化工原理41固体物料的干燥干燥过程的物料衡算与热量
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。
干燥过程的物料衡算和能量衡算
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二、工业常用干燥器
1. 盘式干燥器(厢式干燥器) 是一种间歇式的干燥器，可以同时干燥多种不同的物料，一般 为常压操作，也有在真空下操作的，这种设备一般生产强度小 。优点:构造简单、设备投资少，适应性较强。 缺点：装卸物料的劳动强度大，设备利用率、热利用率低及产 品质量不易稳定。 2. 洞道式干燥器 洞道干燥器是厢式干燥器的自然发展。 3. 带式干燥器 带式干燥器为一长方形干燥器，内有透气的传送带，物料置 于带上，热气体穿过物料层，物料与气体形成复杂的错流。 适用于干燥颗粒状、块状和纤维状的物料。 优点：物料在其中翻动较少，可保持物料的形状，可连续 干燥多种物料。 缺点：生产能力及热效率都低。
6. 流化床干燥器 在流化床干燥器中，粒子运动激烈，气固相接触良好，因而传 质速率高。床层内温度均匀便于准确控制，不致发生局部过热。 流化干燥器结构简单、紧凑、容易连续化，所以应用比较广泛。 适用于处理粉粒状物料，而且粒径最好在30-60μ m范围。 优点：结构简单、造价低，活动部件少，操作维修方便。 缺点：操作控制要求高。而且由于颗粒在床中高度混合，可 能引起物料的反混和短路，从而造成物料干燥不充分。 7.喷雾干燥器 喷雾干燥是一种处理液状物料，将物料喷成细雾，分散在 热气流中，使水份蒸发而得粉状产品的一种干燥方法。 雾化器一般有三种： （1）压力式；(2)离心式；(3)气流式。 优点：能处理多种液态物料，由料液直接得到粉粒产品；干燥 面积极大；干燥过程进行很快；干燥成品质量好。 缺点：干燥设备庞大，容积汽化强度小，热效率较低，介质 及能量的消耗也较大。 返回
第六节 过程强化与展望
随着科学技术的发展，如生物制品、新型材料、 高级陶瓷、新型高级食品、新型药物制品等高质量产 品的出现，这就要求： （1）将已有的干燥机进行改造，具有新的性能； （ 2）研制出新概念型的干燥机，以满足干燥新产 品的需要。 今后若干年内，应注意或研究下列几个方面： （1）发展热传导式干燥器； (2)开发组合型干燥器； （3）提高干燥过程的控制水平； （4）节省能量； （5）控制环境污染。
干燥过程的物料衡算和热量衡算方法
干燥过程的物料衡算和热量衡算2007-03-30 08:25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：/index/wxh-dxs/6-3.htm（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L0）。
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，干燥器供热量及干燥器热损失）。
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：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；H1 ,H2――分别为湿空气进、出干燥器时的湿度，kg.（kg绝干气）-1；G1 ,G2――分别为湿物料进、出干燥器时的流量，kg湿物料.s-1； X1 ,X2――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（二）空气消耗量L对干燥器作水分物料衡算：则：式中――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。
说明：(1)新鲜空气用量式中 H0――空气进预热器前的湿度，kg.(kg绝干气)-1。
(1)风机入口风量，即新鲜空气的体积V0。
三、干燥系统热量衡算热量衡算可以确定各项热量的分配和消耗量，可作为计算空气预热器的传热面积，加热剂用量，干燥器热效率和干燥效率的依据，流程示意图如图８－８所示。
（二）非等焓过程１．若<０，则I2< I1。
