大连理工大学化工原理课程讲义-干燥3.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,*,9.4.3,湿分在湿物料中的传递机理,（,1,）湿物料分类,多孔性物料，,如催化剂颗粒，砂子等。主要特征：,水分存在于物料内部大小不同的细孔和通道中；,湿分移动主要靠毛细管作用力；,这类物料的临界含水量较低，降速段一般分为两个阶段。,非多孔性物料，,如肥皂、浆糊、骨胶等。主要特征：,结合水与固相形成了单相溶液；,湿分靠物料内部存在的湿分差以扩散的方式进行迁移；,这类物料的干燥曲线的特点是恒速阶段短，临界含水量,较高，降速段为一平滑曲线。,（,2,）液体扩散理论,主要论点：,在降速干燥阶段中，湿物料内部的水分不均匀，形成了浓度梯度，使水分由含水量较高的物料内部向含水量较低的表面扩散，然后水分在表面蒸发，进入干燥介质。,干燥速率完全决定于物料内部的扩散速率。此时，除了空气的湿度影响表面上的平衡值外，干燥介质的条件对干燥速率已无影响。,非多孔性湿物料的降速干燥过程较符合扩散理论。,（,3,）毛细管理论,主要论点,：,多孔性物料具有复杂的网状结构的孔道，水分在多孔性物料中的移动主要依靠毛细管力。,多孔性物料的干燥过程较好地符合这一理论。,E,D,C,B,X,R,O,多孔性陶制平板的干燥速率曲线,E,C,B,X,R,O,非多孔性粘土板的干燥速率曲线,9.5.1,干燥过程的物料衡算,典型的干燥流程,：,9.5,干燥过程的设计计算,目的,：确定出湿物料干燥到指定的含水量所需除去的水分量及,所需的空气量。,q,m,L,t,0,H,0,I,0,t,1,H,1,I,1,t,2,H,2,I,2,q,m,1,1,X,1,q,m,2,2,X,2,L,D,P,干燥器物料与热量衡算,（,1,）湿物料的水分蒸发量,或,又,所以,（,2,）空气用量,进入和排出干燥器的湿分相等，故有：,干空气用量：,kg/s,kg/s,单位空气消耗量（比空气消耗量）：,，,kg,干空气,/kg,水,换算为湿空气的质量为：,换算为湿气体的体积量为：,，,kg,湿空气,/s,，,m,3,湿空气,/s,9.5.2,干燥过程的热量衡算及干燥器的热效率,（,1,）热量衡算,目的,：确定干燥器的出口空气状态参数或所需的加热量。,基准：,连续式干燥器的热量衡算以单位时间为基准，,间歇式干燥器则以一次干燥周期为基准。,q,m,L,t,0,H,0,I,0,t,1,H,1,I,1,t,2,H,2,I,2,q,m,1,1,X,1,q,m,2,2,X,2,L,D,P,干燥器物料与热量衡算,全系统的热量衡算,进一步简化整理得：,或,预热器的耗热量,该过程为,恒湿增温,过程。,忽略热损失，有：,输入热量,输出热量,1.,湿物料带入的热量,干产品带入：,q,m,2,c,m,1,蒸发水分带入：,q,m,w,c,w,1,1,干产品带出,:,q,m,2,c,m,2,2.,空气带入：,q,m,L,I,1,=,q,m,L,(1.01+1.88,H,1,),t,1,+,r,0,H,1,2,空气带出,:,q,mL,I,2,=,q,mL,(1.01+1.88,H,2,),t,2,+,r,0,H,2,3,干燥器内补充加热：,D,3,干燥器内热损失：,L,表中,干燥器热量衡算,以干燥器为衡算系统，热量收支情况如下表所示：,(,产品升温热量,),由此可列出干燥器的热量衡算式：,令,将 带入，整理得：,或,kW/kg,因,I=c,H,t+r,0,H,，,如不计干燥过程中,c,H,的变化，则上式可改写为：,（,2,）理想干燥过程和非理想干燥过程,无热损失；,不加入补充热量；,物料足够湿润。,理想干燥过程,理想干燥过程为,等焓过程,，近似,绝热饱和过程,。,干燥器出口空气状态亦可利用图解法在湿度图中直接求得。,对于理想干燥过程，有：,B,A,H,=,0.08,t,t,0,t,2,t,1,H,0,=,H,1,C,H,2,非理想干燥过程,非理想干燥过程为非等焓干燥过程；,空气状态不是沿绝热饱和线变化；,实际的干燥过程大多为非理想干燥过程。