固体物料的干燥

1、第十一章 固体物料的干燥主要内容：湿空气的性质几湿度图；干燥过程的物、热衡算；干燥速率和干燥时间；干燥器。重点内容:干燥器的物料衡算与热量衡算；干燥速度与干燥时间。难点：空气干燥器的热量恒算。课时安排：6第一节 概述一、干燥的分类和用途讲到干燥，自然联想起农村晒谷子，生活中晒衣服，想必干燥即除水操作。如果干燥在太阳下才能实现，则化肥厂，制药厂，染织厂需要开辟大规模的“晒场”，才能正常生产。显然生活中的晒衣服与干燥的操作是有区别的。利用热能使湿物料的湿份汽化，水汽或湿份蒸汽经气流带走，从而获得固体产品的操作。如图11-1所示。 图11-1 干燥示意图二、干燥操作在化工生产中的应用化工原料工业，聚

2、氯乙稀的含水量不能高于0.3，否则影响制品的质量。制药工业，抗菌素的水分含量太高，会影响使用期限。染料工业，未经干燥的染料，影响染色质量。所以化工、轻工、造纸、制革、木材、食品等工业均利用到多种类型的干燥操作。三、干燥操作的分类按传热方式分为：传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥；按操作压力分为：常压干燥、真空干燥；按操作方式分为：连续式、间歇式。第二节 湿空气与性质湿度图一、 湿空气概述什么是湿空气：大气是干空气与水汽的混合物，亦称为湿空气。要研究空气的性质，首先想到，湿空气是混合物，则混合的比例是多少呢？所以要研究，湿度性质（湿度，相对湿度，绝对湿度百分数）其次想到，空气是气体，应适

3、用于气体状态方程，即温度、压力、体积。所以要研究，温度性质（干球温度、湿球温度、绝热饱和湿度、露点）容积性质（湿容积、饱和湿容积）。由于大气压力，对一定地区，约为定值，所以不研究压力性质。再其次，要研究空气对湿物料的传热，所以要研究，空气的比热性质（湿热焓）所以要研究湿空气，实质是研究空气的四大类性质。为了叙述方便，我们假设下面三个前提：（1）干燥过程的湿空气，可作为理想气体处理，诸如理想气体方程式，道尔顿分压定律，均可应用于湿空气。（2）因为干空气是作为热载体，它的质量在干燥过程中始终不变，所以湿空气的有关参数均为单位质量的干空气为基准。（3）系统总压 101.3 。二、湿空气性质1.湿度H

4、 湿空气中单位质量干空气所具有的水汽质量，干空气。式中， 水汽的分子量，；空气的分子量，；水汽的摩尔数，；空气的摩尔数，；若湿空气总压为，水汽分压为，则干空气分压为，相除得： 在式中，若分压等于同温度下的饱和蒸气压，即 时，则此时湿度称为饱和湿度，用表示，2.绝对湿度百分比。在一定温度和总压下，湿空气的湿度与饱和湿度之比的百分数，即是：3.相对湿度 在一定总压下，湿空气的水汽分压与同温下饱和水蒸汽压之比，即相对湿度，以示之。 的物理意义，由定义得 当 时，推动力 ，说明此时的湿空气已被水汽饱和，不能再吸收水分了。减少，即 时，湿空气吸收能力增加。 时， ，说明此时湿空气吸湿能力增至最大。所以说

5、，相对湿度，表示了湿空气吸湿能力。能否表达湿空气的吸湿能力呢？由 所以 由此式看出，的大小，并不能确定推动力 的大小，所以说，只能表达湿空气中，水汽含量的绝对值，并不能表示湿空气吸湿能力的大小。所以 式、合并得， 此式将 ， 联系在一起，是个重要公式。4.湿空积湿空气的比容，即每 干空气和其所带的 水汽所具有的体积，以表示，单位是 干空气。干空气比容，每干空气的体积，示之；水汽比容，每水汽的体积，示之。1干空气，为，在压力为，温度为时，其体积为： 29干空气，在压力为，温度为273时，其体积为： 得： 同理，1水汽，摩尔数为，在压力为时，其体积为 得： 亦可这样导出，1干空气为,水汽为，在压力

