12食工原理干燥与空气调节

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1、第十一章 干燥与空气调节总学时：6学时【学习要求】通过本章的学习，重点掌握干燥单元操作的基本原理和基本概念，掌握干燥过程的计算。第一节 湿空气的性质【考核知识点和考核要求】了解：去湿的方法；干燥的分类理解：湿空气的基本状态变化过程掌握：湿空气的状态参数；湿空气性质图【课时】2学时【具体讲授内容】一、去湿的方法及干燥的分类（了解）1、去湿的方法去湿的方法有：机械去湿、物理化学去湿（吸附去湿）和热能去湿。2、干燥分类干燥定义：用热能使湿物料内液体气化，被干燥介质带走，使湿物料干燥的操作。 干燥的分类： （1）按操作压强分：常压干燥和真空干燥 常压干燥采用热空气或烟道气作为干燥介质，将汽化的水分带走

2、。真空干燥则用真空泵将水蒸汽抽吸除去。（2）按传热机理分：传导干燥、对流干燥、辐射干燥等（还有喷雾干燥和冷冻干燥）二、湿空气的状态参数（掌握）（一）水蒸气分压p水蒸汽的含量可用其分压进行表示。根据道尔顿分压定律，湿空气的总压强pT与水蒸气分压p及干空气的分压pa有如下关系：pT=p+pa 以及p/pa=p/(pT-p)=nv/na nv湿空气中水蒸汽的物质的量na湿空气中干空气的物质的量（二）湿度H 定义：湿空气中水气质量与绝干空气质量之比。kg/kg绝干气k（三）相对湿度总压一定时，水气分压与同温下饱和蒸气压之比。（1）相对湿度为100%时，湿空气中的水汽已达到饱和，不能再容纳水蒸汽，就不能

3、作为干燥介质，称为饱和蒸汽压。相对湿度=0，绝对干空气。值越小，说明离饱和越远，容纳水蒸汽的能力越强。（1）代入湿度公式得：饱和空气的湿度为相对湿度是空气吸湿能力大小的标志。例：湿空气中水蒸气分压为2.335kPa，总压为101.3kPa，求湿空气温度t=20时的相对湿度。若将湿空气加热到50，求此时的。 解：（1）t=20时，水的饱和蒸汽压为ps=2.335kPa =p/ps100%=2.335/2.335100%=100% 即湿空气已被水蒸气饱和，不能再用作干燥介质。 （2）t=50时，ps=12.34kPa =p/ps100%=2.335/12.34100%=18.92% 当湿空气温度升

4、高后，值减小，又可用作干燥介质。（四）湿空气的比焓I定义：1kg绝干空气及其所带的水气的焓之和I= Ia+HIv=cpa（t-0）+Hcpv(t-0)+Hr0 =(1.01+1.88H)t+2490H（五）湿比热容CPH定义：1kg绝干空气及其所带的水气温度升高1所需的热量。（比热容之和）cpa=1.01kJ/(kg.K) cpv=1.88kJ/(kg.K) CPH=1.01+1.88H kJ/（kg绝干气.K）（六）湿比体积vH定义：1kg绝干空气及其所带的水气体积之和根据理想气体状态方程：（七）干球温度t和湿球温度twtw定义：大量的不饱和湿空气与少量的湿物料接触，传热、传质达平衡时湿物料

5、中水分的温度。 意义：湿空气的参数之一。传热达平衡时，空气传给水分的显热等于水分汽化所需的潜热：Q=aS(t-tw)=kH（Hs H）Srw讨论：（1）空气流速应大于5 m/s; （2）饱和湿空气：t=tw；不饱和湿空气：ttw； （3）空气水系统：a /kH=1.09 ;（八）绝热饱和温度tas 定义：用大量的水将空气绝热冷却至饱和时空气的温度。 意义：湿空气的参数之一。传热达平衡时，空气传给水分的显热等于水分汽化所需的潜热。以单位质量绝干气为基准的热量衡算为：讨论：（1）空气水系统：cPH=1.09，故tw=tas；对别的系统此关系不成立； （2） tw和tas是两个不同的概念。（九）露点