如图８－１０所示，干燥过程沿BC1变化，该线在等焓线以下，斜率小于等焓线。
干燥过程的物料平衡与热平衡计算
干燥过程的物料与热平衡计算1、湿物料的含水率湿物料的含水率通常用两种方法表示。
(1)湿基含水率：水分质量占湿物料质量的百分数，用ω表示。
100%⨯=湿物料的总质量水分质量ω(2)干基含水率：由于干燥过程中，绝干物料的质量不变，故常取绝干物料为基准定义水分含量。
把水分质量与绝干物料的质量之比定义为干基含水率，用χ表示。
100%⨯=量湿物料中绝干物料的质水分质量χ(3)两种含水率的换算关系： χχω+=1 ωωχ-=1 2、湿物料的比热与焓(1)湿物料的比热m C湿物料的比热可用加和法写成如下形式：w s m C C C χ+=式中：m C —湿物料的比热，()C kg J ⋅绝干物料/k ； s C —绝干物料的比热，()C kg J ⋅绝干物料/k ； w C —物料中所含水分的比热，取值4.186()C kg J ⋅水/k (2)湿物料的焓I '湿物料的焓I '包括单位质量绝干物料的焓和物料中所含水分的焓。
(都是以0C 为基准)。
()θθχθχθm s w s C C C C I =+=+='186.4式中：θ为湿物料的温度，C 。
3、空气的焓I空气中的焓值是指空气中含有的总热量。
通常以干空气中的单位质量为基准称作比焓，工程中简称为焓。
它是指1kg 干空气的焓和它相对应的水蒸汽的焓的总和。
空气的焓值计算公式为：()χ1.88t 24901.01t I ++= 或()χχ2490t 1.881.01I ++=式中；I —空气(含湿)的焓，绝干空气kg/kg ；χ—空气的干基含湿量，绝干空气kg/kg ；1.01—干空气的平均定压比热，K ⋅kJ/kg ； 1.88—水蒸汽的定压比热，K ⋅kJ/kg ； 2490—0C 水的汽化潜热，kJ/kg 。
由上式可以看出，()t 1.881.01χ+是随温度变化的热量即显热。
而χ2490则是0C 时kg χ水的汽化潜热。
它是随含湿量而变化的，与温度无关，即“潜热”。
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
2020/7/10
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
2020/7/10
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
2020/7/10
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
2020/7/10
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
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）
9.3-干燥过程的物料衡算与热量衡算
解1.气体在干燥管内为等焓过程。 t0=20℃，t1=70℃，H1＝H0=0.005kg/kg
I2 = I1 = (1.011.88 0.005)150 2492 0.005 = 165.37kJ / kg
I2 = (1.011.88H2 )t2 2492H2 = 165.37 H2 = 0.0361kg / kg
H2 H0 0.0478 0.005 Qp = L(I1 I0 ) = L（1.01＋1.88H 0 )(t1 t0 ) = 0.47 (1.011.88 0.005)(150 20) = 51.9kJ / s
热效率＝t1 t2 = 150 42 = 0.83 = 83.0%
t1 t0 150 20
讨论：降低废气的出口温度，所需的空气用量及传热 量愈小，热效率越高。
3.物料的返潮 第一种情况： 出干燥器空气中水的分压：
P = H2P总 = 0.036101.3 = 5.542kPa 0.622 H2 0.622 0.036
露点td=34.7℃。空气出旋风分离器的温度为60℃，未达 到空气的露点，不会有水珠析出。
=
LI 2
Gc
I
2
QL
QD
=
