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第十章 干燥11.1 概述干燥是利用热能除去固体物料中湿分（水分或其它液体）的单元操作。在化工、食品、制药、纺织、采矿、农产品加工等行业，常常需要将湿固体物料中的湿分除去，以便于运输、贮藏或达到生产规定的含湿率要求。例如，聚氯乙烯的含水量须低于0.2%，否则在以后的成形加工中会产生气泡，影响塑料制品的品质；药品的含水量太高会影响保质期等。因为干燥是利用热能去湿的操作，能量消耗较多，所以工业生产中湿物料一般都采用先沉降、过滤或离心分离等机械方法去湿，然后再用干燥法去湿而制得合格的产品。 11.1 固体去湿方法和干燥1. 物料的去湿方法化工生产中的固体原料、产品或半成品为便于进一步的加工、运输、贮存和使用，常常需要将其中所含的湿分（水或有机溶剂）去除至规定指标, 这种操作简称为去湿。去湿的方法可分为以下三类：（1）机械去湿当物料带水较多时，可先用离心过滤等机械分离方法以除去大量的水；（2）吸附去湿用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaCl2、硅胶等）与湿物料并存，使物料种的水分相继经气相而转入干燥剂内。（3）供热干燥向物料供热以汽化其中的水分。供热方式又有多种。工业干燥操作多是用热空气或其它高温气体为介质，使之掠过物料表面，介质向物料供热并带走汽化的湿分，此种干燥常称为对流干燥，是本章讨论的主要内容。本章主要讨论以空气为干燥介质、湿分为水的对流干燥过程。2. 对流干燥的特点（1）对流干燥流程：如图11-1所示，湿空气经风机送入预热器，加热到一定温度后送入干燥器与湿物料直接接触，进行传质、传热，最后废气自干燥器另一端排出。 干燥若为连续过程，物料被连续的加入与排出，物料与气流接触可以是并流、逆流或其它方式。若为间歇过程，湿物料被成批放入干燥器内，达到一定的要求后再取出。经预热的高温热空气与低温湿物料接触时，热空气传热给固体物料，若气流的水汽分压低于固体表面水的分压时，水分汽化并进入气相，湿物料内部的水分以液态或水汽的形式扩散至表面，再汽化进入气相，被空气带走。所以，干燥是传热、传质同时进行的过程，但传递方向不同。传热传质方向从气相到固体从固体到气相推动力温度差水汽分压差（2）干燥过程进行的必要条件：湿物料表面水汽压力大于干燥介质水汽分压；干燥介质将汽化的水汽及时带走。为确定干燥过程所需空气用量、热量消耗及干燥时间，而这些问题均与湿空气的性质有关。为此，以下介绍湿空气的性质。11.2 湿空气的性质11.2.1 湿空气的状态参数1空气中水分含量的表示方法 湿空气的状态参数除总压、温度之外，与干燥过程有关的是水分在空气中的含量。根据不同的测量原理，同时考虑计算的方便，水蒸汽在空气中的含量有不同的定义或不同的表示方法。（1）水汽分压与露点空气中的水汽分压直接影响干燥过程的平衡与传质推动力。测定水汽分压的实验方法是测量露点，即在总压不变的条件下将空气与不断降温的冷壁相接触，直至空气在光滑的冷壁表面上析出水雾，此时的冷壁温度称为露点。壁面上析出水雾表明，水汽分压为的湿空气在露点温度下达到饱和状态。因此，测出露点温度便可从手册中查得此温度下的饱和水蒸气压，此即为空气中的水汽分压。显然，在总压一定时，露点与水汽分压之间有一单一函数关系。（2）空气的湿度为便于进行物料衡算，常将水汽分压换算成湿度。空气的湿度定义为每kg干空气所带有的水汽量，单位是kg/kg干气，即式中为总压。（3）相对湿度空气中的水汽分压与一定总压及一定温度下空气中水汽分压可能达到的最大值之比定义为相对湿度，以表示。当总压为101.3kPa时，空气温度低于100时，空气中水分分压的最大值应为同温度下的饱和蒸汽压，故有 （当）当空气温度较高，该温度下的饱和蒸汽压，会大于总压。但因空气的总压也已指定，水汽分压的最大值最多等于总压，故取（当）从相对湿度的定义可知，相对湿度表示了空气中水分含量的相对大小。，表示空气已达饱和状态，不能再接纳任何水分；值愈小，表明空气尚可接纳的水分愈多。（4）湿球温度测量水汽含量的简易方法是测量空气的湿球温度，其原理可见第13章。简言之，湿球温度是大量空气与少量水长期接触后水面的温度，它是空气湿度和干球温度的函数。式中 、分别为气相的传质系数与给热系数；、分别为湿球温度下的湿度与汽化热。对空气-水系统，当被测气流的温度不太高，流速5m/s时，为一常数，其值约为1.09kJ/（kg），故由湿球温度的原理可知，空气的湿球温度总低于干球温度。与差距愈小，表示空气中的水分含量愈接近饱和；对饱和湿空气。2与过程计算有关的参数 上述参数尚不足以满足干燥过程的计算的需要，为此补充定义如下两个参数。