第十四章-固體干燥

第十四章固體干燥（Drying）14.1.1固體去濕方法和干燥過程去濕方法從物料中脫除濕分的過程稱為去濕。吸附去濕：加干燥劑：如加石灰、無 水CaCl2、硅膠等。只能 用于小批量去濕。機(jī)械去濕：擠壓、過濾供熱干燥：向物料供熱以汽化其中的 水分。濕分不僅指水分！14.1概述（General）干燥分類傳導(dǎo)干燥：熱傳導(dǎo)，間接干燥輻射干燥：電磁波（紅外線）介電干燥：高頻電場交變（微波）對流干燥：對流傳熱熱能利用較好；物料易局部過熱冷凍干燥：固體升華生產(chǎn)能力強(qiáng)，干燥產(chǎn)物均勻；能耗大干燥迅速，產(chǎn)品均勻而潔凈；成本高

產(chǎn)品的含水量均勻；熱利用率低tθ干燥介質(zhì)（空氣）：載熱體、載濕體干燥過程：物料的去濕（水）過程介質(zhì)的降溫增濕過程固體干燥介質(zhì)p水汽piQN對流干燥過程干燥介質(zhì)

Q濕物料表面

濕物料內(nèi)部（pi>p水汽）濕物料內(nèi)部濕分濕物料表面

干燥介質(zhì)

傳熱過程：Q濕分水分空氣對流干燥是熱、質(zhì)反向傳遞過程（t>θi）傳質(zhì)過程：干燥器預(yù)熱器空氣廢氣14.1.2對流干燥流程及經(jīng)濟(jì)性濕物料干燥產(chǎn)品提高干燥過程的經(jīng)濟(jì)性用機(jī)械方法除去大量水分，比較經(jīng)濟(jì)

廢氣帶走熱量較多、設(shè)備熱損失、物料升溫?zé)岬炔豢杀苊獾哪芎模瑧?yīng)盡量降低這些能耗。14.2

干燥靜力學(xué)（StaticsofDrying）一、空氣狀態(tài)參數(shù)（2）水氣分壓

p水氣（pW）（1）露點

td總壓P一定時，露點溫度下水的飽和蒸汽壓濕空氣等壓等濕降溫，結(jié)露時（達(dá)到飽和）的溫度總壓P及濕度一定時，p水氣=f(td)

，查飽和水蒸氣表14.2.1濕空氣的狀態(tài)參數(shù)（以干基為準(zhǔn)）（3）空氣的濕度（濕含量）H

（humidity）

每kg絕干空氣所帶有的水汽質(zhì)量，（kg水

/kg干氣）空氣總壓（4）相對濕度

（relativehumidity）當(dāng)pS

≤P時，當(dāng)pS

＞P時，同溫度飽和水蒸汽壓空氣總壓P一定，t一定，p水汽（pW）與可能的最大值之比

越小，表明空氣距飽和狀態(tài)越遠(yuǎn)，接納水分能力越大；=1，濕空氣達(dá)到飽和，不能作為干燥介質(zhì)。相對濕度代表濕空氣的不飽和程度；（6）濕球溫度

tW

（wettemperature）P222濕球溫度計測得的溫度。tw水分空氣不飽和水向空氣主體傳遞汽化需要熱量水自身降溫空氣向水傳遞熱量濕球溫度（5）干球溫度

t空氣的真實溫度干球溫度在一定的總壓下，測定t、tw能確定H，并t＞tW對于空氣~水蒸氣系統(tǒng)而言，氣速＞5m/s時：氣相傳質(zhì)系數(shù)tW下空氣飽和濕度tW下水的氣化熱氣體對流傳熱系數(shù)飽和濕空氣，，t=tW。空氣濕度（7）濕空氣的焓

I每

kg絕干空氣及其所帶Hkg水汽所具有的焓。

cpg－干氣比熱容，空氣1.01kJ/(kg℃)cpV－蒸氣比熱容，水汽1.88kJ/(kg℃)r0－0℃時水汽化熱，2500kJ/kg濕比熱容：空氣-水系統(tǒng)：（kJ/kg干空氣）（kJ/kg干空氣）焓的基準(zhǔn)狀態(tài)：空氣以0℃氣體為基準(zhǔn)， 水汽以0℃液體水為基準(zhǔn)。（8）濕空氣的比體積（濕比容）vH

