制药工程原理与设备--干燥.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/7/19,#,第,九,章 干 燥,一、去湿及其方法,二、干燥方法,三、对流干燥的传热传质过程,第一节 概述,一、去湿及其方法,1,、何为去湿？,从物料中脱除,湿分,的过程称为,去湿。,湿分：,不一定是水分！,2,、去湿方法,机械去湿法,：挤压（拧衣服、过滤）,物理法,：浓硫酸吸收,分子筛吸附,膜法脱湿,化学法,：利用化学反应脱除湿分（,CaO,）,干燥法：,加热,二、干燥方法,1,、传导干燥,热能通过传热壁面以,传导的方式,传给湿物料,被干燥的物料与加热介质不直接接触，属,间接干燥,优点：,热能利用较多,缺点：,与传热壁面接触的物料易局部过热而变质，受热不均匀。,2,、辐射干燥,热能,以电磁波的形式,由辐射器发射到湿物料表面，被物,料吸收转化为热能，而将水分加热汽化。,优点,：生产能力强，干燥产物均匀,缺点,：能耗大,3,、介电加热干燥,将需干燥的物料置于交频电场内，利用,高频电场的交变作用,将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。,优点,：干燥时间短，干燥产品均匀而洁净。,缺点,：费用大。,4,、对流干燥,热能以,对流给热的方式,由热干燥介质（通常热空气）传给湿物料，使物料中的水分汽化。物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸汽从表面扩散至干燥介质主体，再由介质带走的干燥过程称为对流干燥。,优点,：受热均匀，所得产品的含水量均匀。,缺点,：热利用率低。,典型的对流干燥流程：,风机,预热器,干燥器,空气,蒸气,湿物料,干燥产品,对流干燥流程示意图,一、,湿空气的性质,二、,湿度图及其应用,第二节,湿空气,的性质和湿度图,一、湿空气的性质,1,、湿度,H,（,humidity,）,湿空气中水汽的质量与绝干空气的质量之比,，又称湿含量。,对于水蒸气,空气系统：,当湿空气中水汽分压,p,w,等于该空气温度下的饱和蒸汽压,p,s,时，其湿度称为,饱和湿度,，用,H,s,表示。,2,、相对湿度百分数,（,relative humidity,）,在总压,P,一定的条件下，湿空气中水蒸气分压,p,w,与同温度下的饱和蒸汽压,p,s,之比。,相对湿度代表湿空气的不饱和程度,，,愈低，表明该空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。,=1,，湿空气达到饱和，不能作为干燥介质。,将,代入,在总压一定时,3,、比容,在湿空气中，,1kg,绝干空气体积和相应水汽体积之和，又称湿容积。,4,、比热,常压下，将湿空气,1Kg,绝干空气及相应水汽的温度升高（或降低）,1,所需要（或放出）的热量，称为湿比热。,5,、湿空气的焓,湿空气中,1 kg,绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。,6,、干球温度,t,和湿球温度,1,）干球温度,用普通温度计测得的,湿空气的真实温度,2,）湿球温度,湿球温度计在温度为,t,，湿度为,H,的不饱和空气流中，达到平衡或稳定时所显示的温度。,t,大量的湿空气,t,H,t,w,水,t,大量的湿空气,t,H,水,表面水的分压高,N,k,H,水向空气,主体传递,Q,蒸发时,需要吸热,t,w,自身降温,对于空气,水蒸气系统而言,当,时，,在一定的总压下，已知,t,、,t,w,能否,确定,H,?,7,、绝热饱和冷却温度,水分向空气中汽化,空气降温增湿,饱和,绝热,焓不变,对绝热饱和器作焓衡算，即可求出绝热饱和温度,一般,H,及,Has,值均很小,是湿空气在绝热、冷却、增湿过程中达到的极限冷却温度。,对于空气,水系统，,注意：绝热饱和温度于湿球温度的区别和联系！,8,、露点,将不饱和空气,等湿冷却,到饱和状态时的温度,相应的湿度称为饱和湿度,对于水蒸汽,空气系统，干球温度、绝热饱和温度和露点间的关系为：,不饱和空气：,饱和空气：,二、湿度图及其应用,1,、,H-I,图,P,坐标轴,五条线,-,等湿线,等焓线,等干球温度线,等相对湿度线,水蒸汽分压线,2,、湿度图的应用,1,）由测出的参数确定湿空气的状态,a,）水与空气系统，已知,空气的干球温度,t,和湿球温度,t,w,，确定该,空气的状态点,A(t,H),。,b,）水与空气系统中，已知,t,和,t,d,，求原始状态点,A(t,H),。,c,）,水与空气系统中，已知,t,和,，求原始状态点,A,的位置,2,）已知湿空气某两个可确定状态的独立变量，求该湿空气的其他参数和性质,A,t,d,A,A,例：,已知湿空气的干球温度,t,=30,，相对湿度,=0.6,，求湿空气的湿度,H,，露点,t,d,、,t,as,。