（1）湿空气的焓为便于进行过程的热量衡算，定义湿空气的焓为每kg干空气及其所带kg水汽所具有的焓，kJ/kg。焓的基准状态可视为计算方便而定，本章取于气体的焓以0的气体为基准，水汽的焓以0的液态水为基准，故有式中 干气比热容，空气为1.01kJ/（kg）；蒸汽比热容，水汽为1.88 kJ/（kg）；0时水的汽化热，取2500 kJ/（kg）；对空气-水系统有（2）湿空气的比体积当需知气体的体积流量（如选择风机、计算流速）时，常常使用气体的比体积。湿空气的比体积是指1kg干气及所带的kg水汽所含占的总体积，m3/kg。通常条件下，气体比体积可按理想气体定律计算。在常压下1kg干空气的体积为kg水汽的体积为常压下温度为、湿度为的湿空气体积比为 干燥过程中空气的湿度一般并不太大，上式中湿度较小。除有特殊需要时外，用绝干空气的比体积以代替湿空气的比体积所造成的误差并不大。【例11-1】已知湿空气的总压为101.325kPa，相对湿度为50%，干球温度为20。试求：(1) 湿度；(2) 水蒸气分压p; (3) 露点td ；(4) 焓I；(5) 如将500kg/h干空气预热至117，求所需热量Q；(6) 每小时送入他预热器的湿空气体积V解：p=101.325kPa, t=20，由饱和水蒸气表查得，水在20时的饱和蒸汽压为=2.34kPa(1) 湿度H(2) 水蒸气分压pp=0.502.34=1.17kPa(3) 露点露点是空气在湿度H 或水蒸气分压P不变的情况下，冷却达到饱和时的温度。所以可由p=1.17kPa查饱和水蒸气表，得到对应的饱和温度=9(4) 焓II=(1.01+1.88H)t+2492H=(1.01+1.880.00727)20+24920.00727=38.6KJ/Kg干空气(5) 热量QQ =500(1.01+1.880.00727)(117-20)=4966KJ/h=13.8kw(6) 湿空气体积V11.2.2湿空气的湿度图及应用当总压一定时，表明湿空气性质的各项参数，只要规定其中任意两个相互独立的参数，湿空气的状态就被确定。工程上为方便起见，将各参数之间之间的关系制成湿度图。常用的湿度图由湿度温度图(H-t)和焓湿度图(I-H)，本章介绍焓湿度图的构成和应用。1、I-H焓湿图的构成在总压力为101.3Pa情况下，以湿空气的焓为纵坐标，湿度为横坐标所构成的湿度图，称为湿空气的I-H图。为了使各种关系曲线分散开，采用两坐标轴交角为135的斜角坐标系。为了便于读取湿度数据，将横轴上湿度H的数值投影到与纵轴正交的辅助水平轴上。图中共有5种关系曲线，图上任何一点都代表一定温度t和湿度H的湿空气状态。现将图中各种曲线分述如下：(1)等湿线(即等H线)。即等湿线是一组与纵轴平行的直线，在同一根等H线上不同的点都具有相同的温度值，其值在辅助水平轴上读出。(2)等焓线(即等I线)。等焓线是一组与斜轴平行的直线。在同一条等I线上不同的点所代表的湿空气的状态不同，但都具有相同的焓值，其值可以在纵轴上读出。(3)等温线(即等t线)由式I=1.01t+(1.88t+2490)H，当空气的干球温度t不变时，I与H成直线关系，因此在I-H图中对应不同的t，可作出许多条等t线。上式为线性方程，等温线的斜率为(1.88t+2490),是温度的函数，故等温线相互之间是不平行。 (4)等相对湿度线(即等线)等相对湿度线是一组从原点出发的曲线。根据式(9-5) ，可知当总压一定时，对于任意规定的值，上式可简化为H和Ps的关系式，而Ps又是温度的函数，因此对应一个温度t，就可根据水蒸气可查到相应的Ps值计算出相应的湿度，将上述各点(H,t)连接起来，就构成等相对湿度线。根据上述方法，可绘出一系列的等线群。=100%的等线为饱和空气线，此时空气完全被水气所饱和。饱和空气以上 (100%)为不饱和空气区域。当空气的湿度H为一定值时，其温度t越高，则相对湿度值就越低，其吸收水气能力就越强。故湿空气进入干燥器之前，必须先经预热以提高其温度t。目的是除了为提高湿空气的焓值，使其作为载热体外，也是为了降低其相对湿度而提高吸湿力。0时的等线为纵坐标轴。(5)水气分压线该线表示空气的湿度H与空气中水气分压p之间关系曲线.2、I-H图的用法利用I-H图查取湿空气的各项参数非常方便。只要已知表示湿空气性质的各项参数中任意两个在图上有交点的参数，如t-,t-,t-等，就可以在I-H图上定出一个交点，此点即为湿空气的状态点，由此点可查得其它各项参数。若用两个彼此不是独立的参数，如p-H, -p, -H, 则不能确定状态点，因它们都在同一条等I线或等H线上。 11.2.3 湿空气状态的变化过程 （1）加热与冷却过程若不计换热器的流动阻力，湿空气的加热或冷却属等压过程。