第二节 干燥与干燥器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节 干燥与干燥器,一、概述,二、干燥器,三、干燥的计算原理,Aridity and,desiccator,一、概述,所谓干燥,(drying),是指，利用热能使物料,(,固体物料,),中的溶剂,(,或水分,),气化，并由,“,惰性气体,”,流带走,(,或：真空抽出,),，从而获得,(,固体,),产品的一种传质操作。,1.,干燥,生物化工生产中常采用的干燥操作有多种形式。根据操作中热量传递方式，可将干燥分为,“,传导干燥,”,、,“,对流干燥,”,、,“,介电加热干燥,”,、,“,辐射干燥,”,和,“,联合干燥,”,等方法。,微波干燥灭菌,干燥流程与其操作类型有关。从总体来看，蒸发流程可简单地用如下方框表示。,热交换,湿料,分离,热源,产品,蒸发气,蒸发气,（溶剂回收）,例如：,产品,湿料,热空气,（溶剂回收）,流化床干燥流程,旋风分离器,2.,干燥流程,在干燥操作中，常用热空气对湿料进行加热、干燥，而空气中往往混有水蒸气（湿空气），而热湿空气与湿料进行的传热、传质过程又与,空气的湿度有关。,3.,湿度与湿度图,问题：,什么是绝干空气？,所谓绝干空气是指，空气中除开水分的部分水。或者说，湿度,H=0,的空气。,湿度,湿度,(humidity),是用来表征空气水汽含量的物理量。即，湿空气中含水气的质量与绝干空气的质量之比。,H=,湿空气中水气的质量,(W,水气,),湿空气中绝干空气的质量,(W,绝干气,),湿度,H,的定义,H=,M,H,2,O,n,水气,M,空气,n,绝干气,则：,W,水气,W,绝干气,P,总,=P,水气,+P,绝干气,P,水气,P,绝干气,=,P,水气,P,总,-P,水气,n,水气,n,绝干气,由道尔顿分压定律得：,H,=,=0.621,18P,水气,29(P,总,-P,水气,),P,水气,P,总,-P,水气,若湿空气及其各组分均服从理想气体状态方程。即：,nRT,=PV,n,i,=,PV,RT,W,i,M,i,于是：,n,水气,=,PV,RT,W,水气,M,H2O,n,绝干气,=,PV,RT,W,绝干气,M,空气,M,H,2,O,=18 kg,kmol,-1,M,空气,29 kg,kmol,-1,相对湿度,所谓相对湿度是指，在一定总压下，湿空气中水气的分压与同温度下水的饱和蒸气压之比。即：,=100%,P,水气,P,S,空气的相对湿度可用来衡量空气中水气的不饱和程度。,若湿空气中水气的分压等于该空气温度下水的饱和蒸气压，则，空气的湿度可表示为：,H,S,=0.621,P,S,P,总,-P,S,式中，,H,S,称为空气的饱和湿度，,P,S,为空气中水的饱和蒸气压。,由于水的饱和蒸气压与温度有关，因此，空气的饱和湿度是湿空气总压及温度的函数。,饱和湿度,H,S,湿度图（,H,h,图）,所谓湿度图是指，湿度与其它物理量的关系图。例如：湿度焓图（,H,h,图）、温度湿度图（,t,H,图）等。,湿空气的湿度焓图由等湿度线群、等焓线群、等干球温度线群、等相对湿度线群及蒸气分压线组成。,P/,kPa,5,10,15,20,25,H(kg,/kg),0.01,0.1,0.2,等湿度线群,等焓线群,等相对湿度线群,(,等,线,),等干球温度线群,(,等,t,线,),蒸气分压线,根据湿空气的两个独立参数，便可从湿度图（,H,h,图）上确定其它参数。,例如，已知：干球温度,t=60,，湿度,H=0.01kg/kg,。查湿空气的水气分压，相对湿度及焓。