化工原理之固體干燥概述課件

第七章 固體干燥第一節(jié) 概述第二節(jié) 濕空氣的性質(zhì)與濕度圖第三節(jié) 干燥過(guò)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第五節(jié) 干燥設(shè)備9/16/20231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(guò)程的傳熱與傳質(zhì)9/16/20232去濕:濕分從物料中去除的過(guò)程。去濕目的:1）工藝要求；2）貯存；3）運(yùn)輸。去濕的方法:機(jī)械去濕物理去濕加熱去濕（干燥）一、 固體物料去濕方法9/16/20233二、 濕物料的干燥方法（1）熱傳導(dǎo)干燥法對(duì)流傳熱干燥法紅外線輻射干燥法微波加熱干燥法冷凍干燥法干燥過(guò)程的分類：常壓干燥真空干燥按操作壓力分9/25/20234連續(xù)式間歇式傳導(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操作方式分按供熱方式分9/25/20235傳熱、傳質(zhì)同時(shí)，但方向相反；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(guò)程的傳熱與傳質(zhì)δHtQWtippiδM干燥過(guò)程進(jìn)行必要條件：物料表面水汽壓力大于干燥介質(zhì) 中水汽分壓；干燥介質(zhì)要將汽化的水分及時(shí)帶走。9/25/202369/25/20237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)用一、 濕空氣的性質(zhì)（一）濕空氣中濕含量的表示方法濕空氣中水汽分壓pV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)。9/25/202383.

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)。9/25/20239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↑。9/25/202310（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。9/25/202311P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I9/25/202312[kJ/kg干氣]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1.

干球溫度t

t：是用普通溫度計(jì)測(cè)得的濕空氣的真實(shí)溫度。9/25/202313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。3.

濕球溫度twtw:

濕球溫度計(jì)在空氣中所達(dá)到的平衡或穩(wěn)定的溫度。2.

露點(diǎn)td氣流ttw9/25/202314濕球溫度計(jì)工作原理討論：1）α、kH∝u0.8，α與kH之比與物性有關(guān)?？諝狻到y(tǒng)，u

>5m/s

：物系一定，QN對(duì)流傳熱αkH對(duì)流傳質(zhì)氣體t,

H氣膜液滴表面

tw

,Hw9/25/2023159/25/202316飽和空氣：tw=t；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。空氣變化過(guò)程：1）t↓；2)H↑；3）I不變。9/25/202317tw

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

：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。tw

與tas

數(shù)值上的差異取決于α/kH

與cH兩者之間的差別。，空氣—水體系：空氣—甲苯體系：>，tw

>

tas9/25/202318

當(dāng)空氣為不飽和狀態(tài)：t

>tw

(tas)>td；當(dāng)空氣為飽和狀態(tài)：t

=tw

(tas)=td。二、濕空氣的焓濕圖及其應(yīng)用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)。9/25/202319（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9/25/202320（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

℃，φ=60%求：H、td、tasAt=30CD等焓線tH=0.016kg/kg干氣9/25/202321as=23td=21例2

已知t、

tW

，定狀態(tài)。9/25/202322A例3

已知t、

td

，定狀態(tài)。tdA9/25/2023239/25/202324第三節(jié) 干燥過(guò)程的物料衡算和熱量衡算一、干燥過(guò)程的物料衡算二、干燥過(guò)程的熱量衡算（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(guò)程的物料衡算（2）干基含水量X[kg水/kg干物料]9/25/202325（3）兩者關(guān)系（二） 物料衡算（1）干燥產(chǎn)品流量L2濕物料L

,

w1

1干燥產(chǎn)品L2,

w2熱空氣G,H1濕廢氣體G,H2（2）水分蒸發(fā)量W9/25/202326（3）空氣消耗量9/25/202327二、干燥過(guò)程的熱量衡算濕物料L1,

