14.3 干燥速率与干燥过程的计算

•14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率14.3.3连续干燥过程的一般特性14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算14、固体干燥14.3干燥速率与干燥过程计算•例题•14.3.2间歇干燥过程的计算化学化工学院迪丽努尔•四、临界含水量•14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率14.3干燥速率与干燥过程计算一、干燥动力学实验•二、干燥曲线•三、干燥速率曲线化学化工学院迪丽努尔•恒定空气流干燥条件：•大量空气流过小块固体物料。在干燥过程中气流的温度t、相对湿度φ及流速保持不变，物料表面各处的空气状况基本相同。u、t、φu、t、φ•14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率一、干燥动力学实验化学化工学院迪丽努尔ABCDE时间的关系自由含水量Xkg\kg•14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率•二、干燥曲线化学化工学院迪丽努尔水分汽化速率NA可用单位时间、单位面积被汽化的水量表示：•式中：Gc：试样中绝对干燥物•料的质量，kg；•A：试样暴露于气流中的表•面积，m2；•X：物料的自由含水量，•X＝Xt一X*，kg水／kg干料AddXGAcNEDCBA0Xc自由含水量x干燥速率NAkg\mm.sABCDE时间的关系自由含水量Xkg\kg干燥过程恒速干燥降速干燥AddXGAcN•14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率•三、干燥速率曲线化学化工学院迪丽努尔•物料中的非结合水无论其数量多少，所表现的性质均与液态纯水相同。此时的气—固接触尤如大量空气与少量水接触一样，经较短的接触时间后，物料表面即达空气的湿球温度tw，且维持不变。•按传质速率式：NA＝kH(HW-H)式中HW为物料表面温度tw下空气的饱和湿度。EDCBA0Xc自由含水量x干燥速率NAkg\mm.s1、恒速干燥阶段•14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率•三、干燥速率曲线化学化工学院迪丽努尔•降速的原因：•①实际汽化表面减小。•②汽化面的内移。•③平衡蒸汽压下降。•④固体内部水分的扩散极慢。•固体内水分扩散的理论推导表明，扩散速率与物料厚度的平方成反比。因此，减薄物料厚度将有效地提高干燥速率。EDCBA0Xc自由含水量x干燥速率NAkg\mm.s2、降速干燥阶段•14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率•三、干燥速率曲线化学化工学院迪丽努尔•固体物料在恒速干燥终了时的含水量称为临界含水量Xc。•物料分散越细，临界含水量越低。等速阶段的干燥速率越大，临界含水量越高，即降速阶段较早地开始。EDCBA0Xc自由含水量x干燥速率NAkg\mm.s•四、临界含水量•14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率化学化工学院迪丽努尔•在恒速阶段，物料表面温度维持在湿球温度。因此，即使在高温下易于变质、破坏的物料(塑料、药物、食品等)仍然允许在恒速阶段采用较高的气流温度，以提高干燥速率和热的利用率。在降速阶段，物料温度逐渐升高，故在干燥后期须注意不使物料温度过高。EDCBA0Xc自由含水量x干燥速率NAkg\mm.s干燥操作对物料形状的影响•四、临界含水量•14.3.1物料在定态空气条件下的干燥速率化学化工学院迪丽努尔•二、干燥结束时的物料温度14.3干燥速率与干燥过程计算•14.3.2间歇干燥过程的计算一、干燥时间化学化工学院迪丽努尔•1、恒速阶段的干燥时间τ1AddXGAcN110cAcXXNdXAGdAccNXXAG)(11)()(WrWHAttHHkNW由：因干燥速率NA为一常数，则：速率NA由实验决定，也可按传质或传热速率式估算即：•14.3.2间歇干燥过程的计算一、干燥时间化学化工学院迪丽努尔•2、降速阶段的干燥时间τ2220XXcNdXAGAcdcAcXXNdXAG222)(XXNXcAK恒物料从临界含水量Xc减至X2所需要的时间为：若降速阶段的干燥区线可近似地作为直线处理：2ln2XXAKGcXcNA=KXXXcX1X2干燥速率NA含水量X•14.3.2间歇干燥过程的计算一、干燥时间化学化工学院迪丽努尔边界条件：X=Xcθ=tWX=X2θ=θ2)())((22)(22)(WpmWttpmcrcXcXXWpmttcrXttcrXWttt•二、干燥结束时的物料温度•14.3.2间歇干燥过程的计算化学化工学院迪丽努尔例、14-3衡速干燥率的计算在总压为100kPa下将温度20C，相对湿度70%的空气预热到70C后送入间歇干燥器，空气以6m/s的速度平行流过物体表面，试估计恒速阶段的干燥速率。若空气的预热温度改为80C，恒速干燥速率有何变化解：（1）此时空气的湿H=0.0103kg/kg,湿球温度tw=30.3C,查表得rw=2430kJ/kg化学化工学院迪丽努尔进入干燥器空气的湿比体积为干气kgmtHuH/987.0)27370)(0103.01056.41083.2(273)(1056.41083.2(33333密度3/02.1987.00103.010.1mkguHH质量流速G=ρu=1.02×6=6.12kg/(s.