干燥化工工艺

干燥化工工艺第一页，共五十三页，2022年，8月28日物料的干燥

化工生产中的固体原料、产品或半成品为便于进一步的加工、运输、贮存和使用，常常需要将其中所含的湿分（水或有机溶剂）去除至规定指标,这种操作简称为“去湿”。“去湿”方法中较为常用的方法是干燥。

①干燥过程：利用热能使固体湿物料中的湿分汽化而除去的单元操作。

②干燥过程的本质：被除去的湿分从固相转移到气相中(固相为被干燥的物料，气相为干燥介质)。在去湿过程中，湿分发生相变，耗能大、费用高,但湿分去除较为彻底。

③干燥过程分类：按照热能供给湿物料的方式,干燥可分为以下四种：

传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥。

其中，对流干燥在工业上应用最为广泛，使用的干燥介质多为空气。

第二页，共五十三页，2022年，8月28日对流干燥①对流干燥干燥介质直接与湿物料接触，热能以对流方式传递给物料，产生蒸汽被干燥介质带走。其干燥过程如图所示，是一种传热和传质同时进行的过程。

②典型的对流干燥流程：

如图所示，湿空气经加热后进入干燥器，气流与湿物料直接接触，沿空气行程其温度降低，湿含量增加，废气自干燥器另一端排出。第三页，共五十三页，2022年，8月28日③为确定流程中各设备，需计算空气用量、热量消耗及干燥时间等，而这些问题均涉及湿空气的性质。为此，以下介绍湿空气的性质。第四页，共五十三页，2022年，8月28日湿空气的状态参数

●湿空气：含有湿分的空气，是常用的干燥介质。通常干燥是在常压或减压下进行的，因此，可把这种状态下的湿空气作为理想气体来处理。

●基准：干燥过程中，干空气的质量不变，故干燥计算以单位质量干空气为基准。（1）湿度H（湿含量或绝对湿度）：湿空气中所含水蒸汽的质量与干空气质量之比。

第五页，共五十三页，2022年，8月28日第六页，共五十三页，2022年，8月28日相对湿度、湿比容、湿比热、焓相对湿度φ：当总压一定时,湿空气中水蒸汽分压Pv与一定总压下空气中水汽分压可能达到的最大值之比的百分数,称为相对湿度。可见，对水蒸汽分压相同，而温度不同的湿空气，若温度愈高，则Ps值愈大，φ值愈小，干燥能力愈大。第七页，共五十三页，2022年，8月28日单位质量干空气和其所带的Hkg水蒸汽的体积之和。在压力为101.3kN/m2时湿比容vH：湿比容随其温度和湿度的增加而增大。湿比热cH：将1kg干空气和其所带的Hkg水蒸气的温度升高1℃所需的热量。在常压下，式中,Ca-干空气比热，其值约为1.01kJ/kg干空气·℃

Cv-水蒸汽比热,其值约为1.88kJ/kg干空气·℃第八页，共五十三页，2022年，8月28日单位质量干空气的焓和其所带Hkg水蒸汽的焓之和。故,计算基准：0℃时干空气与液态水的焓等于零焓：式中，r0-0℃时的水蒸汽汽化潜热，其值为2490kJ/kg。第九页，共五十三页，2022年，8月28日绝热饱和过程中，气、液两相最终达到的平衡温度称为绝热饱和温度。

①绝热饱和过程：不饱和气体在与外界绝热的条件下和大量的液体接触，若时间足够长，使传热、传质趋于平衡，则最终气体被液体蒸汽所饱和，气体与液体温度相等，此过程称为绝热饱和过程。

②计算式：

以单位质量的干空气为基准,在稳态下对全塔作热量衡算,气体放出的显热=液体汽化的潜热,即绝热饱和温度tas：③说明：

上式表明,空气的绝热饱和温度tas是空气湿度H和温度t的函数,是湿空气的状态参数,也是湿空气的性质。当t

、tas已知时,可用上式来确定空气的湿度H。第十页，共五十三页，2022年，8月28日④特别指出：绝热饱和过程又可近似当作等焓过程处理。第十一页，共五十三页，2022年，8月28日

▲干球温度：在空气流中放置一支普通温度计，所测得空气的温度为t，相对于湿球温度而言，此温度称为空气的干球温度。

▲湿球温度：用水润湿纱布包裹温度计的感湿球，即成为一湿球温度计。将它置于一定温度和湿度的流动的空气中，达到稳态时所测得的温度称为空气的湿球温度，以

表示。

①

过程：当不饱和空气流过湿球表面时，由于湿纱布表面的饱和蒸汽压大于空气中的水蒸汽分压，在湿纱布表面和气体之间存在着湿度差，这一湿度差使湿纱布表面的水分汽化被气流带走，水分汽化所需潜热，首先取自湿纱布的显热，使其表面降温，于是在湿纱布表面与气流之间又形成了温度差，这一温度差将引起空气向湿纱布传递热量。②

