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化工原理干燥教案
干燥概述和湿空气的性质
教案容
备注*
一.教学目的
教材:
谭天
1.了解几种干燥方式和干燥在化工生产中的应用
恩等编著
2.掌握湿空气的各个参数的计算方法
《化工原
二.教学内容
理》第三版
干燥概念和分类、空气中的水蒸气分压、空气的湿含量、相对湿度、湿空
上册2006
气的焙和湿质量热容、湿比容、干球温度、湿球温度。
教学重点、难点及
参考书:
其处理
姚玉英编
1.重点
著《化工原
湿空气的各个参数的计算方法
理》新版
2.难点及其处理方法
2003年
空气的湿球温度
王志魁主
三.教学方法、手段
编《化工
讲解、实物演示、照片、动画
原理》第二
四.板式设计
版2003年
刘佩茹编
第0节干燥概述
著
一、干燥定义
《化工过
在化工生产中,一些固体物料可能混有大量的湿分,将湿分从物料中
程与设备》
去除的过程,称为去湿。
去湿的分类:
机械去湿:
用机械方法去湿。
(省能。
)
热能去湿(即:
干燥):
借热能汽化物料中湿分的单元操作(差能!
)
二、干燥分类
根据供热方式不同,干燥可分为以下四种情况:
对流干燥:
干燥介质(通常長空气)与湿物料直接接触,以对流方式
加热湿物料,使湿分(水分)汽化,并带走所产生蒸汽。
传导干燥:
热能通过壁面以传导方式加热物料。
辐射干燥:
热能以电磁波的形式传到湿物料。
介电加热干燥:
将湿物料置于高频电场内,使其被加热。
三、干燥目的
便于贮存运输
满足工艺要求
四、干燥实例
请同学们结合自己专业举例。
第一节湿空气的性质与湿度图
一、湿空气的性质
(一)水分含量
1.湿度(湿含量)H
定义:
湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气质量之比。
2.水汽分压几
几与H关系:
H=-=0.622/?
w
29伟P-pw
当湿空气中水蒸汽分压几恰好等于同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压
心时,则表明湿空气达到饱和,此时的湿度H为饱和湿度丹:
比=0.622
P-Ps
3.相对湿度
定义:
在一定温度及总压下,湿空气的水汽分压几与同温度下水的饱和蒸汽压之比:
0=厶1><100%
Ps
当0=1时:
几二几,湿空气达饱和,不可作为干燥介质;
当0〈1时:
几Y几,湿空气未达饱和,可作为干燥介质。
0越小,湿空气偏离饱和程度越远,干燥能力越大。
思考:
/增加,H,几,0如何变化?
相对湿度0与湿度〃的关系:
H=0.622吧
P-叫
【例13-1,2】湿空气中水的蒸汽分压^=17.5mmHg,总压P=760mmHg,求
⑴日;
(2)30°C时的相对湿度(p;
(3)若空气分别被加热到50&C和70°C,求卩值。
(二)焙和热容
湿比热(湿热)c//[kJ/kg干气•U
定义:
在常压下,将lkg干空气和其所带有的"kg水汽升髙温度1工所需的热量。
cH=ca+cwH=1.01+1.88/7=f(H)
干空气比热=1.01kJ/kg干气•£
水汽比热=1.88kJ/kg水汽•°C
恰(热含量)/[kJ/kg干气]
定义:
干空气焙+水汽焙/kg干空气。
计算基准:
以LC干空气及0工液态水的焙值为0作基准。
/=(0°C水(rcA>/°C汽热量]+[0°C气•址》广C气热量]
I=2492H+(1.01+1.88H)/=心H+切/
(三)湿空气的比容(湿比容)u〃[m3湿空气/畑干气]
定义:
每单位质量绝干空气中所具有的湿空气(绝干空气和水蒸汽)的总体积。
22.41273+/273+r
u=x=0.773x
"29273273
22.41273+rt^AA273+t
=x=1.244
18273273
u〃=(0.773+1.244/7)^1^=f(Hj)
另一关系:
(四)温度类性质
1.干球温度t
干球温度广是用普通温度计测得的湿空气的真实温度。
2.湿球温度儿
湿球温度计:
温度计的感温球用纱布包裹,纱布用水保持湿润,这支温度计为湿球温度计。
湿球温度(5):
湿球温度计在温度为t.湿度为〃的空气流中,在绝热条件下达到稳定时所显示的温度。
不饱和空气的湿球温度人低于干球温度
干
式中:
a:
