干燥过程的物料衡算与热量衡算

1、药品生产技术专业教学资源库-制药单元操作技术教学设计教 师 姓 名授课班级授课形式讲授授 课 日 期 授课时数2授课内容情景7 干燥过程及操作任务4 干燥过程的物料衡算与热量衡算教学目的知 识目 标1了解湿物料含水量的表示方法2. 了解湿物料中水分的分类及内涵3. 掌握干燥操作中物料衡算方法。4.掌握热量衡算方法能 力目 标1能够根据日常现象，说出并计算物料中的各种水分量；2、能够根据生产任务，进行干燥过程分析，分析空气消耗量和水分蒸发量；3、能够根据生产任务，进行干燥过程的热量和热效率的计算，以确定换热器的热负荷；思 想目 标1. 具有分析问题解决问题的能力；2. 具有一定组织协调能力；3.

2、 具有搜索、整理材料及文字表达相关能力教 学 重 点干燥过程物料衡算教 学 难 点干燥过程热量的衡算。更新、补充、删 节 内 容使 用 教 具多媒体课 外 作 业课 后 体 会授课主要内容及课堂教学设计教学环节 课 程 内 容 设 计教学方法时间min组织复习引入新课小结作业干燥过程是热、质同时传递的过程。进行干燥计算，必须解决干燥中湿物料去除的水分量及所需的热空气量。湿物料中的水分量如何表征呢？任务4干燥过程的物料衡算与热量衡算一、湿物料中水分的性质干燥过程中除去的水分是由物料内部迁移到表面，然后有表面汽化进入空气主体。在相同的干燥条件下，有的物料很容易干燥，有的物料很难干燥，比如有些衣服比

3、较容易干，有的不容易。因此干燥的快慢，不是只取决于空气的性质和操作条件，还取决物料中所含水分的性质，下面做详细介绍。1.湿物料含水量的表示方法湿物料的含水量的表示方法有：湿基含水量和干基含水量湿基含水量单位质量湿物料所含水分的质量，即湿物料中水分的质量分数，称为湿物料的湿基含水量，用符号表示，单位：kg水/kg湿物料=湿物料中水分的质量湿物料的总质量干基含水量湿物料在干燥过程中，水分不断被汽化移走，湿物料的总质量在不断变化，因此我们采用在干燥过程中湿物料中始终保持不变的绝干物料做计算基准，就是所谓的干基含水量。指单位干物料中所含水分的质量，用符号X表示，单位为kg水/kg干燥。X=湿物料中水分

4、的质量湿物料的总质量-湿物料中水分的质量干基含水量和湿基含水量的换算 X=1- 或 =X1-X （7-13）2.平衡水分与自由水分根据物料在一定干燥条件下其所含水分能否用干燥方法除去划分为平衡水分和自由水分。能用干燥方法除去的水分称为自由水分，不能除去的水分称为平衡水分。图7-18 物料的平衡水分图（25）当湿物料与一定状态的湿空气接触时，若湿物料表面产生的水汽分压大于空气中的水汽分压，湿物料中的水分向空气中转移，湿物料放出水分，干燥可以顺利进行；若湿物料表面产生的水汽分压小于空气中水汽分压，湿物料吸收空气中的水分，产生“返潮”现象；当湿物料表面产生的水汽分压等于空气中水汽分压时，两者处于动态

5、平衡状态，湿物料中的水分不会因为与湿空气接触时间的延长而增减，湿物料中水分含水量为一定值，该含水量就称为该物料在此空气状态下的平衡含水量，又称平衡水分，用X*表示，单位为kg水/kg干物料。湿物料中水分含量大于平衡水分时，其含水量与平衡水分之差称为自由水分。即通过干燥可以除去的水分。平衡水分的含量不仅与空气的状态有关，还与物料的性质有关。如图7-18所示，不同物料的平衡水分数值相差较大。例如，玻璃丝和瓷土等结构致密的固体，其平衡水分很小，而烟叶、羊毛、皮革等物质，则平衡水分较大。同一种物料，在相同的温度下，平衡水分随着空气的相对湿度的减小而降低。当空气的相对湿度减小为零时，各种物理的平衡水分都

6、为零。即想要获得一个干物料，必须有绝对干燥的空气（=0）与湿物料进行长时间的充分接触，而实际生产很难满足这个条件。如果湿物料和具有一定湿度的空气接触，物料必有一部分水分不能被去除。干燥的极限是达到平衡水分，但是在实际干燥过程中，无法达到极限的情况，因此自由水分不是都可以被除去的。3.结合水与非结合水根据湿物料中水分除去的难易程度划分为结合水分和非结合水分。（1）结合水借助化学力或者物理化学力与固体相接触的那部分水分，称为结合水分。如结晶水、毛细管中水分、细胞内水分等。结合水分与固体物料间的结合力较强，较难除去。（2）非结合水分指机械地附着在固体物料表面或积存在大孔隙中的水分。它与固体物料的结合

