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化工原理—干燥


化工原理授课讲义

第九章 干燥

第九章 干



本 章 学 习 要 求 1.熟练掌握的内容 湿空气的性质及其计算; 湿空气的湿度图及其应用; 连续干燥过程的物料衡算与热量衡算; 恒定干燥条件下的干燥速率与干燥时间计算。 2.理解的内容 湿物料中水分的存在形态及其;水分在气-固两相间的平衡关系;

干燥器的热效率;各种 干燥方法的特点;对干燥器的基本要求。 3.了解的内容 常用干燥器的主要结构特点与性能;干燥器的选用。
* * * * * * * * * * * *

§9.1 概



干燥是利用热能除去固体物料中湿分(水分或其它液体)的单元操作。在化工、食品、制 药、纺织、采矿、农产品加工等行业,常常需要将湿固体物料中的湿分除去,以便于运输、贮 藏或达到生产规定的含湿率要求。例如,聚氯乙烯的含水量须低于 0.2%,否则在以后的成形 加工中会产生气泡,影响塑料制品的品质;药品的含水量太高会影响保质期等。因为干燥是利 用热能去湿的操作,能量消耗较多,所以工业生产中湿物料一般都采用先沉降、过滤或离心分 离等机械方法去湿,然后再用干燥法去湿而制得合格的产品。

一、固体物料的去湿方法
除湿的方法很多,化工生产中常用的方法有: 1.机械分离法。即通过压榨、过滤和离心分离等方法去湿。耗能较少、较为经济,但除湿 不完全。 2.吸附脱水法。即用干燥剂(如无水氯化钙、硅胶)等吸去湿物料中所含的水分,该方法 只能除去少量水分,适用于实验室使用。 3.干燥法。即利用热能使湿物料中的湿分气化而去湿的方法。该方法能除去湿物料中的大 部分湿分,除湿彻底。干燥法耗能较大,工业上往往将机械分离法与干燥法联合起来除湿,即 先用机械方法尽可能除去湿物料中的大部分湿分, 然后再利用干燥方法继续除湿而制得湿分符
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第九章 干燥

合规定的产品。干燥法在工业生产中应用最为广泛,如原料的干燥、中间产品的去湿及产品的 去湿等。

二、干燥操作方法的分类
1、按操作压强分为常压干燥和真空干燥。真空干燥主要用于处理热敏性、易氧化或要求 产品中湿分含量很低的场合。 2、按操作方式分为连续操作和间歇操作。间歇操作适用于小批量、多品种或要求干燥时 间很长的特殊场合。 3、按传热方式可分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥以及由上述两种或 多种组合的联合干燥。 (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。该方法热能利用率 高,但与传热面接触的物料易过热变质,物料温度不易控制。 (2)对流干燥。使干燥介质直接与湿物料接触,热能以对流方式加入物料,产生的蒸汽 被干燥介质带走。干燥在这里是载热体又是载湿体。在对流干燥中干燥介质的温度易调节,湿 物料不易产生过热。但是干燥介质离开干燥器时要带出大量的热量,因此对流干燥热损失大, 能量消耗高。 (3)射干燥 由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到固体物料的表面,为物料吸收而

转变为热能, 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。 该法生产强度大, 干燥均匀且产品洁净,但能量消耗大。 (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。

三、对流干燥方法
(1)对流干燥原理 图 9-1 表示热空气与湿物料间的传热和传质的情况。在对流干燥过程中,干燥介质(如 热空气)将热量以对流方式从气相主体传递到固体表面,物料表面上的湿分即行气化,水气由 固体表面向气相扩散;与此同时,由于物料表面上湿分气化,使得物料内部和表面间产生湿分 差,因此物料内部的湿分以气态或液态的形式向表面扩散。可见对流干燥过程是传质和传热同 时进行的过程。干燥介质既是载热体又是载湿体。 (2)对流干燥的条件 干燥进行的必要条件是物料表面的水气的压强必须大于干燥介质中水气的分压, 在其它
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第九章 干燥

条件相同的情况下, 两者差别越大, 干 燥操作进行得越快。 所以干燥介质应及 时地将产生的水气带走, 以维持一定的 传质推动力。 若压差为零, 则无水分传 递,干燥操作即停止进行。由此可见, 干燥速率由传热速率和传质速率所支 配。 (3)对流干燥流程 图 9-2 为对流干燥流程示意图。空气经预热器加热到适当温度后,进入干燥器,与进入 干燥器的湿物料相接触,干燥介质将热量以对流方式传递给湿物料,湿物料中湿分被加热汽化 为蒸气进入干燥介质中,使得干燥介质中湿分含量增加,最后以废气的形式排出。湿物料与干 燥介质的接触可以是逆流、并流或其它方式。 化工生产中以连续操作的对流干燥应用最为普遍,干燥介质可以是不饱和热空气、惰性气 体及烟道气,要除的湿分为水或其它化学溶剂。本章重点介绍以不饱和热空气为干燥介质,湿 分为水分的对流干燥过程。 图 9-2

