第十三章干燥

1、第十三章 干燥 通过本章学习，应掌握干燥的基本概念和原理；湿空气的性质及温湿图；干燥过程的物料衡算与热量衡算方法；干燥过程的平衡关系与速率关系。了解干燥时间的计算；干燥设备的类型及结构特点。学习目的与要求3第十三章第十三章 干燥干燥13.1 概述概述湿分：湿分：水分或其它液体水分或其它液体去湿：去湿：物料中去除湿分的过程物料中去除湿分的过程机械去湿法机械去湿法 ：挤压、重力、离心力等挤压、重力、离心力等 （拧衣服、过滤、离心分离）（拧衣服、过滤、离心分离）物理法：物理法：化学法：化学法：干燥法：干燥法：加热加热去湿去湿方法方法一、去湿方法一、去湿方法浓硫酸吸收浓硫酸吸收, 分子筛吸附分子筛吸附

2、, 膜法脱湿膜法脱湿利用化学反应脱除湿分（利用化学反应脱除湿分（CaO）4二、干燥过程的分类：二、干燥过程的分类：常压干燥常压干燥真空干燥真空干燥连续式连续式间歇式间歇式传导干燥传导干燥对流干燥对流干燥辐射干燥辐射干燥介电加热干燥：介电加热干燥：按操作压力分按操作压力分按操作方式分按操作方式分按供热方式分按供热方式分（间接加热干燥）（间接加热干燥） （直接加热干燥）（直接加热干燥）电磁波电磁波高频电场高频电场13.1 概述概述三、对流干燥三、对流干燥5对流干燥中，对流干燥中，传热和传质同时发生传热和传质同时发生1. 传热过程传热过程 推动力：推动力：温度差温度差QMTtwpwp物物 料料干燥介

3、质干燥介质 Q湿物料表面湿物料表面 Q湿物料内部湿物料内部传递过程相反传递过程相反13.1 概述概述6干燥介质：干燥介质：载热体、载湿体载热体、载湿体干燥过程：干燥过程：物料的去湿过程物料的去湿过程 介质的降温增湿过程介质的降温增湿过程2. 传质过程传质过程 湿物料内部湿物料内部湿分湿分湿物料表面湿物料表面 湿分湿分干燥介质干燥介质 干燥过程进行的必要条件：干燥过程进行的必要条件：* 物料表面水汽压力物料表面水汽压力大于大于干燥介质中水汽分压；干燥介质中水汽分压；* 干燥介质要将汽化的水分及时带走。干燥介质要将汽化的水分及时带走。13.1 概述概述813.2 湿空气的性质及湿度图湿空气的性质及

4、湿度图一、湿空气的性质一、湿空气的性质 干空气干空气水蒸汽水蒸汽1. 水汽分压水汽分压 pWwaPppwwpPy温度一定时温度一定时maxwsppkg 水水/kg 干干空空气气2. 湿度湿度 （湿含量）（湿含量）湿空气中单位质量干空气所具有的水汽质量湿空气中单位质量干空气所具有的水汽质量9绝绝干干空空气气的的质质量量水水气气的的质质量量 HwaMM水气的摩尔数绝干空气的摩尔数0.622wwpHPp0.622ssspHPp1829wwpPp()wf Pp，当当P为一定值时，为一定值时，)(wpfH wspp时，湿空气达到饱和湿空气达到饱和对应饱和湿度对应饱和湿度()f tP，13.2 湿空气的性

5、质及湿度图湿空气的性质及湿度图10100%wspp3. 相对湿度相对湿度()wf pt，当当 =1时时： pw = ps，湿空气达饱和，湿空气达饱和，不可作为干燥介质不可作为干燥介质；当当 1时时： pw 饱和蒸汽压或湿度饱和蒸汽压或湿度 饱和湿度，则会返潮饱和湿度，则会返潮222622. 0HPHp当当t2=40时，干燥器出口空气中水汽分压为时，干燥器出口空气中水汽分压为 6.79kPat=30时，饱和蒸汽压时，饱和蒸汽压ps=4.25kPa，spp 2物料可能返潮。物料可能返潮。 计算举例计算举例50实际干燥过程举例实际干燥过程举例 常压下拟用温度为常压下拟用温度为20、湿度为、湿度为0.

