第六章干燥过程与设备

第六章干燥过程第一节概述一、干燥的定义和过程干燥：从固体物料中用蒸发的方法除去部分物理水分的过程。干燥过程，内扩散：物料内部的水分在浓度差的作用下向表面扩散；外扩散：物料表面水分的蒸气压大于空气中水蒸气的分压，物料表面的水分向空气中扩散。物料的干燥过程是包含连续的内扩散、外扩散同时伴随热量传递的过程。二、干燥的方法1．自然干燥将使物料堆置于露天或室内场地上，借风吹和日晒的自然条件使物料脱水干燥。自然干燥的特点：不消耗动力和燃料，操作简单，但因其干燥速度慢，产量低，劳动强度高，受气候条件的影响也大。2．人工干燥将湿物料放在专用设备（干燥器）中进行加热，使物料干燥。人工干燥的特点：干燥速度快，产量高，劳动强度低，不受气候条件的影响，但要消耗动力，需专人看管。人工干燥的加热方式：①外热源，包括，对流加热：利用热空气或热烟气的对流传热；辐射加热：利用红外灯、灼热金属或高温陶瓷表面的辐射传热。②内热源，将湿物料放在交变磁场或微波场内，使物料本身的分子产生剧烈的热运动或使交变磁场的电流通过物料而产生焦耳热。外热源法的特点：物料表面温度高于内部，因此在物料内部，热量传递的方向与水分内扩散的方向相反。内热源法的特点：物料的内部温度高于表面，因此在物料内部，热量传递的方向与水分内扩散的方向是一致的，这就能够增加水分的内扩散速率。三、干燥技术在硅酸盐工业中的应用1、干燥的作用干燥过程被广泛地应用于硅酸盐工业中，如水泥生产及陶瓷生产中，干燥过程是必不可少的一个生产工环节。它的主要作用有：（1）保证粉磨作业的正常进行（2）便于物料的贮存和运输（3）保证产品烧制的质量2、干燥制度和干燥设备（1）干燥制度：①砂子和石灰石：要求较高的温度及较高的干燥速度。②粘土：干燥温度≤400℃，否则高岭土分解而失去塑性③煤：干燥温度＜150℃，否则会引起炭氢化合物挥发。④陶瓷、耐火材料的制品：干燥温度和干燥速度应严格控制，否则产品将变形或开裂。（2）干燥设备①颗粒状物料：回转烘干机②制品：室式干燥器③大型的耐火材料半成品：自然干燥或通电干燥④陶瓷泥浆：喷雾干燥设备干燥作业还可以和破碎，粉磨及选粉过程同时进行，这样可以简化流程、减小热量消耗。这种流程一般只适合水分较低的物料。第二节湿空气的性质一、教学要求【掌握内容】（1）干燥的概念（2）湿空气的湿度（3）湿空气的密度（4）湿空气的干、湿球温度及露点（5）湿空气的热含量【理解内容】干空气与水蒸气的分压【了解内容】（1）干燥的方法（2）干燥在硅酸盐工业中的应用（3）湿空气的绝热饱和温度二、教学重点与难点【教学重点】（1）湿空气的湿度和密度（2）湿空气的干、湿球温度及露点（3）湿空气的热含量【教学难点】湿空气的湿球温度三、教学方法结合生产实际引入课程，讲述干燥的定义和作用，讲解湿空气的性质和基本概念，分析影响因素。四、教学内容一、干空气与水蒸气的分压自然界的空气总含有一定量的水蒸气，可称之为湿空气。湿空气可看成是绝对干空气和水蒸气的混合物。空气中水蒸气含量高时，湿空气的密度小，大气压强低。若令p为大气压强，pa、pw分别代表干空气和水蒸气的分压，据道尔顿分压定律：p=pa+pw（Pa），把上述气体视为理想气体，根据理想气体状态方程：TRTVMRmpaaaaa和TRTVMRmp、；在温度T和相应分压下的干空气及水蒸气的密度，干空气及水蒸气的气体常数：462183.8314wwMRR(J/Kg·K)7.287293.8314aaMRR(J/Kg·K)二、空气的湿度1．绝对湿度绝对湿度：单位体积湿空气中所含水蒸气的质量，用符号ρah表示，单位为kg/m，湿空气的绝对湿度数值上等于同温度时在水蒸气分压下的水蒸气密度ρw。TpTRp，温度升高时，湿空气的绝对湿度增大。