空气至湿纱布的对流传热系数,W/m2-°C;匕:
以湿度差为推动力的传质系数,kg/m2-s-AH;心:
水在湿球温度怙时的汽化潜热,kJ/kg水;比:
湿空气在温度为如下的饱和湿度,kg水/kg干气;空气的湿度,kg水/kg干气。
由以上关系,显然有:
心=/(人日)
5.思考题
6.作业
13-1,13-2
(1)-(4)
第二授课单元
空气的湿度图
备注*
教案容
1.教学目的
1.绝热饱和温度、靂点温度
2.熟悉空气湿度图的绘制方法
3.掌握空气湿度图的用法
2.教学内容
绝热饱和温度、藤点温度;空气湿度图的绘制、空气湿度图的用法
3.教学重点、难点及其处理
1.重点
空气湿度图的用法
2.难点及其处理方法
空气湿度图的绘制、某些用法
4.教学方法、手段
讲解、练习
5.板式设计
第一节湿空气的性质与湿度图(续)
一、湿空气的性质(续)
3.绝热饱和温度G
定义:
空气绝热增湿至饱和时的温度。
绝热饱和器工作原理分析:
经过以上分析可知,在空气绝热增湿过程中,空气失去的显热与汽化水分的潜热相等。
%_H_J
—N
5
ros:
S温度下水的汽化潜热,kJ/kg水;仏S:
空气的绝热饱和湿度,kg水/畑干气;
CH:
湿空气的比热,kJ/kg干气•°C
心与G数值上的差异取决于q/Ah与e两者之的差别。
H「H
fas
H厂H_a人一/匕G
,一,也L(HH)
a对比:
空气一水体系,匕
空气一甲苯体系,匕>切
4.
露点温度_
(0=1)时的温度。
湿度〃与露点-的关系:
2片心
几:
°下的饱和蒸汽压。
二、空气的湿度图及其应用
图示空气的湿度图的绘制和用法(图13-3,13-4,13-5)
相律:
F=r-0+2=3=2;知道2个量可求其他量。
方T图五条线:
1.等〃线;2.等十线;3.等卩线;(*)4.等tos(tw){^5.饰线。
等①线之做法
H=0.622恥
P-(PP,
某①(如0・5):
任意r■>查PS今可得关系并画图。
等tas线做法:
H/H_s
ras
5十亘g厂H)
CH
某G:
G今查°,P”(%),->可得/—H关系并作图线。
【例】在总压为101・3kpa下,空气的温度为20°C,湿度为0.01kg水/kg
干气。
试求:
1.0、SS
2.总压P与湿度〃不变,将空气温度提高至5(TC时的0;
3.温度十与湿度〃不变,将空气总压提高至120kPa时的0;
结合湿度图,请同学们在课堂上讨论此题。
6.思考题
7.作业13・2(5),13-3,13-4,13-9
第三授课单元
空气干燥器的热量衡算和空气出口状态的确定
备注*
教案容
1.教学目的
1.熟悉空气干燥器的热量衡算和干燥过程的图示
2.掌握空气干燥器的热效率和等焙干燥过程的计算
2.教学内容
空气干燥器的物料、热量衡算、热效率、理想干燥、非理想干燥、干燥过程的图示
3.教学重点、难点及其处理
1.重点
等焙干燥过程的热量衡算和空气出口状态的确定
2.难点及其处理方法
热量衡算的能量去向。
采用图示解决此难点。
4.教学方法、手段
讲解为主
5.板式设计
第二节干燥过程的物料衡算与热量衡算
连续干燥过程:
1—进料口;2—干燥室;3—卸料口;I*风机;5、气加热器
一、湿物料中含水率的表示方法
(一)湿基含水率
(二)干基含水率
两种含水率之间的换算关系:
co=X=
1+X,\-co
二、物料衡算
求解:
干燥介质用量,蒸发的水分量等
蒸发的水分童:
w=g{-g2
=gc(x.-x2)
—Hq),Gc=G【(l-an)=G?
(/—fix?
)
绝干空气用量:
比干空气用量:
H2-Hq
二、热量衡算
G2,w2+W
0p+0d二厶(丿2】0)+G2CM2(/nZm1)WcA/ihii+0]
(一)热量衡算
进
出
Lio
(注:
I=cHt+r0H)
li2
G2CM2tMl
(注:
(rc物料焙为o)
G2CM2tM2
WqtMi
(注:
(rc液态水焰为0)
Qp
Qd
(最后两项为”支付”热)
Qi
由上列衡算表得:
另一表示法:
Qp+Qd=厶切°“2-5)+闪[(1-88r2+2492)-c/w」
+^2CmS!
m.~%)+Ql
加入干燥系统的全部能量有四个用途:
加热空气、蒸发水分、加热物料和热损失。
(二)干燥设备的热效率
蒸发水分所需的热量0(化J。
。
翅
输入干燥设备的总热量Q7
思考:
一般,—30〜60%;那么,损失到哪里去了?
