化工原理-干燥技术.ppt

第二章 干 燥 Chapter 2 Drying,化工原理,李英利,重点：湿空气的性质、空气的焓湿图、连续干燥过程的物料衡算和热量衡算、干燥机理、干燥曲线难点：空气的焓湿图、干燥机理；,第一节概述（Introduction）,在化学工业生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过多的水分或有机溶剂(湿份)，要制得合格的产品需要除去固体物料中多余的湿份。除湿方法：机械除湿如离心分离、沉降、过滤。干燥 利用热能使湿物料中的湿份汽化。除湿程度高，但能耗大。惯用做法：先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿份除去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉，以降低除湿的成本。,干燥分类：,本章重点：以不饱和热空气为干燥介质，除去湿物料中水分的连续对流干燥过程。,去湿：除去物料中的水分和或其它溶剂（统称为湿分）的过程。,一、固体物料的去湿方法：,机械去湿法：即通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除去湿分。,物理化学去湿法：用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸收水分。该法费用高，操作麻烦，只适用于小批量固体物料的去湿，或用于除去气体中的水分。,热能去湿法：如蒸发、干燥等,用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，并将产生的蒸气排除，藉此来除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥。,第一节 概述,二、干燥过程的分类1、按操作压力分：常压干燥真空干燥2、按操作方式分：连续式干燥间歇式干燥,3、按给湿物料提供热能的方式分：传导干燥（间接加热干燥）：将热能以传导的方式通过金属壁面传给湿物料。特点：热能利用率高。对流干燥：（直接加热干燥）：将热能以对流的方式传给与其直接接触的湿物料。特点：热能利用率比传导干燥低。辐射干燥：热能以电磁波的形式由辐射器发射，射至湿物料表面被其吸收再转变为热能。介电加热干燥：将需要干燥的物料置于高频电场的交变作用使物料加热而达到干燥。,三、对流干燥过程1、对流干燥的流程,2、对流干燥的特点,湿物料,t,tw,ps,pw,Q,N,必要条件：是物料表面所产生的是蒸汽（或其它蒸汽）压力要大于干燥介质中水汽（或其它蒸汽）的分压。,干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。,由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；,在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。,对流干燥过程原理,温度为 t、湿份分压为 p 的湿热气体流过湿物料的表面，物料表面温度 ti 低于气体温度 t。,注意：只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压，干燥即可进行，与气体的温度无关。气体预热并不是干燥的充要条件，其目的在于加快湿份汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力。,H,t,Q,W,ti,p,pi,M,干燥是热、质同时传递的过程,干燥过程,热空气流过湿物料表面,热量传递到湿物料表面,湿物料表面水分汽化并被带走,表面与内部出现水分浓度差,内部水分扩散到表面,传热过程,传质过程,传质过程,干燥过程推动力,传质推动力：物料表面水分压P表水 热空气中的水分压P空水传热推动力：热空气的温度t空气 物料表面的温度t物表,对流干燥过程实质,干燥过程基本问题,解决这些问题需要掌握的基本知识有：(1)湿分在气固两相间的传递规律；(2)湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化；(3)物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征；(4)干燥过程中物料衡算关系、热量衡算关系和速率关系。本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基本问题，介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。,湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。