化工原理固体干燥

第八章固体枯燥第一节概述§8.1.1、固体去湿方法和枯燥过程在化学工业,制药工业,轻工,,常常需要从湿固体物料中除去湿分(水或其他液体),这种操作称为”去湿”.例如:药物,食品中去湿,以防失效变质,中药冲剂,片剂,糖,咖啡等去湿(枯燥),则在以后的注塑加工中会产生气泡,影响产品的品质.其他如木材的枯燥,纸的枯燥.一、物料的去湿方法1、机械去湿：压榨，过滤或离心分别的方法去除湿分，能耗底，但湿分的除去不完全。〔CaCl2，硅胶，沸石吸附剂等〕与湿物几乎为零，且能到达较为完全的去湿程度，但枯燥剂的本钱高，枯燥速率慢。3、供热枯燥：向物料供热以汽化其中的水分，并将产生的蒸汽排走。〔如过热蒸汽，烟道气〕来制得合格的干品。二、枯燥操作的分类1、按操作压强来分：、常压枯燥：多数物料的枯燥承受常压枯燥、真空枯燥：适用于处理热敏性，易氯化或要求产品含湿量很低的物料2、按操作方式来分：、连续式：湿物料从枯燥设备中连续投入，干品连续排出如烘房，适用于小批量，多品种或要求枯燥时间较长的物料的枯燥。3、按供热方式来分：、对流枯燥：产生的蒸汽由枯燥介质带走。如气流枯燥器，流化床，喷雾枯燥器。、传导枯燥：走〔真空枯燥〕，如烘房，滚筒枯燥器。、辐射枯燥：而使湿分汽化，照试验室中红外灯烘干物料。、介电加热枯燥：本章主要争论以空气为枯燥介质，湿分为水的对流枯燥过程。是由于：一方面：如图示；

，则气体传热给固体，传热推动力，传热量Q，方向另一方面：p低于固体外表气膜中水汽压强向气流主体集中，即发生质量传递过程，传热推动力

，即，水汽将通过气膜，传递物质量N，方向如图四．枯燥的必要条件：，使物料外表的水分能够汽化传质推动力 ，△p越大，枯燥进展的越快，所以，枯燥介质应准时将汽化的水分带走，以便保持肯定的传质推动力。假设 。五．对流枯燥流程及经济性枯燥流程：典型的流程如图示经济性：主要取决于能耗和热的利用率〔如枯燥器内埋设加热管道，废气局部循环等〕其次节湿空气的性质和湿度图§8.2.1、湿空气的性质一、湿空气的性质基准：1㎏绝干空气。湿空气的假设干参数均以单位质量的绝干空气为基准。这是由于在枯燥过程中水重量是不断变化的，而绝干空气的质量是不变的，所以选取1㎏绝干气作基准对枯燥计算而言是很便利的。湿度〔湿含量、确定湿度〕H定义：H=湿空气中水汽的质量/湿空气中绝干空气的质量=Mvnv/Mgng= ㎏水/㎏绝干气假设

(空气温度下水的饱和蒸汽压)，则湿空气呈饱和状态。其中所以φ定义衡量湿空气的不饱和程度假设φ=100﹪湿空气达饱和状态，即

，在此条件下无枯燥力量；因此只有当φ<100﹪的不饱和空气才能作为枯燥介质。φ值越小，表示该空气偏离饱和程度越远，枯燥力量越大。H和φ的比较：Hφ反映出湿空气吸取水分的力量联系：P，t，Hφ比容〔湿容积〕定义：=湿空气的总容积/湿空气中绝干空气的质量比热〔湿热〕1℃所吸附或放出的热量，叫比热。㎏/㎏绝干气℃焓定义：焓是一个相对值，计算焓值时必需规定基准状态和基准温度，∴〔r2500kT/㎏〕1tt。湿球温度用湿球温度计测的得湿空气的温度叫湿球温度，记作。湿球温度计：在一般温度计的感湿泡外用湿纱布包示的实为薄水层的温度 ， 与空气的t，H有关。t=θ，〔即空气与水之间不存在温差〕，但由于或则发生水分的传质过程，水分子自纱布外表汽化，而后迁移指空气中，被空气所带走。θ<t，(起始时，θ=t，Δt=0，无显热传递)，一旦θ<t，则Δt=t-θ〉0，即发生热量传递〔显热〕。当这一热量缺乏以补偿水分汽化所需的热量时，水湿比将连续下降，当水湿降至足够低，由此造成的气—液两相的传热温度足够大，空气传给水的热量恰好等于水分因分子差而汽化所需的热量时，水湿不再变化〔即热量=潜热〕。此时的水湿即为湿球温度计指示的数值。h此时对水分作热量衡算。显热潜热热平衡∴即 一般的，，α与空气速度u的0.8次方成正比，所以 值与u无关。对于空气—水蒸气系统，*测量湿球温度计，空气速度应大于5m/s，以减小辐射和热传导的影响;*实际枯燥操作中，常用干，湿球温度计来测量空气的湿度。绝热饱和温度〔t，H〕与大量循环水亲热接触，水分t