加热 始态A终态B，因与不变，为等过程，吸收水汽能力；冷却过程 始温为，若终温，则为等过程；若终温，则过程为ADE所示，必有部分水汽凝结为水，空气的湿度降低，每千克绝干空气析出的水分量为（2）绝热增强过程，前已述及等线变化（3）两股气流的混合11.2.4 水分在气固两相间的平衡 （1）水分与物料的结合方式根据水分与物料的结合方式，可分为附着水分 是指湿物料表面的机械附着的水分，它的存在是与液体水相同的。因此，其特征是：在任何温度下，湿物料表面上附着水分的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压，即。毛细管水分 是指湿物料内毛细管中所含的水分。由于物料的毛细管孔道大小不一，孔道在物料表面上开口的大小也各不相同。直径较小的毛细管中的水分，根据物理化学表面现象知识知，由于凹表面曲率的影响，其平衡蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压即，而且水的蒸汽压将随着干燥过程的进行而下降，因为此时已逐渐减少的水分是存留于更小的毛细管中，这类物料称为吸水性物料。溶胀水分 是指物料细胞壁或纤维皮壁内的水分，是物料组成的一部分，其蒸汽压低于同温度下纯水的蒸汽压。化学结合水分 如结晶水等，是靠化学结合力，。这种水分的出去，不属于干燥的范围。（2）结合水分与非结合水分根据物料中水分除去的难和易来划分，可分为结合水分和非结合水分。总水分=结合水分+非结合水分干燥传质推动力可表示为，对一定，易干燥。的水分（附着水分和直径大的毛细管中的水分），大，易干燥除去，称为非结合水分。的水分（溶胀水分和直径小的毛细管中的水分），小，难干燥除去，称为结合水分。（3）平衡蒸汽压曲线一定温度下湿物料的平衡蒸汽压与含水量的关系大致如图所示。物料中只要有非结合水分存在而不论其数量多少其平衡蒸汽压不会变化，总等于纯水的饱和蒸汽压。当含水量减少时，非结合水分不复存在，此后首先除去结合较弱的水，余下的是结合较强的水，因而平衡蒸汽压逐渐下降。结合水分与非结合水分都很难用实验的方法直接测定，但是根据它们的特点，可利用平衡关系外推得到。为此可将上述平衡曲线用另一种形式表示，即以湿空气的相对湿度（）代替平衡蒸汽压作为纵坐标，如图所示。为什么均为结合水分？，平衡为结合水分总水分，结合水分，非结合水分书上图为几种物料的平衡曲线。记住：在一定温度下，物料结合水分与非结合水分的划分只取决于物料本身的特点，而与空气的状态无关。（4）平衡水分与自由水分根据物料在一定的干燥条件下其中所含水分能否用干燥的方法除去来划分，可分为平衡水分和自由水分若将某物料与一定状态的空气（，）接触，当物料表面的平衡蒸汽压（湿空气中的水蒸汽分压）则物料被除去水分进行干燥过程；当，则物料吸收水分进行吸湿过程；当时，则物料中的水分与空气中的水分处于平衡状态，即物料中的水分不再因与空气的时间如何延长而发生变化。此时物料中所含水分称为该物料在一定状态下的平衡水分。平衡水分因物料种类不同而有很大的差别（如图11-11中1.2两种物料的接近零，而3.4、5.6、7几种物料就较高）；同一种物料的平衡水分也因空气状态不同而异（如空气相同但变也变）。由图11-11还可看出，当空气的时，任何物料的平衡水分均等于零，由此可知只有使物料与相对湿度的绝干空气相接触，才有可能获得绝干的物料。若物料与一定相对湿度的空气进行接触，物料中总有一部分水分不能被除去，这部分水分就是平衡水分，因此平衡水分代表物料在一定空气状态下能被干燥的限度。物料中所含的水分大于平衡水分的那部分称为自由水分。自由水分是能用干燥的方法除去的水分。自由水分（能被干燥除去的水分）平衡水分、自由水分的划分不仅与物料的特性有关，而且还取决于空气的状态，即使同一种物料若空气的状态不同，则其平衡水分和自由水分的值也不相同。11.3 干燥过程的物料衡算与焓衡算干燥过程是热、质同时传递的过程。干燥设备设计及选型要以物料衡算、热量衡算、速率关系及平衡关系作为计算手段。11.3.1干燥过程的物料衡算一、湿物料中含水量的表示方法湿物料中的含水量有两种表示方法：1.湿基含水量w：水分在湿物料中的质量百分数，即： 100%2.干基含水量X：湿物料中的水分与绝干物料的质量比，即： kg水/kg绝干物料3.二者关系 干燥过程中，湿物料的质量是变化的，而绝干物料的质量是不变的。因此，用干基含水量进行计算较为方便。二、干燥过程的物料衡算通过对下图所示干燥过程的物料衡算可以求出：水分蒸发量、空气消耗量、干燥产品流量等。干燥器 产品G2, w2, (X2),GL, t1 , H1湿物料G1, w1, (X1),GcL, t2 , H2废气干燥器 产品G2, w2, (X2),GL, t1 , H1湿物料G1, w1, (X1),GcL, t2 , H2废气符号说明：L：绝干空气流量，kg绝干气/h；G1、G2：进、出干燥器的湿物料量，kg湿料/h；G：湿物料中绝干物料量，kg干料/h。