6、td 定义：将湿空气等湿冷却至饱和时的温度。等湿：将湿空气的湿度H和总压PT代入，可求得，再由水蒸汽表查出对应的饱和温度，即为湿空气的露点。对空气水系统，干球温度、绝热饱和温度、湿球温度和露点之间的关系为：不饱和湿空气：ttas=twtd饱和湿空气：t=tas=tw=td例题：已知湿空气的总压pT=1.013105Pa，相对湿度=60%，干球温度t=30，试求：（1）湿度H；（2）露点td；（3）将上述情况湿空气在预热器内加热到100时所需热量。已知湿空气的质量流量为100kg干空气/h。 解：由饱和水蒸汽表查得水在30时蒸汽压ps0=4242Pa （1）=0.6220.64242/(1.01

7、3105-0.64242) =0.016kg水气/kg干空气 （2）psd=p=ps=0.64242=2545Pa 由饱和水蒸汽表查得其对应的温度td=21.4 （3）Q=LcH(t1-t0)=100(1.01+1.880.016)(100-30) =7280kJ/h=2.02kW 二、湿空气性质图（掌握）（一）空气湿度图湿焓图（H-I图）A. 等H线：为平行于纵轴的线，即垂直线。 B. 等I线：为与横轴成45的直线。 C. 等t线：由I=(1.01+1.88H)t+2490H 得： I=(1.88t+2490)H+1.01t 可见固定总压和温度后， H和t之间为直线关系，但直线的斜率（1.8

8、8t+2490）不是常数。由此可作出等温线。等温线是从纵轴出发，斜向右方的一组直线。温度越高，斜率越大。D. 等线 由固定总压，上式为 ps和H之间关系。而ps为温度的函数，由此可作出等线。等线是一组由坐标原点出发的曲线。E. 水气分压线：位于饱和线下方，在右侧读数。（二）湿度图的应用湿度图中任意一点均代表一个确定的湿空气状态，其温度、湿度、相对湿度、焓及水气分压等均为定值。1、已知一个确定的状态点，查取各项状态参数。 a焓I：沿等焓线与纵轴交于B点，对应的值即为A点的焓值。 b湿度H：沿等湿线与水平轴交于C点，对应的值即为A点的湿度； c干球温度：沿等温线与纵轴交于D点，对应的温度值即为A的

9、干球温度； d相对湿度：沿等j线找到对应的j值，即为A点的相对湿度； e水蒸气分压：沿等湿度线向下交水蒸气分压线，在图右侧纵轴上读； f湿球温度：沿等焓线向下与j=100%线相交F点，对应的温度即为A点的露点温度； g露点：沿等湿度线向下与j=100%线相交G点，对应的温度。 2、已知两个独立的状态参数，确定湿空气的状态点。三、湿空气的基本状态变化过程（理解）（一）间壁式加热和冷却过程1、间壁式加热和冷却如果空气的温度变化范围在露点以上，则空气中的水分含量将始终保持不变，即为等湿过程。 2、间壁式冷却减温当进行至露点温度，空气即到达饱和状态，空气中水蒸气开始在冷却壁面上凝结出来。随着冷却不断进

10、行，水分不断析出，温度则不断降低，但空气始终维持在饱和状态。（B点到C点运动）利用上述方法，可将凝结出来的水分除去，方法，C点加热到D点。（二）不同状态空气的混合过程设有状态不同的空气1和2，对应的干空气量为L1和L2，对应的状态为（H1，I1）和（H2，I2）。 此两空气混合后，其湿度Hm和焓Im可按物料衡算和焓衡算来求取：L1H1+L2H2=（L1+L2）Hm L1I1+L2I2=（L1+L2）Im （三）绝热冷却增湿过程 湿空气和水直接接触时，在水分传递的同时，还伴随着热量的传递。空气和水直接接触时，空气状态的变化可视为湿空气和饱和空气的不断混合过程。 绝热饱和过程的进行，其结果一方面表

