化工原理-《化工原理》

《化工原理》PrinciplesofChemicalEngineering第十二章干燥

Chapter12Drying概述（Introduction）

在化学工业生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过多的水分或有机溶剂(湿份)，要制得合格的产品需要除去固体物料中多余的湿份。除湿方法：机械除湿——如离心分离、沉降、过滤。干燥——利用热能使湿物料中的湿份汽化。除湿程度高，但能耗大。惯用做法：先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿份除去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉，以降低除湿的成本。干燥分类：本章重点：以不饱和热空气为干燥介质，除去湿物料中水分的连续对流干燥过程。干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。对流干燥过程原理温度为t、湿份分压为p的湿热气体流过湿物料的表面，物料表面温度ti低于气体温度t。注意：只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压，干燥即可进行，与气体的温度无关。气体预热并不是干燥的充要条件，其目的在于加快湿份汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力。HtqWtippiM干燥是热、质同时传递的过程干燥过程热空气流过湿物料表面热量传递到湿物料表面湿物料表面水分汽化并被带走表面与内部出现水分浓度差内部水分扩散到表面传热过程传质过程传质过程干燥过程推动力传质推动力：物料表面水分压P表水>热空气中的水分压P空水传热推动力：热空气的温度t空气>物料表面的温度t物表对流干燥过程实质除水分量空气消耗量干燥产品量热量消耗干燥时间物料衡算能量衡算涉及干燥速率和水在气固相的平衡关系涉及湿空气的性质干燥过程基本问题解决这些问题需要掌握的基本知识有：(1)湿分在气固两相间的传递规律；(2)湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化；(3)物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征；(4)干燥过程中物料衡算关系、热量衡算关系和速率关系。本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基本问题，介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。第一节湿气体的热力学性质湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。在干燥过程中，随着湿物料中水份的汽化，湿空气中水份含量不断增加，但绝干空气的质量保持不变。因此，湿空气性质一般都以1kg绝干空气为基准。操作压强不太高时，空气可视为理想气体。系统总压P：湿空气的总压（kN/m2），即P干空气与P水之和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。且干燥操作通常在常压下进行，常压干燥的系统总压接近大气压力，热敏性物料的干燥一般在减压下操作。1.湿份的表示方法对于空气-水蒸气系统：Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96kg/kmol湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。若湿份蒸汽和绝干空气的摩尔数(nw,ng)和摩尔质量(Mw,Mg)绝对湿度(湿度)H（Humidity）总压一定时，湿空气的湿度只与水蒸汽的分压有关。Kg水蒸汽/kg绝干空气当p=ps时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。相对湿度（Relativehumidity）湿度只表示湿空气中所含水份的绝对数，不能反映空气偏离饱和状态的程度（即气体的吸湿能力）。值说明湿空气偏离饱和空气或绝干空气的程度，值越小吸湿能力越大；=0

，p=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。=1

，p=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿。对于空气-水系统：相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压p与系统温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数。相对湿度（Relativehumidity）若t<总压下湿空气的沸点，0100%；若t>总压下湿空气的沸点，湿份ps>P，最大(空气全为水汽)<100%。故工业上常用过热蒸汽做干燥介质；若t>湿份的临界温度，气体中的湿份已是真实气体，此时=0，理论上吸湿能力不受限制。=f(H,t)

ps随温度的升高而增加，H不变提高t，，气体的吸湿能力增加，故空气用作干燥介质应先预热。H不变而降低t，，空气趋近饱和状态。当空气达到饱和状态而继续冷却时，空气中的水份将呈液态析出。2.比容H(Humidvolume)或湿比容(m3/kg绝干气体)比容：1kg绝干空气和相应水汽体积之和。3.比热cH(Humidheat)或比热容KJ/(kg·℃)比热：1kg绝干空气及相应水汽温度升高1℃所需要的热量式中：cg

—绝干空气的比热，KJ/(kg·℃)；cv—水汽的比热，KJ/(kg·℃)。对于空气-水系统：cg=1.01kJ/(kg·℃)，cv=1.88kJ/(kg·℃)4.焓I