7、轻度较弱，是较易除去的水分。其饱和蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。平衡水分与自由水分、结合水分与非结合水分是物料中所含水分的两种不同分类。平衡水分与自由水分的区别不仅取决于物料的性质，还取决于空气的状态；而结合水分与非结合水分的区别只取决于物料的性质与空气的状态无关。图7-19 水分种类（温度为定值）对于温度和质量恒定的湿物料，结合水分不会因为空气的相对湿度不同而发生变化，它是一个固定值。结合水与非结合水都难以用实验方法直接测得，根据它们的特点，可将平衡曲线外延与同温度下=100%线相交，交点的平衡水分即为湿物料的结合水分。物料中几种水分的关系可通过图7-19说明，从图中可看出，平衡水分随

8、湿空气的相对湿度的变化而变化，结合水则为常数。技术训练 平衡水分和自由水分 结合水分和非结合水分某物料在25时的平衡曲线如图7-20所示，已知物料的含水量X=0.3kg水/kg干料，若与=70%时的湿空气接触，试划分该物料的平衡水分和自由水分，结合水分和非结合水分。图7-20 固体物料的水分性质分析：由=70%作水平线与平衡曲线相交，与交点A读出平衡水分为0.08kg水/kg干料，故自由水分为0.30-0.08=0.22kg水/kg干料由图7-20中读出=100%时的平衡水分为0.20kg水/kg干料，则物料的结合水分为0.20kg水/kg干料，非结合水分为0.30-0.20=0.10kg水/

9、kg干料。二、空气干燥器的操作过程图7-21是空气干燥系统的物料流程示意图。空气经预热器加热后温度增高，吸收水分的能力增强，然后进入干燥室与湿物料相接触，传热传质。干燥过程中湿物料中的水分汽化所需的热量可以全部由热空气提供，也可以由热空气供给一部分，另一部分由设于干燥室中的加热器供给。图7-21 干燥系统物料流程示意图L干气消耗量，kg干气/s；Gc湿物料中干物料的流量，kg干料/s；H0、H1、H2空气进入预热器及进、出干燥器时的湿度，kg水汽/kg干气；G1、G2湿物料进、出干燥器时的流量，kg物料/s；w1、w2湿物料进出干燥器时的湿基含水量，kg水分/kg物料；X1、X2湿物料进出干燥

10、器时的干基含水量，kg水分/kg干料。 通常干燥器的物料衡算要解决的问题有三方面：干燥产品的流量；将湿物料干燥到指定的含水量所需蒸发的水分量；干燥过程需要消耗的空气量。三、干燥介质用量计算1.干燥产品流量Gc干燥产品是指离开干燥器的物料，其中包括干物料和仍含有的少量水分的湿物料。若无物料损失，则在干燥前后，物料中的干物料的质量不变。Gc=G11-w1=G2(1-w2)或 G2=G1(1-w1)1-w2=Gc1-w2 （7-14）2.水分蒸发量W设湿物料在干燥器中蒸发的水分量为W（kg/s）,对湿物料做物料平衡。结合式（7-14），可得水分蒸发量的计算式W=G1w1-w21-w2=G2w1-w2

11、1-w1 （7-15）若在干燥器中对水分做物料衡算，则有LH1+GcX1=LH2+GcX2 故水分蒸发量还可写为 W=GCX1-X2=L(H2-H1) （7-16）3.空气的消耗量L由式（7-16）得，干燥所需要的干气消耗量L为L=Gc（X1-X2）H2-H1=WH2-H1 （7-17）每蒸发1kg水分所需的干气消耗量称为单位蒸汽消耗量，符号l表示，单位为kg干气/kg水。计算公式为：l=LW=lH2-H1 （7-18）由于进出预热器的湿空气的湿度不变，H1与进预热器时的湿度H0相同，即H1=H0。则式（7-17）和（7-18）可写为L=WH2-H0 或 l=1H2-H0由此可见，对于一定的水

12、分蒸发量，空气的消耗只与空气的最初湿度H0和最终湿度H2有关，与干燥的过程无关；当空气出干燥器的湿度H2不变时，空气的消耗量决定于空气的最初湿度H0，H0越大，空气消耗量越大。空气的最初湿度H0与气候条件有关，通常情况下，同一地区夏季空气的湿度大于冬季空气的湿度，也就是说，干燥过程中空气消耗量在夏季要比冬季大。因此，在干燥过程中，选择输送设备，如鼓风机时，应以全年中所需最大空气消耗量为依据。鼓风机所需风量根据湿空气的体积流量V而定，湿空气的体积流量可由干气的质量流量L与比体积的乘积来确定，即:L=LvH=L(0.773+1.244H)t+273273 （7-19）式中，空气的湿度H和温度与鼓风

