化工原理第十三章干燥

2025/1/11第十三章

干燥

Drying13.1.1去濕及其方法13.1.2干燥過程的分類13.1.3對流干燥的傳熱傳質(zhì)過程

第一節(jié)

概述2025/1/1113.1.1去濕及其方法1、何為去濕？從物料中脫除濕分的過程稱為去濕。濕分：不一定是水分！2、去濕方法機(jī)械去濕法：擠壓（擰衣服、過濾）—含液體較多物理法：濃硫酸吸收,分子篩吸附,膜法脫濕化學(xué)法：利用化學(xué)反應(yīng)脫除濕分（CaO）加熱去濕法：干燥（向物料供熱以汽化其中的濕分的單元操作。

）2025/1/11常壓干燥真空干燥連續(xù)式間歇式傳導(dǎo)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壓力分按操作方式分按供熱方式分13.1.2干燥過程的分類

2025/1/111、傳導(dǎo)干燥熱能通過傳熱壁面以傳導(dǎo)的方式傳給濕物料

被干燥的物料與加熱介質(zhì)不直接接觸，屬間接干燥

優(yōu)點(diǎn)：熱能利用較多

缺點(diǎn)：與傳熱壁面接觸的物料易局部過熱而變質(zhì)，受熱不均勻。2、輻射干燥熱能以電磁波的形式由輻射器發(fā)射到濕物料表面，被物2025/1/11料吸收轉(zhuǎn)化為熱能，而將水分加熱汽化。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力強(qiáng)，干燥產(chǎn)物均勻缺點(diǎn)：能耗大3、介電加熱干燥

將需干燥的物料置于交頻電場內(nèi)，利用高頻電場的交變作用將濕物料加熱，水分汽化，物料被干燥。優(yōu)點(diǎn)：干燥時(shí)間短，干燥產(chǎn)品均勻而潔凈。缺點(diǎn)：費(fèi)用大。

2025/1/114、對流干燥熱能以對流給熱的方式由熱干燥介質(zhì)（通常熱空氣）傳給濕物料，使物料中的水分汽化。物料內(nèi)部的水分以氣態(tài)或液態(tài)形式擴(kuò)散至物料表面，然后汽化的蒸汽從表面擴(kuò)散至干燥介質(zhì)主體，再由介質(zhì)帶走的干燥過程稱為對流干燥。

優(yōu)點(diǎn)：受熱均勻，所得產(chǎn)品的含水量均勻。

缺點(diǎn)：熱利用率低。2025/1/1113.1.3對流干燥的傳熱傳質(zhì)過程對流干燥中，傳熱和傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生1、傳熱過程

干燥介質(zhì)Q濕物料表面Q濕物料內(nèi)部2、傳質(zhì)過程

濕物料內(nèi)部濕分濕物料表面濕分干燥介質(zhì)2025/1/11物料QNTtwpwp干燥介質(zhì)：載熱體、載濕體干燥過程：物料的去濕過程介質(zhì)的降溫增濕過程干燥速率：由傳熱速率和傳質(zhì)速率共同控制2025/1/11

本章主要討論對流干燥，干燥介質(zhì)是熱空氣，除去的濕分是水分。對流干燥是傳熱、傳質(zhì)同時(shí)進(jìn)行的過程，但傳遞方向不同，是熱、質(zhì)反向傳遞過程：傳熱傳質(zhì)方向推動(dòng)力氣固固氣溫度差水汽分壓差2025/1/11干燥過程進(jìn)行的必要條件：物料表面水汽壓力大于干燥介質(zhì)中水汽分壓；兩者差別越大，干燥進(jìn)行的越快。干燥介質(zhì)要將汽化的水分及時(shí)帶走。以維持一定的擴(kuò)散推動(dòng)力。若干燥介質(zhì)為水汽所飽和，則推動(dòng)力為零，這時(shí)干燥操作即停止進(jìn)行。2025/1/11第十三章

干燥

Drying13.2.1濕空氣的性質(zhì)13.2.2濕度圖及其應(yīng)用

第二節(jié)

濕空氣的性質(zhì)和濕度圖2025/1/1113.2.1濕空氣的性質(zhì)1、濕含量H（

humidity）單位質(zhì)量干空氣中所含水汽的質(zhì)量，又稱濕含量。對于水蒸氣~空氣系統(tǒng)：單位：kg水汽·kg-1干空氣

2025/1/11一定溫度條件下，當(dāng)濕空氣中水汽分壓pw等于空氣飽和蒸汽壓ps時(shí)，其濕度稱為飽和濕度，用Hs表示。2025/1/112、相對濕度（relativehumidity）

