第七章 干燥 概述 一、去湿——除去固体物料中湿分（水分或其它熔剂）的单元操作。 应用——使固体物料达一定含湿量，便于运输、储藏、加工处理和使用。 去湿方法——1。机械去湿法 2．加热去湿法（干燥）——利用热能除去固体物料中湿分。 工业上一般将物料先进行机械去湿（沉降、过滤、离心分离等）后再用干燥。 二、干燥操作分类 按操作压力—常压干燥 真空干燥：处理热敏性、易氧化、或要求含湿量低的物料。 按操作方式—连续干燥 间歇干燥：适用小批量、多品种、要求干燥时间长的物料。 按加热方式—热传导干燥：又称间接加热干燥； 对流传热干燥：又称直接加热干燥； 辐射干燥 介电干燥 冷冻干燥 三、对流干燥过程——热、质同时传递的过程 干燥介质（热空气）将热量传给湿物料； 物料表面湿分汽化，并通过表面处气膜向气流主体扩散； 由于表面湿分汽化，使物料内部与表面间产生湿分差，湿分以气态或液态由固体内部向表面扩散。 干燥过程的必要条件——推动力 物料表面湿分分压pW ( 空气中湿分的分压p 干燥介质——一般为不饱和的热空气，它既是载热体，又是载湿体。 干燥速率由传热速率和传质速率共同支配。 第二节 湿空气的性质和湿度图 湿空气性质 在干燥过程中，湿空气中的湿分在不断汽化，但绝对干空气量是不变的，因此湿空气的各个参数都是以单位质量绝对干空气为基准的。 1．湿空气中湿含量的表示法 水汽分压pv P（总压）=pg（干空气）+pv（水汽） 相对湿度φ 定义—在一定总压下， φ 相对湿度是衡量湿空气的不饱和程度， φ=100%的湿空气，表示湿空气已被水汽饱和； φ越低，湿空气偏离饱和程度越大，干燥能力越强； 可见，相对湿度φ能反映湿空气的干燥（吸水气）能力。 （3）（绝对）湿度H 定义：    [kg水/kg干空气] 饱和湿度 可见饱和湿度与空气的总压和温度有关。 因为pv=φps，  2．湿空气的比容、比热容和焓 湿空气的比容（湿比容，又称湿容积） 定义—含有单位质量干空气的湿空气的体积。  [m3/kg干空气]   （2）湿空气的比热容cH 定义—含有单位质量干空气的湿空气，温度升高1K所需的热量。 cH=cg+cvH =1.01+1.88H [kJ/kg干空气?K] 湿空气的比热容随湿空气的湿度而变化. （3）湿空气的焓IH 定义—湿空气的焓为所含干空气的焓和水汽的焓之和。 以1kg干空气为基准： IH=Ig+HIv [kJ/kg干空气] 焓是相对值，取0 0C下的干空气和液态水的焓为基准态（0）， 干空气只包括显热，Ig=cgt 水汽包括0 0C时的汽化潜热和0 0C以上的显热， Iv=r0+cvt IH=(cg+cvH)t+r0H=(1.01+1.88H)t+2492H 可见湿度越大、温度越高，则焓越大。 3．湿空气的温度 （1）干球温度t （2）露点td—将不饱和空气在等湿（H不变）下冷却至饱和状态，此时的温度称为露点（dew-point）。 饱和状态——指H=Hs，p=ps，φ=100%；若空气温度下降至露点以下，将有水滴析出（称露水）。湿度越大，露点越高。 应用： 1）测得空气的露点，求空气的湿度—  2）已知空气的总压P和湿度H，利用等湿过程，求露点—  ，查水汽表，对应的温度为td 可见，空气的露点是反映空气湿度的一个特征温度。 （3）湿球温度tW 机理—将湿球温度计放入温度为t、湿度为H的不饱和空气中， 假设开始时，湿球纱布中水分的温度等于空气温度，空气与湿球上的水之间无热量传递。 1）由于湿球表面ps>pv，湿球表面的水分汽化并向空气扩散，由于空气与湿球之间无温度差，故水分汽化所需的热量只能取自于湿球上的水，使湿球温度下降； 2）由于湿球温度小于空气温度，有热量从空气向湿球传递； 3）刚开始时，传递的热量尚不够水汽化所需之热，湿球温度继续下降； 4）传热速率随温度差增大而增大，最后达到动态平衡，即 传热速率=湿球表面水分汽化所需的热量 此时湿球的水温不再下降，而达到一个稳定的温度，称湿球温度。 