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1、福州大学化工原理电子教案 固体枯燥14.3 枯燥速率与枯燥过程计算14.3.1 物料在定态空气条件下的枯燥速率1枯燥动力学试验物料的枯燥速率即水分汽化速率 NA 可用单位时间、单位面积气固接触界面被汽化的水量表示，即 NA=式中 Gc试样中确定枯燥物料的质量，kg； GcdX -AdA试样暴露于气流中的外表积，m2；X物料的自由含水量，X=Xt-X*，kg 水/kg 干料。枯燥曲线或枯燥速率曲线是恒定的空气条件指肯定的速率、温度、湿度下获得的。对指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同，如图14-13 所示（2） 恒速枯燥阶段 BC（3） 降速枯燥阶段 CD在降速阶段枯燥速率的变
2、化规律与物料性质及其内部构造有关。降速的缘由大致有如下四个。- 1 - 1福州大学化工原理电子教案 固体枯燥 实际汽化外表削减； 汽化面的内移； 平衡蒸汽压下降； 固体内部水分的集中极慢。（4） 临界含水量固体物料在恒速枯燥终了时的含水量为临界含水量，而从中扣除平衡含水量后则称临界自由含水量 XC（5） 枯燥操作对物料性状的影响14.3.2 间歇枯燥过程的计算14.3.2.1 恒速阶段的枯燥时间 1如物料在枯燥之前的自由含水量 X1 大于临界含水量 Xc，则枯燥必先有一恒速阶段。无视物料的预热阶段，恒速阶段的枯燥时间 1 由 NA=GcdX 积分求出。 -Ad1GcXCdX d=-0AX1NA
3、 因枯燥速率 NA 为一常数， 1=GcX1-Xc ANA速率 NA 由试验打算，也可按传质或传热速率式估算，即NA=kH(Hw-H)=rw(t-tw)Hw 为湿球温度 tw 下的气体的饱和湿度。传质系数 kH 的测量技术不如给热系数测量那样成熟与准确，在枯燥计算中常用阅历的给热系数进展计算。气流与物料的接触方式对给热系数影响很大，以下是几种典型接触方式的给热系数阅历式。（1） 空气平行于物料外表流淌图 14-16a=0.0143G0.8kW/m2式中 G 为气体的质量流速，kg/m2s。上式的试验条件为 G=0.688.14kg/m2s，气温 t=45150。（2） 空气自上而下或自下而上穿
4、过颗粒积存层图 14-16b G0.59=0.0.41 dpG0.49=0.0.41dpdpG 350 dpG 350 式中 G气体质量流速，kg/m2s；dp具有与实际颗粒一样外表的球的直径，m； 气体粘度，Pas。（3） 单一球形颗粒悬浮于气流中图 14-16cdp1/2=2+0.65RepPr1/3 dpu Rep=- 2 - 2福州大学化工原理电子教案 固体枯燥式中 u气体与颗粒的相对运动速度；、Pr气体的密度、粘度和普朗特数。14.3.2.2 降速阶段的枯燥时间 2间 2 为 当 XX*所需时22=*0Gd=-cAX2XcdX NA 假设有 NAX 的枯燥数据可用数值积分法或图解积分
5、法求2，或假定在降速段 NA 与物料的自由含水量 X-X 成正比，即承受临界点 C 与平衡水分点 E 所连结的直线 CE图中红色虚线来代替降速段枯燥速率曲线CDE，即 NA=Kx(X-X*)，式中 KX比例系数，kg/m2sX，即 CE 直线斜率，KX=NA,C=NA,cXc-X* (t-tw)=kH(Hw-H) wGcXdXGcXdX 则 2=- =AKXXX-X*AKXXX-X*GcXc-X*2=ln*AKXX2-X2Cc2当 X=0 时此式复原为教材式14-30。将 NA,C=Kc(Xc-X)代入 1 的表达式14-20得 *1=GcX1-Xc *AKXXc-XGcX1-XcXc-X*=