11、现为空气的冷却，另一方面又表现为空气的增湿，故称为绝热冷却增湿过程。（从A点不断向B点移动）第二节 干燥过程的衡算【考核知识点和考核要求】了解：非等焓干燥过程；废气循环干燥过程理解：等焓干燥过程掌握：湿物料中含水量的表示法；干燥系统的物料衡算【课时】0.5学时【具体讲授内容】一、湿物料的形态和含水量表示 （一）湿物料的形态（了解）可按其外观形态的不同分为： （1）散粒状（2）晶体（3）块状（4）片状（5）条状（6）膏糊状 （7）粉末状（8）液态 按其物理化学性质不同分为：（1）含水分的液体（2）含水分的固体 （二）湿物料中含水量的表示（掌握）1. 湿基含水量w（即质量分数） 定义：水分在湿物料

12、中的质量分数2. 干基含水量X（即质量比） 定义：水分质量与绝干物料质量之比 X=w/(1-w) 或w=X/(1+X) 二、干燥系统的物料衡算（掌握）（一）水分蒸发量W设湿物料进入干燥器的质量流量为G1，湿基含水量为w1，干基含水量为X1。离开干燥器时，物料质量流量为G2，湿基含水量为w2，干基含水量X2，而绝干物料的质量流量为Gc，则进行衡算：W=G1-G2=Gc（X1-X2）（二）干燥产品量G2 绝干物料量： Gc=G1(1-w1)=G2(1-w2)（三）空气消耗量L如书530页图所示：忽略损失，有：LH1+GcX1=LH2+GcX2干空气消耗量（每蒸发1kg水分消耗的干空气的量） 第三节

13、 干燥动力学【考核知识点和考核要求】理解：物料中的水分；干燥机理；干燥速率掌握：干燥时间计算【课时】1.5学时【具体讲授内容】一、物料中的水分（理解）（一）湿物料中的水分水分活度：湿物料中水的蒸汽压p与同温下纯水的饱和蒸汽压ps之比。当物料的水分活度大于空气的相对湿度时，物料将失水，失水后水分活度将降低。反之，如果水分活度小于空气的相对湿度，物料将吸水，而且水分活度提高。达到平衡时，水分活动等于空气的相对湿度。（二）平衡水分和自由水分当一定状态的空气与湿物料接触达到平衡后，物料中的含水量不再变化，这一含水量称为平衡水分或平衡湿度X*。物料水分中大于平衡水分的部分称为自由水分，即可以用干燥方法除

14、去的水分。平衡湿度只取决于空气的相对湿度。结论：只有使湿物料与绝干空气接触，才能从理论上最后获得绝干物料。（三）结合水与非结合水物料中水分与物料有如下三种结合方式：（1）化学结合（结晶水） （2）物化结合（吸附水、结构水） （3）机械结合（毛细管水、润湿水、孔隙水）根据水分除去的难易程度：将水分为结合水分和非结合水分。结合水分j=100%时的平衡水分； 非结合水分物料中超出结合水分的那部分水分。对于一定相对湿度的空气，物料有对应的平衡水分，平衡水分以上的水分为自由水分。例题：试求马铃薯在20和=60%的空气中的平衡湿含量。今有湿含量w1=79%（湿基）的马铃薯1t，问在上述介质中进行干燥可能除

15、去的最大水分含量是多少？不能除去的水分含量是多少？ 解：（1）根据马铃薯的平衡水分曲线，在空气相对湿度为60%时平衡湿含量X*=0.15kg水分/kg干料 （2）干料量Gc=1000(1-0.79)=210kg/h 水分总量W=1000-210=790kg/h X1=0.79/(1-0.79)=3.76kg/水分/kg干料 可除去的水分 Gc(X1-X*)=210(3.76-0.15)=758kg/h （3）不能除去的水分790-758=32kg/h 二、干燥机理（理解）（一）干燥过程的传热和传质过程：作为干燥介质的热空气将热能传到物料表面，再由表面传到物料内部，这是两步传热过程。水分从物料内

