第14章固体干燥.doc

第14章 固体干燥14.1、概述 14.1.1干燥的目的在化工生产中，干燥应用很广，其主要目的是除去固体产物中的湿分，使其便于贮藏、使用或进一步加工。干燥作业的良好与否直接影响产品的使用质量和外观，因此干燥的研究及学习对化工生产过程极为重要。14.1.2固体物料的去湿方 在日常的化工生产中，去除固体物料中湿分的方法有以下几种：（1）机械去湿当物料带水较多，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（物理化学去湿）用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如石灰，CaCl2，硅胶）与湿物料并存使物料中的水分经气相而转入干燥剂内。(3) 供热去湿（对流干燥）向物料供热以汽化其中的水份。本章主要讨论空气为干燥介质、湿分为水的对流干燥简称干燥。 14.1.3干燥过程的特点 (1)干燥是一热质反向传递的过程。传热推动力t=t-,传质推动力p=ps-p水汽,热质传递不仅同时发生，且相互制约。 (2)干燥的必要条件是：空气中水汽分压p水汽湿物料表面水的分压ps，即p0。(3)湿物料中水分汽化所需热量（潜热）是由于干燥介质降温（放出显热）所提供的，即t0。(4)作为干燥介质的热空气，既是载热体，又是载湿体，在干燥过程中空气的状态不断地变化。(5)对流干燥可以是连续过程也可以是间歇过程，但其干燥操作的经济性主要取决于能耗和热的利用率14.1.4干燥流程及其经济性右图是典型的对流干燥示意图，空气经预热器加热至适当温度后，进入干燥器。在干燥器内，气流与湿物料直接接触。沿其行程气体温度降低，湿含量增加，废气自干燥器另一端排出。若为间歇过程，湿物料成批放入干燥器内，待干燥至指定的含湿要求后一次取出。若为连续过程，物料被连续的加入与排出，物料与气流可呈并流，逆流或其它形式的接触。双流干燥流程示意图14.2 固体干燥静力学 干燥静力学考察气固两相接触时过程的方向与极限。14.2.1湿空气的状态参数 湿空气是干空气和水汽的混合物，干燥中常作为理想气体处理。湿空气的状态参数除总压P,温度t之外，与干燥过程有关的还有以下参数：(1)水汽分压与露点td: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上析出水雾，此时冷壁的湿度称为露点。在露点下的饱和水蒸汽压，即为空气中的水气分压。同时水汽分压为P水汽的温空气在露点温度下达到饱和状态。即P水汽与td有一一对应的函数关系。(2)空气的湿度 空气的湿度定义为每千克干空气所带有的水汽量，单位是千克水汽/千克干气。 14-1其中：P为空气总压3)相对湿度 空气中的水气分压p水汽与一定总压及一定温度下空气中水气分压可能达到的最大值之比定义为相对湿度。a,当总压为101.3kpa，空气温度低于100时：14-2b,当空气中的温度较高，该温度下的饱和水蒸汽压Ps将大于空气的总压，此时 14-3 注意：相对湿度反映了湿空气容纳水分能力的大小，当=1时表示空气已达饱和状态，不能再接纳任何水分。越小表示空气能接纳的水分越多。作为干燥介质，必须要小于1(4)湿球温度tw14-4对于空气-水系统来说：14-5对于不饱和空气，tw露点温度td，故A-C为等湿度过程。温度降到D点时，空气达到饱和,对应温度为露点温度td。当低于td时,部分水蒸气凝结为水,湿度H减少，空气的相对湿度为饱和。加热冷却过程图 (2)绝热增湿过程当不计热损失时,大量水与少量空气密切接触,空气给水的显热全部转变为水分汽化的潜热返回空气,此过程称为绝热增湿过程。由于增量I与空气的焓I相比甚小，一般可以忽略而将绝热增湿过程视为等焓过程，如右图AB段所示：若进入设备的水温与出口饱和空气的温度相同，此出口气温称为绝热饱和温度，用tas表示。图 14-9 (3)两股气流的混合衡算公式：总物料衡算：V1+V2=V314-10水分衡算:V1H1+V2H2=V3H314-11 焓衡算：V1I1+V2I2=V3I3 14-12图4图5由杠杆原理则可得出： 14-13（4）干燥过程湿空气在预热器中是等湿加热过程。如AB示。在干燥器中，空气与湿物料接触后，降温，增湿，焓值降低。