，所以汽化水分的潜热取自于空气湿随着过程的进展，空气湿度不断下降，湿度不断上升，但空气的焓恒定不变，这叫做绝热增湿过程(或等焓过程)。在绝热增湿过程中，一方面空气将其显热传给水分用于水分的汽t，H随过程设备的位置不同而变化，但焓是恒定的。假设这个过程空气被水饱和，即达饱和状态，此时空气的温度不在下降，而等于循环水的温度。这个温度称为初始状态空气的绝热饱和温度，以 表示，相应的饱和温度为。进入和离开绝热饱和器的湿空气的焓分别为：∵H，∴∵

值较小，且变化不是很大，即∴当空气流速较高时所以露点〔ψ=100﹪〕此时的温度称为该空气的露点，以表示。露点时三者关系对于不饱和空气对于饱和空气2二．湿度图p肯定，t,p,φ,H,I,, ,只有两个参数是独立的。工程绘制，H-T,I-Ht-h图，横坐标t，纵坐标H，H线：水平线。t线：垂直线。等φ线：，当p肯定， 等 线：I-H〔横坐标为H,纵坐标为I,两者夹角为135°，其目的使图中的曲线不至于过密〕I线t线1.88t+2500,t↑,斜率亦↑，直线族各不平行等φ〔同上t>99.7℃,线〔p-H〕线

,等线为一垂直向上的直线。蒸汽分压一．加热与冷却过程1．加热假设不计换热器的流淌阻力，湿空气的加热与冷却属等压过程，I-H图湿空气被加热湿时的状态变化描绘为：HAB点湿度上升，空气的φ下降，枯燥力量上升。与加热过程相反。二． 绝热增湿过程等I三． 空气状态确实定t、t、t、φ第三节枯燥过程的物料衡算和热量衡算对流枯燥过程通常在枯燥过程的计算中，首先需要确定从事物料中移除的水重量相应需消耗的空气量和选择，枯燥过程的物料衡算和热量衡算是上述计算的根底。§8.3.1湿物料中含水量的表示方法XW关系：§8.3.2物料衡算范围〔对象〕：连续枯燥器基准：单位时间s〔或h〕对象水分：§8.3.3热量衡算范围基准：单位时间s热量衡算：对象枯燥全系统：或预热器：〔无视预热器热损失〕X㎏水具有的焓。则温度为θ湿含量为X的湿物料的焓I’为为了简化计算，现假设：颖气中水蒸气的焓等于出枯燥器时废气中的水蒸气的焓，即，进出枯燥器的湿物料比热相等，即，即∵ ，，代入上式并整理得：或假设〔不补充热量于枯燥器中〕则④热损失。

枯燥系统中参加的热量为四局部：①加热空气②蒸发水分③加热物料的传热面积，加热介质消耗量，枯燥器尺寸及枯燥热效率的根底。§8.3.4空气通过枯燥器时的状态变化时状态的变化过程。空气经过预热器被加热，H不变，温度上升，焓↑空气经定出枯燥器时的空气状态是比较困难的和简单的。现争论等焓枯燥过程〔绝热枯燥过程〕前提：①②③故，H—I对于等焓枯燥过程，离开枯燥的空气状态确实定只需一个参数，一般。〔抱负枯燥器〕时，可近似按等焓枯燥过程处理。〔由枯燥器热量衡算式得知〕〔非绝热枯燥过程〕非等焓〔绝热〕枯燥过程可分为以下几种状况〔定性争论〕①则BCBC线〔等焓线〕下方② ，则，在BC线上方③假设足够大，使〔等温下进展〕则沿等温线变化3§8.3.5枯燥器的热效率η定义为：即 W，空气出枯燥器时温度为水分所需的热量为：4

