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1、第七章 干 燥 Chapter 7 Drying,第七章 干 燥 Chapter 7 Dryi,第一节 概述（Introduction）,化学工业生产的固态产品或半成品往往含有过多的水分或有机溶剂，制得合格产品需要除去固体物料多余的湿份。例如：制盐工业中，在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶粒；塑料工业中，氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒。除湿方法：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汽化干燥掉。,干燥方法分类：传导干燥；对流干燥；红外线辐射干燥;微波加热干燥;冷冻干燥;化工生产中最常用的是对流干燥。,第一节 概述（Introduction） 化
2、学工业生产的固,对流干燥过程举例,典型的对流干燥器气流干燥器空气通过送风机吹入空气预热器，预热后的热空气送入气流干燥管，湿料由螺旋加料器推入干燥器并分散于热气流中，受气流的输送并进行干燥，干燥产品通过旋风分离器从气流中分离出来，湿废气体由引风机抽出排空。,1-鼓风机；2-预热器；3-气流干燥管；4-加料斗；5-螺旋加料器；6-旋风分离器；7-卸料阀；8-引风机。,对流干燥过程举例典型的对流干燥器气流干燥器1-鼓风机；2-,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
3、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 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,pv,pw,M,干燥是热、质同时传递的过程,干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。由于,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
4、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,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。,除水分量物料衡算能量衡算涉及干燥速率和水在气固相的平衡关系涉,第二节 湿气体的热力学性质,
5、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，湿空气可视为理想气体。,系统总压 P ：湿空气的总压（kN/m2），即Pv 与Pg之和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。且 P= Pv +Pg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 湿气体的热力学性质 湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合,1.湿份的表示方法,对于空气-水蒸气系统：Mv=18.02kg/kmol，Mg=28.96 kg/kmol,
6、湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。若湿份蒸汽和绝干空气的摩尔数 (nv, ng) 和摩尔质量 (Mv , Mg),绝对湿度(湿度) H（Humidity）,总压一定时，湿空气的湿度只与水蒸汽的分压有关。,Kg水蒸汽/kg绝干空气,当p=ps时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。,1.湿份的表示方法对于空气-水蒸气系统：湿空气中水气的质量与,相对湿度（Relative humidity）,湿度只表示湿空气中所含水份的绝对数，不能反映空气偏离饱和状态的程度（即气体的吸湿能力）。,值说明湿空气偏离饱和空气或绝干空气的程度， 值越小吸湿能力越大； = 0 ，p=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气
7、。 = 1 ，p=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿。,相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压 pv 与系统温度下水的饱和蒸汽压 ps 之比的百分数。,相对湿度（Relative humidity）湿度只表示湿空,相对湿度（Relative humidity）,s 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。,对于空气-水系统：,= f (H, t),相对湿度（Relative humidity）ps 随温度的,2.比体积H (Humid
8、 volume) 或湿比容 (m3/kg绝干气体),比容：1kg 绝干空气和相应Hkg水汽体积之和。,3.比热cH (Humid heat)或比热容KJ/(kg ),比热：1kg 绝干空气及相应Hkg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),2.比体积H (Humid volume) 或湿比容 (,4.焓I (Total enthalpy),焓：1kg 绝干空气的焓与相应Hkg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
9、，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,4.焓I (Total enthalpy)焓：1kg 绝干,当热、质传递达平衡时，气体对液体的供热速率恰等于液体汽化的需热速率时：,5.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） a.定义,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, 湿球温度 tw 定义式,当热、质传递达平衡时，气体对液体的供热速率恰等于液
