模块7 固体干燥操作_教案.doc

模块七 固体干燥操作
项目1 认识干燥装置
【教材版本】李祥新、朱建民主编《化工单元操作》，高等教育出版社2009年3月出版。
【教学目标】
1．通过观察分析干燥设备，掌握不同类型干燥器的结构和干燥原理。
2．熟悉不同类型干燥器的干燥原理。
3．掌握干燥操作基本知识。
【教学重点、难点】
重点：干燥器结构及工作原理
难点：湿空气的性质
【教学方法】
采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。根据本项目特点，采用“导入——演示——实训——评价——讲授——讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。
【学时安排】8学时
【教学建议】
先通过例子导入本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。然后，在学生预习的基础上学习干燥操作的相关知识。
【教学过程】
一、导入
干燥是将固体物料中的水分除去的单元操作，根据被干燥物料的性质、生产规模及产品要求的不同，所采用的干燥方法和干燥器的形式也是多种多样的。
二、教师讲授及演示实训步骤
1．布置实训任务：认识干燥装置。
2．引导学生先大致了解干燥装置，简述其用途，提高学生学习兴趣。

图7-1 沸腾床干燥装置
三、学生实训
指导学生按工艺卡片进行实训。
初步认识——观察干燥设备总体结构——观察沸腾床结构——观察旋风分离器——了解其他干燥设备
四、检查评价
学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人员。
五、相关知识
在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以下内容的学习。
一、干燥器
学生讨论自学
1．有哪些类型的干燥设备？比较其结构特点与应用场合。
二、干燥的基础知识
学生讨论自学
1．固体物料去湿的方法有哪几种？
2．对流干燥原理。
教师讲解
3．空气的性质
（1）湿度H
湿度又称湿含量，是湿空气中所含水蒸气的质量与绝绝干空气质量之比，单位为kg水/kg绝干空气。
             （7-1）
若以分压比表示，则
                                                   （7-2）
若湿空气中水蒸气分压恰好等于该温度下水的饱和蒸气压ps，此时的湿度为在该温度下空气的最大湿度，称为饱和湿度，以Hs表示。
                                               （7-3）
由于水的饱和蒸气压只与温度有关，故饱和湿度是湿空气总压和温度的函数。
（2）相对湿度φ
相对湿度又称相对湿度百分数，即湿空气中水蒸气分压pw与同温度下的饱和蒸气压之比ps的百分数。
                                                   （7-4）
     相对湿度表明了湿空气的不饱和程度，反映湿空气吸收水气的能力。
φ＝1（或100%），表示空气已被水蒸气饱和，不能再吸收水汽，无干燥能力。
φ越小，即pv与ps差距越大，表示湿空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。
湿度H、相对湿度φ和温度t 之间的函数关系可用下式表示
                                               （7-5）
由上式可见，对水蒸气分压相同（湿度相同），而温度不同的湿空气，温度越高，则ps值越大，φ值越小，干燥能力越大。因此加热空气，可以提高干燥效果。
想一想
湿空气湿度大，则其相对湿度也大，这种说法对吗？
（3）湿空气比体积
每单位质量绝绝干空气中所具有的空气和水蒸气的总体积，单位为m3湿空气/kg绝干空气。
（7-6）
由上式可见，湿空气比体积随其温度和湿度的提高而增大。
    （4）湿比热容cH
将1kg绝干空气和其所带的H kg水蒸气的温度升高1℃所需的热量，简称湿比热容，单位为kJ/（kg绝绝干空气·℃）。
                         （7-7）
式中 cg——绝干空气的比热容，其值约为1.01 kJ/（kg绝绝干空气·℃）
cw——水蒸气的比热容，其值约为1.88 kJ/（kg水蒸气·℃）
（5）湿空气的焓I
湿空气的焓为单位质量绝干空气的焓和其所带H kg水蒸气的焓之和，单位为kJ/kg绝干空气。
计算基准： 0℃时绝干空气与液态水的焓为零。
（7-8）
式中：r0——0℃时水蒸气汽化潜热，其值为2492kJ/kg。
4．表示空气性质的几个温度
（1）干球温度与湿球温度
干球温度t：空气的实际温度。
湿球温度tw：用水润湿纱布包裹温度计的感温球，即成为一湿球温度计，达到稳态时所测得的温度称为空气的湿球温度，以tw表示。

