化工原理-第七章-干燥-课件

《化工原理》PrinciplesofChemicalEngineering《化工原理》PrinciplesofChemicalE1第七章干燥

Chapter7Drying第七章干燥

Chapter7Dryi2内容简介

本章主要介绍以湿空气为干燥介质、湿分为水的对流干燥过程的理论基础，对湿空气的性质、干燥过程的相平衡、干燥过程的基本计算、工业常用干燥设备进行了较为详细的讨论。

本章重点①湿空气性质；②固体物料干燥过程的相平衡；③恒定干燥条件下的干燥曲线和干燥速度曲线；④基本干燥过程计算，包括干燥过程的物料衡算、热量衡算和干燥时间的计算；⑤典型干燥设备的工作原理、结构特点。

本章难点

湿空气性质中的绝热饱和温度tas和湿球温度tw的概念及二者的异同；内容简介本章主要介绍以湿空气为干燥介质、概述（Introduction）

一、除湿方法：(1)机械除湿

(2)吸附去湿法(3)干燥二、干燥分类：本章重点：以不饱和热空气为干燥介质，除去湿物料中水分的连续对流干燥过程。概述（Introduction）一、除湿方法：二、干燥分类

由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。三、对流干燥过程原理注意：只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压，干燥即可进行，与气体的温度无关。HtqWtippiM干燥是热、质同时传递的过程由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份干燥过程热空气流过湿物料表面热量传递到湿物料表面湿物料表面水分汽化并被带走表面与内部出现水分浓度差内部水分扩散到表面传热过程传质过程传质过程五、干燥过程推动力传质推动力：P表水>P空水传热推动力：t空气>t物表四、对流干燥过程实质干燥过程热空气流过湿物料表面热量传递到湿物料表面湿物料表面水六、干燥介质及干燥能进行的条件1、干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。

对流干燥中的干燥介质：不饱和的热空气、惰性气体及烟道气等。2、干燥能进行的条件为：t>tm，pw>pv干燥是热、质同时传递的过程。六、干燥介质及干燥能进行的条件1、干燥介质：用来传递热量（载7除水分量空气消耗量干燥产品量热量消耗干燥时间物料衡算能量衡算涉及干燥速率和水在气固相的平衡关系涉及湿空气的性质七、干燥过程基本问题本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基本问题，介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。除水分量物料衡算能量衡算涉及干燥速率和水在气固相的平衡关系涉第一节湿空气的性质及湿度图湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。湿空气性质一般都以1kg绝干空气为基准。

系统总压P：湿空气的总压（kN/m2），即P干空气与P水之和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。且第一节湿空气的性质及湿度图湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合1.湿份的表示方法对于空气-水蒸气系统Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96kg/kmol湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。(1)绝对湿度(湿度)H（Humidity）Kg水蒸汽/kg绝干空气当pv=ps时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。1.湿份的表示方法对于空气-水蒸气系统Mw=18.02kg/(2)相对湿度（Relativehumidity）（1）值说明湿空气偏离饱和空气或绝干空气的程度，值越小吸湿能力越大；（2）=0

，pV=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。=1

，pV=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿。相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压p与系统温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数。讨论：(2)相对湿度（Relativehumidity）（1）=f(H,t)（4）

ps随温度的升高而增加，H不变提高t，，气体的吸湿能力增加，故空气用作干燥介质应先预热。（5）H不变而降低t，，空气趋近饱和状态。当空气达到饱和状态而继续冷却时，空气中的水份将呈液态析出。讨论：（3）对于空气-水系统：=f(H,t)讨论：（3）对于空气-水系统：2.比容H(Humidvolume)或湿比容(m3/kg绝干气体)比容：1kg绝干空气和相应水汽体积之和。3.比热cH(Humidheat)或比热容KJ/(kg·℃)比热：1kg绝干空气及相应水汽温度升高1℃所需要的热量对于空气-水系统：cg=1.01kJ/(kg·℃)，cv=1.88kJ/(kg·℃)2.比容H(Humidvolume)或湿比容(m4.焓I