如何减小损失,提高热效率?
(用上图)
影响热效率的因素:
弘提高、。
提高、0降低,则〃提高。
此外,尽量利用废气中的热量,例如用废气预热冷空气或湿物料,或将废气循环使用,也将有助于热效率的提高。
(三)理想干燥过程和实际干燥过程
理想干燥过程(又称等皓干燥过程)
u]++Qd=LJ2+G2cM2tM2+Qf
若Gg%+Qd=G2cAf2tM2+Q,
通常。
d=o、0=o、物料带进、带出的热量均可忽略不计。
故有h=【2
实际干燥过程
(1)/2>/1
(2)Ii 上图为干燥过程的图示。 BC、BC\BC"各线斜率的确定: 针对蒸发的每lkg水作物料衡算: G. 人)=曲+久-而%2(切2-切J-% ill: G. S帚皿2-切1)+% 则有: H二+%_》§=△ 将人=切山+詔丿=切心+詔2(C〃2«伽)代入上式得 -齐)+心(丹2-HJ H? —H\ =认】+%_»/=△ G_Z1_f-f\—一心+△ 所以斜率: H? -H\H-H{cln 据此可作出BC,等线。 由该线可确定干燥介质出口状态。 6.思考题 7.作业 第四授课单元 水分在空气与物料间的平衡关系和恒定干燥条件下的干燥速度 教案容 备注* 1.教学目的 1.了解各种形式的干燥器及其适用场合 2.掌握水分在空气与物料间的平衡关系,恒定干燥条件下干燥速度曲线,恒速阶段与降速阶段的特征,恒定干燥条件下恒速阶段和降速阶段干燥时间的计算 2.教学內容 平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分、恒定干燥条件、千燥速度曲线、恒速阶段、降速阶段、临界水分、恒定干燥条件下恒速阶段和降速阶段干燥时间的计算、各种形式的干燥器 3.教学重点、难点及其处理 1.重点 平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分的划分;恒定干燥条件下的干燥速度曲线;恒速阶段与降速阶段的特征和干燥时间的计•算 2.难点及其处理方法 4.教学方法、手段 讲解 5.板式设计 第三节干燥速度与干燥时间 一、水分在空气与物料间的平衡关系 (一)平衡水分与自由水分 平衡水分(筋)一一不能用干燥方法除去的水分。 於=f(物料种类、空气性质) 不吸水物料的x•小・0TTxr 自由水分(*一筋)一一可用干燥方法除去的那部分水分。 X_X* 【例】在常压259下,水分在ZnO与空气间的平衡关系为: 相对湿度0=100%-,平衡含水量A*=0.02kg水/kg干料 相对湿度0=40%,平衡含水量於=0.007kg水/kg干料 现ZnO的含水量为0.025kg水/kg干料,令其与259,0=40%的空气 接触,求物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。 0-03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0204060 相对湿度/、 (二)结合水分与非结合水分 结合水分一一水与物料结合力强,<几。 非结合水分一一水与物料结合力弱,內,=几。 结合水分与非结合水分只与物料的性质有关,而与空气的状态无关,这是与平衡水分的主要区别。 平衡水分一定是结合水分。 二、恒定干燥条件下的干燥速度 恒定干燥条件: 空气的温度、湿度、流速及与物料接触方式不变。 (大量空气,少量物料) (0)干燥速度定义 ——单位时间、单位干燥面积汽化水分量。 ,竺U一込 Ad&,即AdO[kg水/m? ・s] (一)干燥曲线及干燥速度曲线 干燥曲线——用于描述物料含水量X、干燥时间〃及物料表面温度t之间的关系曲线。 恒定干燥条件下物料的干燥实脸曲线 干燥速度曲线--干燥速度与物料含水量的关系 ABC段: 恒速干燥阶段 AB段: 预热段 BC段: 恒速段 CDE段: 降速干燥阶段 C点: 临界点 XC: 临界含水量 E点: 平衡点 X*: 平衡水分 (二)恒速干燥阶段 前提条件: 物料表面全部润湿。 汽化速率(传质速率): G“・=kJH“—H)=U 传热速率: °=创(/_心)=6“人匚 U=—=^n(//w~H) 所以: 心 同条件下,各种物料,恒速阶段,速度接近。 恒速干燥特点: 1.u=〃c=Const. 2.物料表面温度为2(绝热干燥时) 3.去除的水分为非结合水分 4.影响U的因素: 恒速干燥阶段——表面汽化控制阶段 主要与空气的条件有关,而与物料种类关系不大 h-H)T,"T->a1\褊T 则: ucT(U? ) (三)降速干燥阶段 实际汽化表面减小,汽化面内移 降速干燥阶段特点: j处Txm 2.