化工原理之固體干燥概述課件

第七章 固體干燥第一節(jié) 概述第二節(jié) 濕空氣的性質(zhì)與濕度圖第三節(jié) 干燥過程的物料衡算和熱量衡算第四節(jié) 物料的平衡含水量與干燥速率第五節(jié) 干燥設備9/16/20231第一節(jié) 概述一、 固體物料去濕方法二、 濕物料的干燥方法三、 對流干燥過程的傳熱與傳質(zhì)9/16/20232去濕:濕分從物料中去除的過程。去濕目的:1）工藝要求；2）貯存；3）運輸。去濕的方法:機械去濕物理去濕加熱去濕（干燥）一、 固體物料去濕方法9/16/20233二、 濕物料的干燥方法（1）熱傳導干燥法對流傳熱干燥法紅外線輻射干燥法微波加熱干燥法冷凍干燥法干燥過程的分類：常壓干燥真空干燥按操作壓力分9/25/20234連續(xù)式間歇式傳導干燥（間接加熱干燥）對流干燥（直接加熱干燥）輻射干燥介電加熱干燥按操作方式分按供熱方式分9/25/20235傳熱、傳質(zhì)同時，但方向相反；介質(zhì)是熱載體，有是濕載體。1-鼓風機；2-預熱器；3-氣流干燥管；4-加料斗；5-螺旋加料器；6-旋風分離器；7-卸料閥；8-引風機。三、對流干燥過程的傳熱與傳質(zhì)δHtQWtippiδM干燥過程進行必要條件：物料表面水汽壓力大于干燥介質(zhì) 中水汽分壓；干燥介質(zhì)要將汽化的水分及時帶走。9/25/202369/25/20237第二節(jié) 濕空氣的性質(zhì)與濕度圖一、 濕空氣的性質(zhì)二、濕空氣的濕度圖及其應用一、 濕空氣的性質(zhì)（一）濕空氣中濕含量的表示方法濕空氣中水汽分壓pV相對濕度φ定義：一定T、P，pV與同溫度下pS之比的百分數(shù)。9/25/202383.

濕度（濕含量）H定義：1kg干空氣所攜帶的水汽質(zhì)量。H

=Kg水汽Kg干空氣=nVMVng

Mg=18.02nV28.95ng飽和空氣，

pV

=

ps，

φ

=1，不可作為干燥介質(zhì)；不飽和空氣，

pV

<

ps

，φ

<1，可作為干燥介質(zhì)。9/25/20239當P為一定值時，pV=ps時，H=Hs即：H與φ的關系：H

表示空氣中水汽含量的絕對值，而φ反映濕空氣水氣含量的相對大小，不飽和程度，吸收水汽的能力，φ↓→能力↑。9/25/202310（二）濕空氣的比體積、比熱容和焓1.

濕空氣的比體積υH

[m3濕空氣/kg干氣]定義：1kg絕干空氣為基準，濕空氣的總體積。9/25/202311P一定，2.

濕空氣的比熱容cH定義：在常壓下，將1kg干空氣和其所帶有的Hkg水汽升高溫度1K所需的熱量。[kJ/kg干氣?K]3.

濕空氣的焓I9/25/202312[kJ/kg干氣]定義：濕空氣的焓為干空氣的焓與水汽的焓之和。（三）濕空氣的溫度1.

干球溫度t

t：是用普通溫度計測得的濕空氣的真實溫度。9/25/202313定義：一定壓力，不飽和空氣等濕降溫至飽和的溫度。pS：td下的飽和蒸汽壓。3.

濕球溫度twtw:

濕球溫度計在空氣中所達到的平衡或穩(wěn)定的溫度。2.

露點td氣流ttw9/25/202314濕球溫度計工作原理討論：1）α、kH∝u0.8，α與kH之比與物性有關。空氣—水系統(tǒng)，u

>5m/s

：物系一定，QN對流傳熱αkH對流傳質(zhì)氣體t,

H氣膜液滴表面

tw

,Hw9/25/2023159/25/202316飽和空氣：tw=t；不飽和空氣：tw<t

。測定tw的意義：1）測定H

；2）確定物料表面的溫度。4.

