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1、第7章 固体干燥7.1 概述7.2 湿空气的性质与湿度图7.3 固体物料的干燥平衡7.4 干燥过程的计算7.5 干燥速率与干燥时间器7.6 干燥器7.7 固体干燥过程的强化与展望,在化工生产中，一些固体产品或半成品可能混有大量的湿分，将湿分从物料中去除的过程，称为去湿。,去湿的方法及适用场合：,机械去湿：用于去除固体物料中大部分湿分。,吸附去湿：用于去除少量湿分。,热能去湿（干燥）：向物料供热以汽化其中 的湿分的单元操作。,7.1 概述,干燥过程的分类：,常压干燥真空干燥,连续式间歇式,根据供热方式不同，干燥可分为以下四种情况：,传导干燥（间接加热干燥）：热能通过壁面以传导方式加热物料。对流干
2、燥（直接加热干燥）：干燥介质与湿物料直接接触，并以对流 方式加热湿物料。辐射干燥：热能以电磁波的形式辐射到湿物料表面。介电加热干燥：将湿物料置于高频电场内，使其被加热。,本章主要讨论对流干燥，干燥介质是热空气，除去的湿分是水分。,对流干燥是传热、传质同时进行的过程，但传递方向不同，是热、质反向传递过程：,传热,传质,方向,推动力,温度差,水汽分压差,干燥过程进行的必要条件：*物料表面水汽压力大于干燥介质中水汽分压；*干燥介质要将汽化的水分及时带走。,7.2 湿空气的性质与湿度图,7.2.1 湿空气的性质,7.2.2 空气的湿度图及其应用,7.2.1湿空气的性质,通常用两个参数来表征空气中所含水
3、分的大小：湿度 H 及相对湿度,一、湿度（湿含量）H定义：湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气 质量之比。,湿空气是由水蒸汽和绝干空气构成。,nw：湿空气中水汽的摩尔数，kmol；ng：湿空气中绝干空气的摩尔数，kmol；Mw：水汽的摩尔质量，kg.kmol-1；Mg：空气的平均摩尔质量，kg.kmol-1。,质量比,当湿空气可视为理想气体时，则有：,式中：pw为空气中水蒸汽分压。,即：,当 p 为一定值时，,当湿空气中水蒸汽分压 pw 恰好等于同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压 ps 时，则表明湿空气达到饱和，此时的湿度 H 为饱和湿度 Hs。,二、相对湿度定义：在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压
4、pw 与 同温度下水的饱和蒸汽压 ps 之比的百分数。,即：,即：,结论：湿度 H 只能表示出水汽含量的绝对值，而相对湿度却能反映出湿空气吸收水汽的能力。,当=1 时：pw=ps，湿空气达饱和，不可作为干燥介质；当 1 时：pw ps，湿空气未达饱和，可作为干燥介质。,越小，湿空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。,【例7-1】湿空气中水的蒸汽分压 pw=2.33 kPa，总压 p=101.3 kPa，温度为 20、50 和 120，求 H和 值。,相对湿度 与湿度 H 的关系：,从绝对湿度H的定义(单位质量干空气所含气态水的质量)看，当PWP时，H。因此H的定义域为PWP。空气中的水蒸汽分压P
