陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-固体干燥【圣才出品】

第14章固体干燥
14.1 复习笔记
一、概述
1．固体去湿方法和干燥过程
（1）物料的去湿方法
①机械去湿
当物料带水较多，可先用离心过滤等机械分离方法以除去大量的水。

②吸附去湿
用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaC12、硅胶等）与湿物料并存，使物料中水分相继经气相而转入干燥剂内。

③供热干燥
向物料供热以汽化其中的水分。

供热方式又有多种。

工业干燥操作多是用热空气或其他高温气体为介质，使之掠过物料表面，介质向物料供热并带走汽化的湿分。

此种干燥常称为对流干燥，是本章讨论的主要内容。

（2）对流干燥过程的特点当温度较高的气流与湿物料直接接触时，气固两相间所发生的是热、质同时传递的过程。

2．对流干燥流程
对流干燥可以是连续过程也可以是间歇过程，图14-1是典型的对流干燥流程示意图。

空气经预热器加热至适当温度后，进入干燥器。

在干燥器内，气流与湿物料直接接触。

沿其
行程气体温度降低，湿含量增加，废气自干燥器另一端排出。

若为间歇过程，湿物料成批放入干燥器内，待干燥至指定的含湿要求后一次取出。

图14-1 对流干燥流程示意图
二、干燥静力学
1．空气的状态参数
（1）空气中水分含量的表示方法
①水汽分压p水汽与露点t d
测定水汽分压的实验方法是测量露点，即在总压不变的条件下将空气与不断降温的冷壁相接触，直至空气在光滑的冷壁面上析出水雾，此时的冷壁温度称为露点t d。

测出露点温度t d，便可从手册中查得此温度下的饱和水蒸气压。

②空气的湿度
空气的湿度H定义为每千克干空气所带有的水汽量，单位是kg/kg干气，即
式中P为总压。

③相对湿度
从相对湿度的定义可知，相对湿度φ表示了空气中水分含量的相对大小。

φ＝1，表示空气已达饱和状态，不能再接纳任何水分；φ值愈小，表明空气尚可接纳的水分愈多。

④湿球温度
测量水汽含量的简易方法是测量空气的湿球温度t w。

对空气-水系统，当被测气流的温度不太高，流速＞5m/s时，α/k H为一常数，其值约为1.09kJ/（kg·℃），故
由湿球温度的原理可知，空气的湿球温度t w总是低于干球温度t。

t w与t差距愈小，表示空气中的水分含量愈接近饱和；对饱和湿空气t w＝t。

（2）与过程计算有关的参数
①湿空气的焓
对空气-水系统有
②湿空气的比体积
常压下温度为t℃、湿度为H的湿空气比体积为
干燥过程中空气的湿度一般并不太大，上式中湿度H值较小，除有特殊需要时外，用绝干空气的比体积以代替湿空气的比体积所造成的误差并不大。

（3）湿度图
在总压P一定时，上述湿空气的各个参数（t、p水汽、φ、H、I、t w等）中，只有两个参数是独立的，即规定两个互相独立的参数，湿空气的状态即被唯一地确定。

图14-2 空气水系统的湿度-温度图（100kPa）
2．湿空气状态的变化过程
（1）加热与冷却过程
若不计换热器的流动阻力，湿空气的加热或冷却属等压过程。

（2）绝热增湿过程
设温度为t、湿度为H的不饱和空气流经一管路或设备，见图14-3（a），
图14-3 绝热增湿过程
在设备内向气流喷洒少量温度为0的水滴。

这些水接受来自空气的热量后全部汽化为蒸汽而混入气流之中，致使空气温度下降、湿度上升。

当不计热损失时，空气给水的显热全
部变为水分汽化的潜热返回空气，因而称为绝热增湿过程。

过程终了时空气的焓较之初态略有增加，此增量为所加入的水在0温度下的显热。

由于增量ΔI与空气的焓I相比甚小，一般可以忽略而将绝热增湿过程视为等焓过程，如图14-3（b）中AB线段所示。

由此可知，绝热饱和温度是气体在绝热条件下增湿直至饱和的温度。

3．水分在气-固两相间的平衡
（1）结合水与非结合水
水在固体物料中可以不同的形态存在，以不同的方式与固体相结合。

①借化学力或物理化学力与固体相结合的水统称为结合水；
②当物料中含水较多时，除一部分水与固体结合外，其余的水只是机械地附着于固体表面或颗粒堆积层中的大空隙中（不存在毛细管力），这些水称为非结合水。

基本区别：结合水与非结合水的基本区别是其表现的平衡蒸汽压不同。

非结合水的性质与纯水相同，其表现的平衡蒸汽压即为同温度下纯水的饱和蒸气压，结合水则不同，因化学和物理化学力的存在，所表现的蒸汽压低于同温度下的纯水的饱和蒸气压。

图14-4 室温下几种物料的平衡曲线
1-石棉纤维板，2-聚氯乙烯粉（50℃），3木炭，4-牛皮纸；5-黄麻；6-小麦；7-土豆（2）平衡水分与自由水分
若固体物料中的水分都属非结合水，则只要空气未达饱和，且有足够的接触时间，原则上所有的水都将被空气带走，就像雨后马路上的水被风吹干那样。

但是，当有结合水存在时，情况就不同了。

设想以相对湿度φ的空气掠过同温度的湿固体，长时间后，固体物料的含水量将由原来的含水量X t降为X*，但不可能绝对干燥。

X*是物料在指定空气条件下的被干燥的极限，称为该空气状态下的平衡含水量。

平衡含水量一部分是非结合水（相当于X1－X max），另一部分是结合水（相当于X max －X*）。

所有能被指定状态的空气带走的水分称自由水分，相应地称（X1－X*）为自由含水量，即
自由含水量X＝X1－X*
自由含水量是干燥过程的推动力。

结合水与非结合水、平衡水分与自由水分是两种不同的区分。

水之结合与否是固体物料的性质，与空气状态无关；而平衡水分与自由水分的区别则与空气状态有关。

三、干燥速率与干燥过程计算
1．物料在定态空气条件下的干燥速率
（1）物料的干燥速率即水分汽化速率N A可用单位时间、单位面积（气固接触界面）被汽化的水量表示，即
式中G e——试样中绝对干燥物料的质量，kg；
A——样暴露于气流中的表面积，m2；
X——料的自由含水量，X＝X1－X*kg水/kg干料
（2）恒速干燥阶段。