化工原理复习必看干燥

1、第14章 固体干燥知识要点干燥是指向物料供热以汽化其中的湿分的操作。本章主要讨论以空气为干燥介质、湿分为水的对流干燥过程。学习本章应重点掌握湿空气的性质参数与湿度图、湿物料中的水分性质、干燥过程的物料衡算与热量衡算。一般掌握干燥过程的速率与干燥时间的计算。了解干燥器的类型与适用场合，提高干燥过程的热效率与强化干燥过程的措施。本章主要知识点间的联系图如下图所示。图14-1 干燥一章主要知识点联系图1. 概述对流干燥的特点：热、质反向传递过程传热：固相气相 推动力：温度差传质：固相气相 推动力：水汽分压差2. 干燥静力学(1) 湿空气的状态参数 空气中水分含量的表示方法a. 绝对湿度(湿度) b.

2、 饱和湿度 c. 相对湿度 湿空气温度的表示方法a. 干球温度t：简称温度，指空气的真实温度，可直接用普通温度计测量。b. 露点温度td：在总压不变的条件下，不饱和湿空气等湿降温至饱和状态时的温度。c. 绝热饱和温度tas： 指少量空气与大量水经长时间绝热接触后达到的稳定温度。d. 湿球温度tw：指大量空气与少量水经长时间绝热接触后达到的稳定温度。e. 湿空气的四种温度间的关系不饱和湿空气： 饱和湿空气： 湿空气的比热容(湿比热容)cpH：将1kg干空气和其所带的H kg水汽的温度升高1所需的热量，单位 kJ/(kg)。 湿空气的焓I：指1kg干气及所带的kg水汽所占的总体积，单位m3/kg干

3、气。 湿空气的比体积：指1kg干气及所带的kg水汽所占的总体积，单位m3/kg干气。常压下温度为、湿度为的湿空气的比体积为(2) 湿度图湿空气的各种性质之间存在着一定的函数关系，这些关系除了可用前面介绍的公式表示外，还可用湿空气的性质图来表示。在总压一定时，湿空气仅有两个独立的性质参数。从形式上看，常用的有焓I湿度H图、温度t湿度H图。(3) 水分在气固两相间的平衡 湿物料中水分含量的表示方法湿基含水量 kg水/kg湿料干基含水量 kg水/kg绝干料二者关系 相对湿度曲线图14-2 相对湿度曲线 平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分间的差异(表14-1)表14-1 物料中四种水分间的差异项

4、目平衡水分自由水分结合水分非结合水分区分标准能否被干燥除去干燥的难易程度特点能被干燥除去 不能被干燥除去 难 容易 影响因素湿空气的性质、物料性质物料本身的性质备注平衡水分一定是结合水分非结合水分一定是自由水分3. 干燥速率与干燥过程计算(1) 物料在定态条件下的干燥速率 干燥速率： 指单位时间、单位面积(气固接触界面)被汽化的水量，即式中 试样中绝对干燥物料的质量，kg；试样暴露于气流中的表面积，m2；物料的自由含水量，kg水/kg干料；W汽化的水分量，kg。 干燥速率曲线图14-3 干燥速率曲线 各阶段特点a. 恒速段= 常量= 物料表面温度等于湿空气的湿球温度tw；= 恒速干燥阶段为表面

5、汽化控制；= 在该阶段除去的水分为非结合水分；= 恒速干燥阶段的干燥速率与空气的状态有关，与物料的种类无关。b. 降速段= 随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥速率降低，物料表面温度逐渐升高；= 物料表面温度大于湿空气的湿球温度；= 除去的水分既有非结合水，也有结合水；= 降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、形状及尺寸有关，而与空气状态关系不大。 临界含水量= 由恒速阶段转为降速阶段的点称为临界点，所对应湿物料的含水量称为临界含水量；= 降低物料厚度，临界含水量Xc；= 物料越细，Xc；= 等速干燥阶段的干燥速率(NA)C越大，Xc。(2) 间歇干燥过程的计算恒速段 降速段降速段的近

