《化工單元操作》干燥與干燥設備課件

化工單元操作干 燥與干燥設備9.1.1概述去濕:將固體物料中所含的濕分（水或有機溶劑）去除至規(guī)定指標的操作。去濕方法：機械去濕法

——能耗少、費用低，但濕分去除不徹底物理去濕法

——受吸濕劑的平衡濃度的限制，且只適用于脫除微量濕分干燥方法——固體物料的去濕主要采用干燥的方法機理質量傳遞：濕分的轉移,由固相到氣相，以蒸汽分壓為推動力熱量傳遞：由氣相到固相，以溫度差為推動力干燥過程:利用熱能除去固體物料中濕分（水或其他溶劑）的單元操作。操作壓力常壓干燥真空干燥間歇干燥操作方式分類：連續(xù)干燥傳導干燥對流干燥輻射干燥介電加熱干燥加熱方式對流干燥：利用熱空氣和濕物料作相對運動，氣體的熱量傳遞給濕物料，使?jié)裎锪系臐穹制鬟f到氣體中，并被帶走。對流干燥是動量、熱量、質量傳遞同時進行的傳遞過程。9.2

濕空氣性質及濕度圖濕空氣：含有濕分的空氣，是常用的干燥介質，且一般情況下可視為理想氣體。9.2.1

濕空氣的狀態(tài)參數干燥過程中，干空氣的質量不變，故干燥計算以單位質量干空氣為基準（干基）。理想氣體：飽和濕度Hs

：濕空氣中水蒸氣分壓等于該溫度下水的飽和蒸汽壓（1）濕度H（濕含量或絕對濕度）

(kg水/kg干空氣)濕空氣中水蒸氣質量和干空氣質量之比。kg水/kg干空氣（2）相對濕度φ相對濕度表明濕空氣的不飽和度，反映濕空氣吸收水汽的能力。H

=

f(φ

,t

)（3）濕比體積νH

(m3/kg干空氣)P=101.3kN/m2（4） 濕比熱容cH（

kJ/kg干空氣°C

）ca:

干空氣比熱容，約1.01

kJ/kg干空氣·

Ccv:

水蒸汽比熱容，約1.88kJ/kg干空氣·

C（5）濕空氣的焓I (

kJ/kg干空氣)基準:0

C干空氣、0

C時液態(tài)水的焓為零。r0:0

C時水蒸氣汽化潛熱，2490

kJ/kg補充水t、Htas、HascH:

空氣濕比熱，kJ/kg干空氣·

Cras: tas時水汽化潛熱，

kJ/kgHas: tas時空氣的飽和濕度，kJ/kg干空氣（6）絕熱飽和溫度tas①

絕熱飽和過程:

系統(tǒng)與外界絕熱，不飽和氣體與液體長時間接觸，傳熱傳質達平衡態(tài):②

絕熱飽和溫度是狀態(tài)函數:③

絕熱飽和過程可當作等焓處理即空氣的入口焓近似等于空氣的出口焓補充水t、Htas、Has（7）干、濕球溫度①干球溫度與濕球溫度濕球溫度:氣流吹過-----濕分氣化-----表面降溫-------熱量傳遞穩(wěn)態(tài)時,

空氣傳入的顯熱等于水的汽化潛熱注意：濕球溫度不是狀態(tài)函數②應用對空氣和水的系統(tǒng)

,

k

H

/

h

近似為常數

（

=0.96~1.005

）

，數等于相同條件下的絕熱飽和溫度，故可以用其確應空氣狀態(tài)。（8）露點td：保持空氣的H不變，降低溫度，使其達到飽和狀態(tài)，此時溫度為露點溫度。pd：為露點td時飽和蒸汽壓，既該空氣在初始狀態(tài)下的水蒸氣分壓pv9.2.2

濕球溫度和絕熱飽和溫度之間的關系tas

、tw與t和H有關tas

、tw

本質上截然不同濕空氣的四個溫度t

、tw

、tas

、

td可確定空氣狀態(tài)。（1）共同點：①濕球溫度和絕熱飽和溫度都不是濕氣體本身的溫度,但都和濕氣體的溫度和濕度有關，都表達了氣體入口狀態(tài)已確定時與之接觸的液體溫度的變化極限。②對于空氣和水的系統(tǒng)，兩者在數值上近似相等?？諝夂退南到y(tǒng),一般干燥過程H＜0.01h

