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1、现代干燥技术,2005年1月,第一篇 干燥过程的基本原理,第1章 湿气体和湿物料的性质 1 湿气体的性质和湿度图 1.1 纯物质的基本热物理性质 1.1.1 汽-液平街 当液体暴露于气体中时，液体汽化，形成蒸汽并逸入气相中。设蒸汽为理想气体，则有,式中，Pw、V、T为蒸汽压、体积和温度；R为气体常数；Vw为气体的摩尔体积；mw、Ww为蒸汽的质量和分子量。,第1章 湿气体和湿物料的性质,在任一温度下，Pw可能达到的最大值是饱和蒸汽压。如果标绘此物质的蒸汽压与温度图，可得如图1-1所示的TC曲线(汽-液平衡曲线)。在此图上也可作出固-液平衡曲线(熔化曲线TL)和固-汽平衡曲线(升华曲线TS)。在图

2、上的T点处，所有三相能同时存在，T点称为三相点。液体和蒸汽沿TC线同时存在，并对应于饱和液体和饱和蒸汽状态，C点称为临界点。液相和汽相的差别在此点处消失，此时液相的全部性质如密度、粘度、折射率等和汽相的全部性质是相同,第1章 湿气体和湿物料的性质,的。高于临界温度的物质是气体。对应于TC曲线上每一点压力的温度即为沸点。对应于101.3kPa压力(常压)时的温度称为常态沸点(100)。水的三相点(T)温度为0，对应的压力为0.611kPa。1.1.2 焓及临界点 所有物质都具有和组分原子和分子的运动状态有关的内能。,第1章 湿气体和湿物料的性质,内能的绝对值M(J/kg)是未知的，但是相对于某一

3、任意定义的基准温度便可计算其数值。此外，在稳定流动系统中，有一种为克服阻力以强制流入和流出系统的附加能量。单位质量的附加能量，称为流动功，记为 。此处， 为压力； 为比容。单位质量内能 和流动功PD之组合称为焓I，由下式定义:,其单位为J/kg或Nm/kg。某物质焓的绝对值和内能同样是未知的。可以计算在某一条件下焓的相对值，,第1章 湿气体和湿物料的性质,只要假设在某个习惯的参照状态下，焓值为零即可。零焓的习惯参照状态取为液态水的三相点，即温度为273.16K(0.01)和蒸汽压为611.2Pa。 1.1.3 热容 热容定义为使单位物质质量升高单位温度需要的热量。 1.2 湿空气(空气蒸汽混合

4、气)的基本性质 多数工业干燥过程采用预热后的空气作为干燥介质。空气是含有少量水蒸气的一种气体混合物。预热后的空气在与湿物料接触时把热量传递给湿物料，同时又带走从湿物料中逸出的水蒸气，从而使湿物料干燥。在干燥过程计算中必需知道湿空气的,第1章 湿气体和湿物料的性质,基本热力学性质。 本章的主要研究对象是由于空气和水蒸气组成的湿空气，且设总压为0.101MPa(一个大气压)。但是各种计算湿空气性质的关系式，对于总压大于或小于0.101MPa的系统，以及由其他惰性气体和挥发性组分组成的混合气系统也是适用的。后者在工业干燥系统中常有应用。 (1) 干球温度Tg 用普通温度计在空气中测得的温度称为干球温

5、度。,第1章 湿气体和湿物料的性质,(2) 绝对湿度y 每千克干空气中含有水蒸气的质量，称为空气的绝对湿度，又称湿度或湿含量，可表示为：,(3) 相对湿度 湿空气的实际蒸汽压与相同温度下的饱和蒸汽压之比，称为相对湿度,第1章 湿气体和湿物料的性质,(4) 湿气体的比容(湿容积) 湿空气的比容是在一定温度和压力下，1kg干空气及其携带的水蒸气量(kg)所占有的体积。 (5)湿空气的密度 湿空气的密度是单位体积的湿空气所对应的质量。 (6)湿空气的比热容 (又称湿热或湿比热容) 湿空气的比热容是1kg干空气和其中含有的水蒸气组成的混合湿空气的比热容。 (7)湿焓I 湿空气的焓是1kg干空气及其携带

6、的水蒸气焓值之和。,第1章 湿气体和湿物料的性质,(8)露点ts 使不饱和的湿空气在总压和绝对湿度不变的情况下冷却达到饱和状态时的温度，称为该湿空气的露点。 (9)湿球温度 tw 在不饱和的空气-蒸汽混合气环境中，湿物料(含水量足够多)蒸发少量液体而达到平衡时的温度，称为湿球温度。 (10)绝热饱和温度tas 在一个绝热系统中，湿空气与液体接触足够长的时间达到平衡时，湿空气便达到饱和。此时气相和液相为同一温度。在达到平衡的过程中，气相显热的减少等于部分液体汽化所需的潜热，因而湿空气在饱和过程中的焓保持不变。此平衡温度称为绝热饱和温度。,第1章 湿气体和湿物料的性质,1.3 蒸汽-空气湿度图 常

7、见的湿度图有两种：一种是温度-湿度 t-y图;另一种是焓-湿度(I-y)图。 在t-y图上，横坐标为温度t，纵坐标为绝对湿度y。此外，还有辅助纵坐标，如汽化潜热r、湿比容 等，如图1-5所示。图1-5上诸线是根据前面所述各参数之间的关系和补充某些参数之间的热力学关系而绘制的，其作图关系式如表1-3所列。使用该图时，由任意两个参数便可确定湿空气的状态点，并进而可查出其他参数。,第1章 湿气体和湿物料的性质,2 湿物料的性质 2.1 物料的湿含量 物料中湿含量可按两种方法定义： 干基湿含量 湿基湿含量 式中，mw和md分别为湿物料中湿分质量和绝干物料质量； md+mwmm 为湿物料的质量。,第1章