6、似计算法 (X干基含水量) (X自由含水量)(3) 干燥过程的物料衡算与热量衡算图14-4 干燥流程示意图 物料衡算绝干物料量 或 蒸发水分量或干空气质量流量 比空气用量 实际空气(新鲜空气)质量流量 kg湿空气/s 风机的风量 m3湿空气/s式中、是风机所在位置空气的干球温度与湿度。干燥产品质量流量 预热器的热量衡算，干燥器的热量衡算或式中cp,X湿物料的比热容，kJ/(kg干物料.) ，对于水cp,L=4.18 kJ/(kg.) 理想干燥过程，又称为等焓干燥过程，即 干燥系统的热量衡算 干燥过程的热效率 忽略热损失 a. 理想干燥过程 b. 提高热效率的措施= 降低废气的温度t2，但t2应

7、比空气的湿球温度高2050，以避免干燥的产品返潮。= 提高空气的预热温度t1，但以考虑热源能位的限制与物料的耐高温性。对不能经受高温的物料，采用中间加热的方式。= 减少干燥过程的各项热损失。= 采用部分废气循环操作，一般废气循环量为总气量的20%30%。4. 干燥器(1) 常用干燥器： 厢式干燥器、喷雾干燥器、流化床干燥器、气流干燥器等(2) 几种干燥器的特点 喷雾干燥器：干燥速率快，干燥时间短(仅530s)，特别适用于热敏性物料的干燥；能处理低浓度溶液，且可由料液直接得到干燥产品。 气流干燥器：颗粒在管内的停留时间很短，一般仅2s左右。在加料口以上1m左右，物料被加速，气固相对速度最大，给热

8、系数和干燥速率也最大，是整个干燥管最有效的部分。 流化床干燥器：气速较气流干燥器低，停留时间长(停留时间可由出料口控制)。基础知识测试题一、选择题1. 将充分润湿的物料置于高温气体中，气体的运动速度很小，可近似地视为静止。当物料温度达到稳定时，物料温度与湿球温度相比较，正确的是( )。(A) (B) (C) (D) 2. 不饱和湿空气在预热过程中，湿度( )，相对湿度( )，焓( )。 (A) 增大 (B) 减小 (C) 不变 (D) 不确定3. 在总压一定的条件下，以下参数对中不能确定空气的露点的是( )。 (A) 干球温度与湿球温度 (B) 湿球温度与焓 (C) 湿度与相对湿度 (D) 绝

9、热饱和温度与湿度4. 对某空气水系统，空气的相对湿度为50%，则该空气的干球温度t，湿球温度，绝热饱和温度及露点温度之间的关系为( )。(A) (B) (C) (D) 5. 将不饱和空气在恒压下冷却至露点温度以下，则相对湿度( )，湿度( )，湿球温度( )。 (A) 增大 (B) 减小 (C) 不变 (D) 不确定6. 在一定空气状态下，用对流干燥方法将某湿物料干燥至低于临界含水量，能除去的水分为( )，不能除去的水分为( )；在恒速段除去的水分为( )，在降速段除去的水分为( )。 (A) 平衡水分(B) 结合水分 (C) 非结合水分(D) 自由水分7. 在一定的干燥速率下，同一物料的厚度

10、增加，物料的临界含水量( )，干燥所需的时间( )；干燥压力、物料厚度、物料与空气的接触方式及空气的湿度不变，提高空气的温度，则恒速段的干燥速率( )，物料的临界含水量( )，物料中的平衡水分( )。 (A) 增加 (B) 减少(C) 不变 (D) 不确定8. 在恒定干燥条件下，将含水25%(湿基，下同)的湿物料进行干燥，开始时干燥速率恒定。当干燥至含水8%时，干燥速率开始下降，再继续干燥至物料恒重，并测得此时物料含水量为0.08%，则物料的临界含水量为( )，平衡含水量为( )。(A) 25% (B) 8% (C) 0.08% (D) 7.92%9. 用一定状态的空气(湿球温度为，露点为)干