每kg絕干空氣及其所帶的Hkg水汽所具有的總體積，又稱濕比容。（m3/kg干氣）常壓：1kg干空氣體積：

Hkg水汽體積：常壓，t，H，濕空氣比體積（濕比容）：（m3/kg干氣）或空氣t，H空氣tas

，

Has水θ（9）絕熱飽和溫度tas：在絕熱情況下，向空氣中噴水，使空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，出口空氣飽和濕度為Has，此時的空氣溫度稱為絕熱飽和溫度tas

對于空氣—水系統(tǒng)，

tW與tas的比較：相同點：

都不是濕空氣本身的溫度，但又都與t和H有關(guān)；對空氣—水系統(tǒng)，。不同點：①tW：大量空氣少量水tas：大量水

少量空氣②tW時，動態(tài)平衡，存在質(zhì)、熱傳遞tas時，靜態(tài)平衡，沒有質(zhì)、熱傳遞穩(wěn)定t穩(wěn)定t求：（1）濕度H； （2）露點溫度td； （3）焓I； （4）將上述空氣加熱到100℃所需的熱量。 質(zhì)量流量為100kg干/h，以干氣計； （5）送入預(yù)熱器的體積流量為多少m3/h？例：總壓p=1atm，相對濕度0.6，干球溫度30℃。pd=pw=φps=0.6×4242=2545Pa 解：（1）p=1atm，t=30℃t=30℃查水蒸汽表Ps=4242Pa（2）查水蒸汽表得：td=21.4℃（4）預(yù)熱器中加入的熱量：（3）或者：（5）體積流量：二、濕度圖焓-濕度圖（I-H圖）

P一定坐標(biāo)軸五條線等濕線等焓線等溫線等相對濕度線水蒸汽分壓線

當(dāng)P一定時，上述參數(shù)中只要確定兩個獨(dú)立變量即可確定空氣狀態(tài)。濕空氣狀態(tài)參數(shù)：空氣-水系統(tǒng)I-H圖（P238）H（kg水/kg干氣）→00.15等濕線等焓線等溫線水蒸汽分壓線15kPa等相對濕度線100%20%5%100012040I（kJ/kg干氣）→P=100kPaI-H圖的使用等濕線H（kg水/kg干氣）→00.15水蒸汽分壓線等焓線等溫線等相對濕度線100%

已知兩個獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)，在圖中確定狀態(tài)點；

已知圖中狀態(tài)點，能讀出相應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)（8個）。tw1、加熱過程（間壁式加熱器）濕度：H（ｐw）不變溫度：由t1升至t2焓值：由I1升至I2經(jīng)過加熱器后，濕空氣狀態(tài)由A點變化到B點相對濕度：由降至濕空氣相對濕度越低，接納水分能力越強(qiáng)。100%14.2.2濕空氣狀態(tài)的變化過程（I—H圖用法）

加熱或冷卻（至露點前）時，總壓p和水汽分壓pw不變，H不變，空氣沿垂直線變化。2、冷卻過程濕度：H（pw）不變溫度：由t1降至t2焓值：由I1降至I2

由A點變化到C點相對濕度：由升至

由C點變化到D點100%

濕空氣達(dá)到飽和，相對濕度為100%

，此時溫度為露點溫度td；

由D點變化到E點：部分水汽凝結(jié)析出，濕度降低3、絕熱增濕過程（忽略熱損失）溫度：t

濕度：H

不飽和濕空氣+噴少量水霧（水溫低于空氣）相對濕度：焓值：I降至t1

基本不變

升至H1

升至

100%

噴大量水霧，空氣濕度可達(dá)飽和狀態(tài)（Has）；

如果在等焓條件下達(dá)到飽和，此時的空氣溫度稱作絕熱飽和溫度（tas）。絕熱增濕過程接近等焓過程干球溫度t，濕球溫度tW，絕熱飽和溫度tas與露點td對空氣-水系統(tǒng)：溫度（干球溫度）：t濕球溫度：tW絕熱飽和溫度：tas露點溫度：td100%不飽和空氣：飽和空氣：例1：已知濕空氣的干球溫度t=70℃，相對濕度=20%，求濕空氣的濕度H，露點td，濕球溫度tW100%kg水/kg干氣20%4、利用I-H圖查空氣參數(shù)例2：已知干球溫度t=60℃，濕球溫度tW=45℃求：焓I；相對濕度φ

