化工原理 第八章 固体干燥.

第八章固体干燥

第一节概述

§8.1.1、固体去湿方法和干燥过程

在化学工业,制药工业,轻工,食品工业等有关工业中,常常需要从湿固体物料中除去湿分(水或其他液体),这种操作称为”去湿”.

例如:药物,食品中去湿,以防失效变质,中药冲剂,片剂,糖,咖啡等去湿(干燥)

塑料颗粒若含水超过规定,则在以后的注塑加工中会产生气泡,影响产品的品质.

其他如木材的干燥,纸的干燥.

一、物料的去湿方法

1、机械去湿：压榨，过滤或离心分离的方法去除湿分，能耗底，但湿分的除去不完全。

2、吸附去湿：用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaCl2，硅胶，沸石吸附剂等）与湿物料并存，使物料中水分相续经气相转入到干燥剂内。如实验室中干燥剂中保有干物料；能耗几乎为零，且能达到较为完全的去湿程度，但干燥剂的成本高，干燥速率慢。

3、供热干燥：向物料供热以汽化其中的水分，并将产生的蒸汽排走。

干燥过程的实质是被除去的湿分从固相转移到气相中，固相为被干燥的物料，气相为干燥介质。工业干燥操作多半是用热空气或其他高温气体作干燥介质（如过热蒸汽，烟道气）能量消耗大，所以工业生产中湿物料若含水较多则可先采用机械去湿，然后在进行供热干燥来制得合格的干品。

二、干燥操作的分类

1、按操作压强来分：

1）、常压干燥：多数物料的干燥采用常压干燥

2）、真空干燥：适用于处理热敏性，易氯化或要求产品含湿量很低的物料

2、按操作方式来分：

1）、连续式：湿物料从干燥设备中连续投入，干品连续排出

特点：生产能力大，产品质量均匀，热效率高和劳动条件好。

2）、间歇式：湿物料分批加入干燥设备中，干燥完毕后卸下干品再加料

如烘房，适用于小批量，多品种或要求干燥时间较长的物料的干燥。

3、按供热方式来分：

1）、对流干燥：

使干燥介质直接与湿物料接触，介质在掠过物料表面时向物料供热，传热方式属于对流，产生的蒸汽由干燥介质带走。如气流干燥器，流化床，喷雾干燥器。

2）、传导干燥：

热能通过传热壁面以传导方式加热物料，产生的蒸汽被干燥介质带走，或是用真空泵排走（真空干燥），如烘房，滚筒干燥器。

3）、辐射干燥：

辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到湿物料表面，湿物料吸收辐射能转变为热能，从而使湿分汽化，如实验室中红外灯烘干物料。

4）、介电加热干燥：

将湿料置于高频电场内，依靠电能加热物料并使湿分汽化。化工中最常见的为对流干燥，本章主要讨论以空气为干燥介质，湿分为水的对流干燥过程。

三、对流干燥过程的特点——热质同时传递

当湿度较高的气流与湿物料直接接触时，气固两相间发生的是热质同时传递的过程。这是因为：

一方面：

由于物料表面湿度，则气体传热给固体，传热推动力，传热量Q，方向如图示；

另一方面：

由于气流中水汽分压p低于固体表面气膜中水汽压强，即，水汽将通过气膜

向气流主体扩散，即发生质量传递过程，传热推动力，传递物质量N，方向如图示，而湿料内部的水分以液态或水汽的形式扩散至表面，水分气压所需热量取自于空气传递给湿料的热量。对流干燥过程包含了热量传递和质量传递过程，两者传递方向相反，见图。