11、燥某物料。已知物料的临界含水量为20%(湿基)。现将该物料从初始含水量0.3(干基，下同)干燥至0.23，则此时物料表面温度满足( )；若将物料进一步干燥至0.05，则物料表面温度满足( )。 (A) (B) (C) (D) (E) (F) 10. 用空气作介质干燥热敏性物料，且干燥处于降速阶段，欲缩短干燥时间，则可采取的措施是( )。(A) 提高空气的温度 (B) 增大干燥面积、减薄物料厚度 (C) 提高空气的流速 (D) 降低空气的相对湿度二、填空题1. 干燥过程是_相结合的过程，传质方向为_，传热方向为_。2. 在总压101.33 kPa，温度20下(已知20下水的饱和蒸汽压为2.334

12、 kPa)，某湿空气的水汽分压为1.603 kPa，现空气温度保持不变，将总压升高到250 kPa，则该空气的水汽分压为_。3. 当湿空气的总压一定时，相对湿度仅与_及_有关。 4. 恒速干燥阶段物料表面的温度等于_。 该阶段除去的物料中的水的平衡蒸汽压等于_。影响恒速阶段干燥速率的因素的有_。5. 已知在常压、25下水分在某湿物料与空气之间的平衡关系为：相对湿度时， 平衡含水量kg水/kg绝干料；相对湿度时， 平衡含水量 kg水/kg绝干料。现将湿基含水量为20%的该物料，与25、的空气接触， 则该物料的自由含水量为_kg水/kg绝干料，非结合水分量为_kg水/kg绝干料。6. 进干燥器的气

13、体状态一定，干燥任务一定。若干燥器内部无补充加热，则气体离开干燥器的湿度H越大，干燥器的热效率越 ，传质推动力越_。7. 降低废气出口温度可以提高干燥器的热效率，但废气在离开设备之前的温度的限制是_，原因是_。8. 在测量湿球温度时，空气速度需大于5 m/s，这是为了 。9. 物料的平衡水分一定是_水分；物料的非结合水分一定是_水分。10.当某物料的干燥过程存在较长的降速阶段时，气流干燥器和流化床干燥器两者中选用_ 较为有利，原因是_。基础知识测试题参考答案一、选择题1. A 2. C；B；A 3.B4.B5.A；B；B 6. D；A；C；CD7. A；A；A；A；B8.B；C9.C；A10.

14、B二、填空题1. 热量传递与质量传递；固相至气相；气相至固相2. 2.334 kPa3. H；t 4. 干燥介质(热空气)的湿球温度；同温度下纯水的饱和蒸汽压；空气的状态、流速、空气的流向5. 自由含水量 X-X=0.25-0.009=0.241，非结合水量 X-X=0.250.025=0.2256. 大；小7. 气体温度不降至露点；原因是空气温度小于或等于露点时，会在分离设备及管道中析出水分，使产品返潮，甚至堵塞设备或管道。8. 减少辐射和热传导的影响，使测量结果较为精确9. 结合；自由10.流化床干燥器；降速阶段干燥速率慢，需要较长的干燥时间，而气流干燥器的气速高，约在1020m/s以上，

15、物料在其中的停留时间短(一般仅约2s)，流化床干燥器的气速低，使物料处于流化阶段，可获得足够的停留时间。 解题实例14-1 湿空气的性质某干燥作业如附图所示。现测得温度为50，露点为20，湿空气流量为1 000 m3/h的湿空气在冷却器中除去水分2.5 kg/h后，再经预热器预热到60 后进入干燥器。操作在常压下进行。试求：(1) 出冷却器的空气的温度与湿度；(2) 出预热的空气的相对湿度。习题14-1 附图思路分析：本题主要考察空气的各参数间的关系。详细分析过程如下：解：(1) 查教材上册(p264) 20时水的饱和蒸汽压kPa状态1的空气的湿度 kg水/kg干气状态1的空气的比体积 m3/