在干燥过程中，随着湿物料中水份的汽化，湿空气中水份含量不断增加，但绝干空气的质量保持不变。因此，湿空气性质一般都以1kg绝干空气为基准。操作压强不太高时，空气可视为理想气体。,系统总压 P：湿空气的总压（kN/m2），即P干空气 与P水之和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。且干燥操作通常在常压下进行，常压干燥的系统总压接近大气压力，热敏性物料的干燥一般在减压下操作。,第二节 湿空气的性质及湿度图一、湿空气的性质,1 水蒸气分压pv 空气中水蒸气分压愈大，水分含量就愈高，根据气体分压定律，则有,2 湿度(humidity)H-容纳水分的能力 又称为湿含量或绝对温度(absolute humidity)。它以湿空气中所含水蒸汽的质量与绝对干空气的质量之比表示，使用符号，其单位为：kg水气/kg干空气。,第二节 湿空气的性质及湿度图一、湿空气的性质,常温下，湿空气可视为理想气体，则有,在饱和状态时，湿空气中水蒸气分压pv等于该空气温度下纯水的饱和蒸气压ps，则有,由于水的饱和蒸气压仅与温度有关，故湿空气的饱和湿度(容纳水分的最大能力)是温度和总压的函数，即,3 相对湿度,当pv=0时，=0，表示湿空气不含水分，即为绝干空气。,当pv=ps时，=1，表示湿空气为饱和空气。,在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压pv 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(relative humidity)，用符号表示，即,相对湿度（Relative humidity）,若 t 总压下湿空气的沸点，湿份 ps P，最大(空气全为水汽)湿份的临界温度，气体中的湿份已是真实气体，此时=0，理论上吸湿能力不受限制。,=f(H,t)ps 随温度的升高而增加，H 不变提高 t，气体的吸湿能力增加，故空气用作干燥介质应先预热。H 不变而降低 t，空气趋近饱和状态。当空气达到饱和状态而继续冷却时，空气中的水份将呈液态析出。,相对湿度：湿空气吸收水分的能力，可以说明湿空气偏离饱和空气的程度，能用于判定该湿空气能否作为干燥介质，值与越小，则吸湿能力越大。,湿度：湿空气容纳水分的能力,在一定总压和温度下，两者之间的关系为,相对湿度和绝对湿度的关系,相对湿度和绝对湿度的关系,饱和湿度：湿空气容纳水分的最大能力,4.比容H(Humid volume)或湿比容(m3/kg绝干气体),比容：1kg 绝干空气和相应水汽体积之和。,5.比热cH(Humid heat)或比热容KJ/(kg),比热：1kg 绝干空气及相应水汽温度升高1所需要的热量,式中：cg 绝干空气的比热，KJ/(kg)；cv 水汽的比热，KJ/(kg)。,对于空气-水系统：cg=1.01 kJ/(kg)，cv=1.88 kJ/(kg),6.焓I(Total enthalpy),焓：1kg 绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。,由于焓是相对值，计算焓值时必须规定基准状态和基准温度，一般以0为基准，且规定在0时绝干空气和水汽的焓值均为零，则,对于空气-水系统：,显热项,汽化潜热项,7.干燥过程中的物料温度,(1)干球温度 t：湿空气的真实温度，简称温度(或 K)。将温度计直接插在湿空气中即可测量。,(2)空气的湿球温度（Wet-bulb temperature）,q,N,对流传热,h,kH,气体t,H,气膜,对流传质,液滴表面tw,Hw,液滴,气体,t,tw,对于某一定干球温度的湿空气，其相对湿度越低，湿球温度值越低。对于饱和湿空气而言，其湿球温度与干球温度相等。,在稳定状态时，空气向湿纱布表面的传热速率为：Q=S（t-tw）,气膜中水气向空气的传递速率为：N=kH（Hs,tw-H）S,在稳定状态下，穿热速率和传质速率之间的关系为：Q=Nrtw,湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度，而并不代表空气的真实温度，由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定，故称其为湿空气的湿球温度，所以它是表明湿空气状态或性质的一种参数。,强调：,湿球温度 tw 定义式,饱和气体:H=Hs，tw=t，即饱和空气的干、湿球温度相等。不饱和气体:H Hs，tw t。,对于空气-水系统：,结论：tw=f(t,H)，气体的 t 和 H 一定，tw 为定值。,湿球温度 tw 定义式,(3)绝热饱和冷却温度tas,绝热饱和冷却温度：不饱和的湿空气等焓降温到饱和状态时的温度。