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§9.2 湿空气的性质及湿度图
一、湿空气的性质
湿空气是绝干空气和水气的混合物。对流干燥操作中,常采用一定温度的不饱和空气作为 介质。因此首先讨论湿空气的性质。由于在干燥过程中,湿空气中水气的含量不断增加,而绝 干空气质量不变,因此湿空气的许多相关性质常以单位质量的绝干空气为基准。 1、湿度(湿含量)H 、湿度(湿含量) 湿空气中所含的水蒸气的质量与绝干空气的质量之比,称为空气的湿度,又称湿含量或绝 对湿度,简称湿度,以符号H表示它可表示为: H= M n 18nv 湿空气中水蒸气的质量 = v v   = 湿空气中绝干空气的质量 M g n g 29n g (9-1)

式中

H——湿空气的湿度,kg 水气/kg 绝干空气;
MV——kg/ kmol; Mg——绝干空气的摩尔质量,kg/ kmol; ng——绝干空气的千摩尔,kmol; nv——水气的摩尔数, kmol。

常压下湿空气可视为理想气体混合物,根据道尔顿分压定律,理想气体混合物中各组分的 摩尔比等于分压比,则式(9-1)可表示为: H= 18 p p = 0.622 29( P ? p ) P? p p——水蒸气的分压,Pa; P——湿空气的总压,Pa。 由式(9-2)可知湿度是总压和水气分压的函数。当总压一定时,则湿度仅由水蒸气分 压所决定,湿度随水气分压的增加而增大。 当湿空气的水蒸气分压等于同温度下水的饱和蒸气压时,表明湿空气呈饱和状态,此时空 气的湿度称为饱和湿度Hs,即:

(9-2)

式中

H s = 0.622
式中

ps P ? ps

(9-3)

Hs——湿空气的饱和湿度,kg 水气/(kg 绝干空气) ;

2、相对湿度百分数 ? 、相对湿度百分数
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在一定总压下,湿空气中的水气分压与同温度下水的饱和蒸汽压 ps 之比的百分数,称为相对 湿度百分数,简称相对湿度,符号为 ? ,即:

?=

p × 100% ps

(9-4)

相对湿度可以用来衡量湿空气的不饱和程度。 ? =100%时,湿空气中水气分压等于同温度下 水的饱和蒸气压,湿空气的水蒸气已达到饱和,不能再吸收水分。相对湿度小于 100%的湿空 气能作为干燥介质。&值愈小,表明湿空气偏离饱和程度越远,吸收水气的能力越强。由此可 见空气的湿度H仅表示空气中水气含量,而相对湿度 ? 值能反应出湿空气吸收水气的能力。 若将式 9-4 代入式 9-2,可得:

H = 0.622

?p s P ? ?p s

(9-5)

由上式可知,在一定的总压下相对湿度 ? 与湿度H及饱和蒸汽压 ps 有关,而 ps 又与温度有关, 因此,只要知道湿空气的温度和湿度,就可以计算出相对湿度。 3.湿空气的比容 vH . 单位质量绝干空气中所具有的空气及水蒸气的总体积称为湿空气的比容或湿容积, 常压下, 即:

vH =

m3湿空气 ? 1 H ? t + 273 = ? + ? × 22.4 × kg绝干空气 ? 29 18 ? 273

(9-6)

式中 vH-湿空气的比容,m3/kg 绝干气; H-湿空气的温度,kg 水/kg 绝干气;
t-温度,℃。

由式(9-6)可知,在常压下,湿空气的比容随湿度 H 和温度 t 的增大而增大。 4.湿空气的比热容 .

常压下将绝干空气和其中的水蒸气的温度提高所需要的热量,称为湿空白的比热,简称湿热,
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即:
c H = c g ÷ Hcv c H = c g + Hcv = 1.01 + 1.88 H cH-湿空气的比热,kJ/(kg 绝干空气-℃); cg-绝干空气的比热,1.01kJ/(kg 绝干空气-℃); cv-水蒸气的比热,1.88kJ/ (kg 绝干空气-℃)。

(9-7)

式中

5. 湿空气的焓IH。

湿空气的焓为其中单位质量绝干空气的焓及所含水蒸气的焓之和。即:
I H = I g + HI v

(9-8)

