《化工单元操作》干燥与干燥设备课件

化工单元操作干 燥与干燥设备9.1.1概述去湿:将固体物料中所含的湿分（水或有机溶剂）去除至规定指标的操作。去湿方法：机械去湿法

——能耗少、费用低，但湿分去除不彻底物理去湿法

——受吸湿剂的平衡浓度的限制，且只适用于脱除微量湿分干燥方法——固体物料的去湿主要采用干燥的方法机理质量传递：湿分的转移,由固相到气相，以蒸汽分压为推动力热量传递：由气相到固相，以温度差为推动力干燥过程:利用热能除去固体物料中湿分（水或其他溶剂）的单元操作。操作压力常压干燥真空干燥间歇干燥操作方式分类：连续干燥传导干燥对流干燥辐射干燥介电加热干燥加热方式对流干燥：利用热空气和湿物料作相对运动，气体的热量传递给湿物料，使湿物料的湿分汽化并传递到气体中，并被带走。对流干燥是动量、热量、质量传递同时进行的传递过程。9.2

湿空气性质及湿度图湿空气：含有湿分的空气，是常用的干燥介质，且一般情况下可视为理想气体。9.2.1

湿空气的状态参数干燥过程中，干空气的质量不变，故干燥计算以单位质量干空气为基准（干基）。理想气体：饱和湿度Hs

：湿空气中水蒸气分压等于该温度下水的饱和蒸汽压（1）湿度H（湿含量或绝对湿度）

(kg水/kg干空气)湿空气中水蒸气质量和干空气质量之比。kg水/kg干空气（2）相对湿度φ相对湿度表明湿空气的不饱和度，反映湿空气吸收水汽的能力。H

=

f(φ

,t

)（3）湿比体积νH

(m3/kg干空气)P=101.3kN/m2（4） 湿比热容cH（

kJ/kg干空气°C

）ca:

干空气比热容，约1.01

kJ/kg干空气·

Ccv:

水蒸汽比热容，约1.88kJ/kg干空气·

C（5）湿空气的焓I (

kJ/kg干空气)基准:0

C干空气、0

C时液态水的焓为零。r0:0

C时水蒸气汽化潜热，2490

kJ/kg补充水t、Htas、HascH:

空气湿比热，kJ/kg干空气·

Cras: tas时水汽化潜热，

kJ/kgHas: tas时空气的饱和湿度，kJ/kg干空气（6）绝热饱和温度tas①

绝热饱和过程:

系统与外界绝热，不饱和气体与液体长时间接触，传热传质达平衡态:②

绝热饱和温度是状态函数:③

绝热饱和过程可当作等焓处理即空气的入口焓近似等于空气的出口焓补充水t、Htas、Has（7）干、湿球温度①干球温度与湿球温度湿球温度:气流吹过-----湿分气化-----表面降温-------热量传递稳态时,

空气传入的显热等于水的汽化潜热注意：湿球温度不是状态函数②应用对空气和水的系统

,

k

H

/

h

近似为常数

（

=0.96~1.005

）

，数等于相同条件下的绝热饱和温度，故可以用其确应空气状态。（8）露点td：保持空气的H不变，降低温度，使其达到饱和状态，此时温度为露点温度。pd：为露点td时饱和蒸汽压，既该空气在初始状态下的水蒸气分压pv9.2.2

湿球温度和绝热饱和温度之间的关系tas

、tw与t和H有关tas

、tw

本质上截然不同湿空气的四个温度t

、tw

、tas

、

td可确定空气状态。（1）共同点：①湿球温度和绝热饱和温度都不是湿气体本身的温度,但都和湿气体的温度和湿度有关，都表达了气体入口状态已确定时与之接触的液体温度的变化极限。②对于空气和水的系统，两者在数值上近似相等。空气和水的系统,一般干燥过程H＜0.01h

/kH=0.96～1.005cH=1.01+1.88H=1.01～1.03对于空气和水的系统，不饱和空气：饱和空气：t>

tas

=

tw

>tdt=

tas

=

tw

=td对其它物系，h/kH

=1.5～2,

与cH相差很大，例如对空气和甲苯系统h/kH

=1.8

，此时，湿球温度高于绝热饱和温度。（2）不同点：①tas

由热平衡得出，是空气的热力学性质；tw取决于气、液两相间的动力学因素-传递速率。②tas

是大量水与空气接触，最终达到两相平衡时的温度，过程中气体的温度和湿度都是变化的；tw是少量的水与大量连续气流接触，传热传质达到稳态时的温度，过程中气体温度和湿度不变。③绝热饱和过程中，气、液间传递推动力由大变小、最终趋近于零；测量湿球温度，稳定后气、液间传递推动力不变。9.2.3湿空气的湿度图根据相律，压力一定时，双组分、单相的湿空气自由度为2湿度图：t-H