(Totalenthalpy)焓：1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。一般以0℃为基准，且规定在0℃时绝干空气和水汽的焓值均为零，则对于空气-水系统：显热项汽化潜热项4.焓I(Totalenthalpy)焓：1kg绝干当热、质传递达平衡时，气体对液体的供热速率恰等于液体汽化的需热速率时温度维持稳定5.干燥过程中的物料温度

(1)干球温度t：湿空气的真实温度，简称温度(℃或K)。将温度计直接插在湿空气中即可测量。(2)空气的湿球温度（Wet-bulbtemperature）

a.定义：qN对流传热hkH气体t,H气膜对流传质液滴表面tw,Hw液滴——湿球温度tw定义式b、计算当热、质传递达平衡时，气体对液体的供热速率恰等于液体汽化的需①因流速等影响气膜厚度的因素对α和kH有相同的作用，可认为kH/α与速度等因素无关，而仅取决于系统的物性。②饱和气体:H=Hs，tw=t，即饱和空气的干、湿球温度相等。不饱和气体:H<Hs，tw<t。对于空气-水系统：结论：

tw=f(t,H)，气体的t

和H

一定，tw为定值。讨论①因流速等影响气膜厚度的因素对α和kH有相同的作用，湿球温度计测定湿球温度的条件是保证纯对流传热，即气体应有较大的流速和不太高的温度，否则，热传导或热辐射的影响不能忽略，测得的湿球温度会有较大的误差。通过测定气体的干球温度和湿球温度，可以计算气体的湿度：气体ttwC、湿球温度的测定

湿球温度计测定湿球温度的条件是保证纯对流传热，即气体11(3)绝热饱和冷却温度tas绝热饱和冷却温度：不饱和的湿空气等焓降温到饱和状态时的温度。高温不饱和空气与水在绝热条件下进行传热、传质并达到平衡状态的过程。达到平衡时，空气与水温度相等，空气被水的蒸汽所饱和。由于ras和Has是tas的函数，故绝热饱和温度tas是气体温度t和湿度H的函数。已知

t和H，可以试差求解tas。对于空气-水系统：绝热饱和过程(Adiabaticsaturationprocess)：(3)绝热饱和冷却温度tas绝热饱和冷却温度：不饱和的湿空气(4)露点td温度为t的不饱和空气在等湿下冷却至温度等于td的饱和状态，此时H=Hs,td。露点：不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度，以td表示；相应的湿度为饱和湿度，以Hs,td表示。处于露点温度的湿空气的相对湿度=1，空气湿度达到饱和湿度，湿空气中水汽分压等于露点温度下水的饱和蒸气压，则水蒸气-空气系统：不饱和空气t>tas（或tw）>td；饱和空气t=tas=td

(4)露点td温度为t的不饱和空气在等湿下冷却至温度等6、气体湿度图（Humiditychart）等湿线等焓线等温线饱和空气线p-H线6、气体湿度图（Humiditychart）等湿线等焓线等

空气的湿度图及应用空气的湿度图及应用A、空气湿度图的绘制（Humiditychart）对于空气-水系统，tas

tw，等tas线可近似作为等tw线。每一条绝热冷却线上所有各点都具有相同的tas。。(1)等湿度线(等H线)(2)等焓线（等I线）对给定的tas：t=f(H)在同一条等湿线上不同点所代表的湿空气状态不同，但H相同，露点是将湿空气等H冷却至=1时的温度。A、空气湿度图的绘制（Humiditychart）对于空(3)等干球温度线(等t线)

