干燥过程工艺参数的确定电子教案

1、项目10 干燥及设备操作学习任务2干燥过程工艺参数的确定计划学时4职业能力目标专业能力社会能力方法能力1空气性质；2掌握湿焓图的构成方法；3. 掌握湿焓图的应用4干燥工艺参数的确定团队工作能力沟通能力小组成员的协作能力扩展相应的信息收集能力制定工作计划能独立使用各种媒介完成学习任务工作结果的评价与反思学习情境描述接到车间主任指令：根据给定的干燥任务，选择合适的干燥设备，并确定干燥设备的各种工艺参数。组长接受任务后组织学员通过资讯、计划、决策、实施和检查、评估等过程完成学习任务。教学环境分析石油化工岗位操作技能实训中心、教材、辅导资料、化工工艺设计手册、化工单元操作学习光盘、学习软件、可以上网查

2、阅资料的电脑、工作台、拆装工具等教学方法采用角色扮演法交代任务；用引导文和小组讨论法完成决策和计划的制定，采用任务驱动法实施工作任务。教学组织分组，分工，协作共同完成，分成6个小组，每组6人要做好记录，由各小组长展示学习成果评议各小组展示的学习成果教师对每个小组及每个学生进行监视，做好记录，作为成绩评定的依据。实施步骤资讯第一部分 湿空气的性质和湿度图一、湿空气的性质湿空气是干空气和水汽的混合物。由于干燥操作的压力较低，故湿空气通常作为理想气体来处理。在干燥过程中，湿空气中的水汽量是不断变化的，而其中绝干空气作为湿和热的载体，其质量是不变的，故在讨论湿空气的性质和干燥过程计算时常取干空气作为物

3、料基准。1湿空气中的水汽分压湿空气中的水汽在保持与湿空气相同的温度下，单独占据湿空气的容积时所产生的压力，称为湿空气中水汽的分压力。用表示。根据道尔顿分压定律，湿空气的总压力与水汽分压力及绝干空气分压力的关系为+ (4-1)式中：湿空气的总压强，Pa；湿空气中干空气的分压，Pa；湿空气中水汽的分压，Pa；当总压一定时，湿空气中水汽分压越大，表明空气中水汽的含量越高。当水汽分压等于该空气温度下水的饱和蒸汽压时，表明湿空气被水汽饱和，不再具有吸收水汽的能力。故作为干燥介质的湿空气应为不饱和空气，即水汽分压应低于同温下水的饱和蒸汽压。2湿度H又称湿含量，或绝对湿度（简称湿度），指单位质量绝干空气所带

4、有的水汽质量,单位为kg水/kg干空气。即 式中：、湿空气中干空气、水汽的千摩尔数，kmol； 、水汽和干空气的千摩尔质量，kgkmol。常压下湿空气可视为理想气体，根据道尔顿分压定律，式（4-2）可表示为以下关系由式（4-3）可见，湿度H与空气的总压及其水汽分压有关；当总压一定时，H只与有关。当水汽分压等于该空气温度下水的饱和蒸汽压时，表明湿空气被水汽饱和，不再具有吸收水汽的能力，此时空气的湿度称为饱和湿度，用表示，式中：湿空气的饱和湿度， kg水汽/kg干空气； 湿空气温度t下水的饱和蒸汽压，Pa。式（4-4）说明，在一定总压下，空气的饱和湿度只取决于其温度。3相对湿度（或相对湿度百分数）

5、指在一定总压下，湿空气中水气分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比。即由式（4-5）可知，当0时，0，表明该空气为干空气；当时，1，表明空气已达到饱和状态；当时，1，为未饱和湿空气，值越小，表明该空气偏离饱和程度越远，吸收水汽的能力越强。在一定总压 P下，代入（43）得 （4-6）式（4-6）表明，当总压P一定时，湿空气的湿度随空气的相对湿度和空气的温度t而变化。4湿空气的比容湿空气的比容也称为湿容积，指含有1kg干空气的湿空气的体积，即1kg干空气及其所带的Hkg水汽共同占有的总体积，其单位为湿空气kg干空气，即 （4-7）即在总压一定时，不饱和湿空气的比体积随其温度t和湿度H而变化。5湿空气的比