5、W不可能大于总压。,三、湿空气的比热与焓 1.湿比热（湿热）cH kJ/(kg干气)定义：在常压下，将1 kg 干空气和其所带有的 H kg水 汽升高温度 1 所需的热量。,：干空气比热=1.01 kJ/(kg干气),：水汽比热=1.88 kJ/(kg水汽),2.焓（热含量）I kJ/kg干气 定义：湿空气的焓为干空气的焓与水汽的焓之和。计算基准：以0干空气及0液态水的焓值为0作计算基准。,因此，对于温度为 t、湿度为H 的湿空气，其焓值包括由0的水变为0水汽所需的潜热及湿空气由0升温至 t 所需的显热之和。,即：,式中：I：温度为t、湿度为H的湿空气的焓值，kJ/kg干气；Ig：干空气的焓值
6、，kJ/kg干气；Iv：汽态水的焓值，kJ/kg水汽；r0：0时水的汽化潜热，r0=2492 kJ/kg水汽。,由上式可知，湿空气的焓值只与湿空气的湿度及温度有关。即：I=f(H,t),四、湿空气的比容（湿容积）Hm3湿空气/kg干气定义：每单位质量绝干空气中所具有的湿空气（绝干 空气和水蒸汽）的总体积。,式中：,:压力p、温度t下湿空气比容,m3湿气/kg干气；,：压力p、温度t下干空气比容，m3干气/kg干气；,：压力p、温度t下水汽比容，m3水/kg水。,所以：,综合以上分析可得：,当总压力 p 为一定值时，,湿空气密度：,定义：一定压力下，将不饱和空气等湿降温至 饱和，出现第一滴露珠时
7、的温度。,饱和湿度 HS 与露点 td 的关系：,五、露点 td,pd：td下的饱和蒸汽压。,干球温度t是用普通温度计测得的湿空气的真实温度。,湿球温度计在空气中所达到的平衡或稳定的温度。,湿球温度计：温度计的感温球用纱布包裹，纱布用水 保持湿润，这支温度计为湿球温度计。,不饱和空气的湿球温度 tw低于干球温度 t。,六、干球温度 t,七、湿球温度 tw,湿球温度计工作原理分析,湿球温度 tw 计算公式:,式中：,：空气至湿纱布的对流传热系数，Wm-2-1；,：以湿度差为推动力的传质系数，kgm-2s-1；,：水在湿球温度 tw 时的汽化潜热，kJkg-1水；,：湿空气在温度为 tw下的饱和湿
8、度，kg水/kg干气；,：空气在温度为t下实际的湿度，kg水/kg干气。,*物系性质：与、kH有关的物性；*空气状态：t、H；*流动条件：/kH。,实验表明，与 kH 都与Re 的0.8次幂成正比，故 与 kH 之比值与流速无关，只与物性有关。当物系已确定，则物系性质就不再改变，此时，湿球温度只与气相状态有关，即：,影响湿球温度 tw 的三方面因素：,对于空气水系统：当空气流速 u 5m.s-1时，传热以对流方式为主，有：,因此，湿球温度是湿空气的温度和湿度的函数，即当 t、H 一定时，tw也为定值。可写为：,在实际生产中，常常利用干、湿球温度计来测量空气的湿度。,1.09kJ/(kg),八、
9、绝热饱和温度tas 定义：空气绝热增湿至饱和时的温度。绝热饱和器工作原理分析：,经过以上分析可知，在空气绝热增湿过程中，空气失去的显热与汽化水分带来的潜热相等，空气的温度和湿度虽随过程的进行而变化，但其焓值不变。,ras：tas温度下水的汽化潜热，kJ/kg水；Has：空气的绝热饱和湿度，kg水/kg干气；cH：湿空气的比热，kJ.kg-1干气-1,湿球温度 tw 与绝热饱和温度 tas 的关系：,tw：大量空气与少量水接触，空气的 t、H 不变；tas：大量水与一定量空气接触，空气降温、增湿。,tw：传热与传质速率均衡的结果，属于动平衡；tas：由热量衡算与物料衡算导出，属于静平衡。,tw
10、与 tas 数值上的差异取决于/kH 与cH两者之间的差别。,当空气为不饱和状态：t tw(tas)td；当空气为饱和状态：t=tw(tas)=td。,空气甲苯体系，,，tw tas,7.2.2 空气的湿度图及其应用,一、湿度图,五条线：1.等 H 线；2.等 I 线；3.等 t 线；4.等 线；5.水蒸气分压线。,二、湿度图的应用,1.利用湿度图查取湿空气的物性,2.湿空气状态点的确定,【例7-2】在总压101.3kPa时，已知70C,相对湿度20%，求湿度H、焓值I、绝热饱和温度tas亦湿球温度tW、空气中水分压p、露点温度td。查图可得焓值I=180，绝对湿度H=0.04绝热饱和温度ta
