1、14 固体干燥固体干燥 14.1 概述概述 14.1.1 固体去湿方法和干燥过程固体去湿方法和干燥过程 14.1.2 对流干燥流程及经济性对流干燥流程及经济性 14.2 干燥静力学干燥静力学 14.3 干燥速率与干燥过程的计算干燥速率与干燥过程的计算 14.4 干燥器干燥器14.1.1固体去湿方法和干燥过程固体去湿方法和干燥过程 去湿定义：去湿定义：在化学工业、轻工、制药工业、食品工业等在化学工业、轻工、制药工业、食品工业等有有 关工业中，常常需要从湿固体物料中除去湿分关工业中，常常需要从湿固体物料中除去湿分(水或其他水或其他液体液体)，这种操作称为，这种操作称为“去湿去湿”。药物，中药冲剂、
2、片剂药物，中药冲剂、片剂，食品食品(糖，咖啡糖，咖啡)中去湿，以防失效变质；中去湿，以防失效变质；塑料颗粒塑料颗粒若含水超过规定，则在以后的注塑加工中会若含水超过规定，则在以后的注塑加工中会产生气泡，影响产品的品质。产生气泡，影响产品的品质。其他如其他如木材的干燥，纸的干燥木材的干燥，纸的干燥。*物料的去湿方法物料的去湿方法（1）机械去湿）机械去湿当物料当物料带水过多带水过多，可先用离心过滤等机械方离方法以除去大量的，可先用离心过滤等机械方离方法以除去大量的水。水。例如沉降、过滤、离心分离。例如沉降、过滤、离心分离。优点和不足：优点和不足：能耗低，但湿分的除去不完全。能耗低，但湿分的除去不完全
3、。（2）吸附去湿吸附去湿用某种平衡水汽分压很低的干燥剂与湿物料并存，使物料中水分用某种平衡水汽分压很低的干燥剂与湿物料并存，使物料中水分相继经气相转入到干燥剂内。相继经气相转入到干燥剂内。常用干燥剂常用干燥剂：CaCl2，沸石吸附剂，硅胶沸石吸附剂，硅胶,优点和不足：优点和不足：去湿程度高，干燥剂成本高，干燥速率慢。去湿程度高，干燥剂成本高，干燥速率慢。（3）供热干燥供热干燥向物料供热以汽化其中的水分，并将产生的蒸汽排走。向物料供热以汽化其中的水分，并将产生的蒸汽排走。优点和不足：优点和不足：能量消耗大。能量消耗大。所以工业生产中湿物料若含水较多所以工业生产中湿物料若含水较多则可先采用机械去湿
4、，然后在进行供热干燥来制得合格的干品。则可先采用机械去湿，然后在进行供热干燥来制得合格的干品。工业干燥操作多半是用工业干燥操作多半是用热空气或其他高温气体热空气或其他高温气体作干燥介质（如作干燥介质（如过热蒸汽，烟道气）过热蒸汽，烟道气）获得固体（获得固体（solid）的其他方法：）的其他方法：蒸发、结晶蒸发、结晶等等供热干燥供热干燥的分类的分类（1 1）按操作压强来分按操作压强来分 常压干燥：常用；常压干燥：常用；真空干燥：热敏性物质，易氧化或含湿量很低真空干燥：热敏性物质，易氧化或含湿量很低的物料。的物料。（2 2）按操作方式来分按操作方式来分 连续式：连续式：湿物料连续投入，干品连续排出
5、。特点：生产能力大，产湿物料连续投入，干品连续排出。特点：生产能力大，产品质量均匀，热效率高和劳动条件好。品质量均匀，热效率高和劳动条件好。间歇式：间歇式：分批加入干燥设备中，干燥完毕后卸下干品，如烘房。特分批加入干燥设备中，干燥完毕后卸下干品，如烘房。特点：适用于小批量，多品种或要求干燥时间较长的物料的干燥。点：适用于小批量，多品种或要求干燥时间较长的物料的干燥。（3 3）按供热方式来分）按供热方式来分传导干燥传导干燥通过传导方式加热物料通过传导方式加热物料.如烘房，滚筒干燥器。如烘房，滚筒干燥器。对流干燥对流干燥传热方式属于对流，产生的蒸汽由干燥介质带走。如气流干燥器，流化传热方式属于对流