6、热容简称湿比热容，指以1kg干空气为计算基准的湿空气的比热容，即1kg干空气及其所带的Hkg水蒸汽温度升高或降低1所吸收或放出的热量，其单位为，即 （4-8）式中：干空气的平均等压比热容，；水汽的平均等压比热容，。在工程计算中，常取和为常数，即1.01，1.88，所以，湿空气的比热容为1.011.88 （4-8a）即湿空气的比热容只随空气的湿度而变化。6湿空气的焓指以1kg干空气为计算基准的湿空气的焓，即为1kg干空气的焓与其所带的 Hkg水汽的焓之和，其单位为kJkg干空气，即 I十 （4-9）式中：干空气的焓，； 水汽的焓，。 通常规定0时干空气及液态水的焓为零，于是 式中：0时水的汽化潜

7、热，=2492kJkg。于是 （49a）由式（49a）可知，湿空气的焓值随空气的温度t、湿度H而变化。7湿空气的温度（1）湿空气的干球温度t。简称温度，是指湿空气的真实温度，可直接用普通温度计测量。（2）湿空气的露点。不饱和湿空气在总压力和湿度H不变的情况下进行冷却、降温，直到达到饱和状态时的温度称为该空气的露点。此时湿空气的湿度H就是其露点下的饱和湿度，即H，相对湿度100%。可见，一定总压力下，空气的湿度H（或水蒸气分压）越大，则露点就越高。只要测出露点温度，便可查得此温度下对应的饱和蒸汽压，从而根据式（4-4）求得空气的湿度H。这是露点法测定空气湿度的依据。反之，若已知空气的湿度H，可根

8、据式（4-4）求得饱和蒸汽压，再从水蒸气表中查出相应的温度，即为露点。由上述可知，空气露点是反映空气湿度的一个特征温度。（3）湿空气的湿球温度将普通温度计的感温球用湿纱布包裹，并用水保持湿纱布表面润湿，这种温度计称为湿球温度计，如图46所示。湿球温度计在空气中达到稳定或平衡时的温度称为该空气的湿球温度。不饱和湿空气的湿球温度恒低于其干球温度t。湿球温度计测温原理如下：将湿球温度计置于温度为t、湿度为H的不饱和空气流中，假设开始时湿纱布的水温与湿空气的温度t相同，空气与湿纱布上的水之间没有热量传递。由于湿纱布表面空气的湿度大于空气主体的湿度H，因此湿纱布表面的水分将汽化到空气主体中。此时汽化水分

9、所需潜热只能由水分本身温度下降放出的显热供给，因此，湿纱布上的水温下降，与空气间产生了温度差，引起对流传热。当空气向湿纱布传递的热量正好等于湿纱布表面水分汽化所需热量时，过程达到动态平衡，此时湿纱布的水温不再下降，而达到一个稳定的温度，这个稳定的温度就是该空气状态（温度为t、湿度为H）下的湿球温度。湿球温度是湿纱布上水的温度，它由流过湿纱布的大量空气的温度t和湿度H所决定。当空气的温度t一定时，若其湿度H越大，则湿球温度也越高；对于饱和湿空气，其湿球温度、干球温度以及露点三者相等。因此，湿球温度是湿空气的状态参数。由上可知，在达到湿球温度时，空气向湿纱布表面的传热速率为（t-） (4-10)式