6、1+2=(+ln) *AKXXc-XX2-X 1X1-Xc=2Xc-X*Xc-X* ln*X2-X解题指南 P367 例 17-9例 17-9 某枯燥过程枯燥介质温度为 363K，湿球温度 307K，物料初始干基含水率为 0.45，当枯燥了2.5h 后，物料干基含水率为 0.15，物料临界含水率、平衡含水率分别为0.2、0.04，试求：1将物料- 3 - 3福州大学化工原理电子教案 固体枯燥”=0.1 需要多少枯燥时间；”=0.1 且枯燥时间仍维持在 2.5h，将空气温度枯燥至 X22将物料枯燥至 X2提高到 373K湿球温度为 310K，其他条件包括空气流速保持不变，能否到达要求。T 附：恒
7、速段的传热速率方程：Nu=CRe0.5 Tw ，C 为常数，T、Tw 单位为 K。 2解：1依据题意，这是一个恒定枯燥条件下枯燥时间的计算问题。 ”Xc；枯燥过程包括恒速段与降速段，相应的枯燥时间包括恒速枯燥时间和降速枯燥时间， X2在恒定枯燥条件下，枯燥时间可用下式计算：G=1+2=CAKx式中 X1、Xc、X*均， 得：X2Xc；2.5= X1-XcXc-X*+ln * X2-X Xc-X GC 未知，但可以通过题给条件，枯燥至 X2=0.15 时，枯燥时间为 2.5h 求 AKxGC0.2-0.04 0.45- 0.2=1.29 +ln 0.2-0.04 AK0.15-0.04 xGCA
8、Kx”=0.1，当物料枯燥至 X2 枯燥仍由恒速和降速两阶段组成，由于枯燥操作条件不变，即所以枯燥时间 为： ”GC 值不变，AKx X1-XcXc-X* 0.2-0.04 0.45-0.2+ln=1.29+ln=3.28h *0.1-0.04 ”-X X2 0.2-0.04 Xc-X ”=0.1 时，所需枯燥时间大于 2.5h，为缩短枯燥时间，可以 2由1小题可知，物料枯燥至 X2G”=CAKx提高湿空气的温度；由于湿空气温度提高，X1、Xc、X*等其他条件不变，那么影响枯燥时间的参数只有 Kx ucu(T-Tw) =u=其中 crwX-X*Xc-X*从上式可以看出，枯燥介质温度提高，使得枯
9、燥速率提高从而缩短枯燥时间；Kx= T ；KuT-TNuT-Txcww T w”假设湿空气温度提高后的降速段斜率用 Kx 表示，所以有：” T”Kx =KxT” wT 又Nu=CRe0.5 Tw22 (T-Tw) 2 T”- Tw” TT w T-Tw 2 T” = T 2Tw T”w22T”-Tw”373307373-310 =1.5 = T-T353310353-307 w 2”=Kx=3.281.5=2.19h2.5h，即把空气温度提高到 373K 可以满足要求。 ”Kx14.3.3 连续枯燥过程的一般特性有并流、逆流、错流流程及其他简单的流程（1） 连续枯燥过程的特点以并流连续枯燥为例
10、，P341 图 14-20留意：连续枯燥降速段 NAKx(X-X)- 4 - 4 *福州大学化工原理电子教案 固体枯燥（2） 连续枯燥过程的数学描述为定态过程，设备中的湿空气与物料状态沿流淌途径不断变化，但流经枯燥器任一确定部位的空气和物料状态不随时间而变，故应承受欧拉考虑法，在垂直于气流运动方向上取一设备微元 dV 作为考察对象。枯燥过程是气、固两相的热、质同时传递过程，所以对过程设备进展数学描述 时，必需列出物料衡算式、热量衡算式、气固相际传热及传质速率方程式，气固相界面参数还与物料内部的导热和集中状况有关，其确定将变得格外简单。固此还必需同时列出物料内部的传热、传质速率方程式。物料内部的
11、传热、传质与物料的内部构造、水分与固体的结合方式、物料层得厚度等众多因素有关，要定量地写出这两个特征方程式是格外困难的。枯燥问题之所以至今得不到较圆满的解决，缘由之一就在于物料内部的传递过程难以弄清。以下首先对枯燥过程作物料和热量衡算，然后对枯燥过程作出简化，列出传热、传质速率方程，计算设备容积。14.3.4 枯燥过程的物料衡算与热量衡算P342 图 14-21，物料、热量衡算是确定空气用量分析枯燥过程的热效率以及计算枯燥容积的根底。（1） 物料衡算W=Gc(X1-X2)=V(H2-H1)H1=H0 空气在预热器中加热，H 不变有时物料的含水量习惯上以湿基含水量 w 表示，w 与干基含水量的关
