干燥化工工藝

干燥化工工藝第一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日物料的干燥

化工生產(chǎn)中的固體原料、產(chǎn)品或半成品為便于進(jìn)一步的加工、運(yùn)輸、貯存和使用，常常需要將其中所含的濕分（水或有機(jī)溶劑）去除至規(guī)定指標(biāo),這種操作簡(jiǎn)稱為“去濕”?！叭瘛狈椒ㄖ休^為常用的方法是干燥。

①干燥過(guò)程：利用熱能使固體濕物料中的濕分汽化而除去的單元操作。

②干燥過(guò)程的本質(zhì)：被除去的濕分從固相轉(zhuǎn)移到氣相中(固相為被干燥的物料，氣相為干燥介質(zhì))。在去濕過(guò)程中，濕分發(fā)生相變，耗能大、費(fèi)用高,但濕分去除較為徹底。

③干燥過(guò)程分類：按照熱能供給濕物料的方式,干燥可分為以下四種：

傳導(dǎo)干燥、對(duì)流干燥、輻射干燥、介電加熱干燥。

其中，對(duì)流干燥在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛，使用的干燥介質(zhì)多為空氣。

第二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)流干燥①對(duì)流干燥干燥介質(zhì)直接與濕物料接觸，熱能以對(duì)流方式傳遞給物料，產(chǎn)生蒸汽被干燥介質(zhì)帶走。其干燥過(guò)程如圖所示，是一種傳熱和傳質(zhì)同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程。

②典型的對(duì)流干燥流程：

如圖所示，濕空氣經(jīng)加熱后進(jìn)入干燥器，氣流與濕物料直接接觸，沿空氣行程其溫度降低，濕含量增加，廢氣自干燥器另一端排出。第三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日③為確定流程中各設(shè)備，需計(jì)算空氣用量、熱量消耗及干燥時(shí)間等，而這些問(wèn)題均涉及濕空氣的性質(zhì)。為此，以下介紹濕空氣的性質(zhì)。第四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日濕空氣的狀態(tài)參數(shù)

●濕空氣：含有濕分的空氣，是常用的干燥介質(zhì)。通常干燥是在常壓或減壓下進(jìn)行的，因此，可把這種狀態(tài)下的濕空氣作為理想氣體來(lái)處理。

●基準(zhǔn)：干燥過(guò)程中，干空氣的質(zhì)量不變，故干燥計(jì)算以單位質(zhì)量干空氣為基準(zhǔn)。（1）濕度H（濕含量或絕對(duì)濕度）：濕空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量與干空氣質(zhì)量之比。

第五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日第六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日相對(duì)濕度、濕比容、濕比熱、焓相對(duì)濕度φ：當(dāng)總壓一定時(shí),濕空氣中水蒸汽分壓Pv與一定總壓下空氣中水汽分壓可能達(dá)到的最大值之比的百分?jǐn)?shù),稱為相對(duì)濕度?？梢?jiàn)，對(duì)水蒸汽分壓相同，而溫度不同的濕空氣，若溫度愈高，則Ps值愈大，φ值愈小，干燥能力愈大。第七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日單位質(zhì)量干空氣和其所帶的Hkg水蒸汽的體積之和。在壓力為101.3kN/m2時(shí)濕比容vH：濕比容隨其溫度和濕度的增加而增大。濕比熱cH：將1kg干空氣和其所帶的Hkg水蒸氣的溫度升高1℃所需的熱量。在常壓下，式中,Ca-干空氣比熱，其值約為1.01kJ/kg干空氣·℃

Cv-水蒸汽比熱,其值約為1.88kJ/kg干空氣·℃第八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日單位質(zhì)量干空氣的焓和其所帶Hkg水蒸汽的焓之和。故,計(jì)算基準(zhǔn)：0℃時(shí)干空氣與液態(tài)水的焓等于零焓：式中，r0-0℃時(shí)的水蒸汽汽化潛熱，其值為2490kJ/kg。第九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日絕熱飽和過(guò)程中，氣、液兩相最終達(dá)到的平衡溫度稱為絕熱飽和溫度。

①絕熱飽和過(guò)程：不飽和氣體在與外界絕熱的條件下和大量的液體接觸，若時(shí)間足夠長(zhǎng)，使傳熱、傳質(zhì)趨于平衡，則最終氣體被液體蒸汽所飽和，氣體與液體溫度相等，此過(guò)程稱為絕熱飽和過(guò)程。