/kH=0.96～1.005cH=1.01+1.88H=1.01～1.03對于空氣和水的系統(tǒng)，不飽和空氣：飽和空氣：t>

tas

=

tw

>tdt=

tas

=

tw

=td對其它物系，h/kH

=1.5～2,

與cH相差很大，例如對空氣和甲苯系統(tǒng)h/kH

=1.8

，此時，濕球溫度高于絕熱飽和溫度。（2）不同點：①tas

由熱平衡得出，是空氣的熱力學性質；tw取決于氣、液兩相間的動力學因素-傳遞速率。②tas

是大量水與空氣接觸，最終達到兩相平衡時的溫度，過程中氣體的溫度和濕度都是變化的；tw是少量的水與大量連續(xù)氣流接觸，傳熱傳質達到穩(wěn)態(tài)時的溫度，過程中氣體溫度和濕度不變。③絕熱飽和過程中，氣、液間傳遞推動力由大變小、最終趨近于零；測量濕球溫度，穩(wěn)定后氣、液間傳遞推動力不變。9.2.3濕空氣的濕度圖根據相律，壓力一定時，雙組分、單相的濕空氣自由度為2濕度圖：t-H

圖I-H圖①等溫度線（坐標軸X）②等濕度線（坐標軸Y）③

等相對濕度線（1）濕空氣的濕度圖（t-H圖）一定總壓下固定

，則可確定t，H的關系示意圖④

絕熱飽和(冷卻)線（等濕球溫度線）示意圖⑤

濕比熱容線⑦

汽化潛熱-溫度線示意圖⑥比體積線干空氣比體積線飽和濕比體積線示意圖示意圖tH

=const

=100%tH

=100%絕熱飽和線tH

=100%濕比熱容對濕度tH

=100%飽和比體積對溫度H=0.0

H=consttH

=100%汽化潛熱對溫度（2）濕度圖的應用①

求濕空氣的性質參數P278

例9.2.2P279

例9.2.3tH

=1300CAB500CH=0.019

=0.24②

濕空氣狀態(tài)變化過程的圖示加熱和冷卻

示意圖絕熱飽和過程

示意圖非絕熱增濕過程示意圖不同溫度、濕度的氣流的混合過程兩股氣流混合后的狀態(tài)C必然在點A、B的聯線上，其位置可按杠桿定律求出。

=1tHABt1t2

=1tHABt1tdt2ttH

=1HABStasHasttH

=1HABStasB′B'Has9.3.1濕物料含水量的表示方法濕基含水量w：kg/kg濕物料干基含水量X:kg/kg干物料換算關系9.3固體物料干燥過程的相平衡9.3.2

水分在氣、固之間的平衡及干燥平衡曲線溫度一定，對于一定的濕物料，長時間接觸濕空氣，達平衡狀態(tài)時：平衡蒸氣壓：平衡狀態(tài)下濕物料表面的蒸氣壓。平衡含水量：平衡狀態(tài)下物料的含水量。平衡含水量=f(物料的性質，空氣的狀態(tài))（1）干燥平衡曲線①

p-X*(p*—X)線▲

PV

=0▲

X<Xs▲

X>XsX=0Pv

Pv=Ps②

φ-X線平衡曲線受溫度的影響較大，如果用φ-X圖，則溫度的影響相對較小。（2）物料中所含水分的性質①

自由水分和平衡水分平衡水分：用一定狀態(tài)的濕空氣，干燥某濕物料，物料能夠達到的極限含水量稱為對應于該空氣狀態(tài)的平衡水分。X

<X*

不能被空氣干燥的水分注意：對于同一物料,不同空氣狀態(tài)對應于不同平衡水分。自由水分：物料含水量超出平衡水分的部分稱為自由水分。X>X*

可能被空氣干燥的水分②

結合水分和非結合水分結合水分：固、液之間結合力較強的水分，存在于物料細胞壁內或毛細管內。注：結合水產生的蒸汽壓小于同溫度下純水的蒸汽壓。非結合水分：固液之間結合力較弱的水分，如物料表面的附著水分，或物料表面大孔內的水分。注：非結合水產生的蒸汽壓等于同溫度下純水的蒸汽壓不同點：自由水分是在干燥中可以除去的水分，而平衡水分是不能除去的，自由水分和平衡水分的劃分除與物料有關外，還決定于空氣的狀態(tài)。非結合水分是在干燥中容易除去的水分，而結合水分較難除去。是結合水還是非結合水僅決定于固體物料本身的性質，與空氣狀態(tài)無關。（3）平衡曲線的應用①