6、，产生的蒸汽由干燥介质带走。如气流干燥器，流化床，喷雾干燥器。床，喷雾干燥器。化工中最常见。化工中最常见。本章重点本章重点介绍对流干燥介绍对流干燥 。而且是以而且是以空气为干燥介质，水为湿分的干燥过程。空气为干燥介质，水为湿分的干燥过程。辐射干燥辐射干燥辐射能达到湿物料表面，湿物料吸收辐射能转变为热能，从而使湿分汽辐射能达到湿物料表面，湿物料吸收辐射能转变为热能，从而使湿分汽化，如实验室中红外灯烘干物料。化，如实验室中红外灯烘干物料。介电加热干燥介电加热干燥将湿料置于高频电场内，依靠电能加热物料并使湿分汽化。将湿料置于高频电场内，依靠电能加热物料并使湿分汽化。对流干燥过程的特点对流干燥过程的特
7、点-热质同时传递热质同时传递 当湿度较低的气流与湿物料直接接当湿度较低的气流与湿物料直接接触时，气固两相间同时发生热质传触时，气固两相间同时发生热质传递过程。递过程。一方面：由于物料表面温度一方面：由于物料表面温度ti低于低于气流温度气流温度t，则气流，则气流传热传热给固体。给固体。方向如图方向如图14-1所示。所示。另一方面：气流中水汽分压另一方面：气流中水汽分压p低于低于固体表面气膜中水汽压强固体表面气膜中水汽压强pi，即，即p5m/s时，时，/kH=1.09kJ/（kg）。）。ntW小于小于t。tW越接近于越接近于t，空气的湿度越大；，空气的湿度越大；n当温度相等，相对湿度当温度相等，相
8、对湿度=100%与过程计算有关的参数与过程计算有关的参数 （1）湿空气的比热容湿空气的比热容cpH 常压下将常压下将1绝干气体和其中的绝干气体和其中的H水蒸气的温度升高或降低水蒸气的温度升高或降低1所吸收或放出的热量，叫比热。所吸收或放出的热量，叫比热。kJ/绝干气绝干气 cpH=cpg+Hcpv=1.01+1.88H （2）湿空气的焓）湿空气的焓I 定义：每定义：每kg绝干空气带有绝干空气带有Hkg水汽所具有的焓值。焓是一个水汽所具有的焓值。焓是一个相对值，计算焓值时必须规定基准状态。基准状态：气体为相对值，计算焓值时必须规定基准状态。基准状态：气体为0的干气，水汽为的干气，水汽为0的液体水
9、。的液体水。HtHHrtHccHrtcIpVpgpH2500)88.101.1()(00推导：推导：与过程计算有关的参数与过程计算有关的参数 （3）湿空气的比体积（比容）湿空气的比体积（比容）H 定义：每定义：每kg干空气所带有干空气所带有Hkg水汽所占空气的总体积。水汽所占空气的总体积。）（水2731056.42732734.223tHtMH)273)(1056.41083.2(33tHH）（气2731083.22732734.223ttMHkg水汽的体积为：水汽的体积为：常压下，常压下，1kg干空气的体积为干空气的体积为湿度为湿度为H的湿空气比体积为：的湿空气比体积为：推导：推导：湿度图湿
10、度图 在总压在总压p一定，一定，t、p水汽水汽、H、I、tw中，只有两个参中，只有两个参数是独立的，即数是独立的，即已知两个已知两个参数，湿空气的状态被唯参数，湿空气的状态被唯一确定一确定。工程上为了方便，。工程上为了方便，将各参数之间的关系在平将各参数之间的关系在平面坐标上绘制成湿度图。面坐标上绘制成湿度图。图图14-3是以气体的温度是以气体的温度t与与湿度湿度H为坐标，称为为坐标，称为湿度湿度-温度图。温度图。图14-3 空气水系统的湿度-温度图湿度图湿度图 图图14-4为湿空气的为湿空气的焓焓I-湿度湿度H图图，在进行过程的，在进行过程的物料衡算与热量衡算物料衡算与热量衡算时时使用此图比