16、kg干气干空气的质量流量kg干气/h出冷却器的空气的湿度kg水汽/kg干气因为出冷却器的空气被水汽饱和，故，从而有解得： kPa查教材上册(p264)水的饱和温度。(3) 查教材上册(p264) 60水的饱和蒸汽压 kPa14-2 间歇干燥过程的干燥时间(物料的含水量以自由含水量表示)某厢式干燥器内有盛物浅盘50只。盘的底面积为70 cm×70 cm，每盘内堆放厚20 mm的湿物料。湿物料的堆积密度为1 600 kg/m3，含水量由0.5 kg水/kg干料干燥至0.005kg水/kg干料。器内空气平行流过物料表面，空气的平均温度为77，相对湿度为10%，气速为2 m/s。物料的临界自

17、由含水量为0.3 kg水/kg干料，平衡含水量为零。设降速阶段的干燥速率与物料的含水量成正比。求每批物料的干燥时间。思路分析：本题为恒定干燥条件下的干燥过程，首先要判断干燥过程所经历的阶段，然后根据已知条件求解。详细分析过程如下： 解：以一只盘为基准进行计算kg kg干料查教材下册(p238)焓-湿度图，得，时，kg水汽/干气，查教材上册(p265)kJ/kg。 m3/kg干气湿空气的密度kg/m3湿空气的质量流量 kg/(m2s)对流给热系数 kJ/(m2s)=89.3 kJ/(m2h)恒速段干燥速率 kg/(m2h)恒速段所需干燥时间h降速段所需干燥时间h干燥一批物料所需总时间 h14-3

18、 间歇干燥过程的干燥时间与干燥速率对临界含水量的影响常压下将含水量为25%(湿基)的物料300 kg置于温度为90，湿球温度为40的空气中，空气以7m/s的流速平行流过物料。干燥面积为5.5 m2，湿物料在该条件下的临界含水量为0.12 kg水/kg干料，平衡含水量为0.03 kg水/kg干料，降速段可视为直线。试求：(1) 除去40 kg水分所需的干燥时间(h)；(2) 将物料继续干燥，再除去20kg水分所需的干燥时间(h)；(3) 其他条件不变，只是将物料层厚度减半，求将物料干燥至同第(1)的含水量一样时所需干燥时间。已知：空气平行于物料表面流动时的对流给热系数为kW/(m2)，G的单位为

19、kg/(m2s)；汽化潜热，其中t的单位为；r的单位kJ/kg；40下水的饱和蒸汽压为7.377 kPa。思路分析：本题第(1)、(2)问同14-2。求解第(3)问的关键点是明确物料厚度对临界含水量的影响规律，判断出干燥过程所经历的阶段。参看解题过程。解: (1) 除去40 kg水分所需的干燥时间40下水的汽化潜热 kJ/kg40下空气的饱和湿度kg水汽/kg干气空气的湿度 kg水汽/kg干气空气的比体积 m3/kg干气空气的密度 kg/m3空气的质量流速 kg/(m2s)恒速段干燥速率 kg/(m2s)物料的初始干基含水量 绝干物料质量 kg除去40kg水分后物料的干基含水量>XC所以

20、除去40kg的干燥过程处于恒速阶段，所需干燥时间(2) 再除去20 kg水分所需干燥时间再除去20kg水分后物料的含水量<XC干燥分为恒速段与降速段，所用干燥时间分别记为、。 因降速段干燥速率可视为直线， 从物料中再除去20 kg水分共需干燥时间(3) 按题意，将减小，而不变，故干燥过程仍属恒速段。且X0、A、(NA)C不变，而厚度，故厚度，厚度。所以所需干燥时间 h14-4 变动干燥过程的干燥时间在常压并流操作的干燥器中，用热空气将某物料由初含水量1.2 kg/kg绝干料干燥到终含水量0.1 kg水/kg绝干料。空气进口温度为140、湿度为0.01 kg水/kg绝干气，空气出口温度为8