四．干燥的必要条件：，使物料表面的水分能够汽化

传质推动力，△p越大，干燥进行的越快，

所以，干燥介质应及时将汽化的水分带走，以便保持一定的传质推动力。

若，则N=0，干燥无法进行，传质达到动态平衡。

五．对流干燥流程及经济性

1．干燥流程：

典型的流程如图示

2．经济性：主要取决于能耗和热的利用率

在干燥操作中，加热空气所耗的热量只有一部分用于汽化水分，相当可观的一部分热能随含水分较高的废气流失。此外，设备的热损失，固体物料的温度升高也造成了一定的能耗。因

此，为提高干燥过程的经济性，应采取适当措施降低能耗，提高热的利用率。（如干燥器内埋设加热管道，废气部分循环等）

第二节湿空气的性质和湿度图§8.2.1、湿空气的性质

一、湿空气的性质

基准：1㎏绝干空气。

湿空气的若干参数均以单位质量的绝干空气为基准。这是因为在干燥过程中水分量是不断变化的，而绝干空气的质量是不变的，所以选取1㎏绝干气作基准对干燥计算而言是很方便的。

1．湿度（湿含量、绝对湿度）H

定义：

H=湿空气中水汽的质量/湿空气中绝干空气的质量

=M v n v/M g n g

=㎏水/㎏绝干气

饱和湿度

若(空气温度下水的饱和蒸汽压)，则湿空气呈饱和状态。

其中

所以

2．相对湿度φ

定义衡量湿空气的不饱和程度

若φ=100﹪湿空气达饱和状态，即，在此条件下无干燥能力；

因此只有当φ<100﹪的不饱和空气才能作为干燥介质。φ值越小，表示该空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。

H和φ的比较：

区别：H表示水汽在湿空气中的绝对含量

φ反映出湿空气吸收水分的能力

联系：

由P，t，H可求得φ

3．比容（湿容积）

定义：=湿空气的总容积/湿空气中绝干空气的质量

4．比热（湿热）

常压下将1㎏绝干气和其中的H㎏水蒸气的湿度升高或降低1℃所吸附或放出的热量，叫比热。

㎏/㎏绝干气℃

5．焓

定义：

焓是一个相对值，计算焓值时必须规定基准状态和基准温度，

∴

（r = 2500 kT/㎏） 见例1 6． 干球湿度t

用普通湿度计测得的湿空气的温度叫干球湿度，记作t 。 7． 湿球温度

用湿球温度计测的得湿空气的温度叫湿球温度，记作

。

湿球温度计：在普通温度计的感湿泡外用湿纱布包裹，以保持表面始终被水所润湿。所以该温度计所指示的实为薄水层的温度

，

与空气的t ，H 有关。

测温机理：设水槽中水温为θ，且起始时t=θ，（即空气与水之间不存在温差），但由于

或

则发生水分的传质过程，水分子自纱布表面汽化，而后迁移指空气中，被空气所带走。

水分汽化所需的热量只能取自于水本身温度的下降，θ

由于这个湿度为湿空气的温度t 和湿度h 所决定，故将此温度称为湿空气的湿球温度。 此时对水分作热量衡算。 i) 显热

ii) 潜热

热平衡

∴

即

一般的，

，α与空气速度u 的0.8次方成正比，所以

值与u 无关。

对于空气—水蒸气系统，

* 测量湿球温度计，空气速度应大于5m/s ，以减小辐射和热传导的影响; * 实际干燥操作中，常用干，湿球温度计来测量空气的湿度。 8． 绝热饱和温度

绝热饱和器如左图示。与外界无热量交换且无热损失，即在绝热状态下将空气冷却增湿的装置。当空气（t ，H ）与大量循环水密切接触，水分不断的向空气中汽化，因为

，所以汽化水分的潜热取自于空气湿

度t 的下降。

随着过程的进行，空气湿度不断下降，湿度不断升高，但空气的焓恒定不变，这叫做绝热增湿过程(或等焓过程)。在绝热增湿过程中，一方面空气将其显热传给水分用于水分的汽化，另一方面汽化了的水分又将等量的潜热带回空气中。因此空气在绝热增湿过程中，t ，H 随过程设备的位置不同而变化，但焓是恒定的。若这个过程空气被水饱和，即达饱和状态，此时空气的温度不在下降，而等于循环水的温度。这个温度称为初始状态空气的绝热饱和温度，以

