第七章 固體干燥(化工原理王志魁版)

第七章固體干燥第一節(jié)概述第二節(jié)濕空氣的性質(zhì)與濕度圖第五節(jié)干燥設(shè)備第三節(jié)干燥過程的物料衡算和熱量衡算第四節(jié)物料的平衡含水量與干燥速率5/10/20231第一節(jié)概述一、固體物料去濕方法二、濕物料的干燥方法三、對(duì)流干燥過程的傳熱與傳質(zhì)5/10/20232去濕:濕分從物料中去除的過程。去濕的方法:機(jī)械去濕去濕目的:1）工藝要求；2）貯存；3）運(yùn)輸。物理去濕加熱去濕（干燥）一、固體物料去濕方法二、濕物料的干燥方法（1）熱傳導(dǎo)干燥法5/10/20233（2）對(duì)流傳熱干燥法（3）紅外線輻射干燥法（4）微波加熱干燥法（5）冷凍干燥法干燥過程的分類：常壓干燥真空干燥按操作壓力分5/10/20234連續(xù)式間歇式按操作方式分傳導(dǎo)干燥（間接加熱干燥）對(duì)流干燥（直接加熱干燥）輻射干燥介電加熱干燥按供熱方式分5/10/202351.傳熱、傳質(zhì)同時(shí)，但方向相反；2.介質(zhì)是熱載體，有是濕載體。1-鼓風(fēng)機(jī)；2-預(yù)熱器；3-氣流干燥管；4-加料斗；5-螺旋加料器；6-旋風(fēng)分離器；7-卸料閥；8-引風(fēng)機(jī)。三、對(duì)流干燥過程的傳熱與傳質(zhì)HtQWtippiM干燥過程進(jìn)行必要條件：1.物料表面水汽壓力大于干燥介質(zhì)中水汽分壓；2.干燥介質(zhì)要將汽化的水分及時(shí)帶走。5/10/20236第二節(jié)濕空氣的性質(zhì)與濕度圖一、濕空氣的性質(zhì)二、濕空氣的濕度圖及其應(yīng)用5/10/20237一、濕空氣的性質(zhì)（一）濕空氣中濕含量的表示方法1.濕空氣中水汽分壓pV2.相對(duì)濕度φ定義：一定T、P，pV與同溫度下pS之比的百分?jǐn)?shù)。5/10/202383.濕度（濕含量）H定義：1kg干空氣所攜帶的水汽質(zhì)量。H

=Kg水汽Kg干空氣=nVMVng

Mg=18.02nV28.95ng飽和空氣，pV=ps，φ=1，不可作為干燥介質(zhì)；不飽和空氣，pV<ps，φ<1，可作為干燥介質(zhì)。5/10/20239當(dāng)P為一定值時(shí)，pV=ps時(shí)，H=Hs即：H與φ的關(guān)系：H表示空氣中水汽含量的絕對(duì)值，而φ反映濕空氣水氣含量的相對(duì)大小，不飽和程度，吸收水汽的能力，φ

↓→能力↑。5/10/202310（二）濕空氣的比體積、比熱容和焓1.濕空氣的比體積υH [m3濕空氣/kg干氣]定義：1kg絕干空氣為基準(zhǔn)，濕空氣的總體積。5/10/202311P一定，2.濕空氣的比熱容cH定義：在常壓下，將1kg干空氣和其所帶有的Hkg水汽升高溫度1K所需的熱量。[kJ/kg干氣?K]3.濕空氣的焓I [kJ/kg干氣]5/10/202312定義：濕空氣的焓為干空氣的焓與水汽的焓之和。（三）濕空氣的溫度t：是用普通溫度計(jì)測(cè)得的濕空氣的真實(shí)溫度。1.干球溫度t5/10/202313定義：一定壓力，不飽和空氣等濕降溫至飽和的溫度。pS：td下的飽和蒸汽壓。2.露點(diǎn)td

tw:

濕球溫度計(jì)在空氣中所達(dá)到的平衡或穩(wěn)定的溫度。3.濕球溫度tw氣流ttw5/10/202314濕球溫度計(jì)工作原理α、kHu0.8，α與kH之比與物性有關(guān)。討論：1）物系一定，空氣—水系統(tǒng)，u5m/s：QN對(duì)流傳熱kH氣體t,H氣膜對(duì)流傳質(zhì)液滴表面tw,Hw5/10/2023152）飽和空氣：tw=t；3）不飽和空氣：tw<t。測(cè)定tw的意義：1）測(cè)定H；2）確定物料表面的溫度。4.絕熱飽和溫度tas定義：空氣絕熱增濕至飽和時(shí)的溫度。5/10/202316空氣變化過程：1）t↓；2)H↑；3）I不變。5/10/202317tw與tas的關(guān)系：tw：大量空氣與少量水接觸，空氣t、H的不變；tas：大量水與一定量空氣接觸，空氣降溫、增濕。

tw

與tas

數(shù)值上的差異取決于α/kH

與cH兩者之間的差別。

tw：傳熱與傳質(zhì)速率均衡結(jié)果，屬動(dòng)平衡；tas：熱量衡算與物料衡算導(dǎo)出，屬靜平衡。

，空氣—水體系：空氣—甲苯體系：，twtas5/10/202318當(dāng)空氣為不飽和狀態(tài)：ttw(tas)td；

當(dāng)空氣為飽和狀態(tài)：t

=tw(tas)=td。P一定，F(xiàn)=2，兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)確定空氣狀態(tài)、性質(zhì)。二、濕空氣的焓濕圖及其應(yīng)用5/10/202319（一）I-H圖的構(gòu)造坐標(biāo)；5根線。等濕線等焓線等溫線等相對(duì)濕度線p-H線5/10/202320（二）焓濕圖的應(yīng)用1.已知兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，定空氣狀態(tài)點(diǎn)，求其它性能參數(shù)例1已知t=30℃，=60%求：H、td、

tast=30AH=0.016kg/kg干氣Dtd=21等焓線Ctas=235/10/202321例2已知t、tW，定狀態(tài)。A5/10/202322例3已知t、td，定狀態(tài)。tdA5/10/202323第三節(jié)干燥過程的物料衡算和熱量衡算一、干燥過程的物料衡算二、干燥過程的熱量衡算5/10/202324（一）物料中含水量表示方法（1）濕基含水量w[kg水/kg濕物料]一、干燥過程的物料衡算（2）干基含水量X[kg水/kg干物料]5/10/202325（3）兩者關(guān)系（二）物料衡算濕物料L1,

w1干燥產(chǎn)品L2,

w2熱空氣G,H1濕廢氣體G,H2（1）干燥產(chǎn)品流量L2（2）水分蒸發(fā)量W5/10/202326（3）空氣消耗量5/10/202327二、干燥過程的熱量衡算濕物料L1,

X1,1,I1’干燥產(chǎn)品L2,

X2,2,I2’熱氣體G,H1,t1,I1濕廢氣體G,H2,t2,I2濕氣體G,H0,t0,I0QpQDQL預(yù)熱器干燥器5/10/202328（1）預(yù)熱器的加熱量（2）干燥器的熱量衡算5/10/202329第四節(jié)物料的平衡含水量一、物料的干燥實(shí)驗(yàn)曲線二、物料的平衡含水量曲線三、恒定干燥條件下的干燥速率與干燥時(shí)間5/10/202330一、物料的干燥實(shí)驗(yàn)曲線（一）干燥實(shí)驗(yàn)曲線A濕含量XXctwDCBADCBtX*物料表面溫度干燥時(shí)間預(yù)熱段恒速段降速段干燥曲線：