饱和空气（水蒸气含量达最大值）：Tpswsw4621，饱和空气可以看成是由绝干空气与同温度下的饱和水蒸汽的混合物，因此湿空气的饱和蒸气压就是同温度下的水的饱和蒸气压。2．相对湿度湿空气的绝对湿度(ρw)与同温度下饱和空气的绝对湿度(ρsw)之比，称为湿空气的相对湿度，用φ表示。%100swwswwpp相对湿度φ是一个无因次数，用百分比表示，它表示空气被水蒸气饱和的程度。对绝干空气φ=0；对饱和空气，φ=100％；相对湿度越大的空气其吸湿能力越小，在饱和空气中，湿物料已经不能被干燥。3．湿含量在湿空气中，每千克干空气所含水蒸气的质量，称为空气的湿含量，用x（或H）表示。令ρs为湿空气的密度，按质量平衡有：was，式中ρs和ρw为同温度下对应的绝干空气和水蒸气的密度。sws622.04627.287它表明湿含量随水蒸气分压而变化，当在一定温度下，空气的总压为一定时，则空气的湿含量仅与相对湿度有关。三、湿空气的密度和比容1．密度据质量守恒定律可知,湿空气的密度应等于同温度同体积及相应分压Pa和Pw时干空气与水蒸气的密度之和。即：TxxpTxRRRxpRRRRpRpTRpRpTwawwaawwawwaawas622.046211112．比容单位质量的湿空气的体积称为比容，显然它是密度的倒数。xpTxvss1622.04621四、湿空气的热含量湿空气的热含量是指单位质量绝干空气在常压下，以0℃为基准的热焓，用I表示。以1kg干空气为基准，则湿空气的热含量为：xtccxtctcIwawa24902490五、湿空气的温度参数1．干球温度定义：湿空气的真实温度。用t表示，单位为℃。用一般的温度计测得。2．湿球温度定义：大量的不饱和空气渡过一定量的水时，水汽化时要从空气及水本身吸热，液面温度降低，当液面上水的蒸发所消耗的热量恰好等于空气传给液面的热量时，液面的温度就维持不变，进行等温蒸发。我们把等温蒸发时液面的温度，称为湿空气的湿球温度，用twb表示。可用湿球温度计测得。湿球温度是表明空气状态或性质的一种参数，它不是空气的真实温度。湿球温度是由空气的干球湿度及湿含量或相对湿度所控制。3．露点定义：未饱和的湿空气，在湿含量不变的条件下，冷却达到饱和（φ=100%）的状态下的空气温度称为露点。用td表示。露点时空气中的饱和水蒸气分压：xxppa622.0干球温度、湿球温度和露点三者之间的关系对于不饱和空气而言有ttwbtd，对于饱和空气而言有t=twb=td。第三节湿空气的I-x图一、教学要求【掌握内容】（1）I-x的基本构成（2）湿空气状态参数的图解（3）空气预热后的状态参数图解法【理解内容】I-x图中各线簇的意义【了解内容】（1）空气冷却后的状态参数图解法（2）热烟气和冷空气混合后的状态参数图解法二、教学重点与难点【教学重点】（1）I-x的基本构成（2）湿空气状态参数的图解（3）空气预热后的状态参数图解法【教学难点】（1）I-x图中各线簇的作法及意义（2）湿空气状态的图解三、教学方法讲解概念结合例题使学生深入理解。四、教学内容用分析计算法求解空气的状态参数及干燥过程，具有很大的局限性和复杂性。所以工程上为了简化计算过程，提高效率，将有关湿空气的性质的数学解析式制成湿度图。湿度图的表现包括：湿度----温度图（x--T图）和焓----湿图（I--x图）。一、I--x图的组成I--x图以空气的湿含量x为横坐标，热含量I为纵坐标，由等湿线、等热量线、等干球温度线、等湿球温度线、等相对湿度线、水蒸气分压线等构成。I--x图上个组线的意义（具体线型参看附录）：1．等湿含量线（等x线）是一组平行于纵轴的直线，在线上的空气湿含量相等。令Rx为横轴比例尺（以mm为单位计），湿含量x=oxRx。2．等热含量线（等I线）是一组与水平轴ox成45°角的直线，线上空气的热含量相等。令Ri为纵轴比例尺（以mm为单位计），则I=Ri+oI，通常，2000xiRR。3．