8、 湿气体和湿物料的性质,2.4 物料和湿分的结台形式 从干燥的平衡特点看，根据空气相对湿度及物料混含量的大小可分别定义为：结合水分和非结合水分；平衡水分和自由水分。结合水分是空气相对湿度为100时物料的平衡水分。此时物料湿含量又称为最大吸湿湿含量，在图1-13上记为Xmax，物料中超过此湿含量的水分称为非结合水分。对应于吸附等温线上任意点的湿含量称平衡水分，超过此湿含量的水分，称为自由水分。,第1章 湿气体和湿物料的性质,第2章 干燥中的试验技术和测量方法,干燥过程的计算需要许多干燥工艺参数，如物料的特性、干燥动力学数据、传递系数等。在大多数情况下，这些参数不能由分析得到，而需由充分的试验来测

9、定。 干燥试验的目的一般如下： (1)选择适宜的干燥设备； (2)确定设计所需的数据； (3)考察已有干燥设备的有效性和处理能力； (4)考察操作条件对产品性状和质量的影响； (5)研究干燥机理。,第2章 干燥中的试验技术和测量方法,当试验的目的是选择适宜的干燥设备和确定设计所需要的数据时，需在试验设备上作一系列试验。试验设备应与实际设备为同一种类型，并在相同的热力条件和物料处理状态下作试验。参数变动的范围要宽一些。在有条件时试验最好在已有的工业设备上进行。 2物料湿含量和气体湿度的测定 物料湿含量的测定方法，一类是直接测量法，另一类是间接测量法,直接测量法包括：物料加热法，化学干燥法，共沸蒸

10、馏法，化学滴定法 间接测量法包括：电导率、电容、微波、远红外吸收等 气体湿度的测量方法有: 重量分析法，湿度计，露点法 3 物料吸附平衡特性的测定,第2章 干燥中的试验技术和测量方法,4 湿分扩散率(或称湿分扩散系数) 5 热导率 6 相间传热系数和传质系数 7 干燥常数 8 干燥动力学试验 干燥动力学试验的目的主要是测定物料平均湿含量和平均温度(通常是测定物料的表面温度)随时间而变化的数据。根据实验结果获得一组数据，由此绘制下列曲线：物料湿含量-干燥时间（干燥曲线），干燥速率-物料湿含量（干燥速率曲线）。,第2章 干燥中的试验技术和测量方法,第2章 干燥中的试验技术和测量方法,第2章 干燥中

11、的试验技术和测量方法,第3章 基本干燥过程的计算,1 干燥过程计算的目的 干燥过程计算的目的在于确定以下数值： 干燥设备的尺寸； 干燥介质和被干燥物料进出口的参数值； 干燥介质和热量的需要量。 在此基础上，确定热交换器、风机、除尘器以及各种项处理设备等辅助设备的性能参数。在干燥设备设计中涉及的最重要的参数如图31所示。,第3章 基本干燥过程的计算,通常已知下列数据： 干燥器的型式已选定； 以绝干物料计的产量Ws； 物料的进、出口湿含量x1和兄x2； 物料的进、出口温度Tm1和Tm2； 干燥介质(空气)进入干燥器时的湿度y1。,第3章 基本干燥过程的计算,图31中带*号的参数是未知量。干燥器的设

12、计在选定了“目标函数”后是一个复杂的寻优过程。目的是求得主要参数的最佳值，如单位产品的干燥价格为最低等，也可采用多目标优化。,第3章 基本干燥过程的计算,但在实践中，常因假设了某些参数而忽略了优化，这些参数为气流速度ug：，进口气体温度Tg1，惰性气体流量WB等。 干燥器的设计过程通常包括下列计算步骤： 由热、质衡算确定出口空气的温度Tg2和湿度y2； 由Tg2、y2及其他有关参数确定干燥操作的平均推动力； 确定热、质传递系数；,第3章 基本干燥过程的计算,以传热、传质动力学方程为基础，确定传递面积，并进而确定干燥器操作室的尺寸。 干燥过程的能量消耗对干燥器的设计和操作影响很大。有多种技术经济

13、指标可作依据。常用的指标为：,第3章 基本干燥过程的计算,2 总体热质衡算 2.1 质量(物料)衡算 上式中等号的左项和右项均等于干燥器中蒸发的水分质量(WA)。 2.2 热量衡算,第3章 基本干燥过程的计算,第3章 基本干燥过程的计算,热量衡算方程： 通常绝热干燥过程的总体热量衡算及传热、传质动力学可列出以下5个方程：,第3章 基本干燥过程的计算,第4章 干燥过程的数学模型和模拟基础,1 数学模型 1.1 定义 所谓“数学模型”是指用数学表达式表示现实事物。即运用数学语言对现实世界的信息加以归纳和描述，是对现实世界的抽象。 1.3 数学模型的分类 数学模型的分类和基准有关。,第4章 干燥过程

14、的数学模型和模拟基础,第一种分类是与时基有关的，按事件产生的时间关系可将模型分成以下两种。 (1)连续模型(Continuous model) 如果过程连续进行，即模型的时间变量在某一时基上按实数平稳的增加，则该模型为连续模型。如谷物干燥喷雾干燥、气流干燥以及作物的生长等常采用连续模型。,第4章 干燥过程的数学模型和模拟基础,(2)离散模型(Discrete model) 如果时间的流逝为跳跃式，即模型的时间变量从一个时间整数跳跃到下一个时间整数，这样的模型叫离散模型。它描述的是一个间断的，不连续的过程。如谷物的收获、运输和储存过程采用离散模型。 第二种分类是按模型描述中是否有随机变量，模型可

15、分成以下两种。,第4章 干燥过程的数学模型和模拟基础,(1)确定模型(Deterministic) 一个系统的输出完全取决于输入，模型的结果与输入参数之间有确定的关系。模型内不包含随机变量。这样的模型叫做确定模型。 (2)随机模型(Stochastic model) 模型中至少包含一个随机变量，一样的输入可能会得出不同的输出结果。例如模拟土壤在某一个月份的含水量，由于它与降雨时间和降雨量这两个随机变量有关，属于随机模型。随机模型也叫概率模型。,第4章 干燥过程的数学模型和模拟基础,第三种分类是按照模型参数的关系是否依赖于时间分成以下两种： 时变模型 时不变模型 第四种分类是按照建模的方法分为经

