化工原理-干燥章节word版.docx

第六章干燥第一节概述在化工生产中有许多原料、半成品或产品是固体物料。固体物料在去湿前与湿分（水 或其它液体，多为水分）形成悬浮液、糊状体或胶状物。为了使这些物料便于进一步的加 工、运输和使用，往往需要将湿分从物料中除去，这种除去湿分的操作称为去湿。例如：药物，食品中去湿，以防失效变质，中药冲剂，片剂，糖，咖啡等去谶干燥）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。一、工业去湿方法1、机械脱水：沉降或过滤，该法实质上是固、液相的分离过程。湿分不发生相变， 能耗少，费用低，但湿分去除不彻底，只适用于物料间大量水分的去除，一般用于初步 去湿，为进一步干操作准备。2、物理除湿：用吸湿性较强的化学药品（如无水氯化钙、苛性纳等）或吸附剂（如分 于筛、硅胶等）来吸收或吸附物料中水分，该法适用于除少量湿分。3、干燥：通过加热汽化去除湿分。借助于热能，使物料中的湿分汽化，并将产生的 蒸汽加以排除或带离物料。去湿过程中湿分发生相变，耗能大，费用高，但湿分去除较 为彻底，可去除物料表面以致内部的湿分。通常的做法是先采用机械脱水除去大部分水分，再用干燥的方法将物料中少量的水 分除去以达到产品的要求。因此，干燥技术在工业上得到广泛的应用。二、干燥过程分类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，易氧化或要求产品含湿量很低的物料（实验室 用的真空干燥箱、真空干燥器）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：分为传导干燥，对流干燥和辐射干燥传导壬燥：热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物料，使其中的水分汽化，然后， 所产生的蒸汽被干燥介质带走，或用真空泵抽走的干燥操作过程。由于该过程中湿物料与加热介质不直接接触，故又称为间接加热干燥。该法热能利用较高，但与传热壁面接 触的物料在干燥时易局部过热而变质。辐射干燥：热能以电磁波的形式由辐射器发射至湿物料表面后，被物料所吸收转化 为热能，而将水分加热汽化，达到干燥的目的。辐射干燥比热传导干燥和对流干燥的生 产强度大几十倍，且设备紧凑，干燥时间短，产品干燥均匀而洁净，但能耗大，适用于 干燥表面积大而薄的物料。（实验室用的红外烘箱）对流干燥：热能以对流给热的方式由热干燥介质（通常是热空气）传给湿物料，使物 料中的水分汽化，物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸汽 从表面扩散至干燥介质主体，再由介质带走的干燥过程。对流干燥过程中，传热和传质 同时发生。热能由干燥介质的主体以对流方式传给固体物料的表面，然后再由物料表面 传至固体的内部，而水分却由固体内部向固体表面扩散，被汽化后由固体表面扩散至气 相介质的主体。传热的推动力是温度差，传质的推动力是水的浓度差，或水蒸汽的分压 差，传热和传质的方向相反，但又密切相关。干燥介质既是热载体又是湿载体，干燥过 程对于干燥介质是降温增湿过程。对流干燥过程的传热和传质模式如图听示。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，物料表面的湿分分压Pj高于气流主 体，湿分蒸汽在此分压差的作用下由物料表面由气流主体扩 散，并被气流带走。在此过程中，气体带来热量，并将湿分 带走，充当了载热体的载湿体的角色，被称为干燥介质。所 使用的干燥介质有热空气、烟道气、或其它高温气体等。目 前工业上以热空气为干燥介质，以水为湿分的的对流干燥最 为普遍，本章着重讨论该干燥过程。三、干燥的必要条件只要物料表面的湿分分压高于气流主体p>p，使物料表面的湿分能够汽化，干燥即i可进行。传质推动力 = P. - P，Ap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 p=0，则干燥无法进行，传质达到动态平衡。