6、008kg水水/kg干气的空气干干气的空气干燥某种湿物料。空气在预热器中被加热到燥某种湿物料。空气在预热器中被加热到90后送入干燥室，后送入干燥室，离开时的温度为离开时的温度为45、湿度为、湿度为0.022kg水水/kg干气。现要求每干气。现要求每小时将小时将1200kg的湿物料由含水率的湿物料由含水率3%（湿基）干燥至（湿基）干燥至0.2%（湿基），已知物料进、出口温度分别为（湿基），已知物料进、出口温度分别为20和和60，在此，在此温度范围内，绝干物料的比热为温度范围内，绝干物料的比热为3.5kJ/(kg)，水的平均比，水的平均比热为热为4.19 kJ/(kg )。干燥设备热损失可按预热器

7、中加热量。干燥设备热损失可按预热器中加热量的的5%计算。试求：计算。试求： (1)新鲜空气用量，新鲜空气用量，kg/h； (2)预热器的加热量预热器的加热量QP，kW； (3)干燥室内补充的热量干燥室内补充的热量Qd，kW； (4)热效率热效率 。计算举例计算举例51 G1=1200kg/h Ql =5%Qp 1=3% tM1=20 t0=20 t1=90 t2=45 H0=0.008 H1 H2=0.022 L QP Qd 2=0.2% tM2=60,CS=3.5kJ/kg hkgGW64.33002. 01002. 003. 0120012211 02HHWL hkgHLL/1 .2422

8、008.018 .240210 （1 1）新鲜空气用量，）新鲜空气用量，kg/h； hkg/8 .2402008. 0022. 064.33干空气干空气 计算举例计算举例52010PHQLctt47.89kW(2)预热器的加热量预热器的加热量QP，kW 0101.01 1.88LHtt 11221212MMlMMdtcGQtcGIILQ 10101.01 1.882492112.19/IHtHkJ kg干气(3)干燥室内补充的热量干燥室内补充的热量Qd，kW其中：其中：22221.01 1.882492102.14/IHtHkJ kg干气 hkgGG/3 .1166%2 . 01%311200

9、112112 计算举例计算举例5311113.52MSlccckJ kgC22213.50MSlccckJ kgCkWQQPl39. 2%589.47%5 40.25dQkW(4) 热效率热效率 122492 1.88100%l MPdWtctQQ26.4%计算举例计算举例54 循循环环废废气气 LR, t2=45, H2=? Ql t0=20 t t1 1= =9 90 0H0=0.008 kg 水水/kg 干干气气 H1 t2=45 L H2 QP Qd=40.25kWLLR L有废气循环的实际干燥过程举例有废气循环的实际干燥过程举例 现将上题流程改为废气循环流程设计，如图所示。将出口废气

10、现将上题流程改为废气循环流程设计，如图所示。将出口废气中的中的50%引到新鲜空气处与新鲜空气混合。混合气经预热器仍引到新鲜空气处与新鲜空气混合。混合气经预热器仍加热至加热至90后，再送入干燥室，出干燥室的废气温度仍为后，再送入干燥室，出干燥室的废气温度仍为45，干燥室加热量干燥室加热量Qd不变，仍为不变，仍为40.25kW，被干燥的物料及干燥要，被干燥的物料及干燥要求不变，热损失仍可取为求不变，热损失仍可取为QP的的5%。试计算：。试计算：(1)新鲜空气的用量，新鲜空气的用量，kg/h； (2)预热器的加热量预热器的加热量QP，kW；(3) 热效率热效率 ； (4)画出湿空气状态变化，并与例画

