第八章干燥四、干燥的能量衡算

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烘干过程及加热量计算

目标煤矸石处理量13.889t/h ，设计计算时取14000kg/h 。

烘干操作单元1.设备选用规格为m m 154.2⨯φ的回转烘干机，将煤矸石的含水率由17.42%烘干至1%。

预热器将温度为20℃，湿度为0.007干气kg kg /的空气加热到210℃后通入干燥器中，风速设为4m/s ，废气出口温度设为130℃。

20℃的湿物料以14000kg/h 速率进入干燥器，出口温度为120℃。

2.计算（1）物料衡算①烘干机生产能力：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⨯=1210100100W W W VA Q 式中：Q——烘干机生产能力（含终水分），)/(3h m kg ⋅水；A 0——烘干机水分蒸发强度（设计指标），)/(3h m kg ⋅水；W 1，W 2——物料被烘干前后的含水率，%。

查得该规格回转烘干机单位容积蒸发强度)/(968.3530h m kg A ⋅=水，烘干机体积322824.67154.244m L D V =⨯⨯==ππ所以)/(688.12242.17100142.17100824.67968.3510010031210h m kg W W W V A Q ⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛--⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⨯=水煤矸石处理量h kg h kg W W Q G /14000/9.14856)42.17100(1688.12210000)100(1000012>=-⨯⨯=-=，说明1台规格为m m 154.2⨯φ的回转烘干机即可满足设计处理要求。

②水分蒸发量：2211100W W W G W H --⨯=式中：W——烘干蒸发量，h kg /水；G H1——烘干前湿物料量，h kg /。

所以h kg W W W G W H /02.2322)1100142.17(140001002211=--⨯=--⨯=③干空气消耗量：h kg s kg Au L /78133/7.212.144.242==⨯⨯⨯==πρ湿空气消耗量hkg H L L /9.78679)007.01(78133)1(00=+⨯=+=（2）能量衡算设干燥器中不再补加能量，忽略预热器中的热量损失，则预热器中加入的能量用于以下方面：①加热空气：kW t t H L Q 92.1788)20130()007.088.101.1(36009.78679))(88.101.1(0201=-⨯⨯+⨯÷=-+=②蒸发水分：kW t W Q 69.1709)20187.413088.12490(360002.2322)187.488.12490(122=⨯-⨯+⨯÷=-+=θ③加热湿物料：)(1223θθ-=m Gc Q 煤在20℃~120℃的平均比热容约为0.98~1.12，高岭土在20℃~120℃的平均比热容约为0.92~1.00，则取煤矸石在此温度范围的平均比热容为0.99，所以kWGc Q m 385)20120(99.0360014000)(1223=-⨯⨯÷=-=θθ④热量损失损Q kWt A Q m 28.361100154.21151=⨯⨯⨯⨯=∆=πα损所以需要的热量kW Q Q Q Q Q 4245321=+++=损。

干燥过程的物料衡算和热量衡算.

第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算对流干燥过程利用不饱和热空气除去湿物料中的水分，所以常温下的空气通常先通过预热器加热至一定温度后再进入干燥器。

在干燥器中热空气和湿物料接触，使湿物料表面的水分气化并将水气带走。

在设计干燥器前，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，为此需对干燥器作物料衡算和热量衡算，以便选择适宜型号的风机和换热器。

7-3-1 物料中含水量的表示方法1．湿基含水量湿物料中所含水分的质量分率称为湿物料的湿基含水量。

湿物料总质量湿物料中水分的质量=w （7-21）2．干基含水量不含水分的物料通常称为绝对干料或干料。

湿物料中水分的质量与绝对干料质量之比，称为湿物料的干基含水量。

量湿物料中绝对干物料质湿物料中水分的质量=X （7-22）上述两种含水量之间的换算关系如下：w wX -=1 kg 水/kg 干物料XXw +=1 kg 水/kg 湿物料（7-23）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，而绝对干物料质量不变，故采用干基含水量计算较为方便。