四、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）第二节湿气体的性质湿气体是绝干气体与湿分蒸汽的混合物。湿空气的状态，既关系到传递热量的多少 和速度，又关系到传质的速度和量，且随干燥过程的进行而变化。因此，首先介绍与干 燥过程有关的表征湿空气性质的状态参数。为计算方便，通常取单位质量的绝干气体作 为计算基准，即1kg绝干气体连同它所携带湿分蒸汽所具有的性质，这就是所谓绝干基 准或干基。一、湿气体的干球温度和总压湿气体的干球温度就是将温度计直接插在湿气体中测量到的温度。是空气的真实温 度，湿空气中干空气和水蒸气的温度相同，均为干球温度，简称为温度，以t表示。总压：湿气体的压力即为系统总压P，干燥过程中系统总压一般是恒定不变的。二、湿分的表示方法1、湿分分压即为湿气体中湿分蒸汽的压力。根据道尔顿分压定律，湿空气的总压巳等于绝对干 空气的分压pg和水汽分压p之和，即P = pg + p当总压一定时，空气中水汽的分压p越大，水汽的含量也越大。当气体为湿分蒸汽所饱 和时，湿分分压达到最大，即系统温度下湿分的饱和蒸汽压ps。pg为干空气的分压。n p png Pg P p式中，n、n分别为湿分蒸汽和绝干空气的摩尔数。w g2、绝对湿度湿空气中所含水汽的质量与绝对干空气的质量之比称为湿度，又称湿含量，kg水/kg 干空气。可表示为下式：H n M M pn M M P - p对于空气一水系统，有Mw=18，Mg=29，代入上式得H = 0.622 P - p3、相对湿度在总压P 一定的条件下，湿空气中水蒸气分压p与同温度下的饱和蒸气压ps之比，称为相对湿度，可表示为中=X100%ps意义：相对湿度表明了湿空气的不饱和程度，反映湿空气吸收水汽的能力。p=1 (或100%)，表示空气已被水蒸汽饱和，不能再吸收水汽，已无干燥能力。愈小，即P与Ps差距愈大，表示湿空气偏离饱和程度愈远，干燥能力愈大。H、p之间的函数关系：甲PH = 0.622sP _伽s2 3991.11、ps是温度的函数，对湿分为水可由经验公式Ps =话exp(18.5916-月云3函)计算。因此，在总压P一定的条件下，相对湿度决定于湿空气的温度和湿度。饱和蒸汽压随温度升高而增加，在绝对湿度不变的条件下提高气体的温度，相对湿度降低，气体的吸湿能力增加，所以，气体用作干燥介质应预热。4、湿空气比容&H定义：每单位质量绝干空气中所具有的空气和水蒸汽的总体积，单位为m3/kg绝干空 气。计算式为,1H、 t + 273 101.325t + 273VH = v + v =(29 +18)- 22.4 273 - p = (0.287 + 0.462) p 此处P的单位为 kPa。常压下，P=101.325kPa，则 ¥丑=(0.002835 + 0.004557H )(t + 273)5、湿空气的比热cH：定义：常压下，将1kg干空气和其所带的H kg水蒸气的温度升高1°C所需的热量。 简称湿热，单位是J/(kg绝干气体)。计算式为：c - c x 1 + c x H - c + c HH gvg vcg:绝干气体的比热，J/(kg绝干气体C)，cv：水蒸汽的比热，J/(kg水蒸汽 C)。空气的比热cg= 1.005 kJ/(kgC)，水蒸汽的比热cv= 1.884kJ/(kgC)。6、湿空气的焓I：定义：湿空气的焓为单位质量干空气的焓和其所带H kg水蒸汽的焓之和，或称湿空 气的热含量。单位：kJ/kg绝干空气i - i + Hi焓是相对值：计算焓值时必须规定其基准态和基准温度。为简化汁算，常取计算基 准为：0C时干空气与液态水的焓等于零。则绝干气体的焓为ig - cg (t _ 0) - ct，而湿 分蒸汽的焓包括液态湿分在0C的汽化潜热和0C以上的显热，即七-r0 + ct 所以 i - (c + Hc )t + r H c t + r HH g v 0H 0对空气一水系统即为 iH=(1.005+1.884H)t+2491.27H7、露点td不饱和的空气在湿含量不变的情况下进行冷却，达到饱和状态时之温度称为露点。