,高温不饱和空气与水在绝热条件下进行传热、传质并达到平衡状态的过程。达到平衡时，空气与水温度相等，空气被水的蒸汽所饱和。,由于 ras 和 Has 是 tas 的函数，故绝热饱和温度 tas 是气体温度 t 和湿度 H 的函数。已知 t 和 H，可以试差求解 tas。,绝热饱和过程(Adiabatic saturation process)：,绝热饱和温度tas,绝热降温增湿过程及等焓过程,在空气绝热增湿过程中，空气失去的是显热，而得到的是汽化水带来的潜热，空气的温度和湿度虽随过程的进行而变化，但其焓值不变。,形成原理：,绝热增湿过程进行到空气被水汽所饱和，则空气的温度不再下降，而等于循环水的温度，称此温度为该空气的绝热饱和温度，用符号tas 表示，其对应的饱和湿度为as，此刻水的温度亦为tas。,绝热饱和温度,塔顶和塔底处湿空气的焓分别为：,由于和as值与l相比皆为一很小的数值，故可视为CH、CHas不随湿度而变，即CH=CHas。则有,湿空气在绝热增湿过程中为等焓过程，即：I1=I2,实验测定表明，对于在湍流状态下的空气水蒸气系统而言，a/kH CH，同时 r00 rtw，故在一定温度t和湿度H下，有,强调：绝热饱和温度tas与湿球温度tw是两个完全不的概念。但是两者都是湿空气状态(t和H)的函数。特别是对空气水气系统，两者在数值上近似相等，对其他系统而言，不存在此关系。,(4)露点td,温度为t的不饱和空气在等湿下冷却至温度等于td的饱和状态，此时H=Hs,td。,露点：不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度，以td表示；相应的湿度为饱和湿度，以Hs,td表示。处于露点温度的湿空气的相对湿度=1，空气湿度达到饱和湿度，湿空气中水汽分压等于露点温度下水的饱和蒸气压，则,水蒸气-空气系统：不饱和空气t tas（或 tw）td；饱和空气 t=tas=td,【思考题】1解释春季回潮、冬季干燥现象。解释春季回潮-湿度，饱和湿度，露点；冬季干燥-相对湿度。2在静止的空气中有一干球温度计和一湿球温度计，若这两种温度计所测得的温度相差较小时，即说明该空气的湿度H（大）。若使静止的空气流动，则这两个温度计的温差将会（增大）。分析：若两温度计所测温差小-说明空气中吸收水分少，本身容纳水分多，即湿度大。若空气流动，则吸收水分的能力强，即温差大。3测定湿球温度和绝热饱和温度时，若水的初温不同，对测定结果是否有影响？为什么？讨论：因为湿球温度和绝热饱和温度只是空气的状态函数，与水温无关。,分析：相对湿度 1-由H求1（查20时水的饱和蒸汽压ps=2.334kpa）空气中的水气分压为：2-温度提高后，Ps提高，H 不变且pt不变，即空气中水汽分压来变。,【例7-1】湿 空气在总压101.3kpa、干球温度为20下，湿度为 0.01,求：相对湿度 温度提高到50，计算相对湿度 总压提高到125kpa，温度为20，计算相对湿度 如总压提高到250kpa，温度维持20不变，计算每100m3原来湿空气所冷凝出来的水分量。,2-温度提高后-减小查附录ps=14.99kPa,2=p/ps=1.603/14.99=10.7%3-温度不变，H不变，总压改变，则水汽分压为：总压增大，相对湿度增大，吸收水分的能力降低。总压P增大-求Hs-析出的水量。,当总压为101.3kPa 时，空气中水气分压为1.603kPa，现总压为250kPa，约为原总压的2.5倍，因p与ps成正比，则理论上水气分压可达到p=2.51.603=4.01kPa，但实际上20下水的饱和蒸汽压ps=2.334kPa，因此在加压中必有水析出，空气中水气分压保持不变，空气湿度变为饱和湿度，即：Hs=0.622ps/(pt-ps)=0.6222.334/(259-2.334)=0.00586加压前空气湿度H=0.01kg水/kg干空气加压后每kg干空气所冷凝水分量为：H=H-Hs=0.01-0.00586=0.00414kg水/kg干空气 原空气比容为：vH=(0.772+1.244H)(273+T)/273=0.842m3/kg干空气则100m3原湿空气所冷凝水分量为：W1000.00414/0.842=0.492kg,结论1当总压一定时，气体温度越高，其容纳水分的最大能力越大。（为何预热）2温度一定时，总压增大，空气容纳水分的最大能力下降，从而干燥多在常压或真空条件下进行。,二、湿度图（Humidity chart）,湿空气参数的计算比较繁琐，甚至需要试差。为了方便和直观，通常使用湿度图。,等湿线,等焓线,等温线,p-H线,空气湿度图的绘制（Humidity chart）,对于空气-水系统，tas tw，等 tas 线可近似作为等tw线。每一条绝热冷却线上所有各点都具有相同的 tas。