10、中：传热速率，；空气与湿纱布表面间的对流给热系数， ； 湿纱布的表面积，。湿纱布表面水分向空气的传质速率为 （4-11）式中：水分的传质速率，； 以湿度差为推动力的传质膜系数，； 湿空气在温度为下的饱和湿度，kgkg； 湿空气的湿度，kgkg。 单位时间水自湿纱布表面汽化所需热量为 = （4-12） 式中：水在下的汽化潜热，kJkg。由于达到平衡时，空气向湿纱布表面的传热速率等于水自湿纱布表面汽化所需传热速率，由（4-10）、（4-11）和（4-12）可得 整理上式得： （4-13）当空气流速足够大且温度不太高时，可以认为湿空气流与湿纱布表面间的传热、传质均以对流方式为主，与为通过同一气膜的传

11、质系数与对流给热系数。实验表明，与都与气流Re数的0.8次方成正比，因而/值与流速无关，只与物性有关。对于空气一水系统，/1.09。可见，湿球温度是湿空气的温度t与湿度H的函数。在一定的压强下，只要测出湿空气的t和，就可根据式（4-13）确定湿度。测定湿球温度时，空气的流速应大于5m/s，以减小热辐射和导热的影响，使测量结果精确。第二部分 干燥过程的物料衡算和热量衡算一、空气干燥器的操作过程图4-7是空气干燥器的流程示意图。空气经预热器加热后温度提高，增强了其吸收水分的能力，然后进入干燥室与湿物料相接触，进行热、质传递。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，也可由热空气供

12、给一部分，另一部分由在干燥室中设置的加热器供给。除干燥室及空气预热器外，干燥装置中还设有抽风（或送风）机、进料器、卸料器和除尘器等。在图4-7所示流程中，热空气仅利用一次，实际上还有将部分空气循环使用等其他方案。在设计干燥器时，通常已知湿物料的处理量、湿物料在干燥前后的含水量及进入干燥器的湿空气的初始状态，要求计算水分蒸发量、空气用量以及干燥过程所需热量，为此需要对干燥器做物料衡算和热量衡算，以便选择适宜型号的干燥器、风机和换热器等。二、干燥过程的物料衡算干燥器物料衡算要解决的问题有两方面：一是计算湿物料干燥到指定含水量所需除去的水分量；二是计算空气用量。（一） 物料含水量的表示方法1湿基含水

13、量它是以湿物料为计算基准，指湿物料中水分质量与湿物料总量之比，即 ×100% （4-14）2含水量它是以湿物料中绝干物料为计算基准，指湿物料中水分质量与湿物料中绝干物料之比，即 （4-15）其单位为kg水kg绝干物料；上述两种含水量的换算关系为：工业生产中，通常用湿基含水量来表示物料中水分的多少。但在干燥器的物料衡算中，由于干燥过程中湿物料的质量不断变化，而绝干物料质量不变，故采用干基含水量计算较为方便。（二）物料衡算通过物料衡算可求出干燥产品流量、物料的水分蒸发量和空气消耗量。现对图4-8所示的连续干燥器做物料衡算。设：进入干燥器的湿物料质量流量，kg/s； 出干燥器的产品质量流量

14、，kg/s；湿物料中绝干物料质量流量，kg/s；1、2分别为干燥前后物料的湿基含水量，kg水/kg湿物料；、分别为干燥前后物料的干基含水量，kg水/kg干物料；、进出干燥器的湿物料的湿度，kg水/kg绝干空气；水分蒸发量，kg/s；湿空气中绝干空气的质量流量，kg/s。1水分蒸发量若不计干燥过程中物料损失量，则在干燥前后物料中绝干物料质量流量不变,即 （4-16） 整理得 （4-17） 对干燥过程去除的水分作物料衡算，可得 （4-18）2干空气消耗量L整理式（4-18）得 （4-19） 蒸发1kg水分所消耗的干空气量，称为单位空气消耗量，用表示，其单位为kg绝干空气/kg水分，则 （4-20）