8、湿球温度tw将湿球温度计置于温度为t、湿度为H的流动不饱和空气中，湿纱布中的水分必然要 汽化，并向空气主流中扩散；同时汽化吸热使湿纱布中的水温下降，与空气间出现温差， 引起空气向水分传热。当空气传给水分的显热恰好等于水分汽化所需的潜热时，空气与 湿纱布间的热质传递达到平衡，湿球温度计上的温度维持恒定。此时湿球温度计所测得 的温度称为湿空气的湿球温度，此温度并不代表空气的真实温度，但由于此温度由湿空 气的温度、湿度所决定，故称它为湿空气的湿球温度，以tw表示。液体达到湿球温度时，气体对液体的对流传热速率为Q =a A(t -1 )w液体汽化的吸热速率为Q = "Hw - H)rw , kH为对流传质系数，Hw是液体表面 的气体湿度。HW所以 Q =aA(t -1 ) = kHA(Hw - H)r于是，湿球温度可表达为t = t-匕r (H 一 H)wa w w对空气一水体系，实验表明存在经验关系：空H " 1，所以上式可简化为 at = t -二(H - H )wc wH一般的，kH，a与空气速度u的0.8次方成正比，所以值kH/a与u无关。仅与气体的 温度t和湿度H有关。对于饱和湿空气，其湿球温度与干球温度相等。对于不饱和的湿空气，湿球温度低于 干球温度。对于一定干球温度的湿空气，其相对湿度愈低，湿球温度亦愈低。湿球温度 是表明湿空气状态或性质的一种参数。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 -七(t-tw)w rw三、气体的湿度图1、空气湿度图的绘制为简化湿气体参数计算过程，将公式绘制成图，可用查图代替计算。同时，查图比 较直观，气体的状态变化在图上可一目了然，便于分析问题由于H = 0.622 曾P-伽(1)等相对湿度线：即等p线，而ps是温度t的函数，所以如P213图12.16所示，是一个大气压下空气一水系统的湿度图，横坐标为空气的干 球温度，右侧纵坐标为空气的湿度，所以，纵线为等温线，横线为等湿线。sP一定时，每取定一个p值，则由于H是温度的函数，给定一组温度t.，即可得到一组对 应的湿度H，连结各点得到等p线。(2) 绝热冷却线：又称为等t (绝热饱和温度)线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，若不计水汽的显热，空气的降温增湿过程是一 等焓过程。绝热饱和温度和tas湿球温度tw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。实验额，定证明，对空气水系统，可以近似认为绝热饱和温度与湿 球温度相等，而湿球温度比较容易测定。由t = t +二(H - H)，每取定一个t，t只是H的函数，取若干个H求得对应 as casasH的t，得到等匕线上的各点，连结各点得到绝热冷却线。(3) 湿热一温度线：即cH-H线。据其定义式Ch =1.005 +1.884H，cH与温度无关，在图上的坐标为TOP-X，只有一条直线。(4) 湿比容一温度线：常压下，湿比容的计算式可写成Vh = (0.002835 + 0.004557H)(t + 273)，当H给定时，vH与t成直线关系，取不同的 H 值即可得到一簇直线。对于饱和空气，由于饱和湿度是温度的函数，所以，空气的饱和湿比容仅是温度的 函数，饱和湿比容与温度的关系仅有一条曲线。2、空气湿度图的应用在温度、湿度(或露点温度)、相对湿度、绝热饱和温度(湿球温度)四项中，已知 其中任意两个即可确定湿度图中的一个点，因而可以确定空气的一个状态，其他各参数 也可以查出了。第三节 干燥过程基本规律一、物料湿分的表示方法两种方法(1)湿基湿含量：巧=物料所含液态湿分的质量= W，单位kg水/kg湿料 湿物料的质量 一 Gc + W(2)干基湿含量：X =物料所含液态湿分的质量=也，单位kg水/kg干料 绝干物料的质量Gc、w二者之间的换算关系： w = X =-1 + X 1 一 w以湿基表示时，由于干燥过程中，湿基的质量不断变 化，而绝干物料的质量是不变的。因此，用干基含水量 计算较为方便。