物理意义：以绝热冷却线上所有各点为始点，经过绝热饱和过程到达终点时，所有各状态的气体的温度都变为同一温度。,横坐标：空气的湿度，所有的横线为等湿度线。右侧纵坐标：空气的干球温度，所有纵线为等温线。,(1)等湿度线(等 H 线),(2)等焓线（等 I 线）,对给定的 tas：t=f(H),在同一条等湿线上不同点所代表的湿空气状态不同，但H相同，露点是将湿空气等H冷却至=1时的温度。,(3)等干球温度线(等 t 线),I与H呈直线关系，t越高，等t线的斜率越大，读数0-250C。,(4)等相对湿度线(等 线),总压 P 一定，对给定的：因 ps=f(t)，故 H=f(t)。,(5)蒸气分压线,总压 P 一定，ps=f(H)，p-H 近似为直线关系。,干球温度t、露点td、湿球温度tw（或绝热饱和温度tas）都是由等t线确定的。,根据湿空气任意两个独立的参数，就可以在H-I图上确定该空气的状态点，然后查出空气的其他性质。,非独立的参数如：tdH，pH，tdp，twI，tasI等，它们均在同一等H线或等I线上。,湿焓图的说明与应用,通常根据下述已知条件之一来确定湿空气的状态点，已知条件是：,（）湿空气的干球温度t和湿球温度tw；,（）湿空气的干球温度t和露点td；,（）湿空气的干球温度t和相对湿度。,空气湿焓图的用法（Use of humidity chart）,两个参数在曲线上能相交于一点，即这两个参数是独立参数，这些参数才能确定空气的状态点。,=100%，空气达到饱和，无吸湿能力。100%，属于未饱和空气，可作为干燥介质。越小，干燥条件越好。,1.确定空气的干燥条件,2.确定空气的状态点，查找其它参数,3.确定绝热饱和冷却温度,1）等I干燥过程等焓干燥过程又称绝热干燥过程。a.不向干燥器重补充热量，即QD=0.b.忽略干燥器向周围散失的热量，即QL=0.c.物料进出干燥器的焓相等，即G(I2 _ I1)=0沿等I线，空气t1、t2意志，即可确定H1、H2。2）等H干燥过程恒压下，加热或冷却过程。,【例7-2】已知湿空气的总压为101.3kN/m2,湿度为H=0.02 kg水/kg干空气，干球温度为70o C。试用I-H图求解：(a)水蒸汽分压p；(b)相对湿度；(c)热焓；(d)露点td；(e)湿球温度tw；,解 由已知条件：101.3kN/m2，H=0.02 kg水/kg干空气，t=20o C，在I-H图上定出湿空气的状态点点。pv=3kN/m2=10%I122kJ/kg干空气 td=24oC tw=33o C,Problems 1,P355:Exercises No.7-4 and No.7-7,Thank You!,第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算,干燥过程的计算中应通过干燥器的物料衡算和热量衡算计算出湿物料中水分蒸发、空气用量和所需热量，再依此选择适宜型号的鼓风机、设计或选择换热器等。,一、物料含水量的表示方法,1 湿基含水量w,以湿物料为计算基准的物料中水分的质量分率或质量百分数。,第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算 一、物料含水量的表示方法,不含水分的物料通常称为绝对干物料或称干料。以绝对干物料为基准的湿物料中含水量，称为干基含水量，亦即湿物料中水分质量与绝对干料的质量之比，单位为kg水分/kg绝干料。,两种含水量之间的换算关系为,注：工业上常采用湿基含水量。,2 干基含水量：,二、干燥过程的物料衡算（Mass balance）,G1 湿物料进口的质量流率，kg/s；G2 产品出口的质量流率，kg/s；Gc 绝干物料的质量流率，kg/s；w1 物料的初始湿含量；w2 产品湿含量；L 绝干气体的质量流率，kg/s；H1 气体进干燥器时的湿度；H2 气体离开干燥器时的湿度；W 单位时间内汽化的水分量，kg/s。,湿物料G1,w1,干燥产品G2,w2,热空气L,H1,湿废气体L,H2,绝干空气消耗量,绝干空气比消耗,水分蒸发量：,3 干燥产品的流量G2,式中 w1、w2物料进出干燥器时的湿基含水量,湿空气的消耗量为：,上式说明：比空气用量只与空气的最初和最终湿度有关，而与干燥过程所经历的途径无关。,【例7-3】在一连续干燥器中，每小时处理湿物料1000kg，经干燥后物料的含水量有10%降至2%（wb）。以热空气为干燥介质，初始湿度H1=0.008kg水/kg绝干气，离开干燥器时湿度为H2=0.05 kg水/kg绝干气，假设干燥过程中无物料损失，试求：水分蒸发量、空气消耗量以及干燥产品量。