16、验模型和理论模型。 2.5 模拟的步骤,第4章 干燥过程的数学模型和模拟基础,5 气流干燥的模拟 建模的假设条件： (1)干燥管内沿横截面物料分布均匀，气流分布均匀； (2)物料颗粒为球形，粒径和水分均匀一致； (3)干燥管绝热，无散热损失； (4)干燥管与水平面垂直，管内物料与热空气同向运动。,第4章 干燥过程的数学模型和模拟基础,气流干燥的数学模型： 气流干燥模型的建立是基于传热、传质和两相流理论。它包括以下5个常微分方程：,第二篇 干燥方法和干燥器,（第五章第二十七章）,第5章 隧道干燥器和厢式干燥器,1 厢式干燥器 厢式干燥器内部主要结构有：逐层存放物料的盘子、框架、蒸汽加热翅片管(或

17、无缝钢管)或裸露电热元件加热器。由风机产生的循环流动的热风，吹到潮湿物料的表面达到干燥目的。在大多数设备中，热空气被反复循环通过物料。,第5章 隧道干燥器和厢式干燥器,厢式干燥器的工作原理和结构，如图5-1所示。,第5章 隧道干燥器和厢式干燥器,厢式干燥器中，一般用盘架盛放物料。优点是：容易装卸，物料损失小，盘易清洗。主要缺点是：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，如需要定时将物料装卸或翻动时，粉尘飞扬，环境污染严重；热效率低，一般在40左右，每干燥1kg水分约需消耗加热蒸汽2.5kg以上。此外，产品质量不够稳定。因此随着干燥技术的发展将逐渐被新型干燥器

18、所取代。,第5章 隧道干燥器和厢式干燥器,2 隧道干燥器(洞道式干燥器) 将被干燥物料放置在小车内、运输带上、架子上或自由地堆置在运输设备上。物料沿着干燥室中通道，向前移动，并一次通过通道。被干燥物料的加料和卸料在干燥室两端进行。这种干燥器称为隧道干燥器，又称洞道式干燥器，见图5-15。其制造和操作都比较简单，能量的消耗也不大。但物料干燥时间较长，生产能力较低、劳动强度大。主要用于需要较长干燥时间及大件物料如木材、陶瓷制品和各种散粒状物料的干燥和燃烧。,第6章 转筒干燥器,1 转简干燥器的工作原理 转筒干燥器的主体是略带倾斜并能回转的圆筒体。这种装置的工作原理简图，如图6-1所示。湿物料从左端

19、上部加入，经过圆筒内部时，与通过筒内的热风或加热壁面进行有效地接触而被干燥，干燥后的产品从右端下部收集。在干燥过程中，物料借助于圆筒的缓慢转动，在重力的作用下从较高一端向较低一端移动。简体内壁上装有顺向抄板(或类似装置)，它不断地把物料抄起又洒下，,第6章 转筒干燥器,使物料的热接触表面增大，以提高于燥速率并促使物料向前移动。干燥过程中所用的热载体一般为热空气、烟道气或水蒸气等。如果热载体(如热空气、烟道气)直接与物料接触，则经过干燥器后，通常用旋风除尘器将气体中挟带的细粒物料捕集下来，废空气则经旋风除尘器后放空。转筒干燥器是最古老的干燥设备之一，目前仍被广泛使用于冶金、建材、化工等领域。,第

20、6章 转筒干燥器,第6章 转筒干燥器,1.2 转简干燥器的特点 转筒干燥器与其他干燥设备相比，具有如下优点： (1)生产能力大，可连续操作； (2)结构简单，操作方便； (3)故障少，维修费用低； (4)适用范围广，可以用它干燥颗粒状物料，对于那些附着性大的物料也很有利；,第6章 转筒干燥器,(5)操作弹性大，生产上允许产品的产量有较大波动范围，不致影响产品的质量； (6)清扫容易。 这种干燥器的缺点是： (1)设备庞大，一次性投资多； (2)安装、拆卸困难； (3)热容量系数小，热效率低(但蒸汽管式转筒干燥器热效率高)； (4)物料在干燥器内停留时间长，且物料颗粒之间的停留时间差异较大，因此

21、不适合于对温度有严格要求的物料。,第7章 转鼓干燥器,1 概述 转鼓干燥器是一种内加热传导型转动干燥设备。湿物料在转鼓外壁上获得以导热方式传递的热量，脱除水分，达到所要求的湿含量。在干燥过程中，热量由鼓内壁传到鼓外壁，再穿过料膜，其热效率高，可连续操作，故广泛用于液态物料或带状物料的干燥。液态物料在转鼓的一个转动周期中完成布膜、脱水、刮料、得到干燥制品的全过程。,第7章 转鼓干燥器,因此，在转鼓干燥操作中，可通过调整进料浓度、料膜厚度、转鼓转数、加热介质温度等参数获得预期湿含量的产品和相应的产量。由于转鼓干燥器结构和操作上的特点，对膏状和粘稠物料更适用。 如其他干燥设备一样，在设计和选用转鼓干

22、燥时，需考虑的主要问题是：被干燥物料的性质、转鼓干燥器的形式、传热传质机理、操作条件及其经济性。,第7章 转鼓干燥器,2 结构形式 转鼓干燥器分为三种形式：单鼓干燥器、双鼓干燥器和多鼓干燥器。其中双鼓干燥器按照两鼓的转动方向和进料方式又可分为双鼓与对鼓两种形式。转鼓干燥器亦可根据其操作压力分为常压和减压两种形式。图71为双鼓干燥器结构示意图。,第7章 转鼓干燥器,3 特点 (1)操作弹性大、适应性广 (2)转鼓干燥的热效率高 (3)干燥时间短 (4)干燥速率大,第8章 带式干燥机,1 概述 带式干燥机(简称带干机)由若干个独立的单元段所组成。每个单元段包括循环风机、加热装置、单独或公用的新鲜空