事实上，不论水温如何，最终必将达到此动态平衡 由于湿空气量大，水分的汽化并不影响空气的H和t。而湿球温度是由空气的H和t所决定，因此湿球温度是湿空气的一个状态参数。 实际应用：由干球温度和湿球温度，求湿度H 1．空气向湿球表面的传热速率： Q=αA（t-tW） 2．湿球表面水分向空气主体的对流传质速率： N=kHA（HW-H） 式中：kH—以湿度差为推动力的传质系数；kg水/m2?s A—湿球纱布的表面积；m2 HW—在湿球温度下，空气的饱和湿度；kg水/kg干空气 H—在干球温度下，空气的饱和湿度；kg水/kg干空气 3．在平衡时： Q=αA（t-tW）=kHA（HW-H）rW 得：  实验证明kH、α都与气速的0.8次方成正比，所以kH/α与气速无关， 对空气-水系统，α/ kH ≈1.09(10 3J(ΔH(kg水(0C)( 湿球温度计必须安放在空气流速大于5m/s的环境中，以减少热辐射和热传导的影响。 （4）绝热饱和温度tas 绝热降温增湿过程（绝热饱和过程）— 设：绝热饱和器与外界无热量交换，既无热量补充，又无热量损失。 当温度为t，湿度为H的不饱和空气与大量循环喷淋水充分接触，由于空气中的水汽分压小于水滴上的水汽分压，水要汽化，使水温下降，与空气间形成温度差，热量由空气向水传递。但由于传递的热量不够水汽化所需之热量，水温继续下降，直到一稳定值tas。此时，空气降温所传递的热量正好提供水汽化所需之热量，空气与水之间达到了热的平衡。空气温度也降至tas，湿度由H 增大到tas下的饱和湿度Has。 温度tas称为湿空气（t，H）的绝热饱和温度。 在绝热增湿过程中，虽然空气将显热传给了水，但水份汽化又将等量的热量带回到空气来。因此，空气的温度、湿度随着过程进行变化，而焓值基本不变——等焓过程。 以0C为温度基准， 进入绝热饱和器湿空气的焓I1=cH t+Hr0 离开绝热饱和器湿空气的焓I2=cHas tas+Has r0 ∵I1 = I2 cH t+Hr0= cHas tas+Has r0 由于H 、Has与1相比很小，∴cH ≈ cHas 则  上式表示绝热饱和温度tas是由空气初始状态t和H所决定的，是空气的状态函数。 应用：ta和tW 两者意义虽然不同，但都是湿空气的初始状态的函数。特别对空气—水系统，由于cH=α/kH ，则 tas≈tW 。tW容易测定，用tW代替tas，这对干燥计算带来方便。 对不饱和湿空气：t> tW> td 对饱和湿空气： t= tW= td 湿空气的湿度图 1．湿度图（I—H图）的构造 等湿度（H ）线 等焓（I）线——又称绝热增湿过程线 I=1.01t+（1.88t+2492）H 等温（t）线 等相对湿度（(）线： 饱和空气线(=100%，只有位于此线上方，才是不饱和空气，用作干燥介质。 水汽分压线： 2．湿度图的用法 湿空气的各项参数有：四个温度，H，φ，I，p，只要规定两个相互独立的参数，通过湿度图，就能知道湿空气的状态。 （1）湿空气状态A （2）由两个温度确定湿空气的状态 1）t和tW 2）t和td 3）tW和td 4）t和φ 例：已知湿空气的总压为101.325kPa，相对湿度为50%，干球温度为20%。试用湿度图求取此空气的 (1)水汽分压p； (2)湿度H； (3)焓I； (4)露点td； (5)湿球温度tw； (6)如果将含500kg/h干空气的湿空气预热至1170C，求所需热量Q。 