宁夏大学化学化工学院：《化工原理》课程教学电子教案（化工流体流动与传热）固体物料的干燥

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 第六章固体物料的干燥 干燥:利用热能将湿物料中湿分(水分或其它溶剂)去除,以获得固体成品的操作 概述:染料中RNS干燥;制药中药品干燥;生物制品中溶菌酶干燥;感光胶片干燥:石油化工 中催化剂干燥:化肥厂中尿素干燥:食品厂中糖、奶粉干燥;造纸厂的纸张干燥等等。 干燥在化学工业中的应用 广义讲:干燥过程是去湿过程,即物料中除去湿分。但去湿方法很多。 ①机械方法沉降、过滤、离心分离等 ②热物理法加热空气 除湿方法③物理化学法如醇类+氧化钙(分子筛) ④吸附去湿如CaCl2、硅胶 干燥本质:被除去的湿分从固相转移到气相中。固相为被干燥的物质,气相为干燥介质。 、干燥的分类 L按操作压强{常压干燥(真空干燥适于热敏性及易氧化的物料) 真空干燥 2按操作方法续操作 间歇操作 传导干燥如焙药:(金属板下有火、板上置药) 对流干燥如用热空气干燥 辐射干燥如空气:煤气=(3.5~3.7):1的比例放置在白色陶瓷板 3.按传热方式分为 上,无焰燃烧到450°C、陶瓷板发出红外线 介电加热干燥如将需要干燥的物料置于高频电场内,依靠电能加热物 联合干燥 料、并使湿分气化。 本章讨论重点:连续操作的对流干燥,以不饱和热空气为干燥介质,而湿物料中的湿分又多为 水分 四、对流干燥过程的特点 物料表面温度θ,低于气流温度t,气流传热给固体。气流中的 水气分压P低于固体表面水的分压P;,物料表面的水得以汽化并 进入气相主体,湿物料内部的水分与表面间存在水分浓度的差别 湿分 ,内部水分就以液态或气态形式扩散至表面。因此,对流干燥 是热、质反向传递过程 对流干燥过程 五.对流干燥需要解决的问题 1.含水分的空气称为湿空气,湿空气的性质有(湿度、比容、比热、焓、干球温度和湿球温度)。 2湿物料中含水量的表示方法,(湿基含水量、干基含水量) 3干燥系统的物料衡算,(水分蒸发量、空气消耗量、干燥产品流量) 4干燥系统(包括预热器、干燥器)的热量衡算。 (干燥静力学) l/19

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 1/19 第六章 固体物料的干燥 一、干燥：利用热能将湿物料中湿分（水分或其它溶剂）去除，以获得固体成品的操作。 概述：染料中 RNS 干燥；制药中药品干燥；生物制品中溶菌酶干燥；感光胶片干燥；石油化工 中催化剂干燥；化肥厂中尿素干燥；食品厂中糖、奶粉干燥;造纸厂的纸张干燥等等。 二、干燥在化学工业中的应用 广义讲：干燥过程是去湿过程，即物料中除去湿分。但去湿方法很多。 .. ①机械方法 沉降、过滤、离心分离等. ②热物理法 加热空气 除湿方法 ③物理化学法 如醇类+氧化钙 (分子筛) ④吸附去湿 如 CaCl2 、硅胶 干燥本质：被除去的湿分从固相转移到气相中。固相为被干燥的物质，气相为干燥介质。 三、干燥的分类 1.按操作压强    真空干燥 常压干燥 （真空干燥适于热敏性及易氧化的物料） 2.按操作方法    间歇操作 连续操作 传导干燥 如焙药：（金属板下有火、板上置药）。 对流干燥 如用热空气干燥。 辐射干燥 如空气:煤气=（3.5～３.７）:１的比例放置在白色陶瓷板 3. 按传热方式分为 上，无焰燃烧到４５０ C 0 、陶瓷板发出红外线。 介电加热干燥 如将需要干燥的物料置于高频电场内，依靠电能加热物 联合干燥 料 、并使湿分气化。 本章讨论重点：连续操作的对流干燥，以不饱和热空气为干燥介质，而湿物料中的湿分又多为 水分。 四、对流干燥过程的特点 物料表面温度 i  低于气流温度 t ，气流传热给固体。气流中的 水气分压 p 低于固体表面水的分压 i p ，物料表面的水得以汽化并 进入气相主体，湿物料内部的水分与表面间存在水分浓度的差别 ，内部水分就以液态或气态形式扩散至表面。因此，对流干燥 是热、质反向传递过程。 五.对流干燥需要解决的问题 1.含水分的空气称为湿空气，湿空气的性质有（湿度、比容、比热、焓、干球温度和湿球温度）。 2.湿物料中含水量的表示方法，（湿基含水量、干基含水量）。 3.干燥系统的物料衡算，（水分蒸发量、空气消耗量、干燥产品流量）。 4.干燥系统（包括预热器、干燥器）的热量衡算 。 （ 干 燥 静 力 学 ） 热 对流干燥过程 pi 湿 分 p t θi