②計(jì)算式：

以單位質(zhì)量的干空氣為基準(zhǔn),在穩(wěn)態(tài)下對(duì)全塔作熱量衡算,氣體放出的顯熱=液體汽化的潛熱,即絕熱飽和溫度tas：③說(shuō)明：

上式表明,空氣的絕熱飽和溫度tas是空氣濕度H和溫度t的函數(shù),是濕空氣的狀態(tài)參數(shù),也是濕空氣的性質(zhì)。當(dāng)t

、tas已知時(shí),可用上式來(lái)確定空氣的濕度H。第十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日④特別指出：絕熱飽和過(guò)程又可近似當(dāng)作等焓過(guò)程處理。第十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

▲干球溫度：在空氣流中放置一支普通溫度計(jì)，所測(cè)得空氣的溫度為t，相對(duì)于濕球溫度而言，此溫度稱為空氣的干球溫度。

▲濕球溫度：用水潤(rùn)濕紗布包裹溫度計(jì)的感濕球，即成為一濕球溫度計(jì)。將它置于一定溫度和濕度的流動(dòng)的空氣中，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)所測(cè)得的溫度稱為空氣的濕球溫度，以

表示。

①

過(guò)程：當(dāng)不飽和空氣流過(guò)濕球表面時(shí)，由于濕紗布表面的飽和蒸汽壓大于空氣中的水蒸汽分壓，在濕紗布表面和氣體之間存在著濕度差，這一濕度差使?jié)窦啿急砻娴乃制粴饬鲙ё?，水分汽化所需潛熱，首先取自濕紗布的顯熱，使其表面降溫，于是在濕紗布表面與氣流之間又形成了溫度差，這一溫度差將引起空氣向濕紗布傳遞熱量。②

計(jì)算式：當(dāng)單位時(shí)間由空氣向濕紗布傳遞的熱量恰好等于單位時(shí)間自濕紗布表面汽化水分所需的熱量時(shí)，濕紗布表面就達(dá)到一穩(wěn)態(tài)溫度，即濕球溫度。干、濕球溫度第十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日③實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)流速足夠大時(shí)，熱、質(zhì)傳遞均以對(duì)流為主，且kH及α都與空氣速度的0.8次冪成正比，一般在氣速為3.8～10.2m/s的范圍內(nèi),比值α/kH近似為一常數(shù)(對(duì)水蒸汽與空氣的系統(tǒng),α/kH=0.96～1.005)。此時(shí)，濕球溫度為濕空氣溫度t和濕度H的函數(shù)。注意：◆濕球溫度不是狀態(tài)函數(shù)?！粼跍y(cè)量濕球溫度時(shí)，空氣速度一般需大于5m/s，使對(duì)流傳熱起主要作用，相應(yīng)減少熱輻射和傳導(dǎo)的影響，使測(cè)量較為精確。

第十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

空氣在濕度H不變、亦即蒸汽壓

不變的情況下，冷卻達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)。露點(diǎn)td

：①根據(jù)定義：式中，pd

為露點(diǎn)td

時(shí)飽和蒸汽壓,也就是該空氣在初始狀態(tài)下的水蒸汽分壓Pv。

②計(jì)算td第十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日計(jì)算得到pd

，查其相對(duì)應(yīng)的飽和溫度，即為該濕含量H和總壓P時(shí)的露點(diǎn)td

③同樣地，由露點(diǎn)td

和總壓P可確定濕含量H第十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日第十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日濕空氣的溫濕圖(t-H圖)

為了便于計(jì)算，將空氣各種性質(zhì)標(biāo)繪在濕度圖中。

濕度圖的形式：常用的有

一般常用的濕度圖都是針對(duì)一定的總壓而繪制的。如圖9.2.3所示為在總壓P=101.3kPa下繪制的溫度-濕度圖（低溫部分）。

（1）等溫度線（等t線）：為一系列平行于縱軸的直線；

（2）等濕度線（等H線）：為一系列平行于橫軸的直線；

（3）等相對(duì)濕度線（等φ線）：根據(jù)式第十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)總壓一定時(shí)，如果φ為某一固定值，因PS僅與溫度有關(guān)，故任取一溫度t值，即可求得相應(yīng)的H值，將若干個(gè)（t，H）點(diǎn)聯(lián)接起來(lái)，即為一條等Ф