6、为时，总体积为： 得： 5.饱和容积被水汽饱和的湿空气比容，以表示。被水汽饱和的湿空气湿度为6.湿热湿空气的比热。 在常压下，1干空气和其所带的水汽升高温度1，所需的热量，称为湿热。 式中，干空气比热，水汽的比热，在工程计算中，常取， 7.焓湿空气热焓，为每1干空气与其所带的水汽所具有的热焓之和。 一般焓的计算是以273为基准的。式中，湿空气的焓，； 干空气的焓，； 水汽的焓，； 水在273时的汽化潜热，取。代入式，得： 8.干球温度。用普通温度计量法所测得的湿空气的温度，称为干球温度。单位用开尔文温度。9.露点。不饱和的湿空气在总压与湿度保持不变的情况下，降低温度，使之达到饱和状态之湿度，即

7、为露点。某湿空气下的湿度与该湿空气在某一温度下的湿度应相等。，即已知露点求湿度的原理。若总压，湿度为已知，可求出饱和水蒸气分压，查水蒸气压表，与相应温度即为露点。此即已知湿度求露点的原理。10.。如图11-2所示，左边的温度计（A），感温球裸露在空气中，则此温度计所测得的温度为空气的干球温度。右边的温度计（B），感温球用纱布包裹，纱布用水保持湿润，则此温度计所测得的温图11-2 11-3 水蒸发热平衡示意图 11-2湿球温度测量图为空气的湿球温度。设有温度为，湿度为,水汽分压为的大量空气流经AB温度计，假定开始时，AB温度计显示出相同的温度。由于湿纱布表面的水汽分压，湿纱布中的水分会汽化。单位

8、时间汽化所需热量为。由于汽化的热量，只能取自于水中的显热，所以纱布中的水温要降低，比如降至，这时空气中的温度高于水的温度，即，于是有热量由空气传至纱布中，单位时间传递的热量为。起初，差值较小，水温继续下降，则上升，当降至时，传热速率达到动态平衡，纱布中的水温不再降低，此时水温即为湿空气的湿球温度。如图9-3所示。由 得 式中，湿纱布与空气的接触面积，； 空气至纱布的对流传热膜系数，； 湿球温度，K ； 干球温度，K ；时的饱和水蒸气压，。另一方面，水汽扩散的推动力，亦可用其对应的湿度差表示。为水汽分压为时的湿度。则依水汽通过有效气膜的传质速率，可写出： 式中，以湿度差为推动力的传质系数， ；湿

9、球温度下的饱和湿度， ， 是与对应的水的饱和蒸气压 ；湿空气的湿度，。联立式、， 得： 若已知干球温度，求湿球温度，要用试差法。11.绝热饱和温度。如图11-4所示绝热饱和器。当湿度为温度为的不饱和空气与大量的循环水密切接触时，水就向空气中汽化变为水汽，所需潜热只能取自空气中的显热。即空气的湿度在增加，而温度则在下降。因为是绝热过程，所以空气的焓是不会变的。当空气被水汽饱和时，水不再汽化，空气温度也不再下降，而等于循环水的温度，此温度称为该空气的绝热饱和温度，其对应的饱和湿度为，进入湿空气的焓为，湿空气经增湿冷却后的焓为 图11-4 绝热饱和器示意图设 则 (VII)式中，空气的干球温度，；

10、空气的绝热饱和温度，；空气的湿度，； 空气在， ；水在273时的汽化潜热，。简言之，当空气在焓不变的情况下增湿冷却，而达到饱和的温度，即为空气的绝热饱和温度。若将式与式进行比较，如果，则。例如当时， ，温度不太高，相对湿度不太低时，得干空气。所以。而 ，即可认为。所以当空气温度不太高，相对湿度不太低时，即湿球温度接近273时，则。对于空气水系统的计算可认为绝热饱和温度与湿球温度相等。对于不饱和的湿空气， 对于饱和的湿空气，四、湿空气计算举例【例11-1】 某湿空气的总压，干球温度，相对湿度。试求湿空气的湿度；湿球温度或绝热饱和温度；露点；湿容积；饱和湿容积；湿热；焓；水蒸气分压。解：查时，水的

11、饱和蒸气压。（1）干空气（2）要用试差法求，设，查得水在325的饱和蒸气压，干空气（说明假设偏高）又设，查得水在的饱和蒸气压 （说明假设偏低）这说明在和之间，试差法难于计算。所以。（3）查水的饱和蒸气压表，得（4）（5）时，（6）（7） （8）五、 湿空气图绘制利用公式计算湿空气的各种性质参数，相当繁琐，有时还要用试差法计算，利用算图，则十分便捷。关于湿空气的算图已绘有数种，且各有所长，亦有所短，就准确而论，当推谭天恩的图，只可惜不能求取湿空气的比容与比热，又没有采用国际单位制，采用45的斜座标系，使初学者学起来难以理解。由本课件主持人祁存谦所绘制的、改进的湿空气图，如图9-5所示，各种参数求