15、如果以表示空气预热前的湿度，由于空气经预热器后，其湿度不变，故，则式（4-20）可改写为 （4-20a）由上式可见，单位空气消耗量仅与、有关，与路径无关。越大，也越大，由于是由空气的初温t及相对湿度所决定，所以在其它条件相同的情况下，将随着t及的增加而增大，也就是说，对同一干燥过程而言，夏季的空气消耗量比冬季大，故在选择输送空气的风机装置时，须按全年最大空气消耗量而定。三、干燥过程的热量衡算通过对干燥系统进行热量衡算，可确定物料干燥所消耗的热量、预热器或干燥器内补充加热器的传热面积，以及确定干燥器出口空气（废气）的湿度H2、焓I2等状态参数。图4-9为对流干燥过程的热量衡算示意图，图中、分别为

16、新鲜空气进入预热器、离开预热器（即进入干燥器）和离开干燥器时的湿度，单位为kg水/kg绝干空气；、分别为新鲜空气进入预热器、离开预热器（即进入干燥器）和离开干燥器时的焓，单位为kJ/kg绝干空气；、分别为新鲜空气进入预热器、离开预热器（即进入干燥器）和离开干燥器时的温度，单位为；绝干空气的质量流量，单位为kg绝干空气/s、分别为进入和离开干燥器的物料的质量流量，单位为kg/s、分别为进入和离开干燥器的物料的温度，单位为；、分别为进入和离开干燥器的物料的的焓，单位为kJ/kg绝干物料；单位时间内输入预热器的热量，单位为；单位时间内向干燥器内补充的热量，单位为；单位时间内干燥系统损失的热量，单位为

17、；（一）预热器的热量衡算若忽略预热器的热损失，对图4-9中的预热器作热量衡算，得 （4-21）或 （4-21a）(二)向干燥器补充的热量对图4-9中的干燥器作热量衡算，得 或 （4-22）(三)干燥系统的热量衡算对图4-9中包括预热器和干燥器在内的干燥系统作热量衡算，则单位时间内进入干燥系统的热量单位时间内带出干燥系统的热量 （4-23）或 （4-23a）式中：绝干物料的质量流量，单位为kg/s；干燥系统损失的热量，单位为。取0液态水和0绝干物料的焓为零，则物料焓的计算式为 (4-24)式中：绝干物料的平均比热容，单位为kJ/kg. 液态水的平均比热容，单位为kJ/kg. 以1kg绝干物料为基

18、准的湿物料的平均比热容，单位为kJ/kg.物料的干基含水量，单位为kg水/kg干物料。为便于理解，式（4-23a）可变换为另一种较简单的形式，即将、代入式（4-23a），并假设，经简化整理后，可得 (4-25)由上式可知，加入干燥系统的总热量，用于加热空气；蒸发物料中的水分；加热物料；补偿系统周围的热损失。四、干燥器出口空气状态的确定在进行干燥器的物料衡算和热量衡算时，须先确定空气进、出干燥器时的状态。空气进入干燥器的状态较容易确定。空气通过预热器预热后，温度升高而湿度不变。若已知预热后空气的温度，则进入干燥器的空气状态也就确定了。而空气出干燥器时的状态较为复杂。这是因为空气通过干燥器时，与湿

19、物料间进行热、质传递，空气温度降低而湿度增加，有时还需在干燥中补充热量，且干燥器均有一定的热损失。基于此，干燥器出口空气状态的确定，一般是根据干燥过程中焓的变化情况来确定的。通常，将干燥过程分为等焓干燥过程和非等焓干燥过程两大类。现分述两类过程中空气出口状态的确定。（一）等焓干燥过程在干燥操作中，若满足下列条件：（1）干燥器内不补充热量，即；（2）干燥器保温良好，热损失忽略不计，即；（3）湿物料进、出干燥器的温度变化不大，其焓值可认为近似相等，即。则由式（4-23a）可得 （4-26）又由式（4-23a）可知 于是可得：，表明空气在干燥器中经历的过程为等焓过程，即空气在干燥器内的状态变化沿等焓