線。對(duì)不同的值，可以得出一系列Ф曲線。

（4）絕熱飽和(冷卻)線：根據(jù)式

對(duì)于一確定的tas值，Hasras也為一已知數(shù)而CH

=1.01+1.88H，于是，任取一H值，可求得相應(yīng)的t值，將若干個(gè)（t，H）點(diǎn)聯(lián)接起來(lái)，可得到等tas線，即為絕熱飽和線（或稱絕熱冷卻線）。第十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日第十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日（5）濕比熱線：按定義cH=1.01+1.88H，濕比熱cH為濕度H的直線函數(shù)，在圖的左側(cè)繪制出了cH-H線。（6）比容線：干空氣比容在圖中以va為縱坐標(biāo)繪出了va

-t線。飽和比容第二十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日飽和蒸汽壓ps為溫度t的函數(shù)，故在圖中繪出vHs-t線。對(duì)不同濕度H下的比容，又可繪出在干比容與飽和比容線之間的一系列直線。第二十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日濕度圖的應(yīng)用（1）濕空氣的性質(zhì)參數(shù)的確定（2）濕空氣狀態(tài)變化過(guò)程的圖示第二十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日水分在氣、固之間的平衡及干燥平衡曲線

●濕物料含水量的表示方法濕基含水量w：

干基含水量X

●平衡含水量：若氣、固間有足夠長(zhǎng)時(shí)間的接觸，使水分的傳遞達(dá)到平衡，則固體物料的含水量最終將保持某一定值。這個(gè)含水量稱為該物料在這一空氣狀態(tài)下的平衡含水量。此時(shí)，濕物料表面的蒸汽壓稱為該含水量下的平衡蒸汽壓。第二十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日干燥平衡曲線不同的物料有不同的平衡含水量。因此，濕物料的平衡含水量通常都針對(duì)某種濕物料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定的。其表達(dá)形式有兩種：

①p-x*

（或p*

-X）線：圖示的曲線，表示一定溫度下水分在氣、固間達(dá)到平衡時(shí)，濕空氣中的水汽分壓p與濕物料的平衡含水量

x*

之間的關(guān)系，亦即濕物料的含水量X與平衡蒸汽壓p*之間的關(guān)系，常稱為平衡曲線。

第二十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日②φ-X線

同一種類物料的p*

-X平衡曲線和溫度有關(guān)，然而，如果用相對(duì)濕度φ=p/ps

對(duì)X作圖，則同種物料在不同溫度下的平衡曲線變化較小。某些物料在室溫下的φ-X平衡曲線如圖所示。注意：在同樣的氣體條件下，物料由脫濕達(dá)到平衡或由增濕達(dá)到平衡時(shí)，由于過(guò)程方向不同，有可能得到不同的平衡含水量。因此，有吸濕平衡線和脫濕平衡線。第二十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日①自由水分與平衡水分

◆自由水分：濕物料中大于平衡含水量，有可能被該濕空氣干燥除去的那部分水分；

◆平衡水分：等于或小于平衡含水量，無(wú)法用相應(yīng)空氣所干燥的那部分水分。②結(jié)合水分與非結(jié)合水分

◆結(jié)合水分：凡濕物料的含水量小于Xs的那部分水分稱為結(jié)合水分。此時(shí),其蒸汽壓都小于同溫度下純水的飽和蒸汽壓。結(jié)合水分包括濕物料中存在于細(xì)胞壁內(nèi)的和毛細(xì)管內(nèi)的水分，固、液間結(jié)合力較強(qiáng)。

◆非結(jié)合水分：含水量超過(guò)Xs的那部分水分稱為非結(jié)合水分。此時(shí)，濕物料中的水分的蒸汽壓等于同溫度下純水的飽和蒸汽壓。非結(jié)合水分包括濕物料表面上附著水分和大孔隙中的水分，結(jié)合力較弱。第二十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日第二十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日③兩種分類方法的不同：

平衡水分與自由水分，結(jié)合水分與非結(jié)合水分是兩種概念不同的區(qū)分方法。

●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(guān)外，還決定于空氣的狀態(tài)。

●非結(jié)合水分是在干燥中容易除去的水分，而結(jié)合水分較難除去。是結(jié)合水還是非結(jié)合水僅決定于固體物料本身的性質(zhì)，與空氣狀態(tài)無(wú)關(guān)。

第二十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日①確定過(guò)程進(jìn)行的方向

含水量為X的濕物料與一定溫度下水汽分壓為p的濕空氣相接觸時(shí)，可在干燥平衡曲線上找到與該濕空氣相對(duì)應(yīng)的平衡含水量X*

，比較濕物料的含水量X與平衡含水量X*

的大小.