23、气抽入系统和层气排出系统。因此，对干燥介质数量、温度、湿度和尾气循环量等操作参数，可进行独立控制，从而保证带干机工作的可靠性和操作条件的优化。,第8章 带式干燥机,带干机操作灵活，湿物料进料，干燥过程在完全密封的箱体内进行，劳动条件较好，避免了粉尘的外泄。与转筒式、流化床和气流干燥器相比较，带干机中的被干燥物料随同输送带移动时，物料颗粒间的相对位置比较固定，具有基本相同的干燥时间。对干燥物料色泽变化或湿含量均匀至关重要的某些干燥过程来说，带干机是非常适用的。此外，物料在带干机上受到的振动或冲击轻微，物料颗粒不易粉化破碎，因此也适用于干燥某些不允许碎裂的物料(如食品)。,第8章 带式干燥机,2

24、结构和操作原理 图81为典型的单级带干机结构透视简图。图82为其操作原理图。被干燥物料由进料端经加料装置被均匀分布到输送带上。输送带通常用穿孔的不锈钢薄板(或称网目板)制成，由电机经变速箱带动，可以调速。最常用的干燥介质是空气。空气用循环风机由外部经空气过滤器抽人，并经加热器加热后，经分布板由输送带下部垂直上吹。,第8章 带式干燥机,空气流过干燥物料层时，物料中水分汽化，空气增湿，温度降低。部分湿空气排出箱体，另部分则在循环风机吸入口前与新鲜空气混合再行循环。为了使物料层上下脱水均匀，空气继上吹之后向下吹。最后干燥产品经外界空气或其他低温介质直接接触冷却后，由出口端卸出。,第8章 带式干燥机,

25、第8章 带式干燥机,第9章 盘式连续干燥器,1 盘式连续干燥器的总体结构 盘式连续干燥器是一种高效节能的干燥设备。该设备主要包括：壳体、框架、大小空心 加热盘、主轴、耙臂及耙叶、加料器、卸料装置、减速机和电动机等部件。其总体结构如图91所示。,第9章 盘式连续干燥器,空心加热盘是该干燥器的主要部件，其内部通以饱和蒸汽、热水或导热油，作为加热介质。故加热盘实际是一个压力容器。因此在其内部以一定排列方式焊有折流隔板或短管，一方面增加了加热介质在空心盘内的扰动，提高了传热效果；,第9章 盘式连续干燥器,另一方面增加了空心盘的刚度并提高了其承载能力。每个加热盘上均有热载体的进出口接管。各层加热盘问保持

26、一定间距，水平固定在框架上。 每层加热盘上均装有十字耙臂，上下两层加热盘上的耙臂呈45角交错固定在主轴上。每根耙臂上均装有等距离排列的耙叶若干个，但上下两层加热盘的耙叶安装方向相反，以保证物料的正常流动。,第9章 盘式连续干燥器,电机通过减速机带动干燥器主轴转动。物料由干燥器上方的进料口进入，经各层加热盘干燥后由下部出料口排出。干燥器最外面是一壳体，使整个干燥过程在一密闭空间内进行。 2 盘式连续干燥器的特点 (1)热效率高、能耗低、干燥时间短。 (2)可调控性好 加热盘的数量、主轴的回转速度、加热介质的温度和物料停留时间，可根据需要进行调整，因此产品干燥均匀、质量好。,第9章 盘式连续干燥器

27、,(3)被干燥物料不易破损。 (4)环境整洁 由于是密闭式操作，无粉尘飞扬，改善了劳动环境，有利于操作人员的健康。 (5)无振动、低噪声、运转平稳、操作容易、设备直立安装、占地面积小。,第10章 卧式桨叶式干燥器,1 概述 在干燥器内设置各种结构和形状的桨叶以搅拌被干燥物料，使物料在搅拌桨翻动下，不断与干燥器的传热壁面或热载体接触，加快传热速度和湿分蒸发，达到干燥目的。这类设备称为桨叶式干燥器或搅拌型干燥器。,第10章 卧式桨叶式干燥器,2 楔形桨叶式干燥器结构和特点 楔形桨叶式干燥器的特点是作为搅拌用的桨叶结构较特殊，空心的扇形桨叶一端宽，另一端呈尖角，其投影像楔子。桨叶的两个侧面均有一定倾

28、斜度的斜面，这种斜面随轴转动时，既可使固体物料对斜面有撞击作用，又可使斜面上物料易于自动清除，不断更新传热表面，强化传热。因此，它是一种高效的干燥设备。,第10章 卧式桨叶式干燥器,此设备干燥物料所需热量不是依靠热载体(加热气体)直接与物料接触进行加热，而是向空心桨叶和夹套输入热载体，通过壁面热传导对干燥过程提供热量，它减少了用气体加热时被出口气体带走的热损失，提高了设备的热量利用率。因此它属于节能型干燥设备。,第10章 卧式桨叶式干燥器,这种干燥设备有w型和T型两种。其基本结构是由带夹套的槽形壳体、上盖、空心热轴和焊接在空心轴上的许多对楔形桨叶，以及与热载体相连的旋转接头和传动装置等。W型有

29、两根空心轴，槽形壳体形状呈W型。T型由4根空心轴组成，它有两套传动装置，安置在干燥器左右两侧，各拖动两根空心轴，所以它实际上是两台W型干燥设备组合在一起。这里只介绍W型楔形桨叶式干燥器。,第10章 卧式桨叶式干燥器,W型楔形桨叶式干燥器基本结构如图101所示。,第11章 流化床干燥,1 概述 流化床是60年代发展起来的一种干燥技术，目前在化工、轻工、医药、食品以及建材工业都得到了广泛的应用。由于干燥过程中固体颗粒悬浮于干燥介质中，因而流体与固体接触面较大，热容量系数可达800025000 kJ/(m3h)(按干燥器总体积计算)，又由于物料剧烈搅动，大大地减少了气膜阻力，因而热效率较高，可达60

30、%80%(干燥结合水时为30%40%)。流化床干燥装置密封性能好，传动机械又不接触物料，因此不会有杂质混入，这对要求纯洁度高的制药工业来说也是十分重要的。,第11章 流化床干燥,2 流态化过程的基本概念,第11章 流化床干燥,此实验装置是由一段玻璃筒组成，筒下端有一多孔的气体分布板，用以支承颗粒物料，并使流体在整个圆筒截面上均匀分布，分布板上的物料称为“床层”。在床层下部与圆筒体上部安一个U形管压差计以测量床层阻力。观察流体通过床层时，流速、床层阻力、床层高度、床层中颗粒的运动状态等相互关系。,第11章 流化床干燥,单层圆筒型流化床干燥器 图119所示，为一台大型(3000mm)的氯化铵流化床

