干燥过程的物料衡算

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 mL, t0, H0, I0 t1, H1, I1 t2, H2, I2qm1, 1, X1 qm2, 2, X2LDP 干 燥 器 物 料 与 热 量 衡 算 （ 1） 湿 物 料 的 水 分 蒸 发 量 21 mmmW qqq 221121 )( wqwqXXqq mmCmmW 或 )1()1( 2211 wqwqq mmCm 12122211 11 wwwqwwwqq mmmW 又所 以（ 2） 空 气 用 量 2211 HqXqHqXq mLCmmLCm 进 入 和 排 出 干 燥 器 的 湿 分 相 等 ， 故 有 ： )()( 1221 HHqXXqq mLCmmW 干 空 气 用 量 ： 12 HHqq mWmL kg/skg/s单 位 空 气 消 耗 量 （ 比 空 气 消 耗 量 ） ： 12 1 HHqql mWmL ， kg干 空 气 /kg水 换 算 为 湿 空 气 的 质 量 为 ： )1( Hqq mLmL 换 算 为 湿 气 体 的 体 积 量 为 ： ， kg湿 空 气 /s， m3湿 空 气 /s HmLV vqq 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 。 qmL, t0, H0, I0 t1, H1, I1 t2, H2, I2qm1, 1, X1 qm2, 2, X2LDP 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 ： LmCmLDPmCmL IqIqIqIq 2210 LmCmLDP IIqIIq )()( 1202 LmWmmCmLDP tqcqttq )88.12490()()(01.1 212202 或 预 热 器 的 耗 热 量 )(88.101.1()( 101 omLomLP ttHqIIq 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 ： qm2cm1 蒸 发 水 分 带 入 ： qmWcw1 1 干 产 品 带 出 : qm2cm2 2. 空 气 带 入 ： qmLI1=qmL(1.01+1.88H1)t1+r0H1 2 空 气 带 出 :qmL I2= qmL(1.01+1.88H2)t2+r0H2 3 干 燥 器 内 补 充 加 热 ： D 3 干 燥 器 内 热 损 失 ： LwSm cwcwc 22)1( 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 ： LmLmmDmLwnWmm IqcqIqcqcq 2221112 )( 1221 mm cq (产 品 升 温 热 量 ) 1121 )( wmWDLmL cqIIq 由 此 可 列 出 干 燥 器 的 热 量 衡 算 式 ： 令 1112 21 wmWDmWLmW cqqqHH II 12 HHqq mWmL 将 带 入 ， 整 理 得 ：或 1112 21 wDL cqqqHH II kW/kg H wDL c rcqqqHH tt 01112 21 因 I=cHt+r0H， 如 不 计 干 燥 过 程 中 cH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 。 121 )( wmWmL cqIIq 21 II 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 ：HcrHH tt 021 21 对 于 理 想 干 燥 过 程 ， 有 ： BA H =0.08tt 0 t2 t1 H0=H1C H2 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 ： H wDL c rcqqqHH tt 01112 21 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 ： T 汽 化 ）（汽 化 12 187.488.12490 tqmW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 ： )( 212 ttcq HmL 汽 化干 燥 器 中 无 补 充 热 量 ， 则 01 21 tt tt DPT )( 011 ttcq HmLPT 若 忽 略 湿 比 热 容 的 变 化 ， 则 0D 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 t2和 提 高 空 气 的 出 口 湿 度 H2， 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 =30-60%； 应 用 部 分 废 气 循 环时 ， =50-75%； 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 )( 101 11 CcXXc XXARmRdXAmd C )( HHkR wH 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。 )( ww ttrhR kH 、 h 可 由 实 验 求 得 ， 可 供 参 考 的 经 验 式 ：8.0)(0204.0 uh W/m2 oC 适 用 范 围 ： C15045)/(293002450 2 thmkgu 空 气 平 行 流 过 物 料 表 面)( )( 11 HHAk XXm WH CC )( )( 11 W WCC ttAh rXXm 或 37.0)(17.1 uh 空 气 垂 直 流 向 固 体 表 面适 用 于 ： )/(195003900 2 hmkgu b） 降 速 阶 段 的 干 燥 时 间 积 分 法 cXXc RdXAm 22 求 解 ： 干 燥 曲 线 已 知 ， 将 1/R对 相 应 的 X值 进 行 标 绘 ， 求 得X2-Xc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 *ln*)( 22 XX XXAR XXm ccc C 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 X2所 需 降 速 干 燥 时 间 为 ： *)( *)(8ln4 222 22 XX XXDl cL c） 总 的 干 燥 时 间 =1+2 注 ： 上 式 中 的 DL为 常 数 ， 但 DL是 随 含 水 量 和 温 度 而 变 化 的 ， 含 水量 越 大 ， 温 度 越 高 ， DL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 H2t2X11 X1tw XCtw X22H2t2 HCtC H1t1 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 ： )()( wwwH ttrhHHkR 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 dH与 dX， 根 据 物 料 衡 算 有 ： dHmdXm LC )( HHAk dHmd wH L 21 ln HH HHAkm w cwHL 若 干 燥 的 第 一 阶 段 为 绝 热 冷 却 过 程 ， 则 kH和 Hw均 为 常 数 。 )( 21 XXmmHH cLcc 式 中 ， Hc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 *)(* XX XXHHkXX XXRR cwHcc cXX wHcc XXHH dXAk XXmd 22 *)(*)(02 dHmmdX cL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 ： )( 12 HHmmXX CL CHH cLwHcL XXHHmmHH dHAk XXm 1 *)()(*)( 212 如 空 气 的 状 态 变 化 可 视 为 绝 热 冷 却 过 程 ， 则 Hw为 常 数 ，上 式 积 分 后 整 理 得 ： *)( *)(ln*)()( 1*)( 21212 XXHH XXHHXXHHmmAk XXm cw cwwcLHcL 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 。)2015( max2 物 料 允 许 的 最 高 温 度max )( )()( 222 )(222222222 22 2wmcfw ttc rXcffwmfww ttcXr XXttCXrttt wm wfc对 于 细 颗 粒 或 液 滴 并 流 干 燥 时 ， 湿 物 料 的 出 口 温 度 2为 ：