化工原理下册 干燥-3
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2018/9/10
W ( I 2 I1 ) Wc W1 QD q H 2 H1
(Wc w1 QD ) ：外界补充的热量及湿物料中被汽化水分
带入的热量；补充热
q ：热损失及湿物料在干燥室获得的热量。损失热
即：△=补充热﹣损失热
2018/9/10
1）等焓过程：
I 2 I1
t0
2018/9/10
H0
H
2 .空气出口状态的确定方法 ——确定H2、I2
a . 计算法 W ( I 2 I1 ) Wc W1 QD q H 2 H1
I 2 (1.01 1.88H 2 )t 2 2492H 2
I1
(H2、I2)
b. 图解法
t1 I0
A
B
1
2018/9/10
解：因在干燥器内经历等焓过程，
℃
℃
2018/9/10
绝干物料量 ：
绝干空气量：
2018/9/10
预热器的传热速率
℃
2018/9/10
分析物料的返潮情况 当t2=60℃时，干燥器出口空气中水汽分压为
t=50℃时，饱和蒸汽压 ps=12.34kPa，
即此时空气温度尚未达到气体的露点，不会返潮。
令
Qp L(I1 I 0 )
Q QD L( I 2 I 0 ) q Wc w1 QD
L( I 2 I1 ) Wcw1 QD q
L( I 2 I1 ) W ( I 2 I1 )
H 2 H1
W ( I 2 I1 ) 则有： Wc w1 QD q H 2 H1
2018/9/10
四、干燥过程的图解
等焓干燥过程（绝热干燥过程或理想干燥过程）
——空气在进、出干燥室的焓值不变。 规定： •不向干燥室中补充热量 QD=0； •忽略干燥室向周围散失的热量 QL=0；
实际干燥过程
——在非绝热情况下进行的干燥过程。
2018/9/10
1. 过程分析：
Q Qp QD L(I 2 I 0 ) q Wc w1
H0
2018/9/10
H
2）实际干燥过程：
a. 补充热量小于损失的热量 0即 b. 补充热量大于损失的热量 0 即 I C3
I 2 I1 下方
I 源自文库 I1
上方
理想操作线 BC: 过点B的等焓线
t1 t2
B
A C C1
C
2
实际操作线 BC1: 在等焓线的下 方 实际操作线 BC2: 在等焓线的上方 补充的热量足够多，恰使干燥过 程在等温下进行,操作线为过B点 的等温线 BC3
Gw
rw
(t t w )
rw
(t t w )
2018/9/10
影响恒速干燥的因素
夏天比冬天干得快 晴天比雨天干得快 有风比无风干得快
t (t t w )
H ( H w H )
U C (U )
u , k H
2018/9/10
UC的来源：
0
2
C
t2
t0
2018/9/10
H0 H1
H2
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。
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
2018/9/10
影响热效率的因素
1.
一定时，
t2
H 2
传质推动力
传热推动力
因此，t2不能过低，一般规定t2比进入干燥器时空气的 湿球温度tw高20 ~ 50℃。
2.
一定时， t1
3. 回收废气中热量 4. 加强管道保温，减少热损失
（1） 由干燥速率曲线查得
（2）用U C
rw
(t t w ) k H ( H w H ) 计算
求取 α 经验关联式： （1）气体流动方向与物料平行
0.0204 G 0.8
G＝2500 ~ 3000
[w/m2 k] [kg/m2 hr]
（2）气体流动方向与物料垂直
1.17G 0.37
x1
物 料 x0 总 的 水 含 分 水 量 x* 自 由 水 分
平 衡 水 分
非结合水分
结 合 水 分 100%
0
2018/9/10
空气相对湿度φ
【练习】在常压25℃下，水分在ZnO与空气间的平衡关系为：
相对湿度 φ＝100%，平衡含水量X*＝0. 2 kg水/kg干料。 现ZnO的含水量为0.25 kg水/kg干料，令其与25℃，
3. 恒速干燥 uC 越大， XC 越高。
2018/9/10
四、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
；
2018/9/10
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（传质速率）： [kg水/m2•s] 传热速率：
Q A(t tw )
干燥过程，就是物料的湿份由物料内部迁至外
部，再由外部汽化进入空气主体的过程。
干燥速率取决于：湿空气的性质、物料所含水份
的性质。
2018/9/10
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（X*）
用某种空气无法再去除的水分。 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。
PS