图I-H图①等温度线（坐标轴X）②等湿度线（坐标轴Y）③

等相对湿度线（1）湿空气的湿度图（t-H图）一定总压下固定

，则可确定t，H的关系示意图④

绝热饱和(冷却)线（等湿球温度线）示意图⑤

湿比热容线⑦

汽化潜热-温度线示意图⑥比体积线干空气比体积线饱和湿比体积线示意图示意图tH

=const

=100%tH

=100%绝热饱和线tH

=100%湿比热容对湿度tH

=100%饱和比体积对温度H=0.0

H=consttH

=100%汽化潜热对温度（2）湿度图的应用①

求湿空气的性质参数P278

例9.2.2P279

例9.2.3tH

=1300CAB500CH=0.019

=0.24②

湿空气状态变化过程的图示加热和冷却

示意图绝热饱和过程

示意图非绝热增湿过程示意图不同温度、湿度的气流的混合过程两股气流混合后的状态C必然在点A、B的联线上，其位置可按杠杆定律求出。

=1tHABt1t2

=1tHABt1tdt2ttH

=1HABStasHasttH

=1HABStasB′B'Has9.3.1湿物料含水量的表示方法湿基含水量w：kg/kg湿物料干基含水量X:kg/kg干物料换算关系9.3固体物料干燥过程的相平衡9.3.2

水分在气、固之间的平衡及干燥平衡曲线温度一定，对于一定的湿物料，长时间接触湿空气，达平衡状态时：平衡蒸气压：平衡状态下湿物料表面的蒸气压。平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。平衡含水量=f(物料的性质，空气的状态)（1）干燥平衡曲线①

p-X*(p*—X)线▲

PV

=0▲

X<Xs▲

X>XsX=0Pv

Pv=Ps②

φ-X线平衡曲线受温度的影响较大，如果用φ-X图，则温度的影响相对较小。（2）物料中所含水分的性质①

自由水分和平衡水分平衡水分：用一定状态的湿空气，干燥某湿物料，物料能够达到的极限含水量称为对应于该空气状态的平衡水分。X

<X*

不能被空气干燥的水分注意：对于同一物料,不同空气状态对应于不同平衡水分。自由水分：物料含水量超出平衡水分的部分称为自由水分。X>X*

可能被空气干燥的水分②

结合水分和非结合水分结合水分：固、液之间结合力较强的水分，存在于物料细胞壁内或毛细管内。注：结合水产生的蒸汽压小于同温度下纯水的蒸汽压。非结合水分：固液之间结合力较弱的水分，如物料表面的附着水分，或物料表面大孔内的水分。注：非结合水产生的蒸汽压等于同温度下纯水的蒸汽压不同点：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。（3）平衡曲线的应用①

确定过程进行的方向▲

物料脱水而被干燥▲

物料吸水而增湿▲

相平衡②

确定过程的推动力传质推动力:湿物料的平衡蒸汽压-空气中水气的分压

p=p*-p

H=H*-H湿分的传递方向,视推动力的方向而定,或增湿或干燥。传热推动力：空气的温度与湿物料表面温度之差。③确定在给定干燥介质的条件下，湿物料中可能去除的水分及干燥后物料的最低含水量以湿度差表示:以温度差表示:9.4

恒定干燥条件下的干燥速率9.4.1干燥速率曲线（1）干燥曲线与干燥速率曲线干燥速率：▲

恒定干燥条件空气的状态恒定及与湿物料的接触状态不变。少量湿物料与大量湿空气相接触。恒定干燥条件下的干燥过程一般是间歇操作过程▲

干燥曲线及干燥速率曲线干燥曲线：

X

~

τ关系。干燥速率曲线：

R

~ X之间的关系注意：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。曲线分析：AB（或A′B）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。BC段：干燥速率保持恒定，称为恒速干燥阶段。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。

CDE

段

：随着物料含水量的减少，干燥速率CDE段称为降速干燥阶段。不同类型物料结构不同，降速阶段速率曲线的形状也不同。E点：干燥速率为零，X*即为操作条件下平衡含水量。9.4.3湿分在湿物料中的传递机理（1）湿物料分类①多孔性物料：如催化剂颗粒，砂子等。主要特征：▲水分存在于物料内部大小不同的细孔和通道中；▲湿分移动主要靠毛细管作用力▲这类物料的临界含水量较低，降速段一般分为两个阶段。②非多孔性物料，如肥皂、浆糊、骨胶等。主要特征：▲结合水与固相形成了单相溶液▲湿分靠物料内部存在的湿分差以扩散的方式进行迁移▲这类物料的干燥曲线的特点是恒速阶段短，临界含水量较高，降速段为一平滑曲线。（2）液体扩散理论▲主要论点：在降速干燥阶段中，湿物料内部的水分不均匀，形成了浓度梯度，使水分由含水量较高的物料内部向含水量较低的表面扩散，然后水分在表面蒸发，进入干燥介质。▲干燥速率完全决定于物料内部的扩散速率。此时，除了空气的湿度影响表面上的平衡值外，干燥介质的条件对干燥速率已无影响。▲非多孔性湿物料的降速干燥过程较符合扩散理论。（3）毛细管理论▲主要论点：多孔性物料具有复杂的网状结构的孔道，水分在多孔性物料中的移动主要依靠毛细管力。多孔性物料的干燥过程较好地符合这一理论。9.5.1干燥过程的物料衡算9.5