7-3-2 干燥器的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。

对图7-8所示的连续干燥器作物料衡算。

设 G 1——进入干燥器的湿物料质量流量，kg/s ；G 2——出干燥器的产品质量流量，kg/s ； G c ——湿物料中绝对干料质量流量，kg/s ；w 1，w 2——干燥前后物料的湿基含水量，kg 水/kg 湿物料； X 1，X 2——干燥前后物料的干基含水量，kg 水/kg 干物料； H 1，H 2——进出干燥器的湿空气的湿度，kg 水/kg 绝干空气； W ——水分蒸发量，kg/s ；L ——湿空气中绝干空气的质量流量，kg/s 。

图7-8 各物流进出逆流干燥器的示意图一、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G c 不变，即G c =G 1（1-w 1）=G 2（1-w 2）（7-24）整理得 ()211211w w G G --= （7-25）对干燥器中水分作物料衡算，可得W =L （H 2-H 1）=G c （X 1-X 2）（7-26）二、干空气消耗量L 整理式（7-26）得 ()121221H H W H H X X G L c -=--= （7-27）蒸发1kg 水分所消耗的干空气量，称为单位空气消耗量，其单位为kg 绝干空气/kg 水分，用L 表示，则 121H H WL l -== （7-28）如果以H 0表示空气预热前的湿度，而空气经预热器后，其湿度不变，故H 0=H 1，则式（7-28）可写为 021H H l -=（7-28a ）由上式可见，单位空气消耗量仅与H 2、H 0有关，与路径无关。

化工原理知识点提要

求化工原理知识点提要一、流体力学及其输送1.单元操作:物理化学变化的单个操作过程，如过滤、蒸馏、萃取。

2.四个基本概念:物料衡算、能量衡算、平衡关系、过程速率。

3.牛顿粘性定律:F=±τA=±μAdu/dy，(F:剪应力;A:面积;μ:粘度;du/dy:速度梯度)。

4.两种流动形态:层流和湍流。

流动形态的判据雷诺数Re=duρ/μ;层流-20 00-过渡-4000-湍流。

5.连续性方程:A1u1=A2u2;伯努力方程:gz+p/ρ+1/2u2=C。

6.流体阻力=沿程阻力+局部阻力;范宁公式:沿程压降:Δpf=λlρu2/2d，沿程阻力:Hf=Δpf/ρg=λlu2/2dg(λ:摩擦系数);层流时λ=64/Re，湍流时λ=F(Re，ε/d)，(ε:管壁粗糙度);局部阻力hf=ξu2/2g，(ξ:局部阻力系数，情况不同计算方法不同)7.流量计:变压头流量计(测速管、孔板流量计、文丘里流量计);变截面流量计。

8.离心泵主要参数:流量、压头、效率、轴功率;工作点(提供与所需水头一致);安装高度(气蚀现象，气蚀余量);泵的型号(泵口直径和扬程);气体输送机械:通风机、鼓风机、压缩机、真空泵。

二、非均相机械分离1.颗粒的沉降:层流沉降速度Vt=(ρp-ρ)gdp2/18μ，(ρp-ρ:颗粒与流体密度差，μ:流体粘度);重力沉降(沉降室，H/v=L/u，多层;增稠器，以得到稠浆为目的的沉淀);离心沉降(旋风分离器)。

2.过滤:深层过滤和滤饼过滤(常用，助滤剂增加滤饼刚性和空隙率);分类:压滤、离心过滤，间歇、连续;滤速的康采尼方程:u=(Δp/Lμ)ε3/5a2(1-ε)2，(ε:滤饼空隙率;a:颗粒比表面积;L:层厚)。

三、传热1.传热方式:热传导(傅立叶定律)、对流传热(牛顿冷却定律)、辐射传热(四次方定律);热交换方式:间壁式传热、混合式传热、蓄热体传热(对蓄热体的周期性加热、冷却)。