(Totalenthalpy)焓：1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。由于焓是相对值，计算焓值时必须规定基准状态和基准温度，一般以0℃为基准，且规定在0℃时绝干空气和水汽的焓值均为零，则对于空气-水系统：显热项汽化潜热项当热、质传递达平衡时，气体对液体的供热速率恰等于液体汽化的需热速率时：5.干燥过程中的物料温度(1)干球温度t：湿空气的真实温度，简称温度(℃或K)。将温度计直接插在湿空气中即可测量。(2)空气的湿球温度（Wet-bulbtemperature）

a.定义qN对流传热hkH气体t,H气膜对流传质液滴表面tw,Hw液滴——湿球温度tw定义式(2)空气的湿球温度（Wet-bulbtemperature）因流速等影响气膜厚度的因素对α

和kH有相同的作用，可认为kH/α与速度等因素无关，而仅取决于系统的物性。饱和气体:H=Hs，tw=t，即饱和空气的干、湿球温度相等。不饱和气体:H<Hs，tw<t。对于空气-水系统：结论：

tw=f(t,H)，气体的t和H一定，tw为定值。湿球温度计测定湿球温度的条件是保证纯对流传热，即气体应有较大的流速和不太高的温度，否则，热传导或热辐射的影响不能忽略，测得的湿球温度会有较大的误差。通过测定气体的干球温度和湿球温度，可以计算气体的湿度：气体ttwb.湿球温度的测定物料充分湿润，湿分在物料表面的汽化和在液面上汽化相同。物料经过预热，很快达到稳定的温度，由于对流传热强烈，物料温度接近气体的湿球温度tw。对于空气-水系统，tw<100℃。当气体的湿度一定时，气体的温度越高，干、湿球温度的差值越大。结论：当物料充分湿润时，可以使用高温气体做干燥介质而不至于烧毁物料。例如，可以使用500℃的气体烘干淀粉。t

℃2060100200500tw℃17.6228.3635.7647.6364.43对初始温度为20℃、相对湿度为80%的常压空气b.湿球温度的测定(3)绝热饱和冷却温度tas绝热饱和冷却温度：不饱和的湿空气等焓降温到饱和状态时的温度。高温不饱和空气与水在绝热条件下进行传热、传质并达到平衡状态的过程。达到平衡时，空气与水温度相等，空气被水的蒸汽所饱和。由于ras和Has是tas的函数，故绝热饱和温度tas是气体温度t和湿度H的函数。已知t和H，可以试差求解tas。对于空气-水系统：绝热饱和过程(Adiabaticsaturationprocess)：(4)露点td温度为t的不饱和空气在等湿下冷却至温度等于td的饱和状态，此时H=Hs,td。露点：不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度，以td表示；相应的湿度为饱和湿度，以Hs,td表示。处于露点温度的湿空气的相对湿度=

1，空气湿度达到饱和湿度，湿空气中水汽分压等于露点温度下水的饱和蒸气压，则水蒸气-空气系统：不饱和空气t>tas（或tw）>td；饱和空气t=tas=td

气体湿度图（Humiditychart）湿空气参数的计算比较繁琐，甚至需要试差。为了方便和直观，通常使用湿度图。等湿线等焓线等温线饱和空气线p-H线空气湿度图的绘制（Humiditychart）对于空气-水系统，tas

tw，等tas线可近似作为等tw线。每一条绝热冷却线上所有各点都具有相同的tas。物理意义：以绝热冷却线上所有各点为始点，经过绝热饱和过程到达终点时，所有各状态的气体的温度都变为同一温度。横坐标：空气的湿度，所有的横线为等湿度线。右侧纵坐标：空气的干球温度，所有纵线为等温线。(1)等湿度线(等H线)(2)等焓线（等I线）对给定的tas：t=f(H)在同一条等湿线上不同点所代表的湿空气状态不同，但H相同，露点是将湿空气等H冷却至=