,进入干燥器的绝干物料为G=G1（1-w1）=1000（1-0.1）=900kg绝干料/h,解：（1）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量，即,水分蒸发量为W=G（X1-X2）=900（0.111-0.0204）=81.5kg水/h,例题,（2）空气消耗量,原湿空气的消耗量为：L=L（1+H1）=1940（1+0.008）=1960kg湿空气/h,（3）干燥产品量,单位空气消耗量（比空气用量）为：,三、热量衡算（Heat balance）,Qp 预热器向气体提供的热量，kW；QD 向干燥器补充的热量，kW；QL 干燥器的散热损失，kW。,湿物料G1,w1,1,cm1,干燥产品G2,w2,2,cm2,热气体L,H1,t1,i1,湿废气体L,H2,t2,i2,湿气体L,H0,t0,i0,Qp,Qd,Ql,预热器,干燥器,预热器的热量衡算,预热器的作用在于加热空气。根据加热方式可分为两类：直接加热式：如热风炉。将燃烧液体或固体燃料后产生的高温烟气直接用作干燥介质；间接换热式：如间壁换热器。,空气预热器传给气体的热量为,如果空气在间壁换热器中进行加热，则其湿度不变，H0=H1，即,通过预热器的热量衡算，结合传热基本方程式，可以求得间壁换热空气预热器的传热面积。,立筒式金属体燃煤间接加热热风炉,干燥器的热量衡算,热气体在干燥器中冷却而放出的热量：,物理意义：气体在干燥器中放出的热量和补充加热的热量用于汽化湿分、加热产品和补偿设备的散热损失。,整个干燥系统的热量衡算,在连续稳定操作条件下，系统无热量积累，单位时间内(以1秒钟为基准)：,气体焓变,物料焓变,物料焓：,气体焓：,整个干燥系统的热量衡算,汽化湿分所需要的热量：,物料焓变：,加热固体产品所需要的热量：,放空热损失：,总热量衡算：,1 预热器的热量衡算,2 干燥器的热量衡算,3 干燥系统消耗的总热量,若忽略预热器的热损失，以1s为基准，则有,由于,由上式可以看出：向系统输入的热量用于：加热空气、加热物料、蒸发水分、热损失等四个方面。,4 干燥系统的热效率,蒸发水分所需的热量为：,定义：,若忽略湿物料中水分代入系统中的焓，则有,Qv=w(2490+1.88t2)-4.1871w,使离开干燥器的空气温度降低，湿度增加（注意吸湿性物料）；,提高热空气进口温度（注意热敏性物料）；,部分废气循环操作，回收利用其预热冷空气或冷物料；,注意干燥设备和管路的保温隔热，减少干燥系统的热损失。,提高热效率的措施,【例7-4】某糖厂的回转干燥器的生产能力为4030kg/h（产品），湿糖含水量为1.27%，于310C进入干燥器，离开干燥器时的温度为360C，含水量为0.18%，此时糖的比热为1.26kJ/kg绝干料0C。干燥用空气的初始状况为：干球温度200C，湿球温度170C，预热至970C后进入干燥室。空气自干燥室排出时，干球温度为400C，湿球温度为320C，试求：（1）蒸发的水分量；（2）新鲜空气用量；（3）预热器蒸气用量，加热蒸气压为200kPa（绝压）；（4）干燥器的热损失，QD=0；（5）热效率。,例题,解：,进入干燥器的绝干物料为G=G2（1-w2）=4030（1-0.18%）=4022.7kg绝干料/h,水分蒸发量为W=G（X1-X2）=4022.7（0.0129-0.0018）=44.6kg水/h,（1）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量，即,（2）新鲜空气用量：首先计算绝干空气消耗量。,绝干空气消耗量为：,新鲜空气消耗量为：L=L（1+H0）=2877.4（1+0.011）=2909kg新鲜空气/h,由图查得：当t0=200C，tw0=170C时，H0=0.011kg水/kg绝干料；当t2=400C，tw2=320C时，H2=0.0265kg水/kg绝干料。,查H-I图，得,（3）预热器中的蒸气用量,查饱和蒸气压表得：200kPa（绝压）的饱和水蒸气的潜热为2204.6 kJ/kg，,Qp=L(I1-I0)=2877.4（127-48）=2.27 105kJ/h,故蒸气消耗量为：2.27 105/2204.6=103kg/h,I0=48kJ/kg干空气；I1=127kJ/kg干空气；I2=110kJ/kg干空气,（4）干燥器的热损失,（5）热效率,若忽略湿物料中水分带入系统中的焓，则有,Problems 2,P355:Exercises No.7-9 and No.7-14（思考题）,Thank You!,第四节 物料的平衡含水量与干燥速率,一、湿物料水分含量的表示方法,湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。湿基含水量 w：水分在湿物料中的质量百分数。,干基含水量 X：湿物料中的水分与绝干物料的质量比。,换算关系：,湿份在气体和固体间的平衡关系,湿份的传递方向(干燥或吸湿)和限度(干燥程度)由湿份在气体和固体两相间的平衡关系决定。