干燥化工工藝

干燥化工工藝第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日物料的干燥

化工生產(chǎn)中的固體原料、產(chǎn)品或半成品為便于進一步的加工、運輸、貯存和使用，常常需要將其中所含的濕分（水或有機溶劑）去除至規(guī)定指標,這種操作簡稱為“去濕”?！叭瘛狈椒ㄖ休^為常用的方法是干燥。

①干燥過程：利用熱能使固體濕物料中的濕分汽化而除去的單元操作。

②干燥過程的本質：被除去的濕分從固相轉移到氣相中(固相為被干燥的物料，氣相為干燥介質)。在去濕過程中，濕分發(fā)生相變，耗能大、費用高,但濕分去除較為徹底。

③干燥過程分類：按照熱能供給濕物料的方式,干燥可分為以下四種：

傳導干燥、對流干燥、輻射干燥、介電加熱干燥。

其中，對流干燥在工業(yè)上應用最為廣泛，使用的干燥介質多為空氣。

第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日對流干燥①對流干燥干燥介質直接與濕物料接觸，熱能以對流方式傳遞給物料，產(chǎn)生蒸汽被干燥介質帶走。其干燥過程如圖所示，是一種傳熱和傳質同時進行的過程。

②典型的對流干燥流程：

如圖所示，濕空氣經(jīng)加熱后進入干燥器，氣流與濕物料直接接觸，沿空氣行程其溫度降低，濕含量增加，廢氣自干燥器另一端排出。第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日③為確定流程中各設備，需計算空氣用量、熱量消耗及干燥時間等，而這些問題均涉及濕空氣的性質。為此，以下介紹濕空氣的性質。第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日濕空氣的狀態(tài)參數(shù)

●濕空氣：含有濕分的空氣，是常用的干燥介質。通常干燥是在常壓或減壓下進行的，因此，可把這種狀態(tài)下的濕空氣作為理想氣體來處理。

●基準：干燥過程中，干空氣的質量不變，故干燥計算以單位質量干空氣為基準。（1）濕度H（濕含量或絕對濕度）：濕空氣中所含水蒸汽的質量與干空氣質量之比。

第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日相對濕度、濕比容、濕比熱、焓相對濕度φ：當總壓一定時,濕空氣中水蒸汽分壓Pv與一定總壓下空氣中水汽分壓可能達到的最大值之比的百分數(shù),稱為相對濕度?？梢?，對水蒸汽分壓相同，而溫度不同的濕空氣，若溫度愈高，則Ps值愈大，φ值愈小，干燥能力愈大。第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日單位質量干空氣和其所帶的Hkg水蒸汽的體積之和。在壓力為101.3kN/m2時濕比容vH：濕比容隨其溫度和濕度的增加而增大。濕比熱cH：將1kg干空氣和其所帶的Hkg水蒸氣的溫度升高1℃所需的熱量。在常壓下，式中,Ca-干空氣比熱，其值約為1.01kJ/kg干空氣·℃

Cv-水蒸汽比熱,其值約為1.88kJ/kg干空氣·℃第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日單位質量干空氣的焓和其所帶Hkg水蒸汽的焓之和。故,計算基準：0℃時干空氣與液態(tài)水的焓等于零焓：式中，r0-0℃時的水蒸汽汽化潛熱，其值為2490kJ/kg。第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日絕熱飽和過程中，氣、液兩相最終達到的平衡溫度稱為絕熱飽和溫度。

①絕熱飽和過程：不飽和氣體在與外界絕熱的條件下和大量的液體接觸，若時間足夠長，使傳熱、傳質趨于平衡，則最終氣體被液體蒸汽所飽和，氣體與液體溫度相等，此過程稱為絕熱飽和過程。

②計算式：

以單位質量的干空氣為基準,在穩(wěn)態(tài)下對全塔作熱量衡算,氣體放出的顯熱=液體汽化的潛熱,即絕熱飽和溫度tas：③說明：

上式表明,空氣的絕熱飽和溫度tas是空氣濕度H和溫度t的函數(shù),是濕空氣的狀態(tài)參數(shù),也是濕空氣的性質。當t

、tas已知時,可用上式來確定空氣的濕度H。第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日④特別指出：絕熱飽和過程又可近似當作等焓過程處理。第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日

▲干球溫度：在空氣流中放置一支普通溫度計，所測得空氣的溫度為t，相對于濕球溫度而言，此溫度稱為空氣的干球溫度。

▲濕球溫度：用水潤濕紗布包裹溫度計的感濕球，即成為一濕球溫度計。將它置于一定溫度和濕度的流動的空氣中，達到穩(wěn)態(tài)時所測得的溫度稱為空氣的濕球溫度，以

表示。

①

過程：當不飽和空氣流過濕球表面時，由于濕紗布表面的飽和蒸汽壓大于空氣中的水蒸汽分壓，在濕紗布表面和氣體之間存在著濕度差，這一濕度差使?jié)窦啿急砻娴乃制粴饬鲙ё?，水分汽化所需潛熱，首先取自濕紗布的顯熱，使其表面降溫，于是在濕紗布表面與氣流之間又形成了溫度差，這一溫度差將引起空氣向濕紗布傳遞熱量。②