12、系为w1w2，X2=，Gc=G1(1-w1)=G2(1-w2) X1=1-w11-w2w-w2，或 W=Gc(X1-X2)，Gc、X1、X2 用上式求。 W=G1-G2=G111-w2 WW V=H1-H2H2-H0H0 ，W 可求出，求 V 关键在于确定出枯燥器空气湿度 H2，必需用后面的干燥器热量衡算结合才能确定 H2。实际空气颖空气质量流量 V”(kg 湿空气/s)=V(1+H0)空气必需用风机输送，风机的风量 V”m3 湿空气/s273+t101.3V”=VvH=V(0.773+1.244H)273p上式中 t、H 是风机所在位置空气 t、H，风机在装在预热器前，预热器后，甚至枯燥器后
13、。（2） 预热器的热量衡算Qp=V(I1-I0)=VcpH1(t1-t0) I1=(1.01+1.88H1)t1+2500H1 I0=(1.01+1.88H0)t0+2500H0H1=H0，cpH1=cpH0（3） 枯燥器的热量衡算VI1+Gccpm11+QD=VI2+GcCpM22+Qlcpm=cps+cplX（4） 物料衡算与热量衡算的联立求解在设计型问题中，Gc、1、X1、X2 是枯燥任务规定的，而 H1=H0 由空气初始状态打算，Ql 可按传热公式求或取 Q=(0.050.10)Qp。2 是枯燥后期气固两相及物料内部热、质传递的必定结果，不- 5 - 5福州大学化工原理电子教案 固体枯
14、燥能任意选择，应在肯定条件下由试验测出或按阅历推断确定如式14-32确定2。气体进入枯燥器的温度 t1 可以选定。这样，枯燥过程的物料和热量衡算常遇到以下两种状况：选择气体出枯燥器的状态如 t2 及 2，求 V 及 QD；选定 QD如很多枯燥器 QD=0，即不补充热量及气体出枯燥器状态的一个参数H2、2、t2 中的一个，求出 V 及另一个气体出口参数如 H2。第种状况出口空气状态已确定，热衡及物衡简便。在第种状况下，由于出口气状态参数之一是未知数，联立物衡和热衡方程式的计算比较繁琐，因而常对过程作出简化，以便于初步估算。（5） 抱负枯燥器过程的物料和热量衡算假设物料中的水分都在恒速段外表汽化段
15、除取物料的升温很小 12，Ql0， QD=0，此时枯燥器内气体传给固体的热量全部用于汽化水分，这局部热量潜热又由汽化后的水汽带回气相，由热量衡算式14-38可知 I1=I2，气体在枯燥器中的状态变化为等焓过程，这种简化的枯燥过程称为抱负枯燥过程或等焓枯燥、绝热枯燥过程。计算方法有以下几种：图解法 t2 或 2 均可用沿等 H 线 At0，H0 沿等 I 线 Bt1，H1=H0 至 Ct2，或 2 确定c 后 H2 可查出V=解析法 t2 时用 W，Qp=VcpH(t1-t0) 1H2-H0 I2=I1 (1.01+1.88H2)t2+2500H2=(1.01+1.88H1)t1+2500H1上
16、式中只有一个未知数 H2 可求出，然后再求 V，Qp数值法 2 时用，可计算求出 H2（6） 实际枯燥过程的物料和热量衡算等焓抱负、绝热枯燥过程，空气再枯燥器状态变化沿着等焓线 BC 变化至 C点C 点确实定前面已争论。假设枯燥器不补充热量 QD=0 或补充的 QDGc(cpm22-cpm11)+Ql，则空气在枯燥器中状态变化沿 BE 线变化至 D，I2I1，假设规定 t2 一样，则 D 点 H2Gc(cpm22-cpm11)+Ql，则空气在枯燥器中状态变化沿 BE 线变化 E， I2I1，假设 t2 一样，则 E 点 H2C 点 H2，V。实际枯燥过程气体出枯燥器的状态由物料衡算式14-33
17、和热量衡算式14- 38联立求解打算，即W H2-H0VI1+Gccpm11+QD=VI2+Gccpm22+Ql V=I2=(1.01+1.88H2)t2+2500H2联立解出 H2 及 V。14.3.5 枯燥过程的热效率- 6 - 6福州大学化工原理电子教案 固体枯燥（1） 空气在枯燥器中放出热量的分析V(I1-I2)=Gccpm22-Gccpm11+Ql-QD I1=(1.01+1.88H1)t1+2500H1=cpH1t1+r0H1 I2=(1.01+1.88H2)t2+2500H2W+H1 由于 H2=V W W所以 I2= 1.01+1.88 +H1 t2+r0 +H1V VW(1.