1.湿物料的水分蒸发量Wkg水/h 通过干燥器的湿空气中绝干空气量 L是不变的，湿物料中蒸发出的水分被空气带走，故湿物料中水分的减少量等于湿物料中水分汽化量，又等于湿空气中水分增加量。即：所以： W = L(H2-H1) = G(X1-X2)2.干空气用量Lkg干气/h 令 kg干气/kg水称为比空气用量，即每汽化1kg的水所需干空气的量。因为空气在预热器中为等湿加热，所以进预热器时H0H1，因此只与空气的初、终湿度有关，而与路径无关，是状态函数。湿空气用量： kg湿气/h 湿空气体积： m3湿气/h 3.干燥产品的流量进、出干燥器的绝干物料质量守恒：G = G1(1- w1) = G2(1- w2) 或：11.3.2干燥过程焓衡算通过干燥器的焓衡算，可以求得预热器消耗的热量、向干燥器补充的热量、以及干燥过程消耗的总热量。这些内容可作为计算空气预热器和加热器的传热面积、加热剂的用量、干燥器的尺寸或热效率等的依据。一、 焓衡算的基本方程下图为连续干燥过程的热量衡算示意图，其中：I 焓，kJ/kg绝干气； 物料温度，温度为，湿度为H0，焓为的新鲜空气，经加热后的状态为t1、H1、I1，进入干燥器与湿物料接触，增湿降温，离开干燥器时状态为t2、H2、I2，固体物料进、出干燥器的流量为G1、G2，温度为1、2，含水量为X1、X2。通过流程图可知，整个干燥过程需外加热量有两处，预热器内加入热量Qp，干燥器内加入热量Qd。外加总热量QQpQD。将Q折合为汽化1kg水分所需热量2.预热器热量衡算 若忽略热损失，则 kJ/kg水3.干燥器的热量衡算（1）输入量= 1 * GB3 湿物料带入热量式中：干燥后物料比热，kJ/kg湿料：水的比热，kJ/kg水：绝干物料比热，kJ/kg干料= 2 * GB3 空气带入的焓值 = 3 * GB3 干燥器补充的热量 （2）输出量= 1 * GB3 干物料带出焓值 = 2 * GB3 废气带出焓值 = 3 * GB3 热损失 在稳定干燥过程中，输入量等于输出量，干燥器热量衡算式为：11.3.3空气通过干燥器的状态变化 由于空气在干燥器内发生增湿降温变化过程，如何确定废气出口状态，需对不同干燥过程进行分析。1.等焓干燥过程（理想干燥过程、绝热干燥过程）等焓干燥过程是指干燥在绝热情况下进行的，空气在进出干燥器的焓值不变，即I1I2=0。令：则：若为等焓过程，则I1I2，D0。可用求出（H2、I2）。等焓干燥过程有以下两种情况：A.整个干燥过程无热损失、湿物料不升温、干燥器不补充热量、湿物料中汽化水分带入的热量很少。B.干燥过程中湿物料中水分带入的热量及补充的热量刚好与热损失及升温物料所需的热量相抵消。2.实际干燥过程很显然，只有在保温良好的干燥器和湿物料进出干燥器温度相差不大的情况下，才可近似当作等焓过程处理。由于对干燥器的绝热保温很难，因此实际干燥过程是在非绝热情况下进行的，即。（1）当补充的热量大于损失的热量时，。（2）当补充的热量小于损失的热量时，。11.3.4干燥器的热效率干燥器的热效率是干燥器操作性能的一个重要指标。热效率高，表明热的利用程度好，操作费用低，同时可合理利用能源，使产品成本降低。因此，在操作过程中，希望可获得尽可能高的热效率。1.定义2.提高热效率途径（1）当t0，t1一定时， 但因此在设计时规定：t2要比热空气进入干燥器时的湿球温度tw高2050。（2）当t0，t2一定时， 提高空气的预热温度，可提高热效率。空气预热温度高，单位质量干空气携带的热量多，干燥过程所需要的空气量少，废气带走的热量相应减少，故热效率得以提高。但是，空气的预热温度应以湿物料不致在高温下受热破坏为限。对不能经受高温的材料，采用中间加热的方式，即在干燥器内设置一个或多个中间加热器，往往可提高热效率。（3）尽量利用废气中的热量，如用废气预热冷空气或湿物料，减少设备和管道的热损失，都有助于热效率的提高。11.4 干燥过程的物料衡算和热量衡算通常，在干燥过程的计算中，首先要计算干燥过程中的水分蒸发量和空气消耗量和热量，据此进行风机及换热器的选型或设计干燥过程的物料衡算和热量衡算是上述计算的基础一、湿物料中含水量的表示方法 、湿基含水量湿物料中所含水分的质量分率称为湿物料的湿基含水量。 2.干基含水量不含水分的物料通常称为绝对干料。湿物料中的水分的质量与绝对干料质量之比,称为湿物料的干基含水量。 两者的关系为 工业生产中物料含水量常以湿基含水量表示，但由于干燥过程中湿物料的总质量因干燥失出水分而不断减少，而绝干物料的质量不变，因此，干燥计算中，以干基含水量表示较为方便。二、干燥器物料衡算通过干燥系统作物料衡算，可以算出：（1）从物料中除去水分的数量，即水分蒸发量（2）空气的消费量（3）干燥产品的流量。