二、干燥平衡及干燥平衡曲线1、湿分在空气和物料间的平衡关系湿分在空气和物料间的传递存在方向问题，它取决于湿分在空气和固体间的平衡关 系。当湿含量为X的湿物料与湿分分压为p的不饱和湿气体接触时，物料将失去自身的 湿分或吸收气体中的湿分，直到湿分在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿分分压为止， 此时，湿分在物料和气体中处于平衡状态而不再变化。平衡状态下物料的湿含量称为平 衡湿含量。平衡湿含量不仅取决于气体的状态，还与物料的种类有关。湿分在物料和气体间的平衡关系如图所示，此图又叫干燥平衡曲线。2、结合水与非结合水在各种固体物料中，水分以不同的方式与固体物料相结合，以不同的形式存在。有 的水分以化学力与固体相结合，以结晶水、溶胀水分等形式存在于固体物料中；有些水 分受物料的表面吸附力、毛细管力等物理化学力的作用，以吸附水分及毛细管水分的形 式存在。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。非结合水分：含水量超过Xh的那部分水分称为非结合水分，这部分水分与物料没有 任何形式的结合（举例，如洗衣时衣服从水中捞起时向下滴的水分）其蒸汽压为同温度 下纯水的饱和蒸气压。结合水分：凡湿物料的含水量小于Xh的那部分水分称为结合水分。此时，其蒸汽压 小于同温度下纯水的饱和蒸汽压，且随着物料中X的减小而持续降低，表明此部分水分 与物料存在某种形式的结合。根据物料与水分结合的方式，可将结合水分分为吸附水分、毛细管水分、溶胀水分 和化学结合水分（结晶水），后者结合力较强，难汽化，前三种相对较易汽化。3、平衡水分与自由水分平衡含水量：当气体为不饱和气体时，即p<ps时，与气体的水蒸汽分压p呈平衡的 物料含水量为平衡含水量。此值与物料的种类和湿气体的状态有关。低于此含量的水分 将不能用干燥的方法除去。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。影响平衡水分的因素：（1）物料的性质：在空气的相对湿度一定的情况厂，物料的 平衡水分随物料的种类不同而异。无孔的非吸水性不可溶固体物料，其平衡水含量很低， 几乎等于零，如瓷土和玻璃丝，而某些多孔的吸水性的海绵状有机物与生物物料，却有 较大的平衡含水量，如烟叶、皮革、木材等。（2）空气的相对湿度：同一物料的平衡水 分与其相接触的空气的相对湿度有关。气的相对湿度越高，其平衡水分越大。空气的相 对湿度为零时任何物料的平衡水分均为零。（3）温度：在相对湿度一定的条件下物料的 平衡水分随温度的升高而减小。例如，棉花与相对湿度为50%的空气相接触，空气的温度由37.8°C升高到93.3C时，物料的平衡水量由0.073kg（水）/ kg（绝对干燥物料）减少到 0.052kg（水）/ kg（绝对干燥物料），大约减少了 25%。4、平衡曲线的应用（1）确定是干燥过程还是吸湿过程，进而确定过程的推动力。若物料含水量X高于 平衡含水量X，则物料脱水而被干燥，其推动力 X=XX；若物料的含水量低于平衡含 水量，则物料将吸水而增湿，其推动力AX = X一X（2）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（或者为了达到一定的干燥要求，干燥介质的最高允许湿含量）（3）确定物料中的结合水量和非结合水量。结合水与物料的结合力较强，其水蒸气 压低于同温度下纯水的饱和蒸气压。非结合水的水 蒸汽压等于同温度下纯水的蒸汽压。因此，根据湿 物料的干燥平衡曲线可以确定结合水量和非结水 量。三、对流干燥的基本规律1、干燥曲线和干燥速率曲线由于影响干燥速度问题很多，又由于传热传质 机理比较复杂，因此到日前为止，仍不能用数学 关系式来描述干燥速度与相关因素的关系。为了 部 设计干燥器，通常需要通过实验确定物料的干燥 速度。 实验时，记录不同时间下物料的质量和物料表面 ' 温度T随时间t的变化。实验测定进行到物料的 质量恒定不变，物料与空气达到动平衡状态为止。 此时物料所含水分为所用干燥介质条件下的平衡 水分X况实验结束后再将物料放入电烘箱内烘干 至恒重，称出绝对干燥的物料重。