第十三章固体干燥 本章的内容对应于教材中的十四章 13.1教学基本要求：(8学时) 概述化工产品干燥实例：固体干燥的目的、原理及实施方法。 于燥静力学湿空气的状态参数及其计算：【-H图及其应用：水分在气固两相间的平衡。 干燥动力学恒定气流条件下物料的干燥速率及临界含水量。 干燥过程计算间歌干燥过程的干 燥时间：连续干燥过程的特点，物料衡算，热量衡算 常用干燥设备常用干燥设备的特性。 13.2基本概念： 物料去湿的常用方法机械去湿、吸附或抽真空去湿、供热干燥等。 对流干燥过程的 特点热质同时传递 主要操作费用空气预热、中间加 t4,tw,t的大小关系通常uw<:中=100%时，tw。 t与w在物理含义上的差别由热量衡算导出，属于静力学问愿：tw是传热传质速 率均衡的结果 ,属于动力学问题。 改变湿空气温度、湿度的工程措加热、冷却可以改变湿空气温度：喷水可以增加湿 空气的湿度，也可以降低湿空气的湿度，比如喷的是冷水，使湿空气中的水分析出。 平衡蒸汽压曲线物料平衡含水量与空气相对湿度的关系曲线。 结合水与非结合水平衡水蒸汽压开始小于饱和蒸汽压的含水量为结合水，超出部分为 非结合水 平衡含水量指定空气条件下，物料被干燥的极限为平衡含水量 自由含水量物料含水超出平衡含水量的那部分为自由含水量。 临界含水量及其影响因素在恒定的空气条件下，干燥速率由恒速段向降速段转折的对 应含水量为临界含水量Xc。它与物料本身性质、结构、分散程度、干燥介质(u、t、H)有 关。 干燥速率对产品性质的影响干燥速率太大会引起物料表面结壳，收缩变形，开裂等等 连续干燥过程的特点 过程可分为 个阶段，预热段、表面汽化段、升温段。 热效率热效率1等于汽化水分、物料升温需热/供热。 理想干燥过程的条件①预热段、升温段、热损失忽略不计：②水分都在表面汽化段除 去。 提高热效率的措施提高进口气温t,降低出口气温t,采用中间加热，废气再循环。 13.3基本内容： 一、概述 1.目的：在化工生产中，干燥的目的就是物料去湿。 2.去湿方法： )机械去湿：过滤，离心摔干。原理：尺度大小 (2吸附去湿：干燥剂（如硅胶）与湿物料共放于密闭箱中，利用干燥剂平衡分压低的特点，使 湿物料的水分挥发至气相，再从气相传质到干燥剂，被吸附。原理：水汽分压差。 (3)干燥 121
121 第十三章 固体干燥 本章的内容对应于教材中的十四章。 13.1 教学基本要求：(8 学时) 概述 化工产品干燥实例；固体干燥的目的、原理及实施方法。 干燥静力学 湿空气的状态参数及其计算；I-H 图及其应用；水分在气固两相间的平衡。 干燥动力学 恒定气流条件下物料的干燥速率及临界含水量。 干燥过程计算 间歇干燥过程的干燥时间；连续干燥过程的特点，物料衡算，热量衡算。 常用干燥设备 常用干燥设备的特性。 13.2 基本概念： 物料去湿的常用方法 机械去湿、吸附或抽真空去湿、供热干燥等。 对流干燥过程的特点 热质同时传递。 主要操作费用 空气预热、中间加热。 t tW t d , , 的大小关系 通常 td<tW<t；φ=100%时，td=tW=t。 tas与 tW 在物理含义上的差别 tas 由热量衡算导出，属于静力学问题；tW是传热传质速 率均衡的结果，属于动力学问题。 改变湿空气温度、湿度的工程措施 加热、冷却可以改变湿空气温度；喷水可以增加湿 空气的湿度，也可以降低湿空气的湿度，比如喷的是冷水，使湿空气中的水分析出。 平衡蒸汽压曲线 物料平衡含水量与空气相对湿度的关系曲线。 结合水与非结合水 平衡水蒸汽压开始小于饱和蒸汽压的含水量为结合水，超出部分为 非结合水。 平衡含水量 指定空气条件下，物料被干燥的极限为平衡含水量。 自由含水量 物料含水超出平衡含水量的那部分为自由含水量。 临界含水量及其影响因素 在恒定的空气条件下，干燥速率由恒速段向降速段转折的对 应含水量为临界含水量 Xc。它与物料本身性质、结构、分散程度、干燥介质（u、t、H）有 关。 干燥速率对产品性质的影响 干燥速率太大会引起物料表面结壳，收缩变形，开裂等等。 连续干燥过程的特点 干燥过程可分为三个阶段，预热段、表面汽化段、升温段。 热效率 热效率η等于汽化水分、物料升温需热/供热。 理想干燥过程的条件 ①预热段、升温段、热损失忽略不计；②水分都在表面汽化段除 去。 提高热效率的措施 提高进口气温 t1，降低出口气温 t2，采用中间加热，废气再循环。 13.3 基本内容： 一、概述 1．目的：在化工生产中，干燥的目的就是物料去湿。 2．去湿方法： ⑴机械去湿：过滤，离心摔干。原理：尺度大小。 ⑵吸附去湿：干燥剂(如硅胶)与湿物料共放于密闭箱中，利用干燥剂平衡分压低的特点，使 湿物料的水分挥发至气相，再从气相传质到干燥剂，被吸附。原理：水汽分压差。 ⑶干燥