，物料进枯燥器时的温度为，则蒸发枯燥操作的热效率表示枯燥器的性能，热效率越高表示热利用程度越好。假设离开枯燥器的空气温度降低而湿度增高，则可节约空气消耗量并提高热效率。但是空气的湿度增加，使物料和空气间的传质推动力减小。在枯燥操作中，往往将废气〔出口空气〕中热量回收，以降低能耗。生产中利用废气预热冷空气或冷物料等。此外应留意枯燥设备和管路的保温隔热，以削减枯燥系统的热损失。第四节固体物料枯燥过程的平衡关系和速率关系§8.4.1物料的平衡湿含量一．平衡湿含量〔平衡水分〕蒸气分压相等为止。此时物料中所含的水分称为该空气状态下物料的平衡水分。同而不同。25℃下的平衡水分与空气相对湿度的关系如下图。由图可见对于非吸水性物性，例如陶土的平衡水分几乎等于零，对于吸水性物料，例如烟草，皮革及木材等的平衡水分较高，而且随空气状况不同而有较大的变化。由图还可见当空气的相对湿度为零时，任何物料的平衡水分均为零。由此可知只有使物料与相对湿度为零的空气相接触，才有可能获得绝干的物料。假设物料与肯定湿度的空气进展接触，物料中总有一局部水分不能被除去，这局部水分就是平衡水分。它表示在该空气状态下物料能被枯燥的限度。通常物料的平衡水分都是由试验测定得到的。结合水分和非结合水分结合水分和非结合水分是依据水分与物料结合力的状况来划分的。①结合水分质推动力降低，所以结合水分较纯水难除去。②非结合水分枯燥过程中极易除去。平衡水分和自由水分的。分的关系用图表示出来。§8.4.2物料在定态空气条件下的枯燥速率枯燥动力学试验随着枯燥过程的进展，水分被不断汽化，湿物料的质量不断削减，用记录仪记录，取湿物料质量随时间的变化规律，用测温元件吸取湿物料外表温度随时间的变化规律。X~τ曲线及θ~τ曲线称为枯燥曲线，如以下图各中A表示物料起始含水量,容度,枯燥开头后，物料含水量及其外表温度均随时间而变化。曲线均存在这三个阶段：AB段：，在阶段空气中的局部热量用于加热物料，故物料的Z随的变化不大，即较小BC段：在阶段空气中的局部热量根本上成直线关系外表温度恒定等于，阶段内的空气传递给物料的显热恰好等于水分从物料汽化所需的潜热，而物料的外表温度等〔这一阶段恰似湿球温度测温原理〕。CDE段：

，物料开头升温，热空气中局部热量用于加热物料时使其由

，另一局部热量用于汽化水分，因dZ/dτ 渐渐变为平坦，直到2、枯燥速率曲线

为止。枯燥速率〔亦即水分汽化速率〕出枯燥速率曲线。个枯燥阶段的传热、传质有各自的特点。3、恒速枯燥阶段在此阶段中，固体物料外表掩盖着水层，其状况与湿球温度计纱布外表的状况相像。物体外表的温度等于该空气的湿球温度，此阶段的空气传递给物料的显热恰好等于水分从

也为定值。所以 ，枯燥速率与物料本身性质无关。水分自物料外表汽化的速率相适应，使物料外表汽化始终维持润湿状态。明显，恒速枯燥阶段的枯燥速率的大小取决于物料外表水分的汽化速率，以取决于物料外部的枯燥条件，所以恒速枯燥阶段又称为外表汽化掌握阶段。强化过程：t上升，H下降，u上升。BC段考虑。54、降速枯燥阶段质及其内部构造有关。降速的缘由大致有如下四个：随着枯燥的进展，由于水分的不均匀分布，局部外表的水亦先除去而成A〔实际枯燥面积〕<A〔计算时的全部外表〕CD段，这为第一降速阶段。当物料全部外表都成为干区后，水分的汽化面渐渐向物料内部移动。此时DE段，也称为其次降速阶段。降，使传质推动力减小，枯燥速率也随之降低。枯燥速率与气速无关，与外表气—固两相的传质系数无关。薄物料厚度降有效的提高枯燥速率。5、临界含水量c点称为临界点，与该点对应的物料含水量称为临界含等于恒速阶段的枯燥速率。