若空气在干燥器中出口温度为t2，干燥过程可有三种情况：绝热干燥（理想干燥）。干燥器保温良好，忽略热损失，忽略湿物料的焓变，此时的干燥为绝热增湿过程。如BC线所示。所以理想干燥也称等焓干燥。图6实际干燥过程若不向干燥器中补充热量，空气的焓一部分用于汽化水分，一部分用于物料升温，出口焓值降低，如BC所示。若向干燥器中补充加热，干燥器出口焓值增加，如BC所示。（2）物料的平衡曲线物料的含水量干基含水量：以绝对干物料为基准，即每kg绝对干物料所带来的水量，以Xt表示湿基含水量：每千克湿物料中所含的水量。以w表示。两者之间的关系： 14-14图7物料的平衡曲线物料中只要有非结合水存在，不论其数量是多少，其平衡蒸汽压不会变化，总是纯水的饱和蒸汽压。即=1。随着物料干燥的进行，物料的含水量逐渐减小，当非结合水干燥殆尽之后，平衡蒸汽压会下降，物料的相对湿度逐渐下降。（3）平衡水与自由水平衡含水量：物料在指定空气条件下被干燥的极限，以X*表示。自由含水量：所有能被指定的空气条件带走的水分称为自由水分，以X表示。 14-15注意：. 结合水与非结合水与物料的性质有关。与空气的状态无关。.自由水分与平衡水分既与物料的性质有关又与空气的状态有关。.湿物料只有与=0的空气接触，才可能完全被干燥，即X*=0。14.3、干燥速率与干燥过程的计算 14.3.1物料在指定条件下的干燥速率 当物料置于恒定空气流中进行干燥时，可记取物料式样的自由含水量X与时间的关系。由此可以得到干燥曲线。同时，随着干燥时间的延长，物料的自由含水量趋近于X*。物料的干燥速率：干燥速率即水分汽化速率NA。表示单位时间，单位面积被汽化的水量。 14-16图a.干燥曲线随着干燥的进行，物料的含水量会逐渐减小。整个干燥过程可分为恒速与降速两个干燥阶段。恒速干燥阶段 干燥初期物料的初温与空气的湿球温度tw不等，故会出现一为时不长的预热段AB。非结合水所表现的性质与液态水相同，当物料中有非结合水存在，=tw，物料表面水汽分压等于tw下的饱和蒸汽压，传热、传质速率都不变。图9 b.干燥速度曲线降速干燥阶段当物料表面非结合水蒸发殆尽时，会有部分结合水被干燥。这时平衡蒸汽压逐渐下降，传质推动力减小。干燥速率会逐渐降低。如图CD与DE段所示。定义固体物料在降速段开始时的含水量为临界含水量,以Xc表示。14.3.2、间歇干燥过程干燥时间的计算 间歇干燥的干燥条件恒定，干燥时间应由同一物料的干燥实验确定。恒速阶段的干燥时间在恒速阶段物料由初始含水量X1至临界含水量Xc。由干燥速率式积分：14-17式中：Gc,X1,A已知，Xc,NA由实验确定。降速阶段的干燥时间在降速段物料由临界含水量Xc降至要求的含水量X2若将降速段的干燥曲线近似看成过原点的直线，则NA=kX。于是 14-19物料经恒速与降速阶段的总干燥时间为=1+214.3.3、连续干燥过程的特性 在化工生产中，很多干燥过程采用连续操作。在连续干燥器中，气流与物料的接触方式可分为并流，逆流，错流或其它更为复杂的形式。归纳特性如下：连续干燥过程不存在恒速段，只有一个表面水分汽化阶段。与同一物料接触的空气状态不断变化，其干燥速率不能假设与物料的自由含水量成正比。连续干燥器中，空气和物料的状态不断变化，不能保持恒定的干燥条件。14.3.4连续干燥过程的衡算 (1)物料衡算(如下图所示）W=Gc(X1-X2)=V(H2-H1) 14-20Gc=G1(1-w1)=G2(1-w2)14-21式中：Gc-以绝干物料计的处理量，kg干料/sW-在干燥过程中被除掉的水分，kg/sV-以绝对干气体计的空气流量，kg干气/sG1,G2-分别为进干燥器的湿物料量和出干燥器的干燥产品量，kg/s。w1，w2-分别为进，出干燥器物料的含水质量分数，kg/kg湿物料。(2）预热器的热量衡算（以上一页的图为例）Q=V（I1-I0）=VCph1(t1-t0) 14-22式中：Q-空气中预热器中所获得的热量，Kw。I1,I0-为空气进出预热器的焓，Kj/Kg干气。Cph1-湿混合气的比热容，kg/(kg.)(3)干燥器的热量衡算VI1+GcCpm11+Q补=VI2+GcCpm22+Q损 14-23或：VI1=VI2+GcCpm(2-1)+Q损-Q补14-24式中：Q补-干燥器中的补充加热量，kw。Q损-干燥器中的热损失，kw。Cpm-湿物料的比热容，kj/(kg干物.)