化工原理干燥过程和物料及热量衡算

四、空气通过干燥器时的状态变化
1、等焓干燥过程(理想干燥过程 )
规定： •不向干燥器中补充热量QD=0； •忽略干燥器向周围散失的热量QL=0；
•物料进出干燥器的焓相等 GI2 I1 0
Q Qp QD LI2 I1 GI2 I1 QL LI1 I0 Qp LI1 I0
2020/7/10
QD LI1 I0 LI2 I0 GI2 I1 QL
将上述条件代入
I1 I2
I
t1
B I1 I2
C
t2
A
t0
H0
H
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2、非等焓干燥过程
1）操作线在过B点等焓线下方条件： •不向干燥器补充热量QD=0； •不能忽略干燥器向周围散失的热量 QL≠0；
•物料进出干燥器时的焓不相等 G I2 I1 0
3、换算关系
X
1 X
X 1
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二、干燥系统的物料衡算
1、水分蒸发量
以s为基准，对水分作物料衡算
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LH1 GX1 LH2 GX2
W LH2 H1 GX1 X2
2、空气消耗量L
L GX1 X 2 W
H2 H1 H2 H1
每蒸发1kg水分时，消耗的绝干空气数量l
H2 H1
0.0363 0.005
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预热器的传热速率
Qp LcH (t1 t0 )
L1.011.88H0 t1 t0
0.9641.011.88 0.005140 25
113kJ / s
t2 40 ℃
H2 0.0447kg / kg干空气
L 0.76kg / s
Gcm 2 1 QL

(整理)化工原理—干燥.