11、较方便。使用此图比较方便。实际的湿度实际的湿度-温度图是把温度、湿度、温度图是把温度、湿度、相对湿度、焓、水汽分相对湿度、焓、水汽分压综合成的图，见图压综合成的图，见图14-4所示。所示。讲解：讲解：焓焓I-湿度湿度H图图图14-4空气水系统的焓-湿度图14.2.2 湿空气状态的变化过程湿空气状态的变化过程 加热与冷却过程加热与冷却过程 绝热增湿过程绝热增湿过程 空气状态的确定空气状态的确定 两股气流的混合两股气流的混合加热与冷却过程加热与冷却过程（1）湿空气的加热）湿空气的加热 若不计换热器的流动阻力，湿空气的加热与冷却属等压过若不计换热器的流动阻力，湿空气的加热与冷却属等压过程，程，I-H
12、图湿空气被加热时的状态变化描绘为：图湿空气被加热时的状态变化描绘为：p，pW不变，即不变，即H不变，不变，AB线为一垂直线，如图线为一垂直线，如图14-5a所所示，沿等示，沿等H线由线由A到达到达B点温度升高，空气的相对湿度下点温度升高，空气的相对湿度下降，降，表明空气接纳的水汽的能力增大。表明空气接纳的水汽的能力增大。图14-5 空气的加热和冷却过程加热与冷却过程加热与冷却过程（2）湿空气的冷却）湿空气的冷却 图图14-5b表示温度为表示温度为t1空气的冷却过程。空气的冷却过程。当冷却终温当冷却终温t2高于空气的露点高于空气的露点td，冷却过程为等湿度过程，即图中，冷却过程为等湿度过程，即图
13、中的的AC线。线。当冷却终温当冷却终温t3低于露点，则有部分水蒸汽冷凝，空气的湿度降低，低于露点，则有部分水蒸汽冷凝，空气的湿度降低，如图中的如图中的ADE线。线。图14-5 空气的加热和冷却过程绝热增湿过程绝热增湿过程 设温度为设温度为t，湿度为，湿度为H的不饱和空气流经一管路或设备，如的不饱和空气流经一管路或设备，如图图14-6所示。在设备内向空气喷洒少量温度为所示。在设备内向空气喷洒少量温度为的水滴，水的水滴，水滴全部汽化进入空气，致使空气温度下降、湿度上升，由滴全部汽化进入空气，致使空气温度下降、湿度上升，由于整个过程没有热量的变化，称绝热增湿过程。于整个过程没有热量的变化，称绝热增湿
14、过程。由于加入的水量较少，可以认为是等焓过程。由于加入的水量较少，可以认为是等焓过程。图14-6 绝热增湿过程绝热增湿过程绝热增湿过程 如果喷水量足够，两相接触充分，出口气体的湿度可达到如果喷水量足够，两相接触充分，出口气体的湿度可达到饱和值饱和值Has，即图中的，即图中的C点。点。若加入水的温度若加入水的温度与出口饱和与出口饱和空气的温度相同，此出口气体的温度称绝热饱和温度空气的温度相同，此出口气体的温度称绝热饱和温度tas。这一过程特点是气体传给水的热量等于水汽化所吸收的热这一过程特点是气体传给水的热量等于水汽化所吸收的热量。量。图14-6 绝热增湿过程绝热增湿过程绝热增湿过程 在在=ta
15、s条件下对此过程进行热量衡算条件下对此过程进行热量衡算 则则 对于空气对于空气-水系统，绝热饱和温度水系统，绝热饱和温度tas与湿球温度与湿球温度相等，即在相等，即在I-H图上相当于等焓线。图上相当于等焓线。aspLasastcHHVIIV)()()(HHcrttaspHasas空气状态的确定空气状态的确定图14-7 空气状态点（1）已知t、tW 例例14-1 利用I-H图确定空气的状态 已知空气的干球温度为已知空气的干球温度为60，湿球温度为湿球温度为45，求湿空气，求湿空气的湿度的湿度H、相对湿度、相对湿度、焓、焓I和露点和露点td。解：先作出空气的状态点解：先作出空气的状态点B，如图，如