10、体汽化的需,(2) 空气的湿球温度,因流速等影响气膜厚度的因素对 和 kH 有相同的作用，可认为 kH / 与速度等因素无关，而仅取决于系统的物性。,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。,(2) 空气的湿球温度因流速等影响气膜厚度的因素对 和,湿球温度计测定湿球温度的条件是保证纯对流传热，即气体应有较大的流速和不太高的温度，否则，热传导或热辐射的影响不能忽略，测得的湿球温度会有较大的误差。,通过测定气体的干球温度和湿球温度，可以计算
11、气体的湿度。,气体,t,tw,b. 湿球温度的测定,湿球温度计测定湿球温度的条件是保证纯对流传热，即气体应有较大,物料充分湿润，湿分在物料表面的汽化和在液面上汽化相同。物料经过预热，很快达到稳定的温度，由于对流传热强烈，物料温度接近气体的湿球温度 tw。,对于空气-水系统， tw100。当气体的湿度一定时，气体的温度越高，干、湿球温度的差值越大。结论：当物料充分湿润时，可以使用高温气体做干燥介质而不至于烧毁物料。例如，可以使用500的气体烘干淀粉。,对初始温度为 20、相对湿度为 80% 的常压空气,b. 湿球温度的测定,物料充分湿润，湿分在物料表面的汽化和在液面上汽化相同。对于空,(3)绝热
12、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。,对于空气-水系统：,绝热饱和过程 (Adiabatic saturation process)：,(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,(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
13、,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,(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,气体湿度图（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,饱和空气线,-H线,气体湿度图（Humidity chart）湿空气参数的计算比
14、,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。,空气湿度图的绘制 （Humi
15、dity chart）对于空气-,(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， pv= f (H) ， p-H 近似为直线关系。,(3) 等干球温度线 (等 t 线) I与H呈直线关系，t,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。 10
16、0%，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。,空气湿焓图的用法 （Use of humidity char,分干湿湿相热焓kJ.（kg干空气）-1水露1804024,湿物料水分含量的表示方法,湿物料是绝干固体与液态湿
17、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：,工业生产中，物料湿含量通常以湿基含水量表示，但由于物料的总质量在干燥过程中不断减少，而绝干物料的质量不变，故在干燥计算中以干基含水量表示较为方便。,第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算,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,物料衡算（Mass balance）,L1 湿物料进口的质量流率，kg/s；L2 产品出口的质量流率，kg/s； Lc 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； G 绝干气体的质量流率，kg/s
18、； 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L1 , w1,干燥产品L2 , w2,热空气G , H1,湿废气体G , H2,绝干空气消耗量,绝干空气比消耗,水分蒸发量：,物料衡算（Mass balance） L1 湿物料进口的,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Lc , w1 , 1, cm1,干燥产品LC , w2 , 2, cm2,热气体G, H1, t1, I1,湿废气体G, H2, t2, I2,湿气体G,
19、H0, t0, I0,Qp,QD,Ql,预热器,干燥器,热量衡算（Heat balance）Qp 预热器向气体,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,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,干燥器的热量衡算,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：,湿空气焓：,干燥器的热量衡算 在连续稳定操作条件下，系统无热量积累，单位,干燥器的热量衡算,理想干燥过程：气
20、体放出的显热全部用于湿分汽化。多数工业干燥器无补充加热，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，则干燥过程可视为理想干燥过程。,干燥器的热量衡算 理想干燥过程：气体放出的显热全部用于湿分汽,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