完全受干燥介质性质而定。如：纸、皮革的干燥
——恒速干燥阶段
2018/9/10
2．内部扩散控制：表面汽化速率内部扩散速率
内部水分不能迅速到达表面，物料表面不能完全湿润， 蒸发面向物料内部移动。这种情况必须想法增加内部扩 散速率，或降低表面汽化速率。 如：木材常用湿空气干燥，否则表面干燥，内部潮湿，将 引起表面干燥收缩而发生绕曲。 ——降速干燥阶段
无异，pw＝ ps。包括物料中的吸附水分和大孔 隙中的水分。 水与物料结合力弱，容易除去。 结合水分与非结合水分只与物料的性质有关，而与空 气的状态无关，这是与平衡水分的主要区别。
2018/9/10
物料与水分结合方式
吸附水分：湿物料的粗糙外表面附着的水分。 毛细管水分：多孔性物料的孔隙中所含的水分。 溶胀水分：物料细胞壁或纤维皮壁内的水分。 结合水： 包括溶涨水分和小毛细管中的水分 。 非结合水： 包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。 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。
物 料 含 水 量 X 物 料 表 面 温 度
X1 A
B
X
X - 线
C
Xc X* 0
D
E
t2
tW
t1
0 干燥时间
t - 线
t
2018/9/10
2、干燥速率曲线
1）干燥速率 ：单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量 。
ABC段：恒速干燥阶段 AB段：预热段 BC段：恒速段 CDE段：降速干燥阶段
2018/9/10
3）降速干燥阶段 第一降速阶段 — 物料表面不能全部维持湿润，而形成部分
干区；由于汽化面积减少，使干燥速率（按全部表面积计
）下降。
第二降速阶段 — 物料表面全部形成干区，汽化面内移；
由于物料内部热、质传递路径增长，使干燥速率下降。
2018/9/10
降速干燥阶段特点： 1.
X ,U
2018/9/10
G＝4000 ~ 20000 [kg/m2 hr]
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
θ2
X2 Xc
X 2018/9/10
降速阶段
恒速阶段
C B A
2018/9/10
二、固体物料的干燥机理
当湿物料（其含水量大于平衡含水量）与干燥介质 （热空气）接触，其表面水分汽化，形成表面与内部的湿 度差，水分由内部向表面扩散。在干燥的不同时期，其控 制机理不同：
1．表面汽化控制：表面汽化速率内部扩散速率
内部水分能迅速到达表面，物料表面足够湿润，其表面温 度可取tW，干燥速率受表面汽化速率控制，此类干燥操作
Pw
干燥推动力： p pS pw
与物料的种类、温度及空气的相对湿度有关
时，物料中还存在的水分；不能用干燥方法除去的 X* = f（物料种类、空气性质）
2018/9/10
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。
木材与 298 K， 60% 的空气接触时， X * 0.12；
X ,U
C点：临界点 XC：临界含水量 E点：平衡点 X*：平衡水分
2018/9/10
2）恒速干燥阶段
前提：湿物料表面全部润湿（充满非结合水） 。 恒速干燥特点： 1. U＝UC＝const.
2. 物料表面温度为tw
3. 去除的水分为非结合水分 4. 物料内部水分扩散表面水分汽化速率，属表面汽化 控制 5.干燥速率取决于空气性质，与物料性质关系不大
2018/9/10
三、干燥曲线和干燥速率曲线
干燥曲线 ：
恒定干燥条件下，物料的含水率X与表面温度θ 与干燥时间τ的关系
干燥速率 ：
单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量
2018/9/10
1、干燥实验和干燥曲线
——测定物料含水量与温度随时间的关系
毫伏表 热 电 偶 天平
随干燥时间的延续，水分不断
汽化，湿料的质量不断下降，
2018/9/10
1.0
相对湿度
0.5
结合水分
非结合 水分
0
X 湿含量 X
将图中各线延长，与 ＝ 100 ％相交，交点以左的为结合 水分。交点以右的为非结合水分。
2018/9/10
1.0
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。
2018/9/10
在横坐标是φ，纵坐标是 X 的图中，物料的总水分、平衡水 分、自由水分、结合水分、非结合水分之间的关系见图示。
0
Wc w1 QD q 0
等焓过程又可分为两种情况： I 空气放出的显热完全用于蒸发水分所需的潜热，而水 B t1 蒸汽又把这部分潜热带回到空气中，所以空气焓值不变。 C
t2 湿物料中水分带入的热量及干燥器补充的热量正好与 A t0 热损失及物料升温所需的热量相抵消，此时，空气的焓 值也保持不变。
2. 物料表面温度
t tw
3. 除去的水分为非结合、结合水分
4.物料内部水分扩散表面水分汽化速率，属内部扩散控 制。