12、算全面，精度亦足够准确，采用国际单位制，且为常用的直角坐标系，为一实用的湿空气算图。 图11-5 大气压下湿空气TH图1.等温线。在图11-5中，是与纵轴平行的一组直线，每根直线都是等温度线。2.等湿线。在图11-5中，是与横轴平行的一组直线，每根直线都是等湿度线。3.等相对湿度线（等线）。 对于某一定值的，取温度，由饱和蒸气压表，查得相应的，然后由式计算得到相应的，。可得到时的一条等线。再令，又可得到一条等线，图9-5绘出了1510100共12条等线。4.湿热湿度线 按上式作图即湿热湿度线。5.汽化潜热线。 将各种温度下水的汽化潜热（查水蒸气性质表），标注在图上，即汽化潜热线。6.湿容积线。

13、由下列式，以为参变量，由至干空气，共作了八条湿容积线。 式中，湿空气比容， 干空气。这样，由图11-5中可直接读出湿容积，避免了内插法。7.水蒸气分压线。 由下列式，可作出水蒸气分压湿度线。式中，湿空气的水蒸气分压， ；六、 图的绝热冷却线绝热冷却线应该是等焓冷却至饱和的线，其方程为：，或写成： 式中，、湿空气的焓和饱和湿空气的焓， 干空气； 、湿空气的干球温度和绝热饱和温度， ；、湿空气的湿度和温度为时空气的饱和湿度， 干空气； 温度为273时水的汽化潜热，。由方程得到一系列线群，即为绝热冷却线。若令，计算得干空气，干空气，代入上式得：或 由上式看出，此线的斜率与截距都随而变。但当由315变

14、至373时，斜率由3.92810变至3.76910截距由0.1785变至0.1712，由于变化甚微，可当作直线处理。该直线即为等线，亦为等焓线干空气)，亦为绝热冷却线。同理，本文共作了12条绝热冷却线，由图9-5中看出，它们之间并不相互平行。各绝热冷却线的方程，可看作是过该线两个端点的直线。例如的这条线，可看成是过下列两点：和，其方程为：当时，则：干空气现将其他各线之计算结果列在表11-1中。 表11-1 焓差与湿度差之比例系数计算表由表11-1中看出，焓差与湿度差之比例系数近于常数，其相对误差在以内。因此，我们可以将焓值等刻度列在等线上。由图9-5确定某空气状态的焓值时，可过该空气状态点，作

15、邻近两条绝热冷却线的平行线，与焓值座标相交，即读得焓值。的绝热冷却线与饱和空气线之点座标，由下列方程组可得到：式中，湿空气达到饱和时的水蒸气分压和湿空气总压 用试差法求解，得，即交点温度与相等。所以，过某点作绝热冷却线之平行线，其与饱和空气线相交，读得即为。关于等湿温度线，可由下列方程逐条画出。式中，湿空气的湿球温度，； 温度为时水的汽化潜热，；温度为时空气的饱和湿度，干空气。我们发现，当时，而且时，但相差甚少。所以，图11-5中未画出湿球温度线，而取七、 图应用举例【例11-2】 利用湿空气图，求【例11-1】中的湿空气有关参数。解：首先在图11-5中找到的相对湿度线与的等温线之交点。过作水

16、平线，交湿度座标得湿度干空气，交的相对湿度线于点，由作垂线交温度座标得露点，交湿热线于点，由作垂线交湿热线横座标得湿热干空气，交水蒸气分压线于点，由作垂线交水蒸气分压座标得。再过作相邻绝热冷却线的平行线，交焓值座标得焓干空气，交的相对湿度线于点。由作垂线交温度座标得湿球温度。最后过作垂线交干空气的容积线于点，交饱和容积线于点，由和作水平线交比容座标分别得湿容积干空气和饱和湿热容积干空气。图9-6简要表达了查图方法。 图11-6 【例11-2】 附图现将计算法本课件图、柯尔森图法、图法所得的结果列在表11-2中。 表11-2 各种算图计算结果比较方 法项 目 计算法本课件TH图法柯尔森TH图法I