,出口状态参数需由下式计算求得：,干燥器的热效率,常用的干燥器的热效率定义为：干燥过程中，蒸发水分所消耗的热量与加入系统的热量之比。即：,式中,如干燥器中空气所放出的热量全部用来气化湿物料中的水分，,则：,干燥器中无补充热量，则,若忽略湿比热容的变化，则,关于热效率：,可以表示热利用的程度，但还不能以此判别设计或操作的优劣；,降低空气出口温度,t,2,和提高空气的出口湿度,H,2,，,可以减少废气带出的热量，减少空气用量，提高热效率；,用热空气作干燥介质时，热效率,=,3060%,；,应用部分废气循环时，,=,5075%,；,热空气的漏出或冷空气的漏入会降低干燥器的热效率；,尽量利用废气中的热量，如用废气预热冷空气或湿物料，减少设备和管道的热损失，都有助于热效率的提高。,9.5.3,干燥时间的计算,（,1,）,恒定干燥条件下的干燥时间计算（间歇过程）,a,）,恒速干燥阶段,干燥速率,R,的求取：,干燥速率,R,可由实验测定，所用实验条件必须与待设计的干燥器的条件（如干燥器型式、空气流速及空气的状态、湿物料的堆积厚度等）相同。,也可按传质或传热速率式估算恒速阶段的干燥速率,R,。,k,H,、,h,可由实验求得，可供参考的经验式：,W/m,2,o,C,适用范围：,空气平行流过物料表面,或,空气垂直流向固体表面,适用于：,b,）,降速阶段的干燥时间,积分法,求解：,干燥曲线已知，将,1/,R,对相应的,X,值进行标绘，求得,X,2,-,X,c,之间的面积，再由上式求得时间,2,。,特点：,比较准确，但计算较繁，且事先应具有从实验获得的与生产条件相仿的干燥速度曲线。,近似计算,简化：,当降速段的速率曲线近似地以临界,C,点与平衡含水量,E,点的联线替代降速段曲线时，则,R,与,X,-,X,*,成正比。,计算式：,简化后，推导得降速阶段干燥时间,2,为：,对多孔性物料，符合毛细管理论的干燥过程适宜采用这种方法。,按扩散理论计算,对于厚度为,l,的平板，当侧面和底面绝热，干燥只在表面上进行时，在干燥时间较长的情况下：,最终含水量为,X,2,所需降速干燥时间为：,c,）,总的干燥时间,=,1,+,2,注,：上式中的,D,L,为常数，但,D,L,是随含水量和温度而变化的，含水量越大，温度越高，,D,L,越大，计算时应采用实验所得的平均值。,（,2,）非恒定干燥条件下的干燥时间计算（连续过程）,实际干燥过程，干燥条件不是恒定的。,一连续逆流干燥器物料与空气的温度沿流程的分布曲线：,区,：预热区，可忽略不计,区,：干燥的第一阶段,区,：干燥的第二阶段,干燥器长,温度,H,2,t,2,X,1,1,X,1,t,w,X,C,t,w,X,2,2,H,2,t,2,H,C,t,C,H,1,t,1,忽略预热段，其它两段的干燥时间可分别计算如下：,a,）,干燥的第一阶段,在干燥的第一阶段，任一截面都可写出传递速率关系：,任一微元距离内，空气与湿物料逆流接触的时间为,d,，,相应的湿度和水分含量的变化为,d,H,与,d,X,，,根据物料衡算有：,若干燥的第一阶段为绝热冷却过程，则,k,H,和,H,w,均为常数。,式中H,c,为：,设干燥速率与自由水分的关系仍可用下式表示：,b,）,干燥的第二阶段,由,物料衡算：,第二阶段的任一截面和物料出口之间做水分的衡算，可得：,如空气的状态变化可视为绝热冷却过程，则,H,w,为常数，上式积分后整理得：,c,）,总干燥时间,=,1,+,2,（,3,）,干燥过程设计参数的确定,进口温度：为了强化干燥过程，降低设备成本，应,提高,空气的入口温度。,空气的进口温度与湿度,空气出口温度,在并流操作中，一般取气体出口温度比固体出口温度高,1020,在逆流操作中，一般可选,100,作为初步设计值。,降低,空气的出口温度，可减少空气的消耗量、提高热效率、降低操作费用。,进口湿度：空气的进口湿度,愈低,，所需的空气量就愈少。一般情况下，空气的进口湿度决定于当时当地的大气状态。,湿物料的出口温度,目前还没有较精确的计算公式，一般取相似于设计条件下的实验值，或用经验式估算。