5.影响 u 的因素： 与物料种类、尺寸、形状有关，与空气状态关系不大。
2018/9/10
4）临界含水量 XC
X C f（物料结构、厚度、分 散程度、空气状态）
1. 吸水性物料 XC大于不吸水性物料 XC 2. 物料层越薄、分散越细， XC 越低
2018/9/10
当t2=40℃时，干燥器出口空气中水汽分压为
t=30℃时，饱和蒸汽压 ps=4.25kPa， 物料可能返潮。
2018/9/10
第三节 干燥速度和干燥时间
一、物料中所含水分的性质 二、固体物料的干燥机理
三、干燥曲线和干燥速率曲线
四、干燥时间的计算
2018/9/10
一、物料中所含水分的性质
2018/9/10
与 298 K， 40% 的空气接触时， X * 0.075
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， pw< ps 。包
括溶涨水分和小毛细管中的水分 。 水与物料结合力强，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
直至恒值。此时为动态平衡， 含水量为平衡含水量。将物料 放入电烘箱烘干到恒重，即为 物料的绝干质量Gc
干燥介质 湿物料
记录：时间～物料质量～物料温度～ X＝ G Gc Gc
2018/9/10
空气的温度、湿度、流速及物料接触方式不变
干燥曲线 ： 恒定干燥条件下，用于描述物料含水量 X、干
燥时间 θ 及物料表面温度t之间 的关系曲线。 为了比较不同物料在相同条件下的干燥速率，还可以把干 燥曲线转化成干燥速率曲线。
φ＝40%的空气接触，平衡含水量X*＝0.07 kg水/kg干料，求
物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。
1.0 结合水分 非结合水分
解：
＝40﹪
平衡水分 自由水分 总含水量 0
平衡水分=0.07 自由水分=0.25-0.07=0.18
0.2 X=0.25
X*＝0.07
结合水分=0.2 非结合水分=0.25-0.2=0.05
W ( I 2 I1 ) Wc W1 QD q H 2 H1
(Wc w1 QD ) ：外界补充的热量及湿物料中被汽化水分
带入的热量；补充热
q ：热损失及湿物料在干燥室获得的热量。损失热
即：△=补充热﹣损失热
2018/9/10
1）等焓过程：
I 2 I1
t0
2018/9/10
H0
H
2 .空气出口状态的确定方法 ——确定H2、I2
a . 计算法 W ( I 2 I1 ) Wc W1 QD q H 2 H1
I 2 (1.01 1.88H 2 )t 2 2492H 2
I1
(H2、I2)
b. 图解法
t1 I0
A
B
1
2018/9/10
解：因在干燥器内经历等焓过程，
℃
℃
2018/9/10
绝干物料量 ：
绝干空气量：
2018/9/10
预热器的传热速率
℃
2018/9/10
分析物料的返潮情况 当t2=60℃时，干燥器出口空气中水汽分压为
t=50℃时，饱和蒸汽压 ps=12.34kPa，
即此时空气温度尚未达到气体的露点，不会返潮。
令
Qp L(I1 I 0 )
Q QD L( I 2 I 0 ) q Wc w1 QD
L( I 2 I1 ) Wcw1 QD q
L( I 2 I1 ) W ( I 2 I1 )
H 2 H1
W ( I 2 I1 ) 则有： Wc w1 QD q H 2 H1
2018/9/10
四、干燥过程的图解
等焓干燥过程（绝热干燥过程或理想干燥过程）
——空气在进、出干燥室的焓值不变。 规定： •不向干燥室中补充热量 QD=0； •忽略干燥室向周围散失的热量 QL=0；
实际干燥过程
——在非绝热情况下进行的干燥过程。
2018/9/10
1. 过程分析：
Q Qp QD L(I 2 I 0 ) q Wc w1
H0
2018/9/10
H
2）实际干燥过程：
a. 补充热量小于损失的热量 0即 b. 补充热量大于损失的热量 0 即 I C3
I 2 I1 下方
I 源自文库 I1
上方
理想操作线 BC: 过点B的等焓线
t1 t2
B
A C C1
C
2
实际操作线 BC1: 在等焓线的下 方 实际操作线 BC2: 在等焓线的上方 补充的热量足够多，恰使干燥过 程在等温下进行,操作线为过B点 的等温线 BC3
Gw
rw
(t t w )
rw
(t t w )
2018/9/10
影响恒速干燥的因素
夏天比冬天干得快 晴天比雨天干得快 有风比无风干得快
t (t t w )
H ( H w H )
U C (U )
u , k H
2018/9/10
UC的来源：
0
2
C
t2
t0
2018/9/10
H0 H1
H2
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。
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
2018/9/10
影响热效率的因素
1.