；濕度H；露點溫度td100%kg水/kg干氣φ=40%I=200kJ/kg5、兩股氣流的混合氣流1：V1（kg干氣/s），H1，I1氣流2：V2（kg干氣/s），H2，I2混合為氣流3：V3（kg干氣/s），H3，I3100%杠桿規(guī)則：（C點在A、B的連線上）V1H1I1V2H2I2V3H3I3

在總壓100kPa下將溫度為18℃、濕度為0.006kg/kg干氣的新鮮空氣與部分廢氣混合，然后將混合氣加熱，送入干燥器作為干燥介質(zhì)使用?？刂茝U氣與新鮮空氣的混合比例以使進(jìn)干燥器時氣體的濕度維持在0.065kg/kg干氣。廢氣的排出溫度為58℃，相對濕度70%。例14-2

空氣狀態(tài)變化過程的計算試求：（1）廢氣與新鮮空氣的混合比 （2）混合氣進(jìn)預(yù)熱器的溫度解：（1）查表得t=58℃時飽和水蒸氣壓ps=18.2kPa，廢氣中的水汽分壓為

因空氣加熱是等濕度過程，故以上計算中H即取進(jìn)干燥器的氣體濕度H3。廢氣濕度：

pw=φps=0.70×18.2=12.7kPa混合比：

V1H1+V2H2=（V1+V2）HV1I1+V2I2=(V1+V2)I（2）混合氣溫度：新鮮空氣焓：廢氣的焓：混合氣焓：

混合后C點的溫度：由圖上讀出約為47

℃混合氣溫度：I=(1.01+1.88H)t+2500H圖解法：A點：t=18℃H=0.006B點：t=58℃φ=70%C點：H=0.065量取線段AC、BC的長度混合比為：?A?BC?14.2.3水分在氣固兩相間的平衡1、結(jié)合水：以化學(xué)力或物理化學(xué)力與固體結(jié)合的水

2、非結(jié)合水：固體表面機(jī)械附著的水分形式：結(jié)晶水，毛細(xì)管水，溶解水特點：產(chǎn)生不正常低汽壓，很難除去特點：飽和蒸汽壓等于同溫度純水的飽和蒸汽壓形式：表面附著水分，大空隙間水分

結(jié)合水與非結(jié)合水的劃分取決于物料本身特性、水與物料結(jié)合的方式一、結(jié)合水與非結(jié)合水

根據(jù)物料中水分除去的難易來劃分。二、物料濕含量1、

平衡水分在一定空氣條件下干燥，物料中不能除去的水分X

*2、自由水分（自由含水量）在一定空氣條件下干燥，物料中能夠除去的水分（Xt－X*）影響X*的因素：物料性質(zhì)，空氣狀態(tài)。t↑，

－干基含水量（kg水/kg絕干物料）每kg絕干物料所含水分質(zhì)量三、平衡水分與自由水分X*↓；↓，X

*↓；=0，X

*=0

根據(jù)物料在一定干燥條件下所含水分能否用干燥方法除去來劃分。結(jié)合水分與非結(jié)合水分，平衡水分與自由水分平衡水分一定是結(jié)合水分，非結(jié)合水分一定是自由水分；指定空氣條件下干燥除去的水分，一定是自由水分。結(jié)合水非結(jié)合水平衡水分自由水分相對濕度對流干燥可除去水分平衡水分與自由水分的區(qū)分與空氣狀態(tài)有關(guān)； 而結(jié)合水與非結(jié)合水的區(qū)分與空氣狀態(tài)無關(guān)。課堂練習(xí)２．飽和濕空氣在恒壓下冷卻，溫度由t

