干燥速率与干燥过程计算

武汉工程大学化工原理课件 二、连续干燥过程的特点
预热 阶段 表面汽化阶段 升温阶段
t1
温度
tj
气温
tk k
t2 b
θ1
a
j
料温tw
θj
θk
θ2
设备长度 并流干燥器中气固两相温度的变化
1. 预热段(物料中的水分＞临界水分） 沿设备长度增加，物料表面温度上升到气流的湿球温度， 气流温度下降。
武汉工程大学化工原理课件 预热
Gc X 1 X c 1 A NA
NA Kx ( X C X * )
Gc X 1 X c 1 AKX X c X *
Gc Xc X * 2 ln AKX X 2 X *
Gc X 1 X c Xc X * 1 2 ( ln ) * * AKX X c X X2 X
武汉工程大学化工原理课件
W V (H 2 H 0 )
3. 空气消耗量 ① 干空气质量流量
W W V H 2 H1 H 2 H 0 V 1 比空气用量 l W H 2 H1
② 实际空气（新鲜空气）质量流量kg湿空气/s
V ' V (1 H 0 )
③风机的风量qV（m3湿空气/s）
1 X1 X c * 2 Xc X
Xc X * ln * X2 X
武汉工程大学化特性
一 、连续干燥器中气流与物料的接触方式
气 固 连续干燥器中气固 接触方式——逆流
固
气 固 连续干燥器中气固 接触方式——并流
气 连续干燥器中气固 接触方式——错流
C
①AB（或A'B）段——预热段
一般该过程的时间很短，在分 析干燥过程中常可忽略，将其 作为恒速干燥的一部分。 ②BC段——恒速段
B A A
0
③C点：临界含水量
④CDE段——降速段
自由含水量X 干燥速率曲线
武汉工程大学化工原理课件 ⑤两种典型的降速段干燥曲线
干燥速率NA(kg.m-2.s-1)
降速段 恒速段 C D E X
Gc Xc X * 2 ln AKX X 2 X * * Gc XC 2 ln * AKX X 2
X—实际含水量
X—自由含水量
武汉工程大学化工原理课件 教材p247 例14-4 X1=0.10 Xc=0.08 X*=0 X2=0.04
恒速段 X1=0.10 Xc=0.08
降速段 X2=0.04
(3)除去的水分为非结合、结合水分；
(4) 降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、 形状及尺寸有关，而与空气状态关系不大。
武汉工程大学化工原理课件 四、 临界含水量 降低物料厚度，Xc↓ 物料越细，Xc↑ 等速干燥阶段的速率越大，Xc↑
武汉工程大学化工原理课件 五、干燥操作对物料性状的影响 1.恒速段可以采用较高的气流温度，以提高干燥 速率和热的利用率。 2. 降速段尤其是干燥后期需控制干燥速率，防 止物料温度过高。 原因： a.降速段，物料温度升高；
武汉工程大学化工原理课件 二、恒速干燥阶段 1.湿物料表面全部润湿，即湿物料水分从物料内部 迁移至表面的速率大于水分在表面汽化的速率。恒速干 燥阶段为表面汽化控制。 2. (NA)C ＝常量
(N A )C