I与H呈直线关系，t越高，等t线的斜率越大，读数0-250ºC。(4)等相对湿度线(等线)总压P一定，对给定的：因ps=f(t)，故H=f(t)。(5)蒸气分压线总压P一定，

ps=f(H)，p-H

近似为直线关系。(3)等干球温度线(等t线)I与H呈直线关系，tB、空气湿焓图的用法（Useofhumiditychart）

两个参数在曲线上能相交于一点，即这两个参数是独立参数，这些参数才能确定空气的状态点。=100%，空气达到饱和，无吸湿能力。<100%，属于未饱和空气，可作为干燥介质。越小，干燥条件越好。1、确定空气的干燥条件2、确定空气的状态点，查找其它参数B、空气湿焓图的用法（Useofhumiditycha湿度图的使用①空气状态的确定：已知空气的任何两个参数即可确定其状态。湿度图的使用①空气状态的确定：已知空气的任何两个参数即可确②空气的加热与冷却过程

加热：空气的φ减小，表明空气接收水汽的能力加强②空气的加热与冷却过程

加热：空气的φ减小，表明空气接收水②空气的加热与冷却过程

冷却：t＜td时，空气的H不变；t=td时，有水冷凝②空气的加热与冷却过程

冷却：t＜td时，空气的H不变；t③两股气流的混合混合后的空气状态点3必在12的联线上，其位置可由杠杆规则出。③两股气流的混合混合后的空气状态点3必在12的联线上，其位置④绝热增湿过程：可近似认为等焓过程

④绝热增湿过程：可近似认为等焓过程

等湿线等焓线等温线p-H线相对湿度线等湿线等焓线等温线p-H线相对湿度线湿空气性质的总结在总压一定的情况下，空气的状态由两个参数确定，其他参数可查图或计算求得；

不饱和空气：φ＜1，t＞tw＝tas＞td

饱和空气：φ＝1，t=tw＝tas＝td湿空气性质的总结在总压一定的情况下，空气的状态由两个参数确定

第二节干燥过程的物料衡算与热量衡算物料衡算热量衡算第二节干燥过程的物料衡算与热量衡算物料衡算

一、物料衡算1、物料含水量的表示方法3、空气用量的确定②干基含水率：干燥器空气Lt0,H0,I0预热器

Lt1,H1,I1

Lt2,H2,I2物料G1,1,X1,I1’物料G2,

2，X2,I2’2、水分蒸发量W

①湿基含水率：一、物料衡算1、物料含水量的表示方法3、空气用量的物料衡算（Massbalance）湿物料G1,

w1干燥产品G2,

w2热空气L,H1湿废气体L,H23、绝干空气消耗量绝干空气比消耗2、水分蒸发量物料衡算（Massbalance）湿物料干燥产品热空气湿二、热量衡算

1、预热器的热量衡算以预热器作控制体2、干燥器的热量衡算：以干燥器为控制体空气Lt0,H0,I0预热器Qp

Lt1,H1,I1干燥器物料G,1，X1，I1’物料G,

2，X2

Vt2,H2,I2QLQDI2’二、热量衡算

1、预热器的热量衡算2、干燥器的热量衡算：以干燥器的热效率定义为：提高干燥器热效率的方法有：(a)减少干燥器的热损失QL↓(b)降低空气出干燥器的温度t2或提高H2。或采用废气循环、中间加热的方式。3、干燥器的热效率

若忽略湿物料中水分带入系统中的焓有：干燥器的热效率定义为：提高干燥器热效率的方法有：(a)减少干三、空气通过干燥器时的状态变化1、等焓干燥过程(又称绝热干燥、理想干燥)条件：QD=0QL=0G（I´2-I´1）=0代入上式得I2=I1QD=L（I2-I1）+G（I´2-I´1）+QL两式相加得：Qp=L（I1-I0）QD+L（I1-I0）=L（I2-I0）+G（I´2-I´1）+QL依此式分析焓变化H0t0I0H2t2I2G1X1

1I´1G2X22

I´2H1

t1

I1QD

Qp补充热三、空气通过干燥器时的状态变化1、等焓干燥过程(又三、空气通过干燥器时的状态变化2、非等焓干燥过程QD=L（I2-I1）+G（I´2-I´1）+QL两式相加得：Qp=L（I1-I0）QD+L（I1-I0）=L（I2-I0）+G（I´2-I´1）+QL依此式分析焓变化条件：（1）QD=0QL≠0G（I´2-I´1）≠0得：I1>I2BC1线在BC线下方（2）QD>QL+G（I´2-I´1）得：I1<I2BC2线在BC线上方（3）等温下进行，BC3线三、空气通过干燥器时的状态变化2、非等焓干燥过程QD=*例