1时的温度。(3)恳等干粥球温度权线(颗等t线)I与H呈以直线关系炭，t越高飞，等t线帅的斜率越颠大，读数垮0-25怨0ºC。(4)汽等相哥对湿度汽线(盘等线)总压P一定，对阀给定的：因ps=f(t)，诞故H=f(t)。(5)弯蒸气分压谨线总压P一定，ps=f(H)，p-H近似为直把线关系。空气湿焓州图的用法馅（Us缓eof浓hum含idit款ych杰art）两个参数眯在曲线上延能相交于达一点，即下这两个参葛数是独立晶参数，这通些参数才插能确定空木气的状态纷点。=100需%，空浇气达到熟饱和，摇无吸湿愤能力。<100宫%，属于纺未饱和空械气，可作蒸为干燥介筛质。越小，干用燥条件越蒜好。1.确肤定空气甜的干燥剑条件2.确伐定空气决的状态屿点，查右找其它踢参数3.确定堆绝热饱和故冷却温度1）等I灿干燥过程等焓干燥斩过程又称楚绝热干燥陪过程。a.不向推干燥器重巴补充热量喷，即QD=0.b.忽想略干燥发器向周坚围散失译的热量父，即QL=0.c.物料债进出干燥帮器的焓相斧等，即G窑(I2’_I1’)致=0沿等I线华，空气碑t1、t2意志，即荷可确定H1、H2。2）等H串干燥过程恒压下脸，加热眉或冷却炎过程。第二节干燥相租平衡关诵系及干钳燥速率湿物料水毙分含量的遵表示方法湿物料匆是绝干庆固体与片液态湿宪分的混段合物。湿基含水退量w：水分在报湿物料纸中的质原量百分帮数。干基含水掠量X：湿物料期中的水穿分与绝参干物料铲的质量艳比。换算关肝系：工业生产腔中，物料蔽湿含量通任常以湿基俊含水量表坚示，但由席于物料的放总质量在鸣干燥过程玻中不断减昌少，而绝乐干物料的肆质量不变肆，故在干酬燥计算中挺以干基含网水量表示老较为方便无。湿份在描气体和刺固体间岂的平衡广关系湿份的传鲜递方向台(干燥或谣吸湿)伏和限度绒(干燥程砍度)由治湿份在气狸体和固体坚两相间的少平衡关系倒决定。pXpsXh平衡状态波：当湿含怠量为X的湿物料熟与湿份分针压为p的不饱盐和湿气考体接触备时，物百料将失砌去自身朵的湿份疾或吸收灭气体中钢的湿份访，直到刊湿份在币物料表峡面的蒸培汽压等浓于气体宅中的湿曾份分压啊。平衡含腹水量：平衡状态弄下物料的牛含水量。过不仅取决寻于气体的炒状态，还荒与物料的宝种类有很禾大的关系叉。X*p具有和独困立存在的跟水相同的啦蒸汽压和部汽化能力臂。结合水分龄：与物料慈存在某畏种形式字的结合醋，其汽稀化能力伐比独立孟存在的捉水要低拘，蒸汽康压或汽森化能力赏与水分无和物料衔结合力费的强弱煌有关。物料中牛的水分湿含量XXh相对湿俘度非结合茎水分结合水兴分01.00.5结合水删分按结大合方式称可分为惊：吸附级水分、制毛细管叔水分、建溶涨水岸分(物鞠料细胞笋壁内的凤水分)发和化学击结合水诵分(结贝晶水)歉。化学结合痰水分与物芝料细胞壁锐水分以化飞学键形式易与物料分宵子结合，询结合力较秩强，难汽啄化；吸附晌水分和毛廉细管水分环以物理吸裙附方式与剩物料结合猫，结合力甲相对较弱递，易于汽片化。1.结合辞水分与非浪结合水分一定干燥狼条件下，迁水分除去种的难易，汪分为结合旧水与非结腹合水。非结合水姑分：与物料资机械形惩式的结妻合，附闲着在物赢料表面刃的水，2.平彼衡水分倘和自由价水分一定干燥菊条件下，烫按能否除筒去，分为格平衡水分偷与自由水窗分。平衡水匀分：低于平姓衡含水条量X*的水分虹，是不塞可除水束分。自由水分溪：高于平衡环含水量X*的水分，肌是可除水绑分。