将湿含量X与干燥时间的关系做成曲线，即 § 为干燥曲线。同时也可得到T与t的关系曲线。由干燥曲线可以看出，物料干燥过程可以分为 t 三个不同的阶段：预热（或称调整）阶段、恒速干燥 1 阶段和降速干燥阶段。两曲线的AB线段表示干燥 过程的预热阶段。在该阶段内，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T1升高到与空气的湿球温度Tw 相等的温度。在预热阶段内，空气中的一部分热量用于加热物料，一部分热量用于汽化 水分。物料的含水量及温度随时间的变化都不大，斜率dx/dt较小。由于该阶段的时间较 短，一般将其作为恒速干燥的一部分。自B点起物料的表面温度趋于稳定，这时物料就如湿球温度计的湿纱布一样，保持 湿球温度或近于湿球温度，空气传热给物料只是使水分汽化。这一阶段一直延续C点， 于燥曲线在这一段斜率不变，是一条直线即从B点至C点湿含量以恒定的速率变小，所 以这一段称为恒速干燥段（或称等速段或恒速段）。C点以后干燥曲线的斜率不断变小，即湿含量的变化越来越慢，同时物料的表面温度， 也由湿球温度不断升高，此现象表明空气传热给物料除了提供水分汽化以外，还使物料 温度升南，直到最后干烘曲线的斜率降低到零，物料的湿含量达到平衡湿含量X*，物料 的温度升高至等于空气的温度，此时空气与物料达到传质和传热的平衡。由于C点以后 的曲线段中湿含量变化越来越慢，所以这一阶段称为降速干燥段，简称降速段。干燥速率曲线：如果将干燥速率，或干燥速度（即干燥通量），对物料湿含量作图， 则干燥过程的某些特征表现得更加直观。当物料由于形状不规则等原因，不容易求得干燥面积时，干燥的快慢常以于燥速率 表示.于燥速率就是单位时间内汽化的水分质量。一 dW 一 dX干燥速率：U = = G ，X：物料的干基湿含量，Gc：绝干物料的质量。dTc dTA dW 干燥速度：村=诙=G dXcA dT式中负号的出现，是由于随着水分的汽化，物料湿含量 减小，dX是负值之故以干燥速率或速度对湿含量作图，得干燥速率曲线。当干燥开始时物料被预热，干燥速率升高，物料温度也 升高（AB段），但这一段很短。当物料被加热到湿球温度以 后，开始了等速干燥。物料表面温度也保持湿球温度（BC段）， 当物料湿含量降低至某一值X时，物料的干燥速率（或干燥 速度）开始下降，物料表面温度也开始升高，这就开始了干 燥降速段。等速段与降速段的交界处（C点），称为临界点， 其所对应的湿含量Xc称为临界湿含量。在降速段中当物料 湿含量降低至等于平衡湿含量X*时，物料温度也升高至等 于空气温度t，干燥过程即停止。干燥过程有两个主要阶段即恒速段和降速段，临界湿含量为这两段的分界点。设物 料的初始湿含量为，最终要求的湿含量为X2，则当>Xc和X 2<Xc时，干燥有两段， 当X2>Xc时，只有恒速段，X1<Xc时只有降速段。 122、理论解释1只适用于胶体物料四、影响干燥过程的主要因素分析影响因素，有利于优化干燥设计，强化干燥操作，降低能量消耗，提高产品质量等。1、物料尺寸和气固接触方式物料尺寸较小时提供的干燥面积大（比表面大），干燥速率高，因此需要尽量减小物料 尺寸，可在物料进口处安装分散器，甚至在干燥器内加搅拌桨叶对物料进行破碎与分散。而同样尺寸的物料，接触方式对于干燥速率有很大影响。气固接触方式可分为三种: A：气流平行流过物料层的表面（如箱式干燥器的烘盘中的物料层）时，仅仅只有表面一层 物料的部份表面作为干燥面积，这种接触方式干燥效果最差。B：气流穿过物料层时，干 燥表面比第一种接触方式大得多，因为粒子大部分表面用作干燥而积，此外在相同的气 体流量下，气体通过物料层的实际速度比第一种的速度大得多，从而传质系数k也大得 多。C：物料分散在气流中时，依其分散情况不同而效果不一。例如在转筒干燥器中物料 的分散就不如气流干燥器和流化干燥器中分散得良好。后两种干燥器中，在许多情况下 几乎全部的粒子表面都用作干燥面积，所以干燥速率很大。2、干燥介质条件干燥介质条件是指空气的状态及流动速度。