計算式：當單位時間由空氣向濕紗布傳遞的熱量恰好等于單位時間自濕紗布表面汽化水分所需的熱量時，濕紗布表面就達到一穩(wěn)態(tài)溫度，即濕球溫度。干、濕球溫度第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日③實驗表明：當流速足夠大時，熱、質傳遞均以對流為主，且kH及α都與空氣速度的0.8次冪成正比，一般在氣速為3.8～10.2m/s的范圍內(nèi),比值α/kH近似為一常數(shù)(對水蒸汽與空氣的系統(tǒng),α/kH=0.96～1.005)。此時，濕球溫度為濕空氣溫度t和濕度H的函數(shù)。注意：◆濕球溫度不是狀態(tài)函數(shù)?！粼跍y量濕球溫度時，空氣速度一般需大于5m/s，使對流傳熱起主要作用，相應減少熱輻射和傳導的影響，使測量較為精確。

第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日

空氣在濕度H不變、亦即蒸汽壓

不變的情況下，冷卻達到飽和狀態(tài)時的溫度稱為露點。露點td

：①根據(jù)定義：式中，pd

為露點td

時飽和蒸汽壓,也就是該空氣在初始狀態(tài)下的水蒸汽分壓Pv。

②計算td第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日計算得到pd

，查其相對應的飽和溫度，即為該濕含量H和總壓P時的露點td

③同樣地，由露點td

和總壓P可確定濕含量H第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日濕空氣的溫濕圖(t-H圖)

為了便于計算，將空氣各種性質標繪在濕度圖中。

濕度圖的形式：常用的有

一般常用的濕度圖都是針對一定的總壓而繪制的。如圖9.2.3所示為在總壓P=101.3kPa下繪制的溫度-濕度圖（低溫部分）。

（1）等溫度線（等t線）：為一系列平行于縱軸的直線；

（2）等濕度線（等H線）：為一系列平行于橫軸的直線；

（3）等相對濕度線（等φ線）：根據(jù)式第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日當總壓一定時，如果φ為某一固定值，因PS僅與溫度有關，故任取一溫度t值，即可求得相應的H值，將若干個（t，H）點聯(lián)接起來，即為一條等Ф

線。對不同的值，可以得出一系列Ф曲線。

（4）絕熱飽和(冷卻)線：根據(jù)式

對于一確定的tas值，Hasras也為一已知數(shù)而CH

=1.01+1.88H，于是，任取一H值，可求得相應的t值，將若干個（t，H）點聯(lián)接起來，可得到等tas線，即為絕熱飽和線（或稱絕熱冷卻線）。第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日（5）濕比熱線：按定義cH=1.01+1.88H，濕比熱cH為濕度H的直線函數(shù)，在圖的左側繪制出了cH-H線。（6）比容線：干空氣比容在圖中以va為縱坐標繪出了va

-t線。飽和比容第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日飽和蒸汽壓ps為溫度t的函數(shù)，故在圖中繪出vHs-t線。對不同濕度H下的比容，又可繪出在干比容與飽和比容線之間的一系列直線。第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日濕度圖的應用（1）濕空氣的性質參數(shù)的確定（2）濕空氣狀態(tài)變化過程的圖示第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日水分在氣、固之間的平衡及干燥平衡曲線

●濕物料含水量的表示方法濕基含水量w：

干基含水量X

●平衡含水量：若氣、固間有足夠長時間的接觸，使水分的傳遞達到平衡，則固體物料的含水量最終將保持某一定值。這個含水量稱為該物料在這一空氣狀態(tài)下的平衡含水量。此時，濕物料表面的蒸汽壓稱為該含水量下的平衡蒸汽壓。第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日干燥平衡曲線不同的物料有不同的平衡含水量。因此，濕物料的平衡含水量通常都針對某種濕物料，通過實驗來測定的。其表達形式有兩種：

①p-x*

（或p*

-X）線：圖示的曲線，表示一定溫度下水分在氣、固間達到平衡時，濕空氣中的水汽分壓p與濕物料的平衡含水量

x*

之間的關系，亦即濕物料的含水量X與平衡蒸汽壓p*之間的關系，常稱為平衡曲線。

第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日②φ-X線

同一種類物料的p*

-X平衡曲線和溫度有關，然而，如果用相對濕度φ=p/ps

對X作圖，則同種物料在不同溫度下的平衡曲線變化較小。某些物料在室溫下的φ-X平衡曲線如圖所示。注意：在同樣的氣體條件下，物料由脫濕達到平衡或由增濕達到平衡時，由于過程方向不同，有可能得到不同的平衡含水量。因此，有吸濕平衡線和脫濕平衡線。第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日①自由水分與平衡水分

◆自由水分：濕物料中大于平衡含水量，有可能被該濕空氣干燥除去的那部分水分；

◆平衡水分：等于或小于平衡含水量，無法用相應空氣所干燥的那部分水分。②結合水分與非結合水分

◆結合水分：凡濕物料的含水量小于Xs的那部分水分稱為結合水分。此時,其蒸汽壓都小于同溫度下純水的飽和蒸汽壓。結合水分包括濕物料中存在于細胞壁內(nèi)的和毛細管內(nèi)的水分，固、液間結合力較強。