13、机所安装的位置有关。例如，鼓风机安装在干燥器的出口，H和t就应取干燥器出口空气的湿度和温度。技术训练 空气用量计算用空气干燥某含水量为40%（湿基）的湿物料，每小时处理湿物料量1000kg，干燥后产品含水量为5%（湿基）。空气的初温为20%，相对湿度为60%，经预热至120后进入干燥器，离开干燥器时的温度为40，相对湿度为80%。试求：（1）干燥器产品量；（2）水分蒸发量：（3）干气消耗量和单位空气消耗量；（4）如鼓风机装在预热器进口处，风机的风量。分析：（1）干燥产品量G2=G11-w11-w2=1000×1-0.401-0.05=631.58kg/h（2）水分蒸发量W=G1w1-

14、w21-w2=1000×0.4-0.051-0.05=368.42kg/h（3）干气消耗量和单位空气消耗量0=40%，t0=20，查I-H图的H0=0.007kg水汽/kg干气；2=80%，t2=40，查的H2=0.040kg水汽/kg干气L=WH2-H0=368.420.040-0.007=11164.24kg干气/hl=1H2-H0=10.040-0.007=30.30kg干气/kg水（4）鼓风机风量因风机装在预热器进口处，输送的是新鲜空气，其温度t0=20，湿度H0=0.007kg水/kg干气，则湿空气的体积流量为V=L0.773+1.244H=11164.24×0.

15、773+1.244×0.007×20+273273 =9366.53m3/h四、干燥过程热量衡算通过干燥器的热量衡算，可以确定物料干燥所消耗的热量或干燥器排出空气的状态。作为计算空气预热器和加热器的传热面积、加热剂的用量、干燥器的尺寸或热效率的依据。1.流程图图7-22 干燥器热量衡算温度为，湿度为H0，焓为的新鲜空气，经加热后的状态为t1、H1、I1，进入干燥器与湿物料接触，增湿降温，离开干燥器时状态为t2、H2、I2，固体物料进、出干燥器的流量为G1、G2，温度为1、2，含水量为X1、X2。通过流程图可知，整个干燥过程需外加热量有两处，预热器内加入热量Qp，干燥器内加入

16、热量Qd。外加总热量QQpQd。将Q折合为汽化1kg水分所需热量2.预热器热量衡算 若忽略热损失，则 kJ/kg水3.干燥器的热量衡算（1）输入量湿物料带入热量式中：干燥后物料比热，kJ/kg湿料：水的比热，kJ/kg水：绝干物料比热，kJ/kg干料空气带入的焓值 干燥器补充的热量 （2）输出量干物料带出焓值 废气带出焓值 热损失 在稳定干燥过程中，输入量等于输出量，干燥器热量衡算式为：五、干燥器空气出口状态的确定 由于空气在干燥器内发生增湿降温变化过程，如何确定废气出口状态，需对不同干燥过程进行分析。1.等焓干燥过程（理想干燥过程、绝热干燥过程）等焓干燥过程是指干燥在绝热情况下进行的，空气在

17、进出干燥器的焓值不变，即I1I2。令：则：若为等焓过程，则I1I2，D0。可用求出（H2、I2）。等焓干燥过程有以下两种情况：A. 整个干燥过程无热损失、湿物料不升温、干燥器不补充热量、湿物料中汽化水分带入的热量很少。B. 干燥过程中湿物料中水分带入的热量及补充的热量刚好与热损失及升温物料所需的热量相抵消。2.实际干燥过程很显然，只有在保温良好的干燥器和湿物料进出干燥器温度相差不大的情况下，才可近似当作等焓过程处理。由于对干燥器的绝热保温很难，因此实际干燥过程是在非绝热情况下进行的，即。（1）当补充的热量大于损失的热量时，。（2）当补充的热量小于损失的热量时，。六、干燥器的热效率干燥器的热效率

18、是干燥器操作性能的一个重要指标。热效率高，表明热的利用程度好，操作费用低，同时可合理利用能源，使产品成本降低。因此，在操作过程中，希望可获得尽可能高的热效率。1. 定义2. 提高热效率途径（1）当t0，t1一定时， 但因此在设计时规定：t2要比热空气进入干燥器时的湿球温度tw高2050。（2）当t0，t2一定时， 提高空气的预热温度，可提高热效率。空气预热温度高，单位质量干空气携带的热量多，干燥过程所需要的空气量少，废气带走的热量相应减少，故热效率得以提高。但是，空气的预热温度应以湿物料不致在高温下受热破坏为限。对不能经受高温的材料，采用中间加热的方式，即在干燥器内设置一个或多个中间加热器，往往可提高热效率。（3）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