,根据已知参数，在湿度图上确定湿空气状态点,A,。,60,H=0.01,A,查水气分压,P,。,P/,kPa,P=1.6,kPa,查相对湿度,(,过,A,点的,等相对湿度线,),。,=8%,=8%,查焓,h,(,过,A,点的,等焓线,),。,h=8.5,h=8.5,焓,h,H,湿空气的焓等于绝干空气的焓与水气的焓之和。若以,1kg,绝干空气为计算基准，则湿空气的焓为：,h,H,=h,g,+,h,V,H,式中：,h,H,为湿空气的焓（,kJ,kg,-1,）,h,g,为绝干空气的焓,(kJ,kg,-1,),h,v,为水气的焓（,kJ,kg,-1,）,H,为空气的湿度,(kg,kg,-1,),。,对于温度为,t,、湿度为,H,的湿空气，其焓可表示为：,h,H,=,C,g,(t,-0)+r,0,+,C,V,(,t,-0),H,=(1.01+1.88H)+2490H,0,时，水的气化潜热。,r,0,=2490kJ/kg,干球温度,t,与湿球温度,t,w,此术语，来源于过去常用的干湿度计（如右图所示）。,干球温度,t,是指，温度计测得的湿空气的真实温度。,湿球温度是指,t,w,，干湿度计右侧包有湿纱布温度计测得的温度。,干湿度计,t,t,w,如果空气中水蒸汽量没饱和，湿球的表面便不断地蒸发水汽，并吸取汽化热，使得湿球所表,示的温度比干球温度低。当空气干燥（湿度低），湿球温度计的水分蒸发加快（吸热），使湿球温度与干球温度差增大。反之，亦然。,使用时应将干湿计放置距地面,1.2,1.5,米的高处，读出干、湿两球所指示的温度差，由该湿度计所附的对照表就可查出当时空气的相对湿度。,二、干燥器,由于干燥的操作、任务及要求的不同，必然导致,干燥器的类型有所不同。在此我们仅,介绍几种常见的干燥器。,1.,传导式干燥器,所谓传导干燥是指，热能是以传导的方式传递给物料。常见的如，滚筒干燥器。,加热蒸气通过空心圆筒金属器壁将热量传递给物料，物料吸收热量后，通过溶剂的气化释放所吸收的热量，从而达到干燥的目的。,加热蒸气,湿料,产品,生产中采用的滚筒干燥器的型式很多：按滚筒数量分为单滚筒、双滚筒、多滚筒；按物料方式，可分为浸液式、喷洒式；按操作压强，又可分为,常压,和,真空,操作两类。,单滚筒干燥器,回旋单滚筒干燥器的操作原理如图所示。工作时，钢制的中空滚筒缓慢旋转；加热蒸气在筒内加热冷凝，冷凝液由虹吸管吸出；湿料在滚筒壁上随滚筒旋转，干燥，旋转一周后由刮刀将产品刮下。,双滚筒干燥器,湿料,产品,产品,刮刀,刮刀,湿料分布器,如上图所示，双滚筒干燥器的操作原理与单滚筒的相似。其构造只是将单滚筒改为双滚筒。,所谓,对流干燥是指，热能是以对流的方式传递给物料。对流干燥器是应用较广泛的一种干燥器，常见的有流化床干燥器、箱式干燥器等。,2.,对流式干燥器,流化床干燥器,流化床干燥器又称为沸腾干燥器，其操作原理如图所示。,湿料,产品,热空气,分布器,箱式沸腾（流化床）干燥器,箱式干燥器,热空气,湿料,箱式干燥器有多种类型，图中的箱式干燥器有自然对流及强制对流两种类型。,此类干燥器易操作、温度控制方便；但生产能力一般较小，属间歇操作。,所谓辐射干燥是指，热能是以电磁波的方式传递给物料。,根据干燥器的结构特点，常见的辐射干燥器有隧道式连续生产红外线干燥器、间歇式红外线干燥箱等。,404-1,型红外线干燥箱,隧道式,红外线干燥器,湿料,产品,（送冷却室）,红外线干燥器是利用红外线为辐射源对湿料进行干燥。,红外线干燥器的生产强度比对流干燥器大得多。,3.,辐射式干燥器,介电加热干燥是指，由于高频电场的交变作用，使物料加热而达到干燥的目的。