对水分进行物料衡算，则1、水分蒸发量总水分衡算： (8-15) 或： (8-16)式中：单位时间内水分的蒸发量， 单位时间内绝干物料的流量，、分别为空气进、出干燥器时的湿度，kg水kg绝干气；、分别为湿物料进、出干燥器时的干基含水量，kg水kg绝干物料。强调基准与物料必须相匹配即干基必须是干物料。2、 空气消耗量将(8-16)式整理可得：(8-17)式中：单位时间内消耗的绝干空气量，将(8-17)等号两侧均除以得： (8-18)式中：每蒸发水分时，消耗的绝干空气数量，称为单位空气消耗量，如果以表示空气预热前的湿度,而空气经预热器后,其湿度不变,故,则有 (8-19) 由上可见,单位空气消耗量仅与、有关，与路径无关。湿度与气候条件有关,夏季湿度大,消耗的空气量最多,因此在选择输送空气的通风机时,应以全年中最大空气消耗量为依据,通风机的通风量V计算如下： (8-20)单位时间内消耗的绝干空气量，,式中湿度和温度为通风机所在安装位置的空气湿度和温度。3、 干燥产品流量 (8-21)出干燥器的绝干物料=入干燥器的绝干物料式中：绝干物料 物料进干燥器时湿基含水量。 物料离开干燥器时湿基含水量。应指出：干燥产品只是含水少不等于绝干物料，即绝干物料是不含水在干燥器中其质量不变。三、干燥过程的热量衡算通过干燥系统的热量衡算，可以求得：（1）预热器消耗的热量；（2）向干燥器补充的热量；（3）干燥过程消耗的总热量。这些内容可作为计算预热器传热面积、加热介质用量、干燥器尺寸以及干燥系统热效应等计算的依据。干燥系统的热流图如图所示。图中：、分别为湿物料进出干燥器的干基含水量，kg水(kg干料)；、分别为湿空气进入、离开预热器及离开干燥器时的焓，KJkg干气；、分别为湿空气进入、离开预热器及离开干燥器时的湿度，Kg水kg干气；、分别为湿空气进入、离开预热器（即进入干燥器）及离开干燥器时的温度，；绝干空气流量，kg（干气）/s；单位时间内预热器消耗的热量，kw；、分别为湿物料进出干燥器的流量，kg（湿物料）/s；、分别为湿物料进出干燥器的焓，（湿物料）KJkg（干料）；分别为湿物料进入和离开干燥器时温度，单位时间内向干燥器补充的热量，kw；干燥器的热损失，kw。1、预热器的热量衡算若忽略预热器的热损失，以1为基准，对上图预热器列焓衡算，得： (9-22)故单位时间内预热器消耗的热量为： (9-23)2、干燥器的热量衡算再对上图的干燥器列焓衡算，以1为基准，得： (9-24)故单位时间内向干燥器补充的热量为： (9-25)联立(9-23) 、 (9-25)得：故单位时间内向干燥系统补充的总热量为： (9-26)(9-23) 、 (9-25)、(9-26)为连续干燥系统中热量衡算的基本方程式。为了便于分析和应用，将（3）式作如下处理。假设：(1) 新鲜空气中水气的焓等于离开干燥器废气中水气的焓，即：(2) 湿物料进出干燥器时的比热取平均值,可由绝干物料比热及纯水的比热求得：即： 分析上式可知，向干燥系统输入的热量用于：（1）加热空气（2）蒸发水分（3）加热物料（4）热损失。 4、 干燥系统的热效率干燥系统的热效率定义为： 蒸发所需热量为：，水从平均比热为4.178若忽略湿物料中水分代入系统中的焓，上式简化为： 越高表示热利用率愈好，若空气离开干燥器的温度较低，而湿度较高，则水分气化量大，可提高干燥操作的热效率。但空气湿度增加，使物料与空气间的推动力即，一般来说，对于吸水性物料的干燥，空气出口温度应高些，而湿度应低些，即相对湿度要低些。在实际干燥操作中，空气离开干燥器的温度需比进入干燥器时的绝热饱和温度高，这样才能保证在干燥系统后面的设备内不致析出水滴，否则可能使干燥产品返潮，且易造成管路的堵塞和设备材料的腐蚀。在干燥操作中，废气（离开干燥器的空气）中热量的回收对提高干燥操作的热效率有实际意义，此外还应注意干燥设备和管道的保温隔热。11.5 干燥速率与干燥时间通过干燥器的物料衡算及热量衡算可以计算出完成一定干燥任务所需的空气量及热量。但需要多大尺寸的干燥器以及干燥时间长短等问题，则必须通过干燥速率计算方可解决。5.3.1物料中的水分对于物料的去湿过程经历了两步：首先是水分从物料内部迁移至表面，然后再由表面汽化而进入空气主体。故干燥速率不仅取决于空气的性质及干燥操作条件，而且还与物料中所含水分的性质有关。一、平衡水分和自由水分根据物料在一定干燥条件下，其所含水分能否用干燥的方法除去来划分，可分为平衡水分与自由水分。平衡水分：等于或小于平衡含水量，无法用相应空气所干燥的那部分水分。自由水分：湿物料中大于平衡含水量，有可能被该湿空气干燥除去的那部分水分。 二、结合水分和非结合水分根据物料与水分结合力的状况，可分为结合水分和非结合水分。结合水分：凡湿物料的含水量小于Xs的那部分水分称为结合水分。此时, 其蒸汽压都小于同温度下纯水的饱和蒸汽压。