式中 IH-湿空气的焓 ,kJ/(kg 绝干空气);
Ig-绝干空气的焓 ,kJ/(kg 绝干空气); Iv-水蒸气的焓 ,kJ/(kg 绝干空气)。

上述焓值是以干空气和液态水在0℃下的焓为零作为基准。绝干空气的焓就是其显热,而 水蒸气的焓则应包括水在0℃下的气化潜热及水气在0℃以上的显热。

对于温度为、湿度为的空气,其焓值计算如下,即:
I H = c g t + H (r0 + c v t ) = c H t + Hr0 = (1.01 + 1.88 H )t + 2490 H

(9-9)

式中 r0-0℃时的水蒸气的潜热,其值为 2490kJ/kg 6. 干球温度t 球温度t

用普通温度计测得的湿空气温度为其真实温度,称为干球温度,用符号t表示,单位为℃ 或K。
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7.

露点 td

将不饱和的空气在总压和湿度不变的情况下冷却至饱和状态时对应的温度,称为该空气的 露点,以符号 td 表示,单位为℃或K。在露点时,原湿空气的水蒸气分压等于露点下饱和水蒸 气压,此时空气的湿度为饱和湿度。由式(9-3)可得: H s ,td = 0.622 ps ,td P ? ps ,td (9-10)

式中

H s ,td ——湿空气的饱和湿度,kg 水气/(kg 绝干空气) ; ps ,td ——露点下水的饱和蒸气压,Pa

整理上式(9-10)可得:
ps ,td = H s ,td × P

0.622 + H s ,td

=

H ×P 0.622 + H

(9-11)

在确定湿空气的露点 td 时,将湿空气的湿度及总压代入式(9-11)求得下的饱和蒸汽压, 由饱和水蒸气表查出的对应温度即为该湿空气的露点 td。 8. 湿球温度 tw ,右侧的玻璃温度计感温体(水银球)用湿纱布包裹,纱布下端浸在水中,以保证纱布一直处 于充分润湿状态,这样测得的温度为湿空气的湿球温度,用表示,单位为℃或K。 湿球温度 tw 实质上是湿空气与湿纱布之间传质和传热达稳定时湿纱布中水的温度,由湿 球温度的原理可知,空气的湿球温度 tw 总是低于。tw 与 t 差距愈小,表明空气中的水分含量愈 接近饱和。 湿球温度的工程意义在于:在干燥过程中恒速干燥阶段时湿球温度即是湿物料表面的温 度。 9、绝热饱和温度 t as 、 绝热饱和温度是不饱和的湿空气与大量水相接触,在绝热条件下空气被水汽所饱和时空气 的温度。在空气绝热增湿过程中,空气的降温增湿过程是一等焓过程。 绝热饱和温度 t as 和湿球温度 t w 是两个完全不同的概念,但两者都是湿空气状态(t 和 H) 的函数。 实验测定证明,对空气-水系统,可以近似认为绝热饱和温度 t as 与湿球 t w 数值相等,而湿 球温度比较容易测定。

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由以上讨论可知,湿空气的湿度H主要通过测定干球温度 t、湿球温度 tw、露点温度后 计算得到。三个温度之间的关系如下: 对于不饱和湿空气 对于饱和湿空气 t>tw>td t=tw=td

【例 9-1】已知湿空气的总压为 101.325 kPa,相对湿度为 50%,干球温度为 20℃。试求: 】 (1) 湿度; (2) 水蒸气分压 p; (3) 露点 td ; (4) 焓 I; (5) 如将 500kg/h 干空气预热至 117℃,

求所需热量 Q;(6)

每小时送入他预热器的湿空气体积 V

解:p=101.325kPa, t=20℃,由饱和水蒸气表查得,水在 20℃时的饱和蒸汽压为 p s =2.34kPa (1) 湿度 H

H = 0.622
(2)

?p s 0.50 × 2.34 =0.622 × =0.00727kg水/kg干空气 P ? ?p s 101.3-0.50 × 2.34

水蒸气分压 p p= ? p s =0.50×2.34=1.17kPa

(3)

露点 t d 露点是空气在湿度 H 或水蒸气分压 P 不变的情况下,冷却达到饱和时的温度。所以可由 p=1.17kPa 查饱和水蒸气表,得到对应的饱和温度 t d =9℃

(4)