降至t’，此時其相對濕度

，濕度

，濕球溫度

，露點

。３．不飽和濕空氣，干球溫度

濕球溫度，露點溫度

濕球溫度。

４．對不飽和濕空氣進(jìn)行加熱，使溫度由t1升至t2，此時其濕球溫度

增大

，相對濕度

減小

，露點

不變

，濕度

不變

。１．已知濕空氣的下列哪兩個參數(shù)，利用I-H圖可以查得其他未知參數(shù)(

)。

A(I，tW)

B(td，H)

C(p，H)

D(tW，t)５．在100kPa下，濕空氣的溫度為295K，相對濕度為

60%，當(dāng)加熱到373K時，下列狀態(tài)參數(shù)將如何變化?濕度

，相對濕度

，濕球溫度

，露點

，焓

。６．以空氣作為濕物料的干燥介質(zhì)，當(dāng)所用空氣的相對濕度較大時，濕物料的平衡水分相應(yīng)

，自由水分相應(yīng)

?！^大較小不變不變↓７．對于被水蒸汽所飽和的空氣，其干球溫度t，濕球溫度tW，絕熱飽和溫度tas，露點溫度td的關(guān)系是：

t

tW

tas

td。＝＝＝８．指出相對濕度、絕熱飽和溫度、露點溫度、濕球溫度中，哪一個參量與空氣的溫度無關(guān)。(

)

A相對濕度B濕球溫度

C絕熱飽和溫度D露點溫度９．①如空氣溫度降低，其濕度肯定不變；②如空氣溫度升高，其濕度肯定不變。則正確的判斷是：

A兩種提法都對B兩種提法都不對

C①對②不對D②對①不對10．若維持不飽和空氣的濕度H不變，提高空氣的干球溫度，則空氣的濕球溫度

，露點

，相對濕度

。(變大，變小，不變，不確定)11．物料中的平衡水分隨空氣溫度升高而(

)。

A增大；B減??；C不變；

D不一定，還與其它因素有關(guān)。12．實際干燥操作中，測定空氣中的水汽分壓的實驗方法是測量

；用

來測量空氣的濕度。干、濕球溫度計露點↑不變↓B14.3干燥速率與干燥過程計算

（DringRateandCalculation）14.3.1物料在定態(tài)條件下的干燥速率干燥速率：(kg/m2.h)or(kg/m2.s)氣固兩相接觸面積物料絕干質(zhì)量因

dW=－GcdX故（14-18）單位時間、單位干燥面積上汽化的水分量一、干燥曲線和干燥速率曲線大量空氣干燥少量物料（條件恒定）實驗條件：NA恒速段AB段很短通常并入BC臨界含水量降速段干燥時間τX物料表面溫度θX1?0?θ1??twX'?ABCXc??預(yù)熱段恒速段?DEX*θ2降速段平衡水分二、恒速干燥階段①物料表面濕潤，除去的均為非結(jié)合水分③物料表面溫度恒定，等于濕球溫度tW④空氣傳給物料的熱量恰好等于水分汽化所需熱量②

恒速段干燥速率由水的表面汽化速度控制，與物料種類無關(guān)恒速干燥階段又稱為表面汽化控制階段三、降速干燥階段①物料表面出現(xiàn)“干區(qū)”，汽化表面減??；②汽化表面內(nèi)移（內(nèi)部遷移控制階段）；③平衡蒸氣壓下降（結(jié)合水分）。四、臨界含水量（臨界水分）XC①恒速干燥階段終了時的含水量；②是恒速段與降速段的分界點；③影響XC的因素：④XC通常由實驗確定，可查有關(guān)手冊；⑤XC對干燥過程影響：XC↑，干燥時間↑與物料本身結(jié)構(gòu)有關(guān)（多孔性，XC↓）與物料分散程度有關(guān)（料層薄，XC↓）與恒速干燥速率有關(guān)（速率小，XC↓）五、干燥速率對物料性狀的影響1、恒速階段：物料表面溫度不變，為濕球溫度tw。 允許采用較高的氣流溫度，以提高干 燥速率和熱的利用率；2、降速階段：表面溫度升高，應(yīng)控制氣體溫度和 干燥速率，避免表面硬化、干裂、 變質(zhì)等。（1）利用實驗測定干燥速率：恒速段干燥速率