20、线进行，故只要确定出口空气的另一个独立参数（如规定出口空气的温度或相对湿度）,出干燥器的空气状态及其对应的状态参数，便可完全确定。如图4-10中BC线所示。在实际干燥过程中，等焓干燥过程很难实现，故又称为理想干燥过程。（二）非等焓干燥过程实际操作中的干燥过程，均为非等焓干燥过程，这是因为实际干燥过程总是存在一定的热损失，有时也需要向干燥器补充热量，且物料出干燥器时因温度升高会带走一部分热量。故实际干燥过程常为非等焓干燥过程。非等焓干燥过程可分为以下几种情况：1干燥器内不补充热量，即0；物料进、出干燥器的焓值不等；热损失不能忽略,即，将式（4-22），整理后可得 （4-27） 由于式(4-27)

21、中总为正值，故I2I1，说明空气通过干燥器后焓值降低，如图4-10所示，此过程线BC1位于等焓线BC线下方。2干燥器内补充热量，即0，根据式（4-22），整理后可得= （4-28）式中，若，则I2I1，与0时的情况相同；若 ，则I2I1，说明空气通过干燥器后焓值增大，如图4-10所示，此过程线BC2位于等焓线BC线上方。上面定性地分析了非等焓干燥过程中，空气进、出干燥器所经历的状态变化情况，至于空气出干燥器时具体状态点的确定，应根据实际条件加以分析。五、干燥器的热效率和干燥效率干燥器的热效率是指水分汽化所消耗的热量与输入干燥系统的总热量之比，即 （4-29）式中：水分汽化所消耗的热量为 （4-

22、30）由于物料中水分带入系统中的热量很小，故可忽略。干燥效率是指水分汽化所消耗的热量与热空气在干燥器内放出的热量之比，即 （4-31）式中：空气在干燥器内放出的热量为干燥器的热效率和干燥效率的大小均反映了干燥系统热利用率的高低。若将离开干燥器的废气温度降低而湿度增大，则可减少空气用量并提高干燥器的热效率。但是，空气的湿度增加，会使空气与物料间的传质推动力减小；一旦废气出口温度低至干燥器进气的饱和状态温度时，湿空气会析出液态水，使干燥产品返潮。故依靠降低废气温度，增大其湿度来提高热效率是有限度的，一般要求废气出口温度应比干燥器进气的绝热饱和温度高2050。此外，充分利用废气中的热量（如用以预热空

23、气或湿物料）、加强设备和管道的保温，均有利于热效率的提高。第三部分 干燥速率和干燥时间通过对干燥系统进行物料衡算和热量衡算，可确定从湿物料中除去的水分量以及耗用的空气量和热量，以作为选择风机和预热器的依据。而通过干燥速率和干燥时间的计算，可作为确定干燥器尺寸的依据。前已述及，湿物料在干燥过程中，水分先由物料内部移动到物料表面，再由表面扩散至空气主流中，由空气带走。故干燥速率不仅取决于湿空气的性质和操作条件，还与湿物料中所含水分的性质有关。一、物料中所含水分的性质（一）平衡水分与自由水分在一定的干燥条件下，根据物料中所含水分能否用干燥的方法加以除去，可分为平衡水分和自由水分。当物料与一定状态的空

24、气相接触时，如果湿物料表面水汽的分压与空气中水汽的分压不等时，物料就会释放出水分或吸收水分；当过程进行到两者分压相等时，水分将在气、固两相间达到平衡，物料中水分不再发生变化，此恒定的水分称为该物料在一定空气状态下的平衡水分，用表示，单位为kg水/kg干物料。 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4-11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。从图中还可看出，同种物料，在一定的温度下，空气的相对湿度越大，平衡水分含量越高。当相对湿度为零时，物料的平衡水分也为零。说明物料只有与绝干空