干燥过程的设计计算目的：确定湿物料干燥到指定含水量所需除去的水分量及所需的空气量。qmLqmLQPQLQDqm1,θ1,X1qm2,θ2,X2（1）湿物料的水分蒸发量qm1,qm2

:

干燥前后湿物料的质量流量，kg/sqmC

:

绝干物料的质量流量，kg/sqmw

:

蒸发水量，kg/s又（2）空气用量qmL

:干空气用量，kg/sH1,H2

:

空气进、出干燥器的湿度，kg/kg干空气进入和排出干燥器的湿分相等：kg/sGQDQpI

,H

,t0

0

0I1,H1,t1I2,H2,t2qm2,θ2,X2qm1,

θ1,X1

QLqmLqmL干空气用量：kg/s比空气消耗量：kg干空气/kg水换算为湿空气的质量：kg湿空气/s换算为湿气体的体积量：m3湿空气/s9.5.2干燥过程的热量衡算及干燥器的热效率目的：确定干燥器的出口空气状态参数或所需的加热量。（1）热量衡算基准：连续式干燥器的热量衡算以单位时间为基准，间歇式干燥器以一次干燥周期为基准。qmLqmLQPQLQDqm1,θ1,X1qm2,θ2,X2①全系统的热量衡算qmLI0+qmCI1′+QP+

Q

D=qmLI2+qmCI2′+

QLQ

=

Qp+

Q

D=qmL（I2-I0）+qmC（I2′-I1′）+

QL代入qmW=qmL(H2-H1)Q

=

Q

p+

QD=1.01qmL（t2-t0）+qmCcm2（θ2-θ1）+

qmW(2490+1.88

t2）

+

QL②预热器的耗热量该过程为恒湿增温过程,忽略热损失干燥器的热量收支情况表输入热量输出热量1

1.

湿物料带入的热量干产品带入：qm2cmθ1蒸发水分带入：qmWcwθ11．干产品带出:qm2cmθ22.

空气带入：qmLI1=qmL[(1.01+1.88H1)t1+r0H1]2．空气带出:qmLI2=

qmL[(1.01+1.88H2)t2+r0H2]3．干燥器内补充加热：Φ

D3．干燥器内热损失：Φ

L表中③干燥器热量衡算(产品升温热量)干燥器的热量衡算式：令将代入，整理得：I=cHt+r0H不计干燥过程中cH的变化，上式改写为：或kW/kg水（2）理想干燥过程和非理想干燥过程①理想干燥过程无热损失不加入补充热量物料足够湿润θ1=

θ2=tW理想干燥过程为等焓过程，近似绝热饱和过程。干燥器出口空气状态利用图解法在温湿图中直接求得：对于理想干燥过程：BAH

tt0t2

t1H0=H1H2Ct2

=100%H2H0=

H1t0t1②

非理想干燥过程▲非理想干燥过程为非等焓干燥过程▲空气状态不是沿绝热饱和线变化▲实际的干燥过程大多为非理想干燥过程出口状态参数需由下式计算求得③

干燥器的热效率常用的干燥器的热效率定义为：干燥过程中，蒸发水分所消耗的热量与加入系统的热量之比。式中Q

T=

Q

P+

Q

D干燥器中空气所放出热量全部用来气化湿物料中水分：干燥器中无补充热量：QD=0Q

T=

Q

P=qmLcH1（t1-t0）忽略湿比热容的变化:关于热效率：表示热利用程度，但不能以此判别设计或操作的优劣。降低空气出口温度t2和提高空气的出口湿度H2，可以减少废气带出的热量，减少空气用量，提高热效率。用热空气作干燥介质时，热效率η=30-60%；应用部分废气循环时，η=50-75%。热空气漏出或冷空气漏入会降低干燥器的热效率。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，有助于热效率的提高。9.5.3干燥时间的计算（1）恒定干燥条件下的干燥时间计算（间歇过程）总的干燥时间：