等干球温度线（等t线）湿空气的热含量表达式，xtctcIwa2490，当t一定时，ca、cw为已知，所以上式为直线。t不同，直线的斜率和截距都有变化。（非互相平行）4．等相对湿度线（等φ线）由xxptpsw622.0，当空气总压p和相对湿度φ确定后，上式为向上微凸的曲线，在沸点处ptpsw，等φ线变成向上的直线。φ=100%，为湿空气的饱和线。向上表明φ减小，空气干燥能力加大，饱和线下为过饱和区。5．水蒸气分压线由swswpppx622.0xxppw622.0swwpp当空气总压一定时，是一条向上微凸通过原点的曲线，位于饱和区内。6．等干球温度线（等twb线）在附录中以虚线表示，于纵轴夹角45°向下，当空气的湿度较低或计算要求不高时，可用等I线近似代替，向上湿球温度增加。二、I--x图的应用(一)湿空气状态参数的图解问题【例】已知空气的干球温度t=30℃，湿球温度twb=25℃，大气压强p=99325Pa。求空气的相对湿度、水蒸气分压、湿含量、露点。【解】利用各种参数的定义式、规律等进行解题，结合附录的图式。在湿空气的干球温度和湿球温度一定时，其湿含量、相对湿度、热焓值都为定值。可由其交点获得。首先在I--x图中找到干球温度t和湿球温度twb的交点A，过交点A作垂直于横轴的直线与ox的交点，即为此时的湿含量x。找到过A点的等φ线，即为此条件的φ值。找到过A点的等I线，即为此条件的I值。设Ax与φ=100%的等φ线交点为B，则B点所对应的等t线为饱和条件时的干球温度。此条件下的水蒸气分压可由Ax线与分压线的交点获得（C点）。解题的关键在于湿含量为定值。(二)空气经加热器预热后状态参数的图解【例】已知初状态t0=20℃，φ0=60%，末状态t1=95℃，求初状态的x0、I0，末状态的参数即获得的热量。【解】初状态由t0和φ0的交点，可得出x0和I0，作图。末状态t1=95℃，在加热的过程中，湿空气中的水蒸气的含量不变，即x不变。所以可得x0和t1的交点B，在B点上查不到等φ线，所以只有φ5%。找到过B点的等I线，I1=120，所以获得的热量为784212001III（KJ/kg干空气）。(三)热烟气和冷空气混合后的状态参数图解法1．固、液燃料2．气体燃料3．烟气与空气混合后状态参数的确定烟气：tfl、Ifl、xfl；冷空气：t0、I0、x0混合气体：tm、Im、xm混合前、后水蒸气及热量的平衡：由上面两式可得：图解过程：如图在I-x图上分别定出冷空气及热烟气的状态点A、B，连接A、B两点得混合过程线AB。找出tm与AB线的交点，即为混合气体的状态点M。从图上求出混合比：第四节干燥过程的物料平衡及热平衡一、教学要求【掌握内容】（1）干燥流程（2）物料中水分的表示方法（3）干燥过程的物料平衡与热量平衡的概念【理解内容】（1）干燥过程中水分蒸发量的计算（2）干燥介质消耗量的计算（3）干燥的热量平衡方程与热耗的计算【了解内容】（1）理论干燥过程的图解法（2）实际干燥过程的图解法二、教学重点与难点【教学重点】（1）干燥过程的物料平衡（2）干燥过程的热量平衡【教学难点】（1）物料平衡计算（2）热量平衡计算三、教学方法结合生产实际，讲述、讲解基本概念和计算方法。掌握好讲、练结合。四、教学内容进行物料衡算和热量衡算的目的是根据被干燥物料的产率及含水量，确定干燥器中每小时蒸发的水量，干燥介质的消耗量及热耗等技术经济指标，用以衡量运行中的干燥器的结构、操作等是否合理并为设计新的干燥设备提供参考依据。一、物料平衡(一)干燥流程对流式干燥设备通常于以下四部分组成：1．干燥器湿物料在其中与热空气或热烟气接触，物料受热后水分蒸发而得到干燥，被蒸发的水分随干燥介质流出干燥器。2．预热器或燃烧室用以预热空气或产生高温烟气，作为干燥介质。3．通风设备如风机、管道、烟囱等。4．辅助设备如喂料设备、输送设备、收尘