一定时，
t2
H 2
传质推动力
传热推动力
因此，t2不能过低，一般规定t2比进入干燥器时空气的 湿球温度tw高20 ~ 50℃。
2.
一定时， t1
3. 回收废气中热量 4. 加强管道保温，减少热损失
（1） 由干燥速率曲线查得
（2）用U C
rw
(t t w ) k H ( H w H ) 计算
求取 α 经验关联式： （1）气体流动方向与物料平行
0.0204 G 0.8
G＝2500 ~ 3000
[w/m2 k] [kg/m2 hr]
（2）气体流动方向与物料垂直
1.17G 0.37
x1
物 料 x0 总 的 水 含 分 水 量 x* 自 由 水 分
平 衡 水 分
非结合水分
结 合 水 分 100%
0
2018/9/10
空气相对湿度φ
【练习】在常压25℃下，水分在ZnO与空气间的平衡关系为：
相对湿度 φ＝100%，平衡含水量X*＝0. 2 kg水/kg干料。 现ZnO的含水量为0.25 kg水/kg干料，令其与25℃，
3. 恒速干燥 uC 越大， XC 越高。
2018/9/10
四、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
；
2018/9/10
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（传质速率）： [kg水/m2•s] 传热速率：
Q A(t tw )
干燥过程，就是物料的湿份由物料内部迁至外
部，再由外部汽化进入空气主体的过程。
干燥速率取决于：湿空气的性质、物料所含水份
的性质。
2018/9/10
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（X*）
用某种空气无法再去除的水分。 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。
PS
完全受干燥介质性质而定。如：纸、皮革的干燥
——恒速干燥阶段
2018/9/10
2．内部扩散控制：表面汽化速率内部扩散速率
内部水分不能迅速到达表面，物料表面不能完全湿润， 蒸发面向物料内部移动。这种情况必须想法增加内部扩 散速率，或降低表面汽化速率。 如：木材常用湿空气干燥，否则表面干燥，内部潮湿，将 引起表面干燥收缩而发生绕曲。 ——降速干燥阶段
无异，pw＝ ps。包括物料中的吸附水分和大孔 隙中的水分。 水与物料结合力弱，容易除去。 结合水分与非结合水分只与物料的性质有关，而与空 气的状态无关，这是与平衡水分的主要区别。
2018/9/10
物料与水分结合方式
吸附水分：湿物料的粗糙外表面附着的水分。 毛细管水分：多孔性物料的孔隙中所含的水分。 溶胀水分：物料细胞壁或纤维皮壁内的水分。 结合水： 包括溶涨水分和小毛细管中的水分 。 非结合水： 包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。 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。
物 料 含 水 量 X 物 料 表 面 温 度
X1 A
B
X
X - 线
C
Xc X* 0
D
E
t2
tW
t1
0 干燥时间
t - 线
t
2018/9/10
2、干燥速率曲线
1）干燥速率 ：单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量 。
ABC段：恒速干燥阶段 AB段：预热段 BC段：恒速段 CDE段：降速干燥阶段
2018/9/10
3）降速干燥阶段 第一降速阶段 — 物料表面不能全部维持湿润，而形成部分
干区；由于汽化面积减少，使干燥速率（按全部表面积计
）下降。
第二降速阶段 — 物料表面全部形成干区，汽化面内移；
由于物料内部热、质传递路径增长，使干燥速率下降。
2018/9/10
降速干燥阶段特点： 1.