（2）利用對流傳熱系數(shù)：對流傳熱系數(shù)，經(jīng)驗公式計算（14-20）14.3.2間歇干燥過程的計算一、恒速階段干燥時間τ1斜率：若：NANA恒總干燥時間：τ=τ1+τ2二、降速階段干燥時間τ2計算NA是變量，即NA

=f(X)（14-31）14.3.4干燥過程的物料衡算與熱量衡算一、物料中含水量的表示方法（kg水/kg絕干物料）（kg水/kg濕物料）計算任務(wù)：干基含水量：濕基含水量：絕干物料量物料中水分量濕物料量物料中水分量產(chǎn)品量；空氣用量；預(yù)熱器加入熱量；干燥器補(bǔ)充熱量；空氣出口狀態(tài)參數(shù)除去的水分量；干基含水量與濕基含水量的換算關(guān)系：OR含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的濕物料產(chǎn)品的含水量為0.05%濕物料的含水量為0.5kg水/(kg干物料)將濕物料由含水20%干燥至1%濕基濕基濕基干基二、物料衡算干燥器V－干空氣流量（kg干空氣/s）H1、H2－空氣進(jìn)、出干燥器的濕度（kg水/kg干空氣）GC－絕干物料流量（kg干物料/s）X1、X2－物料進(jìn)、出干燥器的干基含水量（kg水/kg干物料）G1、G2－進(jìn)、出干燥器的濕物料流量（kg/s）w1、w2－物料進(jìn)、出干燥器的濕基含水量（kg水/kg濕物料）干燥除去的水分量W（kg/s）物料失水空氣得水物料失重干燥器空氣用量絕干空氣用量：（kg干空氣/s）實際空氣用量：（kg/s）干燥的產(chǎn)品量G2（kg/s）初始空氣的濕度三、熱量衡算干燥器預(yù)熱器空氣廢氣1、預(yù)熱器熱量衡算Qp－空氣在預(yù)熱器中獲得的熱量（kW）or（kJ/s）干燥產(chǎn)品(G2)V－干空氣流量（kg干空氣/s）V濕物料(G1)I0、I1－空氣進(jìn)、出預(yù)熱器的焓（kJ/kg干空氣）t0、t1－空氣進(jìn)、出預(yù)熱器的溫度（℃）空氣經(jīng)過預(yù)熱器：故：2、干燥器的熱量衡算Q損－干燥器中的熱損失（kW）cpm－濕物料的比熱容（kJ/kg干物料℃）絕干物料的比熱容（kJ/kg干物料℃）液體的比熱容—水：4.187干燥器預(yù)熱器空氣廢氣V四、理想干燥過程條件：①干燥器中無補(bǔ)充熱量Q補(bǔ)=0；

②忽略干燥器向周圍散失的熱量Q損=0；③物料溫度變化小，氣體傳給物料的熱量全部 用于汽化水分故：理想干燥過程為等焓干燥過程

等焓過程空氣狀態(tài)的變化：等焓線

H

I，t

I

H，t

不變↑↑↓

不變↑↓↑A→B預(yù)熱器B→C干燥器

五、實際干燥過程P252等焓線若：Q補(bǔ)＜GC（cpm2θ2-cpm1θ1）+Q損則：I'2＜I2

反之：I''

2＞I2

干燥器：H'2＜H2H''

2＞H2V''＜VV'＞VBD線BE線例14-5

在常壓下將含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的濕物料以1.58kg/s的速率送入干燥器，干燥產(chǎn)物的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。所用空氣的溫度為20℃、濕度為0.007kg/kg干氣，預(yù)熱溫度為127℃，廢氣出口溫度為82℃，設(shè)為理想干燥過程。試求：（1）空氣用量V； （2）預(yù)熱器的熱負(fù)荷。解：（1）干燥除去的水分：另一種求法：絕對干物料的處理量為：進(jìn)、出干燥器的干基含水量為：氣體進(jìn)干燥器的狀態(tài)為：氣體出干燥器的狀態(tài)為：t2=82℃,I2=I1=147kJ/kg干氣出口氣體的濕度為：空氣用量為：（2）預(yù)熱器的熱負(fù)荷為：注：處理量、濕物料的量多指G1