第九章干燥本章学习要求1．熟练掌握的内容湿空气的性质及其计算；湿空气的湿度图及其应用；连续干燥过程的物料衡算与热量衡算；恒定干燥条件下的干燥速率与干燥时间计算。

2．理解的内容湿物料中水分的存在形态及其；水分在气-固两相间的平衡关系；干燥器的热效率；各种干燥方法的特点；对干燥器的基本要求。

3．了解的内容常用干燥器的主要结构特点与性能；干燥器的选用。

* * * * * * * * * * * *§9.1 概述干燥是利用热能除去固体物料中湿分（水分或其它液体）的单元操作。

在化工、食品、制药、纺织、采矿、农产品加工等行业，常常需要将湿固体物料中的湿分除去，以便于运输、贮藏或达到生产规定的含湿率要求。

例如，聚氯乙烯的含水量须低于0.2%，否则在以后的成形加工中会产生气泡，影响塑料制品的品质；药品的含水量太高会影响保质期等。

因为干燥是利用热能去湿的操作，能量消耗较多，所以工业生产中湿物料一般都采用先沉降、过滤或离心分离等机械方法去湿，然后再用干燥法去湿而制得合格的产品。

一、固体物料的去湿方法除湿的方法很多，化工生产中常用的方法有：1.机械分离法。

即通过压榨、过滤和离心分离等方法去湿。

耗能较少、较为经济，但除湿不完全。

2.吸附脱水法。

即用干燥剂（如无水氯化钙、硅胶）等吸去湿物料中所含的水分，该方法只能除去少量水分，适用于实验室使用。

3.干燥法。

即利用热能使湿物料中的湿分气化而去湿的方法。

该方法能除去湿物料中的大部分湿分，除湿彻底。

干燥法耗能较大，工业上往往将机械分离法与干燥法联合起来除湿，即先用机械方法尽可能除去湿物料中的大部分湿分，然后再利用干燥方法继续除湿而制得湿分符合规定的产品。

干燥法在工业生产中应用最为广泛，如原料的干燥、中间产品的去湿及产品的去湿等。

二、干燥操作方法的分类１、按操作压强分为常压干燥和真空干燥。

真空干燥主要用于处理热敏性、易氧化或要求产品中湿分含量很低的场合。

２、按操作方式分为连续操作和间歇操作。

干燥过程中的物料衡算和热量衡算

干燥过程中的物料衡算和热量衡算
式中qmw——水分的蒸发量，kg水分/s qmc——绝干物料的质量流量，kg绝干料/s L——绝干空气的消耗量，kg绝干气/s H1，H2——分别为空气进出干燥器时的湿度，kg/kg绝干气； X1，X2——分别为湿物料进出干燥器的干基含水量，kg水分/kg
q′m1，q′m2——分别为湿物料进出干燥器的流量，kg物料/s。
Q=Qp+QD=L(I2-I0)+qmc (I′2-I′1)+QL
（9－24）（9－25）
(9－26)
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
式中H0，H1，H2——湿空气进入预热器、离开预热器（即进入干燥器）及离开干燥器时的湿度，kg/kg
I0，I1，I2——分别为湿空气进入预热器、离开预热器（即进入干燥器）及离开干燥器时的焓，kg/kg
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
图9－8 各流股进出逆流干燥器的示意图
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
（1）对预热器进行热量衡算
LI0+Qp=LI1
（9－23）
在预热器中，空气的状态变化是等湿升温过程，即H1=H0，故预热器
Qp=L(I1-I0)=L(1.01+1088H0)(t1-t0) （2
QD=L(I2-I1)+qmc (I′ 2-I′1)+QL （3
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
一般干燥过程，湿空气中水汽的量（H0）相对于绝干空气来说，数值较小，同时湿物料进入干燥器的温度偏低。若忽略空气中水汽进出干燥系统的焓变1．88H(t2-t0)和湿物料中水分带入干燥系统的焓4.18Wθ1，则Q=Qp+QD=1.01L(t2-t0)+qmcM (θ2θ1)+qmw (2490+1.88t2)+QL （9－29）

干燥过程的物料衡算和热量衡算

第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算对干燥流程的设计中，物料衡算解决的问题：（1）物料气化的水分量W （或称为空气带走的水分量）；（2）空气的消耗量（包括绝干气消耗量L 和新鲜空气消耗量L 0）。

而热量衡算的目的，是计算干燥流程的热能耗用量及各项热量分配（即预热器换热量p Q ，干燥器供热量D Q 及干燥器热损失L Q ）。

一、湿物料中含水率表示法湿物料＝水分＋绝干物料（一）湿基含水量w%100⨯=总质量水m m w （８－１２）工业上常用这种方法表示湿物料的含水量。

（二）干基含水量XX ＝湿物料中水分质量／湿物料中绝干料质量（８－１３）式中 X ――湿物料的干基含水量，kg 水分.(kg 绝干料)-1。

两者关系：X Xw +=1 （８－１４）或w wX -=1 （８－１５）二、干燥器的物料衡算图８－７各流股进、出逆流干燥器的示意图图８－７中，G ――绝干物料流量，kg 绝干料.s -1；L ――绝干空气消耗量，kg 绝干气.s -1；H 1 ,H 2――分别为湿空气进、出干燥器时的湿度，kg.（kg 绝干气）-1； G 1 ,G 2――分别为湿物料进、出干燥器时的流量，kg 湿物料.s -1； X 1 ,X 2――分别为湿物料进、出干燥器时的干基含水量，kg 水分.（kg 绝干料）-1。

（一）水分蒸发量W)()(122121H H L G G X X G W -=-=-= （８－１６）其中)1()1(2211w G w G G -=-= （８－１７）（二）空气消耗量L对干燥器作水分物料衡算：2211GX LH GX LH +=+ 则：()121221H H WH H X X G L -=--=（８－１８）若设：121H H WLl -== （８－１９）式中 l ――每蒸发１kg 水分消耗的绝干空气量，称为单位空气消耗量，kg 绝干气.(kg 水分)-1；L ――单位时间内消耗的绝干空气量，kg 绝干气.s -1。