后则称为临界自由含水量。临界点c处的枯燥速率仍临界含水量不但与物料本身的构造、分散程度有关，也受枯燥介质条件〔流速u、t、H〕的影响。物料分散越细，临界含水量越低；等速的枯燥速率越大，临界含水量越高，即降速阶段较早的开头〔物料的通常由试验测定〕。枯燥时间长。

值越大便会较早的转入降速枯燥阶段，使在一样的枯燥任务下所需的确定物料的值，不仅对于枯燥速率和枯燥时间的计算时格外必要的，而且由于影响有重要意义。6、枯燥操作对物料外形的影响

值对于 如何强化具体的枯燥过程也在恒速阶段，物料外表温度等于，即使在高温下易于变质破坏的物料〔塑料、药物、食品等〕t较高，以提高枯燥速率和热的利用率。在降速阶段，物料温度渐渐上升，故在枯燥后期须留意不使物料温度过高。通常减缓枯燥速率，使物料内部水分分布比较均匀，以避开产生外表硬化、开裂、起皱等不良现象，常需对降速阶段的枯燥条件严格加以掌握。§8.4.3间歇枯燥过程的计算1枯燥时间物料枯燥时间确实定：1〕原则上恒定条件下的枯燥试验，且试料的分散程度〔或积存1〕．衡速阶段的枯燥时间ε1恒速度 ，或由试验确定，或按传质或传热速率式计算几种典型接触方式的给热系数阅历式①空气平行于物料外表流淌， ，②空气自上而下或自下而上穿过颗粒积存层③单一球型颗粒悬浮于气流中2〕．降速枯燥阶段∵∴用图解积分法计算

随物料的含水量呈非线性变化时，应采当降速枯燥阶段的枯燥速率可近似作为直线处理，即∵当，则总枯燥时间枯燥完毕时的物料温度恒速阶段：降速阶段：厚层物料，表里温度不均匀，存在温度分布找出枯燥终了时物料的温度与含水量的关系。降速阶段，取时间微元物料升温含水量降低则假设代入上式边界条件解此微分方程§8.4.4连续枯燥过程的一般特性连续枯燥过程的特点k点以前：，预热阶段+外表汽化阶段预热段：外表汽化段：∵沿途下降，， 沿途增加，∴不再是恒速阶段如，则外表汽化段中气体绝热增湿，物料温度维持不变。K点以后升温阶段，连续枯燥过程的数学描述t,H,θ=f(x,y,z)与ε无关dV数学描述：对微元写出物料衡算式，质量衡算式及相际传热与传质速率方程式。§8.4.5连续枯燥过程的物料衡算与热量衡算物料衡算连续枯燥器如以下图所示：以枯燥器为掌握体对水分作物料衡算热量衡算预热器：以预热器为掌握体作热量衡算枯燥器：以枯燥器为掌握体作热量衡算令又得物料衡算式与热量衡算式的联立求解设计型计算中，上两式中，任务规定的，对于实际枯燥过程一般由试验测定。对于集中的细颗粒物料联立求解物料衡算式、热量衡算式得：从而选择适用的风机，预热器及确定枯燥器的有关尺寸。连续枯燥过程的热效率令这样∵令定义热效率：1〕．↑η→t↓，但同时↓Na→τ↑，枯燥设备容积增大。t过低，则气流易在设备及管道出口处散热而析出水滴返潮。t的选择：2〕．↑η→↑t→↑I→V↓→Q↓t的界限：器，往往可提高η。热冷空气或冷物料。§8.4.6抱负枯燥过程的计算枯燥过程的简化——抱负枯燥过程假设枯燥过程中：则由枯燥器为掌握体的热量衡算式：，I—H图上为：枯燥可视为抱负枯燥过程。