25、气接触时，才能得到绝干物料。故平衡水分是物料干燥到极限程度时的水分。物料中超过平衡水分的那部分水分，称为自由水分。即通过干燥方法可以除去的水分。（二）结合水分与非结合水分根据水分与物料的结合方式不同，物料中的水分可分为结合水分和非结合水分。1结合水分借助于化学力或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、毛细管中的水分、细胞内的水分等。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上的水分。如固体表面和内部较大空隙中的水分。非结合水分与固体的相互结合力较弱，是较易除去的水分。结合水分与非结合水分的区别还在于各自的平衡蒸汽压不同。结合水由于化学和

26、物理化学力的存在，使其蒸汽压低于同温度下水的饱和蒸汽压；而非结合水分的性质与纯水的相同，其平衡蒸汽压就是同温度下水的饱和蒸汽压。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分既取决于物料的性质，还取决于空气的状态；而结合水分与非结合水分的区分仅取决于物料的性质，与空气的状态无关。四种水分的关系见图4-12。二、干燥速率及其影响因素由于干燥机理的复杂性，目前对干燥速率的计算与分析多取自实验。为了讨论问题的方便，假定干燥过程的条件恒定，即空气的温度、湿度、流速、与物料的接触状况以及物料的几何尺寸等均不变。如用大量的空气干燥少量的湿物料就属于此类情况

27、。（一）恒定干燥条件下的干燥曲线和干燥速率曲线在恒定干燥条件下，通过实验，可绘制出干燥曲线和干燥速率曲线，由曲线可以直观地了解干燥过程中物料中的水分与温度随时间的变化关系，以及干燥速率的变化特性。1干燥曲线通过实验，测定出干燥过程中不同时间下湿物料的干基含水量和物料表面的温度,并绘成曲线，如图4-13，称为干燥曲线。由干燥曲线可直接读出在一定条件下，将物料干燥至某一干基含水量所需要的时间。2干燥速率曲线干燥速率是指单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量，如用微分表示，为 （4-32）式中：干燥速率，单位为；汽化的水分量，单位为kg；物料的干燥表面积，单位为；干燥时间，单位为。又由于 代入式（4

28、-32）可得 （4-33）式中：负号表示物料含水量随干燥时间的增加而减少。 由图4-13中曲线，求出不同下的斜率，再将测得的绝干物料量和物料的干燥面积，一并代入式（4-33）求得干燥速率，将对作图，便得到如图4-14所示的曲线，称为干燥速率曲线。在图4-14中，段对应的时间很短，称为预热阶段，在干燥计算中可忽略不计；在段，物料的干燥速率保持恒定，其值不随物料含水量而变，称为恒速干燥阶段；在CE段，干燥速率随物料含水量的减少而降低，称为降速干燥阶段。图中C点为恒速与降速段的分界点，称为临界点，该点对应的含水量称为临界含水量，由表示。实验表明，只要物料中含有非结合水分，总存在恒速与降速两个不同的阶

29、段。在两个阶段内，物料的干燥机理和影响因素各不相同，分述如下。（二）恒速干燥阶段及其影响因素在这一阶段，物料表面与空气间的传热与传质过程类似于湿球温度的测定原理。在恒定干燥条件下，空气传给物料的热量等于水分汽化所需的热量，物料表面的温度始终保持为湿球温度。虽然物料水分不断汽化，含水率不断降低，但传热推动力（）与传质推动力（）均维持恒定，干燥速率不随的减少而变，故图4-14中段为一水平段。在该阶段除去的是物料表面附着的非结合水分，且物料内部水分向表面移动的速率大于表面水分汽化的速率，使物料表面始终有充盈的非结合水分，干燥速度由水在物料表面汽化的速率所控制。故该阶段又称为表面汽化控制阶段。由于该阶段的干燥速率取决于物料表面水分的汽化速率，亦即取决于物料外部的空气条件，与物料自身的性质关系很小。故影响该阶段干燥速率的因素主要是湿空气的温度、湿度