,t,=30,A,H=0.016kg/kg,干气,D,t,d,=21,等焓线,C,t,as,=23,一、湿物料中含水量的表示 方法,二、干燥系统的物料衡算,三、干燥系统的热量衡算,四、,空气通过干燥器时的状态变化,第三节 干燥过程的物料与热量衡算,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,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,2,、空气消耗量,L,每蒸发,1kg,水分时，消耗的绝干空气数量,l,3,、干燥产品流量,G,2,对干燥器作绝干物料的衡算,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,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,连续干燥系统热量衡算的基本方程式,假设：,新鲜干空气中水汽的焓等于离开干燥器废气中水汽的焓,湿物料进出干燥器时的比热取平均值,湿空气进出干燥器时的焓分别为：,湿物料进出干燥器的焓分别为,可见：向干燥系统输入的热量用于：加热空气；加热物料；蒸发水分；热损失,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,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,Q,D,=0,；,忽略干燥器向周围散失的热量,Q,L,=0,；,物料进出干燥器的焓相等,将上述条件代入,H,0,t,0,A,I,H,t,1,B,t,2,C,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,Q,D,=0,；,不能忽略干燥器向周围散失的热量,QL0,；,物料进出干燥器时的焓不相等,I,H,t,1,B,t,2,C,C,1,C,2,C,3,2,）操作线在过点,B,的等焓线上方,向干燥器补充的热量大于损失的热量和加热物料消耗的热量之总和,3,）操作线为过,B,点的等温线,向干燥器补充的热量足够多，恰使干燥过程在等温下进行,例：,某种湿物料在常压气流干燥器中进行干燥，湿物料的流量为,1kg/s,，初始湿基含水量为,3.5%,，干燥产品的湿基含水量为,0.5%,。空气状况为：初始温度为,25,，湿度为,0.005kg/kg,干空气，经预热后进干燥器的温度为,140,，若离开干燥器的温度选定为,60,和,40,，,试分别计算需要的空气消耗量及预热器的传热速率。,又若空气在干燥器的后续设备中温度下降了,10,，试分析以上两种情况下物料是否返潮？假设干燥器为理想干燥器。,解：,因在干燥器内经历等焓过程，,绝干物料量：,绝干空气量,预热器的传热速率,分析物料的返潮情况,当,t,2,=60,时，干燥器出口空气中水汽分压为,t,=50,时，饱和蒸汽压,p,s,=12.34kPa,，,即此时空气温度尚未达到气体的露点，,不会返潮,。,当,t,2,=40,时，干燥器出口空气中水汽分压为,t,=30,时，饱和蒸汽压,p,s,=4.25kPa,，,物料可能返潮。,一、物料中所含水分的性质,二、干燥曲线和干燥速率曲线,三、干燥时间的计算,第四节,干燥速度和干燥时间,一、物料中所含水分的性质,1,、平衡水分与自由水分,1,）平衡水分,用某种空气无法再去除的水分。,与物料的,种类、温度,及空气的,相对湿度,有关,物料中的平衡水分随,温度升高而减小,随,湿度的增加而增加,。,2,）自由水分,在干燥过程中所能除去的超出平衡水分的那一部分水分。,2,、结合水分和非结合水分,结合水分：,与物料之间有物理化学作用，因而产生的,蒸汽压,低于同温度下纯水的饱和蒸汽压,。,包括溶涨水分和小毛细管中的水分。,难于除去,非结合水分：,机械地附着在物料表面，产生的,蒸汽压与纯,水无异。,包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。,容易除去,。,平衡水分一定是结合水分；,自由水分包括了全部非结合水分和一部分结合水分。,二、干燥曲线和干燥速率曲线,1,、干燥实验和干燥曲线,干燥曲线,：,恒定干燥条件下，物料的含水率,X,与时间,的关系,2,、干燥速率曲线,1,）干燥速率曲线,干燥速率：,单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量,ABC,段表示干燥第一阶段，,BC,段为恒速干燥阶段，,AB,段为物料的预热阶段，但此段所需的时间很短，一般并入,BC,段内考虑。,CDE,段为第二阶段，,在此阶段内干燥速率随物料含水量的减小而降低，称为,降速干燥阶段。,两个干燥阶段之间的交点称为临界点。与该点对应的物料含水量称为临界含水,X,C,。,2,）干燥机理,a,）恒速干燥阶段,干燥速度由水的表面汽化速度所控制,b,）降速干燥阶段,过程速度由水分从物料内部移动到表面的速度所控制。