18、88t2+r0) =cpH1t2+r0H1+VV(I1-I2)=VcpH1(t1-t2)-W(cpVt2+r0)Gccpm11=Gc(cps+cpLX1)1=Gc(cps+cpLX2-cpLX2+cpLX1)1=Gccpm21+Gc(X1-X2)cpL1=Gccpm21+WcpL1 Gccpm22-Gccpm11=Gccpm2(2-1)-WcpL1所以 VcpH1(t1-t2)=Wr0+cpVt2-cpL1+Gccpm2(2-1)+Ql-QD空气在预热器中所获得的热量 Qp 为Qp=VcpH1(t1-t0)=VcpH1(t1-t2)+VcpH1(t2-t0) Qp+QD=Q1+Q2+Q3+Ql
19、（2） 枯燥器的热效率 枯燥过程中热量的有效利用程度是打算过程经济性的重要方面。由上式可知空气在预热器及枯燥器中参加的热量 Qp+QD 消耗于四个方面，其中 Q1 直接用于枯燥的目的，Q2 是为了到达规定的含水量利用经济性可用如下定义的热效率 来表示=Q1+Q2 Qp+QD1，表示枯燥过程热利用程度越高，经济性越好。假设 QD=0，Ql=0等焓、抱负、绝热枯燥， 则=（3） 提高 的措施Q1+Q2VcpH1(t1-t2)t1-t2=Qp+QDVcpH1t2-t0t1-t0 降低废气的温度 t2。t2，但枯燥速率 NA，设备容器 V。另一方面t2 不能过低以至接近饱和状态，这样，气流易在设备及管
20、道出口处散热而析出水滴，将使已枯燥的产品返潮。且易造成管路的堵塞和设备材料的腐蚀。通常为安全起见，t2=tw,1+2050判别枯燥产品能否返潮可用下述方法： pVpS 会返潮 提高空气的预热温度 t1。t1，I1，V，Qp=V(I1-I0)，对肯定 Qp，I1，V， 废气带走的热量 Q3，。但 t1除受热源能位的限制外还应以物料不致在高温下受热破坏为限。对不能经受高温的物料，承受中间加热的方式，即在枯燥器内设置一个或多个中间加热器，此法往往可以避开进入- 7 -福州大学化工原理电子教案 固体枯燥枯燥器的空气要预热到很高的温度保证产品的质量，由于空气温度比不设中间加热器的枯燥器内空气温度低，热损
21、失 Ql，。 削减枯燥过程的各项热损失a. 做好枯燥设备和管道的保温工作，Ql，Qp+QD，。最正确保温层厚度。 b. 防止枯燥系统的渗透。枯燥系统如有热风漏出或有冷风漏入，均使枯燥器热效率 ，为防止系统渗漏，一个比较适合的方法就是送风机在枯燥系统之前，而吸风机在系统之末，经合理选用与调整两个风机的工作点，以使在操作时保持枯燥器正好处于零压状态，这样就可以避开因冷风漏入或热风漏出所造成的 。承受局部废气循环操作 Vm-V 循环废气中绝干空气质量 =Vm 混合气中绝干空气质量V 循环量：VR=Vm-V，=1- Vm混合前后总物料衡算：V+(Vm-V)=Vm 水分衡算：VH0+(Vm-V)H2=V
22、mHmV-VV Hm=H0+mH2 VmVm=(1-)H0+H2焓衡算：Im=(1-)I0+I2I-2500Hm 混合气温度：tm=m 1.01+1.88HmI-2500HmI-2500Hm 预热后空气温度：t1=1 =2 1.01+1.88Hm1.01+1.88Hm 定义：循环比：=假设空气始态A 点与终态C 点一样，无废气循环需加热到 t1”B点，有废气循环只需将混合气加热到 t1B 点，因此有废气循环时空气在枯燥器内平均温度低，Ql，；平均 t 低对易受热分解的物料枯燥有利这种物料的枯燥要求空气在整个枯燥器中温度变化不大的状况下进展；有废气循环时空气在枯燥器内的平均湿度大，对易发生翘曲或
23、干裂的物料枯燥有利这种物料宜承受湿度较高的空气枯燥t、H使枯燥推动力减小，但由于循环，空气流量VVm，u，kH会补偿推动力减小；缺点：风机送风量，风机能耗。始、终态一样时，有废气循环与无废气循环时绝干空气消耗量 V 及预热器加热量Qp 有无转变。 W，Qp=V(I1-I0)假设为等焓枯燥 I1=I2 H2-H0W 方法二：V=(1-)Vm=(1-) H2-HmQp=Vm(I1-Im)假设为等焓枯燥 I1=I2 方法一：V=两种解的结果肯定相等，但方法简便，空气始、终态不变有无循环 V、Qp 不变此时混合气只需预热到 t1B 点；假设混合器也预热到无废气循环时的 t1”，则出口状态变为 C，V、
24、Qp 均变；假设始、终态不变，改为先预热后混合，Qp 与先混合后预热时一样，但颖空气要预热到 t1”B点与废气混合后为 B 点进入枯燥器，需要能位较高的热源，故一般说来，先混合后预热更为经济合理。14.3.6 连续枯燥过程设备容积的计算方法- 8 - 8福州大学化工原理电子教案 固体枯燥（1） 抱负枯燥过程抱负：水分全部在恒速段除去，物料升温很小 12，Ql0，QD=0。VcpH(t1-t2)Q V=atmatm式中 对流给热系数，w/m2a 单位体积设备的气固传热面积，m2/m3 a体积给热系数，w/m3（2） 实际枯燥过程各段 Qi，tm,i，不同t(t-1)-(t2-2)m=1ln 11t2-2V=V1+V11+V111- 9 - 9