11、出湿空气状态变化，并与例1对比。对比。计算举例计算举例5533.640.00934Wkg hkg s由上题知： 02HHLW 008. 000934. 02 HL- (1)(1)新鲜空气用量，新鲜空气用量，kg/h 01IILLQRP (2)预热器的加热量预热器的加热量QP，kW 0000249288. 101. 1HtHI 100020002 RLLttttHHHH =1 C H2 M H 0 H A H0 t0 t2 t1干气干气kgkgHHHH004. 02122020 Cttto5 .32220452020 杠杆原理杠杆原理计算举例计算举例56 0000249288. 101. 1Ht

12、HI 255.127604.43H 201016 .133054.101249288. 101. 1HHtHI 01IILLQRP 2221 .10811755.127604.436 .133054.1012LHLHHL 22222226 .257645.4524924588. 101. 1249288. 101. 1HHHHtHI 1122121205. 02MMPMMdtcGQtcGIILQ 计算举例计算举例57 226 .133054.1016 .257645.45225.40HHL 2052. 3360012001 .10811705. 06050. 336003 .11662 LHL

13、 0317. 433.106405.24972 HL- (2)0.32/1152/Lkgskgh干气干气干干气气水水 kgkgH/0372. 02 联立式联立式1、2得：得：21 .108117LHLQP kW73.380372. 032. 01 .10832. 0117 计算举例计算举例58例例 1 结结果果 hkgL/8 .2402干干气气 QP=47.89kW H2=0.022 %4 .26 例例 2 结结果果 hkgL/1152干干气气 QP=38.72kW H2=0.0372 %5 .29 结论：结论：采用采用废气循环流程，新鲜干空气用量减少，预热器热负荷减小，废气循环流程，新鲜干空

14、气用量减少，预热器热负荷减小，干燥效率提高，但干燥过程速率下降，干燥设备变大。干燥效率提高，但干燥过程速率下降，干燥设备变大。 =1 C C M B H A B t0 t2 t1例例1例例2计算举例计算举例59 循环废气循环废气 LR, t2=45, H2=0.022 Ql t0=20 t t1 1=90=90H0=0.008 kg 水水/kg 干气干气 H1 t2=45 L H2=0.022 QP Qd现将例现将例1流程改为废气循环流程设计，如图所示。将出口废气流程改为废气循环流程设计，如图所示。将出口废气中的中的50%引到新鲜空气处与新鲜空气混合。混合气经预热器引到新鲜空气处与新鲜空气混合

15、。混合气经预热器仍加热至仍加热至90后，再送入干燥室，出干燥室的废气温度仍为后，再送入干燥室，出干燥室的废气温度仍为45，湿度仍为，湿度仍为0.022kg水水/kg干气干气,被干燥的物料及干燥要求不被干燥的物料及干燥要求不变，热损失仍可取为变，热损失仍可取为QP的的5%。试计算：。试计算：(1)新鲜空气的用量，新鲜空气的用量，kg/h； (2) QP、Qd，kW；(3) 热效率热效率 ； (4)画出湿空气状态变化，并与例画出湿空气状态变化，并与例2对比。对比。计算举例计算举例60一、物料中的几种水分一、物料中的几种水分（一）（一） 物料与水分结合方式物料与水分结合方式吸附水分：吸附水分：毛细管

16、水分：毛细管水分：溶胀水分：溶胀水分：湿物料的粗糙外表面附着的水分。湿物料的粗糙外表面附着的水分。多孔性物料的孔隙中所含的水分。多孔性物料的孔隙中所含的水分。是物料组成的一部分，可透入物料细胞壁是物料组成的一部分，可透入物料细胞壁内，使物料的体积为之增大。内，使物料的体积为之增大。（二）平衡水分与自由水分（二）平衡水分与自由水分1. 平衡水分（平衡水分（X*）不能用干燥方法除去的水分。不能用干燥方法除去的水分。13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间-干燥动力学干燥动力学（能否用干燥方法去除划分）（能否用干燥方法去除划分）61-在一定空气状态下的在一定空气状态下的干燥极限干燥极限*X不吸