在總壓P一定的條件下，濕空氣中水蒸氣分壓pw與同溫度下的飽和蒸汽壓ps之比。相對濕度代表濕空氣的不飽和程度，愈低，表明該空氣偏離飽和程度越遠(yuǎn)，干燥能力越大。=1，濕空氣達(dá)到飽和，不能作為干燥介質(zhì)。2025/1/11將代入在總壓一定時(shí)2025/1/114、濕比熱容

常壓下，將濕空氣1Kg絕干空氣及相應(yīng)水汽的溫度升高（或降低）1℃所需要（或放出）的熱量，稱為濕比熱容。在濕空氣中，1kg絕干空氣體積和相應(yīng)水汽體積之和，又稱濕容積。3、濕比容

2025/1/115、濕空氣的焓

濕空氣中1kg絕干空氣的焓與相應(yīng)水汽的焓之和。

2025/1/116、干球溫度t和濕球溫度

1）干球溫度用普通溫度計(jì)測得的濕空氣的真實(shí)溫度2）濕球溫度濕球溫度計(jì)在溫度為t，濕度為H的不飽和空氣流中，達(dá)到平衡或穩(wěn)定時(shí)所顯示的溫度。2025/1/11t大量的濕空氣t,Htw水2025/1/11t大量的濕空氣t,H水表面水的分壓高N,kH水向空氣主體傳遞Q,

蒸發(fā)時(shí)需要吸熱t(yī)w自身降溫2025/1/11對于空氣~水蒸氣系統(tǒng)而言

當(dāng)時(shí)，在一定的總壓下，已知t、tW能否確定H?由以上分析可知2025/1/117、絕熱飽和溫度水分向空氣中汽化空氣降溫增濕飽和絕熱焓不變2025/1/11一般情況下，絕熱增濕過程可看視為等焓過程，即空氣釋放的顯熱與水分汽化帶回的潛熱相等：Has、ras是tas的函數(shù)，cH是H的函數(shù)2025/1/11是濕空氣在絕熱、冷卻、增濕過程中達(dá)到的極限冷卻溫度。對于空氣~水系統(tǒng)，注意：絕熱飽和溫度于濕球溫度的區(qū)別和聯(lián)系！P1912025/1/11濕球溫度tw與絕熱飽和溫度tas的關(guān)系：tw：大量空氣與少量水接觸，空氣的t、H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)速率均衡的結(jié)果，屬于動(dòng)平衡；tas：由熱量衡算與物料衡算導(dǎo)出，屬于靜平衡。

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

tas2025/1/118、露點(diǎn)

將不飽和空氣等濕冷卻到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度相應(yīng)的濕度稱為飽和濕度一定總壓下：

2025/1/11對于水蒸汽~空氣系統(tǒng)，干球溫度、絕熱飽和溫度和露點(diǎn)間的關(guān)系為：不飽和空氣：飽和空氣：2025/1/1113.2.2濕度圖及其應(yīng)用

1、H-t圖

F=2-1+2=3,總壓P一定，則F=2.6條線-等t線等H線等相對濕度線等CH線VH線

tas線

2025/1/112、濕度圖的應(yīng)用1）由測出的參數(shù)確定濕空氣的狀態(tài)a）水與空氣系統(tǒng)，已知空氣的干球溫度t和濕球溫度tw，確定該空氣的狀態(tài)點(diǎn)A(t,H)。b）水與空氣系統(tǒng)中，已知t和td，求原始狀態(tài)點(diǎn)A(t,H)。c）水與空氣系統(tǒng)中，已知t和φ，求原始狀態(tài)點(diǎn)A的位置2）已知濕空氣某兩個(gè)可確定狀態(tài)的獨(dú)立變量，求該濕空氣的其他參數(shù)和性質(zhì)

2025/1/11第十三章

干燥

Drying13.3.1濕物料中含水量13.3.2干燥過程的物料衡算13.3.3熱量衡算13.3.4空氣出口狀態(tài)的確定13.3.5干燥器的熱效率第三節(jié)