㎡)给热系数CmkWG28.08.0/0609.012.60143.00143.0化学化工学院迪丽努尔干燥速率23./10995.02430)3.3070(0609.0)(mskgrttNwwA空气的预热温度改为80C，查得空气进入干燥器空气的湿球温度为32.3C恒速干燥速率为23./1020.12430)3.3280(0609.0)(mskgrttNwwA一、连续干燥器中的气固接触方式14.3.3连续干燥过程的一般特性14.3干燥速率与干燥过程计算二、连续干燥器的特点：化学化工学院迪丽努尔固气逆流固气并流措流固气一、连续干燥器中的气固接触方式14.3.3连续干燥过程的一般特性化学化工学院迪丽努尔θ1θjθkθ2tkt2tj物料温度twt1jab气温表面气化阶段升温阶段预热阶段设备长→温度→θ1θjθkθ2tkt2tj物料温度twt1jab气温表面气化阶段升温阶段预热阶段设备长→温度→14.3.3连续干燥过程的一般特性二、连续干燥器的特点：化学化工学院迪丽努尔•例题14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算14.3干燥速率与干燥过程计算一、干燥流程二、物料衡算三、预热器的热量衡算•五、物料衡算与热量衡算的联立求解四、干燥过程的热量衡算化学化工学院迪丽努尔V0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气V0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算一、干燥流程化学化工学院迪丽努尔•设：W——在干燥过程中被除掉的水分，kg／s；Gc——以绝对干物料计的处理量，kg干料／s；V——以绝对干气体计的空气流量，kg干气／s；H2、H1——空气进、出干燥器的湿度，ks水／kg干气V0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气V0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算二、物料衡算化学化工学院迪丽努尔•G1、G2分别为进干燥器的湿物料量和出干燥器的干燥产品量（kg)，•w1、w2——分别为进、出干燥器物料的含水质量分数，kg／kg湿物料。•X1、X2——分别为进、出干燥器物料的含水质量分数，kg／kg物料。•则：1111wwX2212wwXV0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气V0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算二、物料衡算化学化工学院迪丽努尔•Gc=G1(1-w1)=G2(1-w2)•则：干燥器中物料失去的水分W为：•或：物料减少的水分=空气增加的水分•即：W＝Gc(Xl—X2)＝V(H2一H1)•则单位空气的消耗量（蒸发1kg水分所需要的空气量）021211HHHHWVl2211121绝对干物料量14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算二、物料衡算化学化工学院迪丽努尔设：I0、I1：分别为空气进、出预热器的焓，kJ／kg干气；Qp——空气在预热器中获得的热量Qp=V(I1-I0)因：I＝(1.01+1.88H)t+2500HH0=H1则：Qp=V(1.01+1.88H0)(t1-t0)V0、H0、t0H1、t1空气预热器V0、H0、t0H1、t1Q预热器14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算三、预热器的热量衡算化学化工学院迪丽努尔•Qp=V(1.01+1.88H0)(t1-t0)0201)()(0101HHIIWVpIIlIIq即：14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算三、预热器的热量衡算化学化工学院迪丽努尔•设：Qp——干燥器中的补充加热量，kW：•Ql——干燥器中的热损失，kW；•cm——湿物料的比热容，kJ／(kg干物℃)；由绝干物料比热容cs，及液体比热容cpl按加和原则计算，即：cm＝cs十cwXV0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气V0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算四、干燥过程的热量衡算化学化工学院迪丽努尔•输入热量以蒸发1kg水为计算标准1、湿物料G1带入热量：因G1=G2+W式中：Cm=(1-w1)Cs+w1CwV0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气V0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气112112mWCGWWCWCGCmwm00lIWLI2、空气带入热量：14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算四、干燥过程的热量衡算化学化工学院迪丽努尔4、干燥器内的补充热量：V0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气V0、H0、t0H1、t1H2、t2物料Gc、X1、θ1Gc、X2、θ2Q补Q空气预热器干燥器废气pWQqpdWQqd3、预热器内的加入热量：输出热量：1、物料干燥后G2带出的热量：WCGm222、空气带出的热量：22lIWLI14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算四、干燥过程的热量衡算化学化工学院迪丽努尔3、热损失：lWQql•入热=出热+热损失lWCGdpmWCGqlIqqlICmm2012222lmWCGdpqCIIlqqqm11202)()(210212)()(2mlmdpWCGmCqqIIlqqqqm则：令：14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算四、干燥过程的热量衡算化学化工学院迪丽努尔10212)()(2mlmdpWCGmCqqIIlqqqqm则：令：lmqqq令：021HHl又：10202mHHIIdpCqqqq14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算四、干燥过程的热量衡算化学化工学院迪丽努尔•2、图解法：14.3.4干燥过程的物料衡算与热量衡算•五、物料衡算与热量衡算的联立求解1、公式计算法化学化工学院迪丽努尔①选择气体出干燥器的状态(如t2及φ2)，求解空气用量V及补充加热量Qd；22H622.02222求由：sspPpHW2211121求由：)(02110212HHWVHHHHWV