某湿物料在气流干燥管内进行干燥，湿物料的处理量为0.5kg/s，湿物料的含水量为5％，干燥后物料的含水量为1％（皆为湿基）。空气的初始温度为20℃，湿含量为0.005kg/kg绝干气。若将空气预热至150℃进入干燥器，并假设物料所有水分皆在表面汽化阶段除去，干燥管保温良好，(气体在干燥管内为等焓过程)试求：1、当气体出口温度选定为70℃，预热器提供的热量及热效率？2、当气体的出口温度为42℃，预热器提供的热量及热效率有何变化？3、若气体离开干燥管后，因在管道及旋风分离器中散热温度下降了10℃，分别判断以上两种情况物料是否会发生返潮的现象？*例某湿物料在气流干燥管内进行干燥，湿物料的处理量解1、气体在干燥管内为等焓过程。

t0=20℃，t1=150℃，t2=70℃

H1＝H0=0.005kg/kg绝干气解1、气体在干燥管内为等焓过程。

t02、t2=42℃讨论：降低废气的出口温度，所需的空气用量及传热量愈小，热效率越高。2、t2=42℃讨论：降低废气的出口温度，所需的空气用量及传3、物料的返潮第一种情况：露点td=34.7℃。空气出旋风分离器的温度为60℃，未达到空气的露点，不会有水珠析出。第二种情况：露点td=39.6℃。空气出旋风分离器的温度为32℃，达到空气的露点，有水珠析出。讨论：t2过低，可能会使物料返潮。3、物料的返潮第一种情况：露点td=34.7℃。空气出旋风分一、湿份在气体和固体间的平衡关系

湿份的传递方向(干燥或吸湿)和限度(干燥程度)由湿份在气体和固体两相间的平衡关系决定。pXpsXh1、平衡状态：直到湿份在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿份分压。2、平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。不仅取决于气体的状态，还与物料的种类有很大的关系。X*p第三节干燥的平衡关系及干燥速率一、湿份在气体和固体间的平衡关系pXpsXh1、平衡状态：1、平衡水分和自由水分

平衡水分：低于平衡含水量X*的水分，是不可除水分。自由水分：高于平衡含水量X*的水分，是可除水分。二、物料中的水分影响平衡水分大小的因素：（1）物料的种类；（2）空气的状态。按所含水分在一定的条件下能否用对流干燥的方法将除去来划分1、平衡水分和自由水分二、物料中的水分影响平衡水分大小的因具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力。易被除去。结合水分：与物料存在某种形式的结合，其汽化能力比独立存在的水要低，水分与物料结合力强。较难除去二、物料中的水分结合水分按结合方式可分为：吸附水分、毛细管水分、溶涨水分(物料细胞壁内的水分)和化学结合水分(结晶水)。2、结合水分与非结合水分(按水分除去的难易)非结合水分：与物料机械形式的结合，附着在物料表面的水，在一定温度下，物料中的结合水与非结合水的划分，只取决于物料本身的特性，而与其接触的空气无关。二、物料中的水分结合水分按结合方式可分为：吸附水分、毛细管水三、物料的吸湿性

