化工原理课程设计

第一章气体干燥概述

1.1 概述

干燥是利用热能将湿物料中湿份除去的操作过程。干燥技术在化工、制药、造纸、食品、生物、材料、农副产品加工、煤和木材加工等行业得到广泛应用。干燥的目的主要是便于物料的储藏、运输和加工，通过干燥是产品或半成品达到要求的含湿标准。

干燥的方法有很多种，如按操作压力分为常压干燥和真空干燥；按操作的方式分为连续干燥和间歇干燥；按传热方式可分为传到干燥、对流干燥、辐射干燥、接电加热干燥及由上述两种或多种方式组合的联合干燥。

1.2 干燥过程

化工中以连续的对流干燥应用最为普遍，干燥介质可以是不饱和热空气，惰性气体及烟道气，需要除去的湿分为水分或其他化学溶剂。在对流干燥过程中，热空气将热量传给湿物料，使物料表面水分汽化，汽化的水分由空气带走。因此，干燥是传质和传热同时进行的过程，传热的方向是由气相到固相，热空气与湿物料的温差是传热的推动力；传质的方向是由固相到气相，传质的推动力是物料表面的水汽分压与热空气中水汽分压之差。显然，传质、传热的方向相反，但密切相关，干燥速率由传热和传质速率共同控制。

通常干燥过程的预热段都很短，故常常将干燥过程分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段两个过程。在恒速干燥阶段，干燥速率保持不变，基本上不随物料含水量而变化；在降速干燥阶段，干燥速率随物料含水量的减少而降低，当物料的含水量等于平衡含水量时，干燥过程停止

第二章气流干燥过程

2.1 气流干燥过程

气流干燥是将散粒状固体物料分散悬浮在高速热气流中，在气力输送

下进行干燥的一种方法气流干燥适合于处理粒径小、干燥过程主要由表面气化控制的物料。对于粒径小于0.5～0.7mm的物料，不论初始含水量如何，一般都能将含水量降为0.3％～0.5％。但由于物料在气流干燥器内的停留时间很短(一般只有几秒)，不易得到含水量更低的干燥产品。

2.2 气流干燥的使用范围

2.2.1物料形态

气流干燥技术主要适用颗粒状、粉末状、湿物料。颗粒的粒径一般在20mm以下。对于块状﹑或膏状湿物料，一般在干燥器底部串联一粉碎机，湿物料和高温介质可以直接通过粉碎机内部，使膏状物料边干燥边粉碎，然后再进入气流干燥管进行干燥，以解决膏糊状物料难以连续干燥的问题。

2.2.2物料中湿分存在状态

气流干燥器内高温热气流以高速在干燥管内流动，停留时间非常有限，因此，一般只适用于物料非结合水进行表面蒸发的恒速干燥过程。实践表明，这些状态水分存在下，颗粒状物料均可在气流干燥管中进行干燥，最终获得含水率为0.3%~0.5%的产品。对于湿分在物料内作扩散迁移的湿物料，则完全不适用于气流干燥过程。

2.2.3 对干燥产品有无其它附加要求

气流干燥器中的高速气流使颗粒之间、颗粒与器壁之间的激烈碰撞和摩擦，物料很容易粉碎和磨损，更难以保存完好的结晶形状和结晶光泽，因此，对干燥产品有上述要求的情况下，不适于气流干燥方法。

2.2.4 其它不适用情况

有些物料极易粘附在管壁上，如钛白粉、粗制葡萄糖等不宜采用气流干燥方法；另外，物料粒度太细或物料本身有毒，由于气固相分离较难，一般也不宜采用气流干燥方法。

2.2.5 气流干燥流程的主体设备

干燥过程的主体设备为干燥器。根据被干燥物料的性质﹑干燥程度的要求﹑生产能力的大小不同，所采用的干燥器的型式也是多种多样的。由于固体物料干燥的机理复杂，至今仍未找到阐明干燥过程机理的合适理论。在能达到预期干燥目的前提下，选用干燥器主要还是根据操作费用、投资多少、安全因素及操作是否方便等因素决定，而无法进行严密的实际计算。

第三章 气流干燥器的设计概述

3.1 颗粒在气流干燥管中的运动

3.1.1加速运动与等速运动及其干燥特征

颗粒从干燥管底部进入时，其上升的速度p u 为零，而气流的运动速度为g u ，此时气固相间的相对运动速度p g r u u u -=为最大。此后，颗粒在上升气流对其产生的曳力的作用下，上升速度p u 不断增大，而气、固相间的相对速度r u 不断减小。当r u 等于颗粒的沉降速度t u 时，颗粒的加速度为零，此后将以恒定的速度继续上升。可见颗粒在干燥管中分为加速阶段和恒速阶段。加速阶段的长短主要与入口的气流速度、颗粒的大小和密度有关，通常在物料入口以上1~3m 内完成。在加速阶段，由于气固两相间的相对运动速度r u 大，对流传热系

数大；在等速阶段，气固两相间的相对速度保持不变，所以对流传热系数基本上不变；而且由于颗粒较小，其沉降速度小，即气固两相间的相对速度小，对流传热传质系数不大，同时在等速阶段颗粒有最大的上升速度。因此，单位体积干燥管中颗粒密集度低，单位体积干燥管的传热传质面积小，这些多重因素使得等速段的传热传质速率小，干燥效率低。 3.2颗粒在气流干燥器中的对流传热系数

3.2.1单个球形颗粒与气流间的对流传热系数关联式

Frossling 根据颗粒或液滴在静止流体中的热传导及在流动流体中的对流传热可以加和的特性和实验数据，提出下列关联式：

11

3

22.0(Re )()p

P r hd Nu K P λ==+ （3-1） 式中：K ——系数，量纲为1，Rsnz 和Marshall 通过大量的实验数据确定系数K=0.60；

λ——气体的导热系数，W/(m.K);

Nu ——Nusselt 准数，量纲为1，它包含了表面对流传热系数h ，W/(2m .K)； Cp ——气体的比热容，J/( kg.K)

在实际生产过程中，最常用的干燥介质是热空气，其中Pr 数值变化幅度小，且接近1，所以上式可写成：

1

22.00.54Re Nu =+ （3-2） 由此式课直接计算得到单个球形颗粒与气流间的对流传热系数。

3.2.2颗粒在气流干燥器中的对流传热速率

1.加速运动阶段

在加速运动阶段，由于颗粒的运动速度p u 不断变化，所以对流传热系数h 和单位有效传热面积a 也是不断变化的。因此颗粒与气流之间的传热量须采用微积分方法进行计算 m t dZ D ha dQ Δ4π2•= （3-3） 若雷诺数在之间和9.0Re 5.88Re 0==t ，则

τΔ4π4πρ36006λRe 14.12256.0d u t D u D d G

d dQ p m p p p p

= （3-4） 经处理得

+=2222)

Re ξ(Re Re ξRe μ3ρ4τArd d d d p p （3-5） 式中，23

μ3ρρ4p

p gd Ar = 为阿基米德数，纲量为1

当Re=9~88.5之间，处于过渡区，根据曳力系数与雷诺数间的关系得

()+×=44.10

44.106.006.0Re 1Re 1144Re Re 6.01A 0.t t Ar Q （3-6） 其中μ

36003λ44.1Δ24×=m t G A （3-7） 当Re 在400~1之间，把上式整理得