干燥速率与干燥过程计算.docx
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干燥速率与干燥过程计算
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
(1)干燥动力学实验
b干媒遵率曲线
圈1412恒定空气条件下的干煥试验
物料的干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,
刖GcdX
即Na—
Ad
式中Gc――试样中绝对干燥物料的质量,
A――试样暴露于气流中的表面积,
X――物料的自由含水量,X
干燥曲线或干燥速率曲线是恒定的空气条件(指一定的速率、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
闺1;t"怖饭束的f噪球率Hit録
(2)恒速干燥阶段BC
(3)降速干燥阶段CD
在降速阶段干燥速率的变化规律与物料性质及其内部结构有关。
降速的原因大致有如下四个。
1实际汽化表面减少;
2汽化面的内移;
3平衡蒸汽压下降;
4固体内部水分的扩散极慢。
(4)临界含水量
固体物料在恒速干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)干燥操作对物料性状的影响
1432间歇干燥过程的计算
Rep
dpU
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。
下曲輕朋刊「
I[[
J
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一
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h一穿过床层「
1
&甫W粒
图14-16
V漁导物料Hffl灯运动厅成
14.322降速阶段的干燥时间2
r*
当XXc时,XJ,Na此阶段称为降速干燥阶段,物料从Xc减至X2(X2X)所需时
间2为
GcX2dX
AXcNA
若有NA~X的干燥数据可用数值积分法或图解积分法求
当X*0时此式还原为教材式(14-30)。
将Na,cKc(XcX*)代入1的表达式(14-20)得
GcX1Xc
AKxXcX*
Gc八Xc.XcX
(:
rIn*
AKxXcXX2X
&Xcln竺X
XcXX2X
解题指南P367例17-9
例17-9某干燥过程干燥介质温度为363K,湿球温度307K,物料初始干基含水率为0.45,当干燥了
2.5h后,物料干基含水率为0.15,已知物料临界含水率、平衡含水率分别为0.2、0.04,试求:
(1)将物料
干燥至X20.1需要多少干燥时间;
(2)将物料干燥至X20.1且干燥时间仍维持在2.5h,将空气温度
提高到373K(湿球温度为310K),其他条件包括空气流速保持不变,能否达到要求。
2
附:
恒速段的传热速率方程:
NuCRe0.5—,C为常数,T、Tw单位为K。
解:
(1)根据题意,这是一个恒定干燥条件下干燥时间的计算问题。
:
X2Xc;•••干燥过程包括恒速段与降速段,在恒定干燥条件下,干燥时间可用下式计算:
14.3.3连续干燥过程的一般特性
有并流、逆流、错流流程及其他复杂的流程
(1)连续干燥过程的特点
以并流连续干燥为例,P341图14-20
注意:
连续干燥降速段NaKx(XX*)
(2)连续干燥过程的数学描述
为定态过程,设备中的湿空气与物料状态沿流动途径不断变化,但流经干燥器任一确定部位的空气和
物料状态不随时间而变,故应采用欧拉考虑法,在垂直于气流运动方向上取一设备微元dV作为考察对象。
干燥过程是气、固两相的热、质同时传递过程,所以对过程设备进行数学描述时,必须列出物料衡算式、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扩散情况有关,
其确定将变得十分复杂。
固此还必须同时列出物料内部的传热、传质速率方程式。
物料内部的传热、传质与物料的内部结构、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非常困难的。
干燥问题之所以至今得不到较圆满的解决,原因之一就在于物料内部的传递过程难以弄清。
以下首先对干燥过程作物料和热量衡算,然后对干燥过程作出简化,列出传热、传质速率方程,计算设备容积。
1434干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干燥过程的热效率以及计算干燥容积的基础。
(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与干基含水量的关系为
w1
w2
X1
/,
X22,
Gc
G1(1w1)
G2(1w2)
1w1
1w2
W
G1G2
W1W2
G1
或W
Gc(X1
X2),Gc、X1、X2用上式求。
1w2
W
W
V
H1H2
H2H0
H°已知,W可求出,求V关键在于确定出干燥器空气湿度H2,必须用后面的干燥器热量衡算结合
才能确定H2。
实际空气(新鲜空气)质量流量V'(kg湿空气/s)V(1H°)
空气必须用风机输送,风机的风量V''(m3湿空气/s)
273t1013
V''VvHV(0.7731.244H)-
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,甚至干燥器后。
(3)干燥器的热量衡算
(2)预热器的热量衡算
Qp
V(I1
I0)VcpH
1(t1t0)
I1
(1.01
1.88H1)t1
2500H1
0
(1.01
1.88H°)t°
2500H0
H1
H0,cpH1