rw
(t t w ) k H ( H w H )
3.物料表面温度为tw； 4. 在该阶段除去的水分为非结合水分； 5. 恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态有关， 而与物料的种类无关。
考察对象：在垂直于气流运动方向上取一设备微元
2. 过程数学描述方程 物料衡算式 热量衡算式
气固相际传热及传质速率方程式
物料内部的传热、传质速率方程式
武汉工程大学化工原理课件
14.3.4 干燥过程的物料衡算与热量衡算
一 、空气干燥器的操作原理图
1.进料口；2—干燥室；3—卸料口； 4—抽风机； 5—空气预热器；6—补充加热器
武汉工程大学化工原理课件
常压下将300kg物料(w1=25%)置于t=90℃，tw=40℃的空气 中，空气以7m/s的流速平行流过物料。干燥面积为5.5 m2，湿 物料在该条件下的Xc=0.12 kg水/kg干料，X*=0.03 kg水/kg干 料，降速段可视为直线。试求： (1) 除去40 kg水分所需的干燥时间(h)； (2) 将物料继续干燥，再除去20kg水分所需的干燥时间(h)； (3) 其他条件不变，只是将物料层厚度减半，求将物料干燥 至同第(1)的含水量一样时所需干燥时间。 已知：空气平行于物料表面流动时的对流给热系数为
武汉工程大学化工原理课件 二 、物料衡算 1. 计算目的
①水分蒸发量；②空气消耗量；③干燥产品流量 2.水分蒸发量W
干燥器 预热器 空气 V,t0,H0 Qp 物料 Gc,X1,θ1 干燥过程的物料衡算 产品 Gc,X2,θ2 V,t1,H1 Qd 废气 V,t2,H2
W Gc ( X 1 X 2 ) G1w1 G2 w2 G1 G2 V ( H 2 H1 )
阶段 表面汽化阶段 升温阶段
t1
温度
tj
气温
tk k
t2 b
θ1
a
j
料温tw
θj
θk
θ2
设备长度 并流干燥器中气固两相温度的变化
2. 表面汽化阶段(物料中的水分＞临界水分) 沿设备长度增加，物料表面水分汽化，空气湿度增加，空气 经历绝热增湿过程 ；物料表面温度基本保持不变，为空气的湿球 温度。
武汉工程大学化工原理课件
14.3.2.1 恒速阶段的干燥时间τ1
1. 物料的自由含水量由X1降至XC 忽略物料的预热阶段
Gc dX NA Ad

1
0
Gc d A

XC
X1
dX NA
Gc X 1 X c 1 A NA
武汉工程大学化工原理课件 2. NA的确定 Gc X 1 X c 1 A NA ①实验测定
空气 状态 是否 变化
恒定干燥条件： 空气的温度、湿度、流速 及物 料接触方式不变。
变动干燥操作： 干燥过程中空气状态不断变化。
武汉工程大学化工原理课件
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
1. 实验装置
热 空 气 干燥动力学实验装置
Gi (湿物料的质量)
实验数据
τi(干燥时间) Gc(绝干物料的质量)
武汉工程大学化工原理课件
14 .3 干燥速率与干燥过程计算
14.3.1 物料在定态空气条件下的干燥速率 14.3.2 间歇干燥过程的计算 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 14.3.5 干燥过程的热效率 14.3.6连续干燥过程设备容积的计算方法
武汉工程大学化工原理课件
预热 阶段 表面汽化阶段 升温阶段
t1
温度
tj
气温
tk k
t2 b
θ1
a
j
料温tw
θj
θk
θ2
设备长度 并流干燥器中气固两相温度的变化
3. 升温阶段(物料中的水分＜临界水分)
沿设备长度增加，物料温度升高，气流温度继续下降。
武汉工程大学化工原理课件
二、连续干燥过程的数学描述分析
1. 考察方法：欧拉法
X 2 0.067 Xc
X1 X C
降速段
XC X 2
恒速段 降速段 GC X 1 X C 1 0.30 h A N A C GC X 2 dX GC XC X 2 ln 0.67 h X Ak X C X X Ak X X2 X
②空气自上而下或自下而上穿过颗粒堆积层
0.41 0.0189G0.59 / d p (d p G / 350) 0.41 0.0118G0.49 / d p (d p G / 350)
③单一球形颗粒悬浮于气流中
dp 2 1/ 3 2 0.65R e1/ P r (Rep d p u / ) p
Gc dX dW NA Ad Ad
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，kg水/kg干料,
W——汽化的水分量，kg。
干燥速率NA(kg.m-2.s-1)
武汉工程大学化工原理课件 3 干燥速率曲线分析
降速段 恒速段 C D E X
C
干燥速率NA(kg.m-2.s-1)
B A A
C
B
0
0
E 自由含水量X 降速段无转折点时 的干燥速率曲线
自由含水量X 干燥速率曲线
CD段:第一降速阶段 DE段:第二降速阶段 D点:第二临界点
非多孔物料
武汉工程大学化工原理课件 ⑥ 空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同。
石棉纸浆的干燥速率曲线图
KX N A, c Xc X *
用虚线CE代替CDE
降速段
恒速段 C B A A
D
N A, C
Gc 2 AKX
(t tw ) kH ( H w H ) w
0
E

