第五章 干 燥.ppt

2020 1 28 1 固體干燥 一 定義 利用熱能使物料中的水分汽化并由氣流帶走或真空抽走的單元操作 區(qū)別于利用重力或離心力進(jìn)行的機(jī)械除濕 在工業(yè)生產(chǎn)中往往先采用機(jī)械除濕除去大量水分然后再干燥去除殘余水分的方法 二 目的 使物料中的濕分 水分或者溶劑 含量達(dá)到規(guī)定的要求 從而進(jìn)一步貯存 運(yùn)輸或加工 在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛 如麥片 奶粉 餅干 方便面等 2020 1 28 2 三 分類 按照帶走水分的方法不同1利用熱空氣2利用真空泵按照提供熱能的方法不同1對(duì)流利用熱風(fēng)傳熱并帶走水分 2傳導(dǎo)間接加熱 水氣由物料周圍的氣流帶走 3輻射利用紅外線 微波作熱源 2020 1 28 3 關(guān)于對(duì)流干燥 如圖 在流化床干燥器內(nèi) 熱空氣與濕物料直接接觸 它既是載熱體又是載濕體 熱空氣放出熱量使物料加熱 物料吸收熱量 其中的水分汽化被熱空氣帶走 優(yōu)點(diǎn) 熱空氣溫度便于調(diào)節(jié) 物料不容易過熱 缺點(diǎn) 熱能利用率低 因?yàn)闊峥諝庠陔x開干燥器時(shí)仍帶有相當(dāng)大的一部分熱能 在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛 是我們研究的主要對(duì)象 2020 1 28 4 關(guān)于傳導(dǎo)干燥 工作原理 蒸汽在夾層內(nèi)冷凝 放出的熱量通過底板傳給物料 物料吸熱 其中水分汽化 被周圍的氣流帶走 優(yōu)點(diǎn) 熱能利用程度高 缺點(diǎn) 與金屬壁面接觸的物料易過熱 2020 1 28 5 關(guān)于輻射干燥 輻射器分為兩種 一種利用紅外線照射物料 熱能被濕物料吸收 將水分汽化而達(dá)到干燥目的 另一種應(yīng)用微波干燥 物料內(nèi)部的溫度先升高 優(yōu)越性更大 優(yōu)點(diǎn) 生產(chǎn)強(qiáng)度大 產(chǎn)品干燥均勻而且潔凈 設(shè)備緊湊占地面積小 缺點(diǎn) 電能消耗大 2020 1 28 6 按照操作條件的不同常壓干燥真空干燥適用于熱敏性 易氧化物料按照操作方式的不同連續(xù)式生產(chǎn)能力大 勞動(dòng)條件好間歇式費(fèi)用低 適用于多品種物料 2020 1 28 7 四 必要條件物料表面的水氣壓強(qiáng)大于干燥介質(zhì) 空氣 中的水氣分壓 二者差別越大 干燥進(jìn)行得越快 若干燥介質(zhì)被飽和 推動(dòng)力為零 擴(kuò)散立即停止 傳熱推動(dòng)力 溫差干燥速率由二者共同決定傳質(zhì)推動(dòng)力 壓差干燥既是傳熱過程又是傳質(zhì)過程 2020 1 28 8 五 濕空氣的性質(zhì)濕空氣是干空氣和水氣的混合物 在對(duì)流干燥過程中常采用不飽和空氣作干燥介質(zhì) 預(yù)熱后的濕空氣與濕物料進(jìn)行熱量和質(zhì)量的交換從而達(dá)到干燥物料的目的 在整個(gè)操作過程中 濕空氣的性質(zhì)要發(fā)生一系列的變化 濕空氣的性質(zhì)包括 濕度 相對(duì)濕度 濕比體積 濕比熱容 焓 干球溫度 濕球溫度 絕熱飽和溫度和露點(diǎn) 2020 1 28 9 濕度rm 定義 單位質(zhì)量絕干氣所帶的水氣質(zhì)量 又叫濕含量 因?yàn)樵诟稍锊僮髑昂?