非结合水分：含水量超过Xs的那部分水分称为非结合水分。此时，湿物料中的水分的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。两种分类方法的不同：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划分除与物料有关外，还决定于空气的状态。非结合水分是在干燥中容易除去的水分，而结合水分较难除去。是结合水还是非结合水仅决定于固体物料本身的性质，与空气状态无关。5.3.2干燥时间的计算干燥时间计算应先寻求干燥过程中的速率关系。干燥速率的大小直接影响到物料干燥所需要的时间，所以干燥速率是影响干燥操作的重要条件。所谓干燥速率指单位时间、单位干燥面积汽化的水分量。一、干燥曲线与干燥速率曲线某物料在恒定干燥条件下干燥，可用实验方法测定干燥曲线及干燥速率曲线。恒定干燥条件：指干燥过程中空气的湿度、温度、速度以及与湿物料的接触状况都不变。1、干燥曲线2、干燥速率曲线3、曲线分析：AB段：A点代表时间为零时的情况，AB为湿物料不稳定的加热过程，在该过程中，物料的含水量及其表面温度均随时间而变化。物料含水量由初始含水量降至与B点相应的含水量，而温度则由初始温度升高(或降低)至与空气的湿球温度相等的温度。一般该过程的时间很短，在分析干燥过程中常可忽略，将其作为恒速干燥的一部分。BC段：在BC段内干燥速率保持恒定，称为恒速干燥阶段。在该阶段：湿物料表面温度为空气的湿球温度；C点：由恒速阶段转为降速阶段的点称为临界点，所对应湿物料的含水量称为临界含水量，用Xc表示。临界含水量与湿物料的性质及干燥条件有关。CDE段：随着物料含水量的减少，干燥速率下降，CDE段称为降速干燥阶段。干燥速率主要取决于水分在物料内部的迁移速率。不同类型物料结构不同，降速阶段速率曲线的形状不同。 某些湿物料干燥时，干燥曲线的降速段中有一转折点D，把降速段分为第一降速阶段和第二降速阶段。D点称为第二临界点。但也有一些湿物料在干燥时不出现转折点，整个降速阶段形成了一个平滑曲线。降速阶段的干燥速率主要与物料本身的性质、结构、形状、尺寸和堆放厚度有关，而与外部的干燥介质流速关系不大。E点：E点的干燥速率为零，即为操作条件下的平衡含水量。需要指出的是，干燥曲线或干燥速率曲线是在恒定的空气条件下获得的，对指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同。4、恒速干燥阶段的干燥速率 恒速干燥的前提条件：湿物料表面全部润湿。即湿物料水分从物料内部迁移至表面的速率大于水分在表面汽化的速率。若物料最初潮湿，在物料表面附着一层水分，这层水分可认为全部是非结合水分，物料在恒定干燥条件下干燥时，物料表面的状况与湿球温度计湿纱布表面状况相似，物料表面温度q 即为tw。 若维持恒速干燥，必须使物料表面维持润湿状态，水分从湿物料到空气中实际经历两步：首先由物料内部迁移至表面，然后再从表面汽化到空气中。若水分由物料内部迁移至表面的速率大于或等于水分从表面汽化的速率，则物料表面保持完全润湿。由于此阶段汽化的是非结合水分，故恒速干燥阶段的干燥速率的大小取决于物料表面水分的汽化速率。因此，恒速干燥阶段又可称为表面控制阶段。恒定干燥条件下，恒速干燥速率：恒速干燥的特点：（1）U=Uc=const.（2）物料表面温度为tw；（3）在该阶段除去的水分为非结合水分。（4）恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态有关，而与物料的种类无关。5、降速干燥阶段到达临界点以后，即进入降速干燥阶段，此阶段分为两个过程：（1）实际汽化表面减小随着干燥过程的进行，物料内部水分迁移到表面的速率已经小于表面水分的汽化速率。物料表面不能再维持全部润湿，而出现部分“干区”，即实际汽化表面减少。因此，以物料总面积为基准的干燥速率下降。去除的水分为结合、非结合水分。（2）汽化面内移 当物料全部表面都成为干区后，水分的汽化面逐渐向物料内部移动，传热是由空气穿过干料到汽化表面，汽化的水分又从湿表面穿过干料到空气中，降速干燥阶段又称为物料内部迁移控制阶段。显然，固体内部的热、质传递途径加长，阻力加大，造成干燥速率下降。即为图中的DE段，直至平衡水分X*。在此过程，空气传给湿物料的热量大于水分汽化所需要的热量，故物料表面的温度升高。降速干燥阶段特点：（1）随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥速率降低；（2）物料表面温度大于湿球温度；（3）除去的水分为非结合、结合水分；（4）降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、形状及尺寸有关，而与空气状态关系不大。