焓I

I=(1.01+1.88H)t+2492H=(1.01+1.88×0.00727)×20+2492×0.00727=38.6KJ/Kg 干空气 (5) 热量 Q

Q =500×(1.01+1.88×0.00727)×(117-20)=4966KJ/h=13.8kw (6) 湿空气体积 V

V=500 v H =500 × (0.772+1.244H) ×

T+273 273 20+273 =500 × (0.773+1.244 × 0.00727) 273 3 =419.7 m / h

二、湿空气的湿度图及应用 当总压一定时,表明湿空气性质的各项参数,只要规定其中任意两个相互独立的参数,湿 空气的状态就被确定。工程上为方便起见,将各参数之间之间的关系制成湿度图。常用的湿度 图由湿度—温度图(H-t)和焓湿度图(I-H),本章介绍焓湿度图的构成和应用。

1、I-H 焓湿图的构成
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图 9-3
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在总压力为 101.3KPa 情况下,以湿空气的焓为纵坐标,湿度为横坐标所构成的湿度图,称为 湿空气的 I-H 图。为了使各种关系曲线分散开,采用两坐标轴交角为 135°的斜角坐标系。为 了便于读取湿度数据,将横轴上湿度 H 的数值投影到与纵轴正交的辅助水平轴上。图中共有 5 种关系曲线,图上任何一点都代表一定温度 t 和湿度 H 的湿空气状态。 现将图中各种曲线分述如下: (1)等湿线(即等 H 线)。即等湿线是一组与纵轴平行的直线,在同一根等 H 线上不同的点 都具有 相同的温度值,其值在辅助水平轴上读出。 (2)等焓线(即等 I 线)。等焓线是一组与斜轴平行的直线。在同一条等 I 线上不同的点所代 表的 湿空气的状态不同,但都具有相同的焓值,其值可以在纵轴上读出。 (3)等温线(即等 t 线) 由式 I=1.01t+(1.88t+2490)H,当空气的干球温度 t 不变时,I 与 H 成 直线关系,因此在 I-H 图中对应不同的 t,可作出许多条等 t 线。上式为线性方程,等温线的 斜率为(1.88t+2490),是温度的函数,故等温线相互之间是不平行。 (4) 等 相 对 湿 度 线 ( 即 等 ? 线 ) 等 相 对 湿 度 线 是 一 组 从 原 点 出 发 的 曲 线 。 根 据 式 (9-5)

H = 0.622

?p s ,可知当总压P一定时,对于任意规定的 ? 值,上式可简化为 H 和 Ps 的关 P ? ?p s

系式,而 Ps 又是温度的函数,因此对应一个温度 t,就可根据水蒸气可查到相应的 Ps 值计算 出相应的湿度H,将上述各点(H,t)连接起来,就构成等相对湿度 ? 线。根据上述方法,可绘出 一系列的等 ? 线群。

? =100%的等 ? 线为饱和空气线, 此时空气完全被水气所饱和。 饱和空气以上 ? (<100%)
为不饱和 空气区域。当空气的湿度 H 为一定值时,其温度 t 越高,则相对湿度 ? 值就越低,其吸收水气 能力就越强。故湿空气进入干燥器之前,必须先经预热以提高其温度 t。目的是除了为提高湿 空气的焓值,使其作为载热体外,也是为了降低其相对湿度而提高吸湿力。 ? =0 时的等 ? 线 为纵坐标轴。 (5)水气分压线 2、I-H 图的用法 、
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该线表示空气的湿度 H 与空气中水气分压 p 之间关系曲线.

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利用 I-H 图查取湿空气的各项参数非常方便。 只要已知表示湿空气性质的各项参数中任意 两个在图上有交点的参数,如 t- t w ,t- t d ,t- ? 等,就可以在 I-H 图上定出一个交点,此点即为湿 空气的状态点, 由此点可查得其它各项参数。 若用两个彼此不是独立的参数, p-H, t d -p, t d -H, 如 则不能确定状态点,因它们都在同一条等 I 线或等 H 线上。 例如,图 9-3 中 A 代表一定状态的湿空气,则 例如 (1)湿度 H,由 H 点沿等湿线向下与水平辅助轴的交点H,即可读出A点的湿度值。 湿度 , 点沿等湿线向下与水平辅助轴的交点H,即可读出A点的湿度值。 H,即可读出 (2)焓值 I,通过 A 点作等焓线的平行线,与纵轴交于I点,即可读得 A 点的焓值。 焓值 , 点作等焓线的平行线,与纵轴交于I 点的焓值。 (3)水气分压 P,由A点沿等温度线向下交水蒸气分压线于C,在图右端纵轴上读出水气 水气分压 , 点沿等温度线向下交水蒸气分压线于C, C,在图右端纵轴上读出水气 分压值。 分压值。 (4)露点 td,由 A 点沿等湿度线向下与φ=100%饱和线相交于 B 点,再由过 B 点的等温线 露点 由 点沿等湿度线向下与φ 饱和线相交于 读出露点 td 值。 (5)湿球温度 tw(绝热饱和温度 tas),由 A 点沿着等焓线与φ=100%饱和线相交于 D 点,再 湿球温度 绝热饱和温度 由 点沿着等焓线与φ 饱和线相交于 由过 D 点的等 即绝热饱和温度 温线读出湿球温度 tw(即绝热饱和温度 tas 值)。 即绝热饱 。 通过上述查图可知,首先必须确定代表湿空气状态的点,然后才能查得各项参数。