,这种加热的特点是：物料中含水量越高的部位，获得的热量越多。,例如，隧道式连续生产微波干燥器。,4.,介电加热式干燥器,所谓联合干燥是指，干燥器采用两种及两种以上的,热能传递方式，使物料,达到干燥的目的。,GdT,系列干燥器,5.,联合式干燥器,讨论与练习,5,2,什么是,“,干燥,”,？干燥操作中的热量传递有哪几种方式？,三、干燥的计算原理,在化工生产的干燥操作及干燥设备选用工作中，如何根据生产任务及工艺要求选择适当的干燥设备，确定湿料中水分的蒸发量、热流体的消耗量，并以此控制干燥产品的质量,。这些，都是工程技术人员所须解决的问题。,这些问题归结起来就是：物料衡算、热量衡算及干燥速率等三个方面的问题。,在此，我们仅以流化床干燥设备为例，对干燥器的有关计算进行讨论。,湿料,产品,热空气,送分离器,G,1,G,2,L,1,L,2,湿料含水量,湿料中含水分的量（常简称为含水量或湿含量），是水分在湿料中的浓度。通常有两种表示方法。,湿基含水量,水分在湿料中的质量分数（,w,）称为湿基含水量，可表示为：,w=100%,水分质量,(W,水,),湿料总质量,(W,料,),关于干燥器的物料衡算，通常是根据已知条件，确定湿料中水分（溶剂）的蒸发量，确定热流体（空气、水蒸气）的消耗量，以及干燥产品的流量等。,1.,物料衡算,干基含水量,所谓干基含水量是指，以,1kg,绝干物料为基准时，湿料中水分的含量（含水量）。,若用,X,表示含,干基,水量，则：,X=,湿料中水分的质量,(W,水,),湿料中绝干物料的质量,(W,干料,),湿基含水量与,干基含水量的关系,w=,X,1-X,或：,X=,w,1-w,例如：已知，某湿料的湿基含水量为,3,，流量为,1100 kg/h,；求其干基含水量。,根据湿基含水量与干基含水量的关系，有：,X=,=,=0.031(kg/kg),w,1-w,0.03,1-0.03,干燥过程的物料衡算,水分蒸发量,W,水分,湿料,产品,湿空气,湿空气,G X,1,G X,2,L H,1,L H,2,输出体系的,水分量,设，,G,为绝干物料的流量,(kg/s),，,X,1,为湿料进口的,干基含水量,(kg/kg),，,X,2,为进口产品的干基含水量,(kg/kg),；,L,为绝干空气的消耗量,(kg/s),，,H,1,为湿空气进口的湿度,(kg/kg),，,H,2,为湿空气出口的湿度,(kg/kg),；,W,水分,为水分的蒸发量,(kg/s),。根据物料衡算有：,LH,1,+GX,1,=LH,2,+GX,2,输入体系的,水分量,物料中的,水分减量,湿空气中,水分增量,W,水分,=L(H,2,H,1,)=G(X,1,-X,2,),则：,空气消耗量,L,W,水分,=L(H,2,-H,1,)=G(X,1,-X,2,),将上式移项、整理得：,L=,=,H,2,-H,1,W,水分,H,2,-H,1,G(X,1,-X,2,),上述方程两端同时除以,W,水分,得：,=l,L,W,水分,H,2,-H,1,1,蒸发,1kg,水分须消耗的绝干空气量，称为单位空气消耗量,(kg/kg),。,干燥产品流量,G,2,出口绝干,物料,G,湿料,产品,湿空气,湿空气,G,1,w,1,G,2,w,2,L,1,H,1,L,2,H,2,若干燥操作中，无物料损失，根据物料衡算,有：,G,1,(1,-w,1,)=G,2,(1,-w,2,),进口绝干,物料,G,整理得：,G,2,=,1,-w,2,G(1,-w,1,),式中，,G,1,与,G,2,分别为干燥器进、出口湿物料的流量；,w,1,与,w,2,分别为物料进、出干燥器的湿基含水量。