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化工原理
干燥过程的能量衡算
热量衡算:
预热器提供的热量QP
干燥器输入的热量QD 整个干燥系统的总传热量Q 干燥器的热效率和干燥效率空气通过干燥器时的状态变化
主讲教师:沈吉林
1
化工原理
热量衡算:
连续干燥过程的热量衡算示意图主讲教师:沈吉林
2
化工原理
热量衡算:
主讲教师:沈吉林
3
化工原理
热量衡算:
上式称为连续干燥系统热量衡算基本方程式
主讲教师:沈吉林
8
化工原理
热量衡算: 分析
加热干燥系统的总热量Q主要用于
加热空气加热并汽化水分
L 1.01 1.88H 0 (t2 t0 )
W (2490 1.88t2 4.1871 )
加热湿物料
热损失主讲教师:沈吉林
GCm (2 1 )
主讲教师:沈吉林
6
化工原理
热量衡算: 湿物料的焓的表示:
以0℃液态湿分及固体的焓为0，则以1kg 绝干物料为基准的焓：
I ' (Cs XCw ) ; C s : 绝干物料的比热 ;
C w : 水分的比热 ; Cm : 湿物料的比热 ;
' LI1 G I1' QD LI 2 G I 2 QL
干燥器
t0=20℃ W2=0.2%,θ2=60℃ Cs=3.5kJ/kg.℃
QD
解:（1）新鲜空气用量，kg/h；
X1 w1 0.03 0.03093 1 w1 1 0.03 X2 w2 0.002 0.002 1 w2 1 0.002
G G1 (1 w1 ) 1200 (1 0.03) 1164 kg / h
Q QP QD 1.01Lt2 t0 GCm ( 2 1 ) W 2490 1.88t2 QL
结论：干燥系统中，加入干燥系统的热量等于蒸发水分、加热空气与物料的热量，以及干燥系统中热损失之和
主讲教师:沈吉林
10
化工原理
干燥系统的热效率
干燥器内用于汽化物料中水分所消耗的热量 100% 向干燥器输入的总热量 Q1 100% QP QD
主讲教师:沈吉林
19
化工原理
W G ( X1 X 2 ) 1164 (0.03093 0.002) 33.67kg/h
L W 33.67 2405 kg (绝干气) / h H 2 H 0 0.022 0.008
(2)预热器的加热量QP，kW
QP L( I1 I 0 ) LCH ( t1 t 0 ) 2405 ( 1.01 1.088 0.008) ( 90 20 ) 172565.48k J/h 47.93kW (3)干燥室内补充的热量QD，kW
QL
9
化工原理
热量衡算: 即：
Q QP QD L1.01 1.88H 0 t2 t0 GCm ( 2 1 ) W 2490 1.88t2 4.187 1 QL
忽略空气中水汽进出干燥系统的焓的变化和湿物料中水分带入干燥系统的焓，则上式可简化为：
能使高燥产品返潮、在系统后面的设备中析出湿分，因此：t2=tas+（20~50）℃。提高热效率的措施：对设备进行保温，使热损失减小；利用废气预热冷物料或冷介质；部分废气循环。
主讲教师:沈吉林
12
化工原理
干燥系统的干燥效率
干燥器内用于汽化物料中水分所消耗的热量 100% 空气在干燥器内放出的热量 Q 1 100% Q2
' QD L(I 2 I1 ) G I 2 I1' QL