濕空氣中的水氣質(zhì)量在變化 而絕干氣質(zhì)量不變化 所以以單位質(zhì)量絕干氣作為基準(zhǔn) 數(shù)學(xué)式其中 M為摩爾質(zhì)量 n為摩爾數(shù) v為水氣 g為絕干氣 2020 1 28 10 在水氣 空氣系統(tǒng)中 水的分子式H2O 設(shè)濕空氣的總壓為p 水氣分壓為p1 則干空氣分壓為p p1 視濕空氣為理想氣體 則根據(jù)理想氣體的分壓定律 組分的摩爾數(shù)之比等于其分壓比 所以該式表明 當(dāng)總壓一定時(shí) 濕度僅與水氣分壓有關(guān) 即 2020 1 28 11 相對(duì)濕度 定義 濕空氣中水氣分壓與同溫度 同總壓下飽和空氣中的水氣分壓之比 也就是與同溫度 同總壓下的飽和蒸汽壓之比 數(shù)學(xué)式 值越小 說明使空氣偏離飽和程度越遠(yuǎn) 它的吸濕能力越強(qiáng) 0 空氣就成為絕干空氣 1 空氣為水氣所飽和 也就是飽和空氣 此時(shí)吸濕能力為0 不能用來做干燥介質(zhì) 2020 1 28 12 濕度與相對(duì)濕度 與濕度相比 濕度為濕空氣中含水氣的絕對(duì)值 而相對(duì)濕度為濕空氣中含水氣的相對(duì)值 只有相對(duì)濕度才能說明濕空氣的吸濕能力 二者的數(shù)學(xué)關(guān)系對(duì)于飽和空氣 1飽和空氣的濕度為 2020 1 28 13 濕比體積vr 定義 含單位質(zhì)量絕干氣的濕空氣的體積 即其中 濕空氣的體積為單位質(zhì)量絕干氣的體積與相應(yīng)的水氣體積之和 2020 1 28 14 數(shù)學(xué)式 絕干氣的摩爾數(shù) 1kmol絕干氣29kg 1kg絕干氣1 29kmol 水的摩爾數(shù) 由濕度的定義式而來 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的溫度換算 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的壓強(qiáng)換算 2020 1 28 15 濕比熱容cr 定義 以單位質(zhì)量絕干氣為計(jì)算基準(zhǔn)的濕空氣比熱容 升高1 C所需要的熱量 數(shù)學(xué)式 絕干氣的比熱容 水氣的比熱容 在常用溫度范圍內(nèi) cg 1 01kJ kg干空氣 K cv 1 88kJ kg水氣 K cr 1 01 1 88rmkJ kg絕干氣K 2020 1 28 16 焓H 定義 含有1kg絕干氣的濕空氣所具有的熱量 數(shù)學(xué)式 意為絕干氣的焓和相應(yīng)水氣的焓之和 而水汽的焓中包括升溫和汽化兩部分 0 C下水的汽化潛熱為2490kJ kg 規(guī)定0 C時(shí)干空氣和液態(tài)水的焓值為0 帶入上式 可得 濕比熱容 2020 1 28 17 習(xí)題 若常壓下某濕空氣的溫度為20 C 濕度為0 014673kg水氣 kg絕干氣 求 1 濕空氣的相對(duì)濕度2 濕空氣的濕比體積3 濕空氣的濕比熱容4 濕空氣的焓若溫度升高到50 C 上述參數(shù)有何變化 2020 1 28 18 干球溫度和濕球溫度 在濕空氣中 用普通溫度計(jì)測(cè)得的溫度稱為該空氣的干球溫度 也就是濕空氣的真實(shí)溫度 如果不特指都是說的干球溫度t 見圖11 1P 593用紗布包裹溫度計(jì)的感溫球 紗布下端浸在水中 由于毛細(xì)現(xiàn)象紗布完全被水浸潤 這就是一支濕球溫度計(jì) 它在空氣中達(dá)到的平衡或穩(wěn)定溫度就成為濕球溫度tw 2020 1 28 19 原理 少量水與大量空氣接觸 