X、與的關(guān)系曲線?？諝鉁囟葷穸攘魉倥c物料接觸狀況恒定干燥條件：5/10/2023312.恒速干燥段：物料溫度恒定在tw，X~呈直線，氣體傳給物料熱量全部用于濕份汽化。1.預(yù)熱段：物料升溫，X變化不大。3.降速干燥段：物料開始升溫，X變化減慢，氣體傳給物料的熱量僅部分用于濕份汽化，其余用于物料升溫，當(dāng)X=X*，=t。（二）干燥過程的三階段5/10/202332二、物料的平衡含水量曲線（一）物料的平衡含水量曲線平衡水分（X*）：不能用干燥方法除去的水分。X*=f（物料種類、空氣性質(zhì)）吸水性弱的小5/10/202333（二）自由水分與平衡水分自由水分（X－X*）:可用干燥方法除去的水分。(三)結(jié)合水分與非結(jié)合水分結(jié)合水分——水與物料有結(jié)合力，pw<ps。非結(jié)合水分——水與物料無結(jié)合力，pw＝ps。5/10/2023341）結(jié)合水分與非結(jié)合水分只與物料的性質(zhì)有關(guān)，而與空氣的狀態(tài)無關(guān)，這是與平衡水分的主要區(qū)別。2）平衡水分是指定空氣，干燥的極限，與空氣和物料有關(guān)，且一定是結(jié)合水分。注意：3）X低，φ高，可能吸濕。5/10/202335三、恒定干燥條件下的干燥速率與干燥時(shí)間干燥速率:單位時(shí)間、單位干燥面積汽化水分量。[kg水/m2?s]（一）間歇干燥過程和干燥速率曲線5/10/202336ABC段：恒速干燥階段AB段：預(yù)熱段BC段：恒速段CDE段：降速干燥階段C點(diǎn)：臨界點(diǎn)XC：臨界含水量E點(diǎn)：平衡點(diǎn)X*：平衡水分5/10/202337（二）恒速干燥階段[kg水/m2?s]——恒速干燥速率物料表面濕潤，X>Xc，汽化的是非結(jié)合水分。5/10/202338恒速干燥特點(diǎn)：1.影響u的主要因素：t、H、u、空氣與物料接觸方式1.u＝uC＝const.2.物料表面溫度為tw；3.去除的水分為非結(jié)合水分；4.uC——干燥條件決定，表面汽化控制；uC的來源：（1）

由干燥速率曲線查得2.恒速階段干燥時(shí)間計(jì)算5/10/202339（三）降速階段1.影響u的因素：2.降速階段干燥時(shí)間計(jì)算實(shí)際汽化表面減小（CD，除非結(jié)合、結(jié)合水分）汽化面向內(nèi)部移動(dòng)（DE，除結(jié)合水分）u因素：與物料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀、堆積厚度有關(guān)，與空氣狀態(tài)關(guān)系不大。5/10/202340方法：（1）圖解積分法（2）解析計(jì)算法X*XCuCX25/10/202341總干燥時(shí)間：當(dāng)X*=0時(shí)，5/10/202342（四）臨界含水量XC1.吸水性強(qiáng)的物料XC>吸水性弱的物料

XC2.物料層越薄、分散越細(xì)，XC越低3.干燥條件：t↑,H,u↑。

uC越大，XC越高。X5/10/202343二、干燥的選用第五節(jié)干燥設(shè)備一、常用對(duì)流干燥器簡介5/10/202344一、常用對(duì)流干燥器簡介（一）廂式干燥器(盤架式干燥器)小型的稱為烘箱，大型的稱為烘房，可同時(shí)處理多種物料。通常在常壓或真空下間歇操作。廂內(nèi)設(shè)有支架，濕物料放在矩形淺盤內(nèi)，或懸掛在支架上(板狀物料)，空氣經(jīng)加熱器預(yù)熱并均勻分配后，平行掠過物料表面，離開物料表面的濕廢氣體，部分排空，部分循環(huán)，與新鮮空氣混合后用作干燥介質(zhì)。5/10/202345優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，裝卸靈活、方便，適應(yīng)性強(qiáng)，適用于小批量、多品種物料的干燥；缺點(diǎn)：分散差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，干燥時(shí)間長，設(shè)備體積大。5/10/202346（二）轉(zhuǎn)筒式干燥器