X2
Xc
Gc dX * AKX X X

XC
X2
dX X X*
XC 自由含水量X
干燥速率曲线
kX
N A C
XC X
1 2 0.30 0.67 0.97 h
武汉工程大学化工原理课件
(3) Xc将减小，而X1不变，故干燥过程仍属恒速段
GC X 1 X 0 A N A C

Gc减半
1.48 =0.74 2 2

武汉工程大学化工原理课件 3 .总干燥时间
武汉工程大学化工原理课件
14.3.2.2 降速阶段的干燥时间τ2
1.物料的自由含水量由XC降至X2（X2>X*)所需时间
2
2
2. 计算
0
Gc d A

X2
Xc
dX NA
① 数值积分法或图解积分法
② 近似计算法
武汉工程大学化工原理课件
②近似计算法
干燥速率NA
NA K x ( X X * )
武汉工程大学化工原理课件 三、 降速干燥阶段
1 .降速的原因
①实际汽化表面减小;
②汽化面内移 ;
③平衡蒸汽压下降;
④固体内部水分的扩散极慢。
武汉工程大学化工原理课件 2. 降速干燥阶段特点 (1) 随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥 速率降低，物料表面温度逐渐升高； (2)物料表面温度大于湿球温度；
0.0143G kW/(m2∙℃)，G的单位为kg/(m2∙s)；
0.8
汽化潜热 r 2 491.3 2.303t
t的单位为℃；r的单位kJ/kg；40℃下水的饱和蒸汽压为7.377 kPa。
武汉工程大学化工原理课件
解: (1) 除去40 kg水分所需的干燥时间 GC X 1 X 0 1.48 h X1 0.156 Xc A N A C
②按传质或传热速率式估算
N A kH ( H w H )

rw
(t tw )
几种典型的气流与物料的接触方式时的给热系数
①空气平行于物料表面流动
0.0143 G 0.8
kW/m2· ℃
武汉工程大学化工原理课件 G为气体的质量流速，kg/(m2· s)
条件为G=0.68~8.14 kg/（m2· s），气温t=45~150℃
N A C
t tw
rw
1.367 10
0.8
3
0.0143G
G u
1 H vH
1.09 H HW (t tW ) rW
pW HW 0.622 p pW
vH (
1 H RT ) 29 18 p
武汉工程大学化工原理课件 (2) 再除去20 kg水分所需干燥时间
武汉工程大学化工原理课件 2. 数据处理
① 典型干燥曲线的形状
干燥曲线：物料的的自由含水量X与干燥时间τ的 关系曲线。
A
A
B C D E
自由含水量 X(kg/kg)
0
时间τ 干燥曲线
武汉工程大学化工原理课件 ② 干燥速率曲线 物料的干燥速率或水分汽化速率NA：指单位时间、 单位面积（气固接触界面）被汽化的水量。
b.某些物质因脱水而产生种种物理的、化学的以 致生物的变化。如木材脱水收缩，内部产生应力，严 重时可使木材沿薄弱面开裂。有些物质脱水后会产生 表面硬化、干裂，起皱等不良现象。
武汉工程大学化工原理课件
14.3.2 间歇干燥过程的计算
物料在恒定干燥条件下所需干燥时间的确定方法： a.同一物料的干燥试验确定 b.当生产条件与试验差别不大时，可进行估算。