强吸湿性物料：与水分的结合力很强，平衡湿含量很大。非吸湿性物料：与水结合力很弱，平衡线与纵坐标基本重合，X*=Xh0，00.20.40.60.81.00.10.20.3烟叶木材氯化锌优质纸湿含量X相对湿度一般物料的吸湿性都介于二者之间。三、物料的吸湿性00.20.40.60.81.00.10.四、对流干燥的基本规律对一定干燥任务，干燥器尺寸取决于干燥时间和干燥速率。由于干燥过程的复杂性，通常干燥速率不是根据理论进行计算，而是通过实验测定的。为了简化影响因素，干燥实验都是在恒定干燥条件下进行的，即在一定的气－固接触方式下，固定空气的温度、湿度和流过物料表面的速度进行实验。为保证恒定干燥条件，采用大量空气干燥少量物料，以使空气的温度、湿度和流速在干燥器中恒定不变。实验为间歇操作，物料的温度和含水量随时间连续变化。干燥曲线和干燥速率曲线Dryingcurveanddrying-ratecurve四、对流干燥的基本规律对一定干燥任务，干燥器尺寸取决于干燥时（2）恒速段(Constant-rateperiod)（1）预热段(Pre-heatperiod)干燥曲线：物料含水量X与干燥时间的关系曲线。1、干燥曲线A湿含量XXctwDCBADCBtX*物料表面温度干燥时间预热段恒速段降速段

（3）降速段(Falling-rateperiod)四、对流干燥的基本规律（2）恒速段（1）预热段干燥曲线：物料含水量X与1、干2、物料的结构和吸湿性多孔性物料(Porousmedia)：非多孔性物料(Nonporousmedia)：吸湿性物料(Hygroscopicmedia)：非吸湿性物料(Nonhygroscopicmedia)：2、物料的结构和吸湿性多孔性物料(Porousmedia3、干燥速率的定义干燥速率U：干燥器在单位时间、单位干燥面积上汽化的水分质量(kg/m2.s)。微分形式为，3、干燥速率的定义干燥速率U：干燥器在单位时间、单位干燥面积设物料的初始湿含量为X1，产品湿含量为X2：当X1＞Xc

和X2＜Xc时，干燥有两个阶段；当X1＜Xc

或X2＞Xc时，干燥都只有一个阶段，即恒速干燥段。由于物料预热段很短，通常将其并入恒速干燥段；以临界湿含量Xc为界，可将干燥过程只分为恒速干燥和降速干燥两个阶段。干燥速率曲线：4、干燥速率曲线ABCD干燥速率U或NABCD物料温度twXcX*湿含量XIIIC’设物料的初始湿含量为X1，产品湿含量为X2：由于物料预热理论解释

恒速干燥段：物料表面湿润，X>Xc，汽化的是非结合水。降速干燥段：X<Xc物料实际汽化表面变小(出现干区)，第一降速段；汽化表面内移，第二降速段；平衡蒸汽压下降(各种形式的结合水)；固体内部水分扩散速度极慢(非多孔介质)。降速段干燥速率取决于湿份与物料的结合方式，以及物料的结构，物料外部的干燥条件对其影响不大。恒定干燥条件下

τ

=tw，p=psα和kp不变由物料内部向表面输送的水份足以保持物料表面的充分湿润，干燥速率由水份汽化速率控制(取决于物料外部的干燥条件)，故恒速干燥段又称为表面汽化控制阶段。湿物料与空气间的q和N恒定理论解释恒速干燥段：物料表面湿润，X>Xc，汽化的是非思考：1、影响恒速阶段干燥速率的因素？2、影响降速阶段干燥速率的因素？

取决于物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大。故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。空气条件故该阶段又称为表面气化控制阶段。3、影响临界含水量大小的因素？思考：2、影响降速阶段干燥速率的因素？取决于物料本身结构临界湿含量（Criticalmoisturecontent）Xc

决定两干燥段的相对长短，是确定干燥时间和干燥器尺寸的基础数据，对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要。物料空气条件临界湿含量品种厚度mm速度m/s温度℃相对湿度%kg水/kg干料粘土6.41.0370.100.11粘土15.91.0320.150.13粘土25.410.6250.400.17高岭土302.1400.400.181铬革101.549-1.25砂＜0.044mm252.0540.170.210.044~0.074mm253.4530.140.100.074~0.177mm253.5530.150.0530.208~0.295mm253.5550.170.053新闻纸-0190.351.00铁杉木254.0220.341.28羊毛织物--25-0.31白岭粉31.81.0390.200.084白岭粉6.41.037-0.04白岭粉169~11260.400.13注意：Xc