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§9.3 干燥过程的物料衡算和热量衡算
通常, 在干燥过程的计算中, 首先要计算干燥过程中的水分蒸发量和空气消耗量和热量, 据此进行风机及换热器的选型或设计.干燥过程的物料衡算和热量衡算是上述计算的基础. 一、湿物料中含水量的表示方法 1、湿基含水量 湿物料中所含水分的质量分率称为湿物料的湿基含水量。 w= 2.干基含水量 干基含水量 不含水分的物料通常称为绝对干料。湿物料中的水分的质量与绝对干料质量之比,称为湿 物料的 干基含水量。 X= 两者的关系为
X= w 1? w 或 w= X 1+ X (9-14)

湿物料中水分的质量 湿物料总质量

(9-12)

湿物料中水分的质量 湿物料中绝干物料的质量

(9-13)

工业生产中物料含水量常以湿基含水量表示, 但由于干燥过程中湿物料的总质量因干燥失出水 分而不断减少,而绝干物料的质量不变,因此,干燥计算中,以干基含水量表示较为方便。 二、干燥器物料衡算 通过干燥系统作物料衡算,可以算出: (1)从物料中除去水分的数量,即水分蒸发量(2) 空气的消费量(3)干燥产品的流量。 1、水分蒸发量 W 总水分衡算: LH1 + Gc X 1 = LH 2 + Gc X 2 或: W = L ( H 2 ? H1 ) = Gc ( X 1 ? X 2 ) 式中: W —单位时间内水分的蒸发量, [kg s ]
Gc —单位时间内绝干物料的流量, [kg s ] H1 、 H 2 X1 、 X 2

(9-15) (9-16)

分别为空气进、出干燥器时的湿度,kg 水/kg 绝干气; 分别为湿物料进、出干燥器时的干基含水量,kg 水/kg 绝干物

料。
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强调基准与物料必须相匹配即干基必须是干物料。 2、 空气消耗量 L 、 将(9-16)式整理可得: L = Gc ( X 1 ? X 2 ) W = H 2 ? H1 H 2 ? H1 (9-17)

式中: L —单位时间内消耗的绝干空气量, [kg绝干气 s ] 将(9-17)等号两侧均除以 W 得:
l= L 1 = W H 2 ? H1 (9-18)

式 中 : l — 每 蒸 发 1[kg ] 水 分 时 , 消 耗 的 绝 干 空 气 数 量 , 称 为 单 位 空 气 消 耗 量 ,

[kg绝干气

kg水分]

如果以 H 0 表示空气预热前的湿度,而空气经预热器后,其湿度不变,故 H 0 =H1 ,则有
l= L 1 = W H2 ? H0 (9-19)

由上可见,单位空气消耗量仅与 H 2 、 H 0 有关,与路径无关。湿度 H 0 与气候条件有关, 夏季湿度大,消耗的空气量最多,因此在选择输送空气的通风机时 , 应以全年中最大空气消耗量 为依据,通风机的通风量 V 计算如下: t + 273 V = L × vH = L × (0.733 + 1.244 H ) × (9-20) 273
L —单位时间内消耗的绝干空气量, [kg绝干气 s ] ,式中湿度 H 和温度 t 为通风机所在安装

位置的空气湿度和温度。 3、 干燥产品流量 G2 、

Gc = G2 (1 ? w2 ) = G1 (1 ? w1 )
出干燥器的绝干物料=入干燥器的绝干物料 式中: Gc —绝干物料

(9-21)

w1 —物料进干燥器时湿基含水量。 w2 —物料离开干燥器时湿基含水量。
应指出:干燥产品只是含水少不等于绝干物料,即绝干物料是不含水在干燥器中其质量不
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变。 三、干燥过程的热量衡算 通过干燥系统的热量衡算,可以求得: (1)预热器消耗的热量; (2)向干燥器补充的热量; (3)干燥过程消耗的总热量。这些内容可作为计算预热器传热面积、加热介质用量、干燥器 尺寸以及干燥系统热效应等计算的依据。干燥系统的热流图如图所示。