解： （1） p=1.2 kPa； H=0.0075 kg水/kg干空气； I0=39 kJ/kg干空气； td=100C； tw=140C； I1=138 kJ/kg干空气 Q=500(（I1 -I0）=500(（138-39）=49500 kJ/h=13.6kW 第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算 教学目的：通过物料衡算和热量衡算，计算从湿物料中去除的水分W、相应需消耗的空气量L和所需的热量，再进行干燥器及其它辅助设备的设计选择。 湿物料含水量的表示方法 湿基含水量w——以湿物料为计算基准  [kg水分/kg湿物料] 干基含水量X——以湿物料中绝干物料为计算基准  [kg水分/kg绝干物料] 换算： ，  干燥过程的物料衡算 1. 绝干物料流量 kg/h  含水量  2．水分蒸发量 kg/h 对干燥器内的水分量作物料衡算：  水分蒸发量  3. 干空气消耗量 kg/h  单位空气消耗量  [kg干空气/kg水分] 单位空气消耗量l仅与湿空气初始及最终湿度有关，而与路径无关； 空气经预热器，湿度不变，即H1=H0 由于夏天的湿度比冬天大，故对同一干燥过程，夏天的空气消耗量l 为大。 例：温度对湿空气容纳水分能力的影响 将温度为1200C、湿度为0.15kg水分/kg干空气，在101.3kPa的恒压下冷却，试计算冷却至以下温度时，每kg干空气所析出的水分。 冷却至1000C（水在1000C时的饱和蒸汽压为101.3kPa）； 冷却至50 0C（水在500 C时的饱和蒸汽压为12.33kPa）； 冷却至20 0C（水在20 0C时的饱和蒸汽压为2.338kPa）。 解：在原状态下，=19.68 kPa (1)由于pS,100=101.3 kPa＞p=19.68 kPa 或= 所以将空气冷却至1000C，空气仍未达到饱和状态，不会有液态水析出。 (2)由于pS,50=12.33 kPa＜p=19.68 kPa 空气在50 0C下的饱和湿度即为容纳水分的极限能力,因此  所以将空气冷却至500C，每kg干空气所析出的水分应为：  (3) pS,20=2.338 kPa＜p=19.68 kPa 所以  气体达饱和时，系统两相共存，只有二个自由度。在总压一定时，空气容纳水分的极限能力必与温度有一一对应关系。 从本例计算结果可看出，气温越高，其容纳水分的极限能力越大。 所以在干燥过程中，为提高气体容纳水分的能力，必须予热到一定温度。 干燥过程的热量衡算 预热器的加热量QP 在预热器中进行的是等湿过程。 在不计热损失下 QP=L（I1-I0） [kW] 干燥器的热量衡算 输入热量=输出热量   ∵ ∴ 空气通过干燥器的状态变化： 设Σq=0，为理想等焓过程（等焓降温增湿过程） 此时只要知道空气离开干燥器任一个参数，则状态就定了。 若Σq≠0，为实际干燥过程 干燥器的热效率  热效率表示干燥器的性能，热效率越高表示热利用程度越好。 在干燥操作中，必须注意到出口废热空气中热量的回收利用，对提高干燥操作热效率有实际意义。 利用废气预热空气和物料； 设备管道的保温隔热，减少热损失。 第四节 物料的平衡含水量与干燥速率 本节主要介绍干燥过程中的平衡关系和速率关系。两者不仅涉及气液两相间的传热和传质，而且还涉及到湿分以气态或液态的方式从内部向表面的传递问题。 湿分在物体内部的传递主要与湿分-物体间的结合方式、即物料的结构有关。因此干燥除水的难易程度，因物料的结构不同而异，即使同一种物料中，所含水分的性质也不尽相同。所以干燥机理较其它传质过程要复杂得多。 物料中所含水分的性质 结合水分与非结合水分 根据物料与水分的结合力而分，即本身的性质而分。 结合水分—借化学力或物理化学力与物料结合的水分。 