31、干燥装置，其流程如图119。,第11章 流化床干燥,第11章 流化床干燥,湿物料由皮带输送机运送到抛料机加料斗上，然后均匀地抛人流化床内，与热空气充分接触而被干燥。干燥后的物料由溢流口连续溢出。空气经鼓风机、加热器后进入筛板底部，并向上穿过筛板，使床层内湿物料流化起来形成沸腾层。尾气进入4个旋风分离器并联组成的旋风分离器组，将所夹带的细粉除下，然后由排气机排到大气。在该流程中，主要设备为单层圆筒形流化床，其结构如图11-10所示。,第11章 流化床干燥,第12章 改型流化床干燥机,1 振动流化床干燥机 振动流化床，就是将机械振动施加于流化床上。调整振动参数，使返混较严重的普通流化床，在连续操作

32、时能得到较理想的活塞流。,第12章 改型流化床干燥机,2 内热搅拌流化床干燥机 内热搅拌流化床干燥机在槽形气体分布板上方装有一中空回转轴，轴上装有若干圈螺旋形传热管，轴的两端分别装有进汽和排冷凝水旋转接头。当机器工作时，热风通过分布板被送入床层，传热管随主轴在床层中转动。受热风和传热管搅拌的双重作用，物料能在较小风速下实现流态化。尤其是在进料端，物料湿含量稍大时，普通流化床难以流化，而内热搅拌流化床却可以。,第13章 喷动床干燥,1 喷动床 喷动床是50年代由加拿大学者Mathur和Gishler发明的，最初用于小麦干燥。 传统的喷动床如图131所示。其床身是个圆柱形简体带一个锥形底部，在锥底

33、下方有进气口。,第13章 喷动床干燥,高速气流穿过喷动区，带动部分物料喷出床层顶面，呈喷泉状散落到环形区。在环形区，物料依靠自身重量缓慢下降，再从喷口附近进入喷动区，如此不断循环，直到达到干燥工艺要求。,第13章 喷动床干燥,2 用惰性粒子作载体干燥膏状物料 采用惰性粒子作载体是膏状、糊状物料的常用方法。图13-19所示设备可以干燥膏状、糊状物料。一般采用3.6mm粒径的玻璃球、陶瓷球、尼龙球等作惰性粒子。其最终产品只能是粉料。惰性粒子在喷动床中循环，高湿物料粘在惰性粒子表面，形成很薄的表层，在随同惰性粒子的循环过程中表层湿物料被干燥。,第13章 喷动床干燥,由于喷动床中物料激烈地碰撞，表层物

34、料积累到一定程度即变脆并被撞成小碎片，然后进一步被撞击成粉料，随同排气一起排出喷动床。湿物料在惰性粒子表面的沉积、干燥、破碎、排出均连续进行。,第14章 喷雾干燥,1 概述 喷雾干燥是采用雾化器将原料液分散为雾滴，并用热气体(空气、氮气或过热水蒸气)干燥雾滴而获得产品的一种干燥方法。原料液可以是溶液、乳浊液、悬浮液，也可以是熔融液或膏糊液。干燥产品根据需要可制成粉状、颗粒状、空心球或团粒状。,第14章 喷雾干燥,2 液体的雾化 将料液分散为雾滴的雾化器是喷雾干燥的关键部件，目前常用的有3种雾化器。 (1)气流式雾化器 采用压缩空气或蒸汽以很高的速度(300m/s)从喷嘴喷出，靠气液两相间的速度

35、差所产生的摩擦力，使料液分裂为雾滴。 (2)压力式雾化器 用高压泵使液体获得高压，高压液体通过喷嘴时，将压力能转变为动能而高速喷出时分散为雾滴。,第14章 喷雾干燥,(3)旋转式雾化器 料液在高速转盘(圆周速度90160m/s)中受离心力作用从盘边缘甩出而雾化。 3 喷雾干燥流程 (1)喷雾干燥的典型流程 喷雾干燥的典型流程如图141(a)、(b)所示，包括空气加热系统、原料液供给系统、干燥系统、气固分离系统以及控制系统。,第14章 喷雾干燥,第14章 喷雾干燥,(2)闭路循环喷雾干燥系统,第14章 喷雾干燥,(3)自惰化喷雾干燥系统 此系统如图143所示。本系统的特点是具有一个直接燃烧的加热

36、器，干燥介质是周围的空气，加热器的作用是加热再循环气体达到干燥器人口温度，并由于燃烧而构成低氧含量的干燥气体。是为所处理粉尘具有爆炸或燃烧危险而设计的。排出的气体量为总气体量的10%15%。,第14章 喷雾干燥,第14章 喷雾干燥,4 喷雾干燥的优缺点 喷雾干燥具有下述优点。 (1)由于雾滴群的表面积很大，物料所需的干燥时间很短(以秒计)。 (2)在高温气流中，表面润湿的物料温度不超过干燥介质的湿球温度，由于迅速干燥，最终的产品温度也不高。因此，喷雾干燥特别适用于热敏性物料。 (3)根据喷雾干燥操作上的灵活性，可以满足各种产品的质量指标。 (4)简化工艺流程。在干燥塔内可直接将溶液制成粉末产品

37、。,第14章 喷雾干燥,此外，喷雾干燥容易实现机械化、自动化，减轻粉尘飞扬，改善劳动环境。 与此同时，喷雾干燥也存在以下缺点： (1)当空气温度低于150时，容积传热系数较低(23160W(m3K)，所用设备容积大； (2)对气固混合物的分离要求较高，一般需两级除尘； (3)热效率不高，一般顺流塔型为30%50%，逆流塔型为50%75%。,第15章 气流干燥,1 基本原理 气流干燥也称“瞬间干燥”，是固体流态化中稀相输送在干燥方面的应用。该法是使加热介质(空气、惰性气体、燃气或其他热气体)和待干燥固体颗粒直接接触，并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，因而两相接触面积大，强化了传热传质过程，广泛应用