絕熱飽和溫度tas定義：空氣絕熱增濕至飽和時的溫度?？諝庾兓^程：1）t↓；2)H↑；3）I不變。9/25/202317tw

與tas

的關系：tw

：大量空氣與少量水接觸，空氣t、H的不變；tas

：大量水與一定量空氣接觸，空氣降溫、增濕。tw

：傳熱與傳質(zhì)速率均衡結(jié)果，屬動平衡；?tas

：熱量衡算與物料衡算導出，屬靜平衡。tw

與tas

數(shù)值上的差異取決于α/kH

與cH兩者之間的差別。，空氣—水體系：空氣—甲苯體系：>，tw

>

tas9/25/202318

當空氣為不飽和狀態(tài)：t

>tw

(tas)>td；當空氣為飽和狀態(tài)：t

=tw

(tas)=td。二、濕空氣的焓濕圖及其應用P一定，F(xiàn)=2，兩個獨立參數(shù)確定空氣狀態(tài)、性質(zhì)。9/25/202319（一）I-H圖的構造坐標；5根線。等濕線等焓線等溫線等相對濕度線p-H線9/25/202320（二）焓濕圖的應用1.已知兩個獨立參數(shù)，定空氣狀態(tài)點，求其它性能參數(shù)例1

已知t=30

℃，φ=60%求：H、td、tasAt=30CD等焓線tH=0.016kg/kg干氣9/25/202321as=23td=21例2

已知t、

tW

，定狀態(tài)。9/25/202322A例3

已知t、

td

，定狀態(tài)。tdA9/25/2023239/25/202324第三節(jié) 干燥過程的物料衡算和熱量衡算一、干燥過程的物料衡算二、干燥過程的熱量衡算（一）物料中含水量表示方法（1）濕基含水量w

[kg水/kg濕物料]一、干燥過程的物料衡算（2）干基含水量X[kg水/kg干物料]9/25/202325（3）兩者關系（二） 物料衡算（1）干燥產(chǎn)品流量L2濕物料L

,

w1

1干燥產(chǎn)品L2,

w2熱空氣G,H1濕廢氣體G,H2（2）水分蒸發(fā)量W9/25/202326（3）空氣消耗量9/25/202327二、干燥過程的熱量衡算濕物料L1,

X1

,

θ1,

I1’熱氣體G,H1,

t1,

I1濕廢氣體G,H2,

t2,

I2濕氣體G,H0,

t0,

I09/25/202328QpQD干燥產(chǎn)品L2,

X2

,

θ2,

I2’QL預熱器干燥器（1）預熱器的加熱量（2）干燥器的熱量衡算9/25/2023299/25/202330第四節(jié) 物料的平衡含水量一、物料的干燥實驗曲線

二、物料的平衡含水量曲線三、恒定干燥條件下的干燥速率與干燥時間一、物料的干燥實驗曲線（一）干燥實驗曲線濕含量XXctwDCBACA

BDX*t物料表面溫度θ干燥時間τ預熱段恒速段降速段恒定干燥條件：空氣溫度濕度流速與物料接觸狀況干燥曲線：X、θ與τ

的關系曲線。9/25/2023319/25/202332預熱段：物料升溫，X變化不大。恒速干燥段：物料溫度恒定在tw，X~τ

呈直線，氣體傳給物料熱量全部用于濕份汽化。降速干燥段

：物料開始升溫，

X

變化減慢，氣傳給物料的熱量僅部分用于濕份汽化，其余用于物料升溫，當X=X*

，θ=t。（二）干燥過程的三階段二、物料的平衡含水量曲線（一）物料的平衡含水量曲線平衡水分（X*）：不能用干燥方法除去的水分。X*

=

f（物料種類、空氣性質(zhì)）吸水性弱的

小9/25/2023339/25/202334（二）自由水分與平衡水分自由水分（X－X*）:可用干燥方法除去的水分。(三)結(jié)合水分與非結(jié)合水分結(jié)合水分——水與物料有結(jié)合力，pw<ps。非結(jié)合水分——水與物料無結(jié)合力，pw＝ps。9/25/202335注意：