,例,1,干燥操作的物料衡算,常压下以温度为,20,、相对湿度为,60%,的新鲜空气为介质，干燥某种湿物料。,空气在预热器中被加热至,90,后送入干燥器，从干燥器出来时的温度为,45,，湿度为,0.022kg/kg(,绝干气,),。,湿料的加料量为,1100kg/h,，温度为,20,，湿基含水量为,3%,；干燥产品离开干燥器时的温度为,60,，湿基含水量降为,0.2%,。求：,水分蒸发量及新鲜空气消耗量；,预热器由风机供新鲜空气，确定风机的风量；,干燥产品,新鲜空气,Q,L,G X,1,L H,1,L,H,2,=0.022,L H,0,Q,P,Q,D,G X,2,湿料,t,0,=20,=60%,t,1,=90,t,2,=45,w,1,=3%,w,2,=0.2%,预热器,干燥器,1.,水分蒸发量,W,水分,干基含水量：,X,1,=,=,=0.031(kg/kg),(,绝干料,),w,1,1-w,1,0.03,1-0.03,X,2,=,=,=0.002(kg/kg),(,绝干料,),w,2,1-w,2,0.002,1-0.002,W,水分,=G(X,1,-X,2,)=1067(0.031-0.002),=30.9(kg/h),(,水分,),水分蒸发量：,绝干物料流量：,G,=G,1,(1,-w,1,),=1100(1-0.03),=1067(kg/h),(,绝干料,),LH,1,+GX,1,=LH,2,+GX,2,根据物料衡算有：,W,水分,=L(H,1,-H,2,)=G(X,1,-X,2,),则：,湿料,产品,热湿空气,G X,1,G X,2,L H,1,L H,2,干燥器,w,2,=0.2%,w,1,=3%,G,1,=1100,2.,新鲜空气消耗量,L,W,干燥产品,新鲜空气,Q,L,G X,1,L H,1,H,2,=0.022,LH,1,+GX,1,=LH,2,+GX,2,由于：,W,水分,=L(H,2,-H,1,),=G(X,1,-X,2,),由物料衡算得：,L=,=,H,2,-H,1,W,水分,L H,0,Q,P,Q,D,G X,2,湿料,H,2,-H,0,W,水分,当,t,0,=20,、,0,=60,时：,(,查湿度图,),H,0,=0.009kg/kg(,绝干气,),则：,L=,=,=2377(kg/kg),（绝干气）,H,2,-H,0,W,水分,0.022,-0.009,30.9,新鲜空气消耗量：,L,W,=L(1+H,0,),=2377(1+0.009),=2398(kg/h),(,新鲜空气,),3.,风机的风量,V,V,=,L,v,H,风机的风量可由下式计算：,其中，湿空气的比容为：,v,H,=(0.772+1.244H,0,),(m,3,/kg),273+t,0,273,=(0.772+1.244,0.009),273+20,273,=0.84(m,3,/kg),(,新鲜空气,/,绝干空气,),则：,V,=,L,v,H,=2377,0.84,=1997(m,3,/h),(,新鲜空气,),1kg,绝干空气及其所带有水气所占有的总容积。,L,H,0,h,0,t,0,预热器,新鲜空气,干燥器,L,H,2,h,2,t,2,Q,P,Q,D,预热器消耗,的热量,干燥器补充,的热量,X,1,h,1,1,G,L,H,1,h,1,t,1,X,2,h,2,2,G,绝干空气流量,干燥系统示意图,Q,L,如图所示：湿度为,H,0,、温度为,t,0,、焓为,h,0,的新鲜空气在预热器中进行预热，预热温度至,t,1,；热空气与湿料在干燥器中进行热交换后，温度变为,t,2,；温度为,1,、焓为,h,1,，湿料以,G,1,的流量进入干燥器进行干燥，以,温度为,2,、焓为,h,2,湿料以,G,2,的流量离开干燥器。