38、于散状物料的干燥单元操作。气流干燥流程图如图151所示。,第15章 气流干燥,第15章 气流干燥,2 气流干燥的特点 (1)气固两相间传热传质的表面积大 普通直管气流干燥器的体积传热系数为23007000W(m3K)，为一般回转干燥器的2030倍。 (2)热效率高、干燥时间短、处理量大。 (3)气流干燥器结构简单、紧凑、体积小，生产能力大。 (4)操作方便 在气流干燥系统中，把干燥、粉碎、筛分、输送等单元过程联合操作，流程简化并易于自动控制。,第15章 气流干燥,(5)气流干燥的缺点 气流干燥系统的流动阻力降较大，一般为30004000Pa，必须选用高压或中压通风机，动力消耗较大。气流干燥所使

39、用的气速高，流量大，经常需要选用尺寸大的旋风分离器和袋式除尘器。气流干燥对于干燥载荷很敏感，固体物料输送量过大时，气流输送就不能正常操作。,第15章 气流干燥,3 脉冲式气流干燥器 脉冲式气流干燥器的特征是气流干燥管的管径交替缩小和扩大。采用脉冲气流干燥管可以充分发挥加速段具有较高的传热传质作用，以强化干燥过程。目前脉冲气流干燥器的型式有两种，一种如图1515所示，由小管径至大管径的过渡角较大；另一种如图1516所示，其过渡角较小。,第16章 太阳能干燥,1 概述 太阳能干燥(Solar Drying)是利用太阳辐射的热能，将湿物料中的水分蒸发除去的干燥方法。太阳能干燥装置属于低温干燥装置，干

40、燥器运行温度在4070范围内。太阳能干燥过程是耗能最大的加工过程之一。,第16章 太阳能干燥,2 太阳能干燥的特点 与利用其他能源的干燥方法相比，太阳能干燥有下列优点： (1)干净卫生，对物料和环境没有污染； (2)太阳能取之不尽，不存在能源枯竭问题； (3)太阳能处处都有，不需开采和运输； (4)干燥过程中其他能源消耗低，操作费用低。,第16章 太阳能干燥,太阳能干燥存在下列不足： (1)分散性大，热值低。 (2)温升小，干燥速度低。 (3)间歇性和不稳定性。 (4)干燥效率低。 3 太阳能干燥器的类型及结构 太阳能干燥器的结构随被于物料的批量和特性的变化而变化。干燥器结构的设计可有多种选择

41、。根据干燥器内气流的流动方式，可将太阳能干燥器分为自然对流型和强迫对流型两种。,第16章 太阳能干燥,(1)自然对流型太阳能干燥器 自然对流型太阳能干燥器中无附加风机，气流靠温差的作用在干燥室内流动。根据结构的不同，主要有箱式、棚式、温室式、盘架式和烟囱式几种。 农户用温室型太阳能干燥器的结构示意图如图161所示。进气口配置在下方，采用排气筒增加干燥室内气流速度。温室顶为钢化玻璃，晚间用保温盖帘覆盖。夏季晴天室内最高温度可达65，比室外气温高31。冬季晴天室内最高温度为24，比室外温度高,第16章 太阳能干燥,20。温室采光面积为80m2，夏季白天总排气量为272m3h。用这座温室型太阳能干燥

42、器在夏季干燥挂面时，从初始含水率34%，下降到含水率13%(湿基)，用时约为310h。,第16章 太阳能干燥,(2) 强迫对流型太阳能干燥器 图162为一种温室型强迫对流太阳能木材干燥器，朝北的墙2绝热，朝南的墙4和屋顶3由特殊的两层复合透明板覆盖。阳光透过透明板，加热涂了黑漆的吸热板6，,第16章 太阳能干燥,经吸热板加热的空气一部分直接导入木材堆1，另一部分通过底部进入，这两部分空气分配的比例由吸热板6倾斜角度调节。新鲜空气和循环空气的比例可由进气阀8来控制。,第17章 真空冷冻干燥,1 概述 真空冷冻干燥技术(简称冻干)是一门古老的现代技术。说它古老是因为冻干技术诞生很早，大约出现在18

43、11年，当时用于生物体的脱水。说它是现代技术是因为它已经加入了现代高新技术领域的行列。人体各器官的保存和再植是现代医学研究的课题之一，营养保健食品是现代人们生活的追求，航天飞机用的超轻隔热陶瓷，现代科学的热门话题之一的低温超导材料等纳米级超细微粉材料的制备，都需要真空冷冻干燥技术与设备。,第17章 真空冷冻干燥,2 真空冷冻干燥的特点 真空冷冻干燥方法与其他干燥方法相比有许多优点。 (1)物料在低压下干燥，使物料中的易氧化成分不致氧化变质，同时因低压缺氧，能灭菌或抑制某些细菌的活力。 (2)物料在低温下干燥，使物料中的热敏成分能保留下来，营养成分和风味损失很少，可以最大限度地保留食品原有成分、

44、味道、色泽和芳香。,第17章 真空冷冻干燥,(3)由于物料在升华脱水以前先经冻结，形成稳定的固体骨架，所以水分升华以后，固体骨架基本保持不变，干制品不失原有的固体结构，保持着原有形状。多孔结构的制品具有很理想的速溶性和快速复水性。 (4)由于物料中水分在预冻以后以冰晶的形态存在，原来溶于水中的无机盐之类的溶解物质被均匀分配在物料之中。升华时溶于水中的溶解物质就地析出，避免了一般干燥方法中因物料内部水分向表面迁移所携带的无机盐在表面析出而造成表面硬化的现象。,第17章 真空冷冻干燥,(5)脱水彻底，重量轻，适合长途运输和长期保存，在常温下，采用真空包装，保质期35年。 真空冷冻干燥的主要缺点是设

45、备的投资和运转费用高，冻干过程时间长，产品成本高。但由于冻干后产品重量减轻了，运输费用减少了；能长期贮存，减少了物料变质损失；对某些农、副产品深加工后，减少了资源的浪费，提高了自身的价值。因此，使真空冷冻干燥的缺点又得到了部分弥补。,第17章 真空冷冻干燥,3 冻干过程的三个阶段 3.1 预冻阶段 预冻是将溶液中的自由水固化，使干燥后产品与干燥前有相同的形态，防止抽空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化产生，减少因温度下降引起的物质可溶性降低和生命特性的变化。,第17章 真空冷冻干燥,3.2 升华干燥阶段 升华干燥也称第一阶段干燥。将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其冰晶就会升华