16、部以液态或气态透过物料传递到表面，然后通过物料表面的气膜扩散到空气主体，这是两步传质过程。1、外部传热和传质 热空气在干燥器中通常处于湍流状态，外部传热和传质的阻力都集中在称为气膜的边界层中（厚度大约为10-4m的数量级），外部传热是对流传热，其热流密度为q=a(T-Ts) 外部传质是对流传质，其推动力为物料表面水蒸气分压与空气中水蒸气分压之差。2、内部传热和传质传热：固体物料内的传热是热传导。传质：物料内部的传质可以是下面几种机理的一种或几种的结合： （1）液态扩散一旦物料表面的含水量低于物料内部含水量，此含水量之差即作为传质推动力。（2）气态扩散当水的汽化面由物料表面逐渐移向内部，则由汽化

17、面到物料表面的传质属气态扩散，其推动力为汽化面与物料表面之间的水蒸气压差。 （3）毛细管流动多孔性物料具有复杂的网状结构，孔穴之间由截面不同的毛细管孔道沟通，由表面张力引起的毛细管力可产生水分的毛细管流动，形成物料内的传质。（4）热流动物料表面的温度和物料内部温度差会产生水的化学势差，推动水的流动，称为热流动。在传导干燥中，热流动有利于水分由物料内部向表面传递。但在对流干燥和红外线干燥中，热流动的作用是相反的。（二）表面汽化控制和内部扩散控制1、表面汽化控制如果外部传质的速率小于内部传质速率，则水分能迅速到达物料表面，使表面保持充分润湿，此时的干燥主要由外部扩散传质所控制。 强化干燥的措施：增

18、加空气的温度、降低空气的相对湿度、提高空气的流速。2、内部扩散控制如果外部传质速率大于内部传质速率，则内部水分来不及扩散到物料表面供汽化，此时的干燥为内部扩散控制。 强化干燥的措施：增加物料的温度、减小物料的几何尺寸。 在同一物料的整个干燥过程中，一般前阶段为表面汽化控制，后阶段为内部扩散控制。三、干燥速率（理解）（一）干燥速率的定义单位时间内单位干燥面积上的水分汽化量，用符号u表示，单位kg/（m2s）间歇操作时的水分汽化量，以区别于连续操作时的水分汽化量W。（二）影响干燥速率的因素 （1）湿物料的性质与形状；（2）物料中的水分活度；（3）物料的温度；（4）干燥介质的温度和相对湿度；（5）干

19、燥介质的流速；（6）介质与物料的接触状况。（垂直于物料表面，速度最快）（三）干燥曲线与干燥速率曲线根据实验时条件不同，干燥分为：恒定干燥和变动干燥。恒定干燥指干燥过程中热空气的温度、湿度以及与物料接触情况和相对流速均保持不边。1、干燥曲线可以区分出： AB预热段，时间很短，一般忽略不计（A点表示湿物料初始水分X1，物料湿度；当物料在干燥器内与热空气接触后，表面温度由预热到。）BCXt 图上为直线，t 图上为水平线 （物料表面温度保持热空气的湿球温度，热空气传递给物料的显热等于水分自物料中汽化吸收的潜热）CD和DE曲线一直下降至物料含水量等于平衡含水量X*。2、干燥速率曲线在Xt 线上作各点的切

20、线，得UX曲线。A-B-C，干燥速率从B-C基本保持恒定，称为恒速干燥阶段。从A-B为物料预热段，此阶段需时短，常常归并在恒速阶段。C-D-E：降速干燥阶段，C点为恒速与降速阶段的分界点，称为临界点。该点的干燥速率仍然等于恒速干燥速率uc。与该点对应的物料含水量Xc称为临界含水量。3、恒速干燥阶段 实际上是表面汽化控制的干燥阶段。对流干燥时，物料表面温度等于空气的湿球温度。 机理：表面气化控制（1）空气平行流过物料表面，当空气质量流速=0.78kg/(m2.s)时：（2）空气流动方向垂直于物料表面时，当空气质量流速=1.15.6 kg/(m2.s)时：（3）对于悬浮与气流中的固体颗粒，可按下式