11、s=40 C，空气中水分压p=6kPa露点温度td=35C注意，总压为一大气压，偏离不大时可直接用,湿空气焓-湿图的使用,【例7-3】在总压为101.3kPa下，空气的温度为20，湿度为0.01 kg水/kg干气。试求：1.、td、tw；2.总压P与湿度H不变，将空气温度提高至50时的；3.温度t与湿度H不变，将空气总压提高至120kPa 时的；4.若总压提高至300kPa，温度仍为20，每100m3原来的湿空气所冷凝出来的水分量？,理解为将100m3101.3kPa湿空气压缩到300kPa,湿球温度下的,结论：,因此，提高湿空气温度 t，不仅提高了湿空气的焓值，使其作为载热体外，也降低了相对
12、湿度使其作为载湿体。,7.3 干燥过程的物料衡算,7.3.1 物料中水分含量的表示方法7.3.2 水分在气-固两相间的平衡,7.3.1 物料中水分含量的表示方法,两种表示方法：,一、湿基含水量 w kg水/kg湿物料,二、干基含水量 X kg水/kg干物料,三、两者关系,一、物料与水分结合方式,附着水分：湿物料的粗糙外表面附着的水分。毛细管水分：多孔性物料的孔隙中所含的水分。溶胀水分：是物料组成的一部分，可透入物料细胞 壁内，使物料的体积为之增大。,二、平衡水分与自由水分,1.平衡水分（X*）,不能用干燥方法除去的水分。,7.3.2 水分在气-固两相间的平衡,2.自由水分（XX*）,可用干燥方
13、法除去的水分。,X*=f（物料种类、空气性质）,三、结合水分与非结合水分,结合水分 水与物料有结合力，pw ps。,吸水性弱的,小,2.非结合水分 水与物料无结合力，pw ps。,结合水分与非结合水分只与物料的性质有关，而与空气的状态无关，这是与平衡水分的主要区别。,平衡水分一定是结合水分。,【例7-4】在常压25下，水分在ZnO与空气间的平衡关系为：相对湿度 100%，平衡含水量X*0.02 kg水/kg干料相对湿度 40%，平衡含水量X*0.007 kg水/kg干料 现ZnO的含水量为0.25 kg水/kg干料，令其与25，40%的空气接触，求物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分
14、。,7.4.1 干燥过程的物料衡算,7.4 干燥过程的计算,L 绝干空气质量流量，kg干气/hr；G1、G2 物料进出干燥器总量，kg物料/hr。,一、绝干物料量Gc kg干物料/hr,二、汽化水分量 W kg水/hr,水分汽化量湿物料中水分减少量湿空气中水分增加量,三、绝干空气用量 L kg干气/hr,kg干气/kg水,四、湿空气参数,1.湿空气用量,kg湿气/kg水,2.湿空气体积,kg湿气/kg水,3.湿空气密度,kg湿气/m3湿气,7.4.2 干燥过程的热量衡算,QP：预热器内加入热量，kJ/hr；QD：干燥器内加入热量，kJ/hr。,外加总热量 QQPQD,汽化 1 kg 水所需热量
15、：,kJ/kg水,一、预热器的加热量计算 qP,若忽略热损失，则,kJ/kg水,二、干燥器的热量衡算,输入量,（1）湿物料带入热量（焓值）kJ/kg湿料,cM：干燥后物料比热，kJ/kg湿料；cw：水的比热，kJ/kg水。,（2）空气带入的焓值,kJ/kg水,（3）干燥器补充加入的热量,kJ/kg水,2.输出量,（1）干物料带出焓值：,（2）废气带出焓值：,（3）热损失：,输入输出,所需外加总热量 q：,7.4.3 干燥系统的热效率,一、热效率,定义：,二、影响热效率的因素,1.,因此，t2 不能过低，一般规定 t2 比进入干燥器时空气的湿球温度 tw 高20 50。,2.,3.回收废气中热量