物料表面温度,绻农>心 3.除去的水分为非结合、结合水分 4.影响U的因素: 与物料种类、尺寸、形状有关,与空气条件关系不大。 (四)临界含水量XC Xc=/(物料结构、厚度、分散程度、空气状态) 1.物料层越薄,Xc越低 2.恒速干燥uc越大,Xc越高。 回顾影响Uc因素: /,“一定,//TtXcJ,UcIc t,HuxcT,x•不变,67cTo 三、恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间c u—込 由干燥速率定义式: A AU Jo比AU 对于恒速干燥: U=Uc=const. G=-^J(X|-Xc) 1AUC1c U的来源: (1)山干燥速率曲线查得 用Uc=-(t-t^=ku(H,-H)计算 ⑵心 求取a经验关联式: (a)气体流动方向与物料平行 a=0.0204G°8,G为质量流速,kg/m2hr (b)气体流动方向与物料垂直: a=1.17G037,G为质量流速,kg/m2hr 四、恒定干燥条件下降速阶段干燥时间 当X (―)图解积分法(了解) (二)近似计算法(重点) Y_V* &=「Gcdx -抵AU(X) -AUCX2-X¥ 6.思考题 补充思考: 影响恒速阶段干燥速率的因素有那些? 恒速阶段除去的是什么水分? 降速阶段除去的是什么水分? 影响临界含水量大小的因素有那些? 7.作业 第五授课单元 干燥时间计算 教案容 备注* 一.教学目的 1.了解各种形式的干燥器及其适用场合 2.掌握水分在空气与物料间的平衡关系,恒速阶段与降速阶段的特征, 恒定干燥条件下恒速阶段和降速阶段干燥时间的计算 二.教学内容 恒速阶段、降速阶段、临界水分、恒定干燥条件下恒速阶段和降速阶段干 燥时间的计算、各种形式的干燥器 三.教学重点、难点及其处理 1.重点 恒速阶段与降速阶段的特征和干燥时间的计算 2.难点及其处理方法 四.教学方法、手段 讲解 恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间c u—込 由干燥速率定义式: AdO "G&X =一一 AU Sx Jo 对于恒速干燥: 〃=Uc=const. AUC U的来源: (1)由干燥速率曲线査得 用Uc=-(t-tJ=kll(H^-H)计算 ⑵几 求取a经验关联式: (a)气体流动方向与物料平行 a=0.0204G°8,G为质量流速,kg/m2hr (b)气体流动方向与物料垂直: a=1•17G"",G为质量流速,kg/m2hr 恒定干燥条件下降速阶段干燥时间 当X (-)图解积分法(了解) (二)近似计算法(重点) U(X)=UCr 仇=fA -凡AU(X) e_Gc(Xc-X%Xc-对 2AUCX2-X¥ 5.思考题 补充思考: 影响恒速阶段干燥速率的因素有那些? 恒速阶段除去的長什么水分? 降速阶段除去的是什么水分? 影响临界含水量大小的因素有那些? 6.作业 第六授课单元 干燥设备 教案容 备注 1.教学目的 熟悉常用干燥设备 2.教学内容 常用干燥器的结构、适用场合、优缺点 3.教学重点、难点及其处理 学生对实际设备了解不多,可结合图形、动画、参观有关实验设备来讲解。 4.教学方法、手段 讲解、照片、动画、实验设备之参观 5.板式设计 第四节干燥器 一、概述 干燥设备所处理固体物料(相对于液/气体物料)的多样性: 形状多样: 块、粒、粉、丝、片; 性质多样: 多孔/无孔,粘结与否,收缩与否,变形/龟裂与否,变质(腐败)与否,……軽。 固体物料的上述多样性,直接决定了干燥设备的多样性。 下面介绍常见的一些干燥器。 优点: 对物料的适应性強。 缺点: 物料得不到分散,干燥速率低,热利用率较差、且产品质量不均匀。 产量不大。 注: 间歇操作。 三、洞道式干燥器 适用场合: 处理量大、干燥时间长的物料优、缺点: 同厢式干燥器 注: 连续或半连续 六、沸腾床干燥器(乂常称流化床干燥器) 适用范圉: 主要用于干燥晶体和小颗粒物料 优点: 气、固接触良好,传热传质速度快,床内温度均匀,固体可“流动”(容易连续化)。 优点: 雾低小、因而干燥面积极大,因此干燥快、适合热敏物料的干燥。 可山液体直接获得粉装固体产品一省去蒸发、结晶、粉碎等操作。 避免干燥过程中粉尘飞扬现象。 实现连续化、自动化。 缺点: 体积大、耗热多。
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