《化工单元操作》干燥与干燥设备

t、H
补充水
② 绝热饱和温度是状态函数:
t f(t,H ) as
③ 绝热饱和过程可当作等焓处理 即空气的入口焓近似等于空气的出口焓
tas、Has t、H
补充水
（7） 干、湿球温度
① 干球温度与湿球温度
湿球温度: 气流吹过 -----湿分气化-----表面降温-------热量传递
Q hA(t tW ) Wrw
W kH (Hw H)A
稳态时, 空气传入的显热等于水的汽化潜热
hA(t tW )
k r A( H
Hw
w
H
)
tW
t
kH rW h
(HW
H)
注意：湿球温度不是状态函数
② 应用
对空气和水的系统, kH/h近似为常数（=0.96~1.005），数值上 等于相同条件下的绝热饱和温度，故可以用其确应空气状态。
9.4.3 湿分在湿物料中的传递机理
（1）湿物料分类
① 多孔性物料：如催化剂颗粒，砂子等。主要特征：
▲水分存在于物料内部大小不同的细孔和通道中； ▲湿分移动主要靠毛细管作用力 ▲这类物料的临界含水量较低，降速段一般分为两个阶段。
②非多孔性物料，如肥皂、浆糊、骨胶等。主要特征：
▲ 结合水与固相形成了单相溶液 ▲ 湿分靠物料内部存在的湿分差以扩散的方式进Baidu Nhomakorabea迁移 ▲这类物料的干燥曲线的特点是恒速阶段短，临界含水量
（6） 绝热饱和温度tas
① 绝热饱和过程: 系统与外界绝热，不饱和气体与液体长时间接 触，传热传质达平衡态:
tt as
HH as
c ( t t ) ( H H )r
H
as
as
as
tas、Has
r
t t as ( H H )
as
c
as
H
cH: 空气湿比热，kJ/kg干空气·C ras: tas时水汽化潜热， kJ/kg Has: tas时空气的饱和湿度，kJ/kg干空气
（3）平衡曲线的应用 ① 确定过程进行的方向
▲ 物料脱水而被干燥 ▲ 物料吸水而增湿 ▲ 相平衡
② 确定过程的推动力 传质推动力:湿物料的平衡蒸汽压 - 空气中水气的分压
p = p* - p H=H*-H
湿分的传递方向,视推动力的方向而定,或增湿或干燥。
传热推动力：空气的温度与湿物料表面温度之差。
化工单元操作
干 燥与干燥设备
9.1.1 概 述 去湿: 将固体物料中所含的湿分（水或有机溶剂）去除至规
定指标的操作。
去湿方法： 机械去湿法 ——能耗少、费用低，但湿分去除不彻底
物理去湿法 ——受吸湿剂的平衡浓度的限制，且只适用
于脱除微量湿分
干燥方法 ——固体物料的去湿主要采用干燥的方法
干燥过程: 利用热能除去固体物料中湿分（水或 其他 溶剂）的单元操作。
9.2.3 湿空气的湿度图
根据相律，压力一定时，双组分、单相的湿空气自由度为2
湿度图： t-H 图 I-H 图
（1）湿空气的湿度图（t-H图） 一定总压下
① 等温度线 （坐标轴X） ② 等湿度线 （坐标轴Y） ③ 等相对湿度线
P
H 0.622 S
P P S
固定，则可确定t，H的关系
示意图
④ 绝热饱和(冷却)线（等湿球温度线）
AH t
=1
S
B′
B
B'
tas t
H Has
AH t
9.3 固体物料干燥过程的相平衡
9.3.1 湿物料含水量的表示方法
湿基含水量 w：
湿物料中的水分的质量 w 湿物料总质量
kg/kg湿物料
干基含水量 X:
湿物料中的水分的质量 X 湿物料绝干物料的质量
换算关系
X w 1 w
w X 1 X
kg/kg干物料
t
=100% t
H
绝热饱和线
=100%
湿比热容对湿度
H
t
=100%
饱和比体积对温度 H=const
H=0.0
H
t
汽化潜热对温度
=100%
H
t
（2） 湿度图的应用 ① 求湿空气的性质参数
P278 例9.2.2
P279 例9.2.3
=1
=0.24 H A
B
H=0.019
300C 500C
（8） 露点td：
保持空气的H不变，降低温度，使其达到饱和状态，此时温度 为露点温度 。
H 0.622
P d
P p
d
pd：为露点td时饱和蒸汽压，既该空气在初始状态下的水蒸气 分压pv
p HP d 0.622 H
9.2.2 湿球温度和绝热饱和温度之间的关系