干燥器的物料衡算與熱量衡算2025/1/1113.3.1濕物料中含水量兩種表示方法：一、濕基含水量w[kg水/kg濕物料]2025/1/11二、干基含水量X[kg水/kg干物料]三、兩者關(guān)系2025/1/1113.3.2干燥過程的物料衡算干燥流程圖預(yù)熱器L,t0,H0L,t1,H1干燥器L,t2,H2濕物料G1,w1,(X1)產(chǎn)品G2,w2,(X2)新鮮空氣廢氣2025/1/11L——絕干空氣質(zhì)量流量，[kg干氣/h]；G1、G2——物料進(jìn)出干燥器總量，[kg物料/h]。一、絕干物料量Gc[kg干物料/h]二、汽化水分量W[kg水/h]水分汽化量＝濕物料中水分減少量＝濕空氣中水分增加量2025/1/11三、絕干空氣用量L[kg干氣/h][kg干氣/kg水]

比空氣用量：每汽化1kg的水所需干空氣的量。（單位空氣消耗量）2025/1/11四、濕空氣用量、體積1.濕空氣用量[kg濕氣/kg水][kg濕氣/h]2.濕空氣體積[kg濕氣/kg水][kg濕氣/h]2025/1/1113.3.3熱量衡算QLI1,L,t1,H1產(chǎn)品G2,w2,(X2),tM2濕物料G1,w1,(X1),tM1I2,L,t2,H2廢氣I0,L,t0,H0新鮮空氣QP預(yù)熱器QD干燥器2025/1/11QP：預(yù)熱器內(nèi)加入熱量，[kJ/h]；QD：干燥器內(nèi)加入熱量，[kJ/h]。外加總熱量Q＝QP＋QD汽化1kg水所需熱量：[kJ/kg水]2025/1/11一、預(yù)熱器的加熱量計(jì)算qP若忽略熱損失，則[kJ/kg水]二、干燥器的熱量衡算輸入量（1）濕物料帶入熱量（焓值）2025/1/11cM：干燥后物料比熱，[kJ/(kg濕料?℃)]；cw：水的比熱，[kJ/(kg水?℃)]。（2）空氣帶入的焓值[kJ/kg水]（3）干燥器補(bǔ)充加入的熱量[kJ/kg水]2025/1/112.輸出量（1）干物料帶出焓值：（2）廢氣帶出焓值：（3）熱損失：Σ輸入＝Σ輸出物料升溫所需熱量2025/1/11所需外加總熱量q：2025/1/112025/1/1113.3.4空氣出口狀態(tài)的確定一、絕熱干燥過程（等焓干燥過程或理想干燥過程）——空氣在進(jìn)、出干燥器的焓值不變。過程分析：2025/1/11令：則有：：外界補(bǔ)充的熱量及濕物料中被汽化水分帶入的熱量；：熱損失及濕物料進(jìn)出干燥器熱量之差。2025/1/11等焓過程：等焓過程又可分為兩種情況，其一無熱損失濕物料不升溫干燥器不補(bǔ)充熱量濕物料中汽化水分帶入的熱量很少2025/1/11空氣放出的顯熱完全用于蒸發(fā)水分所需的潛熱，而水蒸汽又把這部分潛熱帶回到空氣中，所以空氣焓值不變。以上兩種干燥過程均為等焓干燥過程。若即：濕物料中水分帶入的熱量及干燥器補(bǔ)充的熱量正好與熱損失及物料升溫所需的熱量相抵消，此時(shí)，空氣的焓值也保持不變。其二2025/1/11二、實(shí)際干燥過程1.補(bǔ)充熱量大于損失的熱量即——在非絕熱情況下進(jìn)行的干燥過程。2.補(bǔ)充熱量小于損失的熱量即2025/1/113.空氣出口狀態(tài)的確定方法——即確定H2、I2(H2、I2)（1）計(jì)算法（2）圖解法2025/1/1113.3.5干燥器的熱效率一、熱效率定義：其中：2025/1/11因此，t2不能過低，一般規(guī)定t2比進(jìn)入干燥器時(shí)空氣的濕球溫度tw高20℃

~50℃。2.3.回收廢氣中熱量4.加強(qiáng)管道保溫，減少熱損失二、影響熱效率的因素1.2025/1/11

【例】在常壓干燥器中將某物料從濕基含水量10％干燥至2％，濕物料處理量為300kg/h。干燥介質(zhì)為溫度80℃、相對濕度10％的空氣，其用量為900kg/h。試計(jì)算水分汽化量及空氣離開干燥器時(shí)的濕度。2025/1/11解：在T-H圖中查得H1＝0.031kg/kg干氣物料干基含水量