如：结晶水，细胞壁内水分，毛细管内水分 特征：结合力强，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，故难以用干燥法除去。 非结合水分—机械地附在物料表面或物料颗粒间孔隙中的水分。 如：表面吸附水分 特征：结合力弱，其蒸汽压为同温度下水的饱和蒸汽压，用干燥法能除去。 用实验方法可测定结合水分和非结合水分。 平衡水分与自由水分 根据物料中的水分在一定干燥条件（指干燥空气状态）下，能否用干燥法除去而分。与空气状态有关。 不能被除去的那部分水—平衡水分（一定是结合水分）； 能除去的那部分水—自由水分（包括结合水分和非结合水分）。 物料的平衡含水量曲线 ——干燥介质条件（t，(）与物料平衡含水量的关系。 在一定温度下，物料结合水分与非结合水分的划分只取决于物料本身的特征，而与空气状态有关。 物料中的平衡水分与自由水分的划分不仅与物料性质有关，也与空气的状态有关。 X* ——该空气状态下的平衡含水量，干燥的极限； Xt－X*——指定状态的空气所带走的水分，自由含水量 吸湿现象——当固体含水量较低（都是结合水），而空气的相对湿度较大时，两者接触不能达到干燥的目的，反而吸湿，如饼干返潮。 干燥机理 当湿物料（其含水量大于平衡含水量）与干燥介质（不饱和空气）接触，其表面水分汽化，形成表面与内部的湿度差，水分由内部向表面扩散。在干燥的不同时期，其控制机理不同： 表面汽化控制：表面汽化速率(内部扩散速率 内部水分能迅速到达表面，物料表面足够湿润，其表面温度可取tW，干燥速率受表面汽化速率控制，此类干燥操作完全受干燥介质性质而定。如：纸、皮革的干燥。 内部扩散控制：表面汽化速率(内部扩散速率 内部水分不能迅速到达表面，物料表面不能完全湿润，蒸发面向物料内部移动。这种情况必须想法增加内部扩散速率，或降低表面汽化速率。如：木材常用湿空气干燥，否则表面干燥，内部潮湿，将引起表面干燥收 缩而发生绕曲。 干燥动力学实验和干燥曲线 干燥动力学实验 ——测定物料含水量与温度随时间的关系 将湿物料试样置于恒定的空气流中 （大量空气、少量湿料）。在干燥过程中， 空气流的t、u、(保持不变。观察到，随干 燥时间(的延续，水分不断汽化，湿料的质 量不断下降，直至恒值。此时为动态平衡， 含水量为平衡含水量。 记录：时间～物料质量～物料温度 将物料放入电烘箱宏干到恒重，称重， 即为物料的绝干质量，以此可计算出X [kg水/kg干物料]。 干燥实验曲线 干燥过程的三阶段 预热阶段AB 预热开始，热推动力（t-(），使物料表面温度升高至tW。 恒速干燥阶段BC 热推动力（t-tW），物料表面温度一直保持tW，物料表面湿润。 图中BC为直线，斜率为常数，此阶段的干燥速率决定于物料表面的水分汽化速率，故又称为表面汽化控制阶段。 降速阶段CDE C——恒速干燥阶段与降速阶段的临界点，Xc为临界含水量。 CD——第一降速阶段，内部水分移动速率不及表面汽化速率，湿润表面收缩，表面不能完全湿润； DE——第二降速阶段，汽化表面由物料表面向内部转移，表面完全不湿润； 在降速阶段斜率逐渐减小，直到点E，斜率为零，表示水分汽化速率等于零，干燥结束。此时物料达到平衡含水量X*，物料温度将等于空气温度。 降速阶段的干燥速率主要决定于水汽在物料内部的传递速率，故又称为内部扩散控制阶段。 恒定干燥条件下的干燥速率和干燥时间 干燥速率—指单位时间内单位干燥表面积上汽化的水分量  [kg水/m2.h] 由于 dW=(GcdX  负号表示物料的含水量随时间的延续而减少。 干燥速率曲线 （1）恒速干燥阶段 特点： 物料表面湿润（充满非结合水分）； 表面恒温为湿球温度tW， 物料内部水分扩散(表面水分汽化速率，属表面汽化控制。 