　 图7-8 湿球温度计
过程分析：当不饱和空气流过湿球表面时，由于湿纱布表面的饱和蒸气压大于空气中的水蒸气分压，在湿纱布表面和气体之间存在着湿度差，这一湿度差使湿纱布表面的水分汽化被气流带走。水分汽化所需潜热，首先取自湿纱布中水的显热，使其降温，于是在湿纱布表面与气流之间又形成了温度差，这一温度差将引起空气向湿纱布传递热量。
湿球温度tw为湿空气温度t和湿度H的函数，tw≤t。
湿度越大，湿球温度tw越高，越接近湿空气温度t。
当空气达到饱和湿度时，tw＝t。
（2）露点td
一定压力下，将不饱和空气等湿降温至饱和，出现第一滴露珠时的温度为露点td，相应的湿度称为露点下的饱和湿度Hd。
根据式（7-3）
                                           （7-9）
式中 pd——露点td时的饱和蒸气压，也即该空气在初始状态下的水蒸气分压pw。
将式（7-9）整理得
                                           （7-10）
计算得到pd，查其相对应的饱和温度，即为该湿含量H和总压p时的露点td。同理，由露点td和总压p，可确定湿度H。
（3）绝热饱和温度tas
绝热饱和过程中，气、液两相最终达到的平衡温度称为绝热饱和温度，以tas表示。
绝热饱和温度tas和湿球温度tw是两个完全不同的概念，但是两者都是空气湿度H和温度t的函数，也是湿空气的性质。
对于空气和水的系统，湿球温度tw与绝热饱和温度tas在数值上近似相等。
比较干球温度t、湿球温度tw、绝热饱和温度tas及露点温度td，可以得出
不饱和湿空气 t＞tw（tas）＞td；
饱和湿空气 t＝tw（tas）＝td 。
【例7-1】 已知湿空气的总压为101.3kPa，相对湿度为70%，干球温度为20℃。试求：（1）湿度H；（2）水蒸气分压pw；（3）露点td；（4）焓I；（5）如每小时将100kg绝干空气预热到97℃进入干燥器，求单位时间所需热量Q；（6）每小时送入预热器的湿空气体积V。
解：已知p＝101.3 kPa，φ＝70%，t＝20℃。由饱和水蒸气表查得，水在20℃时的饱和蒸气压ps＝2.32 kPa。
（1） 湿度
kg水/kg绝干空气
（2）水蒸气分压pw

（3）露点td
露点是空气在湿度H或水蒸气分压pw不变的情况下，冷却到饱和时的温度。所以，可以查水蒸气表，得到与对应的饱和温度，即td＝14℃
（4）焓I

   ＝46.70kJ/kg绝干空气
（5）预热绝干空气及其所带水蒸气所需的热量Q
＝7925kJ/h
＝2.20kW
（6）湿空气体积V

＝84.3m3/h
【作业】
1．仔细观察沸腾床结构，分析其结构的合理性。
2．若出口物料湿度过大，是由什么原因引起的？如何解决？
复习题，计算题

项目2 沸腾床干燥操作
【教材版本】李祥新、朱建民主编《化工单元操作》，高等教育出版社2009年3月出版。
【教学目标】
1．通过沸腾床干燥器的操作训练，学会按要求正确操作干燥器，并能够及时地处理干燥器操作过程中的常见故障。
2．熟悉各种干燥设备的操作要求。
3．掌握干燥过程的工艺计算。
【教学重点、难点】
重点：沸腾床干燥器操作
难点：干燥过程的工艺计算
【教学方法】
采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。根据本项目特点，采用“导入——演示——实训——评价——讲授——讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。
【学时安排】8学时
【教学建议】
先通过例子导入本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。然后，在学生预习的基础上学习干燥操作的相关知识。
【教学过程】
一、导入
沸腾床干燥器是一种典型的干燥设备，在工业上应用较多。本项目通过沸腾床干燥器的操作训练，学会按要求正确操作干燥器，并能够及时地处理干燥器操作过程中的常见故障。
二、教师讲授及演示实训步骤
1．布置实训任务：沸腾床干燥器操作。
2．说明并演示干燥装置操作。
三、学生实训
指导学生按工艺卡片进行实训。
检查准备——开车——干燥——取样——分析含水量——停车
四、检查评价
学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人员。
五、相关知识
在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以下内容的学习。
一、典型干燥器的操作
学生讨论自学
1． 沸腾干燥器的操作方法。
2． 沸腾床干燥器的常见故障及处理方法。
3． 喷雾干燥器的操作方法。
4． 喷雾干燥器的常见故障及处理方法。
二、干燥过程的物料衡算
教师讲解
1．湿物料中含水量的表示方法
（1）湿基含水量w