絕干物料量汽化水分量

又則干燥器空氣出口濕度

絕干空氣質(zhì)量2025/1/11【例】在某干燥器中干燥砂糖晶體，處理量為100kg/h，要求將濕基含水量由40％減至5％。干燥介質(zhì)為干球溫度20℃，濕球溫度16℃的空氣，經(jīng)預(yù)熱器加熱至80℃后送至干燥器內(nèi)。空氣在干燥器內(nèi)為等焓變化過程，空氣離開干燥器時(shí)溫度為30℃，總壓為101.3kPa。試求：（1）水分汽化量；（2）干燥產(chǎn)品量；（3）濕空氣的消耗量；（4）加熱器向空氣提供的熱量。2025/1/11解：（1）水分汽化量

或

（2）干燥產(chǎn)品量2025/1/11（3）由查圖，得預(yù)熱后

出口空氣：等焓過程即

得：而

濕空氣用量

2025/1/11（4）預(yù)熱器中的加熱量：

2025/1/11【例】在常壓干燥器中，將某物料從濕基含水量5％干燥到0.5％。干燥器的生產(chǎn)能力為7200kg干料/h。已知物料進(jìn)、出口溫度分別為25℃、65℃，平均比熱為1.8kJ/(kg·℃)。干燥介質(zhì)為溫度20℃、濕度0.007kg／kg干氣的空氣，經(jīng)預(yù)熱器加熱至120℃后送入干燥器，出干燥器的溫度為80℃。干燥器中不補(bǔ)充熱量，且忽略熱損失，試計(jì)算絕干空氣的消耗量及空氣離開干燥器時(shí)的濕度。2025/1/11解：物料干基含水量

又

即

干燥器中不補(bǔ)充熱量，且忽略熱損失，則

即

2025/1/11而

將上式代入（2）中，聯(lián)立（1）、（3）得：2025/1/11第十三章

干燥

Drying13.4.1物料中所含水分性質(zhì)13.4.2恒定干燥條件下的干燥速度13.4.3恒定干燥條件下恒速階段干燥時(shí)間的計(jì)算13.4.4恒定干燥條件下降速階段干燥時(shí)間的計(jì)算第四節(jié)

干燥速度和干燥時(shí)間2025/1/1113.4.1物料中所含水分性質(zhì)一、物料與水分結(jié)合方式附著水分：濕物料的粗糙外表面附著的水分。毛細(xì)管水分：多孔性物料的孔隙中所含的水分。溶脹水分：是物料組成的一部分，可透入物料細(xì)胞壁內(nèi)，使物料的體積為之增大。二、平衡水分與自由水分—能否用干燥方法除去1.平衡水分（X*）——不能用干燥方法除去的水分。2025/1/112.自由水分（X－X*）——可用干燥方法除去的水分。物料表面水份產(chǎn)生的蒸汽壓力與空氣中水蒸汽分壓相同時(shí)，物料中的含水量為在該空氣條件（溫度，濕度）下物料的平衡含水量。X*=f（物料種類、空氣性質(zhì)）吸水性弱的小2025/1/112.非結(jié)合水分

——水與物料無結(jié)合力，pw＝ps。機(jī)械結(jié)合，結(jié)合力較弱，除去容易。結(jié)合水分與非結(jié)合水分只與物料的性質(zhì)有關(guān)，而與空氣的狀態(tài)無關(guān)，這是與平衡水分的主要區(qū)別。平衡水分一定是結(jié)合水分。三、結(jié)合水分與非結(jié)合水分—水份去除的難易結(jié)合水分

——水與物料有結(jié)合力，pw<ps。干燥過程中傳質(zhì)推動(dòng)力較低，除去較困難。2025/1/112025/1/11【例】在常壓25℃下，水分在ZnO與空氣間的平衡關(guān)系為：相對濕度

＝100%，X*＝0.02kg水/kg干料相對濕度

＝40%，X*＝0.007kg水/kg干料現(xiàn)ZnO的含水量為0.25kg水/kg干料，令其與25℃，

＝40%的空氣接觸，求物料的自由水分、平衡水分、結(jié)合水分和非結(jié)合水分。2025/1/11

【例】附圖為某物料在25℃時(shí)的平衡曲線。如果將含水量為0.35kg水／kg干料的此種物料與Φ＝50％的濕空氣接觸，試確定該物料平衡水分和自由水分，結(jié)合水分和非結(jié)合水分的大小。2025/1/11解：Φ＝50％，平衡水分則自由水分Φ＝100％，平衡水分即結(jié)合水分則非結(jié)合水分2025/1/1113.4.2恒定干燥條件下的干燥速率一、干燥速率定義——單位時(shí)間、單位干燥面積汽化水分量。[kg水/(m2?s)]恒定干燥條件：空氣的溫度、濕度、流速及物料接觸方式不變。2025/1/11二、干燥曲線及干燥速率曲線用于描述物料含水量X、干燥時(shí)間θ