tas 、tw与t和H 有关 tas 、tw 本质上截然不同
H
a
V
ca: 干空气比热容，约1.01 kJ/kg干空气·C cv: 水蒸汽比热容，约1.88kJ/kg干空气·C
（5） 湿空气的焓I ( kJ/kg干空气)
基准: 0C干空气、 0C时液态水的焓为零。
I cat (r0 cV t)H (1.011.88H )t 2490H
r0: 0C时水蒸气汽化潜热，2490 kJ/kg
◆ BC段：干燥速率保持恒定，称为恒速干燥阶段。
◆ C点：由恒速阶段转为降速阶段的点称为临界点，所对 应湿物料的含水量称为临界含水量，用Xc表示。
◆ CDE段：随着物料含水量的减少，干燥速率下降， CDE段称为降速干燥阶段。不同类型物料结构不同， 降速阶段速率曲线的形状也不同。
◆ E点：干燥速率为零，X*即为操作条件下平衡含水量。
湿空气的四个温度t 、tw 、tas 、 td可确定空气状态。
r
t t as ( H H )
as
c
as
H
tW
t
kH rW h
(HW
H)
（1）共同点：
① 湿球温度和绝热饱和温度都不是湿气体本身的温度, 但都和湿气体的温度和湿度有关，都表达了气体入口 状态已确定时与之接触的液体温度的变化极限。
② 对于空气和水的系统，两者在数值上近似相等。
较高，降速段为一平滑曲线。
（2）液体扩散理论
▲ 主要论点：
在降速干燥阶段中，湿物料内部的水分不均匀， 形成了浓度梯度，使水分由含水量较高的物料内 部向含水量较低的表面扩散，然后水分在表面蒸 发，进入干燥介质。
▲ 干燥速率完全决定于物料内部的扩散速率。此时， 除了空气的湿度影响表面上的平衡值外，干燥介 质的条件对干燥速率已无影响。
注：非结合水产生的蒸汽压等于同温度下纯水的蒸汽压
不同点：
自由水分是在干燥中可以除去的水分，而平衡水分是不能 除去的，自由水分和平衡水分的划分除与物料有关外，还 决定于空气的状态。
非结合水分是在干燥中容易除去的水分，而结合水分较难 除去。是结合水还是非结合水仅决定于固体物料本身的性 质，与空气状态无关。
机理
质量传递：湿分的转移,由固相 到气相，以蒸汽分压为推动力
热量传递： 由气相到固相， 以温度差为推动力
分类： 操作压力
常压干燥 真空干燥
操作方式
间歇干燥 连续干燥
加热方式
传导干燥 对流干燥 辐射干燥 介电加热干燥
对流干燥：
利用热空气和湿物料作相对运动，气体的热量传递给 湿物料，使湿物料的湿分汽化并传递到气体中，并被带走。 对流干燥是动量、热量、质量传递同时进行的传递过程。
P
H 0.622 S
P P S
H=f(,t)
（3） 湿比体积H (m3/kg干空气)
P=101.3kN/m2
H
22.4 273 t 29 273
22.4 18
273 t 273
H
H
(0.7731.244H )
273 t 273
（4） 湿比热容 cH （ kJ/kg干空气C ）
c c c H 1.011.88H
自由水分：物料含水量超出平衡水分的部分称为自由水分。
X> X* 可能被空气干燥的水分
② 结合水分和非结合水分
结合水分：固、液之间结合力较强的水分，存在于物料细 胞壁内或毛细管内。
注：结合水产生的蒸汽压小于同温度下纯水的蒸汽压。
非结合水分：固液之间结合力较弱的水分，如物料表面的附 着水分，或物料表面大孔内的水分。
9.2 湿空气性质及湿度图
湿空气：含有湿分的空气，是常用的干燥介质，且一般情
况下可视为理想气体。
9.2.1 湿空气的状态参数
干燥过程中，干空气的质量不变，故干燥计算以单位质量 干空气为基准（干基）。
（1）湿度H（湿含量或绝对湿度 ） (kg水/kg干空气)
湿空气中水蒸气质量和干空气质量之比 。
M n 18n
▲ 干燥曲线及干燥速率曲线 干燥曲线： X ~ τ 关系。 干燥速率曲线： R ~ X 之间的关系
注意：干燥曲线或干燥速率曲线是在恒定的空气条件下 获得的，对指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率曲线的
位置也不同。
曲线分析：
◆ AB（或A′B）段： A点代表时间为零时的情况, AB为湿 物料不稳定的加热过程。
▲ 非多孔性湿物料的降速干燥过程较符合扩散理论。