,2.,热量衡算,L,H,0,h,0,t,0,预热器,新鲜空气,Q,P,预热器消耗,的热量,L,H,1,h,1,t,1,L,h,0,+Q,P,=L,h,1,预热器消耗的热量,若不考虑热损耗问题，预热器的热量衡算式可写为：,即：,Q,P,=L(,h,1,-h,0,),向干燥器补充的热量,Lh,1,+Gh,1,+Q,D,=Lh,2,+G,h,2,+Q,L,即：,Q,D,=L(,h,2,-h,1,)+G(h,2,-h,1,)+Q,L,干燥器,L,H,2,h,2,t,2,Q,D,干燥器补充,的热量,X,1,h,1,1,G,L,H,1,h,1,t,1,X,2,h,2,2,G,Q,L,根据焓的定义，可将,h,0,及,h,2,写成：,h,2,-h,0,h,0,=C,g,(t,0,-0)+h,v0,H,0,=C,g,t,0,+h,v0,H,0,h,2,=C,g,(t,2,-0)+h,v2,H,2,=C,g,t,2,+h,v2,H,2,干燥系统消耗的总热量,L,H,0,h,0,t,0,预热器,新鲜空气,干燥器,L,H,2,h,2,t,2,Q,P,Q,D,X,1,h,1,1,G,L,H,1,h,1,t,1,X,2,h,2,2,G,Q,L,Q=Q,P,+Q,D,=L(h,1,-h,0,),+L(h,2,-h,1,)+G(h,2,-h,1,)+Q,L,=L(h,2,-h,0,),+G(h,2,-h,1,)+Q,L,由水气的焓得知：,h,v2,=r,0,+C,V2,(t,2,-0)=r,0,+C,V2,t,2,由于进入预热器及离开干燥器时，空气中水气的焓,h,v0,与,h,v2,两者相差不大。即：,h,v2,h,v0,则：,h,2,-,h,0,=C,g,t,2,+h,v2,H,2,-C,g,t,0,+h,v0,H,0,=C,g,(t,2,-t,0,)+h,v2,(H,2,-H,0,),则：,h,2,-,h,0,=C,g,(t,2,-t,0,)+(r,0,+C,V2,t,2,)(H,2,-H,0,),=C,g,(t,2,-t,0,)+(2490,+1.88 t,2,)(H,2,-H,0,),h,2,-h,1,h,1,=C,1,(,1,-0)=C,1,1,由焓的定义得知，湿料进、出干燥器的焓为,：,h,2,=C,2,(,2,-0)=C,2,2,对于湿料的比热容,C,1,与,C,2,两者相差不大，一般可近似地由其算术平均值代替。则：,h,2,-h,1,=C,2,2,-C,1,1,C,m,(,2,-,1,),C,S,绝干料的比热容,C,w,=4.187kJ/(kg,K),(,水的比热容,),C,=C,S,+,X,C,w,湿料的比热容,C,干燥系统消耗的总热量,Q=Q,P,+Q,D,=1.01L(t,2,-t,0,)+W(2490+1.88t,2,)+,G,C,m,(,2,-,1,)+Q,L,湿料中水分代入系统,中的焓,忽略不计,Q,V,W(2490+1.88t,2,),干燥系统的热效率,干燥系统的热效率是用来评价干燥器热利用率的指标，通常将其定义为：,=,100%,蒸发水分（溶剂）所需的热量,输入干燥系统的总热量,蒸发水分所需的热量,Q,V,=W(2490+1.88t,2,)-4.187,1,W,则：,=,100%,W(2490+1.88t,2,),Q,由于,dW,水分,=-,G,dX,，则：,u=,G,dX,A,d,干燥速率,所谓干燥速率是指，单位时间内，单位面积上气化的水分质量。