17、x图法查图换算0.08720.08730.1080.0860.086324.7324.832852325323.5323.3327503231.1071.11内插1.4031.401.401.1741.1741.22299.53007071296.112.4612.593.0 mmHg12.4从表11-2中看出，文献的图相差甚大，而本文的图，较之其他各类算图，具有求算全面数值准确节省时间等优点。八、 图应用举例【例11-3】 在常压连续干燥器中，须蒸发水分量为。空气采用废气循环操作。循环比（循环废气中绝干空气质量与混合气中绝干空气质量之比）为。设空气在干燥器中经历等焓增湿过程。已知新鲜空气的状

18、态为干空气；废气状态为干空气。试求新鲜空气的体积流量及预热器的传热量。预热器热损失可忽略。解：如图11-7所示，点为新鲜空气状况，查得湿容积干空气。点为废气状况。点为混合气状况，点由循环比确定，即。得，干空气，干空气。点为干燥器前状况，得，干空气。 图11-7 【例11-3】附图对包括预热器，混合器及干燥器的整个系统作水分的衡算，并令新鲜空气消耗量为，得： 公斤干空气新鲜空气体积流量 ，预热器传热量 九、三种类型湿度图比较从苏联沿袭过来并由谭天恩绘制的图，目前国内教材使用较多，其特点是等湿线等焓线平行，但等温线不平行。如图9-8所示，而且该图不能读取。柯尔森教材的图，欧美国家使用较多。其特点是

19、等温线，等焓线（或绝热饱和线）平行，但等湿线不平行，而且该图不能读取焓和水蒸气分压。本课件主持人祁存谦绘制“改进的湿空气图”，其特点是等温线，等湿线平行，但等焓线不平行，可以读出所有参数值，采用直角坐标体系，初学者更容易理解。该图初载于1984年第4期“化学世界”。王振中编写的化工原理教材引用了该图。该教材1986年由化学工业出版社出版以来，截止至2001年9月，已总计印刷35万册，创同类教材印刷数量之最柯尔森的 T-H 图等温线平行，等焓线（绝热冷却线）平行，但等湿线是发散的。前苏联的I-x图等湿线平行，等焓线平行，但等温线是发散的。祁存谦改进的 T-H 图等温线平行，等湿线平行，等焓线发散

20、。图11-8 三种湿度图比较第三节 物料衡算与热量衡算一、物料衡算概述在干燥器的设计计算中，通常已知：（1）单位时间被干燥物料的质量，（2）干燥前、后物料中的含水量和，（3）湿空气进入干燥器前的状态和，（4）如果确定了湿空气离开干燥器时状态，这将利用热量衡算加以解决。则可以求得水分蒸发量和干燥产品的质量，而空气消耗量L，直接关系到预热器的能力和干燥器尺寸的设计。如何进行物料衡算？1 物料含水量的两种表示方法湿基含水量=干基含水量=与之间的换算关系的推导：设水分质量为,绝干料质量为则， 二式相除得 ， 。由 可推得 二、物料衡算方程如图11-9所示，湿物料与热空气并流进入干燥器，连续操作 图11

21、-9 干燥器物料衡算对干燥器中的水分进行衡算： ， 代入式得： 式中，湿物料中绝干料的质量流量，；干空气的质量流率，；分别为湿物料的质量流率和湿基含水量，；分别为产品的质量流率和湿基含水量，；设水分蒸发的质量流率为 则 设单位空气消耗量为，则若须选定风机型号，则须计算湿空气的流量 而 上式中湿空气的T和H，由风机所在P位置的空气状态而言。三、物料衡算计算举例【例11-4】 用干燥器对某盐类结晶进行干燥，一昼夜将10吨湿物料，由最初湿含量10%干燥到最终湿含量1%（以上均为湿基），经预热器后的空气的温度为373，相对湿度为5%，空气离开干燥器时的温度为338，相对湿度为25%，且已知进预热器前空

22、气温度为293。当338时，水的饱和蒸气压为24.99。试求：（1）产品的质量流率，（2）如干燥器的截面为园形，假设热空气在干燥器的线速度为0.4，干燥器的直径。解：如图9-10所示： 图11-10 【例11-4】附图（1） （2）思考路线 （即为373或100时水的饱和蒸气压，应为1大气压，即101.3） 湿空气比容，按进入干燥器的空气状态计算，即， 湿空气流量为 干燥器直径 四、干燥器热量衡算通过对干燥器的热量衡算，可以确定多项热量的分配情况和热量的消耗量，可作为计算空气预热器的传热面积，加热剂用量，干燥器尺寸，干燥器的热效率和干燥效率的依据。如图11-11所示。 图11-11 干燥器热量