主體:沿軸向裝抄板圓筒,略傾斜，齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；物料由轉(zhuǎn)筒較高一端送，由較低端出，熱風(fēng)由轉(zhuǎn)筒低端入，由高端出，氣固兩相呈逆流接觸；隨著圓筒旋轉(zhuǎn)，物料被炒板抄起然后灑下，改善傳熱傳質(zhì)，提高干燥速率；物料濕含量較低，產(chǎn)品能承受高溫，宜采用逆流干燥。物料濕含量較高、產(chǎn)品濕含量不是很低的場合宜采用并流干燥。5/10/202347特點(diǎn):國內(nèi)現(xiàn)有轉(zhuǎn)筒干燥器的直徑一般為0.5-3m，長度為2-27m，長徑比為4-10，物料在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的裝填量約為筒體容積的8-13%，物料沿轉(zhuǎn)筒軸向前進(jìn)的速度為0.01-0.08m/s，其停留時(shí)間一般為1h左右。(1)機(jī)械化程度較高，生產(chǎn)能力較大；(2)干燥介質(zhì)通過轉(zhuǎn)筒的阻力較小；(3)對(duì)物料的適應(yīng)性較強(qiáng)，操作穩(wěn)定方便，運(yùn)行費(fèi)用較低；(4)裝置比較笨重，金屬耗材多，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，維修量較大；(5)設(shè)備投資高，占地面積大。5/10/202348（三）流化床干燥器加料口加入，熱氣體穿過流化床底部多孔分布板，形成許多小氣流射入物料層。氣速控制，形成沸騰狀流化床。產(chǎn)品經(jīng)床側(cè)出料管卸出，濕廢氣體由引風(fēng)機(jī)從床層頂部抽出排空，旋風(fēng)分離器分離所夾帶少量細(xì)微粉。單層流化床干燥器5/10/202349固體在每一層完全混合，但層與層之間不相混。改善了物料停留時(shí)間的分布，層數(shù)越多，產(chǎn)品濕含量愈均勻。國內(nèi)使用五層流化床干燥滌綸切片，效果很好。氣固兩相逆流流動(dòng)，有利于降低產(chǎn)品的濕含量，且可使熱量的利用更加充分。多層流化床特別適合于產(chǎn)品濕含量較低、冷物料不能承受強(qiáng)烈干燥而干物料可以耐高溫的場合。多層床其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣體的流動(dòng)阻力也較大，因而限制了多層流化床的應(yīng)用。多層流化床干燥器主要問題：控制物料順利流至下一層的量，且不使氣體沿溢流管短路跑掉。在應(yīng)用中常因操作不當(dāng)而不能正常生產(chǎn)。5/10/202350臥式多室流化床干燥器床為矩形截面，用擋板將床分為多個(gè)室，擋板與氣體分布板間有間隙使物料逐室通過。最后一室通入冷空氣。特點(diǎn)：產(chǎn)品含水量均勻；各室氣溫和流量可調(diào)節(jié)，熱量利用充分；物料和氣體錯(cuò)流，流動(dòng)阻力小，動(dòng)力消耗少；最后一室冷卻便于包裝。5/10/202351（四）氣流干燥器特點(diǎn)：(1)干燥速度快，兩傳熱傳質(zhì)面積。熱氣體速度高,相對(duì)速度很大，體積小。(2)并流，使用高溫氣體作為干燥介質(zhì)不會(huì)燒壞物料。(3)時(shí)間短，氣流干燥又稱為快速干燥或閃蒸干燥，特別適合于熱敏性物料干燥。(4)物料呈活塞流流動(dòng)，干燥產(chǎn)品濕含量均勻。(5)結(jié)構(gòu)簡單，投資少，占地面積小，操作方便，性能穩(wěn)定，維修量小。5/10/202352問題：(1)物料停留時(shí)間短，只適合于干燥非結(jié)合水分的干燥，故常被用作物料的預(yù)干燥；(2)顆粒破碎現(xiàn)象比較嚴(yán)重，顆粒之間以及顆粒與器壁之間的碰撞與摩擦。故不適合于干燥晶形不允許破壞的物料；(3)氣固兩相分離任務(wù)很重，固體產(chǎn)品的放空損失較大，粉料排空對(duì)環(huán)境造成一定污染；(4)氣固兩相接觸時(shí)間短，傳熱不充分，氣體放空損失大，熱效率較低；(5)氣體通過干燥系統(tǒng)的流動(dòng)阻力較大，因而風(fēng)機(jī)的動(dòng)力消耗較高，故總能耗較高。5/10/202353（五）噴霧干燥器用于干燥溶液、漿液或懸浮液。液狀物料由霧化器噴成霧狀細(xì)滴并分散于熱氣流中，使水分迅速汽化而獲得微粒狀干燥產(chǎn)品。霧滴直徑為30~60m，每升料液100~600m2的蒸發(fā)面積，需干燥時(shí)間很短（約為5~30s）。特別適合于干燥熱敏性物料，如牛奶、蛋制品、血漿、洗衣粉、抗菌素、酵母和染料等。5/10/202354霧化器氣流式霧化器：壓縮空氣在噴嘴處達(dá)到音速并形成很低的壓力，抽送料液由噴嘴成霧狀噴出?？芍苽淞叫∮?m