16、图14-8所示。即可所示。即可求出求出 I=212kJ/kg；H=0.057kg/kg；=43%；td=43。图14-8 I-H图的用法两股气流的混合两股气流的混合 设有两股气流设有两股气流V1、V2进行混合，其中一股气流的湿度为进行混合，其中一股气流的湿度为H1，焓值，焓值I1，另一股气流的湿度为，另一股气流的湿度为H2，焓值，焓值I2，分别用图，分别用图14-11中的中的A、B两点表示。设混合后的气流湿度为两点表示。设混合后的气流湿度为H3，焓值焓值I3，对两股气流混合后进行衡算。，对两股气流混合后进行衡算。图14-11 两股气流的混合两股气流的混合两股气流的混合 总物料衡算总物料衡算 V
17、1+V2=V3 水分衡算水分衡算 V1 H1+V2 H2=V3 H3 焓衡算焓衡算 V1 I1+V2 I2=V3 I3 显然，混合气体的状态显然，混合气体的状态C点必在点必在AB联线上，其位联线上，其位置可由杠杆规则定出，即置可由杠杆规则定出，即ACBCVV21例例14-2 空气状态变化过程的计算 在总压在总压100kPa下将温度为下将温度为18、湿度为、湿度为0.006kg/kg干气干气的新鲜空气与部分废气混合，然后将混合气加热，送入干的新鲜空气与部分废气混合，然后将混合气加热，送入干燥器作为干燥介质使用，参见图燥器作为干燥介质使用，参见图14-12所示。控制废气与所示。控制废气与新鲜空气的
18、混合比例以使进干燥器时气体的湿度维持在新鲜空气的混合比例以使进干燥器时气体的湿度维持在0.065kg/kg干气。废气的温度为干气。废气的温度为58、相对湿度、相对湿度70%。试求废气与新鲜空气的混合比及混合气进预热器的温度。试求废气与新鲜空气的混合比及混合气进预热器的温度。例14-2附图解解：温度为温度为58的水饱和蒸气压为的水饱和蒸气压为pS=18.2kPa，废，废气中水的分压为气中水的分压为 p水汽水汽=18.20.7=12.7 kPa 废气的湿度为废气的湿度为kgkgpppHWW/0908.07.123.1017.12622.0622.02 废气的焓废气的焓 I2=（1.01+1.88H
19、2）t2+2500H2 =(1.01+1.880.0908)58+25000.0908=295kJ/kg干气干气 由混合过程计算混合比由混合过程计算混合比 V1 H1+V2 H2=（V1+V2）H29.2065.00908.0006.0065.012112HHHHVV 新鲜空气的焓值为新鲜空气的焓值为 I1=（1.01+1.88H1）t1+2500H1=(1.01+1.880.006)18+25000.006=33.4kJ/kg干气干气 由混合过程计算混合气的焓值由混合过程计算混合气的焓值 V1 I1+V2 I2=（V1+V2）IkgkJVVIVVII/21529.2129529.24.33/