6、临界含水量Xc物料在干燥过程中经历了预热、恒速、降速干燥阶段，用临界含水量Xc加以区分，Xc越大，越早地进入降速阶段，使完成相同的干燥任务所需的时间越长，Xc的大小不仅与干燥速率和时间的计算有关，同时由于影响两个阶段的因素不同，因此确定Xc值对强化干燥过程也有重要意义。对于物料的去湿过程经历了两步：首先是水分从物料内部迁移至表面，然后再由表面汽化而进入空气主体。故干燥速率不仅取决于空气的性质及干燥操作条件，而且还与物料中所含水分的性质有关。二、干燥时间的计算1.恒速段干燥时间：UC的来源：（1）由干燥速率曲线查取；（2）用计算2.降速段干燥时间： 式中U是变量，需由图解积分法获得。3.总干燥时间：11.6 干燥设备5.4.1 干燥器的主要类型 在化工生产中，由于被干燥物料的形状（如块状、粒状、溶液、浆状及膏糊状等）和性质（如耐热性、含水量、分散性、粘性、耐酸碱性、防爆性及湿度等）各不相同；生产规模或生产能力存在很大差别；对于干燥后的产品要求（如含水量、形状、强度及粒度等）也不尽相同，因此，所采用的干燥方法和干燥器的型式也是多种多样的。通常，对干燥器的主要要求为： （1）能保证干燥产品的质量要求，如含水量、强度、形状等。（2）要求干燥速率快、干燥时间短，以减小干燥器的尺寸、降低耗能量，同时还应考虑干燥器的辅助设备的规格和成本，即经济性要好。（3）操作控制方便，劳动条件好。 干燥器通常可按加热的方式来分类，如表111所示。 一、厢式干燥器（盘式干燥器）、厢式干燥器又称室式干燥器，一般小型的称为烘箱，大型的称为烘房。厢式干燥器为间歇式常压干燥设备的典型。厢体四壁用绝热材料制成，以减小热损失。这种干燥器的基本结构如图513所示，系由若干长方形的浅盘组成，被干燥的物料放在浅盘中，一般物料层厚度为 10mm100 mm。新鲜空气由风机3吸人，经加热器5预热后沿挡板 6均匀地进人各层挡板之间，在物料上方掠过而起干燥作用；部分废气经排出管2排出，余下的循环使用，以提高热利用率。废气循环量可以用吸人口或排出口的挡板调节。空气的速度由物料的粒度而定，应使物料不被气流带走为宜，一般为 lms10 ms。这种干燥器的浅盘放在可移动小车的盘架上，使物料的装卸都能在厢外进行，不致占用干燥周期时间，且劳动条件较好。图513厢式（小车式）干燥器 图111 厢式（穿流式）干燥器 干燥颗粒状物料时，可在多孔的浅盘（或网）上铺一薄层物料。气流垂直地通过物料层，以提高干燥速率。这种结构称为穿流厢式干燥器，如图514所示。由图可见，两层物料之间有倾斜的挡板，从一层物料中吹出的湿空气被挡住而不致再吹入另一层。空气通过网孔的速度为0.3 ms1.2ms。 厢式干燥器构造简单，设备投资少，适应性较强，但装卸物料时劳动强度大，设备利用率低，热利用率也低，产品质量不均匀。 厢式干燥器适用于小规模多品种、要求干燥条件变动大及干燥时间长等场合的干燥操作，特别适用于实验室或中间实验干燥装置。 厢式干燥器也可在真空下操作，称为厢式真空干燥器。干燥厢是密封的，干燥时不通人热空气，而是将浅盘架制成空心的结构，加热蒸气从中通过，借传导方式加热物料。操作时用真空泵抽出由物料中蒸出的水气或其他蒸气，以维持干燥器内的真空度。真空干燥适用于处理热敏性、易氧化及易燃烧的物料，或用于排出的蒸气需要回收及防止污染环境的场合 图11.2 洞道式干燥器I一加热器2风扇3一装料车4排气口 厢式干燥器中的浅盘改用小车，即可发展为连续的或半连续的操作，便成为洞道式干燥器，如图5-l5 所示。器身成狭长的通道，内铺铁轨，一系列的小车载着盛于浅盘中或悬挂在架上的物料通过洞道，与热空气边接触边进行干燥。小车可以连续地或间歇地进出洞道。由于洞道干燥器的容积大，小车在器内停留时间长，因此适用于处理那些生产量大、干燥时间长的物料，例如木材、陶瓷等的干燥。干燥介质为加热空气或烟道气，气流速度一般为2 ms3ms或更高。洞道中也可进行中间加热或废气循环操作。 二、带式干燥器 带式干燥器是把物料均匀地铺在带上，带子在前移过程中与干燥介质接触，从而使物料得到干燥。带式干燥器基本上是一个走廊，其内装置带式输送设备，如图516所示。也可在物料运动方向上将走廊分成若干区段，每个区段都装置风机和加热器，根据工艺的不同要求，可以在每个区段采用不同的气流方向（如图中的下吹与上吹）、不同温度和湿度的气体。例如在湿物料区段，所采用的气体速度可以大于干燥产品区段的气体速度。干燥介质可以是热空气，也可以是烟道气，有时也采用过热蒸汽。传送带多为网状，汽流与物料成错流，带子在前移过程中，物料不断地与热空气接触而被干燥。传递带可以是多层的，带宽为1m3m、长为4m50 m，干燥时间为 5 min120 min。由于被干燥物料的性质不同，传送带可用帆布、橡胶、涂胶布或金属丝网制成。 