23、衡算上图中， 分别为进料和产品的温度，； 分别为进料和产品的质量流率，；分别为干料和水分的比热，； 蒸发水分流率，；下面以273为基准，对干燥器进行衡算。输入的热量为：（1）热空气输入的： （2）湿物料中的蒸发水分输入的： （3）湿物料中，将成为产品的干料输入的： 输出的热量为： （1）废气中，原来湿空气带走的： （2）废气中被蒸发水汽带走的： （3）产品中带走的： （4）干燥器的热损失： 空气在干燥器中放出的热量=蒸发水分须热+产品升温+热损失即 将 代入上式，得： 此式在确定出口空气状态时，将用到。【例11-5】有一逆流操作的转筒干燥器，如图9-12所示，筒径1.2，筒长7，用于干燥湿基含

24、水量3%的某晶体，干燥产品的湿基含水量为0.2%，干燥器的生产能力1080产品，冷空气为=293及=60%，流经预热器（器内加热水蒸气的饱和温度为383）加热至363，进入干燥器，而空气离开之温度为328，晶体物料在干燥器中温度由293升至333而排出，绝对干料的比热为1.26。试求：（1）蒸发水分量；（2）空气消耗量及出口空气湿度；（3）预热器中加热水蒸气消耗量（若热损失为10%）。 图11-12 【例11-5】附图解：（1） 忽略干燥器的热损失，即0.(2) 两式联立，求, 。由，查图得 (3)空气由预热器获得的热量: 预热器供给的热量 查表得383时饱和蒸气潜热为 水蒸气消耗量 第四节

25、干燥速率与干燥时间一、 物料所含湿份的性质前面通过讲解湿空气的性质、干燥器的物料衡算和热量衡算，可以得到完成一定干燥任务所需要的空气量及加热量，继而为选用风机及预热器提供了依据。至于干燥周期的长短，干燥器尺寸大小，则须通过干燥速率与干燥时间的计算来确定。干燥过程，就是物料的湿份由物料内部迁至外部，再由外部汽化进入空气主体的过程。湿份迁移的速度，即干燥速率，取决于：湿空气的性质和物料所含湿份的性质。一、平衡水分与自由水分 按水分能否用干燥方法除去的原则，分为平衡水分和自由水分，如图9-13所示。干燥推动力 图11-13 颗粒干燥示意图1、当，即时，物料中还存在着水分，为平衡水分，以表示。2、物料

26、中所含水分，大于的那一部分为自由水分。 自由水分总水分平衡水分 平衡水分依所接触的空气的与的不同而改变。如图11-14所示，木材与，的空气接触时，；与，的空气接触时， 图11-14 298K时某些物料的平衡水份二、结合水分与非结合水分 结合水分物料中所含水分。其蒸气压低于同温下的水的饱和蒸气压，即，这部分水分为结合水分。 非结合水分物料中所含水分大于结合水分的那一部分为非结合水分。如果将图9-14各线延长，使与相交，交点以下的为结合水分。交点以上的为非结合水分。【例11-6】图11-15为某物料在时的平衡曲线。设物料的含水量为，若与的空气接触，试划分该物料平衡水分与自由水分，结合水分与非结合水

27、分。 图11-15 【例11-6】附图 曲线与的线交于，读得 曲线与的线交于，读得 平衡水分为 自由水分为 结合水分为 非结合水分为 三、 干燥速率与速率曲线干燥速率单位时间在单位干燥面积上汽化的水分质量，即干燥速率。用微分式表示为：因为 (XII) 负号表示物料含水量随干燥时间的增加而减少。类似于传热中的傅立叶定律，要加上负号一样的道理。式中，干燥速率，； 汽化水分量，；干燥面积，； 干燥所需时间，；绝对干料的质量，；干燥速率可由干燥实验求得。取一干燥试样，已知其面积，其绝干物料质量。空气为恒定状况下，对试样进行干燥。减重时，记下所需时间，于是记下了一系列，和对应的一系列，。因为，所以可画出曲线，即干燥速率对干基含水量的变化曲线。如图9-16所示，即干燥速率曲线。 图11-16 干燥速率曲线段，称预热段，时间很短；段，称恒速干燥阶段；段，称不饱和降速干燥阶段；段，称汽化平面内迁干燥阶段；称为临界含水量，处于恒速干燥阶段； ，处于降速干燥阶段；称为平衡含水量。三、恒速干燥速率计算在恒速阶段里，即图9-16的段内，物料表面覆盖一层水分，一般认为全部是非结合水分。物料