。(4)理想干燥过程若干燥中物料汽化的水分都在表面汽化段除去，该过程称为理想干燥过程。理想干燥是等焓干燥，即I1=I2。14.3.5 干燥过程的热效率 （1）干燥过程中热量分配以右图为例对干燥过程热量衡算可得： Q+Q补=Q1+Q2+Q3+Q损 14-25预热器提供的热量Q可以分成两部分。Q=VCpH1(t1-t2)+Q3 14-26即空气在干燥中放出的热和废气带走的热。式中：Q1=Wr0+W(Cpvt2-Cpl1)为汽化水分和水升温所耗热。Q2=GcCpm2(2-1)为物料升温所耗热。Q3=VCpH1(t2-t0)为废气带走热量。（2）干燥过程的热效率加入干燥器的总热量，只有一部分用于干燥，其余部分为废气所带走或损失掉。用于干燥的热量与加入干燥器的总热量之比称为干燥器的热效率。干燥过程的热效率可定义如下：对理想干燥器：14.4 、干燥器 在化工生产中，干燥过程是在干燥器中完成的，对干燥器的选择尤为重要14.4.1 对干燥器的基本要求 对被干燥物料的适应性湿物料的外表形态可能完全不相同，其化学，物理性质也有很大差别。在干燥过程也可能发生如碎裂等各种情况。能够适应被干燥物料的外观表面形状是对干燥器的基本要求。设备的生产能力要高设备的生产能力取决于物料达到指定干燥程度所需要的时间，缩短干燥设备的干燥时间可提高其生产能力。可以从以下两个方面入手：a 降低物料的临界含水量，使更多的水分在速率较高的恒速阶段除去。b 提高降速阶段本身的速率。能耗的经济性在设备操作中，干燥过程的热效率至关重要。提高能耗的经济性，便于降低生产成本。在物料耐热允许的条件下尽可能地提高入口气温，或在干燥器内设置加热面进行中间加热,均可提高能耗的经济性。14.4.2、常用对流式干燥器厢式干燥器厢式干燥称为烘房，干燥器外壁由砖墙或金属板并复以适当的绝热材料构成，厢内支架上放有许多矩形浅盘，湿物料则置于盘中。特点：对物料的适应性强。干燥时间长，热效率低，占地面积大。常用于产量小，品种常变的干燥。 具体实例：水平气流厢式干燥器喷雾干燥器操作原理喷雾干燥器是由雾化器、干燥室、产品回收系统、供料及热风系统组成。雾化器的作用是将物料喷洒成直径为10-60m的细滴，从而获得很大的汽化表面（约100-600m2/L溶液)。将溶液、乳浊液、悬浊液或料浆在热风中喷雾成微小的液滴，在其下落的过程中，水分被蒸发而成为粉末或颗粒状的产品。喷雾干燥的特点.干燥速度十分迅速，完成干燥的时间一般仅需5-45s左右。.干燥过程中液滴的温度不高，产品的质量较好。.产品具有良好的分散性，流动性及溶解性。产品保持与液滴近似的球状。.生产过程简化，操作控制方便，适宜于连续化大规模生产。.防止发生公害，改善生产环境。具体实例：喷雾干燥器整体合并与整体演示喷雾干燥器喷嘴类型及动画演示（3）气流干燥器气流干燥器是一种连续、高效固体流态化干燥器。它由加料器、预热器、风机、干燥管、旋风分离器等组成。气流干燥器的特点：干燥强度大，时间短，一般在0.5-2秒。处理量大，热效率高。气流干燥采用气固并流操作设备简单应用范围广。输送动力高，器壁磨损严重。对原料适应性和操作调节性差。气流干燥器适用于并流干燥分散状小颗粒物料和热敏性的物料除去非结合水。气流干燥器的具体动画演示流化床干燥器原理：利用流化原理在流化床内进行干燥。 流化床干燥器的特点：流体与固体颗粒充分混合，干燥强度大，热效率高对物料适应性好，物料的停留时间可按工艺生产要求进行调整，既可连续生产，又可间歇操作。除尘负荷和流体阻力小，器壁磨损和物料破碎程度较轻。设备简单，造价低，维修方便，易于设备放大。物料干燥程度不够均匀。流化床干燥器适用于干燥要求较高，干燥时间较长（又降速段）的小颗粒。具体实例：卧式多室流化床干燥器转筒干燥器转筒干燥器主体是一个与水平略成倾斜的圆筒，物料自高端入，低端出，桶内设置抄板，翻动物料。按照被干燥物料的加热方式可分为间接传热干燥器，直接传热干燥器，复式传热干燥器。转筒干燥器特点：生产能力和生产强度大，产品质量均匀，适应性强操作简单，干燥温度，时间调节容易结构复杂，造价高，占地大，热效率低。转筒干燥器适用于干燥块状、颗粒状物料。具体实例：回转圆筒干燥器14.43 非对流干燥器 红外线和远红外线干燥器红外线和远红外线干燥器是利用辐射传热的方法进行干燥，红外线或