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 废气 预热器 干燥器 空气 湿物料 对流干燥示意图 5讨论从物料中除去水分的数量与干燥时间关系,(干燥动力学)。 6.干燥器类型与选型 7.干燥的设计。(干燥条件的确定,气流干燥器的简化设计,干燥器的直径D、长度等等)。 以此顺序进行讲解 第一节湿空气的性质及湿度图 6.1.1湿空气的性质 由于干燥操作的前后,湿空气中绝干空气的质量没有变化,故湿空气中各种有关性质都是以 1kg绝干空气为基准的。干燥过程中干空气量不变,正如吸收过程中混合气中惰性气体量不变一样 湿空气=干空气+水蒸气 湿度(含湿量):湿空气中水气的质量与干空气的质量之比即: H 湿空气中水气的质量 湿空气中绝干空气的质量n2 H-湿空气的湿度,「水气 L/烟绝干气 M一摩尔质、emy n一摩尔数,[l (下标表示水蒸气,g表示绝干气) 对水蒸汽~空气系统,上式可写为: 2/19

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 2/19 预热器 空 气 湿物料 干燥器 干燥产品 废 气 对流干燥示意图 5.讨论从物料中除去水分的数量与干燥时间关系,（干燥动力学）。 6.干燥器类型与选型。 7.干燥的设计。（干燥条件的确定，气流干燥器的简化设计，干燥器的直径 D 、长度等等）。 以此顺序进行讲解 第一节 湿空气的性质及湿度图 6.1.1 湿空气的性质 由于干燥操作的前后，湿空气中绝干空气的质量没有变化，故湿空气中各种有关性质都是以 1 kg 绝干空气为基准的。干燥过程中干空气量不变，正如吸收过程中混合气中惰性气体量不变一样。 湿空气=干空气+水蒸气 一. 湿度（含湿量）：湿空气中水气的质量与干空气的质量之比即： g g v v n M n M H = = 湿空气中绝干空气的质量 湿空气中水气的质量 （1） H —湿空气的湿度，       绝干气 水气 kg kg ； M —摩尔质量，     kmo l kg ； n —摩尔数， kmol， （下标 v 表示水蒸气， g 表示绝干气）。 对水蒸汽~空气系统，上式可写为：

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 分。18m=062y2)因常压下湿空气可视为理想混合气体 29n 即2=P反比刀=P分比n=P=P PI 即 P 尸P P P 方程两边同乘以0.622得:H 0622,0.622 n, P-p P-p p一水汽的分压,Pd]或[Pa] P一总压,[Pd]或a] 由上式可知H=(P,p) 饱和湿度一当空气达到饱和时,相应的湿度称为饱和湿度,以H,表示。(湿空气为水气所饱和 称为饱和空气)此时湿空气中水气的分压等于该空气温度下纯水的饱和蒸汽压P 则上式可写为H, 0622 (4) H一湿空气的饱和湿度,[水气k绝干气 P,一在空气温度下,纯水的饱和蒸汽压,[Pd或[a] 由于水的饱和蒸汽压仅与温度有关,故湿空气的饱和湿度是温度与总压的函数H,=f(P,) 二.相对湿度百分数 在一定总压下,湿空气中水气分压p与同温度下水的饱和蒸汽压P,之比的百分数称为相对湿度 百分数,简称相对湿度以q表示。 P P p=0q=0表示湿空气中不含水分,为绝干空气。 P=P,q=1表示湿空气为水气所饱和,称为饱和空气。这种湿空气不能用作干燥介质。相对 湿度是湿空气中含水气的相对值,说明湿空气偏离饱和空气的程度。 3/19