QL

L H0,t0,I0

预热器

L H1,t1,I1

干燥器

L H2,t2,I2 G1 X1,θ1,I' 1

QP
图 9-4

G2 X2,θ2,I' 2

QD

图8.1 连续干燥过程的热量蘅算示意图

连续干燥过程的热量衡算示意图

图中: X 1 、 X 2 ——分别为湿物料进出干燥器的干基含水量,kg 水/(kg 干料); I 0 、 I1 、 I 2 ——分别为湿空气进入、离开预热器及离开干燥器时的焓,KJ/kg 干气; H 0 、 H1 、 H 2 ——分别为湿空气进入、离开预热器及离开干燥器时的湿度,Kg 水/kg 干气; t0 、 t1 、 t2 ——分别为湿空气进入、离开预热器(即进入干燥器)及离开干燥器时的温度,℃;
L ——绝干空气流量,kg(干气)/s;

Q p ——单位时间内预热器消耗的热量,kw; G1 、 G2 ——分别为湿物料进出干燥器的流量,kg(湿物料)/s; I '1 、 I '2 ——分别为湿物料进出干燥器的焓, (湿物料)KJ/kg(干料) ;

θ1 ,θ 2 ——分别为湿物料进入和离开干燥器时温度,℃
QD ——单位时间内向干燥器补充的热量,kw; QL ——干燥器的热损失,kw。
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1、预热器的热量衡算 、 若忽略预热器的热损失,以 1 [s ] 为基准,对上图预热器列焓衡算,得:
LI 0 + Q p = LI 1

(9-22) (9-23)

故单位时间内预热器消耗的热量为: Q p = L ( I1 ? I 0 ) = L(1.01 + 1.88H 0 )(t1 ? t0 ) 2、干燥器的热量衡算 、 再对上图的干燥器列焓衡算,以 1 [s ] 为基准,得:
' LI1 + Gc I1' + QD = LI 2 + Gc I 2 + QL

(9-24) (9-25)

' 故单位时间内向干燥器补充的热量为: QD = L ( I 2 ? I1 ) + Gc ( I 2 ? I1' ) + QL

联立(9-23)、 (9-25)得: 故单位时间内向干燥系统补充的总热量为:
Q = Q p + QD
' = L ( I 2 ? I 0 ) + Gc ( I 2 ? I1' ) + QL

(9-26)

(9-23) 、 (9-25)、(9-26)为连续干燥系统中热量衡算的基本方程式。为了便于分析和应用, 将(3)式作如下处理。假设: (1) 新鲜空气中水气的焓等于离开干燥器废气中水气的焓,即: (2) 湿物料进出干燥器时的比热取平均值 c m , c m 可由绝干物料比热 c g 及纯水的比热 c w 求 得:即: c m = c g + Xc w
' Q = Q p + QD = L ( I 2 ? I 0 ) + Gc ( I 2 ? I1' ) + QL

= L[1.01(t 2 ? t 0 ) + (2490 + 1.88t 2 )(H 2 ? H 0 )] + Gc m (θ 2 ? θ1 ) + QL

= 1.01L ( t2 ? t0 ) + W ( 2490 + 1.88t2 ) + Gcm (θ 2 ? θ1 ) + QL L
分析上式可知,向干燥系统输入的热量用于: (1)加热空气(2)蒸发水分(3)加热物料 (4)热损失。 4、 干燥系统的热效率 、 干燥系统的热效率定义为:

η=

蒸发水分所需的热量 × 100% 向干燥系统输入的总热量

蒸发所需热量为: Qv = W (2490 + 1.88t 2 ) ? 4.178θ1W ,水从 0 ~ 20 o C 平均比热为 4.178 若忽略湿物料中水分代入系统中的焓,上式简化为:
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第九章 干燥

Qv ≈ W (2490 + 1.88t 2 )

η=

W (2490 + 1.88t 2 ) × 100% Q

η 越高表示热利用率愈好,若空气离开干燥器的温度较低,而湿度较高,则水分气化量大,
可提高干燥操作的热效率。 但空气湿度增加,使物料与空气间的推动力即 (H w ? H ) ↓ ,一般来说,对于吸水性物料 的干燥,空气出口温度应高些,而湿度应低些,即相对湿度要低些。在实际干燥操作中,空气 离开干燥器的温度 t 2 需比进入干燥器时的绝热饱和温度高 20 ~ 50 o C ,这样才能保证在干燥系 统后面的设备内不致析出水滴,否则可能使干燥产品返潮,且易造成管路的堵塞和设备材料的 腐蚀。在干燥操作中,废气(离开干燥器的空气)中热量的回收对提高干燥操作的热效率有实 际意义,此外还应注意干燥设备和管道的保温隔热。