干燥可分为供热干燥与真空干燥。供热干燥又可分为对流干燥、冷冻干燥、微波干燥。 对流干燥的物料湿分在低于沸点下汽化。它的特点是热质同时传递 对流干燥 加热器 废气 ,热 空气厂 干燥器 →质（湿分） 湿物料 风机 干燥产品 图13.1对流干 3.对流干燥的经济性 对流干燥的经济性取决于加热和热效率。 二、湿空气状态的描述 1.水汽分压P或露点温度1 如图13.2所示的瓶子里装的是乙醚，吹气后会使乙吹气 醚挥发，乙醚温度下降，当瓶外析出露水时，温度计指 h总压p 示的就是露点温度(。露点温度与水汽分压之间有- 水汽分压P水汽 乙醚 对应的饱和关系，可以查水蒸汽表确定，即 P水汽=p(a)=Pg 图13.2露点测定 2.湿度Hkg水汽/kg干气 13-1 M气p-P水 -=0.622P P-P水汽 3.相对湿度0 p=P点（档A,≤p) 13-2 Ps P为同温度下的饱和蒸汽压。 p=P粒（当p,≥p) 13-3 4.湿空气的格IkJ/kg干气 的计算以0℃为基准，假定水分在0℃下汽化，再升温。可算得 I=(ce+cpH)r+6H=1.01+1.88HL+2500H 13-4 5.湿空气的比容vmm/kg干气 常压下， =24+224H1+273 13-5 M气M本 273 122
122 干燥可分为供热干燥与真空干燥。供热干燥又可分为对流干燥、冷冻干燥、微波干燥。 对流干燥的物料湿分在低于沸点下汽化。它的特点是热质同时传递。 图 13.1 对流干燥 3．对流干燥的经济性 对流干燥的经济性取决于加热和热效率。 二、湿空气状态的描述 1．水汽分压 p水汽 或露点温度 dt 如图 13.2 所示的瓶子里装的是乙醚，吹气后会使乙 醚挥发，乙醚温度下降，当瓶外析出露水时，温度计指 示的就是露点温度 dt 。露点温度与水汽分压之间有一一 对应的饱和关系，可以查水蒸汽表确定，即 d pd p = p (t ) = 0 水汽 图 13.2 露点测定 2．湿度 H kg 水汽/kg 干气 水汽 水汽 气 水 p p p M M H − = 水汽 水汽 p p p − = 0.622 13-1 3．相对湿度ϕ S p p水汽 ϕ = (当 pS ≤ p ) 13-2 pS 为同温度下的饱和蒸汽压。 p p水汽 ϕ = (当 pS ≥ p ) 13-3 4．湿空气的焓 I kJ/kg 干气 焓的计算以 0℃为基准，假定水分在 0℃下汽化，再升温。可算得 I = (cpg + cpV H)t + r0H = (1.01+1.88H)t + 2500H 13-4 5．湿空气的比容 Hv m 3 /kg 干气 常压下， 273 273 ) 22.4 22.4 ( + = + t H M M vH 气 水 13-5
6.极限温度 4湿球温度1 如图13.3所示，当湿纱布表面的传热速率与传质速率所 需的汽化潜热均衡时 Aa(t-tw)=Aky (Hw -H)rir 可得m=1-红(Hn-H)r 13-6 图13.3湿球温度 tp的影响因素：a.物性，m,Pm=fr):b.气体状态，4，P水汽（或H),总压P: c.流动条件：4，k。对于空气-水系统，流动时 “=1.09基本不变。在总压一定的条件下， 若H一定，温度升高，1也随之升高：若t一定，湿度升高，1也随之升高。若t、H 定，总压降低，1m也随之降低。 (2)绝热饱和温度1 气体在绝热条件下，增湿至饱和（等培过程）的温度。此时， 气温下降所放出的热量等于气体增湿的汽化热量。 空汽 Vcpn(t-ta)=V(H-H)ras t,H 可得t=t-(H-H 137 图13.4绝热饱和温度 路易斯规则：对于空气-水系统： 例1常压下，现需调节气温及湿度，新鲜空气经喷水室与水充分接触，被冷却后排去冷凝 水，再经加热器升温所需温度。试求： (1H: (2)t.: (③)整个过程前后湿度变化。设离开喷水室的气、液温度相同。 1g=25℃ 加热器20℃ 水 喷水室 J9=50% 水 图13.5例1附图 解：①H,=H2,出喷水室g=100%,先算H2,查20℃，Ps=2.27kP 0.5×227 H=4,=0.6229ms-=062x013-05x227007g水W/gF气 p-Ps 123