21、估算：Nu=2+0.54Rer0.5 （4）流化干燥的表面传热系数，可按下式估算：Nu=410-3Re1.5 4、降速干燥阶段 干燥速度下降，物料表面温度上升，曲线可以呈各种形状，物料表面出现“干斑”。 机理：内部扩散控制 （四）临界含水量恒速干燥阶段和降速干燥阶段的转折点称为临界点。它代表了表面汽化控制和内部扩散控制的转折点。临界点处物料的含水量称为临界含水量或临界湿含量。四、干燥时间计算（掌握）（一）恒速阶段的干燥时间或： 由物料衡算：，且u=uc为常数绝干物料量，因为是间歇操作，故有别于连续操作时的绝干物料质量流量。当=0，X=X1；=，X=Xc临界处的干燥速率可从干燥速率曲线查得，也可

22、用进行估算。例题：用盘架式干燥器作马铃薯的干燥实验。物料湿含量（湿基）在18min内从75%减至60%。料盘尺寸为600mm 900mm，装湿料4kg。空气的干、湿球温度分别为82和38。空气平行流过料盘，速度为4m/s，只在盘子上表面进行干燥。根据以往经验表明，在这样的条件下，干燥处于恒速阶段。试计算干燥速率，并估算若干球温度降至65，湿球温度不变，空气流速增加到6m/s，干燥时间和干燥速率变化多少？解（1）求干料量，干基初湿含量X1，终湿含量X2=425/100=1kg X1=w1/(1-w1)=0.75/(1-0.75)=3.0kg/kg干料 X2=w2/(1-w2)=0.66/(1-0

23、.66)=1.94kg/kg干料（2）求干燥速率。先算出水分去除量、干燥面积、干燥时间W=Gc(X1-X2)=1(3.0-1.94)=1.06kg S=0.60.9=0.54m2 t=18min=0.3h 因处于恒速阶段，故： u=dW/Sdt=W/St=1.06/(0.540.3)=6.55kg/(m2.h) （3）干燥情况发生变化时，恒速阶段的干燥速率也发生变化所以 u=0.85u=0.856.55=5.56kg/(m2.h) t=W/Su=1.06/(5.560.54)=0.353h=21.2min（二）降速阶段的干燥时间 将干燥速度曲线近似作为直线，设临界含水量为Xc，平衡含水量为X*

24、。（三）总干燥时间第四节 干燥设备【考核知识点和考核要求】了解：干燥器的分类；对流干燥器；传导干燥器和辐射干燥器；干燥器的选择【课时】学时【具体讲授内容】自学第五节 喷雾干燥【考核知识点和考核要求】了解：喷雾干燥的特点；喷雾干燥原理【课时】0.5学时【具体讲授内容】一、喷雾干燥的特点（了解） 喷雾干燥的优点： （1）干燥速率高；（2）物料本身不承受高温； （3）产品质量好；（4）生产过程简单； （5）产品纯度高； （6）生产控制方便。 另一方面，喷雾干燥也有其缺点： （1）热效率低；（2）设备庞大； （3）对分离设备要求高。二、喷雾干燥原理（了解）（一）喷雾干燥流程1-空气加热器 2-料泵 3-干燥塔 4-旋风分离器 5-成品罐 6-成品（二）喷雾干燥机理 物料水分的蒸发大体也可分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段，由于被分散后的雾滴比较小，所以各阶段经历的时间都很短。 在恒速干燥阶段中，水分通过颗粒的扩散速率大于或等于蒸发速率。当水分通过颗粒的扩散速率不能再维持颗粒表面饱和时，扩散速率就会成为控制因素，从而进入降速阶段。 要提高干燥速率，主要取决于两个方面：首先是进风温度，温度越高，推动力越大；另一方面是进风速度，干燥介质和液滴的相对速度愈大，愈能提高传热和传质效果，蒸发的水分能迅速从颗粒周围带走，表面得到不断更新，有利于强化干燥过程。