水溫就會(huì)變化而達(dá)到空氣的濕球溫度 條件 經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定 過程 1由于濕度差 水分汽化而向空氣中擴(kuò)散2汽化擴(kuò)散吸熱使水的溫度降低3由于溫度差 空氣向水中傳熱4水溫繼續(xù)下降 直至空氣所傳給的熱量與水分汽化所需要的熱量相等 濕球溫度計(jì)上的溫度穩(wěn)定 2020 1 28 20 濕球溫度的特點(diǎn) 1并不代表空氣的真實(shí)溫度 是濕空氣的性質(zhì)之一 2大小由空氣的干球溫度和濕度決定 當(dāng)干球溫度一定時(shí) 相對(duì)濕度越小 水分從濕紗布表面向空氣中擴(kuò)散的推動(dòng)力越大 水分的汽化速率越高 傳熱速率越大 所達(dá)到的濕球溫度越低 如果空氣為飽和狀態(tài) 擴(kuò)散推動(dòng)力為0 干球溫度和濕球溫度相等 Tw t 2020 1 28 21 意義 在干燥過程中 濕物料的表面溫度就是干燥器中空氣的濕球溫度 空氣對(duì)濕物料表面的傳熱溫度差就是干球溫度和濕球溫度之差 即 根據(jù)牛頓冷卻定律 空氣向濕紗布表面的傳熱速率為 其中 S為濕紗布與空氣的接觸面積 I 2020 1 28 22 濕紗布表面的氣膜層中的濕度為溫度tw下的飽和濕度 寫為氣膜中水汽向空氣擴(kuò)散 傳質(zhì)系數(shù)為k 溫度tw下潛熱為rtw 傳質(zhì)推動(dòng)力為與rm之差 所以 汽化水所需要的熱量 濕球溫度tw下水的汽化潛熱 擴(kuò)散速率 II 2020 1 28 23 平衡時(shí) I與II相等 整理得 其中 k 為同一氣膜的傳質(zhì)系數(shù)與傳熱系數(shù)之比 實(shí)驗(yàn)證明 該值與氣速無關(guān) 由上式可知 當(dāng)空氣的干球溫度和濕度一定時(shí) 它的濕球溫度一定 該式表明了干球溫度和濕球溫度的關(guān)系 2020 1 28 24 絕熱飽和溫度tas 定義 一定量的濕空氣和大量水接觸 到達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)的溫度 過程 如左圖 水吸熱向空氣中汽化 沿塔的高度方向 空氣濕度增加 溫度下降 焓不變 是一個(gè)等焓過程 溫度下降因?yàn)樗盏臒崃縼碜钥諝?焓不變因?yàn)槠畬⑺諢崃繋е量諝?只不過吸收的是顯熱 帶入的是潛熱 形式不同 2020 1 28 25 條件 1 水與空氣接觸的時(shí)間足夠長(zhǎng)2 塔的保溫效果良好 無熱損失 所謂絕熱 結(jié)果 飽和空氣的溫度與循環(huán)水溫相等 這個(gè)溫度就叫做濕空氣的絕熱飽和溫度 意義 在系統(tǒng)中作焓衡算 0 C下的汽化潛熱 塔底濕空氣的焓 塔頂濕空氣的焓 2020 1 28 26 rm和rm as均很小 可認(rèn)為 代入焓衡算式 可得 由此 得出了絕熱飽和溫度與濕空氣的干球溫度和濕度之間的關(guān)系 只要測(cè)出干球溫度和絕熱飽和溫度就可以求出濕空氣的濕度 式中 rm as為絕熱飽和溫度下的濕度 稱為絕熱飽和濕度 2020 1 28 27 關(guān)于絕熱飽和溫度和濕球溫度 絕熱飽和溫度和濕球溫度的概念截然不同 但都是濕空氣的初始溫度和濕度的函數(shù) 對(duì)于水 空氣系統(tǒng) 濕球溫度和絕熱飽和溫度近似相等 由此可以簡(jiǎn)化水氣 空氣系統(tǒng)的干燥計(jì)算 2020 1 28 28 露點(diǎn)td 定義 濕空氣在總壓和濕度不變的條件下冷卻 達(dá)到飽和即將結(jié)出露水狀態(tài)時(shí)的溫度 