燥過(guò)程中濕物料中水分帶入的熱量及補(bǔ)充的熱量剛好與熱損失及升溫物料所需的熱量相抵消。理想枯燥過(guò)程〔或等焓枯燥、絕熱枯燥過(guò)程〕。2.濕度圖表示例14-5廢氣循環(huán)的枯燥過(guò)程(理想枯燥器)從廢氣中取80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))與濕度為0.0033kg/kg干氣、溫度為16℃的新鮮空氣混合后進(jìn)入預(yù)熱器(如附圖示)。廢氣的溫度為67℃，濕度為0.03kg水/kg干氣。物料最初含水量為47%(濕基，下同)，最終含水量為5%，枯燥器的生產(chǎn)能力為1500kg濕物料/h。試求枯燥器每小時(shí)消耗的空氣量和預(yù)熱器的耗熱量。設(shè)枯燥器是理想枯燥器。六、實(shí)際枯燥過(guò)程的物料和熱量衡算(1)當(dāng)(2)當(dāng)例14-6實(shí)際枯燥過(guò)程中氣體出口狀態(tài)的計(jì)算14.3.5枯燥過(guò)程的熱效率一、空氣在枯燥器中放出熱量的分析參加枯燥系統(tǒng)的熱量蒸發(fā)水分耗熱Q1物料升溫耗熱Q2加熱空氣耗熱Q3熱損失QL二、枯燥器的熱效率η假設(shè)〔等焓、理想、絕熱枯燥〕，那么三、提高η的措施1.當(dāng)t0，t1一定時(shí)，降低廢氣的溫度t2

①枯燥速率NA↓，τ↑,設(shè)備容積↑弊：②t2不能過(guò)低以防止出現(xiàn)返潮現(xiàn)象℃〕2.當(dāng)t0，t2一定時(shí)，提高空氣的預(yù)熱溫度t1

弊：t1↑除受熱源能位的限制外還應(yīng)以物料不致在高溫下受熱破壞為限。

3.減少枯燥過(guò)程的各項(xiàng)熱損失a.做好枯燥設(shè)備和管道的保溫工作，b.防止枯燥系統(tǒng)的滲透。4.采用局部廢氣循環(huán)操作弊：枯燥速率降低，枯燥時(shí)間增加，裝置費(fèi)用增加，存在一最正確廢氣循環(huán)量，一般廢氣循環(huán)量為總氣量的20%~30%。教材例14-7預(yù)熱溫度對(duì)熱效率的影響t1/℃127140QL5%Q6%QV(kg/s)7.776.09H20.01620.0189Qp(kW)847749Q3(kW)491385QL(kW)42.444.9η0.370.426某濕物料在常壓枯燥器內(nèi)進(jìn)行絕熱枯燥，枯燥后的產(chǎn)品為4000kg/h，濕物料的含水率為15%(濕基，下同)，產(chǎn)品的含水率不得高于1%，空氣的初始溫度為20℃，相對(duì)濕度為40%。空氣預(yù)熱至120℃后進(jìn)入枯燥器，氣體出枯燥器的溫度選定為70℃。問(wèn)：⑴所需濕空氣用量(m3/h)；(2)預(yù)熱器的熱負(fù)荷(kW)；(3)枯燥器的熱效率；(4)假設(shè)選定氣體出枯燥器的溫度過(guò)高(或過(guò)低)，其弊端是什么？某濕物料在常壓枯燥器內(nèi)進(jìn)行絕熱枯燥,條件見(jiàn)上圖.問(wèn):⑴所需濕空氣用量(m3/h)；(2)預(yù)熱器的熱負(fù)荷(kW)；(3)枯燥器的熱效率；(4)假設(shè)選定氣體出枯燥器的溫度過(guò)高(或過(guò)低)，其弊端是什么？(1)空氣流量(2)預(yù)熱器的熱負(fù)荷(3)熱效率(4)假設(shè)選定氣體出枯燥器的溫度過(guò)高，其弊端是：廢氣帶走的熱量增加，枯燥器的熱效率降低。假設(shè)選定氣體出枯燥器的溫度過(guò)低，其弊端是：降低枯燥效率，延長(zhǎng)枯燥時(shí)間，增加設(shè)備容積，還可能出現(xiàn)氣流在設(shè)備及管道出口處因散熱而析出水滴，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)返潮現(xiàn)象。某濕物料用熱空氣進(jìn)行枯燥。空氣的初始溫度為25℃，濕球溫度為18℃?，F(xiàn)將空氣預(yù)熱至120℃后送入枯燥室，從枯燥室出來(lái)的空氣溫度為80℃。濕物料進(jìn)枯燥室前溫度為20℃，含水率為2.5%(濕基，下同)，出枯燥室的溫度為60℃，含水率為0.2%；濕物料處理量為8000kg/h，絕干物料的比熱容為1.84kJ/(kg?℃)?？菰锸覂?nèi)無(wú)補(bǔ)充熱量，設(shè)備熱損失估計(jì)為外加總熱量的5%。試求：⑴單位時(shí)間獲得的產(chǎn)品質(zhì)量(kg/h)；(2)水分蒸發(fā)量(kg/h)；(3)干空氣用量(kg/h)；(4)預(yù)熱器內(nèi)所參加的熱量(kJ/h)；(5)枯燥器的熱效率.試求：⑴單位時(shí)間獲得的產(chǎn)品質(zhì)量(kg/h)；(2)水分蒸發(fā)量(kg/h)；(3)干空氣用量(kg/