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 3/19 g v g v n n n n H 0.6 2 2 2 9 1 8 = = （2）因常压下湿空气可视为理想混合气体 即 p p n ni i = 反比 i i p p n n = 分比 i i i i p P p n n n − = − 即 g g g g p P p n n n − = − P p p − g = p P p g = − g v n − n = n 即 P p p n n g v − = 方程两边同乘以 0.622 得： P p p n n H g v − = = 0.622 0.622 （3） p —水汽的分压， Pa 或 kPa ； P —总压， Pa 或 kPa 由上式可知 H =(P, p) 饱和湿度—当空气达到饱和时，相应的湿度称为饱和湿度，以 H s 表示。（湿空气为水气所饱和 称为饱和空气）此时湿空气中水气的分压等于该空气温度下纯水的饱和蒸汽压 s p 。 则上式可写为 s s s P p p H − = 0.6 2 2 （4） H S —湿空气的饱和湿度， kg水气 kg绝干气 ； s p —在空气温度下，纯水的饱和蒸汽压， Pa 或 kPa。 由于水的饱和蒸汽压仅与温度有关，故湿空气的饱和湿度是温度与总压的函数 H f (P t) s = , 二. 相对湿度百分数  在一定总压下，湿空气中水气分压 p 与同温度下水的饱和蒸汽压 s p 之比的百分数称为相对湿度 百分数，简称相对湿度以  表示。 = 100% s p p  （5） p = 0  = 0 表示湿空气中不含水分，为绝干空气。 s p = p  =1 表示湿空气为水气所饱和，称为饱和空气。这种湿空气不能用作干燥介质。相对 湿度是湿空气中含水气的相对值，说明湿空气偏离饱和空气的程度

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 将(5)代入(3)可得:0.622(6) 比体积(比容) 在湿空气中,1k绝干空气体积和相应水气体积之和称为湿空气的比容,又称湿容积,以v表 m绝干空气+m3水气 lk绝干气 P Po p M p 在常压下lkg千空气的体积为 224t+273 M=29 273 H(1/g绝干空气所含的Hg水蒸气)水汽的体积为+、224t+273M=18 273 如考虑到压力校正则:vn 918人2342731101310 (7) 273 =(0772+12441)× 273+t1013×10 273 四比热容c 常压下,将湿空气中1k绝干空气及相应水气的温度升高(或降低)1°C所需要(或放出)的 热量,称为比热,又称湿热,以c表示。即 +hc cn-湿空气的比热,/绝干气小 c,一绝干空气的比热, /绝干气q c,一水气的比热,/水气 在常用的温度范围内,c1=10k/k绝干气儿及,=18/水气将这些数 代入(8)得 101+1.88H(9) 4/19

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 4/19 将（5）代入（3）可得： s s P p p H   − = 0.6 2 2 （6） 三. 比体积（比容） H v 在湿空气中，1 kg 绝干空气体积和相应水气体积之和称为湿空气的比容，又称湿容积，以 H v 表 示。 绝干气 绝干空气 水气 kg m m vH 1 3 3 + = T T p p V M T T p p 0 0 0 0 0  =  0 = 0 1 0 0 T T p p M V v = =  在常压下 1kg 干空气的体积为： 273 2 2.4 + 273  t M 气 M气 = 29 H （1 kg 绝干空气所含的 Hkg 水蒸气） kg 水汽的体积为： 273 2 2.4 + 273   t M H 水 M 水 =18 如考虑到压力校正则： p H t vH 5 1.0 1 3 1 0 2 7 3 2 7 3 2 2.4 2 9 1 8 1   +        = + （7） ( ) p t H 5 1.013 1 0 273 273 0.772 1.244   + = +  四. 比热容 H c 常压下，将湿空气中 1 kg 绝干空气及相应水气的温度升高（或降低） C 0 1 所需要（或放出）的 热量，称为比热，又称湿热，以 H c 表示。即： H g Hc v c = c + （8） H c —湿空气的比热， kJ kg C 0 绝干气 ； g c —绝干空气的比热， kJ kg C 0 绝干气 ； v c —水气的比热， kJ kg C  0 水气 。 在常用的温度范围内，  1.0 1 g c kJ kg C 0 绝干气 及  1.88 v c kJ kg C  0 水气 将这些数 代入（8）得： cH =1.01+1.88H （9）