要點(diǎn) 1 露點(diǎn)是一個(gè)臨界值 一旦溫度繼續(xù)下降至露點(diǎn)以下 空氣中的水汽即凝結(jié)出液態(tài)水 2 根據(jù)定義 當(dāng)濕空氣的溫度達(dá)到露點(diǎn)時(shí) 相對(duì)濕度 1 3 與干球溫度和濕球溫度以及絕熱飽和溫度之間的關(guān)系 不飽和空氣飽和空氣 2020 1 28 29 六 濕空氣的濕 焓圖 P 596圖11 3目的 解決計(jì)算繁雜的問題 1等濕線 使用條件 總壓為常壓 不符合此條件時(shí)要另外作圖以相適應(yīng) 2020 1 28 30 2等焓線 2020 1 28 31 3等干球溫度線 2020 1 28 32 4等相對(duì)濕度線 2020 1 28 33 5水蒸氣分壓線 2020 1 28 34 濕焓圖的應(yīng)用 1確定濕空氣的狀態(tài)或性質(zhì)2作干燥的物料衡算和熱量衡算注意 根據(jù)兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)在圖上找出濕空氣的狀態(tài)點(diǎn) 然后查出其它性質(zhì) 所謂兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)就是兩個(gè)參數(shù)不在同一等溫線或等焓線上 否則形不成交點(diǎn) 無法確定濕空氣的狀態(tài)點(diǎn) 濕比體積vr和濕比熱容cr無法從濕焓圖中查出 必須計(jì)算 2020 1 28 35 由濕焓圖查露點(diǎn)td 露點(diǎn)定義為等濕條件下冷卻至飽和的溫度 所以等濕線與飽和空氣線相交 通過交點(diǎn)的那條等溫線就是露點(diǎn) 2020 1 28 36 由濕焓圖查絕熱飽和溫度tas 絕熱飽和溫度定義為等焓過程中空氣被水所飽和時(shí)的溫度 所以通過空氣狀態(tài)點(diǎn)的等焓線與飽和空氣線交點(diǎn)的等溫線就是絕熱飽和溫度 在水氣 空氣系統(tǒng)中 2020 1 28 37 已知t tw t td t 都可以確定濕空氣的狀態(tài)點(diǎn) 從而進(jìn)一步查出其它未知參數(shù) 例題11 2P 598作業(yè) 11 1 2020 1 28 38 七 濕空氣狀態(tài)的基本變化過程 1間壁式加熱為等濕過程 空氣的溫度升高 焓值增加 相對(duì)濕度降低 吸濕能力增強(qiáng) 這就是空氣在預(yù)熱器內(nèi)進(jìn)行的過程 若空氣的溫度降低 焓值減小 就是間壁式冷卻 2020 1 28 39 2間壁式冷卻減濕當(dāng)間壁式冷卻過程進(jìn)行到露點(diǎn) 狀態(tài)點(diǎn)沿飽和線行進(jìn) 如果將凝結(jié)出的水分不斷除去 溫度雖然不斷降低 空氣卻始終維持在飽和狀態(tài) 如果將減濕后的空氣重新加熱 就可以得到新的狀態(tài)點(diǎn)B 空氣的濕度小于原來的濕度 2020 1 28 40 3不同狀態(tài)的空氣混合當(dāng)兩種不同狀態(tài)的空氣混合 混合氣的狀態(tài)點(diǎn)落在二狀態(tài)點(diǎn)之間的連線上 2020 1 28 41 混合點(diǎn)具體位置的確定 對(duì)水氣作物料衡算 混合前水氣 混合后水氣 作熱量衡算 混合前熱量 混合后熱量 2020 1 28 42 整理兩式 可得杠桿規(guī)則 從而確定混合點(diǎn)n點(diǎn)的具體位置和狀態(tài)參數(shù) 2020 1 28 43 絕熱冷卻增濕空氣與水直接接觸 直至飽和 達(dá)到絕熱飽和溫度 為等焓過程 