（2）干基含水量X
 kg水/kg绝干物料
两种表示方法的关系
（7-11）
    （7-12）
干燥过程中，湿物料量变化，绝干物料量不变，用干基含水量计算更方便。
2．水分蒸发量W
单位时间内从湿物料中除去水分的质量，以W表示，单位为kg/h。
干燥过程的物料衡算：

图7-12  干燥过程的物料衡算示意图
在干燥前后，物料中绝干物料量不会变。以1h为基准，对进出干燥器的水分进行衡算得
（7-13）
对总物料进行衡算得
（7-14）
对绝干物料进行衡算得
（7-15）
所以，水分蒸发量
（7-16）
若已知物料最初和最终的干基含水量为X1和X2，则水分蒸发量可用下式计算
（7-17）
式中 W——单位时间水分蒸发量，kg/h；
G1，G2——进、出干燥器的湿物料量，kg/h；
G——湿物料中绝干物料量，kg/h；
w1、w2——进、出干燥器的湿物料的湿基含水量。
3．绝干空气消耗量L（kg绝干空气/h）
干燥前后空气中水蒸气的物料衡算式为
（7-18）
（7-18a）
故绝干空气消耗量为
      （7-19）
式中 L——绝对绝干空气消耗量，kg/h；
H1，H2——空气在干燥器进、出口处的湿度，kg水/kg绝干空气。
蒸发1kg水所需绝干空气的量称为单位空气消耗量l，单位为kg绝干空气/kg水
   （7-20）
湿空气消耗量
（7-21）
干燥器鼓风机所需风量根据湿空气的体积流量V而定。湿空气体积流量为
（7-22）
4．干燥产品的流量
进、出干燥器的绝干物料质量守恒，由式（7-15）得
（7-23）
【例7-2】在一连续干燥器中，每小时将2000kg湿物料由含水量3%干燥至0.5%（均为湿基）。以热空气为干燥介质，空气进、出干燥器的湿度分别为0.02kg/kg绝对绝干空气及0.08kg/kg绝对绝干空气。设干燥过程中无物料损失，试求水分蒸发量、新鲜湿空气消耗量和干燥产品量。
解：（1）水分蒸发量W
其中

kg/h
kg水分/h
（2）新鲜湿空气消耗量Lw
已知 H1=0.02kg/kg绝对绝干空气，H2=0.08kg/kg绝对绝干空气
kg绝对绝干空气/h
kg新鲜湿空气/h
（3）干燥产品质量流量G2

或 kg干燥产品/h
【练习与扩展】
复习题
计算题

项目3 干燥器干燥曲线的测定
【教材版本】李祥新、朱建民主编《化工单元操作》，高等教育出版社2009年3月出版。
【教学目标】
1．学会测定物料在恒定干燥条件下不同时刻的含水量。
2．掌握干燥曲线的测定方法。
【教学重点、难点】
重点：干燥物料含水量的测定
难点：干燥曲线的绘制
【教学方法】
采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。根据本项目特点，采用“导入——演示——实训——评价——讲授——讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。
【学时安排】8学时
【教学建议】
先通过例子导入本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。然后，在学生预习的基础上学习干燥操作的相关知识。
【教学过程】
一、导入
湿物料的含水量随干燥时间的变化曲线即为干燥曲线，它说明了物料的干燥时间，以及干燥过程中物料表面温度随干燥时间的变化情况。干燥曲线为确定干燥操作条件、干燥时间和干燥器尺寸提供了依据。
二、教师讲授及演示实训步骤
1．布置实训任务：干燥过程中物料含水量的测定及干燥曲线的绘制。
2．说明并演示干燥实训装置操作。
三、学生实训
指导学生按工艺卡片进行实训。
检查准备——开启风机——调空气流量——空气加热——放入试样——采集数据——停车——绘制曲线
四、检查评价
学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人员。
五、相关知识
在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以下内容的学习。
一、干燥速率与干燥时间
学生讨论自学
1． 平衡水分和自由水分有什么区别？
2． 结合水分和非结合水分有什么区别？
3． 通过下图解释以上四种水分类型的联系与区别。