確定過程進行的方向▲

物料脫水而被干燥▲

物料吸水而增濕▲

相平衡②

確定過程的推動力傳質推動力:濕物料的平衡蒸汽壓-空氣中水氣的分壓

p=p*-p

H=H*-H濕分的傳遞方向,視推動力的方向而定,或增濕或干燥。傳熱推動力：空氣的溫度與濕物料表面溫度之差。③確定在給定干燥介質的條件下，濕物料中可能去除的水分及干燥后物料的最低含水量以濕度差表示:以溫度差表示:9.4

恒定干燥條件下的干燥速率9.4.1干燥速率曲線（1）干燥曲線與干燥速率曲線干燥速率：▲

恒定干燥條件空氣的狀態(tài)恒定及與濕物料的接觸狀態(tài)不變。少量濕物料與大量濕空氣相接觸。恒定干燥條件下的干燥過程一般是間歇操作過程▲

干燥曲線及干燥速率曲線干燥曲線：

X

~

τ關系。干燥速率曲線：

R

~ X之間的關系注意：干燥曲線或干燥速率曲線是在恒定的空氣條件下獲得的，對指定的物料，空氣的溫度、濕度不同，速率曲線的位置也不同。曲線分析：AB（或A′B）段：A點代表時間為零時的情況,AB為濕 物料不穩(wěn)定的加熱過程。BC段：干燥速率保持恒定，稱為恒速干燥階段。C

點：由恒速階段轉為降速階段的點稱為臨界點，所對 應濕物料的含水量稱為臨界含水量，用Xc表示。

CDE

段

：隨著物料含水量的減少，干燥速率CDE段稱為降速干燥階段。不同類型物料結構不同，降速階段速率曲線的形狀也不同。E點：干燥速率為零，X*即為操作條件下平衡含水量。9.4.3濕分在濕物料中的傳遞機理（1）濕物料分類①多孔性物料：如催化劑顆粒，砂子等。主要特征：▲水分存在于物料內部大小不同的細孔和通道中；▲濕分移動主要靠毛細管作用力▲這類物料的臨界含水量較低，降速段一般分為兩個階段。②非多孔性物料，如肥皂、漿糊、骨膠等。主要特征：▲結合水與固相形成了單相溶液▲濕分靠物料內部存在的濕分差以擴散的方式進行遷移▲這類物料的干燥曲線的特點是恒速階段短，臨界含水量較高，降速段為一平滑曲線。（2）液體擴散理論▲主要論點：在降速干燥階段中，濕物料內部的水分不均勻，形成了濃度梯度，使水分由含水量較高的物料內部向含水量較低的表面擴散，然后水分在表面蒸發(fā)，進入干燥介質。▲干燥速率完全決定于物料內部的擴散速率。此時，除了空氣的濕度影響表面上的平衡值外，干燥介質的條件對干燥速率已無影響?！嵌嗫仔詽裎锪系慕邓俑稍镞^程較符合擴散理論。（3）毛細管理論▲主要論點：多孔性物料具有復雜的網狀結構的孔道，水分在多孔性物料中的移動主要依靠毛細管力。多孔性物料的干燥過程較好地符合這一理論。9.5.1干燥過程的物料衡算9.5

干燥過程的設計計算目的：確定濕物料干燥到指定含水量所需除去的水分量及所需的空氣量。qmLqmLQPQLQDqm1,θ1,X1qm2,θ2,X2（1）濕物料的水分蒸發(fā)量qm1,qm2

:

干燥前后濕物料的質量流量，kg/sqmC

:

絕干物料的質量流量，kg/sqmw

:

蒸發(fā)水量，kg/s又（2）空氣用量qmL

:干空氣用量，kg/sH1,H2

:

空氣進、出干燥器的濕度，kg/kg干空氣進入和排出干燥器的濕分相等：kg/sGQDQpI

,H

,t0

0

0I1,H1,t1I2,H2,t2qm2,θ2,X2qm1,

θ1,X1

QLqmLqmL干空氣用量：kg/s比空氣消耗量：kg干空氣/kg水換算為濕空氣的質量：kg濕空氣/s換算為濕氣體的體積量：m3濕空氣/s9.5.2干燥過程的熱量衡算及干燥器的熱效率目的：確定干燥器的出口空氣狀態(tài)參數或所需的加熱量。（1）熱量衡算基準：連續(xù)式干燥器的熱量衡算以單位時間為基準，間歇式干燥器以一次干燥周期為基準。qmLqmLQPQLQDqm1,θ1,X1qm2,θ2,X2①全系統(tǒng)的熱量衡算qmLI0+qmCI1′+QP+