很低、颗粒尺寸又很细小的集中物料保温良好的dV为掌握体列出微元内的物料衡算式、热量衡算式、相间传热传质速率式dV为掌握体联立求解：∵在抱负枯燥过程中，下式必成立：得将物料、热量衡算式2分别积分得：或〕由于 比更易得到，为此数值积分得V在设计型计算中如作近似计算取积分式抱负枯燥过程的热效率§8.4.7实际枯燥过程所需容积的估算

是选择容积进展粗略的估算。通常承受的简化假定：预热段物料只转变温度，不转变含水量，只发生气固间的传热过程外表汽化阶段可假设为抱负枯燥过程，由实测的求出温差的对数平均值。分界处有关参数，逐段计算所需的设备容积。

再依据上述假定确定各第五节枯燥器§8.5.1枯燥器的根本要求设备的生产力量取决于物料到达指定枯燥程度所需的时间。缩短降速阶段的枯燥时间不外从两方面着手：降低物料的临界含水量，使更多的水分在速度较高的恒速阶段除去§8.5.2常用工业枯燥器一．厢式枯燥器10～100mm。厢内设有翅片式空气加热器，并用风机造成循环流淌。要常常更换的物料的枯燥。二．喷雾枯燥器热及热风系统等局部组成。且可省去溶液的蒸发、结晶等工序，由液态直接加工为固体成品。三．气流枯燥器枯燥产物的含水量很低时，应改用其他低气速枯燥器连续枯燥。特点：设备简洁，操作便利敏捷，可以适应枯燥物品的变化。避开空气中的尘粒污染物料。耗能大，但在某些状况下这一缺点可为枯燥速率快所补偿。因固体的热辐射是一外表过程，故限于薄层物料的枯燥。例题[例1]：假设常压下某湿空气的温度为20℃、湿度为0.014673㎏/㎏绝干气，试求：⑴湿空气的相对湿度；⑵湿空气的比容；⑶湿空气的比热；⑷湿空气的焓。假设将上述空气加热到50℃，再分别求上述各项。解：20℃时的性质：⑴相对湿度从附录查出20p0=2.3346kPa。或解得该空气为水气饱和，不能作枯燥介质用。vHcH或I或50℃时的性质：5012.340kPa。当空气从20℃加热到50℃时，湿度没有变化，仍为0.014673kg/kg绝干气，故：解得中。总是先将空气加热后再送入枯燥器中，目的是降低相对湿度以提高吸湿力量。vH50℃时的比容也可用下法求得：⑶比热cH

湿空气的比热只是湿度的函数，因此20℃与50℃时的湿空气比热一样，均为1.038kJ/kg绝干气。I湿空气被加热后虽然湿度没有变化，但温度增高，故焓值加大。2]300.02403㎏/㎏绝干气，试计算湿空气的各种性wptd；⑶绝热饱和温度tast。pw或解得td27.5，此温度即为露点。tasHastas的函数，故用上式计算tas时要用试差法。其计算步骤为：② 28.43870Pa，故：c③求，即cH或tas。0℃时水的汽化热 ，故：tas=28.4℃可以承受。ttw对于水蒸气~twtas，但为了娴熟计算，t仍用公式计算湿球温度。wtas一样，用试差法计算，计算步骤如下：②对水蒸气~空气系统，。28.4℃时水的汽化热rtw2427.3kgJ/kg。28.40.02471kg/kg绝干气。⑤28.4℃很接近，故假设正确。计算结果证明对水蒸气~空气系统， 。[3]2060%的颖空气为介质，枯燥某种湿物料。空气450.022kg/kg绝干气。每小时有1100kg温度为20℃、湿基含水量为3%的湿物料送入枯燥器，物料离开枯燥器时温600.2%3.28kJ/(kg绝干料·℃)。无视预1.2kW。试求：〔1〕W；〔2〕颖空〔4〕预热器消耗Q；〔5〕枯燥系统消耗的总热量Q；〔6〕向枯燥器补充的热量Q；〔7〕枯燥系统P D的热效率。解：依据题意画的流程图？？？？蒸发量W其中t0=20℃、φ0=60%时，H0=0.009kg/kg绝干气，故：颖空气消耗量为：风机的风量V∴预热器中消耗的热量QP当t0=20φ0=60%I0=43kJ/kgt1=90H1=H0=0.009kg/kg绝干气，故：枯燥系统消耗的总热量QQ向枯燥器补充的热量 ；QDη或[4]：承受常压气流枯燥器枯燥某种湿物料。在枯燥器内，湿空气以肯定的速度吹送物料的〔1〕颖空气消耗量；〔3〕枯燥器的热效率。解：〔1〕颖空气消耗量①求WH2Q≠0L求，下面用解析法求解。t0=15℃、H0=0.0073kg/kgI0=34kJ/kg绝干气。I1=110kJ/kg绝干气。同理围绕本例附图的枯燥器作焓衡算，得：或将值代入上式，得：或空气离开枯燥器时焓的计算式为：或联立求解得：预热器消耗的热量速率η假设无视湿物料中水分带入系统中得焓，则：PQ=Q，因此：P0.4kg水/kg0.08kg水/kg干料，6X0=0.15kg水/kgX*=0.04kg水/kg干料，1