图7-14 物料中所含水分的性质
二、干燥过程的物料衡算
教师讲解
2. 干燥速率
（1）干燥速率
单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量， U，单位为kg/（m2·s），即
（7-24）
式中 W——物料表面汽化的水分量，kg；
A——被干燥物料表面积，m2；
τ——干燥时间，s。
干燥速率的数据多取自实验测定值。
（2）干燥曲线与干燥速率曲线

图7-15 恒定干燥条件下的干燥曲线

图7-16 恒定干燥条件下的干燥速率曲线
由干燥速率曲线可以看出，干燥过程分为恒速干燥和降速干燥两个阶段。
①恒速干燥阶段
图7-16中的BC段。物料表面充满着非结合水分，物料的干燥速率保持恒定。
在该阶段，湿物料表面温度始终保持为空气的湿球温度。这一阶段干燥速率的大小，主要取决于空气的性质，而与湿物料的性质关系很小。
图中AB段为物料预热段，该阶段时间很短，可忽略，作为恒速干燥的一部分。
②临界含水量Xc
图7-16中的C点为干燥速率的转折点，称为临界点。所对应湿物料的含水量称为临界含水量，Xc。临界含水量与湿物料的性质及干燥条件有关。当物料的含水量降到临界含水量以下时，物料的干燥速率亦逐渐降低。
③降速干燥阶段
如图7-16中的CDE段，干燥速率随着含水量的减小而降低。
干燥速率主要取决于物料本身的结构、形状和大小等性质，而与空气的性质关系很小。
物料表面的温度不断上升，而接近于空气的温度。
④平衡含水量X*
与图7-16中E点对应的干燥速率为零，相应的物料的含水量为该干燥条件下物料的平衡含水量X*。
（3）干燥速率的影响因素
主要有三个方面：湿物料、干燥介质和干燥设备，三者互相关联。
①物料的性质和形状。物料的性质和形状影响物料的临界含水量，在降速干燥阶段起决定性作用。
②物料的温度。物料的温度越高，则干燥速率越大。
③物料的含水量。物料的最初、最终以及临界含水量决定干燥各阶段所需时间和长短。
④干燥介质的温度和湿度。干燥介质（空气）的温度越高，湿度越小，则恒速干燥阶段的干燥速率越大。
⑤干燥介质的流速和流向。在恒速干燥阶段，提高气速可以提高干燥速率；在降速干燥阶段，气速和流向对干燥速率影响很小。
⑥干燥器的构造。上述各因素都和干燥器的构造有关，高效的干燥器就是针对以上某些因素设计的。
3．干燥时间
（1）恒速段干燥时间τ1
恒速干燥阶段的干燥速率为一常数，且等于临界点上的干燥速率Uc，则
（7-25）
式中 Uc——临界点的干燥速率，可由干燥速率曲线查取，或用公式计算。
（2）降速段干燥时间τ2
降速干燥阶段的干燥速率随物料中自由水分含量的变化而变化，可由以下公式近似计算
（7-26）
式中 KX——比例系数，。
（3）总干燥时间τ
总干燥时间，即物料在干燥器中停留时间为
（7-27）
二、干燥操作条件的确定
学生讨论自学
1．从哪些方面考虑选择干燥介质？
2．逆流和错流分别适合于哪些场合？
3．干燥介质进入干燥器时的温度怎样选择？
4．确定干燥介质离开干燥器时的相对湿度和温度时应从哪些方面进行考虑？
5．物料离开干燥器时的温度对干燥有什么影响？
【作业】
复习题
分析并比较下列各组概念的联系与区别
常压干燥 间歇干燥 湿球温度 恒速干燥阶段
真空干燥 连续干燥 绝热饱和温度 降速干燥阶段
露点
湿度 临界水分
相对湿度 平衡水分
干基含水量 自由水分
湿基含水量 结合水分
非结合水分
理论知识结构
干燥器
认识干燥装置
固体干燥操作
干燥的基础知识
典型干燥器的操作
沸腾床干燥操作
干燥过程的物料衡算
干燥速率与干燥时间
干燥曲线的测定
干燥操作条件的确定