17、水物料的小X* = f（空气状况、物料种类、温度）（空气状况、物料种类、温度）t 2. 自由水分（自由水分（XX*）可用干燥方法除去的水分。可用干燥方法除去的水分。*X*X13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间62（二）结合水分与非结合水分（二）结合水分与非结合水分-取决于物料本身的性质，与空气状况无关。取决于物料本身的性质，与空气状况无关。 结合水分：结合水分：与物料之间有物理化学作用，与物料之间有物理化学作用，结合力强结合力强 产生的蒸汽压产生的蒸汽压低于低于同温度下纯水的饱和同温度下纯水的饱和 蒸汽压。蒸汽压。包括溶涨水分和毛细管水分包括溶涨水分和毛细管水分 。 难于除去难于除去

18、非结合水分非结合水分 ：机械地附着在物料表面，：机械地附着在物料表面，结合力弱结合力弱 产生的蒸汽压产生的蒸汽压等于等于同温度下纯水的饱和同温度下纯水的饱和 蒸汽压。蒸汽压。包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。 容易除去容易除去13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间（去除的难易程度划分）（去除的难易程度划分）63平衡水分一定是结合水分；平衡水分一定是结合水分；自由水分包括了全部非结合自由水分包括了全部非结合水分和一部分结合水分。水分和一部分结合水分。 =100%时对应的平衡水分时对应的平衡水分为结合水分含量为结合水分含量13.3 干燥速度和干燥时

19、间干燥速度和干燥时间64例：在常压例：在常压25下，水分在下，水分在ZnO与空气间的平衡关系为：与空气间的平衡关系为：相对湿度相对湿度 100%，平衡含水量，平衡含水量X*0.02 kg水水/kg干料干料相对湿度相对湿度 40%，平衡含水量，平衡含水量X*0.007 kg水水/kg干料干料 现现ZnO的含水量为的含水量为0.25 kg水水/kg干料，令其与干料，令其与25， 40%的空气接触，求物料的自由水分、平衡水分、结合的空气接触，求物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。水分和非结合水分。平衡水分平衡水分=0.007 kg水水/kg干料干料自由水分自由水分=0.243 kg水水/

20、kg干料干料结合水分结合水分=0.02 kg水水/kg干料干料非结合水分非结合水分=0.23 kg水水/kg干料干料13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间dXGC 65UAd 其其中中Gc绝绝干干物物料料质质量量，kg； A 干干燥燥面面积积，m2； X 物物料料中中干干基基含含水水率率，kg 水水/kg 干干料料。 干燥速度：干燥速度： 单位时间、单位干燥表面上所汽化的水分量单位时间、单位干燥表面上所汽化的水分量 smkg 2A、Gc、X水分水分二、恒定干燥条件下的干燥速度二、恒定干燥条件下的干燥速度恒定干燥条件恒定干燥条件：空气的空气的温度、湿度、流速温度、湿度、流速及及物物 料接

21、触方式料接触方式不变。不变。（一）干燥速度定义（一）干燥速度定义13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间66（二）干燥曲线及干燥速度曲线（二）干燥曲线及干燥速度曲线用于描述物料用于描述物料含含水水 量量 X、干燥时间、干燥时间 及及 物料表面温度物料表面温度tM、干干 燥时间燥时间之间的关系之间的关系 曲线。曲线。1. 干燥曲线干燥曲线13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间672. 干燥速度曲线干燥速度曲线ABC段：段：恒速干燥阶段恒速干燥阶段 AB段：预热段段：预热段 BC段：恒速段段：恒速段CDE段：段：降速干燥阶段降速干燥阶段,XUC点：点：临界点临界点 XC：临界含水量临