46、成水蒸气逸出而使产品脱水干燥。干燥是从外表面开始逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成尔后升华水蒸气的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分界面称为升华界面。在生物制品干燥中，升华界面约以1mm/h的速率向下推进。当全部冰晶除去时，第一阶段干燥就完成了，此时约除去全部水分的90左右。,第17章 真空冷冻干燥,3.3 解析干燥 解析干燥也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥结束后，在干燥物质的毛细管壁和极性基团上还吸附有一部分水分，这些水分是末被冻结的。为了改善产品的贮存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分。这就是解析干燥的目的。,第17章 真空冷冻干燥,第一阶段干燥是将水以冰晶的形式除去，因此其温度

47、和压力都必须控制在产品共溶点以下，才不致使冰晶溶化。但对于吸附水，由于其吸附能量高，如果不给它们提供足够的能量，它们就不可能从吸附中解析出来。因此，这种阶段产品的温度应足够地高，只要不烧毁产品和不造成产品过热而变性就可。同时，为了使解析出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸汽压差，因此此阶段中箱内必须是高真空。,第17章 真空冷冻干燥,4 真空冷冻干燥设备 真空冷冻干燥设备(简称冻干机)的组成如图179所示，主要包括真空冷冻干燥箱(简称冻干箱)1，真空系统(包括2、7、8、21、23、24、25、26、27、28、34)，制冷系统(包括3、5、6、9、14、16、17、

48、18、19、32A、32B、33)，加热系统(包括4、10、11、12、13、15、20、22、四、30、31)，还有液压系统、自动控制系统和消毒系统(这三个系统图中没绘出)等几大部分组成。,第18章 微波和高频干燥,1 概述 20世纪前叶，随着无线电工程技术的发展，科学家们开始使用无线电频率进行金属热处理，以及加热干燥食品、木材、纸、纺织品等,从而产生了一种非常规的干燥技术介电干燥，即在高频率的电磁场作用下，物料吸收电磁能量，在内部转化为热用于蒸发湿分(主要水分)，而普通干燥方法(对流、传导、红外辐射)蒸发水分所需的热量通过物料的外表面向内部传递。,第18章 微波和高频干燥,本文则将高频率(

49、RF)、微波(MV)加热干燥统称为介电加热干燥，原因是它们的加热机理均与电介质的介电特性有关。 2 介电加热干燥的基本原理 微波和高频是一种能量(而不是热量)形式，但在电介质中可以转化为热量。能量转化的机理有许多种，如离子传导、偶极子转动、界面极化、磁滞、压电现象、电致伸缩、核磁共振、铁磁共振等，其中离子传导及偶极子转动是介电加热的主要原因。,第18章 微波和高频干燥,在介电干燥过程中，物料内部产生热量，传质推动力主要是物料内部迅速产生的蒸汽所形成的压力梯度。如果物料开始很湿，物料内部的压力非常快地升高，则液体可能在压力梯度的作用下从物料中被排出。初始湿含量越高，压力梯度对湿分排除的影响也越大

50、，也即有一种“泵”效应，驱使液体(经常是以汽态的形成)流向表面，这使干燥进行得非常快。这种加热方式的特点是产生异乎寻常的温度梯度。如没有其他辅助热源，则该加热系统空气的温度保持不变，物料表面温度低于内部的温度。,第18章 微波和高频干燥,3 介电干燥的特点 介电干燥的优点是： 能量的有效利用； 无破坏性 在较低的环境温度下进行干燥，不需要高的表面温度，物料的温度分布较低； 其他挥发性物质迁移量少 溶剂经常以汽态形式排出，不会使其他物质传递至表面；,第18章 微波和高频干燥,均匀作用 能量倾向于施加在湿润区； 干燥迅速 干燥时间可缩短50%或更多； 干燥均匀 形成更加均匀的温度场和湿分分布； 系

51、统占地面积少，减少操作步骤； 产品质量改善 避免表面硬化(结壳)、内应力和其他质量问题。,第18章 微波和高频干燥,4 典型介电干燥器介绍 高频真空干燥器 图1849为高频真空干燥器的设备图。该高频干燥器的功率为100kW，使用该设备干燥烟叶取得了较好的效果。该机的技术特性参数为： 生产能力 421860kg/h(每台)； 耗能量 3.6kWh/kg水； 烟叶初始温度 0.75； 烟叶最终温度 54； 工作环境含尘量 2.35mg/m3。,第19章 红外热辐射干燥,1 红外热辐射的基本概念 以电磁波传递能量的方式称为辐射。电磁辐射遵循横波传播定律，所谓横波就是振动方向垂直于传播方向的波动。波长

52、大约从0.1m至100m的电磁波谱，其中包括一部分紫外线、全部可见光与红外线，这些射线称为热射线，是由固体中的分子振动或晶格振动或固体中束缚电子的迁移而产生，它们的传播过程称为热辐射。对红外热辐射而言，一般波长0.764.0m称为近红外，4.025m称为远红外。热辐射的真实性质及其传递机理，至今还没有完全搞清楚。,第19章 红外热辐射干燥,2 红外热辐射加热干燥的特点 红外热辐射加热干燥有四个特点： 其一是热辐射的光谱特性，既要弄清辐射器的发射光谱又要弄清被干物料的吸收光谱； 其二是热辐射的方向性与相互作用的关系性； 其三是辐射源与被干物料的距离特性； 其四是能量特性。红外热辐射可比对流换热提