◆非結合水分：含水量超過Xs的那部分水分稱為非結合水分。此時，濕物料中的水分的蒸汽壓等于同溫度下純水的飽和蒸汽壓。非結合水分包括濕物料表面上附著水分和大孔隙中的水分，結合力較弱。第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日③兩種分類方法的不同：

平衡水分與自由水分，結合水分與非結合水分是兩種概念不同的區(qū)分方法。

●自由水分是在干燥中可以除去的水分，而平衡水分是不能除去的，自由水分和平衡水分的劃分除與物料有關外，還決定于空氣的狀態(tài)。

●非結合水分是在干燥中容易除去的水分，而結合水分較難除去。是結合水還是非結合水僅決定于固體物料本身的性質，與空氣狀態(tài)無關。

第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日①確定過程進行的方向

含水量為X的濕物料與一定溫度下水汽分壓為p的濕空氣相接觸時，可在干燥平衡曲線上找到與該濕空氣相對應的平衡含水量X*

，比較濕物料的含水量X與平衡含水量X*

的大小.

◆若物料含水量X高于平衡含水量X*

，則物料脫水而被干燥；

◆若物料的含水量X低于平衡含水量X*

，物料將吸水而增濕。

②確定過程的推動力

◆干燥推動力：◆吸濕推動力：

干燥推動力更為常用的是濕度差。

③確定在給定干燥介質的條件下，干燥后物料的最低含水量

◆干燥平衡曲線可確定給定干燥介質條件下的平衡含水量

，則

為在該干燥條件下，物料含水量的最低極限；◆干燥平衡曲線也可確定達到一定干燥要求，干燥介質的最高濕含量，從而，確定該干燥過程所需的干燥介質。平衡曲線的應用A、B點C點第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日④確定濕物料的結合水量和非結合含水量，從而判斷過程中多少水分易于除去，多少水分難以除去。

如圖所示，曲線在Pv=Ps(Ps為該溫度下的飽和蒸汽壓)時的平衡含水量為Xs，對于含水量為X>Xs的樣品來說,除含有Xs的結合水以外，還含有非結合水X-Xs。第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日恒定干燥

恒定干燥條件：指干燥過程中空氣的濕度、溫度、速度以及與濕物料的接觸狀況都不變。干燥操作過程的設計，通常需計算所需干燥器的尺寸及完成一定的干燥任務所需的干燥時間，這都決定于干燥速率。而干燥速率，不僅決定于濕物料的性質，而且還決定于干燥介質的條件：包括溫度、濕度、速度及流動的狀態(tài)。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)干燥

干燥操作可以是連續(xù)操作，也可以是間歇操作。

①穩(wěn)態(tài)干燥過程：連續(xù)操作為穩(wěn)態(tài)干燥過程，濕物料的加入和干產(chǎn)品的排出是連續(xù)進行的，設備中各點的操作參數(shù)不隨時間改變。

②非穩(wěn)態(tài)干燥過程：間歇操作是非穩(wěn)態(tài)的，濕物料一次成批加入，干燥完后一次排出，即使在恒定干燥條件下，干燥介質的性質參數(shù)維持不變，但濕物料的溫度、濕含量、質量等參數(shù)是隨時間改變的。

在干燥速率的計算中，常采用絕干物料的質量Gc為計算基準，對穩(wěn)態(tài)過程，其單位為kg/s,對非穩(wěn)態(tài)過程，其單位為質量kg。第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日干燥曲線與干燥速率曲線

①干燥曲線：由間歇操作實驗所得數(shù)據(jù)，以時間τ對干基含水量X作圖,得到如圖所示的物料濕含量X隨時間的變化曲線，稱為干燥曲線。

第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日②干燥速率曲線：將干燥速率對物料濕含量作圖得到的曲線，稱為干燥速率曲線,如圖所示。圖中橫座標為干基含水量X,縱座標為干燥速率R，即單位時間內(nèi)在單位表面積上汽化的水分質量,其表達式為：

不穩(wěn)定的加熱過程恒速干燥階段臨界含水量Xc降速干燥階段平衡含水量X*第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日濕分在濕物料中的傳遞機理

液體擴散理論主要論點：

▲在降速干燥階段中，濕物料內(nèi)部的水分不均勻，形成了濃度梯度，使水分由含水量較高的物料內(nèi)部向含水量較低的表面擴散，然后水分在表面蒸發(fā)，進入干燥介質?！稍锼俾释耆珱Q定于物料內(nèi)部的擴散速率。此時，除了空氣的濕度影響表面上的平衡值外，干燥介質的條件對干燥速率已無影響。

毛細管理論主要論點：

▲多孔性物料具有復雜的網(wǎng)狀結構的孔道，水分在多孔性物料中的移動主要依靠毛細管力。第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日基本干燥過程計算

干燥過程的物料衡算

第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日▲目的：確定出濕物料干燥到指定的含水量所需除去的