22、界含水量E点：平衡点点：平衡点 X*：平衡水分：平衡水分13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间68（三）恒速干燥阶段（三）恒速干燥阶段前提条件：前提条件：湿物料表面全部润湿。湿物料表面全部润湿。汽化速率（传质速率）：汽化速率（传质速率）：Ukg水水/m2s传热速率：传热速率：www)(ArGttAQ)(wwwttrG)()(wHwHHkttrUw恒速干燥速度恒速干燥速度wHw()GkHH13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间69恒速干燥特点：恒速干燥特点：1. UUCconst.2. 物料表面温度为物料表面温度为tw3. 去除的水分为去除的水分为非结合水分非结合水分4. 影响影

23、响 U 的因素：的因素： 恒速干燥阶段恒速干燥阶段表面汽化控制阶段表面汽化控制阶段 只与空气的状态有关，而与物料种类无关只与空气的状态有关，而与物料种类无关)(wttt)(wHHHH,ku)(C UU13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间70（四）降速干燥阶段（四）降速干燥阶段实际汽化表面减小实际汽化表面减小汽化面内移汽化面内移降速干燥阶段特点：降速干燥阶段特点：1. ,XU2. 物料表面温度物料表面温度wt3. 除去的水分为除去的水分为非结合水、部分结合水分非结合水、部分结合水分4. 影响影响U 的因素：的因素： 与物料种类、尺寸、形状有关，与物料种类、尺寸、形状有关， 与空气状态关

24、系不大。与空气状态关系不大。（内部扩散控制阶段内部扩散控制阶段）13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间71（五）临界含水量（五）临界含水量 XC1. 吸水性物料吸水性物料 XC大于不吸水性物料大于不吸水性物料 XC2. 物料层越薄、分散越细，物料层越薄、分散越细， XC 越低越低3. 恒速干燥恒速干燥 UC 越大，越大， XC 越高。越高。散程度、空气状态）（物料结构、厚度、分fXC*CCUXX，。tHu ， 一定，tuH ， 一定，*CCUXX，不变。13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间72三、恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间三、恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间由干燥速率定义式

25、：由干燥速率定义式：CG dXUAd CG dXdAU 1C1C0XXGddXAU对于恒速干燥：对于恒速干燥： UUCconst.C11CC()GXXAU恒速干燥所需时间恒速干燥所需时间13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间73UC的来源：的来源：（1） 由干燥速率曲线查得由干燥速率曲线查得计算）用（)()(2wHwwCHHkttrU求取求取 经验关联式：经验关联式：（1）气体流动方向与物料平行）气体流动方向与物料平行0.814.3Gw/m2 kG 质量流速，质量流速，0.78.3 kg/m2s（2）气体流动方向与物料垂直）气体流动方向与物料垂直0.3724.2Gw/m2 kG=1.1

26、5.6 kg/m2sGu13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间74（四）恒定干燥条件下降速阶段干燥时间（四）恒定干燥条件下降速阶段干燥时间时，进入降速干燥阶段当CXX 22CC0XXGddXAUC2C2XXGdXAU求求2 的方法：的方法：（1）图解积分法）图解积分法（2）近似计算法近似计算法若降速阶段的干燥若降速阶段的干燥曲线可近似为直线，曲线可近似为直线，则则2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 降速阶段降速阶段 恒速阶段恒速阶段 C B A A D X* E XC 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 干基含水率干基含水率 X U13.3 干燥速度和干燥时

27、间干燥速度和干燥时间2lnCCCCGXXXXAUXX7512总干燥时间：总干燥时间：CXCUUKXXXX斜率CCXXUUXXC2C2XXGdXAU13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间76例：某湿物料例：某湿物料10kg，均匀地平铺在面积为，均匀地平铺在面积为0.50m2的平底浅盘内，的平底浅盘内，并在恒定干燥条件下进行干燥。物料的初始含水量为并在恒定干燥条件下进行干燥。物料的初始含水量为15%，已，已知在此条件下物料的平衡含水量为知在此条件下物料的平衡含水量为1%，临界含水量为，临界含水量为6%（均（均为湿基），并已测出在恒速阶段的干燥速率为为湿基），并已测出在恒速阶段的干燥速率为0