计算式：当单位时间由空气向湿纱布传递的热量恰好等于单位时间自湿纱布表面汽化水分所需的热量时，湿纱布表面就达到一稳态温度，即湿球温度。干、湿球温度第十二页，共五十三页，2022年，8月28日③实验表明：当流速足够大时，热、质传递均以对流为主，且kH及α都与空气速度的0.8次幂成正比，一般在气速为3.8～10.2m/s的范围内,比值α/kH近似为一常数(对水蒸汽与空气的系统,α/kH=0.96～1.005)。此时，湿球温度为湿空气温度t和湿度H的函数。注意：◆湿球温度不是状态函数。◆在测量湿球温度时，空气速度一般需大于5m/s，使对流传热起主要作用，相应减少热辐射和传导的影响，使测量较为精确。

第十三页，共五十三页，2022年，8月28日

空气在湿度H不变、亦即蒸汽压

不变的情况下，冷却达到饱和状态时的温度称为露点。露点td

：①根据定义：式中，pd

为露点td

时饱和蒸汽压,也就是该空气在初始状态下的水蒸汽分压Pv。

②计算td第十四页，共五十三页，2022年，8月28日计算得到pd

，查其相对应的饱和温度，即为该湿含量H和总压P时的露点td

③同样地，由露点td

和总压P可确定湿含量H第十五页，共五十三页，2022年，8月28日第十六页，共五十三页，2022年，8月28日湿空气的温湿图(t-H图)

为了便于计算，将空气各种性质标绘在湿度图中。

湿度图的形式：常用的有

一般常用的湿度图都是针对一定的总压而绘制的。如图9.2.3所示为在总压P=101.3kPa下绘制的温度-湿度图（低温部分）。

（1）等温度线（等t线）：为一系列平行于纵轴的直线；

（2）等湿度线（等H线）：为一系列平行于横轴的直线；

（3）等相对湿度线（等φ线）：根据式第十七页，共五十三页，2022年，8月28日当总压一定时，如果φ为某一固定值，因PS仅与温度有关，故任取一温度t值，即可求得相应的H值，将若干个（t，H）点联接起来，即为一条等Ф

线。对不同的值，可以得出一系列Ф曲线。

（4）绝热饱和(冷却)线：根据式

对于一确定的tas值，Hasras也为一已知数而CH

=1.01+1.88H，于是，任取一H值，可求得相应的t值，将若干个（t，H）点联接起来，可得到等tas线，即为绝热饱和线（或称绝热冷却线）。第十八页，共五十三页，2022年，8月28日第十九页，共五十三页，2022年，8月28日（5）湿比热线：按定义cH=1.01+1.88H，湿比热cH为湿度H的直线函数，在图的左侧绘制出了cH-H线。（6）比容线：干空气比容在图中以va为纵坐标绘出了va

-t线。饱和比容第二十页，共五十三页，2022年，8月28日饱和蒸汽压ps为温度t的函数，故在图中绘出vHs-t线。对不同湿度H下的比容，又可绘出在干比容与饱和比容线之间的一系列直线。第二十一页，共五十三页，2022年，8月28日湿度图的应用（1）湿空气的性质参数的确定（2）湿空气状态变化过程的图示第二十二页，共五十三页，2022年，8月28日水分在气、固之间的平衡及干燥平衡曲线

●湿物料含水量的表示方法湿基含水量w：

干基含水量X

●平衡含水量：若气、固间有足够长时间的接触，使水分的传递达到平衡，则固体物料的含水量最终将保持某一定值。这个含水量称为该物料在这一空气状态下的平衡含水量。此时，湿物料表面的蒸汽压称为该含水量下的平衡蒸汽压。第二十三页，共五十三页，2022年，8月28日干燥平衡曲线不同的物料有不同的平衡含水量。因此，湿物料的平衡含水量通常都针对某种湿物料，通过实验来测定的。其表达形式有两种：

①p-x*

（或p*

-X）线：图示的曲线，表示一定温度下水分在气、固间达到平衡时，湿空气中的水汽分压p与湿物料的平衡含水量

x*

之间的关系，亦即湿物料的含水量X与平衡蒸汽压p*之间的关系，常称为平衡曲线。

第二十四页，共五十三页，2022年，8月28日②φ-X线

同一种类物料的p*

-X平衡曲线和温度有关，然而，如果用相对湿度φ=p/ps

对X作图，则同种物料在不同温度下的平衡曲线变化较小。某些物料在室温下的φ-X平衡曲线如图所示。注意：在同样的气体条件下，物料由脱湿达到平衡或由增湿达到平衡时，由于过程方向不同，有可能得到不同的平衡含水量。因此，有吸湿平衡线和脱湿平衡线。第二十五页，共五十三页，2022年，8月28日①自由水分与平衡水分

◆自由水分：湿物料中大于平衡含水量，有可能被该湿空气干燥除去的那部分水分；

◆平衡水分：等于或小于平衡含水量，无法用相应空气所干燥的那部分水分。②结合水分与非结合水分

◆结合水分：凡湿物料的含水量小于Xs的那部分水分称为结合水分。此时,其蒸汽压都小于同温度下纯水的饱和蒸汽压。结合水分包括湿物料中存在于细胞壁内的和毛细管内的水分，固、液间结合力较强。