123 6．极限温度 ⑴湿球温度 Wt 如图 13.3 所示，当湿纱布表面的传热速率与传质速率所 需的汽化潜热均衡时 W H W W Aα(t − t ) = Ak (H − H)r 可得 W W H W H H r k t = t − ( − ) α 13-6 图 13.3 湿球温度 Wt 的影响因素：a.物性， , ( ) W W W r p = f t ；b.气体状态，t, p水汽 (或 H )，总压 p ； c.流动条件： H α,k 。对于空气-水系统，流动时 =1.09 Hk α 基本不变。在总压一定的条件下， 若 H 一定，温度升高， Wt 也随之升高；若 t 一定，湿度升高， Wt 也随之升高。若 t、H 一 定，总压降低， Wt 也随之降低。 ⑵绝热饱和温度 as t 气体在绝热条件下，增湿至饱和(等焓过程)的温度。此时， 气温下降所放出的热量等于气体增湿的汽化热量。 VcpH (t − tas ) = as as V (H − H)r 可得 (H H) c r t t as pH as as = − − 13-7 图 13.4 绝热饱和温度 路易斯规则：对于空气-水系统： pH H c k ≈ α ，所以 as W t ≈ t 。 例 1 常压下，现需调节气温及湿度，新鲜空气经喷水室与水充分接触，被冷却后排去冷凝 水，再经加热器升温所需温度。试求： ⑴H1； ⑵t1； ⑶整个过程前后湿度变化。设离开喷水室的气、液温度相同。 图 13.5 例 1 附图 解：① H1 = H2 ，出喷水室 100 ϕ1 = %，先算 H2 ，查 20℃， pS = 2.27 kPa S S p p p H H ϕ ϕ − = = 0.622 1 2 101.3 0.5 2.27 0.5 2.27 0.622 − × × = × = 0.007kg 水/kg 干气
②p=0.5×2.27=1.14kPa,由g=100%,查表得4=9℃。 ③查1m=25℃，r=2441kJ/kg,Pm=3.186kPa。a(。-r)=kum(Hw-H)可得 4=,6-) -062n-1,096,-)=00178g水/g干气 p-Pw rir △H=H2-H。=0.007-0.0178=-0.0108kg水/kg干气 三、格湿图中表示过程变化 1.加热 与冷却的过程 加热时，空气湿度不变。冷却时，在露点之上，空气湿度也不变：达到露点后，因析出 水而使空气湿度降低。 1等湿 1等湿 p100% p100% 减湿 H H H H 加热 冷却 图13.6加热与冷却 2.绝热增湿过程（等焓过程） 如图13.7所示，在湿空气中喷少量水，空气的焓不变。为等焓增湿过程。 喷少晕水华 入等焓增湿过程 t,H p100% 空气 图13.7绝热增湿 4,H,与1，H之间视为等格，有1=1，。由 (1.01+1.88H)M+2500H=(1.01+1.88H)+2500H 可得H,=.01+1.88H1+2500H-1.0业， 1.884,+2500 13-8 或1-0.01+1.8H+2500H-H 1.01+1.88H1 13g 124