恒速段为表面汽化控制过程，提高气体 温度、降低湿度、采用较高的气流速度，可以增大传热传质推动力，减小气膜阻力，提 高恒速段的速率。但空气温度受到物料性质的限制，过高的空气温度，可能使物料在进 入降速段后受到损坏；降低空气湿度会增加气体的消耗量，而提高气速又会使流体阻力 增大，如物料为粉粒时，物料带出量也增多。所以选择干燥条件时，须全面考虑。降速阶段由于是内部扩散控制，改变干燥介质条件虽也能在一定程度上提高干燥速 率，但是效果远不如恒速段明显。强化干燥条件，虽可提高恒速段的速率，但临界湿含量也随之增加，恒速段变短， 使更多的水分在降速段汽化。这是由于，干燥过程中水分从物料内部扩散的速度较表面 汽化速度小，使表面接收的热量仅部分用于水分的汽化，部分用于物料温度的升高，使 临界点较早到来。3、物料本性物料本性不影响恒速段的干燥速率，但对降速段干燥速率有重大影响。不同物料的 结构不同，与水分的结合方式不同，结合力也不同，其干燥速率相差很大。第四节干燥过程的物料衡算和热量衡算一、物料衡算划定衡算范围：各参数：G1：湿物料进干燥器的质量流率，kg/sG；：湿物料出干燥器的质量流率，kg/s w物料的初始湿含量， w2：物料的终了湿含量，L：绝干气体的质量流率，kg/s； W：干燥器在单位时间内汽化的水分量，kg/sH1:气体进干燥器时的湿度；H2：气体出干燥器时的湿度，=G - G = Gc(X - X ) = L(H - H )1212：1W所以，汽化W kg湿分所消耗的绝干气体量为L =-一H HL 2'1比消耗：汽化1 kg湿分所消耗的绝干气体量I =-W H H从湿物料中需要除去的水分量W决定于物料的初始含水量X1和干燥程度X2。干燥要求 X2 一定的情况下，初始含水量X1愈高，W愈大，需要L愈大，操作费用愈高，因此，通 常湿物料在干燥之前先用能耗低的机械去湿法脱水，尽量降低X1，以降低干燥操作费用。例12 7- 在喷十嫩寄中，见兼何小时艳1含泳1酷为江：、胃量分虹|-同：韵混明料，煽:剑舍水地.为e 媒；：. F燥介质.其初如度 Hi为0-海虹，水)/kg 住 P,离"煤器时近虔2A为上暗蛇水)/kfe (干空气八设1: 娜过程4'无钩料损失：试求 O 本分蒸我排，2)一疽、消耗姜 I."1'. L)水分W止,想料泊，基火丹时方：X,.|1-：.；-| I ：L 岫、水，kp/弛勺 1-诙.物 *：】、.X, = , 11 言.=j 上二? F-，- I)-"上K L 水)-心 i. 卢.J l- F 煤构洋 | 】. 绝时干燥物料励 为:=J 1 - H- 1=:“心-I) 1的， Il故:分派苛静为： Li =很: X - X=E.0 (.- A 11 0- t：2D -i：- h -&1- 6 x-i：- h.C2空气消耗垫/ 成 - 们M,“ if., li. 一 ". Ie 茂 、-I *：t L g / h 原湿空气消耗谷为:7: ，. (. I t 1H 8 k 黑门1.二、热量衡算整个干燥系统包括预热器、干燥器，衡算如下1、整个系统的热量衡算在连续稳定操作条件下，系统无热量积累，流入系统的焓的总和应等于流出系统的 焓的总和。Li + G i + Q + Q = Li + G i + QH 0 c m1 p d H 2 c m 2 l或 Q = Q + Q = L(i - i ) + G (i - i ) + Qp dH 2 H 0 c m 2 m1l物料的焓可表达为以0C为基准的1kg绝干物料和其携带的液态湿分所具有的焓的 总和，即i = c 0 + Xc 0L(i "- i ') = L(c + H c )t + rH - (c + H c )t - rH H 2 H 0g 2 V 2 0 2 g 0 V 00 0=Lc (t -1 ) + c (H t - H t ) + r (H - H )g 20 v 2 20 0020由物料衡算式：H = H + W代入上式，整理，得L(i - i ) = Lc (t -1 ) + Wi20 LH 2 H 0H 0 20 v 2右边第二项为 G (i - i ) = G (c + X c )0 - (c + X c )0 c m 2mlc s 2 w 2 s 1 w 1W由物料衡算式：x 1 = x2 + g c代入上式，整理，得G (i - i ) = G c (0 -0 ) + Wc 0c m2 m1c m2 21w 1于是对整个系统的热量衡算式可写成Q = Q + Q = W(r + c t - c 0 ) + G c (0 -0 ) + Lc (t -1 ) + Qp d0 v 2 w 1 c m 221H 020 l令 Q = W(r + c t - c 0 ) Q = G c (0 -0 ) Q = Lc (t -1 )w0 v 2 w 1m c m 2 21l'H 0 2 0QW是汽化湿分所需要的热量，Qm加热固体产品所需要的热量，Q，为将环境温度下的气体 加热至干燥器出口温度所需要的热量，这部分热量随废气放空而排入大气，称为放空热 损失，则Q = Qp + Qd = Qw + Qm + Qi + Q，可知，提供的热量主要用于四个方面： 即汽化湿分，加热产品，设备热损失和随废气放空。2、预热器的热量衡算预热器的作用在于加热空气(问加热空气是为了什么呢？)，加热空气的方法主要有 两类：一类是直接加热，另一类是间接加热。预热器的热量衡算为：Qp = L(iH 10)若空气在间壁式换热器中被加热，则其湿度不发生变化，则焓差可用比热乘以温差的方式表示，则 Q = Lc h 0( 11 10)3、干燥器的热量衡算将预热器的热量衡算式代入干燥器整个系统的热量衡算式以消去Qp，得Lc (t -1 ) + Q = W(r + c t - c 0 ) + G c (0 -0 ) + QH 012 d0 v 2 w 1 c m 221 l令Qg = Lch 0(t1 -12)表示热气体在干燥器中冷却而放出的热量，则上式写成Q + Q = W(r + c t - c 0 ) + G c (0 -0 ) + Qg d0 v 2 w 1 c m 221 l理想干燥过程：若干燥器保温良好，散热损失不大，如果散热损失可视为零且物料的初 始温度与产品温度相同，则加热物料所消耗的热量为零；或当干燥器的补充加热量恰等 于加热物料和散热损失的热量，即Qd=Qm+Ql，于是，气体放出的显热全部用于湿分汽化，这样的干燥过程称为理想干燥过程，其热量衡算式为Lc (t -1 ) = W(r + c t - c 0 )H 0120 v 2 w 14、干燥系统的热效率和干燥效率系统的热效率定义为用于汽化湿分和加热物料的热量与外界向干燥系统提供的总热 量之比，即门=+ Q 也可以这样表达门=1-+ Qh Qp + QdhQp + Qd上式说明，热损失越大，系统的热效率越低，因此，气体用量越大，放空热损失越 大，为提高热效率，可减少气体用量，加大补充加热量。若干燥器保温良好，散热损失可以不计，则Ql=0,当不存在补充加热时(Qd=O)，热效 Q Lc (t t ) t t率可表达为门 =1 =1 H1_2 =-42h Q Lc (t t ) t t pH11010汽化湿分耗用绝大部分热量，物料加热的耗干燥效率：汽化湿分所需热量与气体在干燥器中放出的热量之比值。公式表示为 门=一Q一k当物料湿含量较高时 d Q + Q + Q w m l热量较少，坯料效率较高。干燥系统的总效率定义为：n=n广门d量的百分数。Q八w，即为汽化湿分的热量干燥器总耗热Q + Qp d三、干燥过程中的物料温度预热段的物料温度容易通过热量衡算得到，而恒速干燥段和降速干燥段为传热和传 质同时进行的过程，其物料温度是本节重点讨论的内容。1、恒速干燥段的物料温度被干燥的物料充分湿润时，湿分在物料表面的汽化和在液面的汽化相同，稳定状态 下，由于强烈的对流传热，物料表面的温度接近气体的湿球温度。通常将恒速干燥段物 料表面的温度近似取为湿球温度。因此在此阶段，气固两相间的传热温差为t-tw。由于大气压下水的沸点不会超过1OO°C，对于空气一水体系湿球温度不会超过100°C， 因此即使气体的温度很高，其湿球温度也远低于干球温度，可以使用高温气体做干燥介 质而不至于烧毁物料。2、降速干燥阶段的物料温度物料温度减少至平衡湿含量时，物料温度升至气体的干球温度。