表示，相应的饱和温度为

。

进入和离开绝热饱和器的湿空气的焓分别为：

∵H，值较小，且变化不是很大，

∴即

∵

∴

对于空气——水系统，实验结果表明：

当空气流速较高时

所以

9．露点

将不饱和的空气等湿冷却至饱和状态（ψ=100﹪）此时的温度称为该空气的露点，以表示。

露点时

三者关系

对于不饱和空气

对于饱和空气

见例2

二．湿度图

p一定，t,p,φ,H,I,,,只有两个参数是独立的。工程绘制，H-T, I-H

t-h图，横坐标t，纵坐标H，

等H线：水平线。

等t线：垂直线。

等φ线：，当p一定，，

等线：

I-H图（横坐标为H, 纵坐标为I,两者夹角为135°，其目的使图中的曲线不至于过密）

等H线

等I线

等t线

斜率1.88t+2500, t↑, 斜率亦↑，直线族各不平行

等φ线（同上）当t>99.7℃,, 等线为一垂直向上的直线。蒸汽分压线（p-H）线

§8.2.2湿空气状态的变化过程

一．加热与冷却过程

1．加热

若不计换热器的流动阻力，湿空气的加热与冷却属等压过程，I-H图湿空气被加热湿时的状态变化描绘为：

P，p不变，即H不变，AB线为一垂直线，沿等H现由A到达B点湿度升高，空气的φ下降，干燥能力上升。

2．冷却与加热过程相反。

二．绝热增湿过程

等I过程

三．空气状态的确定

i.已知t、

ii.已知t、

iii.已知t、φ

第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算

对流干燥过程

通常在干燥过程的计算中，首先需要确定从事物料中移除的水分量相应需消耗的空气量和热量，据选择或设计适宜型号的风机或换热器，其次再进行干燥器和其他辅助设备的设计和选择，干燥过程的物料衡算和热量衡算是上述计算的基础。

§8.3.1湿物料中含水量的表示方法

X与W关系：

§8.3.2物料衡算

范围（对象）：连续干燥器

基准：单位时间s（或h）

对象水分：

§8.3.3热量衡算

范围

基准：单位时间s

热量衡算：

对象干燥全系统：

或

预热器：（忽略预热器热损失）

湿物料的焓I’：1㎏绝干料与其所带X㎏水具有的焓。

则温度为θ湿含量为X的湿物料的焓I’为

为了简化计算，现假设：

1．新鲜气中水蒸气的焓等于出干燥器时废气中的水蒸气的焓，即

，

2．进出干燥器的湿物料比热相等，即

，即

∵，，代入上式并整理得：

或

若（不补充热量于干燥器中）

则

由此可见，干燥系统中加入的热量为四部分：①加热空气②蒸发水分③加热物料④热损失。

通过热量衡算，可确定干燥操作的耗热量以及各次热量的分配，热量衡算上计算预热器的传热面积，加热介质消耗量，干燥器尺寸及干燥热效率的基础。

§8.3.4 空气通过干燥器时的状态变化

应用上面的物料及热量衡算前要确定空气离开干燥器时的状态。这涉及空气通过干燥器时状态的变化过程。

空气经过预热器被加热，H不变，温度升高，焓↑空气经过干燥器时，由于空气与物料间进行热和质的交换，而且还有其它外加热量的影响，应而确定出干燥器时的空气状态是比较困难的和复杂的。