（3）毛细管理论 ▲ 主要论点：
多孔性物料具有复杂的网状结构的孔道，水分在多 孔性物料中的移动主要依靠毛细管力。
多孔性物料的干燥过程较好地符合这一理论。
9.5 干燥过程的设计计算
9.5.1 干燥过程的物料衡算
目的：确定湿物料干燥到指定含水量所需除去的水分量及所需 的空气量。
③ 确定在给定干燥介质的条件下，湿物料中可 能去除的水分及干燥后物料的最低含水量
9.4 恒定干燥条件下的干燥速率
9.4.1 干燥速率曲线 （1）干燥曲线与干燥速率曲线
干燥速率：
W G dX
R c
A Ad
以湿度差表示:
Rk (H H)
H
W
以温度差表示:
R
h rw
(t
tw )
▲ 恒定干燥条件 空气的状态恒定及与湿物料的接触状态不变。 少量湿物料与大量湿空气相接触。 恒定干燥条件下的干燥过程一般是间歇操作过程
9.3.2 水分在气、固之间的平衡及干燥平衡曲线
温度一定，对于一定的湿物料，长时间接触湿空气，达平 衡状态时：
平衡蒸气压：平衡状态下湿物料表面的蒸气压。 平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。
平衡含水量=f( 物料的性质，空气的状态)
（1）干燥平衡曲线 ① p-X* (p*—X)线
▲ PV =0
▲ X<Xs ▲ X>Xs
t
② 湿空气状态变化过程的图示 ● 加热和冷却 示意图 ● 绝热饱和过程 示意图 ● 非绝热增湿过程 示意图 ● 不同温度、湿度的气流的混合过程
两股气流混合后的状态C必 然在点A、B的联线上，其 位置可按杠杆定律求出。
=1
=1
A
BH
A
BH
t1
t2
t
t2 td
t1
t
=1
S B
tas t
H Has
H as
H
c H
t t r
as
as
示意图
⑤ 湿比热容线
c c c H 1.011.88H
H
a
V
示意图
⑥ 比体积线
干空气比体积线 0.773 273 t
a
273
饱和湿比体积线 (0.773 1.244H ) 273 t
HS
示意图
S 273
⑦ 汽化潜热-温度线 示意图
=100% H
=const
qmL QP
qm1,1,X1
QD
QL qmL
qm2,2,X2
（1）湿物料的水分蒸发量
qm1,qm2 : 干燥前后湿物料的质量流量，kg/s qmC : 绝干物料的质量流量，kg/s qmw : 蒸发水量，kg/s
n
H V V V 0.622 V
kg水/kg干 空气
M n 29n
n
aa
a
a
理想气体：
H 0.622
p V
P p
V
饱和湿度Hs ：湿空气中水蒸气分压等于该温度下水的饱和蒸汽压
P
H 0.622 S
S
PP
S
（2）相对湿度
p V
100%
P
S
p V
100%
P
(P P) S
(P P) S
相对湿度表明湿空气的不饱和度，反映湿空气吸收水汽的能力。
（2）不同点：
① tas 由热平衡得出，是空气的热力学性质； tw取决于气、液两相间的动力学因素-传递速率。
② tas 是大量水与空气接触，最终达到两相平衡时的温 度，过程中气体的温度和湿度都是变化的； tw是少量的水与大量连续气流接触，传热传质达到 稳态时的温度，过程中气体温度和湿度不变。
③ 绝热饱和过程中，气、液间传递推动力由大变小、 最终趋近于零； 测量湿球温度，稳定后气、液间传递推动力不变。
空气和水的系统,
h / kH=0.96～1.005
一般干燥过程H＜0.01 cH=1.01+1.88H=1.01～1.03
对于空气和水的系统，不饱和空气： t > tas = tw > td 饱和空气： t = tas = tw =td
对其它物系，h/kH =1.5～2, 与cH相差很大，例如对空气和甲苯 系统h/kH = 1.8 ，此时，湿球温度高于绝热饱和温度。
X=0
Pv Pv=Ps
② -X线
平衡曲线受温度的影响较 大，如果用 -X图，则温 度的影响相对较小。
（2） 物料中所含水分的性质
① 自由水分和平衡水分
平衡水分：用一定状态的湿空气，干燥某湿物料，物料能 够达到的极限含水量称为对应于该空气状态的 平衡水分。
X <X* 不能被空气干燥的水分 注意：对于同一物料,不同空气状态对应于不同平衡水分。