20、1)/(122121 则进预热器的温度为则进预热器的温度为 即为即为46.8 也可用图解法计算，见图也可用图解法计算，见图14-12所示所示。8.46065.088.101.1065.0250021588.101.12500HHIt14.2.3 水分在气水分在气-固两相间的平衡固两相间的平衡 结合水和非结合水结合水和非结合水 平衡蒸汽压曲线平衡蒸汽压曲线 平衡水分和自由水分平衡水分和自由水分结合水分和非结合水分结合水分和非结合水分根据水分与物料结合力的状况来划分的。根据水分与物料结合力的状况来划分的。结合水分结合水分化学结合水分：存在与物料中的结晶水；化学结合水分：存在与物料中的结晶水；溶涨水
21、分：所含的水分以溶液的形态存在于固体中；溶涨水分：所含的水分以溶液的形态存在于固体中；毛细管水分：具有微孔的物料中水分，收到了孔壁毛细管力；毛细管水分：具有微孔的物料中水分，收到了孔壁毛细管力；机械吸附水分：所含水分受到吸附力而结合于固体的内、外表面。机械吸附水分：所含水分受到吸附力而结合于固体的内、外表面。以上这些以化学力或物理化学力与固体相结合的水统称为结合水。以上这些以化学力或物理化学力与固体相结合的水统称为结合水。非结合水分非结合水分除一部分水与固体结合外，其余的水只是机械地附着于固体表面或颗除一部分水与固体结合外，其余的水只是机械地附着于固体表面或颗粒堆积层的大空隙中的水分粒堆积层的
22、大空隙中的水分结合水与非结合水的基本区别结合水与非结合水的基本区别:是其表现的平衡蒸汽压不同。是其表现的平衡蒸汽压不同。非结合水表现的非结合水表现的平衡蒸汽压即为同温度下纯水的饱和蒸汽压平衡蒸汽压即为同温度下纯水的饱和蒸汽压，非非结合水在干燥过程中极易除去。结合水在干燥过程中极易除去。结合水表现的平衡蒸汽压小于同温度下纯水的饱和蒸汽压，结合水表现的平衡蒸汽压小于同温度下纯水的饱和蒸汽压，结合结合水在干燥过程中很难除去。水在干燥过程中很难除去。平衡蒸汽压曲线平衡蒸汽压曲线 一定温度下湿物料的平衡蒸汽压一定温度下湿物料的平衡蒸汽压pe与含水量与含水量Xt的关系如图的关系如图14-13所示。工程上用
23、气体的相对湿度所示。工程上用气体的相对湿度（=pe/ps）代）代替平衡蒸汽压替平衡蒸汽压pe更方便。只要有非结合水，更方便。只要有非结合水，=1。如图。如图14-13b为用相对湿度表示的平衡蒸汽压曲线，如图为用相对湿度表示的平衡蒸汽压曲线，如图14-14为几为几种物料的平衡曲线。种物料的平衡曲线。图图14-13图图14-14 室温下常见物料的平衡蒸汽压曲线室温下常见物料的平衡蒸汽压曲线平衡水分和自由水分平衡水分和自由水分 平衡水分平衡水分(平衡含水量平衡含水量)：物料在一定干燥条件下被干燥的极限。：物料在一定干燥条件下被干燥的极限。测定：测定：一定的空气具有特定的蒸汽分压，当物料中的水分的分压
24、等于一定的空气具有特定的蒸汽分压，当物料中的水分的分压等于与其接触的空气的水汽分压时，物料就不可能再被干燥。与其接触的空气的水汽分压时，物料就不可能再被干燥。自由水分自由水分：能被指定状态的空气带走的水分为自由水分。：能被指定状态的空气带走的水分为自由水分。(14-17)区别：物料的平衡水分和自由水分是空气状态的函数，而结合水分与区别：物料的平衡水分和自由水分是空气状态的函数，而结合水分与非结合水分与空气状态无关，它们只是物料本身的特性。非结合水分与空气状态无关，它们只是物料本身的特性。如下图所示：在干燥过程中被除去的水分（如下图所示：在干燥过程中被除去的水分（自由水分自由水分）包括两部分，）包括两部分，一部分为非结合水（一部分为非结合水（XtXmax），另一部分为结合水），另一部分为结合水（Xmax X*）。）。自由含水量是干燥过程的推动力。自由含水量是干燥过程的推动力。XXXt含水量自由