与物料的厚度、大小以及干燥速率有关，所以不是物料本身的性质。一般需由实验测定。临界湿含量（Criticalmoistureconten(1)恒速干燥阶段在这一阶段，物料表面含有充分的非结合水分，物料表面的水蒸汽压与水的饱和蒸汽压相同，故物料表面的温度为湿球温度tw。干燥速度由水在表面汽化的速度控制。水的汽化速率为：干燥速度为：此阶段空气放出的显热为：水分汽化所需的热量为：干燥速度为：

当空气的温度t、湿度H、流速u等不变时，干燥速度为一恒定值。故干燥速度与物料的性质关系不大。HstW、rtW为空气在湿球温度下的饱和湿度和汽化潜热(1)恒速干燥阶段在这一阶段，物料表面含有充分的非结合水分，(2)降速干燥阶段干燥速度降低的原因：实际汽化表面减小。由于物料表面水分分布不均匀，局部表面成为干区。如CD所示，称为第一降速段。汽化面的内移。当物料表面都成为干区后，水分的汽化面向物料内部迁移。热、质传递途径加长，如图中的DE段所示，称为干燥第二降速段。平衡蒸汽压下降。当物料中的非结合水分已被除尽，结合水分的平衡蒸汽压下降，使传质推动力(pw-pv)减小，干燥速度降低。(2)降速干燥阶段干燥速度降低的原因：实际汽化表面减小。由于讨论(a)恒速阶段与降速阶段的比较恒速段降速段去除的水分非结合水非结合水与结合水物料表面温度tM1＝tWtM1=tW~t2影响干燥速度的因素空气t、H、u及空气与物料的接触方式有关，与固体物料的性质无关。与固体内部的水分的迁移有关，与外界空气无关。(b)临界含水量Xc

物料分散越细，恒速段去除的非结合水越完全，Xc越小;恒速段干燥速度越快，则可能有更多的内部非结合水分来不及去除，Xc越大。讨论(a)恒速阶段与降速阶段的比较恒速段降速段去除的水分非第四节恒定干燥条件下干燥时间的计算及干燥设备

若已知物料的初始湿含量X1

和临界湿含量Xc，则恒速段的干燥时间为一、恒速干燥段的干燥时间若传热干燥面积S为已知，则由上式求干燥时间的问题归结为气固对流给热系数α的求取。得由第四节恒定干燥条件下干燥时间的计算及干燥设备

若已知物料的一、恒速干燥段的干燥时间(1)空气平行流过静止物料层的表面L’—湿气体质量流速，kg/(m2·h)；(2)空气垂直流过静止物料层的表面适用条件：L’=2450~29300kg/(m2·h)，气体温度45~150℃。适用条件：L’=3900~1950kg/(m2·h)(3)气体与运动着的颗粒间的传热注意：利用上述方程计算给热系数来确定干燥速率和干燥时间，其误差较大，仅能作为粗略估计。一、恒速干燥段的干燥时间(1)空气平行流过静止物料层的表面二、降速干燥段的干燥时间

(1)图解积分法降速段的干燥时间可以从物料干燥曲线上直接读取。计算上通常是采用图解法或解析法。当降速段的U~X呈非线性变化时，应采用图解积分法。在X2~

Xc之间取一定数量的X值，从干燥速率曲线上查得对应的U，计算Gc/U；作图Gc/U~X，计算曲线下面阴影部分的面积。XoXcX2Gc/U二、降速干燥段的干燥时间(1)图解积分法降速段的干燥时二、降速干燥段的干燥时间

(2)解析法当降速段的U~X呈线性变化时，可采用解析法。降速段干燥速率曲线可表示为

ABCD干燥速率UXUXcX*湿含量XUc当缺乏平衡水分的实验数据时，可以假设X*=0，则有干燥时间为：τ=τ1+τ2二、降速干燥段的干燥时间(2)解析法当降速段的U~干燥实验:将湿物料置于恒定空气流中进行干燥,测定物料的质量随着干燥时间的变化规律.

序号质量时间率干基含水X1