21、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,第四节 物料的平衡含水量及干燥速率,对一定干燥任务，干燥器尺寸取决于干燥时间和干燥速率。干燥曲线,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
22、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。,E,E,恒速干燥段预热段(Pre-heat period)：干燥曲线,水，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
23、,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，具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力。物料中的水分湿,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
24、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*,0,1.0,0.5,2.平衡水分和自由水分 一定干燥
25、条件下，按能否除去，分为平衡,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； Lc 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。,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 (k,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
26、速干燥和降速干燥两个阶段。,干燥速率曲线：干燥速率 u 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,A,B,C,D,物料温度,tw,Xc,X*,湿含量 X,I,II,C,设物料的初始湿含量为 X1，产品湿含量为 X2：由于物料预热,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。,临界湿含量（Critic
27、al moisture conten,干燥过程的计算,物料的停留时间应大等于给定条件下将物料干燥至指定的含水量所需的干燥时间，并由此确定干燥器尺寸。,若已知物料的初始湿含量 X1 和临界湿含量 Xc，则恒速段的干燥时间为,恒速干燥段的干燥时间,1.恒定干燥条件下干燥时间的计算,干燥过程的计算物料的停留时间应大等于给定条件下将物料干燥至指,降速干燥段的干燥时间,(1) 图解积分法,降速段的干燥时间可以从物料干燥曲线上直接读取。计算上通常是采用图解法或解析法。,当降速段的u X 呈非线性变化时，应采用图解积分法。,在 X2 Xc 之间取一定数量的 X 值，从干燥速率曲线上查得对应的 u，计算 Lc
28、 /u；作图Lc /u X，计算曲线下面阴影部分的面积。,X,o,Xc,X2,Lc/u,降速干燥段的干燥时间 (1) 图解积分法 降速段的干燥时间可,降速干燥段的干燥时间,(2) 解析法,当降速段的u X 呈线性变化时，可采用解析法。,降速段干燥速率曲线可表示为,A,B,C,D,干燥速率 u,X,u,Xc,X*,湿含量 X,uc,当缺乏平衡水分的实验数据时，可以假设 X* = 0，则有,干燥时间为： = 1 + 2,降速干燥段的干燥时间 (2) 解析法 当降速段的u X,【例7-1】已知湿空气的总压为101.3kPa相对湿度为50%，干球温度为20。试用I-H图求解：（a）水气分压p；（b）湿
29、度H；（c）焓I；（d）露点td；（e）湿球温度tW；（f）如将含500kg/h干空气的湿空气预热至117，求所需热量。 【例7-2】在一连续干燥器中干燥盐类结晶，每小时处理湿 物料为1000kg，经干燥后物料的含水量由40%减至5%（均为湿基），以热空气为干燥介质，初始湿度H1为0.009kg水kg-1绝干气，离开干燥器时湿度H2为0.039kg水kg-1绝干气，假定干燥过程中无物料损失，试求：水分蒸发量；空气消耗量；原湿空气消耗量；干燥产品量。,【例7-1】已知湿空气的总压为101.3kPa相对湿度为50,【例7-3】 某厂利用气流干燥器将含水20%的物料干燥到5%（均为湿基），已知每小时
30、处理的原料量为1000kg，于40进入干燥器，假设空气在干燥器中经历等焓干燥过程， ，空气的干球温度为20，湿球温度为16.5，空气经预热器预热后进入干燥器，出干燥器的空气干球温度为60，湿球温度为40，试求：需要的空气量为多少？（以进预热器的状态计）；空气进干燥器的温度？,【例7-3】 某厂利用气流干燥器将含水20%的物料干燥到5%,【例7-4】湿物料含水量为42%，经干燥后为4%（均为湿基），产品产量为0.126kg/s，空气的干球温度为21，相对湿度40%，经预热器加热至93后再送入干燥器中，离开干燥器时空气的相对湿度为60%，若空气在干燥器中经历等焓干燥过程，试求：1）在I-H图上画出
31、空气状态变化过程的示意图；2）求绝干空气消耗量（kg绝干气s-1）。,【例7-4】湿物料含水量为42%，经干燥后为4%（均为湿基）,【例7-5】在常压绝热干燥器内干燥某湿物料，湿物料的流量为600kgh-1，从含水量20干燥至2（均为湿基含水量）。温度为20，湿度为0.013kg水kg-1绝干气的新鲜空气经预热器升温至100后进入干燥器，空气出干燥器的温度为60，若空气在干燥器中经历等焓干燥过程。求：,【例7-5】在常压绝热干燥器内干燥某湿物料，湿物料的流量为6,（1）完成上述任务需要多少kg绝干空气h-1？（2）空气经预热器获得了多少热量？（3）在恒定干燥条件下对该物料测得干燥速率曲线如图所示，已知恒速干燥段时间为1小时，求降速阶段所用的时间。,（1）完成上述任务需要多少kg绝干空气h-1？（2）空气,