28、.394kg/(m2h)，假设降速阶段的干燥速率与物料的自由含水量（干基）成线性假设降速阶段的干燥速率与物料的自由含水量（干基）成线性关系。试求关系。试求：（：（1）将物料干燥至含水量为）将物料干燥至含水量为2%（湿基），所需（湿基），所需的总干燥时间为多少小时？（的总干燥时间为多少小时？（2）现将物料均匀地平铺在两个）现将物料均匀地平铺在两个与上述尺寸相同的浅盘内，并在同样的空气条件下进行干燥，与上述尺寸相同的浅盘内，并在同样的空气条件下进行干燥，只需只需4小时便可将物料的水分降至小时便可将物料的水分降至2%（湿基），问物料的临界（湿基），问物料的临界含水量有何变化？恒速及降速两个干燥阶段的

29、时间各为多少小含水量有何变化？恒速及降速两个干燥阶段的时间各为多少小时？（中科院时？（中科院07年考题）年考题）13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间2220.02041wXw77解：解：（1）因恒速与降速阶段干燥时间的计算公式不同，首先应确定因恒速与降速阶段干燥时间的计算公式不同，首先应确定X2与与XC的关系的关系0.06381CCCwXwkg水水/kg干料干料kg水水/kg干料干料*0.01011wXwkg水水/kg干料干料1110.1761wXwkg水水/kg干料干料13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间C11CC()GXXAU22lnCCCCGXXXXAUXX78X2X

30、C共分两个阶段共分两个阶段将物料干燥至将物料干燥至XC所需时间：所需时间：11CC1()GwXXAU4.84h继续将物料干燥至继续将物料干燥至X2所需时间：所需时间：3.83h13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间8.67h2AA C11CC()2GXXAU22ln2CCCCGXXXXAUXX 7912总干燥时间：总干燥时间：（2）将物料平铺在两个盘子里，平衡含水量及恒速阶段的干将物料平铺在两个盘子里，平衡含水量及恒速阶段的干燥速率均不变燥速率均不变124h试差得：试差得：0.054CX 12.63h21.37h13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间CC1()GUXXA80若题

31、中恒速阶段干燥速率条件换为当物料含水量降为若题中恒速阶段干燥速率条件换为当物料含水量降为8%（湿（湿基）时需基）时需4小时小时0.0871CwXXw=0.394kg/(m2h)13.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间81一、常用工业干燥器一、常用工业干燥器小型的称为烘箱，大型的小型的称为烘箱，大型的称为烘房，典型的称为烘房，典型的常压、常压、间歇式、对流间歇式、对流干燥设备。干燥设备。优点：对物料的适应性强。优点：对物料的适应性强。适用场合：任何形状的物料适用场合：任何形状的物料 13. 4 干燥器干燥器盘架式干燥器盘架式干燥器 （厢式干燥器）（厢式干燥器）缺点：物料得不到分散，缺点：物

32、料得不到分散， 干燥速率低，热利用率较差，干燥速率低，热利用率较差， 且产品质量不均匀。且产品质量不均匀。 产量不大。产量不大。82间歇式减压间歇式减压干燥干燥83洞道式干燥器洞道式干燥器84连续的或半连续连续的或半连续操作操作适用场合：处理量大、干燥时间长的物料适用场合：处理量大、干燥时间长的物料多用于多用于砖瓦、陶瓷坯、木材、人造丝、皮革砖瓦、陶瓷坯、木材、人造丝、皮革等等的干燥的干燥洞道式干燥器洞道式干燥器85转筒式干燥器转筒式干燥器86特点：特点： 生产能力大，可连续操作。生产能力大，可连续操作。 结构简单，操作方便。结构简单，操作方便。 使用范围广使用范围广，可干燥颗粒物料、膏糊状物料、，可干燥颗粒物料、膏糊状物料、 甚至液体物料。甚至液体物料。 操作弹性大。操作弹性大。转筒式干燥器转筒式干燥器87气流干燥器气流干燥器8