由于降速阶段汽化 的水分包括结合水分，不同物料的结合水的性质与物料的本性有关，所以物料温度随湿 含量的变化没有一般规律可循，通常通过实验测定。第五节恒定干燥条件下物料的干燥时间在给定的干燥条件下，将物料干燥至指定的湿含量，需要一定的干燥时间，物料在 干燥器的停留时间应大于或等于该干燥时间，由此确定干燥器的尺寸。一、恒速干燥段的干燥时间由恒速干燥段的干燥速率计算式可计算干燥时间c&=-G"x=G(l1 0Uc X1UcQ aA(t t )Uc为恒速干燥段的干燥速率，可由热量衡算式计算U =兰二一Jc r r代入可得到干燥时间。此时还需求取气固对流传热系数。" W不同情况下的典型干燥过程的传热系数可由经验式计算，见P209二、降速阶段的干燥时间降速阶段干燥速率多数情况下不恒定，属非稳态过程，干燥时间可从干燥曲线上直 接读取，计算时可用图解法或解析法计算。1、图解积分法T = fT2 dc = -c jXc dX = c jXc dX2 0U X,U X,c 2c 2从干燥速率曲线上的降速段读取不同湿含量X下的干燥速率U值，以X为横坐标， 以1/U为纵坐标做图，由1/U曲线、横坐标、以及直线X = Xc和X=X2围成的面积即为积 分项的值。2、解析法若干燥速率随物料湿含量呈线性变化时，可用此法。UX X *降速段干燥速率可表示为万一U X X *由此积分丁_fc djXdXcG (X X*) jXdX G(X-X*) X-X*c 2 dc Cj c c c j c c c in c2 0c X2 UUX2 X X *UX 2 X *第六节干燥设备一、概述1、干燥器的基本要求工业上需要进行干燥的物料在形状上、物性上及对干燥质量的要求上都有所不同， 对干燥设备有以下的基本要求：（1）能保证产品的质量要求。（2）设备生产强度高，实现“小设备，大生产”。干燥器 的生产强度可以用容积汽化强度（即干燥强度）来表示。单位设备容积单位时间内除去的 水份量称为容积汽化强度。（3）热效率（包括干燥效率）高，以节约热能（4）设备系统的 阻力小，从而节约风机电能。（5）附属设备简单.（6）操作控制方便。2、干燥器的操作条件（1）操作压力：有常压的和真空的。后者主要用于不能承受高温或易于气化的物料 的干燥，也用于干燥时放出的有毒气体或需要回收汽化的湿分的情况。（2）干燥介质：一般用热空气，需要高温而产品又不怕污染时可采用炉气，对易燃 易爆的物料可用氮气，而过热水蒸气则适用于高温而又需要避免氧化的特殊情况。（3）干燥介质与物料的相互流向：有并流、逆流和错流并流：在物料进口端，湿含量高的物料与高温低湿的介质相接触，干燥推动力大， 干燥强烈。而在出口端湿含量低的物料与低温高温的介质接触，干燥推动力小，在干燥 过程中干燥速率变化很大。并流操作适用于以下情况：（1）物料能经受强烈干燥不会发生 裂纹、变形、结壳等，而干物料又不耐高温。（2）物料吸湿性小（即平衡湿含量低）或产品 湿含量不要求很低逆流：与并流相反，进口端是湿含量高的物料与湿度大温度低的介质接触。而出口 端是湿含量低的物料与高温低湿的介质接触，在过程中干燥推动力比较均匀，逆流操作 适用于：湿物料不允许强烈干燥（可能引起裂纹、变形、结壳等）而干物料又可以耐高温 的情况。错流；是高温低湿的介质以垂直于物料移动的方向穿过物料层，这种流向适用于物 料在干燥的始终都允许快速干燥和耐高温的情况，但介质和热量消耗比较大。3、操作方式有连续式和间歇式。连续式的生产能力大，热效率高，劳动条件良好。但间歇式的 也有其优点：构造简单，投资少，易于控制最终湿度，故小规模生产中也常使用。二、常用干燥器简介1、箱式干燥器空气由入口 l进入干燥器与吸湿以后的空气混合后进入风扇，由风扇出来的空气一 部分作为废气由空气出口放空，大部分经加热器加热后再次经过物料层而吸湿，增湿降 温后的空气与入口进来的新鲜空气混合，再次进入风扇。物料则放置在盘上，或挂在框 架上（视物料的形状而定），分批地放入，干燥结束后成批的取出，例如用小车推进推出。这种设备一般生产强度小，但构造简单，设备投资少。适于较小批量的生产.2、洞道式