主要影响因素：干燥速率取决于空气性质，与物料性质关系不大 提高空气温度与降低空气湿度，可增大传热及传质推动力； 提高空气流速，可增大对流传热系数(与传质系数kH； 改善空气与物料的接触方式，如喷雾干燥。 干燥时间计算： 由最初含水量X1到临界含水量Xc所需的时间(1。 由于    （2）降速干燥阶段 特点： 物料只有结合水分； 表面温度不断升高； 物料内部水分扩散(表面水分汽化速率，属内部扩散控制。 第一降速阶段—物料表面不能全部维持湿润，而形成干区； 由于汽化面积减少，使干燥速率（按全部表面积计）下降。 第二降速阶段—物料表面不能全部形成干区，汽化面内移； 由于物料内部热、质传递路径增长，使干燥速率下降。 主要影响因素：干燥速率取决于物料的结构、形状和尺寸，与空气性质关系不大。 干燥时间计算： 计算由物料含水量Xc下降到X2所需的时间(2。  1）图解积分法 2）解析计算法 当u与X呈线性关系时，即图中直线CE代替曲线CDE，   物料干燥所需总时间为：  对间歇干燥操作，每批物料干燥周期为：  —每批物料装卸辅助时间 第五节 干燥设备 工业上常用的对流干燥器 干燥器选型的首要条件——对被干燥物料的适应性 1）外形结构：块状，粒状，溶液，浆状，膏糊状等； 2）性质：含水量，粘性，耐热性，酸碱性，防爆性及湿态等； 3）产品要求：含水量，形态，强度，粒径，干裂、硬化、收缩等影响产品外观的要求 2．对流干燥器的主要类型 厢式和输送带式干燥器：适应性宽，从粉、粒、块、短纤维到膏糊状物料； 转筒式干燥器：适用于粉、粒、块、膏糊状物料； 流化床：粉、粒状物料； 气流式干燥器：粉、粒状物料； 喷雾干燥器：用于悬浮液和乳浊液。 干燥器的基本要求 1．产品质量要求：能保证产品的工艺要求，达到指定的干燥程度、质量均匀； 2．生产能力高：干燥速率快，可缩短干燥时间，减少设备尺寸； 3．热效率高：经济性，减少废气带热量；干燥器结构应有利于气固接触；尽可能使用较高温度的空气，或设置中间加热面，减少空气用量； 4．流体阻力小； 5．操作控制方便，劳动条件良好，设备制造容易 干燥操作条件的选择 干燥介质的选择：取决于干燥过程工艺，及可利用的热源； 热空气：适用于干燥温度不高、且不易氧化的物料； 惰性气体：适用于易氧化的物料，或物料能挥发出易燃易爆气体； 烟道气；适用于能高温干燥，不怕污染、不于烟道气中SO2，CO2气体反应的物料； 过热蒸汽： 物料与气体流向的选择 （1）并流——传热推动力随路程而下降， 适用于：1）含水量高、允许快速干燥而不产生龟裂的物料； 2）干燥后期不耐高温的物料； 3）不需获得含水量低的物料。 （2）逆流——推动力大而均匀，设备容积小，介质用量少，热效率高； 适用于：1）含水量高、不允许快速干燥的物料； 2）干燥后期耐高温的物料； 3）要求获得含水量低的物料。 （3）错流——有较大的气固接触面，可使用流速高的气体，干燥速率快； 适用于：1）无论含水量高低，都可快速干燥、耐高温的物料； 2）因阻力大，不宜采用逆、并流操作的场合。 干燥介质入口温度——要考虑在物料允许的最大温度范围内，并应避免物料发生分解、变色等变化。 不同干燥器，入口温度要求不同。如厢式干燥器，物料是静止的，入口空气温度要低；转筒、沸腾床、气流干燥器，物料不断翻动，空气温度可高些。 干燥介质出口温度和相对湿度——出口温度影响热效率；出口空气相对湿度提高，可使传热量下降，空气用量减少，降低经常操作费用；但也影响了干燥平均推动力，设备尺寸增大，设备投资增加。 物料的出口温度——受逆流、并流方式而异。 连续操作与间歇操作 间歇操作的干燥器——生产能力低，设备笨重，只适用小批量或多品种的产品生产。 连续操作的干燥器——可缩短干燥时间，提高产品质量，操作稳定，容易控制。