124 ② p水 = 0.5× 2.27 =1.14kPa ，由 100 ϕ1 = %，查表得 9 t 1 = ℃。 ③查tW = 25℃，r W = 2441kJ / kg ， pW = 3.186kPa 。 ( ) ( ) 0 H H0 t t k r α − W = H W W − 可得 ( ) 0 0 W H W W t t k r H = H − − α W W W p p r p 1.09 0.622 − − = (t0 − tW ) = 0.0178kg 水/kg 干气 ∆H = H2 − H0 = 0.007 − 0.0178 = −0.0108kg 水/kg 干气 三、焓湿图中表示过程变化 1．加热与冷却的过程 加热时，空气湿度不变。冷却时，在露点之上，空气湿度也不变；达到露点后，因析出 水而使空气湿度降低。 图 13.6 加热与冷却 2．绝热增湿过程(等焓过程) 如图 13.7 所示，在湿空气中喷少量水，空气的焓不变。为等焓增湿过程。 图 13.7 绝热增湿 1 1 t ,H 与t,H 之间视为等焓，有 1 I = I 。由 (1.01+1.88H)t + 2500H = 1 1 1 (1.01+1.88H )t + 2500H 可得 H1 = 1.88 2500 (1.01 1.88 ) 2500 1.01 1 1 + + + − t H t H t 13-8 或 t 1 = 1 1 1.01 1.88 (1.01 1.88 ) 2500( ) H H t H H + + + − 13-9
达到气相中水分饱和时，则查等格线至0=1即可，得11=1。 3.两股气流的混合 当状态为，H1,山，的气流与状态为，H2,2的气流混合时，对于混合后的状态 ,H,L3可有+3=，以及 VH+V:H2=V,Hs l+V2='3 计算符合杠杆定律。 四、干燥静力学 水分在气固两相间的平衡 固体中的结晶水、溶液水、吸附性水、毛细管中水为结合水（借化学力或物理化学力）。 固体表面和大空隙中的水为非结合水。两者的区别在于平衡蒸汽压不同，结合水的 P。<P水：非结合水的P。=p%本。 2)湿物料含水量的表示 干基含水量表示为X,kg水/kg绝对干料：湿基含水量表示为kg水/kg湿物料。它们 的换算关系为： 13-10 w=1+X, 13-11 Gg湿料，含水wkg水kg湿料，则绝对干料量G。=G1-W)。 例2一批木材最初含水分40%（湿基），经干燥后，最终含水分20%（湿基） 求：每10Okg湿木材由干燥去掉的水分量为多少？ 解：若用W-100×(0.4-0.2)=20kg水，就错了，因为干燥后不再是100kg了。 ①物料衡算法 绝对干料量在干燥前后不变：100×(1-0.4)=(100-W)1-0.2) 得W=25g ②绝干料基淮法：G=G,(1-%)=60kg 0.4 125
125 达到气相中水分饱和时，则查等焓线至ϕ =1即可，得 as t = t 1 。 3．两股气流的混合 当状态为 1 1 1 V ,H ,I 的气流与状态为 2 2 2 V ,H ,I 的气流混合时，对于混合后的状态 3 3 3 V ,H ,I 可有V1 +V2 =V3，以及 V1H1 +V2H2 =V3H3 1 1 2 2 3 3 V I +V I =V I 计算符合杠杆定律。 四、干燥静力学 1．水分在气固两相间的平衡 1）结合水与非结合水 固体中的结晶水、溶液水、吸附性水、毛细管中水为结合水(借化学力或物理化学力)。 固体表面和大空隙中的水为非结合水。两者的区别在于平衡蒸汽压不同，结合水的 0 pe < p纯水 ；非结合水的 0 pe = p纯水 。 2）湿物料含水量的表示 干基含水量表示为 Xt kg 水/kg 绝对干料；湿基含水量表示为 w kg 水/kg 湿物料。它们 的换算关系为： w w Xt − = 1 13-10 t t X X w + = 1 13-11 G kg 湿料，含水 w kg 水/kg 湿料，则绝对干料量G G(1 w) C = − 。 例 2 一批木材最初含水分 40%(湿基),经干燥后,最终含水分 20%(湿基)。 求：每 100kg 湿木材由干燥去掉的水分量为多少？ 解：若用W =100× (0.4 − 0.2) = 20 kg 水，就错了，因为干燥后不再是 100kg 了。 ①物料衡算法 绝对干料量在干燥前后不变：100× (1− 0.4) = (100 −W )(1− 0.2) 得W = 25kg ②绝干料基准法：GC = G1(1− w1) = 60kg 1 0.4 0.4 1 1 1 1 − = − = w w X ， 1 0.2 0.2 2 − X =