LI2
I1
Gc
I
2
I1
QL
I ＝cs Xcw ＝cs Xcw
Q = Qp QD
=
LI2
I0
Gc
I
2
I1
QL
cm＝cs Xcw
I = cm
式中：I′为物料的热焓，kJ/kg干料 cs为绝干物料的比热，cw为湿分液态时的比热 cm为湿物料的比热，kJ/（kg干料.℃）
当QL＝0，θ1＝θ2，QD＝0
化工原理干燥过程的物料与热量衡算
•2020/6/3
•
•2、干燥系统的热效率
•蒸发水分所需的热量为 •忽略物料中水分带入的焓
•2020/6/3
•
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
•2020/6/3
化工原理干燥过程的物 料与热量衡算
2020年6月3日星期三
一、湿物料中含水量的表示方法
•1、湿基含水量W
•2、干基含水量X
•3、换算关系
•2020/6/3
•
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
•2020/6/3
•
•2、空气消耗量L
•每蒸发1kg水分时，消耗的绝干空气数量l
•2020/6/3
•
•3、干燥产品流量G2
•对干燥器作绝干物料的衡算
•2020/6/3
•
三、干燥系统的热量衡算
•1、热量衡算的基本方程
•忽略预热器的热损失，以1s为基准，对预热器列焓衡算
•2020/6/3
•
•单位时间内预热器消耗的热量为： •对干燥器列焓衡算，以1s为基准
•单位时间内向干燥器补充的热量 为 •单位时间内干燥系统消耗的总热量为
•2020/6/3
•
•解：因在干燥器内经历等焓过程， •℃ •℃
•2020/6/3
•
•绝干物料量 ：
•绝干空气量
•2020/6/3
•
•预热器的传热速率
•℃
•2020/6/3
•
•分析物料的返潮情况 •当t2=60℃时，干燥器出口空气中水汽分压为
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解：如本例附图2所示，由t0=25℃、 H0=0.005kg/kg绝干气可确定新鲜空 气的状态点Ａ；由t2＝40℃，H2＝ 0.034kg／kg绝干气可确定循环废气 的状态点Ｂ；根据杠杆规则可确定 混合气的状态点Ｍ，其中
由此可查得混合气的性质参数为 tm=37℃, Hm＝0.0282kg／kg绝干气， Im=110kJ/kg绝干气。
二、非绝热干燥过程
由 则
故
二、非绝热干燥过程
升焓干燥过程应满足以下条件
❖ 需向干燥器补充热量 且
❖ 干燥器的热损失不能忽略 ＱL> 0
❖ 物料进出干燥器的焓不相等
二、非绝热干燥过程
由 则 因
故
二、非绝热干燥过程
等温干燥过程应满足以下条件
❖ 需向干燥器补充热量
且 ＱD足够大，维持 t1= t2
二、结合水分与非结合水分
物料表面吸 附及空隙中 所含的水分
湿物料
物料细胞壁及 毛细孔道内所 含的水分
非结合
结合
结合水分的特点
水分
水分
结合力强，不易除去。
二、结合水分与非结合水分
非结合水分的特点 结合力弱，容易除去。
物料所含水分＝结合水分＋非结合水分
结合水分 非结合水分
按除去的难易程度划分，仅取 决于物料的性质，而与空气的 状态无关。
(7)干燥系统的热效率 若忽略湿物料的水分带入系统中的焓， 则可用式5-37计算 ，即
【例11-2】如本题附图1所示，某常压连续逆 流干燥器采用废气循环操作，循环比(循环 废气中绝干空气质量和混合气中绝干空气 质量之比)为0.8。设空气在干燥器中经历 等焓过程，忽略预热器的热损失。试求新 鲜空气耗量及预热器的热负荷。
❖ 物料进出干燥器的焓相等
一、绝热干燥过程
由 则 故
二、非绝热干燥过程
1.非绝热干燥过程的状态变化
等
温
干
B
燥
升
实
际
A
干
燥
焓 干 燥 降 焓
干
燥
二、非绝热干燥过程
2.非绝热干燥过程的条件 降焓干燥过程应满足以下条件
❖ 不向干燥器补充热量 ＱD= 0
❖ 干燥器的热损失不能忽略 ＱL> 0
❖ 物料进出干燥器的焓不相等
7－烟叶 8－肥皂 9－牛皮胶 10－木材 11－玻璃绒 12－棉花
一、平衡水分与自由水分
2.平衡水分与自由水分 在一定的干燥条件下