带式干燥器运转时物料翻动少，能保持物料的形状，并可同时干燥多种固体物料；但生产能力及热效率均低，热效率约在40以下。带式干燥器适用于干燥粒状、块状和纤维状的物料。图11-3 带式干燥器三、沸腾床干燥器（又称流化床干燥器） 沸腾床干燥操作又称流化床干燥操作，是固体流态化技术在干燥操作中的应用，所采用的设备称为沸腾床干燥器或流化床干燥器。使颗粒状物料与流动的气体或液体相接触，并在后者作用下粒子相互分离，且作上下、左右、前后的运动，这种类似流体状态以完成某种操作过程的技术称为流态化技术。由于干燥操作的工艺性质，采用的是以气体作介质的固体流态化技术。在理想情况下，流化过程中气体克服因流动阻力而引起的压强降与空塔气速间的关系如图11-4所示。流化过程大致分为如下三个阶段。图11-4 理想情况下的 lgplgu关系线1固定床阶段当低速气体通过由固体颗粒组成的静止床层时，气体只从颗粒的空隙中流过，好像是流过弯曲管道一样，气体克服床层摩擦阻力而引起的压强降p随气速u的加大而增加，如图11-4中AB线段所示。当气速增加至某一定值时，床层压强降恰等于单位截面床层净重力时，气体在垂直方向上给予床层的作用力刚好能将全部床层托起。此时，床层变松并略有膨胀，但固体颗粒仍保持接触而没有流化。2流化床阶段当空塔流速继续增大超过点C时，颗粒就悬浮在气体中，床层高度随气速的加大而增高，但整个床层压强降却保持恒定，仍然等于单位截面积的床层重力。流化床阶段的lgplgu的关系如图11-4中的CD线所示。若降低气体速度，则床层高度、空隙率也随之降低，lgplgu关系沿DC线返回。若继续降低气速，则达到C点后改沿CA线变化，即在相同气速下，AC线的压强降较低，这是因为曾被吹松过的床层有较大的空隙率所致。与C点相应的流速称为临界流化速度，以umf表示，它是最小的流化速度，流化操作时的速度应大于临界流化速度。图11-5 单层圆筒沸腾床干燥器l沸腾室 2进料器 3分布板4加热器 5风机 6旋风分离器3气流输送阶段当空塔气速增大至某一值后，床层上的界面消失，空隙率加大，所有颗粒都悬浮在气流中并被气流带走，即进人了输送阶段。此阶段开始的气流速度称为带出速度或最大流化速度，以umax表示。实际上带出速度就是本教材上册第3章中介绍的粒子自由沉降速度u0，它是流化阶段最大的流速。 图11-4所示的lgplguU关系线是流化过程的理想情况，实际情况较为复杂，且lgplgu的关系线与图 11-4所示的在细节上有些差异，但仍然由上述三个阶段组成。 要使颗粒在流化状态下操作，必须使空塔气速在临界流化速度umf与带出速度umax之间。 图11-5所示为单层圆筒沸腾床干燥器，待干燥的物料加在分布板3上，热空气或其他干燥介质由分布板的下方送人，通过板上的小孔使其均匀地分散并与物料接触。当气速较低时，颗粒固定不动，气体从颗粒间的间隙通过，床层为固定床，干燥情况与图11-1所示的穿流厢式干燥器完全相似。当空塔气速增加后，颗粒开始松动，床层略有膨胀，有时颗粒也会在一定区间变换位置。当气速再增加时，颗粒即悬浮在上升气流中，形成了流化床，气速越大，流化床层越高。 在沸腾床层中，颗粒仅在床层中上下翻动，彼此碰撞和混和，气、固间进行了传热与传质，以达到干燥的目的。当床层膨胀到一定高度时，因床层的空隙率加大而使气速下降，颗粒又重新下落，不致被气流带走。若气速增高到与颗粒的自由沉降速度u0（即带出速度）相等时，颗粒就会从干燥器顶部被吹出，而成为气流输送了。所以沸腾床中的适宜速度应在临界流化速度与带出速度（颗粒自由沉降速度）之间。当固定床层高度为005 m015 m时，对于粒径大于 05 mm的物料，适宜的流化速度取为（0408）u。；对于较小粒径的物料，因颗粒在床层内可能结块，采用上述的速度范围嫌小，一般气速由实验确定。颗粒自由沉降速度ti。的计算可采用上册第3章中介绍的方法。 对于干燥要求较高或要求干燥时间较长的物料，一般可采用多层沸腾床干燥器。图11-6为三层沸腾床干燥器示意图，湿物料加人顶部分布板（即筛板），由溢流管逐层下流的同时物料即被干燥，当其达到最下层分布板时，被由床底进人的冷空气冷却，最后由器底的出料口取走。热空气由上两层分布板下方送人，穿过筛板与物料接触后，携带从物料中蒸出的水分由器顶排走。物料在每层板上互相混合，但层与层间的物料不混合。我国某厂采用五层沸腾床干燥器干燥涤纶切片，效果良好。但是多层沸腾床干燥器的主要问题是，如何定量地控制物料使其转入下层，以及不使热气流沿溢流管短路流动，因此常因操作不当而破坏了沸腾床层。此外，多层结构复杂，流动阻力也较大。图11-6多层圆筒沸腾床干燥器 图11-7卧室多室沸腾床干燥器为了保证物料能均匀地进行干燥，而流动阻力又要不大，可采用如图11-7所示的卧式多室沸腾床干燥器。该沸腾床的横截面为长方