16、；,4.加强管道保温，减少热损失。,7.4.4 干燥器空气出口状态的确定,一、等焓干燥过程（绝热干燥过程或理想干燥过程）,空气在进、出干燥器的焓值不变。,过程分析：,令：,则有：,：外界补充的热量及湿物料中被汽化水分 带入的热量；,：热损失及湿物料进出干燥器热量之差。,等焓过程：,等焓过程又可分为两种情况，其一,无热损失,湿物料不升温,干燥器不补充热量,湿物料中汽化水分带入的热量很少,空气放出的显热完全用于蒸发水分所需的潜热，而水蒸汽又把这部分潜热带回到空气中，所以空气焓值不变。,以上两种干燥过程均为等焓干燥过程。,若,即：湿物料中水分带入的热量及干燥器补充的热 量正好与热损失及物料升温所需的
17、热量相抵 消，此时，空气的焓值也保持不变。,其二,二、实际干燥过程,1.补充热量大于损失的热量,即,在非绝热情况下进行的干燥过程。,2.补充热量小于损失的热量,即,3.空气出口状态的确定方法,即确定H2、I2,（1）计算法,（2）图解法,7.5 干燥速率与干燥时间,7.5.1 干燥速率7.5.2 恒定干燥条件下干燥时间的计算,7.5.1 干燥速率,一、干燥速率定义,单位时间、单位干燥面积汽化水分量。,kg水.m-2s-1,二、干燥曲线及干燥速率曲线,用于描述物料含水 量 X、干燥时间 及 物料表面温度之间 的关系曲线。,1.干燥曲线,2.干燥速率曲线,ABC段：恒速干燥阶段 AB段：预热段 B
18、C段：恒速段CDE段：降速干燥阶段,C点：临界点 XC：临界含水量E点：平衡点 X*：平衡水分,三、恒速干燥阶段,前提条件：湿物料表面全部润湿。,汽化速率（传质速率）：,kg水.m-2s-1,传热速率：,恒速干燥速率,恒速干燥特点：,1.UUCconst.2.物料表面温度为 tw3.去除的水分为非结合水分4.影响 U 的因素：恒速干燥阶段表面汽化控制阶段 只与空气的状态有关，而与物料种类无关。,四、降速干燥阶段,实际汽化表面减小汽化面内移,降速干燥阶段特点：,1.,2.物料表面温度,3.除去的水分为非结合、结合水分,4.影响 u 的因素：与物料种类、尺寸、形状有关，与空气状态关系不大。,五、临
19、界含水量 XC,1.吸水性强的物料的XC 大于吸水性弱的物料的 XC2.物料层越薄、分散越细，XC 越低3.恒速干燥 uC 越大，XC 越高。,7.5.2 恒定干燥条件下干燥时间的计算,由干燥速率定义式：,对于恒速干燥：,UUCconst.,恒速干燥所需时间,1.恒速干燥阶段：,UC的来源：（1）由干燥速率曲线查得,（2）气体流动方向与物料垂直,G4000 20000 kg.m-2hr-1,求取 经验关联式：（1）气体流动方向与物料平行,W.m-2k-1,G2500 3000,质量流速kg.m-2hr-1,求 的方法：（1）图解积分法（2）近似计算法,总干燥时间：,2.降速干燥阶段：,89,90,91,7.6 干燥器,7.6.1 干燥器的基本要求与分类,7.6.2 常用工业干燥器,1.保证产品质量2.干燥速率大，干燥时间短3.热效率高4.干燥介质流动阻力小5.劳动强度低,7.6.1 干燥器的基本要求与分类,盘架式干燥器耙式干燥器回转式干燥器气流干燥器沸腾床干燥器喷雾干燥器,7.6.2 常用工业干燥器,干燥器分类：,间歇常压干燥器 盘架式干燥器间歇减压干燥器 耙式干燥器连续常压干燥器 回转式干燥器、气流干燥器 喷雾干燥器连续减压干燥器 减压滚筒干燥器,
