第十一章 干燥

t tw 气体
cH cg 1 cv H
湿球温度的测定 物料充分湿润，湿分在物料表面的汽化和在液面上汽化 相同。 物料经过预热，很快达到稳定的温度，由于对流传热强 烈，物料温度接近气体的湿球温度 tw。 对于空气-水系统， tw<100℃。当气体的湿度一定时，气 体的温度越高，干、湿球温度的差值越大。 结论：当物料充分湿润时，可以使用高温气体做干燥介 质而不至于烧毁物料。例如，可以使用500℃的气体烘干 淀粉。 对初始温度为 20℃、相对湿度为 80% 的常压空气 t℃ 20 60 100 200 500
系统总压 P ：湿空气的总压（kN/m2），即P干空气 与P水 之和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。且
p H 2O p干空气

n H 2O n干空气
干燥操作通常在常压下进行，常压干燥的系统总压接近 大气压力，热敏性物料的干燥一般在减压下操作。
p pV pg
pV py
p(), pV y ;
第一节 湿气体的热力学性质
湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。在干燥过程中， 随着湿物料中水份的汽化，湿空气中水份含量不断增加， 但绝干空气的质量保持不变。因此，湿空气性质一般都以 1kg绝干空气为基准。 操作压强不太高时，空气可视为理想气体。 一、湿空气的性质 （一）湿空气中湿含量的表示方法 1、水气分压ｐv 常压下湿空气可视为理想气体，根据道尔顿分压定律，
染料或纸张水分不一 产品水分过低，产量(值)↓
在化学工业生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过 多的水分或有机溶剂 (湿分)，要制得合格的产品需要除去 固体物料中多余的湿分。 除湿方法：机械除湿——如离心分离、沉降、过滤。
干燥 ——利用热能使湿物料中的湿 分汽化。除湿程度高，但能耗大。
惯用做法：先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿分除 去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿分干燥掉， 以降低除湿的成本。 干燥分类：
cH 1.01 1.88H
3、焓I (Total enthalpy) 焓：1kg 绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。
I I g HI v
由于焓是相对值，计算焓值时必须规定基准状态和基准 温度，一般以 0℃ 为基准，且规定在 0℃ 时绝干空气和液 态水的焓值均为零，则
I g cg t
若 t >总压下湿空气的沸点，最大 (空气全为水汽) < 100%。故工业上常用过热蒸汽做干燥介质；
若 t > 湿分的临界温度，气体中的湿分已是真实气体， 此时 =0，理论上吸湿能力不受限制。
= f (H, t)
HP ( H 0.622) ps
ps 随温度的升高而增加，H 不变,提高 t，，气体的吸 湿能力增加，故空气用作干燥介质应先预热。 H 不变而降低 t，，空气趋近饱和状态。当空气达到 饱和状态而继续冷却时，空气中的水份将呈液态析出。
S (t t w ) k H S ( H s ,t H ) rw
w
对流传质 N
tw t
kH