τ=τ1+τ2a：恒速干燥阶段干燥速率R的求取：▲由实验测定，实验条件必须与待设计的干燥器条件（如干燥器型式、空气流速及空气的状态、湿物料的堆积厚度等）相同。▲也可按传质或传热速率式估算恒速阶段的干燥速率R。kH

、h

可由实验求得。或：适用于：kg/m2h空气平行流过物料表面：W/m2

oCt=45oC—150

oC空气垂直流向固体表面：适用于：kg/m2hkH

、h

计算可供参考的经验式：b：降速阶段的干燥时间①积分法求解：干燥曲线已知，将1/

R

对相应的X

值进行标绘，求 得X2-Xc之间的面积，再由上式求得干燥时间τ2。特点：比较准确，但计算较繁，且事先应具有从实验获得的与生产条件相仿的干燥速度曲线。②近似计算简化：当降速段的速率曲线近似以临界点C与平衡含水量E点的联线替代降速段曲线时，R与X-X*成正比。计算式：对多孔性物料，符合毛细管理论的干燥过程适宜采用这种方法。③

按扩散理论计算厚度为l的平板，当侧面和底面绝热，干燥只在表面上进行时，在干燥时间较长时，最终含水量为

X2所需降速干燥时间为：上式中的DL为常数，但DL是随含水量和温度而变化的，含水量越大，温度越高，DL越大，计算时应采用实验所得的平均值。（2）非恒定干燥条件下的干燥时间计算（连续过程）实际干燥过程，干燥条件不是恒定的。一连续逆流干燥器物料与空气的温度沿流程的分布曲线：Ⅰ区—预热区，可忽略不计Ⅱ区—干燥的第一阶段

Ⅲ区—干燥的第二阶段总干燥时间τ=τ1+τ2a：干燥的第一阶段干燥的第一阶段，任一截面都可写出传递速率关系：任一微元距离内，空气与湿物料逆流接触的时间为dτ，相应的湿度和水分含量的变化为dH与dX，根据物料衡算有：qmcdX=qmLdH若干燥的第一阶段为绝热冷却过程，kH和Hw均为常数物料衡算：第二阶段任一截面和物料出口之间水分的衡算：b：干燥的第二阶段干燥速率与自由水分的关系仍可用下式表示：如空气的状态变化可视为绝热冷却过程，Hw=const.（3）干燥过程设计参数的确定a：空气的进口温度与湿度▲进口温度：为了强化干燥过程，降低设备成本，应提高空气的入口温度。▲进口湿度：空气的进口湿度愈低，所需的空气量就愈少。一般情况下，空气的进口湿度决定于当时当地的大气状态b：空气出口温度降低空气的出口温度，可减少空气的消耗量、提高热效率、降低操作费用。▲在并流操作中，一般取气体出口温度比固体出口温度高10~20℃▲在逆流操作中，一般可选100℃作为初步设计值。c：湿物料的出口温度目前还没有较精确的计算公式，一般取相似于设计条件下的实验值，或用经验式估算。式中

θmax为物料允许的最高温度。对于细颗粒或液滴并流干燥时，湿物料的出口温度θ2为：9.6

干燥器为满足生产需要，干燥器应达到以下基本要求：▲适应被干燥物料的多样性和不同产品规格要求▲设备的生产能力要高▲能耗的经济性▲便于操作、控制等。9.6.1

工业上常用干燥器（1）厢式干燥器（盘架式干燥器）原理：主要是以热风通过湿物料的表面，达到 干燥目的。1—空气入口2—空气出口3—风扇4—电动机5—加热器6—挡板7—盘架8—移动轮结构：厢式干燥器中的加热方式有两种：单级加热多级加热具有中间加热的干燥过程具有废气循环的干燥过程采用废气循环法，优点：①可灵活准确地控制干燥介质的温度、湿度；②干燥推动力比较均匀；③增加气流速度使得传热（传质）系数增大；④减少热损失，但干燥速率常有所减小。厢式干燥器的优点：构造简单，设备投资少；适应性强，物料损失小，盘易清洗。尤其适用于需要经常更换产品、小批量物料的干燥厢式干燥器的主要缺点：物料得不到分散，干燥时间长；若物料量大，所需的设备容积也大；工人劳动强度大；热利用率低；产品质量不均匀。（2）气流式干燥器结构：两段式气流干燥器脉冲式气流干燥管的一段优点：①气、固间传递表面积很大，体积传质系数很高，干燥速率大。②接触时间短，热效率高，气、固并流操作，可以采用高温介质，对热敏性物料的干燥尤为适宜；③由于干燥伴随着气力输送，减少产品的输送装置；④气流干燥器的结构相对简单，占地面积小，运动部件少，易于维修，成本费用低。缺点：①必须有高效能的粉尘收集装置，否则尾气携带的粉尘将造成很大的浪费，也会对形成对环境的污染；②对有毒物质，不易采用这种干