◆非结合水分：含水量超过Xs的那部分水分称为非结合水分。此时，湿物料中的水分的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。非结合水分包括湿物料表面上附着水分和大孔隙中的水分，结合力较弱。第二十六页，共五十三页，2022年，8月28日第二十七页，共五十三页，2022年，8月28日③两种分类方法的不同：

平衡水分与自由水分，结合水分与非结合水分是两种概念不同的区分方法。

●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划分除与物料有关外，还决定于空气的状态。

●非结合水分是在干燥中容易除去的水分，而结合水分较难除去。是结合水还是非结合水仅决定于固体物料本身的性质，与空气状态无关。

第二十八页，共五十三页，2022年，8月28日①确定过程进行的方向

含水量为X的湿物料与一定温度下水汽分压为p的湿空气相接触时，可在干燥平衡曲线上找到与该湿空气相对应的平衡含水量X*

，比较湿物料的含水量X与平衡含水量X*

的大小.

◆若物料含水量X高于平衡含水量X*

，则物料脱水而被干燥；

◆若物料的含水量X低于平衡含水量X*

，物料将吸水而增湿。

②确定过程的推动力

◆干燥推动力：◆吸湿推动力：

干燥推动力更为常用的是湿度差。

③确定在给定干燥介质的条件下，干燥后物料的最低含水量

◆干燥平衡曲线可确定给定干燥介质条件下的平衡含水量

，则

为在该干燥条件下，物料含水量的最低极限；◆干燥平衡曲线也可确定达到一定干燥要求，干燥介质的最高湿含量，从而，确定该干燥过程所需的干燥介质。平衡曲线的应用A、B点C点第二十九页，共五十三页，2022年，8月28日④确定湿物料的结合水量和非结合含水量，从而判断过程中多少水分易于除去，多少水分难以除去。

如图所示，曲线在Pv=Ps(Ps为该温度下的饱和蒸汽压)时的平衡含水量为Xs，对于含水量为X>Xs的样品来说,除含有Xs的结合水以外，还含有非结合水X-Xs。第三十页，共五十三页，2022年，8月28日恒定干燥

恒定干燥条件：指干燥过程中空气的湿度、温度、速度以及与湿物料的接触状况都不变。干燥操作过程的设计，通常需计算所需干燥器的尺寸及完成一定的干燥任务所需的干燥时间，这都决定于干燥速率。而干燥速率，不仅决定于湿物料的性质，而且还决定于干燥介质的条件：包括温度、湿度、速度及流动的状态。第三十一页，共五十三页，2022年，8月28日稳态与非稳态干燥

干燥操作可以是连续操作，也可以是间歇操作。

①稳态干燥过程：连续操作为稳态干燥过程，湿物料的加入和干产品的排出是连续进行的，设备中各点的操作参数不随时间改变。

②非稳态干燥过程：间歇操作是非稳态的，湿物料一次成批加入，干燥完后一次排出，即使在恒定干燥条件下，干燥介质的性质参数维持不变，但湿物料的温度、湿含量、质量等参数是随时间改变的。

在干燥速率的计算中，常采用绝干物料的质量Gc为计算基准，对稳态过程，其单位为kg/s,对非稳态过程，其单位为质量kg。第三十二页，共五十三页，2022年，8月28日干燥曲线与干燥速率曲线

①干燥曲线：由间歇操作实验所得数据，以时间τ对干基含水量X作图,得到如图所示的物料湿含量X随时间的变化曲线，称为干燥曲线。

第三十三页，共五十三页，2022年，8月28日②干燥速率曲线：将干燥速率对物料湿含量作图得到的曲线，称为干燥速率曲线,如图所示。图中横座标为干基含水量X,纵座标为干燥速率R，即单位时间内在单位表面积上汽化的水分质量,其表达式为：

不稳定的加热过程恒速干燥阶段临界含水量Xc降速干燥阶段平衡含水量X*第三十四页，共五十三页，2022年，8月28日湿分在湿物料中的传递机理

液体扩散理论主要论点：

▲在降速干燥阶段中，湿物料内部的水分不均匀，形成了浓度梯度，使水分由含水量较高的物料内部向含水量较低的表面扩散，然后水分在表面蒸发，进入干燥介质。▲干燥速率完全决定于物料内部的扩散速率。此时，除了空气的湿度影响表面上的平衡值外，干燥介质的条件对干燥速率已无影响。

毛细管理论主要论点：

▲多孔性物料具有复杂的网状结构的孔道，水分在多孔性物料中的移动主要依靠毛细管力。第三十五页，共五十三页，2022年，8月28日基本干燥过程计算

干燥过程的物料衡算

第三十六页，共五十三页，2022年，8月28日▲目的：确定出湿物料干燥到指定的含水量所需除去的