,p,X,ps,Xh,平衡状态：当湿含量为 X 的湿物料与湿份分压为 p 的不饱和湿气体接触时，物料将失去自身的湿份或吸收气体中的湿份，直到湿份在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿份分压。平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。不仅取决于气体的状态，还与物料的种类有很大的关系。,X*,p,具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力。结合水分：与物料存在某种形式的结合，其汽化能力比独立存在的水要低，蒸汽压或汽化能力与水分和物料结合力的强弱有关。,物料中的水分,湿含量 X,Xh,相对湿度,非结合水分,结合水分,0,1.0,0.5,结合水分按结合方式可分为：吸附水分、毛细管水分、溶涨水分(物料细胞壁内的水分)和化学结合水分(结晶水)。化学结合水分与物料细胞壁水分以化学键形式与物料分子结合，结合力较强，难汽化；吸附水分和毛细管水分以物理吸附方式与物料结合，结合力相对较弱，易于汽化。,1.结合水分与非结合水分,一定干燥条件下，水分除去的难易，分为结合水与非结合水。非结合水分：与物料机械形式的结合，附着在物料表面的水，,2.平衡水分和自由水分,一定干燥条件下，按能否除去，分为平衡水分与自由水分。平衡水分：低于平衡含水量 X*的水分，是不可除水分。自由水分：高于平衡含水量 X*的水分，是可除水分。,吸湿过程：若 XXh，则物料将吸收饱和气体中的水分使湿含量增加至湿含量 Xh，即最大吸湿湿含量，物料不可能通过吸收饱和气体中的湿份使湿含量超过 Xh。欲使物料增湿超过 Xh，必须使物料与液态水直接接触。,干燥过程：当湿物料与不饱和空气接触时，X 向 X*接近，干燥过程的极限为 X*。物料的 X*与湿空气的状态有关，空气的温度和湿度不同，物料的 X*不同。欲使物料减湿至绝干，必须与绝干气体接触。,湿含量 X,Xh,相对湿度,非结合水分,结合水分,自由水分,平衡水分,X*,0,1.0,0.5,物料的吸湿性,物料湿含量的平衡曲线有两种极端情况。强吸湿性物料：与水分的结合力很强，平衡线只是渐近地与=100%接近，平衡湿含量很大。如某些生物材料。非吸湿性物料：与水结合力很弱，平衡线与纵坐标基本重合，X*=Xh0，如某些不溶于水的无机盐(碳酸盐、硅酸盐)等。,一般物料的吸湿性都介于二者之间。,划分依据：物料所含水分能否用干燥方法除去。,物料中的水分与一定温度t、相对湿度的不饱和湿空气达到平衡状态，此时物料所含水分称为该空气条件(t、)下物料的平衡水分。,在干燥过程中能除去的水分只是物料中超出平衡水分的那一部分，称为自由水分。,平衡水分随物料的种类及空气的状态(t，)不同而异。平衡水分代表物料在一定空气状况下可以干燥的限度。,二、平衡水分(equilibrium water)和自由水分(free water),划分依据：根据物料与水分结合力的状况,1 结合水分 包括物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分、及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等。,特点：籍化学力或物理化学力与物料相结合的，由于结合力强，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，故除去结合水分较困难。,三、结合水分(bound water)与非结合水分(unbound water),2 非结合水分 包括机械地附着于固体表面的水分，如物料表面的吸附水分、较大孔隙中的水分等。,特点：物料中非结合水分与物料的结合力弱，其蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，干燥过程中除去非结合水分较容易。,物料的结合水分和非结合水分的划分只取决于物料本身的性质，而与干燥介质的状态无关；平衡水分与自由水分则还取决于干燥介质的状态。干燥介质状态改变时，平衡水分和自由水分的数值将随之改变。,强调：,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。,三、对流干燥的基本规律,对一定干燥任务，干燥器尺寸取决于干燥时间和干燥速率。由于干燥过程的复杂性，通常干燥速率不是根据理论进行计算，而是通过实验测定的。为了简化影响因素，干燥实验都是在恒定干燥条件下进行的，即在一定的气固接触方式下，固定空气的温度、湿度和流过物料表面的速度进行实验。为保证恒定干燥条件，采用大量空气干燥少量物料，以使空气的温度、湿度和流速在干燥器中恒定不变。