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第九章 干燥

§9.4 干燥速率和干燥时间
9.4.1 物料中所含水分的性质

、 (一) 平衡水分与自由水分 根据物料在一定干燥条件下,其所含水分能否用干燥的方法除去来划分,可分为平衡水 分与自由水分。 平衡水分:等于或小于平衡含水量,无法用相应空气所干燥的那部分水分。 自由水分:湿物料中大于平衡含水量,有可能被该湿空气干燥除去的那部分水分。 、 (二) 结合水分和非结合水分 据物料与水分结合力的状况,可分为结合水分和非结合水分。 结合水分:凡湿物料的含水量小于 Xs 的那部分水分称为结合水分。此时, 其蒸汽压都小于同 温度下纯水的饱和蒸汽压。 非结合水分:含水量超过 Xs 的那部分水分称为非结合水分。此时,湿物料中的水分的蒸汽 两种分类方法的不同: 平衡水分与自由水分,结合水分与非结合水分是两种概念不同的区分方法。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。 9.4.2 恒定干燥条件下的干燥速率

恒定干燥条件即干燥介质的温度、湿度、流速及与物料的接触方式,在整个干燥过程中均 保持恒定。 (一) 干燥速率 、干燥速率 定义:单位时间、单位干燥面积汽化的水分量。

U=
(二) 干燥曲线与干燥速率曲线 、干燥曲线与干燥速率曲线

G dX dW d [Gc ( X 1 ? X )] = =? c Adτ Adτ Adτ

某物料在恒定干燥条件下干燥,可用实验方法测定干燥曲线及干燥速率曲线。什么是恒定干燥 条件? 恒定干燥条件:指干燥过程中空气的湿度、温度、速度以及与湿物料的接触状况都不变。 (1)干燥曲线

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第九章 干燥

图 9-11 (2)干燥速率曲线

干燥曲线

(3)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,在该过程 中,物料的含水量及其表面温度均随时间而变化。物料含水量由初始含水量降至与 B 点相 应的含水量,而温度则由初始温度升高(或降低)至与空气的湿球温度相等的温度。一般该过 程的时间很短,在分析干燥过程中常可忽略,将其作为恒速干燥的一部分。 ▲BC 段:在 BC 段内干燥速率保持恒定,称为恒速干燥阶段。在该阶段:湿物料表面温度为 空气的湿球温度 ;

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。 干燥速率主要取决于水分在物料内部的迁移速率。不同类型物料结构不同,降速阶段速率曲 线的形状不同。

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第九章 干燥

※某些湿物料干燥时,干燥曲线的降速段中有一转折点 D,把降速段分为第一降速阶段和第二 降速阶段。D 点称为第二临界点,如图 9.13 所示。但也有一些湿物料在干燥时不出现转折 点,整个降速阶段形成了一个平滑曲线,如图 9.14 所示。降速阶段的干燥速率主要与物料 本身的性质、结构、形状、尺寸和堆放厚度有关,而与外部的干燥介质流速关系不大。 E 点:E 点的干燥速率为零, 即为操作条件下的平衡含水量。 需要指出的是,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。 、 (三) 速干燥阶段的干燥速率 恒速干燥的前提条件:湿物料表面全部润湿。即湿物料水分从物料内部迁移至表面的速率 大于水分在表面汽化的速率。 若物料最初潮湿,在物料表面附着一层水分,这层水分可认为全部是非结合水分,物料在 恒定干燥条件下干燥时,物料表面的状况与湿球温度计湿纱布表面状况相似,物料表面温度 θ 即为 tw。 若维持恒速干燥,必须使物料表面维持润湿状态,水分从湿物料到空气中实际经历两步: 首先由物料内部迁移至表面,然后再从表面汽化到空气中。若水分由物料内部迁移至表面的速 率大于或等于水分从表面汽化的速率,则物料表面保持完全润湿。由于此阶段汽化的是非结合 水分,故恒速干燥阶段的干燥速率的大小取决于物料表面水分的汽化速率。因此,恒速干燥阶 段又可称为表面控制阶段。 恒定干燥条件下,恒速干燥速率:
U=

α
rw

(t ? t w ) = k H ( H w ? H )

t:湿空气温度; t w:湿物料表面温度; H w:湿物料表面湿度; H:湿空气湿度。

恒速干燥的特点: 恒速干燥的特点: (1)U=Uc=const.
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第九章 干燥