可表示为：,u=,dW,水分,A,d,式中：,A,干燥面积,(m,2,),干燥时间,(s),X,湿料含水量,kg/kg(,水,/,绝干料,),干燥过程的物料衡算及热量衡算为我们完成生产任务，解决了所需的空气量及热量问题，并为确定干燥操作所需选择的鼓风机和预热器提供了依据。,但干燥器的大小、生产周期等问题未能解决，必须通过干燥速率及干燥时间来确定。,3.,干燥速率与干燥曲线,干燥曲线,干燥曲线是用来表述物料含水量,X,及物料表面温度,与干燥时间,的关系曲线图。,例如：某湿物料初始含水量为,X,1,，其表面温度为,1,。,1,X,X,1,恒定干燥情况下某物料的干燥曲线,0,当其在干燥器中预热至,t,w,时，物料含水量降为,X,，曲线的斜率开始变大；,t,w,X,2,当继续升温至,t,w,后，曲线的斜率逐步变得平坦；直至温度逐步升为,2,时，物料含水量逐步降至平衡水分,X,*,。,0,X,0,t,w,X,*,讨论与练习,5,3,常压下以温度为,20,、相对湿度为,60,的新鲜空气为介质，干燥某种湿物料。,已知：空气在预热器中被加热至,90,后送入干燥器，从干燥器出来时的温度为,45,，湿度为,0.022kg/kg(,绝干气,),。,湿料的加料量为,1100kg/h,，温度为,20,，湿基的含水量为,3,；干燥产品离开干燥器时的温度为,60,，湿基含水量降为,0.2,。求：,预热器的热量损耗；,向干燥器补充的热量；,系统消耗的总热量；,干燥系统的热效率。,资料卡片,5,3,（略）,1.,预热器中消耗的热量,Q,P,若不考虑预热器的热损耗，根据热量衡算有：,Q,P,=L(h,1,-h,0,),新鲜空气,L H,1,L H,0,Q,P,t,0,=20,=60%,h,0,t,1,=90,h,1,预热器,热空气,L=2377 kg/kg,例,1,物料衡算得到：,当,t,0,=20,、,0,=60%,时：,h,0,=43kJ/kg(,绝干气,),查湿度图,当,t,1,=90,、,H,1,=H,0,时：,h,1,=115kJ/kg(,绝干气,),则：,Q,P,=L(h,1,-h,0,),=47.5 kW,=2377(115-43)=17110,3,(kJ/h),资料卡片,2.,干燥系统消耗的总热量,Q,干燥产品,Q,L,G X,1,L H,1,L,H,2,=0.022,Q,D,G X,2,湿料,t,1,=90,t,2,=45,1,=20,2,=60,干燥器,预热器,Q,P,新鲜空气,L H,0,t,0,=20,=60%,由热量衡算得：,Q=Q,P,+Q,D,=1.01L(t,2,-t,0,)+W(2490+1.88t,2,)+,G,C,m,(,2,-,1,)+Q,L,W,水分,=2377 kg/kg,例,1,物料衡算得：,C,m,(C,1,+C,2,)/2,湿料的平均比热容：,C,=C,S,+,X,C,w,=1.01,2377(45,-20)+30.9(2490+1.88,45)+,+1067,3.28(60-20)+1.2,3600,=60019+79555+139990+4320=283884(kJ/h),=78.9 kW,资料卡片,3.,向干燥器补充的热量,Q,D,根据热量衡算：,Q,=Q,P,+Q,D,则：,Q,D,=Q-Q,P,=78.9-47.5,=31.4(kW),4.,干燥系统的热效率,=,100%,W(2490+1.88t,2,),Q,30.9(2490+1.8845),=100%,283884,=28%,