在等焓過程中空氣增濕 物料被干燥 這就是干燥器內(nèi)進(jìn)行的過程 2020 1 28 44 習(xí)題11 4 5注意 概念明確 到底是什么過程 注意單位和計(jì)算 2020 1 28 45 干燥系統(tǒng)的物料衡算和熱量衡算 1濕物料中含水量的表示方法濕基含水量 干基含水量 定義 水分在濕物料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 以濕物料為計(jì)算基準(zhǔn) 定義 水分與絕干物料的質(zhì)量比 以絕干物料為計(jì)算基準(zhǔn) 2020 1 28 46 濕基含水量和干基含水量之間的關(guān)系 2020 1 28 47 濕物料的比熱容 濕物料的焓 其中 cs為絕干料的比熱容 cw為水的比熱容 其中 為濕物料的溫度 2020 1 28 48 2物料衡算A 求水分蒸發(fā)量如右圖 2 1 1 2 2020 1 28 49 設(shè)干燥器內(nèi)無物料損失 2020 1 28 50 B 求干燥產(chǎn)品量在整個(gè)干燥過程中 絕干料不變 所以 2020 1 28 51 C 求空氣消耗量物料中失去的水分就是空氣中得到的水分 所以 可得 絕干氣流量 2020 1 28 52 那么 新鮮空氣質(zhì)量流量 體積流量 濕空氣的濕比體積 2020 1 28 53 注意 干燥產(chǎn)品 絕干物料廢氣 絕干空氣習(xí)題 11 6 7注意 風(fēng)量即濕空氣的體積流量 水分氣化速率即水分蒸發(fā)量 濕比體積的計(jì)算 2020 1 28 54 如左圖所示 在干燥系統(tǒng)中 濕空氣在預(yù)熱器內(nèi)經(jīng)升溫 在濕度不變的情況下 相對(duì)濕度降低 吸濕能力增強(qiáng) p D 2熱量衡算 2020 1 28 55 輸入熱量來自預(yù)熱器濕空氣帶入濕物料帶入向干燥器補(bǔ)充 2020 1 28 56 輸出熱量廢氣帶走干燥產(chǎn)品帶走其它熱損失 損失于環(huán)境 總熱量來源于 消耗于 蒸發(fā)水分 加熱空氣 損失對(duì)系統(tǒng)作熱量衡算輸入 輸出 kW 2020 1 28 57 蒸發(fā)水分所需熱量 蒸發(fā)水量 0 C下水的汽化潛熱 常溫下水的比熱容 干燥系統(tǒng)的熱效率 意為蒸發(fā)水分所需熱量和干燥系統(tǒng)輸入的總熱量之比 2020 1 28 58 對(duì)系統(tǒng)作物料衡算 空氣熱量消耗 物料熱量消耗 總熱量消耗 預(yù)熱器和干燥器提供的熱量 例題11 6P 607 熱損失 2020 1 28 59 空氣通過干燥器的狀態(tài)變化 1等焓過程 不向干燥器補(bǔ)充熱量 忽略干燥器向周圍散失的熱量 而且物料進(jìn)出干燥器的焓相等 這個(gè)干燥過程就是等焓過程 在實(shí)際操作中很難實(shí)現(xiàn) 被稱為理想干燥過程 作用 簡(jiǎn)化計(jì)算 如圖 在預(yù)熱器里等濕加熱 在干燥器里等焓干燥 2020 1 28 60 2非等焓過程 a補(bǔ)充熱量熱量損失實(shí)際操作線在等焓線上方 c補(bǔ)充熱量 熱量損失實(shí)際操作線在等溫線上 2020 1 28 61 3中間加熱干燥過程 等濕加熱等焓干燥等濕加熱等焓干燥等濕加熱等焓干燥 通過干燥器的空氣三次被加熱 仍然由A點(diǎn)達(dá)到了最終狀態(tài)C點(diǎn) 目的 降低空氣的最高溫度 對(duì)熱敏性食品物料有利 2020 1 28 62 4廢氣循環(huán)干燥過程 A點(diǎn)的新鮮空氣和C點(diǎn)的廢氣混合成為D點(diǎn)的混合氣 然后等濕加熱至E點(diǎn) 進(jìn)入干燥器等焓干燥 到達(dá)C點(diǎn) 注意 a混合氣的狀態(tài)點(diǎn)在參與混合的兩種氣體狀態(tài)點(diǎn)的連線上 b誰的量大混合點(diǎn)離誰近 因?yàn)槭芷溆绊懘?