CpH°
VI1GcCpm11QDVI2GcCpM22Ql
CpmCpsCplX
(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是干燥任务规定的,而H1H。
由空气初始状态决定,Qi可
按传热公式求或取Q(0.05~0.10)Qp。
2是干燥后期气固两相及物料内部热、质传递的必然结果,不
能任意选择,应在一定条件下由实验测出或按经验判断确定(如式(14-32)确定2)。
气体进入干燥器的
温度1可以选定。
这样,干燥过程的物料和热量衡算常遇到以下两种情况:
1选择气体出干燥器的状态(如t2及2),求V及QD;
2选定Qd(如许多干燥器Qd0,即不补充热量)及气体出干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①种情况出口空气状态已确定,热衡及物衡简便。
在第②种情况下,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)理想干燥器过程的物料和热量衡算
若物料中的水分都在恒速段(表面汽化段)除取物料的升温很小12,Q|0,QD0,此时
干燥器内气体传给固体的热量全部用于汽化水分,这部分热量(潜热)又由汽化后的水汽带回气相,由热量衡算式(14-38)可知IiI2,气体在干燥器中的状态变化为等焓过程,这种简化的干燥过程称为理想干燥过程(或等焓干燥、绝热干燥过程)。
计算方法有以下几种:
①图解法(已知t2或2均可用)
沿等H线沿等I线
A(to,H0)B(ti,HiH0)至C(t2,或2)
确定C后H2可查出
QpVCpH1(t1t0)
②解析法(已知t2时用)
联立解出H2及V。
14.3.5干燥过程的热效率
(1)空气在干燥器中放出热量的分析
V(I112)GcCpm22GcCpmi1QlQD
I,(1.011.88H1)t12500H1cpHlt1r0H1
干燥过程中热量的有效利用程度是决定过程经济性的重要方面。
由上式可知空气在预热器及干燥器中
经济性可用如下定义的热效率来表示
Q1Q2
QpQd
0(等焓、理想、绝热干燥)
1,f表示干燥过程热利用程度越高,经济性越好。
若Qd0,Qi
则
Q1Q2VcpH1t1t2t1t2
QpQDVcpH1t2t0t1t0
(3)提高的措施
1降低废气的温度t2。
tzJ,f,但干燥速率NaJ,f,设备容器Vf。
另一方面t2不能过
低以至接近饱和状态,这样,气流易在设备及管道出口处散热而析出水滴,将使已干燥的产品返潮。
且易
造成管路的堵塞和设备材料的腐蚀。
通常为安全起见,
t2tw,1(20~50°C)
判别干燥产品能否返潮可用下述方法:
PvPs不会返潮,PvPs会返潮
2提高空气的预热温度t1。
t1f,I1f,VJ,QpVI1I0,对一定Qp,I1f,VJ,废气
带走的热量QJ,f。
但t1f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,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,此法往往可以避免进入
干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干燥器内空气
温度低,热损失Q|J,f。
3减少干燥过程的各项热损失
a.做好干燥设备和管道的保温工作,QiJ,QpQdJ,f。
最佳保温层厚度。
b.防止干燥系统的渗透。
干燥系统如有热风漏出或有冷风漏入,均使干燥器热效率J,为防止系统
渗漏,一个比较适合的方法就是送风机在干燥系统之前,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,以使在操作时保持干燥器正好处于零压状态,这样就可以避免因冷风漏入或热风漏出所造成的J。
4
采用部分废气循环操作
气加热到t1(B点),因此有废气循环时空气在干燥器内平均温度低,
解的物料干燥有利(这种物料的干燥要求空气在整个干燥器中温度变化不大的情况下进行)时空气在干燥器内的平均湿度大,对易发生翘曲或干裂的物料干燥有利(这种物料宜采用湿度较高的空气
干燥)tJ、Hf使干燥推动力减小,但由于循环,空气流量f(VVm),uf,f,kHJ会补偿
推动力减小;缺点:
风机送风量f,风机能耗f。
始、终态相同时,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有无改变。
方法一:
W
V,QpV(l11。
)(若为等焓干燥丨1丨2)
H2H0p
方法二:
W
V
(1)Vm
(1)
H2Hm
QpVm(l1Im)(若为等焓干燥丨1I2)
两种解的结果一定相等,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t1(b点);若混合器也预热到无废气循环时的tr,则出口状态变为c'v、Qp均变;若始、终态
不变,改为先预热后混合,Qp与先混合后预热时相同,但新鲜空气要预热到t「(B'点)与废气混合后为
B点进入干燥器,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连续干燥过程设备容积的计算方法
(1)理想干燥过程
理想:
水分全部在恒速段除去,物料升温很小
12,Q|0,QD
QVCpH(tit2)
atmatm
式中
对流给热系数,w/m2?
C
a――单位体积设备的气固传热面积,m2/m3
a体积给热系数,w/m3?
C
(2)实际干燥过程
tm
(t11)(t22)
In
各段Qi,tm,i,不同
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