(2)物料表面温度为 tw; (3)在该阶段除去的水分为非结合水分。 (4)恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态有关,而与物料的种类无关。 、 (四) 干燥阶段 到达临界点以后,即进入降速干燥阶段,此阶段分为两个过程: (1)实际汽化表面减小 随着干燥过程的进行,物料内部水分迁移到表面的速率已经小于表面水分的汽化速率。物 料表面不能再维持全部润湿,而出现部分“干区” ,即实际汽化表面减少。因此,以物料总面 积为基准的干燥速率下降。去除的水分为结合、非结合水分。 (2)汽化面内移 当物料全部表面都成为干区后,水分的汽化面逐渐向物料内部移动,传热是由空气穿过干 料到汽化表面,汽化的水分又从湿表面穿过干料到空气中,降速干燥阶段又称为物料内部迁移 控制阶段。显然,固体内部的热、质传递途径加长,阻力加大,造成干燥速率下降。即为图中 的 DE 段,直至平衡水分 X*。在此过程,空气传给湿物料的热量大于水分汽化所需要的热量, 故物料表面的温度升高。 降速干燥阶段特点: 降速干燥阶段特点: (1)随着干燥时间的延长,干基含水量 X 减小,干燥速率降低; (2)物料表面温度大于湿球温度; (3)除去的水分为非结合、结合水分; (4)降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、形状及尺寸有关,而与空气状态关系不大。 . (五) 临界含水量 Xc 物料在干燥过程中经历了预热、恒速、降速干燥阶段,用临界含水量 Xc 家加以区分,Xc 越大,越早地进入降速阶段,使完成相同的干燥任务所需的时间越长,Xc 的大小不仅与干燥 速率和时间的计算有关,同时由于影响两个阶段的因素不同,因此确定 Xc 植对强化干燥过程 也有重要意义。 9.4.3 恒定干燥条件下干燥时间的计算 一.恒速干燥阶段 τ1=G'c(X1-Xc)/SU0 式中 τ1-恒速阶段干燥时间(S) X1-物料的初始含水量(kg/kg 绝干物料)。
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第九章 干燥

二.降速干燥阶段 τ2=Gcln[(Xc-X*)/(X2-X*)]/KxS 因此,物料干燥所需时间,即物料在干燥器内停留时间为 τ=τ1+τ2 对于间歇操作的干燥器而言,还应考虑装卸物料所需时间τ',则每批干燥物料所需的时间 为: τ=τ1+τ2+τ'

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第九章 干燥

§9.5 干燥设备
9.5.1 干燥器的主要类型 一.厢式干燥器(盘式干燥器) 优点:构造简单、设备投资少,适应性较强。 缺点:装卸物料的劳动强度大,设备利用率、热利用率低及产品质量不易稳定。 适用于小规模多品种、要求干燥条件变动大及干燥时间长等场合的干燥操作,特别适合 作为实验室 或中间试验的干燥装置。 二.带式干燥器 优点:物料在其中翻动较少,可保持物料的形状,可连续干燥多种物料。 缺点:生产能力及热效率都低。 适用于干燥颗粒状、块状和纤维状的物料。 三.气流干燥器 优点:传热传质过程被强化,物料停留时间短,运输方便、操作稳定、成品质量稳定。 缺点:对除成尘设备要求严格,系统流动阻力大,由于干燥管较长,故对厂房要求有一 定的高度。 适用于热敏性、易氧化物料的干燥。 四.沸腾床干燥器 优点:结构简单、造价低,活动部件少,操作维修方便。 缺点:操作控制要求高。而且由于颗粒在床中高度混合,可能引起物料的反混和短路, 从而造成 物料干燥不充分。 适用于处理粉粒状物料,而且粒径最好在 30-60μm 范围。 五.转筒干燥器 优点:机械化程度高,生产能力大,流动阻力小,容易控制,产品质量均匀,对物料适 应性强。 缺点:设备笨重,金属材料耗量多,热效率低,结构复杂,占地面积大,传动部件需经 常维修。 六.喷雾干燥器 优点:物料干燥时间短,改变操作条件即可控制或调节产品指标,流程较短。 缺点:经常发生粘壁现象,影响产品质量,对气体的分离要求高,体积传热系数较小, 对于不能用
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第九章 干燥

高温载热体干燥的物料所需要的设备庞大。 适用于士林蓝及士林黄染料等。 七.滚筒干燥器 优点:动力消耗低,投资少,维修费用省,干燥时间和干燥温度容易调节。 缺点:生产能力、劳动强度和条件等方面不如喷雾干燥器。 适用于溶液、悬浮液、胶体溶液等流动性物料的干燥。 9.5..2 干燥器的选型

在化工生产中,为了完成一定的干燥任务,需要选择适宜的干燥器. 通常干燥器选型应考虑下列因素: (1)产品质量 (2)物料的特性 (3)生产能力 (4)劳动条件 (5)经济性 (6)其他要求 此外,根据干燥过程的特点和要求,还可采用组合式干燥器.

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