rt w ( H s ,t w H )
—— 湿球温度 tw 定义式
(2) 空气的湿球温度（Wet-bulb temperature）
k tw t H rW ( H s ,tw H ) kH 有相同的作用，可认为 kH / α与速度
IV r0 cV t
I (cg Hcv )t r0 H cH t r0 H
显热项 汽化潜热项
I (1.01 1.88H )t 2492H
对于空气-水系统：
（三）湿空气的温度 (1)干球温度 t ：湿空气的真实温度，简称温度(℃ 或 K)。 将温度计直接插在湿空气中即可测量。
pV pS
表明湿空气被水汽饱和。
绝对湿度(湿度) H（Humidity） 湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。若湿分蒸 汽和绝干空气的摩尔数 (nv, ng) 和摩尔质量 (Mv , Mg)
nv M v M v pV H ng M g M g P pV
Kg水蒸汽/kg绝干空气
解决这些问题需要掌握的基本知识有： (1) 湿分在气固两相间的传递规律； (2) 湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化； (3) 物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征； (4) 干燥过程中物料衡算关系、热量衡算关系和速率关系。 本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基 本问题，介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。
生物分离工程
主讲人：赵丽辉 授课年级：1308221.211.212 长春理工大学生命科学技术学院
第十一章 干 燥 Chapter 11 Drying
概述（Introduction）
目的 贮存 运输 举例 药品湿含量↑→有效期↓ 煤粉含水量↑→净煤运输量↓运费↑
加工
使用 产量
塑料原体含水量↑→成型时产生气泡
湿物 料表 面水 分汽 化并 被带 走
传质过程
表面 与内 部出 现水 分浓 度差
内部 水分 扩散 到表 面
传质过程
干燥过程推动力：
传质推动力：物料表面水分压P表水 > 热空气中的水分压P空水
传热推动力：热空气的温度t空气 >物料表面的温度t物表
干燥过程基本问题
除水分量 空气消耗量 干燥产品量 热量消耗 干燥时间 能量衡算 涉及干燥速率和水在 气固相的平衡关系 物料衡算 涉及湿空气的性质
对流干燥过程原理 温度为 t、湿分分压为 p 的湿热气体流过湿物料的表面， 物料表面温度 ti 低于气体温度 t 。 由于温差的存在，气体以对流方 式向固体物料传热，使湿分汽化； 在分压差的作用下，湿分由物料 表面向气流主体扩散，并被气流 带走。 干燥是热、质同时传递的过程 干燥介质：用来传递热量（载热 体）和湿分（载湿体）的介质。
5、冷冻干燥 物料冷冻后，用干燥器抽成真空， 并使再热体循环，对物料提供必要的升华热。
冷冻干燥常用于医药品、生物制品及食品的干燥。 真空干燥的特点： （1）操作温度低，干燥速度快，热的经济性好； （ 2 ）适用于维生素、抗菌素等热敏性产品以及在 空气中易氧化、易燃易爆的物料；
（ 3 ）适用于含有溶剂或有毒气体的物料，溶剂回 收容易； （ 4 ）在真空下干燥，产品含水量可以很低，适用 于要求低含水量的产品； （ 5 ）由于加料口与产品排除口等处的密封问题， 大型化、连续化生产有困难。 本章重点： 以不饱和热空气为干燥介质，除去湿物 料中水分的连续对流干燥过程。
(3)绝热饱和冷却温度tas
绝热饱和过程 (Adiabatic saturation process)： 设塔与外界绝热，在不饱和空气与大量水充分接触的 过程中，水分会不断汽化进入空气中，汽化所需的热 量由空气温度下降放出显热供给，水汽又将这部分热 量以汽化潜热的形式带回至空气中。随着过程的进行， 空气的温度沿塔高逐渐下降、湿度逐渐升高，若两相 有足够长的接触时间，最终空气为水汽所饱和，而温 度降到与循环水温相同。空气在塔内的状态变化是在 绝热条件下降温、增湿直至饱和的过程，达到稳定状 态下的温度就是初始湿空气的绝热饱和冷却温度，与 之相应的湿度称为绝热饱和湿度，以Has表示。 高温不饱和空气与水在绝热条件下进行传热、传质并 达到平衡状态的过程。达到平衡时，空气与水温度相 等，空气被水的蒸汽所饱和。
湿球温度的测定 湿球温度计测定湿球温度的条 件是保证纯对流传热，即气体 应有较大的流速和不太高的温 度，否则，热传导或热辐射的 影响不能忽略，测得的湿球温 度会有较大的误差。 通过测定气体的干球温度和 湿球温度，可以计算气体的 湿度：
H H s ,t w c H (t t w ) rw
（二）湿空气的比体积、比热容和焓
1.比体积H (Humid volume) 或湿比容 (m3/kg绝干气体) 比容：1kg 绝干空气和相应水汽体积之比。
湿空气的体积 H 湿空气中干空气的质量
m3湿气 / kg干气
1 H ng nV M g MV
kmol 湿气/kg干气
H t 273 1.0133 105 1 vH 22.41 273 P 28.95 18.02 t 273 1.0133 105 (0.774 1.244 H ) 273 P
因流速等影响气膜厚度的因素对 α 和
等因素无关，而仅取决于系统的物性。
结论： tw = f (t, H) ，气体的 t 和 H 一定，tw 为定值。
对于空气-水系统：

kH
1.09
rw tw t ( H s ,t w H ) 1.09
饱和气体: H = Hs，tw = t，即饱和空气的干、湿球温度相等。 不饱和气体:H < Hs，tw < t 。
tw ℃
17.62
28.36
35.76
47.63
64.43
注意： (1) 湿球温度 tw 为湿空气温度 t 和湿度 H 的函数， tw≤t，湿度越大，湿球温度tw越高，越接近湿空气温 度t，当空气达到饱和湿度时，tw=t。 (2 测量湿球温度时，空气速度一般需大于5m/s， 使对流传热起主要作用，相应减少热辐射和传导的影 响，使测量较为精确。
3.辐射干燥 由辐射器产生的辐射能以电磁波形式 达到物体的表面，为物料吸收而重新变为热能，从 而使湿分气化。例如用红外线干燥法将自行车表面 油漆烘干。
4.介电加热干燥 将需要干燥电解质物料置于高频 电场中，电能在潮湿的电介质中变为热能，可以使 液体很快升温气化。这种加热过程发生在物料内部， 故干燥速率较快，例如微波干燥食品。
操作压力 常压 真空 操作方式 连续 间歇 传热方式(或组合) 导热 对流 辐射 介电加热
1.传导干燥 热能通过传热壁面以传导方式 传给物料，产生的湿分蒸汽被气相(又称干 燥介质)带走，或用真空泵排走。例如纸制 品可以铺在热滚筒上进行干燥。