实验为间歇操作，物料的温度和含水量随时间连续变化。,干燥曲线和干燥速率曲线 Drying curve and drying-rate curve,恒速干燥段(Constant-rate period)：物料温度恒定在 tw，X 变化呈直线关系，气体传给物料的热量全部用于湿份汽化。,预热段(Pre-heat period)：初始含水量 X1 和温度 1 变为 X 和 tw。物料吸热升温以提高汽化速率，但湿含量变化不大。,干燥曲线：物料含水量 X 与干燥时间 的关系曲线。,干燥曲线和干燥速率曲线,A,湿含量X,Xc,tw,D,C,B,A,D,C,B,t,X*,物料表面温度,干燥时间,预热段,恒速段,降速段,降速干燥段(Falling-rate period)：物料开始升温，X 变化减慢，气体传给物料的热量仅部分用于湿份汽化，其余用于物料升温，当 X=X*，=t。,物料的结构和吸湿性,降速段干燥速率曲线的形状因物料的结构和吸湿性而异。,多孔性物料(Porous media)：湿份主要是藉毛细管作用由内部向表面迁移。非多孔性物料(Nonporous media)：借助扩散作用向物料表面输送湿份，或将湿份先在内部汽化后以汽态形式向表面扩散迁移。如肥皂、木材、皮革等。吸湿性物料(Hygroscopic media)：与水份的亲合能力大。非吸湿性物料(Nonhygroscopic media)：不同物料的干燥机理不同，湿份内扩散机理不同，干燥速率曲线的形状不同，情况非常复杂，故干燥曲线应由实验的方法测定。,干燥速率的定义,干燥速率U：干燥器单位时间内汽化的湿分量(kg湿分/s)。微分形式为，,式中：U 干燥器的干燥速率，kg/s；W 汽化水份量，kg；Gc 绝干物料的质量，kg；,如果物料形状是不规则的，干燥面积不易求出，则可使用干燥速率进行计算。,设物料的初始湿含量为 X1，产品湿含量为 X2：当 X1Xc 和 X2Xc 时，干燥有两个阶段；当 X1Xc 或 X2Xc 时，干燥都只有一个阶段，即恒速干燥段。,由于物料预热段很短，通常将其并入恒速干燥段；以临界湿含量 Xc 为界，可将干燥过程只分为恒速干燥和降速干燥两个阶段。,干燥速率曲线：干燥速率 U 或干燥速度 N 与湿含量 X 的关系曲线。干燥过程的特征在干燥速率曲线上更为直观。,干燥曲线和干燥速率曲线,A,B,C,D,干燥速率 U 或 N,A,B,C,D,物料温度,tw,Xc,X*,湿含量 X,I,II,C,理论解释(机理),恒速干燥段：物料表面湿润，X Xc，汽化的是非结合水。,降速干燥段：X Xc内部扩散控制物料实际汽化表面变小(出现干区)，第一降速段；汽化表面内移，第二降速段；平衡蒸汽压下降(各种形式的结合水)；固体内部水分扩散速度极慢(非多孔介质)。降速段干燥速率取决于湿份与物料的结合方式，以及物料的结构，物料外部的干燥条件对其影响不大。,恒定干燥条件下=tw，p=ps,和 kp 不变,由物料内部向表面输送的水份足以保持物料表面的充分湿润，干燥速率由水份汽化速率控制(取决于物料外部的干燥条件)，故恒速干燥段又称为表面汽化控制阶段。,湿物料与空气间的q 和 N 恒定,临界湿含量（Critical moisture content）,Xc 决定两干燥段的相对长短，是确定干燥时间和干燥器尺寸的基础数据，对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要。,注意：Xc 与物料的厚度、大小以及干燥速率有关，所以不是物料本身的性质。一般需由实验测定。,（2）恒速干燥阶段BC（3）降速干燥阶段CD 在降速阶段干燥速率的变化规律与物料性质及其内部结构有关。降速的原因大致有如下四个。实际汽化表面减少；汽化面的内移；平衡蒸汽压下降；固体内部水分的扩散极慢。,三、恒定干燥条件下的干燥时间的计算：,恒速干燥阶段：,降速干燥阶段：,第五节 干燥设备,含水量 满足干燥产品的质量要求 形状 强度 干燥速率快 干燥时间短设备特性 能量消耗低 设备尺寸小 满足传热传质的强化要求 操作弹性强 环境污染小 生产效率高 经济效益好,常压干燥设备 操作压强 真空干燥设备 间歇干燥设备 操作方式 连续干燥设备 对流干燥设备设备分类 传导干燥设备 加热方式 辐射干燥设备 高频干燥设备 并流干燥设备 流动方式 逆流干燥设备 错流干燥设备,一、干燥器的主要型式,干燥器的主要型式归纳起来可分为10种，每种型式的干燥器都有其各自的特点，为了便于比较，讨论时则重以下几个方面。1.设备简图,外构件 主体设备 内构件 输送装置2.基本结构 加热装置 辅助设备 分离装置 进料装置 出料装置,并流操作 气固流动 方式逆流操作 错流操作 装料车输送 传送带输送3.操作特征 上升气流流化输送 物料移动方式 流化床溢流输送 抄料板推进输送 喷雾输送 滚筒表面吸附输送,长度、宽度、高度 设备参数 层数 速度 气相参数 湿度 含水量4.