1）結(jié)合水分與非結(jié)合水分只與物料的性質(zhì)有關，而與空氣的狀態(tài)無關，這是與平衡水分的主要區(qū)別。

2）平衡水分是指定空氣，干燥的極限，與空氣和物料有關，且一定是結(jié)合水分。3）X低，φ高，可能吸濕。三、恒定干燥條件下的干燥速率與干燥時間（一）間歇干燥過程和干燥速率曲線干燥速率:單位時間、單位干燥面積汽化水分量。[kg水/m2?s]9/25/202336ABC段：恒速干燥階段

AB段：預熱段BC段：恒速段CDE段：降速干燥階段C點：臨界點

XC：臨界含水量

E點：平衡點

X*：平衡水分9/25/202337（二）恒速干燥階段物料表面濕潤，X>Xc，汽化的是非結(jié)合水分。[kg水/m2?s]——恒速干燥速率9/25/202338恒速干燥特點：1.

u＝uC＝const.物料表面溫度為tw；去除的水分為非結(jié)合水分；uC——干燥條件決定，表面汽化控制；影響u的主要因素：t、H、u、空氣與物料接觸方式恒速階段干燥時間計算uC的來源：

（1）由干燥速率曲線查得9/25/202339（三）降速階段影響u的因素：實際汽化表面減小（CD，除非結(jié)合、結(jié)合水分）汽化面向內(nèi)部移動（DE，除結(jié)合水分）u因素：與物料性質(zhì)、結(jié)構、尺寸、形狀、堆積厚度有關，與空氣狀態(tài)關系不大。降速階段干燥時間計算9/25/202340方法：（1）圖解積分法（2）解析計算法X*XCuCX29/25/202341當X*=0時，總干燥時間：9/25/2023429/25/202343（四）臨界含水量XC吸水性強的物料XC>吸水性弱的物料XC物料層越薄、分散越細，XC

越低干燥條件：t↑,H↓,u↑。uC

越大，XC

越高。X9/25/202344第五節(jié) 干燥設備一、 常用對流干燥器簡介二、 干燥的選用一、常用對流干燥器簡介（一）廂式干燥器(盤架式干燥器)小型的稱為烘箱，大型的稱為烘房，可同時處理多種物料。通常在常壓或真空下間歇操作。廂內(nèi)設有支架，濕物料放在矩形淺盤內(nèi)，或懸掛在支架上(板狀物料)，空氣經(jīng)加熱器預熱并均勻分配后，平行掠過物料表面，離開物料表面的濕廢氣體，部分排空，部分循環(huán)，與新鮮空氣混合后用作干燥介質(zhì)。9/25/2023459/25/202346優(yōu)點：結(jié)構簡單，裝卸靈活、方便，適應性強，適用于小批量、多品種物料的干燥；缺點：分散差，勞動強度大，干燥時間長，設備體積大。9/25/202347（二）轉(zhuǎn)筒式干燥器主體:沿軸向裝抄板圓筒,略傾斜，齒輪機構驅(qū)動作旋轉(zhuǎn)運動；物料由轉(zhuǎn)筒較高一端送，由較低端出，熱風由轉(zhuǎn)筒低端入，由高端出，氣固兩相呈逆流接觸；隨著圓筒旋轉(zhuǎn)，物料被炒板抄起然后灑下，改善傳熱傳質(zhì)，提高干燥速率；物料濕含量較低，產(chǎn)品能承受高溫，宜采用逆流干燥。物料濕含量較高、產(chǎn)品濕含量不是很低的場合宜采用并流干燥。特點:(1)