優(yōu)點(diǎn) 余熱利用 習(xí)題11 8 9 2020 1 28 63 物料中的水分 濕物料中含有水分 通過干燥我們要去除一定量的水分 那么 濕物料中的水分有什么區(qū)別 水分與物料的結(jié)合又有哪幾種方式 下面研究的就是物料中的水分 概念1 濕物料中水分的活度 水蒸氣壓pw與同溫下純水的飽和蒸汽壓ps之比 水分活度值與物料的含水量以及溫度有關(guān) 見圖11 16吸著等溫線 水分活度與含水量的關(guān)系曲線 P 6 8 2020 1 28 64 對(duì)于食物保鮮的意義 微生物繁殖快 微生物繁殖受抑制 微生物不能繁殖 2020 1 28 65 對(duì)于干燥的意義 物料中水分活度與濕空氣相對(duì)濕度的關(guān)系 物料失水 活度降低 物料吸水 活度升高 達(dá)到平衡 結(jié)論 要使?jié)裎锪媳桓稍?其中的水分活度必須大于濕空氣的相對(duì)濕度 2020 1 28 66 概念2 平衡水分和自由水分當(dāng)一定狀態(tài)的空氣和濕物料接觸 達(dá)到平衡時(shí)的水分就稱為平衡水分 即濕物料中水分的活度pw ps與濕空氣的相對(duì)濕度 相等時(shí)物料的含水量 若干食品的平衡水分見表11 1P 608 由表可知 物料的平衡水分取決于空氣的相對(duì)濕度 某些食品的平衡水分曲線見圖11 17P 609 由圖中可知 0時(shí) 平衡水分為0 即物料為絕干物料 2020 1 28 67 綜上所述 當(dāng)物料和濕空氣接觸后 一旦達(dá)到平衡 即物料中的水分達(dá)到平衡水分 如果濕空氣的狀態(tài)不變 干燥就停止了 在此之前 物料水分大于平衡水分的那部分水分就稱為自由水分 自由水分可以用干燥的方法去除 濕空氣的相對(duì)濕度越低 物料的平衡水分越低 能被除去的自由水分越高 所以應(yīng)該盡量采用相對(duì)濕度低的空氣作為干燥介質(zhì) 2020 1 28 68 概念3 結(jié)合水分與非結(jié)合水分按照物料中水分與物料的結(jié)合方式不同 物料中的水分可以劃分為以下幾種 化學(xué)結(jié)合水如結(jié)晶水 不能用干燥方法去除 物化結(jié)合水如吸附水分 滲透水分 結(jié)構(gòu)水分 其中吸附水分結(jié)合力最強(qiáng) 機(jī)械結(jié)合水如毛細(xì)管水分 空隙中水分 表面濕潤水分 其中表面濕潤水分結(jié)合力最強(qiáng) 結(jié)合力強(qiáng)的水分水分難去除 稱為結(jié)合水分 結(jié)合力弱的水分水分易去除 稱為非結(jié)合水分 2020 1 28 69 見圖11 18 P 609平衡水分曲線以上的為自由水分 平衡水分曲線與 100 線交點(diǎn)以上的為非結(jié)合水分 容易除去 非結(jié)合水分的活度 1 它與物料的結(jié)合力極弱 汽化這種水分與汽化純水相同 極易用干燥的方法除去 例題11 7看書作業(yè)11 10 2020 1 28 70 干燥機(jī)理 水分由物料內(nèi)部向表面擴(kuò)散原因 表面水分先汽化 形成了內(nèi)外濕度梯度 熱量由表面向內(nèi)部傳遞原因 熱空氣向物料表面?zhèn)鳠?形成內(nèi)外溫度梯度 濕空氣 在物料表面的氣膜內(nèi) 水分蒸汽