◆若物料含水量X高于平衡含水量X*

，則物料脫水而被干燥；

◆若物料的含水量X低于平衡含水量X*

，物料將吸水而增濕。

②確定過(guò)程的推動(dòng)力

◆干燥推動(dòng)力：◆吸濕推動(dòng)力：

干燥推動(dòng)力更為常用的是濕度差。

③確定在給定干燥介質(zhì)的條件下，干燥后物料的最低含水量

◆干燥平衡曲線可確定給定干燥介質(zhì)條件下的平衡含水量

，則

為在該干燥條件下，物料含水量的最低極限；◆干燥平衡曲線也可確定達(dá)到一定干燥要求，干燥介質(zhì)的最高濕含量，從而，確定該干燥過(guò)程所需的干燥介質(zhì)。平衡曲線的應(yīng)用A、B點(diǎn)C點(diǎn)第二十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日④確定濕物料的結(jié)合水量和非結(jié)合含水量，從而判斷過(guò)程中多少水分易于除去，多少水分難以除去。

如圖所示，曲線在Pv=Ps(Ps為該溫度下的飽和蒸汽壓)時(shí)的平衡含水量為Xs，對(duì)于含水量為X>Xs的樣品來(lái)說(shuō),除含有Xs的結(jié)合水以外，還含有非結(jié)合水X-Xs。第三十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日恒定干燥

恒定干燥條件：指干燥過(guò)程中空氣的濕度、溫度、速度以及與濕物料的接觸狀況都不變。干燥操作過(guò)程的設(shè)計(jì)，通常需計(jì)算所需干燥器的尺寸及完成一定的干燥任務(wù)所需的干燥時(shí)間，這都決定于干燥速率。而干燥速率，不僅決定于濕物料的性質(zhì)，而且還決定于干燥介質(zhì)的條件：包括溫度、濕度、速度及流動(dòng)的狀態(tài)。第三十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)干燥

干燥操作可以是連續(xù)操作，也可以是間歇操作。

①穩(wěn)態(tài)干燥過(guò)程：連續(xù)操作為穩(wěn)態(tài)干燥過(guò)程，濕物料的加入和干產(chǎn)品的排出是連續(xù)進(jìn)行的，設(shè)備中各點(diǎn)的操作參數(shù)不隨時(shí)間改變。

②非穩(wěn)態(tài)干燥過(guò)程：間歇操作是非穩(wěn)態(tài)的，濕物料一次成批加入，干燥完后一次排出，即使在恒定干燥條件下，干燥介質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)維持不變，但濕物料的溫度、濕含量、質(zhì)量等參數(shù)是隨時(shí)間改變的。

在干燥速率的計(jì)算中，常采用絕干物料的質(zhì)量Gc為計(jì)算基準(zhǔn)，對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，其單位為kg/s,對(duì)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，其單位為質(zhì)量kg。第三十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日干燥曲線與干燥速率曲線

①干燥曲線：由間歇操作實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，以時(shí)間τ對(duì)干基含水量X作圖,得到如圖所示的物料濕含量X隨時(shí)間的變化曲線，稱為干燥曲線。

第三十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日②干燥速率曲線：將干燥速率對(duì)物料濕含量作圖得到的曲線，稱為干燥速率曲線,如圖所示。圖中橫座標(biāo)為干基含水量X,縱座標(biāo)為干燥速率R，即單位時(shí)間內(nèi)在單位表面積上汽化的水分質(zhì)量,其表達(dá)式為：

不穩(wěn)定的加熱過(guò)程恒速干燥階段臨界含水量Xc降速干燥階段平衡含水量X*第三十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日濕分在濕物料中的傳遞機(jī)理

液體擴(kuò)散理論主要論點(diǎn)：

▲在降速干燥階段中，濕物料內(nèi)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(nèi)部向含水量較低的表面擴(kuò)散，然后水分在表面蒸發(fā)，進(jìn)入干燥介質(zhì)?！稍锼俾释耆珱Q定于物料內(nèi)部的擴(kuò)散速率。此時(shí)，除了空氣的濕度影響表面上的平衡值外，干燥介質(zhì)的條件對(duì)干燥速率已無(wú)影響。

毛細(xì)管理論主要論點(diǎn)：

▲多孔性物料具有復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔道，水分在多孔性物料中的移動(dòng)主要依靠毛細(xì)管力。第三十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日基本干燥過(guò)程計(jì)算

干燥過(guò)程的物料衡算

第三十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日▲目的：確定出濕物料干燥到指定的含水量所需除去的