,c,）临界含水量,临界水分随物料本身性质、厚度和干燥速率的不同而异，通常临界水分随,恒速阶段的干燥速度和物料厚度的增加而增大。,三、干燥时间的计算,1,、恒定干燥条件下干燥时间的计算,1,）利用干燥速度曲线进行计算,分离变量积分,2,）用对流传热系数或传质系数进行计算,水分由表面汽化的速率,汽化所需热量,3,）影响恒速干燥的因素,空气流速的影响,空气湿度的影响,空气温度的影响,2,、降速干燥时间的计算,不论干燥曲线如何，都可用,图解积分法,当干燥曲线为直线或近似直线时,3,、干燥总时间,第五节 干燥设备,为满足生产需要，干燥器应达到以下基本要求：,适应被干燥物料的多样性和不同产品规格要求；,设备的生产能力要高；,能耗的经济性；,还应便于操作、控制等。,一、工业上常用干燥器,（,1,）厢式干燥器（盘架式干燥器）,原理：,主要是以热风通过湿物料的表面，达到干燥的目的。,厢式干燥器中的加热方式有两种：,单级加热,多级加热,采用废气循环法的优点：,可灵活准确地控制干燥介质的温度、湿度；,干燥推动力比较均匀；,增加气流速度使得传热（传质）系数增大；,减少热损失，但干燥速率常有所减小。,具有中间加热的干燥过程,等,线,C,2,C,1,A,C,t,/,B,3,B,2,B,1,B,H,/(kg kg,-1,),等,线,t,/,H,/(kg kg,-1,),M,A,C,B,B,具有废气循环的干燥过程,厢式干燥器的优点,：,构造简单，设备投资少；,适应性强，物料损失小，盘易清洗。,尤其适用于需要经常更换产品、小批量物料的干燥。,物料得不到分散，干燥时间长；,若物料量大，所需的设备容积也大；,工人劳动强度大；,热利用率低；,产品质量不均匀。,厢式干燥器的主要缺点：,（,2,）气流式干燥器,结构：,优点,：,气、固间传递表面积很大，体积传质系数很高，干燥速率大；,接触时间短，热效率高，气、固并流操作，可以采用高温介质，对热敏性物料的干燥尤为适宜；,由于干燥伴随着气力输送，减少了产品的输送装置；,气流干燥器的结构相对简单，占地面积小，运动部件少，易于维修，成本费用低。,缺点：,必须有高效能的粉尘收集装置，否则尾气携带的粉尘将造成很大的浪费，也会对形成对环境的污染；,对有毒物质，不易采用这种干燥方法。但如果必须使用时，可利用过热蒸汽作为干燥介质；,对结块、不易分散的物料，需要性能好的加料装置，有时还需附加粉碎过程；,气流干燥系统的流动阻力降较大，动力消耗较大。,应用,：,气流干燥器适宜于处理含非结合水及结块不严重又不怕磨损的粒状物料，尤其适宜于干燥热敏性物料或临界含水量低的细粒或粉末物料。对粘性和膏状物料，采用干料返混方法和适宜的加料装置，如螺旋加料器等，也可正常操作。,（,3,）流化床干燥器（沸腾床干燥器）,原理：,流化床干燥器是流态化原理在干燥中的应用，流态化原理已在上册中叙述。在流化床干燥器中，颗粒在热气流中上下翻动，彼此碰撞和混合，气、固间进行传热、传质，以达到干燥目的。,加料,单层圆筒沸腾床干燥器,至分离器,出料,热空气,分布盘,气体出口,加料,出料,床内分离器,第一层,第二层,热空气,多层流化床干燥器,优点,与其它干燥器相比，传热、传质速率高；,由于传递速率高，气体离开床层时几乎等于或略高于床层温度，因而热效率高；,由于气体可迅速降温，所以与其他干燥器比，可采用更高的气体入口温度；,设备简单，无运动部件，成本费用低；,操作控制容易。,（,4,）喷雾干燥器,原理：,在喷雾干燥器中，将液态物料通过,喷雾器,分散成细小的液滴，在热气流中自由沉降并迅速蒸发，最后被干燥为固体颗粒与气流分离。,优点,在高温介质中，干燥过程极快，适宜于处理热敏性物料；,处理物料种类广泛，如溶液、悬浮液、浆状物料等皆可；,喷雾干燥可直接获得干燥产品，因而可省去蒸发、结晶、过滤、粉碎等工序；,能得到速溶的粉末或空心细颗粒；,过程易于连续化、自动化。,二、干燥器的选择,（,1,）选择干燥器需要考虑的问题,被干燥物料的性质；,湿物料的干燥特性；,处理量；,回收问题；能源价格、安全操作和环境因素。,缺点：,热效率低；,设备占地面积大、设备成本费高；,粉尘回收麻烦，回收设备投资大。,（,2,）干燥器选择步骤,根据湿物料的形态、干燥特性、产品的要求、处理量和以及所采用的热源为出发点，进行干燥实验，确定干燥动力学和传递特性；,确定干燥设备的工艺尺寸，结合环境要求，选择出适宜的干燥器型式；,若几种干燥器同时适用时，要进行成本核算及方案比较，选择其中最佳者。,三、干燥新技术与新设备,（,1,）干燥新技术,过热蒸汽干燥,利用过热蒸汽直接与被干燥物料接触而除去水分的操作。,对撞流干燥器,以两股（或多股）高速流动的气流在一定的容器内迎面相撞，其中至少有一股气流携带有待干燥的颗粒物料或液滴，该湿物料在各气流形成的对撞区内完成其干燥过程。,（,2,）干燥新设备,流化床喷雾造粒干燥；,真空耙式干燥器；,旋转快速（或称旋转闪蒸）干燥器；,圆盘干燥器。,