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 上式说明湿空气的比热是湿度的函数 五.焓 湿空气中1g绝干空气的焓与相应水气的焓之和称为湿空气的焓,以1表示,单位为 /k绝干气。 (10) 式中:1一湿空气的焓,[/绝F 一绝干空气的焓,[/绝干气: l,一水气的焓,区/k绝干气。 计算焓值必须规定基温和基准状态,一般以0°C为基温,且规定在O°C时绝干空气与水气的焓 值均为零。 根据焓的定义,对温度t,湿度H的湿空气可写出焓的计算式为 I=c(-0)+、(-O)+H (+,}+H6 式中:r-0C时水的气化热,r0≈249/kg。 故(1)又可写成I=(101+1.88H+24901 (12) 六.干球湿度t和湿球温度 补充液,温度t 1.干球温度是空气的真实温度,可直接用普通 温度计测出,以t表示 温度 2.用湿棉布包扎温度计水银球感温部分,棉布 下端浸在水中以维持棉布一直处于润湿状态,这种温 湿球温度的测量 度计称为湿球温度计。湿棉布水气分压大于空气中的 水气分压,湿棉布表面的水必须要气化,水气向空气 主流中扩散。气化所需的气化热只能由水分本身温度 下降释放出显热而供给。水温下降后,与空气间出现温度差,空气即将因这种温度差而产生的显热 传给水分,但水分温度仍要继续下降放出显热,以弥补气化水分不足的热量,直至空气传给水分的 显热等于水分气化所需的气化热时,湿球温度计上的温度维持稳定,这种稳定温度称为该湿空气的 湿球温度,以t表示。 I=φ(空气温度、湿度) 当湿球温度计上温度达到稳定时,空气向棉布 5/19

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 5/19 上式说明湿空气的比热是湿度的函数。 五. 焓 I 湿空气中 1kg 绝干空气的焓与相应水气的焓之和称为湿空气的焓，以 I 表示，单位为 kJ kg绝干气。 g HI v I = I + （10） 式中： I —湿空气的焓， kJ kg绝干气 ； g I —绝干空气的焓， kJ kg绝干气 ； v I —水气的焓， kJ kg绝干气。 计算焓值必须规定基温和基准状态，一般以 0 C 0 为基温，且规定在 C 0 0 时绝干空气与水气的焓 值均为零。 根据焓的定义，对温度 t ，湿度 H 的湿空气可写出焓的计算式为： ( ) ( )  0 0 Hr0 I c t Hc t = g − + v − + 或 ( ) 0 Hr0 I c Hc t = g + v + （11） 式中：  0 r — C  0 时水的气化热， r 2490kJ kg 0   。 故（11）又可写成 I =(1.01+1.88H)t +2490H （12） 六. 干球湿度 t 和湿球温度 w t 1. 干球温度是空气的真实温度，可直接用普通 温度计测出，以 t 表示。 2. 用湿棉布包扎温度计水银球感温部分，棉布 下端浸在水中以维持棉布一直处于润湿状态，这种温 度计称为湿球温度计。湿棉布水气分压大于空气中的 水气分压，湿棉布表面的水必须要气化，水气向空气 主流中扩散。气化所需的气化热只能由水分本身温度 下降释放出显热而供给。水温下降后，与空气间出现温度差，空气即将因这种温度差而产生的显热 传给水分，但水分温度仍要继续下降放出显热，以弥补气化水分不足的热量，直至空气传给水分的 显热等于水分气化所需的气化热时，湿球温度计上的温度维持稳定，这种稳定温度称为该湿空气的 湿球温度，以 W t 表示。 tW =  （空气温度、湿度） 当湿球温度计上温度达到稳定时，空气向棉布 空 气 湿度H 温度t 水 补充液 ,温度 tw tw 湿球温度的测量