X1

,

θ1,

I1’熱氣體G,H1,

t1,

I1濕廢氣體G,H2,

t2,

I2濕氣體G,H0,

t0,

I09/25/202328QpQD干燥產(chǎn)品L2,

X2

,

θ2,

I2’QL預(yù)熱器干燥器（1）預(yù)熱器的加熱量（2）干燥器的熱量衡算9/25/2023299/25/202330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)間一、物料的干燥實(shí)驗(yàn)曲線（一）干燥實(shí)驗(yàn)曲線濕含量XXctwDCBACA

BDX*t物料表面溫度θ干燥時(shí)間τ預(yù)熱段恒速段降速段恒定干燥條件：空氣溫度濕度流速與物料接觸狀況干燥曲線：X、θ與τ

的關(guān)系曲線。9/25/2023319/25/202332預(yù)熱段：物料升溫，X變化不大。恒速干燥段：物料溫度恒定在tw，X~τ

呈直線，氣體傳給物料熱量全部用于濕份汽化。降速干燥段

：物料開(kāi)始升溫，

X

變化減慢，氣傳給物料的熱量?jī)H部分用于濕份汽化，其余用于物料升溫，當(dāng)X=X*

，θ=t。（二）干燥過(guò)程的三階段二、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9/25/2023339/25/202334（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(wú)結(jié)合力，pw＝ps。9/25/202335注意：

1）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(wú)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。3）X低，φ高，可能吸濕。三、恒定干燥條件下的干燥速率與干燥時(shí)間（一）間歇干燥過(guò)程和干燥速率曲線干燥速率:單位時(shí)間、單位干燥面積汽化水分量。[kg水/m2?s]9/25/202336ABC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9/25/202337（二）恒速干燥階段物料表面濕潤(rùn)，X>Xc，汽化的是非結(jié)合水分。[kg水/m2?s]——恒速干燥速率9/25/202338恒速干燥特點(diǎn)：1.

u＝uC＝const.物料表面溫度為tw；去除的水分為非結(jié)合水分；uC——干燥條件決定，表面汽化控制；影響u的主要因素：t、H、u、空氣與物料接觸方式恒速階段干燥時(shí)間計(jì)算uC的來(lái)源：

（1）由干燥速率曲線查得9/25/202339（三）降速階段影響u的因素：實(shí)際汽化表面減?。–D，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。降速階段干燥時(shí)間計(jì)算9/25/202340方法：（1）圖解積分法（2）解析計(jì)算法X*XCuCX29/25/202341當(dāng)X*=0時(shí)，總干燥時(shí)間：9/25/2023429/25/202343（四）臨界含水量XC吸水性強(qiáng)的物料XC>吸水性弱的物料XC物料層越薄、分散越細(xì)，XC

越低干燥條件：t↑,H↓,u↑。uC

越大，XC

越高。X9/25/202344第五節(jié) 干燥設(shè)備一、 常用對(duì)流干燥器簡(jiǎn)介二、 干燥的選用一、常用對(duì)流干燥器簡(jiǎn)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(guò)物料表面，離開(kāi)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)。9/25/2023459/25/202346優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)，設(shè)備體積大。9/25/202347（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(chǎng)合宜采用并流干燥。特點(diǎn):(1)

機(jī)械化程度較高，生產(chǎn)能力較大；9/25/202348干燥介質(zhì)通過(guò)轉(zhuǎn)筒的阻力較?。粚?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；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；設(shè)備投資高，占地面積大。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有轉(zhuǎn)筒干燥器的直徑一般為

0.5-3m ，長(zhǎng)度為

2-27

m

，長(zhǎng)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。（三）流化床干燥器加料口加入，熱氣體穿過(guò)

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9/25/202349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(guó)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(chǎng)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。主要問(wèn)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)。9/25/202350多層流化床干燥器9/25/202351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(guò)。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。（四）氣流干燥器特點(diǎn)：

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。

并流，使用高溫氣體作為干燥介質(zhì)不會(huì)燒壞物料。

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。

物料呈活塞流流動(dòng)，干燥產(chǎn)品濕含量均勻。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，占地面積小，操作方便，性能穩(wěn)定，維修量小。9/25/2023529/25/202353問(wèn)題：

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；

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；

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；

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；

氣體通過(guò)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。（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30~60

μm，每升料液100~600m

2

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。