53、供高达70余倍的能流密度，因此，用得好可高效节能，用得不当其干燥结果是既能耗大又质量差。,第19章 红外热辐射干燥,为此，有必要深入地研究有关的热辐射定律及其换热计算；研究涂料与辐射加热器；掌握实验方法认识干燥机理；进行红外炉的设计。 3 红外热辐射加热器 红外辐射加热元件加上定向辐射等装置称作红外辐射器。它是将电能或热能(煤气、蒸汽、燃气等)转变成红外辐射能，实现高效加热与干燥。从供热方式来分有直热式和旁热式红外辐射器两种。,第19章 红外热辐射干燥,直热式是指电热辐射元件既是发热元件又是热辐射体，如电阻带式、碳硅棒等均属此种红外辐射器。直热式器件升温快、重量轻，多用于快速或大面积供热。旁热

54、式是指由外部供热给辐射体而产生红外辐射，其能源可借助电、煤气、蒸汽、燃气等。旁热式辐射器升温慢、体积大，但由于生产工艺成熟，使用尚属方便，可借助各种能源，做成各种形状，且寿命长，故仍广泛应用。,第19章 红外热辐射干燥,石英管式(SHD)辐射加热器结构图见图1935，图中4为自支撑节，是本加热器的改进。,第20章 冲击干燥、穿透干燥和冲击穿透干燥,冲击干燥和穿透干燥是两种典型的使用对流方法除去多孔性薄物料内水分的过程。 1 冲击干燥 冲击干燥是借助喷嘴产生高速气流冲击到湿物料表面而携走水分的过程。由于冲击流动产生大的湍流，因而增加了对流传热传质系数。因为热气流只与湿物料在受冲击的表面交换热量和

55、质量，所以冲击干燥器对于薄物料或者除去表面水分具有优势。除非特别需要，如食品表面结酥壳，冲击干燥器不宜用来干燥较厚的产品。,第20章 冲击干燥、穿透干燥和冲击穿透干燥,如图201所示，冲击流动主要分为以下3个特征区：自由喷射流(free jet)、滞流(stagnation)、壁射流(wall jet)。根据喷嘴设计的不同，自由喷射流区可以再分为原势核(potential core)、形成喷流(developing jet)、成形喷流(developed jet)3个子区。,第20章 冲击干燥、穿透干燥和冲击穿透干燥,第20章 冲击干燥、穿透干燥和冲击穿透干燥,冲击干燥在造纸业主要应用于卫生纸

56、和纸巾生产上。典型的装置为图20-13显示的Yankee干燥器。其主要部件包括一个直径5.56m表面光滑的圆滚筒和一个高温高速冲击喷气罩。由铸铁制作的肋式圆滚筒表面温度一般用蒸汽从内部加热到85。这一温度保证纸张很好地附着在滚筒表面从而通过热传导促进干燥速度。不过，约70%的水分是靠冲击气流传热而蒸发的。冲击气流的温度可高达500，速度达150m/s。图20-14为冲击罩的剖面结构图。图中大圆孔为排气孔，小孔为喷嘴。干燥了的卫生纸、纸巾通过干式增皱法用一平面刮刀从滚筒上分开。,第20章 冲击干燥、穿透干燥和冲击穿透干燥,第20章 冲击干燥、穿透干燥和冲击穿透干燥,2 穿透干燥 穿透干燥是靠压力

57、差使高温气流穿透湿物料而携走水分的过程。显而易见，此类干燥器只适用于连续多孔性物料或粒状非连续物料的除水。由于热气在透过物料时与湿分的紧密接触，对流传热系数得到极大的增加。在相同的温度计流量下，穿透干燥的恒速率可高大冲击干燥的45倍。因为热气需靠压力的损耗而穿透待干物料，从风机的能耗考虑，穿透干燥对于薄且透气性高的湿物料更有优势。,第20章 冲击干燥、穿透干燥和冲击穿透干燥,3 冲击穿透干燥 冲击穿透干燥器为本章前两节所讲的两种干燥器的结合。其操作原理为热气通过喷嘴冲击到湿物料表面，一部分从物料表面弹回(冲击部分)另一部分则靠压力差而穿透物料(穿透部分)。此类型的优点在于当物料湿度大因而透率低

58、时，冲击干燥恰可以最高速率除去湿分；当物料湿度较低时，虽然冲击干燥进入降速率阶段但是物料透率此时已相当大因而穿透流速则有很大增加。,第20章 冲击干燥、穿透干燥和冲击穿透干燥,冲击干燥与穿透干燥的互补令此干燥器在一定的风机能耗下干燥时间相对缩短。此外，穿透流动将物料很好地附着在支撑表面因而防止易损产品由于冲击流产生的非均静压而损坏。冲击穿透干燥器可应用于稍厚的多孔透气性物料。图20-27显示冲击穿透干燥器的基本流程。,第20章 冲击干燥、穿透干燥和冲击穿透干燥,第21章 对撞流干燥,1 概述 对撞流干燥机(Impinging Stream Dryer)是一种适用于干燥分散物料的先进干燥设备。它

59、是以两股(或多股)高速流动的气流在一定的容器内迎面相撞，其中至少有一股气流携带有待干燥的颗粒物料或液滴，该湿物料即在由各气流相撞形成的对撞区内完成其干燥过程(见图21-1)。,第21章 对撞流干燥,第21章 对撞流干燥,2 特点 对撞流干燥机由于其对撞区内特殊的流体动力学特性，使之具有下列突出优点： (1)干燥强度大，特别是在干燥表面水或弱结合水物料时尤其显著； (2)干燥品质好； (3)设计与运行简单，大体上没有运动件和转动件； (4)设备紧凑，并可在干燥的同时结合进行造粒、粉碎、冷却和化学反应等项工艺操作。,第21章 对撞流干燥,3 四股流正交对撞干燥机,第22章 过热蒸汽干燥,1 概述 过热蒸汽干燥(Superheated Steam Drying)是一项最近发展起来的新技术，它是指利用过热蒸汽直接与被干物料接触而去除水分的一种干燥方式。与传统的热风干燥相比，过热蒸汽干燥以水蒸气作为干燥介质，干燥机排出的废气全部是蒸汽，利用冷凝的方法可以回收蒸汽的潜热再加以利用，因而热效率较高。并且由于水蒸气的热容量要比空气大1倍，干燥介质的消耗量明显减少，故单位热耗低。,第22章 过热蒸汽干燥,2 特点 过热蒸汽干燥的优点: (1) 节能效果显著 (2) 干燥后产