X ,U
2018/9/10
G＝4000 ~ 20000 [kg/m2 hr]
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
θ2
X2 Xc
X 2018/9/10
降速阶段
恒速阶段
C B A
2018/9/10
二、固体物料的干燥机理
当湿物料（其含水量大于平衡含水量）与干燥介质 （热空气）接触，其表面水分汽化，形成表面与内部的湿 度差，水分由内部向表面扩散。在干燥的不同时期，其控 制机理不同：
1．表面汽化控制：表面汽化速率内部扩散速率
内部水分能迅速到达表面，物料表面足够湿润，其表面温 度可取tW，干燥速率受表面汽化速率控制，此类干燥操作
Pw
干燥推动力： p pS pw
与物料的种类、温度及空气的相对湿度有关
时，物料中还存在的水分；不能用干燥方法除去的 X* = f（物料种类、空气性质）
2018/9/10
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。
木材与 298 K， 60% 的空气接触时， X * 0.12；
X ,U
C点：临界点 XC：临界含水量 E点：平衡点 X*：平衡水分
2018/9/10
2）恒速干燥阶段
前提：湿物料表面全部润湿（充满非结合水） 。 恒速干燥特点： 1. U＝UC＝const.
2. 物料表面温度为tw
3. 去除的水分为非结合水分 4. 物料内部水分扩散表面水分汽化速率，属表面汽化 控制 5.干燥速率取决于空气性质，与物料性质关系不大
2018/9/10
三、干燥曲线和干燥速率曲线
干燥曲线 ：
恒定干燥条件下，物料的含水率X与表面温度θ 与干燥时间τ的关系
干燥速率 ：
单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量
2018/9/10
1、干燥实验和干燥曲线
——测定物料含水量与温度随时间的关系
毫伏表 热 电 偶 天平
随干燥时间的延续，水分不断
汽化，湿料的质量不断下降，
2018/9/10
1.0
相对湿度
0.5
结合水分
非结合 水分
0
X 湿含量 X
将图中各线延长，与 ＝ 100 ％相交，交点以左的为结合 水分。交点以右的为非结合水分。
2018/9/10
1.0
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。
2018/9/10
在横坐标是φ，纵坐标是 X 的图中，物料的总水分、平衡水 分、自由水分、结合水分、非结合水分之间的关系见图示。
0
Wc w1 QD q 0
等焓过程又可分为两种情况： I 空气放出的显热完全用于蒸发水分所需的潜热，而水 B t1 蒸汽又把这部分潜热带回到空气中，所以空气焓值不变。 C
t2 湿物料中水分带入的热量及干燥器补充的热量正好与 A t0 热损失及物料升温所需的热量相抵消，此时，空气的焓 值也保持不变。
2. 物料表面温度
t tw
3. 除去的水分为非结合、结合水分
4.物料内部水分扩散表面水分汽化速率，属内部扩散控 制。
5.影响 u 的因素： 与物料种类、尺寸、形状有关，与空气状态关系不大。
2018/9/10
4）临界含水量 XC
X C f（物料结构、厚度、分 散程度、空气状态）
1. 吸水性物料 XC大于不吸水性物料 XC 2. 物料层越薄、分散越细， XC 越低
2018/9/10
当t2=40℃时，干燥器出口空气中水汽分压为
t=30℃时，饱和蒸汽压 ps=4.25kPa， 物料可能返潮。
2018/9/10
第三节 干燥速度和干燥时间
一、物料中所含水分的性质 二、固体物料的干燥机理
三、干燥曲线和干燥速率曲线
四、干燥时间的计算
2018/9/10
一、物料中所含水分的性质
2018/9/10
与 298 K， 40% 的空气接触时， X * 0.075
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， pw< ps 。包
括溶涨水分和小毛细管中的水分 。 水与物料结合力强，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
直至恒值。此时为动态平衡， 含水量为平衡含水量。将物料 放入电烘箱烘干到恒重，即为 物料的绝干质量Gc
干燥介质 湿物料
记录：时间～物料质量～物料温度～ X＝ G Gc Gc
2018/9/10
空气的温度、湿度、流速及物料接触方式不变
干燥曲线 ： 恒定干燥条件下，用于描述物料含水量 X、干
燥时间 θ 及物料表面温度t之间 的关系曲线。 为了比较不同物料在相同条件下的干燥速率，还可以把干 燥曲线转化成干燥速率曲线。
φ＝40%的空气接触，平衡含水量X*＝0.07 kg水/kg干料，求
物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。
1.0 结合水分 非结合水分
解：
＝40﹪
平衡水分 自由水分 总含水量 0
平衡水分=0.07 自由水分=0.25-0.07=0.18
0.2 X=0.25
X*＝0.07
结合水分=0.2 非结合水分=0.25-0.2=0.05