,物料允许的最高温度,对于细颗粒或液滴并流干燥时，湿物料的出口温度,2,为：,9.6,干 燥 器,为满足生产需要，干燥器应达到以下基本要求：,适应被干燥物料的多样性和不同产品规格要求；,设备的生产能力要高；,能耗的经济性；,还应便于操作、控制等。,9.6.1,工业上常用干燥器,（,1,）厢式干燥器（盘架式干燥器）,原理：,主要是以热风通过湿物料的表面，达到干燥的目的。,厢式干燥器中的加热方式有两种：,单级加热,多级加热,采用废气循环法,优点：,可灵活准确地控制干燥介质的温度、湿度；,干燥推动力比较均匀；,增加气流速度使得传热（传质）系数增大；,减少热损失，但干燥速率常有所减小。,具有中间加热的干燥过程,等,线,C,2,C,1,A,C,t,/,B,3,B,2,B,1,B,H,/(kg kg,-1,),0,等,线,t,/,H,/(kg kg,-1,),M,A,C,B,B,具有废气循环的干燥过程,0,厢式干燥器的优点,：,构造简单，设备投资少；,适应性强，物料损失小，盘易清洗。,尤其适用于需要经常更换产品、小批量物料的干燥。,物料得不到分散，干燥时间长；,若物料量大，所需的设备容积也大；,工人劳动强度大；,热利用率低；,产品质量不均匀。,厢式干燥器的主要缺点：,（,2,）气流式干燥器,结构：,优点,：,气、固间传递表面积很大，体积传质系数很高，干燥速率大；,接触时间短，热效率高，气、固并流操作，可以采用高温介质，对热敏性物料的干燥尤为适宜；,由于干燥伴随着气力输送，减少了产品的输送装置；,气流干燥器的结构相对简单，占地面积小，运动部件少，易于维修，成本费用低。,缺点：,必须有高效能的粉尘收集装置，否则尾气携带的粉尘将造成很大的浪费，也会形成对环境的污染；,对有毒物质，不易采用这种干燥方法。但如果必须使用时，可利用过热蒸汽作为干燥介质；,对结块、不易分散的物料，需要性能好的加料装置，有时还需附加粉碎过程；,气流干燥系统的流动阻力降较大，动力消耗较大。,应用,：,气流干燥器适宜于处理含非结合水及结块不严重又不怕磨损的粒状物料，尤其适宜于干燥热敏性物料或临界含水量低的细粒或粉末物料。对粘性和膏状物料，采用干料返混方法和适宜的加料装置，如螺旋加料器等，也可正常操作。,（,3,）流化床干燥器（沸腾床干燥器）,原理：,流化床干燥器是流态化原理在干燥中的应用，流态化原理已在上册中叙述。在流化床干燥器中，颗粒在热气流中上下翻动，彼此碰撞和混合，气、固间进行传热、传质，以达到干燥目的。,加料,单层圆筒沸腾床干燥器,至分离器,出料,热空气,分布盘,气体出口,加料,出料,床内分离器,第一层,第二层热空气,多层流化床干燥器,优点,与其它干燥器相比，传热、传质速率高；,由于传递速率高，气体离开床层时几乎等于或略高于床层温度，因而热效率高；,由于气体可迅速降温，所以与其他干燥器比，可采用更高的气体入口温度；,设备简单，无运动部件，成本费用低；,操作控制容易。,（,4,）喷雾干燥器,原理：,在喷雾干燥器中，将液态物料通过,喷雾器,分散成细小的液滴，在热气流中自由沉降并迅速蒸发，最后被干燥为固体颗粒与气流分离。,优点,在高温介质中，干燥过程极快，适宜于处理热敏性物料；,处理物料种类广泛，如溶液、悬浮液、浆状物料等皆可；,喷雾干燥可直接获得干燥产品，因而可省去蒸发、结晶、过滤、粉碎等工序；,能得到速溶的粉末或空心细颗粒；,过程易于连续化、自动化。,9.6.2,干燥器的选择,（,1,）选择干燥器需要考虑的问题,被干燥物料的性质；,湿物料的干燥特性；,处理量；,回收问题；,能源价格、安全操作和环境因素。,缺点：,热效率低；,设备占地面积大、设备成本费高；,粉尘回收麻烦，回收设备投资大。,（,2,）干燥器选择步骤,根据湿物料的形态、干燥特性、产品的要求、处理量和以及所采用的热源为出发点，进行干燥实验，确定干燥动力学和传递特性；,确定干燥设备的工艺尺寸，结合环境要求，选择出适宜的干燥器型式；,若几种干燥器同时适用时，要进行成本核算及方案比较，选择其中最佳者。,作业：,P322 8,、,9,、,11,