21、0。干燥器中空气经历等焓干燥过程。根据实验，表面汽化阶段的干燥速率可用式(a)表示： kg水/(kg绝干料h) (a)升温段的干燥速率可用式(b)表示： kg水/(kg绝干料h) (b)试计算完成上述任务所需的干燥时间。思路分析：本题为变动干燥过程。因表面汽化阶段与升温阶段的干燥速率不同，首先要求出这两个阶段分界点对应的物料含水量，以判断物料干燥过程所经历的阶段。其次，表面汽化阶段干燥速率表达式中有X和H两个变量，必需确定X与H间的约束关系式。该关系式可通过作物料衡算得到。解：空气与物料在干燥器的变化情况如下图所示：习题14-4附图 空气与物料在干燥器的变化情况 kJ/kg 空气在干燥器经历等

22、焓过程，所以，即解得：kg水汽/kg干气设表面汽化阶段与升温段的交点处的空气湿度为HC，物料含水量相应为XC。据kg水汽/kg干气，沿等焓线查I-H图得kg水汽/kg干气。根据干燥速率表达式有 (c)对干燥器作物料衡算，有 (d)自干燥器入口至分界点处作物料衡算，有 (e) 将式(d)代入式(e)，有 (f) 联立求解式(c)、(f)得：kg水/kg干料, kg水汽/kg干气。因，所以干燥过程经历表面汽化与升温两个阶段。设该两段所用的干燥时间分别为、，则有 (g) hh总干燥时间 h14-5 绝热干燥过程某湿物料在常压干燥器内进行绝热干燥，干燥后的产品为4 000 kg/h，湿物料的含水率为1

23、5%(湿基，下同)，产品的含水率不得高于1%，空气的初始温度为20，相对湿度为40%。空气预热至120后进入干燥器，气体出干燥器的温度选定为70。问： 所需湿空气用量(m3/h)；(2) 预热器的热负荷(kW)；(3) 干燥器的热效率；(4) 若选定气体出干燥器的温度过高(或过低)，其弊端是什么？思路分析：空气与物料在干燥系统中的变化过程如图所示：习题14-5附图(1) 空气流量(2) 预热器的热负荷 (3) 热效率 解： 所需湿空气用量kg水汽/kg干气kJ/kg干气因干燥过程绝热，所以 ，即 代入已知数据，有 解得 kg水/kg干气 蒸发水分量 kg/hkg/s 干空气用量 kg干气/sm

24、3/kg干气湿空气的体积流量m3/sm3/h(2) 预热器的热负荷 (3) 干燥器的热效率(4) 若选定气体出干燥器的温度过高，其弊端是：废气带走的热量增加，干燥器的热效率降低。若选定气体出干燥器的温度过低，其弊端是：降低干燥效率，延长干燥时间，增加设备容积，还可能出现气流在设备及管道出口处因散热而析出水滴，导致产品出现返潮现象。14-6 实际干燥过程(热损失可忽略)某常压操作的干燥器的参数如附图所示。其中：空气状况t0=20，H0=0.01kg/kg干气，t1=120，t2=70，H2=0.05 kg/kg干气；物料状况：，含水量，绝干物料比热容kJ/(kg)。干燥器的生产能力为53.5 k

25、g/h(以出干燥器的产物计)，干燥器的热损失忽略不计。试求：(1) 空气用量；(2) 预热器热负荷；(3) 应向干燥器补充的热量。习题14-6附图思路分析：(1)空气用量(2) 预热器热负荷(3) 应向干燥器补充的热量解： (1) 空气用量湿物料的干基含水量干燥产品的干基含水量 绝干物料量 kg干料/h水分蒸发量 kg/h干空气用量 kg/h(2) 预热器的热负荷出预热器空气的焓kJ/kg新鲜空气的焓kJ/kg预热器的热负荷kJ/h或kJ/h(3) 向干燥器补充的热量湿物料的焓kJ/kg干气干燥产品的焓 kJ/kg干气废气的焓 kJ/kg干气应向干燥器补充的热量 kJ/h14-7 实际干燥过程