及降速阶段所间？

20.05kg水/kg解：①X0.4kg水/kg0.08kg水/kg干料经受两个阶段：又因解得：，③连续枯燥时间设从临界含水量X0=0.15kg水/kg干料降至X3=0.05kg水/kg干料所需时间为τ 3，则连续枯燥所需时间为第八章习题空气的枯燥温度为60℃，湿球温度为30℃，试计算空气的湿含量H，相对湿度 焓I和露点温度 。I—H图完成此题附表空格项的数值，湿空气的总压。湿空气〔 =20℃， 送入常压枯燥器。试求：①将空气预热到100℃所需热量：②将该空气预热到120℃时相应的相对湿度值。湿度为后进入常压等焓枯燥器中，49℃，求离开枯燥器时露点温度。在肯定总压下空气通过升温或肯定温度下空气温度通过减压来降低相对湿度，现有温度为40℃，相对湿度为70%的空气。试计算：①承受上升温度的方法，将空气的相对湿度降至20%，此时空气的温度为多少？②假设提高温度后，再承受减小总压的方法，将空气的相对湿10%，此时的操作总压为多少？某枯燥器冬季的大气状态为假设空气离开枯燥器时的状态均为单位空气消耗量。

℃，夏季空气状态为℃，。℃，。试分别计算该枯燥器在冬、夏季的在常压连续枯燥器中，将某物料从含水量10%枯燥至0.5%〔均为湿基〕，绝干物料比热为，枯燥器的生产力量为料进、出枯燥器的温度分别为20℃和70℃热空气进入枯燥器的温度为130℃，湿度为离开时80℃。热损失无视不计，试确定干空气的消耗量及空气离开枯燥器时的温度。在常压连续枯燥器中，将某物料从含水量5%枯燥至0.2%〔均为湿基〕，绝干物料比热为，枯燥器的生产力量为气进入预热器的干、湿球温度分别为25℃和20℃。离开预热器的温度为100℃，离开枯燥器的温度为60℃，湿物料进入枯燥器时温度为25℃，离开枯燥器为35℃，枯燥器的热损失为品量、空气消耗量和枯燥器热效率。

。试求产承受废气循环枯燥流程枯燥某物料，温度为20℃、相对湿度 为70%的颖空气与枯燥器出来的温度为50℃、相对湿度为80%的局部废气混合后进入预热器，循环的废气量为离开枯燥器废空气量的80%。混合气上升温度后再进入并流操作的常压枯燥器中，离开枯燥器的废气除局部循环使用外，其余放空。湿物料经枯燥后湿基含水量从47%降至5%，湿物料流量为，设枯燥过程为绝热过程，预热器的热损失可无视不计。试求：①颖空气的流量；②整个枯燥系统所需热量；③进入预热器湿空气的温度。某枯燥系统，枯燥器的操作压强为101.3，出口气体温度为60℃，相对湿度为72%，将局部出口气体送回枯燥器入口与预热器后的颖空气相混合，使进入枯燥器的气体温度不超过90℃、相对湿度为10%。颖空气的质量流量为，温度为20℃，湿度为，试求：①空气的循环量为多少？②颖空气经预热后的温度为多少度？③预热器需供给的热量。干球温度

为20℃、湿球温度为15℃的空