生產(chǎn)能力、產(chǎn)品量多指G2另一種求法：例：一常壓連續(xù)干燥器，生產(chǎn)能力1000kg/h（以干燥產(chǎn)品計）；物料水分由12%降為3%（均為濕基），物料溫度則由15℃上升到28℃，干物料比熱容為1.3kJ/kg℃；空氣初溫25℃，濕度為0.01kg水/kg干空氣，經(jīng)預(yù)熱器后升溫到70℃，廢氣溫度45℃。假設(shè)空氣在干燥器內(nèi)焓值不變，干燥過程熱損失忽略不計；求：①在I-H圖上畫出空氣狀態(tài)變化過程；

②實際空氣用量（初始狀態(tài)下）；

③干燥器內(nèi)應(yīng)補(bǔ)充的熱量；

④若空氣在干燥器的后續(xù)設(shè)備中溫度下降到20℃，試分析物料是否返潮？解：①

t0=25℃，H0=0.01

t1=70℃，H1=0.01

t2=45℃，H2②空氣用量V’等焓線kg/h氣體進(jìn)入干燥器前狀態(tài)：H1=H0=0.01（kJ/kg干空氣）等焓過程：I2=I1=97（kJ/kg干空氣）（kg水/kg干空氣）H2

可根據(jù)等溫線t2與等焓線I1=I2交點確定，也可根據(jù)公式計算干空氣用量：kg干/h實際空氣用量：kg/h③干燥器補(bǔ)充熱量（kJ/kg.℃）干基含水量（kJ/h）（kW）即此時空氣溫度尚未達(dá)到氣體的露點，不會返潮；

當(dāng)t2=20℃時，水飽和蒸汽壓

ps=2.335（kPa）

t2=45℃時，干燥器出口廢氣水汽分壓

p2④分析物料的返潮情況t2=45℃時，水飽和蒸汽壓ps=9.584（kPa）

（kPa）此時p2>ps，達(dá)到空氣露點，物料可能返潮！

14.3.5干燥過程的熱效率干燥器預(yù)熱器空氣廢氣干燥除去的水分從空氣中獲得的熱量絕干物料升溫從空氣中獲得的熱量干燥系統(tǒng)熱量衡算：干燥過程熱效率：理想干燥過程熱效率：

提高干燥過程熱效率的措施①提高空氣預(yù)熱溫度t1：注意不應(yīng)損害物料質(zhì)量②降低廢氣溫度t2：注意產(chǎn)品返潮，t2-t0>20~50℃③廢氣熱量的利用（循環(huán)）：確定混合氣體狀態(tài)P254課堂練習(xí)：２．在恒速干燥階段中，當(dāng)空氣條件一定，對干燥速率正確的判斷是：(

)

A干燥速率隨物料種類不同而有極大的差異；

B干燥速率隨物料種類不同而有較大的差異；

C各種不同物料的干燥速率實質(zhì)上是相同的；

D不一定。１．恒定的干燥條件是指空氣的

、

、

以及

都不變。

濕度溫度速度與物料接觸的狀況C3．濕空氣在預(yù)熱過程中不變化的參數(shù)是(

)

A焓B相對濕度C露點溫度D濕球溫度C4．同一物料，如恒速段的干燥速率增加，則臨界含水量:(

)。

A減小B不變C增大D不一定C5．同一物料，在一定的干燥速率下，物料愈厚，則臨界含水量(

)。

A愈低B愈高C不變D不一定

B6．干燥介質(zhì)(不飽和濕空氣)經(jīng)預(yù)熱器后濕度

，溫度

。當(dāng)物料在恒定干燥條件下用空氣進(jìn)行恒速干燥時，物料的表面溫度等于

溫度?！蛔儩袂?．若干燥器出口廢氣的溫度

而濕度

可以提高熱效率，但同時會降低干燥速率，這是因為

?！齻髻|(zhì)推動力降低8．空氣溫度為t0，濕度為H0，相對濕度為φ0的濕空氣，經(jīng)預(yù)熱器后，空氣的溫度為t1，濕度