26、(热损失按Qp的倍数计)某湿物料用热空气进行干燥。已知空气的初始温度为25，湿球温度为18。现将空气预热至120后送入干燥室，从干燥室出来的空气温度为80。湿物料进干燥室前温度为20，含水率为2.5%(湿基，下同)，出干燥室的温度为60，含水率为0.2%；湿物料处理量为8 000kg/h，绝干物料的比热容为1.84 kJ/(kg)。干燥室内无补充热量，设备热损失估计为外加总热量的5%。试求： 单位时间获得的产品质量(kg/h)；(2) 水分蒸发量(kg/h)；(3)干空气用量(kg/h)；(4) 预热器内所加入的热量(kJ/h)；(5) 干燥器的热效率.思路分析：干燥流程如本题附图所示。习题1

27、4-7附图(1) 单位时间获得的产品质量(2) 水分蒸发量(3)干空气用量(4) 预热器内所加入的热量(5) 干燥器的热效率 解：(1) 单位时间获得的产品质量绝干物料量 kg绝干料/h单位时间获得的产品质量 kg/h(2) 水分蒸发量湿物料的干基含水量干燥产品的干基含水量 水分蒸发量 kg/h(3) 干空气用量作干燥系统的热量衡算 (a)查教材上册(p264)18下水的饱和蒸汽压为2.064kPa,查教材上册(p265)，18下水的汽化潜热 2451 kJ/kg。18下空气的饱和湿度kg水汽/kg干气入预热器空气的湿度 kg水汽/kg干气入预热器空气的焓 kJ/kg干气预热后空气的焓 kJ/

28、kg干气预热器的热负荷 离开干燥器空气的焓 湿物料的焓 kJ/kg干燥产品的焓 kJ/kg热损失 将以上计算结果及已知数据代入式(a)得：整理上式有： (b)干空气用量 (c)联立式(b)、(c)得：水汽/kg干气， kg/h(4) 预热器的热负荷kJ/h(5) 干燥器的热效率 kJ/h所以 14-8 实际干燥过程(热损失按汽化1kg水分计) 某连续干燥器干燥含水1.5%(湿基，下同)的物料9200kg/h，物料的进口温度为25，出口温度为34，产品含水量为0.2%，产品比热为1.84kJ/(kg·K)，空气以干球温度25、湿球温度23进入预热器加热至95后，送入干燥器，空气离开干燥

29、器时的干球温度是65，预热器使用145饱和蒸汽作为加热热源，中间补充加热耗用145饱和蒸汽117kg/h，干燥器的散热损失为370kJ/kg水，试求： 干燥器的生产能力；(2) 水分蒸发量；(3) 绝干空气的消耗量；(4) 若预热器的总传热系数K=25W/(m2·K)，当不计预热器的热损失时，预热器需要的传热面积；(5)干燥器的热效率。习题14-8附图思路分析：(1)干燥器的生产能力(2) 水分蒸发量 (3) 绝干空气的消耗量(4)预热器需要的传热面积(5) 干燥器的热效率解：干燥流程如本题附图所示。(1)干燥器的生产能力kg/h(2) 水分蒸发量 kg/h(3) 干空气用量作干燥系

30、统的热量衡算 (a)查教材上册(p264)23下水的饱和蒸汽压为2.809kPa,查教材上册(p265) 23下水的汽化潜热 2439 kJ/kg。23下空气的饱和湿度kg水汽/kg干气入预热器空气的湿度 kg水汽/kg干气入预热器空气的焓 kJ/kg干气预热后空气的焓 kJ/kg干气预热器的热负荷 离开干燥器空气的焓 湿物料的焓 kJ/h干燥产品的焓 kJ/h查教材上册(p265) 145下饱和蒸汽的冷凝热 2137.5 kJ/kg。热损失 kJ/h补充热量将以上计算结果及已知数据代入式(1)得：整理上式有： (b)干空气用量 (c)联立式(b)、(c)得：水汽/kg干气， kg/h(4) 预热器的换热面积预热器的热负荷 传热平均推动力 m2(5) 干燥器的热效率 kJ/h所以 14-9 设置中间换热器的干燥过程一理想干燥器在总压为100 kPa下，将湿物料由含水20%干燥至1%，湿物料的处理量为1.75 kg/s。室外大气温度为20，湿球温度为16，经预热后送入干燥器。干燥器出口废气的相对湿度为70%。现采用两种