主要参数 固相参数 堆积厚度、床层高度 停留时间 时间参数 干燥时间 干燥速率 速率参数 速率曲线,干燥介质的流动方向5.流程概况 固体物料的移动方向,并流、逆流、错流干燥器的特点,并流：含水量高的物料与温度最高而湿度最低的介质相接触，在进口端的干燥推动力大，在出口端的推动力小。,适用情况：,（1）干物料不耐高温而湿物料允许快速干燥；在干燥第一阶段，物料温度始终维持在湿球温度，到第二阶段，物料温度才逐渐上升，但此时介质温度已下降，物料不致于过热。,（2）物料的吸湿性小或最终水分要求不很低；物料在出口处与温度最低、湿度最高（即相对湿度最大）的介质接触，其平衡水分高。,逆流：物料与干燥介质的运动方向相反，干燥推动力在干燥器中分布较均匀。,适用情况：（1）湿物料不宜快干而干物料能耐高温；（2）物料的吸湿性强或最终含水量要求低；,注：在逆流时，湿物料进入的温度不应低于干燥介质在此处的露点，否则湿度高的干燥介质中有一部分水蒸气会冷凝在湿物料上，从而增加干燥时间。,错流：高温介质与物料运动方向相垂直，如果物料表面都与湿度小、温度高的介质接触，可获得较高的推动力，但介质的用量和热量的消耗也较大。,适用情况：（1）物料在干燥的始、终都允许快速干燥和高温；（2）要求设备紧凑（过程速度大）而允许较多的介质和能耗。,(一)厢式干燥器又称盘式干燥器,一、常用对流干燥器,气固流动方式：热空气水平流过盛入 浅盘的湿物料表面 操作特征 物料移动方式：装料车输送，干燥时 湿物料保持静止不动,结构简单 优点 设备投资少 操作弹性强优点与缺点 劳动强度大 缺点 热量损失大 产品质量不均匀,（二）喷雾干燥器,（二）喷雾干燥器,气固流动方式：逆流操作操作特征 物料移动方式：喷雾输送,直径 设备参数 高度 速度 气相参数 湿度 含水量 主要参数 固相参数 雾滴直径 停留时间 时间参数 干燥时间 干燥速率 速率参数 速率曲线,原理：用喷雾器将稀料液喷成细雾滴分散于热气流中，使水分迅速蒸发而达到干燥的目的。通常雾滴直径为1060um，每升溶液具有100600m2的蒸发面积。,喷雾器的类型：离心喷雾器、压力喷雾器、气流喷雾器。,优点：干燥时间短，适于热敏性物料；所得产品为空心颗粒，溶解性好，质量高；操作稳定；能连续、自动化生产；由料液直接获得粉末产品，省去了蒸发、结晶、分离和粉碎操作。,缺点：体积传热系数低；设备体积庞大；操作弹性较小，热利用律低、能耗大。,喷雾干燥器（spray dryer）,（三）气流干燥器,气固流动方式：并流操作 操作特征 物料移动方式：上升气流流化输送,优点：对流传热系数和传热温度差大，干燥器的体积小，干燥速率快，物料停留时间短，可在高温下干燥；热利用率高；设备紧凑，结构简单；可以完全自动控制。,缺点：气流在系统中压降较大；干燥管长；在干燥过程中存在摩擦，易将产品磨碎；分离器的负荷大。,适用于在潮湿状态下仍能在气体中自由流动的颗粒物料，可利用高速的热气流使粉、粒状的物料悬浮于其中，在气力输送过程中进行干燥。,气流干燥器,（四）流化床干燥器,气固流动方式：整体逆流、局部错流 操作特征 物料移动方式：流化床溢流输送,工作原理：散粒状物料由床侧加料器加入，热气流通过多孔分布板与物料层接触，气流速度保持在临界流化速度和带出速度之间，颗粒即能在床层内形成流化，颗粒在热气流中上下翻动与碰撞，与热气流进行传热和传质而达到干燥的目的。当床层膨胀到一定高度时，床层空隙率增大而使气流流速下降，颗粒又重新落下而不致被气流所带走。经干燥之后的颗粒由床侧出料管卸出，气流由顶部排出，并经旋风分离器回收其中夹带的粉尘。,优点：颗粒在干燥器内的停留时间可任意调节；气流速度小，物料与设备的磨损较轻，压降小；传热面大，物料的最终含水量低；结构简单、紧凑。,缺点：因颗粒在床层中高度混合，则可引起物料的短路和返混，物料在干燥器内的停留时间不均匀。,沸腾床干燥器（流化床干燥）,（五）转筒干燥器,气固流动方式：逆流操作 操作特征 物料移动方式：抄料板推进输送,主要部件：,优点：处理量大，适应性强，生产能力大，操作控制方便，干燥时间可藉调节转筒的转速来控制，产品质量均匀。,缺点：设备笨重，热利用率低，结构复杂，占地面积大。,转筒：呈倾斜状，在旋转时，借助重力的作用使物料向低端输送。,抄板：将物料抄起后再洒下，增大干燥面积，提高干燥速率；同时促进物料向前运动。,转筒干燥器（回转式干燥器）,原理及流程：物料从窄截面处加入，被进口气体夹带并进行输送，同时使物料沿器壁返回床层，从而使物料形成循环运动。物料循环频率与气速有关。物料在干燥器的扩大部分物料呈沸腾状态，在此被干燥。,(六)喷动床干燥器,喷动床干燥器,干物料,喷动床干燥器,湿物料,非对流式干燥器耙式真空干燥器,二、干燥器的选型原则（一）影响因素,1.物料的热敏性2.