一．现讨论等焓干燥过程（绝热干燥过程）

前提：①

②

③

故，

在H—I图描绘为

对于等焓干燥过程，离开干燥的空气状态的确定只需一个参数，一般。

在实际干燥过程中，等焓干燥过程是难于完全实现的，故又称为理想干燥过程。（理想干燥器）

但在干燥器绝热良好，又不向干燥器中补充热量，且物料进出干燥器时的湿度十分接近时，可近似按等焓干燥过程处理。（由干燥器热量衡算式得知）

二．非等焓干燥过程（非绝热干燥过程）

非等焓（绝热）干燥过程可分为以下几种情况（定性讨论）

①

则

所以干燥过程的操作线BC，应在BC线（等焓线）下方

②，则

，在BC线上方

③若足够大，使（等温下进行）则

沿等温线变化

见例3

§8.3.5干燥器的热效率

干燥器的热效率η定义为：

即

若蒸发水分量为W，空气出干燥器时温度为，物料进干燥器时的温度为，则蒸发水分所需的热量为：

见例4

干燥操作的热效率表示干燥器的性能，热效率越高表示热利用程度越好。

如果离开干燥器的空气温度降低而湿度增高，则可节省空气消耗量并提高热效率。但是空气的湿度增加，使物料和空气间的传质推动力减小。

在干燥操作中，往往将废气（出口空气）中热量回收，以降低能耗。生产中利用废气预热冷空气或冷物料等。此外应注意干燥设备和管路的保温隔热，以减少干燥系统的热损失。

第四节固体物料干燥过程的平衡关系和速

率关系

§8.4.1物料的平衡湿含量

一．平衡湿含量（平衡水分）

将湿物料与一定状态的空气接触发生去湿，直到物料表面所产生的蒸汽压与空气中的水蒸气分压相等为止。此时物料中所含的水分称为该空气状态下物料的平衡水分。

平衡水分因物料种类的不同而有很大的差别，同一种物料的平衡水分也因空气状况的不同而不同。

某些物料在25℃下的平衡水分与空气相对湿度的关系如图所示。由图可见对于非吸水性物性，例如陶土的平衡水分几乎等于零，对于吸水性物料，例如烟草，皮革及木材等的平衡水分较高，而且随空气状况不同而有较大的变化。由图还可见当空气的相对湿度为零时，任何物料的平衡水分均为零。由此可知只有使物料与相对湿度为零的空气相接触，才有可能获得绝干的物料。若物料与一定湿度的空气进行接触，物料中总有一部分水分不能被除去，这部分水分就是平衡水分。它表示在该空气状态下物料能被干燥的限度。通常物料的平衡水分都是由实验测定得到的。

若空气的相对湿度一定，则物料的平衡水分随空气温度升高而减小。

二．结合水分和非结合水分

结合水分和非结合水分是根据水分与物料结合力的状况来划分的。

①结合水分

包括物料细胞壁内的水分及小毛细管中的水分，这些水分与物料的结合力较强。其特点是产生不正常的低蒸汽压，即其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，致使干燥过程的传质推动力降低，所以结合水分较纯水难除去。

②非结合水分

包括物料中吸附的水分和孔隙中的水分，这些水分与物料是机械结合，结合力较弱。物料中非结合水分与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，同时非结合水分的汽化和纯水一样，在干燥过程中极易除去。

三．平衡水分和自由水分

两者是根据在一定的平衡条件下物料中所含的水分能否用干燥的方法加以除去来划分的。

结合水分和非结合水分，平衡水分和自由水

分的关系用图表示出来。

§8.4.2物料在定态空气条件下的干燥速率

1．干燥动力学实验

1），干燥实验

2），干燥曲线

随着干燥过程的进行，水分被不断汽化，湿物料的质量不断减少，用记录仪记录，取湿物料质量随时间的变化规律，用测温元件汲取湿物料表面温度随时间的变化规律。X~τ曲线及θ~τ曲线称为干燥曲线，如下图

各中A表示物料起始含水量,容度,干燥开始后，物料含水量及其表面温度均随时间而变化。曲线均存在这三个阶段：

AB段：，在阶段空气中的部分热量用于加热物料，故物料的Z 随的变化不大，即较小

BC段：在阶段空气中的部分热量基本上成直线关系表面温度恒定等于，阶段内的空气传递给物料的显热恰好等于水分从物料汽化所需的潜热，而物料的表面温度等于热空气的。（这一阶段恰似湿球温度测温原理）。

CDE段：，物料开始升温，热空气中部分热量用于加热

物料时使其由升高到，另一部分热量用于汽化水分，因dZ/dτ逐渐变为平坦，直到

物料中含水降至平衡水分为止。

2、干燥速率曲线

干燥速率（亦即水分汽化速率）

由干燥曲线求出各点斜率dX/dε，按上式计算物料在不同含水量时的干燥速率，然后描

出干燥速率曲线。

考察实验所得的干燥速率曲线可知，整个干燥过程可分为衡速干燥与降速干燥阶段，每个干燥阶段的传热、传质有各自的特点。

3、恒速干燥阶段