不能被除去的水分
大于平衡水分的水分
平衡水分 X* 自由水分 X-X*
物料所含水分＝平衡水分＋自由水分
平衡水分 自由水分
按能否被除去划分，取决于 物料的性质和空气的状态。
❖ 干燥器的热损失不能忽略 ＱL> 0 ❖ 物料进出干燥器的焓不相等
第十一章 固体物料的干燥
11.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 11.3.1 湿物料的性质 11.3.2 干燥过程的物料衡算与热量衡算 11.3.3 空气通过干燥器时的状态变化 11.3.4 干燥系统的热效率
一、干燥系统的热效率
❖ 间歇操作 ❖ 用大量的空气干燥少量的物料 ❖ 维持空气的速度及与物料的接触方式不变
实验数据
时 间τ 物料温度 θ
物料湿含量 X
（4）预热器消耗的热量Qp； （5）干燥系统消耗的总热量Q；
（6）向干燥器补充的热量 QD； （7）干燥系统的热效率η。
W2=0.001
解（1）水分蒸发量W
kg水分/h
（2）新鲜空气消耗量L0 20℃水的饱和蒸汽压 pS=2.3341 kPa，则由式5-5知
kg/kg绝干气 绝干空气消耗量
kg绝干气/h
化工原理41固体物料的 干燥干燥过程的物料衡
算与热量
2020/11/12
化工原理41固体物料的干燥干燥过程 的物料衡算与热量
一、绝热干燥过程
1.绝热干燥过程的状态变化
理想干燥 等焓干燥
B
C A
一、绝热干燥过程
2.绝热干燥过程的条件
❖ 不向干燥器补充热量 ＱD= 0
❖ 干燥器的热损失可忽略 ＱL= 0
新鲜空气消耗量为
kg新鲜空气/h
（3）风机的风量V″ 首先计算新鲜湿空气的比容
故 （4）预热器中消耗的热量Qp
m3新鲜空气/h m3新鲜空气/h kJ/h=43.11kW
(5) 干燥系统消耗的总热量Q
kg绝干物料/h
=2.812 ×105 kJ/h=78.11kW
(6)向干燥器补充的热量QD =78.11–43.11 =35.00kW
干燥系统的热效率定义
蒸发水分 所需热量
一、干燥系统的热效率
由 忽略湿物料中水分带入系统中的焓，则
故 对于理想干燥器
二、提高干燥系统热效率的措施
提高干燥系统热效率措施
❖ 提高 而降低 ❖ 提高空气入口温度 ❖ 采用二级干燥 ❖ 采用内换热器 ❖ 干燥系统的保温 ❖ 采用废气循环工艺
二、提高干燥系统热效率的措施
带废气循环的干燥系统（1）
二、提高干燥系统热效率的措施
带废气循环的干燥系统（2）
【例题与解题指导】
【例11-1】某常压空气干燥器，其操作参数如附图所 示。湿物料的平均比热容为 3.28 kJ／(kg绝干 料·℃）。忽略预热器的热损失，干燥器的热损失为 1.2 kW。试求：
（1）水分蒸发量W；
（2）新鲜空气消耗量L0； （3）若风机装在预热器的空气入口处，求风机的风量；
非结合水分
总 水 分
自 由 水 分
结合水分
平衡 水分
固体物料中所含水分的性质
第十一章 固体物料的干燥
11.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 11.4 干燥速率与干燥时间 11.4.1 物料中水分的性质 11.4.2 恒定干燥条件下干燥时间的计算
一、干燥实验和干燥曲线
1.恒定干燥实验 恒定干燥条件
混合气在预热器经历等湿过程，在干燥器经 历等焓过程，因此，Ｍ点的等H线与Ｂ点的
等Ｉ线的交点Ｎ即为混合气离开预热器（进
入干燥器）的状态点，读得性质参数为
t1=54℃, H1＝Hm＝0.0282kg／kg绝干气， I1=128kJ/kg绝干气。 水分蒸发量为
对整个干燥系统进行物料衡算可得，
绝干气的耗量为 故新鲜空气用量为 混合气的流量为 预热器的热负荷为
kg绝干气/h
第十一章 固体物料的干燥
11.3 干燥过程的物料衡算与热量衡算 11.4 干燥速率与干燥时间 11.4.1 物料中水分的性质
一、平衡水分与自由水分
1.平衡曲线
湿空气 湿物料
接触 时间
～X
达平衡状态时
～ X*
平衡湿 含量
平衡曲线
平衡含水量X*与空气相对
湿度 的关系（25℃ ）
1－新闻纸 2－羊毛、毛织物 3－硝化纤维 4－丝 5－皮革 6－陶土