Q

D=qmLI2+qmCI2′+

QLQ

=

Qp+

Q

D=qmL（I2-I0）+qmC（I2′-I1′）+

QL代入qmW=qmL(H2-H1)Q

=

Q

p+

QD=1.01qmL（t2-t0）+qmCcm2（θ2-θ1）+

qmW(2490+1.88

t2）

+

QL②預熱器的耗熱量該過程為恒濕增溫過程,忽略熱損失干燥器的熱量收支情況表輸入熱量輸出熱量1

1.

濕物料帶入的熱量干產品帶入：qm2cmθ1蒸發(fā)水分帶入：qmWcwθ11．干產品帶出:qm2cmθ22.

空氣帶入：qmLI1=qmL[(1.01+1.88H1)t1+r0H1]2．空氣帶出:qmLI2=

qmL[(1.01+1.88H2)t2+r0H2]3．干燥器內補充加熱：Φ

D3．干燥器內熱損失：Φ

L表中③干燥器熱量衡算(產品升溫熱量)干燥器的熱量衡算式：令將代入，整理得：I=cHt+r0H不計干燥過程中cH的變化，上式改寫為：或kW/kg水（2）理想干燥過程和非理想干燥過程①理想干燥過程無熱損失不加入補充熱量物料足夠濕潤θ1=

θ2=tW理想干燥過程為等焓過程，近似絕熱飽和過程。干燥器出口空氣狀態(tài)利用圖解法在溫濕圖中直接求得：對于理想干燥過程：BAH

tt0t2

t1H0=H1H2Ct2

=100%H2H0=

H1t0t1②

非理想干燥過程▲非理想干燥過程為非等焓干燥過程▲空氣狀態(tài)不是沿絕熱飽和線變化▲實際的干燥過程大多為非理想干燥過程出口狀態(tài)參數需由下式計算求得③

干燥器的熱效率常用的干燥器的熱效率定義為：干燥過程中，蒸發(fā)水分所消耗的熱量與加入系統(tǒng)的熱量之比。式中Q

T=

Q

P+

Q

D干燥器中空氣所放出熱量全部用來氣化濕物料中水分：干燥器中無補充熱量：QD=0Q

T=

Q

P=qmLcH1（t1-t0）忽略濕比熱容的變化:關于熱效率：表示熱利用程度，但不能以此判別設計或操作的優(yōu)劣。降低空氣出口溫度t2和提高空氣的出口濕度H2，可以減少廢氣帶出的熱量，減少空氣用量，提高熱效率。用熱空氣作干燥介質時，熱效率η=30-60%；應用部分廢氣循環(huán)時，η=50-75%。熱空氣漏出或冷空氣漏入會降低干燥器的熱效率。盡量利用廢氣中的熱量，如用廢氣預熱冷空氣或濕物料減少設備和管道的熱損失，有助于熱效率的提高。9.5.3干燥時間的計算（1）恒定干燥條件下的干燥時間計算（間歇過程）總的干燥時間：

τ=τ1+τ2a：恒速干燥階段干燥速率R的求取：▲由實驗測定，實驗條件必須與待設計的干燥器條件（如干燥器型式、空氣流速及空氣的狀態(tài)、濕物料的堆積厚度等）相同?！部砂磦髻|或傳熱速率式估算恒速階段的干燥速率R。kH

、h

可由實驗求得?；颍哼m用于：kg/m2h空氣平行流過物料表面：W/m2

oCt=45oC—150

oC空氣垂直流向固體表面：適用于：kg/m2hkH

、h

計算可供參考的經驗式：b：降速階段的干燥時間①積分法求解：干燥曲線已知，將1/

R

對相應的X

值進行標繪，求 得X2-Xc之間的面積，再由上式求得干燥時間τ2。特點：比較準確，但計算較繁，且事先應具有從實驗獲得的與生產條件相仿的干燥速度曲線。②近似計算簡化：當降速段的速率曲線近似以臨界點C與平衡含水量E點的聯線替代降速段曲線時，R與X-X*成正比。計算式：對多孔性物料，符合毛細管理論的干燥過程適宜采用這種方法。③