算:
3.干燥系统的总热量衡算
干燥系统消耗的总热量Q等于预热器提供的热量QP加上干燥器提供的热量QD
Q Qp QD L( I 2 I 0 ) G( I 2 ' I1 ') QL
' I1 ( C s X 1C w ) 1 ( 3.5 0.03 4.184 ) 20
72.51kJ/kg (绝干物料 )
主讲教师:沈吉林
21
化工原理
QL 5%QP 47.93 5% 2.3965 kW
2405 1164 QD 102.14 112.19 ( 210.5 72.5 ) 2.3965 3600 3600 40.3kW
主讲教师:沈吉林
4
化工原理
热量衡算:
1.预热器提供的热量
L H0 t0 I0
预热器
QP
L H1 t1 I1
LI 0 Qp LI1
Qp L( I1 I 0 )
主讲教师:沈吉林
5
化工原理
热量衡算:
2.向干燥器补充的热量
L I1 H1 t1 G2 w2 I2’2 QD 干燥器 QL G1 w1 I1’1 L I2 H2 t2
干燥设备热损失可按预热器中加热量的5%计算。试求：
1）新鲜空气用量，kg/h；
2）预热器的加热量QP，kW；
3）干燥室内补充的热量QD，kW； 4）热效率。
主讲教师:沈吉林
18
化工原理
QL=5%QP
H0=0.008
W2=3%,θ1=20℃ G1=1200kg/h H2,t2=45℃
预热器 H1,t1=90℃ QP
,
若蒸发水分量为W,空气出干燥器时温度为t ,物料进干燥器温度为,则干燥器内汽化水分所需热量Q 为：
2 1
W (2490 1.88t2 4.1871 )
主讲教师:沈吉林
11
化工原理
干燥系统的热效率热效率越高表示干燥器热利用率越好。t2 或 H2
可以提高热效率。但 H2 使推动力减小；t2 过低，则可
' ' QD LI 2 I1 G (I 2 I1 ) QL
20
主讲教师:沈吉林
化工原理
I1 1.01 1.88H 0 t1 2492H 0 1.01 1.88 0.008 90 2492 0.008 112.19kJ / kg( 绝干气)
Q1= W (2490 1.88t2 4.1871 )
Q2 L(1.01 1.88H0 )(t1 t2 )
主讲教师:沈吉林
13
化工原理
空气通过干燥器时的状态变化
理想干燥过程
1）设备无热损失，QL=0； 2）不补充热量，QD=0；
3）物料足够湿润，温度保持为干燥介质的湿球温度tw，即1=2=tw ；
Q1 W 2490 1.88t 2 4.184 1 33.67 2490 1.88 45 4.184 20 3600 23.297kW
4)干燥器的热效率
Q1 23.297 100% 100% 26.4% QP QD 47.93 40.3
4）被汽化的湿分带入的热量可以忽略不计，则：I1=I2。
说明干燥介质在干燥器中经历的过程为等焓过程，即干燥介质的状态在干燥器中沿等焓线变化。
主讲教师:沈吉林
14
化工原理
空气通过干燥器时的状态变化等焓过程
Φ=100%
C
H2
B
A
H0 =H1
t 主讲教师:沈吉林
0
t
2
t
1
15
化工原理
1、干燥器中不补充加热，QD=0，I1＞I2，空气状态变化在等焓变化BC线下方，即BC1 2、干燥器中有补充加热QD，而且比热损失及干燥物料带进与带出干燥器差值的和还要大，此时I2＞I1，空气状态变化在等焓变化BC线上方，即BC2
Φ=100%
C2
C C1
H2
B
H0 =H1
A
t 主讲教师:沈吉林
0
t
2
t
1
16
化工原理
空气通过干燥器时的状态变化
实际干燥过程
Φ=100%
C2 C
H
C3
C1
A
B
t 主讲教师:沈吉林
17
化工原理
常压下拟用温度为 20℃、湿度为0.008kg水/kg干气的空气干燥某种湿物料。空气在预热器中被加热到 90℃后送入干燥室，离开时的温度为45℃、湿度为0.022kg水/kg干气。现要求每小时将1200kg的湿物料由含水率3%（湿基）干燥至0.2%（湿基），已知物料进、出口温度分别为 20℃和 60℃，在此温度范围内，绝干物料的比热为3.5kJ/(kg· ℃)，水的平均比热为4.19 kJ/(kg℃)。
I 2 1.01 1.88H 2 t 2 2492H 2
1.01 1.88 0.022 45 2492 0.022 102.14kJ / kg( 绝干气)
I '2 ( C s X 2C w ) 2 ( 3.5 0.002 4.184 ) 60 210.5kJ/kg (绝干物料 )
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主讲教师:沈吉林