及物料表面溫度t之間的關(guān)系曲線。1.干燥曲線2025/1/112.干燥速率曲線ABC段：恒速干燥階段

AB段：預(yù)熱段

BC段：恒速段CDE段：降速干燥階段C點(diǎn)：臨界點(diǎn)

XC：臨界含水量E點(diǎn)：平衡點(diǎn)

X*：平衡水分2025/1/11三、恒速干燥階段前提條件：濕物料表面全部潤濕。汽化速率（傳質(zhì)速率）：[kg水/s]傳熱速率：——恒速干燥速率2025/1/11恒速干燥特點(diǎn)：1.U＝UC＝const.2.物料表面溫度為tw3.去除的水分為非結(jié)合水分4.影響U的因素：恒速干燥階段——表面汽化控制階段只與空氣的狀態(tài)有關(guān)，而與物料種類無關(guān)。2025/1/11四、降速干燥階段—內(nèi)部擴(kuò)散控制階段實(shí)際汽化表面減小汽化面內(nèi)移降速干燥階段特點(diǎn)：1.2.物料表面溫度3.除去的水分為非結(jié)合、結(jié)合水分4.影響U的因素：與物料種類、尺寸、形狀有關(guān)，與空氣狀態(tài)關(guān)系不大。2025/1/11五、臨界含水量XC1.吸水性強(qiáng)的物料的XC大于吸水性弱的物料的

XC2.物料層越厚、粒度越細(xì)，XC

越大3.恒速干燥UC

越大，XC

越高。XC越大，干燥將會(huì)越早進(jìn)入降速干燥階段，故除去相同的水分量是，所需的干燥時(shí)間越長。故干燥是盡量減小物料層的厚度。2025/1/1113.4.3恒定干燥條件下恒速階段干燥時(shí)間由干燥速率定義式：對于恒速干燥：U＝UC＝const.恒速干燥所需時(shí)間2025/1/11UC的來源：

(1)由干燥速率曲線查得求取

[w/(m2?k)]

經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：（1）氣體流動(dòng)方向與物料平行G＝0.7~8.3質(zhì)量流速 [kg/(m2?s)]（2）氣體流動(dòng)方向與物料垂直G＝1.1~5.6[kg/(m2·hr)]2025/1/1113.4.4恒定干燥條件下降速階段干燥時(shí)間求U的方法：（1）圖解積分法（2）近似計(jì)算法總干燥時(shí)間：2025/1/11(1)圖解積分法當(dāng)降速段的U~X呈非線性變化時(shí)，應(yīng)采用圖解積分法。在X2~

Xc之間取一定數(shù)量的X值，從干燥速率曲線上查得對應(yīng)的U，計(jì)算1

/U；作圖1/U~X，計(jì)算曲線下面陰影部分的面積。XoXcX21/U2025/1/11(2)解析法當(dāng)降速段的U~X呈線性變化時(shí)，可采用解析法。降速段干燥速率曲線可表示為ABCD干燥速率UXUXcX*濕含量XUc⑴濕空氣性質(zhì)（計(jì)算及查圖）對空氣-水系統(tǒng)tw≈tas(等I增濕降溫到φ=100%時(shí)的溫度)小結(jié)⑵物料性質(zhì)及平衡關(guān)系物料內(nèi)水分=平衡水分+自由水分

=結(jié)合水分+非結(jié)合水分自由水分=非結(jié)合水分+部分結(jié)合水分⑶物料衡算⑷熱量衡算（以1kg水為基準(zhǔn)）Δ>0增焓過程Δ=0等焓過程Δ<0降焓過程干燥器熱效率

η=qw/q對無補(bǔ)充加熱(qd=0)，及絕熱干燥過程(理想干燥器)：空氣顯熱=汽化水分潛熱⑸干燥時(shí)間（恒定條件）復(fù)習(xí)題1.恒定干燥條件下，恒速干燥階段屬于________________控制階段；降速干燥階段屬于_______________控制階段。2.恒定的干燥條件是指空氣_____________、____________、_____________都不變的干燥過程。3．當(dāng)空氣的相對濕度為98％時(shí)，其干球溫度t、濕球溫度tw、露點(diǎn)溫度td之間的關(guān)系為（）A．t=tw=tdB．t>tw>tdC．t<tw<tdD．t>tw=td4.(判斷：)在一定的溫度下，物料中的自由水分與