按擴散理論計算厚度為l的平板，當側面和底面絕熱，干燥只在表面上進行時，在干燥時間較長時，最終含水量為

X2所需降速干燥時間為：上式中的DL為常數，但DL是隨含水量和溫度而變化的，含水量越大，溫度越高，DL越大，計算時應采用實驗所得的平均值。（2）非恒定干燥條件下的干燥時間計算（連續(xù)過程）實際干燥過程，干燥條件不是恒定的。一連續(xù)逆流干燥器物料與空氣的溫度沿流程的分布曲線：Ⅰ區(qū)—預熱區(qū)，可忽略不計Ⅱ區(qū)—干燥的第一階段

Ⅲ區(qū)—干燥的第二階段總干燥時間τ=τ1+τ2a：干燥的第一階段干燥的第一階段，任一截面都可寫出傳遞速率關系：任一微元距離內，空氣與濕物料逆流接觸的時間為dτ，相應的濕度和水分含量的變化為dH與dX，根據物料衡算有：qmcdX=qmLdH若干燥的第一階段為絕熱冷卻過程，kH和Hw均為常數物料衡算：第二階段任一截面和物料出口之間水分的衡算：b：干燥的第二階段干燥速率與自由水分的關系仍可用下式表示：如空氣的狀態(tài)變化可視為絕熱冷卻過程，Hw=const.（3）干燥過程設計參數的確定a：空氣的進口溫度與濕度▲進口溫度：為了強化干燥過程，降低設備成本，應提高空氣的入口溫度。▲進口濕度：空氣的進口濕度愈低，所需的空氣量就愈少。一般情況下，空氣的進口濕度決定于當時當地的大氣狀態(tài)b：空氣出口溫度降低空氣的出口溫度，可減少空氣的消耗量、提高熱效率、降低操作費用?！诓⒘鞑僮髦校话闳怏w出口溫度比固體出口溫度高10~20℃▲在逆流操作中，一般可選100℃作為初步設計值。c：濕物料的出口溫度目前還沒有較精確的計算公式，一般取相似于設計條件下的實驗值，或用經驗式估算。式中

θmax為物料允許的最高溫度。對于細顆?；蛞旱尾⒘鞲稍飼r，濕物料的出口溫度θ2為：9.6

干燥器為滿足生產需要，干燥器應達到以下基本要求：▲適應被干燥物料的多樣性和不同產品規(guī)格要求▲設備的生產能力要高▲能耗的經濟性▲便于操作、控制等。9.6.1

工業(yè)上常用干燥器（1）廂式干燥器（盤架式干燥器）原理：主要是以熱風通過濕物料的表面，達到 干燥目的。1—空氣入口2—空氣出口3—風扇4—電動機5—加熱器6—擋板7—盤架8—移動輪結構：廂式干燥器中的加熱方式有兩種：單級加熱多級加熱具有中間加熱的干燥過程具有廢氣循環(huán)的干燥過程采用廢氣循環(huán)法，優(yōu)點：①可靈活準確地控制干燥介質的溫度、濕度；②干燥推動力比較均勻；③增加氣流速度使得傳熱（傳質）系數增大；④減少熱損失，但干燥速率常有所減小。廂式干燥器的優(yōu)點：構造簡單，設備投資少；適應性強，物料損失小，盤易清洗。尤其適用于需要經常更換產品、小批量物料的干燥廂式干燥器的主要缺點：物料得不到分散，干燥時間長；若物料量大，所需的設備容積也大；工人勞動強度大；熱利用率低；產品質量不均勻。（2）氣流式干燥器結構：兩段式氣流干燥器脈沖式氣流干燥管的一段優(yōu)點：①氣、固間傳遞表面積很大，體積傳質系數很高，干燥速率大。②接觸時間短，熱效率高，氣、固并流操作，可以采用高溫介質，對熱敏性物料的干燥尤為適宜；③由于干燥伴隨著氣力輸送，減少產品的輸送裝置；④氣流干燥器的結構相對簡單，占地面積小，運動部件少，易于維修，成本費用低。缺點：①必須有高效能的粉塵收集裝置，否則尾氣攜帶的粉塵將造成很大的浪費，也會對形成對環(huán)境的污染；②對有毒物質，不易采用這種干