機械化程度較高，生產(chǎn)能力較大；9/25/202348干燥介質(zhì)通過轉(zhuǎn)筒的阻力較??；對物料的適應性較強，操作穩(wěn)定方便，運行費用較低；裝置比較笨重，金屬耗材多，傳動機構復雜，維修量較大；設備投資高，占地面積大。 國內(nèi)現(xiàn)有轉(zhuǎn)筒干燥器的直徑一般為

0.5-3m ，長度為

2-27

m

，長徑比為4-10，物料在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的裝填量約為筒體容積的8-13%，物料沿轉(zhuǎn)筒軸向前進的速度為0.01-0.08m/s，其停留時間一般為1h左右。（三）流化床干燥器加料口加入，熱氣體穿過

流化床底部多孔分布板，

形成許多小氣流射入物料

層。氣速控制，形成沸騰

狀流化床。產(chǎn)品經(jīng)床側(cè)出

料管卸出，濕廢氣體由引

風機從床層頂部抽出排空，旋風分離器分離所夾帶少

量細微粉。單層流化床干燥器9/25/202349固體在每一層完全混合，但層與層之間不相混。改善了物料停留時間的分布，層數(shù)越多，產(chǎn)品濕含量愈均勻。國內(nèi)使用五層流化床干燥滌綸切片，效果很好。氣固兩相逆流流動，有利于降低產(chǎn)品的濕含量，且可使熱量的利用更加充分。多層流化床特別適合于產(chǎn)品濕含量較低、冷物料不能承受強烈干燥而干物料可以耐高溫的場合。多層床其結(jié)構復雜，氣體的流動阻力也較大，因而限制了多層流化床的應用。主要問題：控制物料順利流至下一層的量，且不使氣體沿溢流管短路跑掉。在應用中常因操作不當而不能正常生產(chǎn)。9/25/202350多層流化床干燥器9/25/202351臥式多室流化床干燥器床為矩形截面，用擋板將床分為多個室，擋板與氣體分布板間有間隙使物料逐室通過。最后一室通入冷空氣。特點：產(chǎn)品含水量均勻；各室氣溫和流量可調(diào)節(jié)，熱量利用充分；物料和氣體錯流，流動阻力小，動力消耗少；最后一室冷卻便于包裝。（四）氣流干燥器特點：

干燥速度快，兩傳熱傳質(zhì)面積。熱氣體速度高, 相對速度很大，體積小。

并流，使用高溫氣體作為干燥介質(zhì)不會燒壞物料。

時間短，氣流干燥又稱為快速干燥或閃蒸干燥，特別適合于熱敏性物料干燥。

物料呈活塞流流動，干燥產(chǎn)品濕含量均勻。

結(jié)構簡單，投資少，占地面積小，操作方便，性能穩(wěn)定，維修量小。9/25/2023529/25/202353問題：

物料停留時間短，只適合于干燥非結(jié)合水分的干燥，故常被用作物料的預干燥；

顆粒破碎現(xiàn)象比較嚴重，顆粒之間以及顆粒與器壁之間的碰撞與摩擦。故不適合于干燥晶形不允許破壞的物料；

氣固兩相分離任務很重，固體產(chǎn)品的放空損失較大，粉料排空對環(huán)境造成一定污染；

氣固兩相接觸時間短，傳熱不充分，氣體放空損失大，熱效率較低；

氣體通過干燥系統(tǒng)的流動阻力較大，因而風機的動力消耗較高，故總能耗較高。（五）噴霧干燥器用于干燥溶液、漿液或懸浮液。液狀物料由霧化器噴成霧狀細滴并分散于熱氣流中，使水分迅速汽化而獲得微粒狀干燥產(chǎn)品。霧滴直徑為30~60

μm，每升料液100~600m

2

的蒸發(fā)面積，需干燥時間很短（約為5~30s）。特別適合于干燥熱敏性物料，如牛奶、蛋制品、血漿、洗衣粉、抗菌素、酵母和染料等。