吸湿过棉程：若X<Xh，则物料爸将吸收饱捆和气体中净的水分使香湿含量增阶加至湿含含量Xh，即最大吸反湿湿含丢量，物料不尼可能通过莲吸收饱和喉气体中的剃湿份使湿碰含量超过Xh。欲使蜜物料增悼湿超过Xh，必须持使物料纷与液态搅水直接肿接触。干燥过程突：当湿物料老与不饱和参空气接触鹅时，X向X*接近，父干燥过勺程的极惹限为X*。物料的X*与湿空气题的状态有筹关，空气缎的温度和县湿度不同恭，物料的X*不同。浇欲使物唱料减湿肝至绝干呈，必须纲与绝干脉气体接陵触。湿含量XXh相对湿存度非结合虎水分结合水分自由水烂分平衡水避分X*01.00.5物料的萍吸湿性物料湿侵含量的汇平衡曲皇线有两离种极端手情况。强吸湿色性物料穴：与水分的女结合力很葱强，平衡坝线只是渐樱近地与=10道0%接近，影平衡湿障含量很村大。如群某些生脾物材料谷。非吸湿性劝物料：与水结倾合力很零弱，平策衡线与坝纵坐标爆基本重线合，X*=Xh0，如某侮些不溶爪于水的通无机盐监(碳酸廉盐、硅办酸盐)竟等。00.20.40.60.81.00.10.20.3烟叶木材氯化锌优质纸湿含量X相对湿度一般物料础的吸湿性重都介于二兄者之间。对流干涝燥的基胆本规律对一定稀干燥任骡务，干细燥器尺毯寸取决房诚于干燥源时间和当干燥速颜率。由于干燥隶过程的复刮杂性，通杏常干燥速技率不是根祸据理论进暗行计算，胶而是通过虫实验测定两的。为了简狐化影响袋因素，次干燥实忘验都是靠在恒定散干燥条太件下进悔行的，固即在一神定的气盒－固接狐触方式挽下，固防定空气眠的温度宵、湿度扎和流过贸物料表艇面的速佩度进行食实验。为保证楼恒定干陷燥条件愈，采用渔大量空朵气干燥测少量物酒料，以蠢使空气扬的温度绩、湿度扯和流速喝在干燥絮器中恒阻定不变筹。实验夺为间歇扩操作，柱物料的胞温度和耀含水量铜随时间明连续变礼化。干燥曲线雕和干燥速卵率曲线Dry且ing贴cu讲rve嘉an坚dd尤ryi通ng-锁rat梢ec询urv侵e恒速干燥趋段(Co峰nst私ant陷-ra赔te牲per林iod台)：物料温难度恒定纲在tw，X~变化呈直贷线关系，亩气体传给榜物料的热透量全部用够于湿份汽壮化。预热段柜(Pr切e-h忍eat梅pe舌rio阻d)：初始含水德量X1和温度1变为X和tw。物料微吸热升乘温以提斩高汽化创速率，渴但湿含戴量变化码不大。干燥曲线个：物料含水伪量X与干燥莲时间的关系愿曲线。干燥曲线刊和干燥速林率曲线A湿含量XXctwDCBADCBtX*物料表泻面温度干燥时齿间预热段恒速段降速段降速干岭燥段泪(Fa借lli正ng-流rat贝ep父eri挡od)垮：物料开屡始升温巡寿，X变化减雪慢，气轮体传给串物料的处热量仅宰部分用或于湿份阶汽化，滚其余用案于物料绝升温，陷当X=X*，=t。物料的转结构和顾吸湿性降速段干亩燥速率曲文线的形状牙因物料的泳结构和吸偏湿性而异喷。多孔性物岛料(P争orou司sme蜡dia)灭：湿份主拘要是藉波毛细管绞作用由铃内部向血表面迁工移。非多孔性旧物料(兴Nonp怕orou香sme峰dia)海：借助扩替散作用见向物料纽奉表面输学送湿份格，或将朴湿份先蚕在内部践汽化后厚以汽态贿形式向海表面扩辞散迁移良。如肥净皂、木血材、皮备革等。吸湿性物炕料(H秒ygro办scop强icm萍edia尖)：与水份漫的亲合能仓力大。非吸湿性姑物料(取Nonh封ygro抱scop浅icm骨edia改)：不同物料叔的干燥机撤理不同，榆湿份内扩株散机理不故同，干燥队速率曲线两的形状不晒同，情况苦非常复杂桥，故干燥犁曲线应由敏实验的方民法测定。干燥速率裤的定义干燥速率U：干燥器愿单位时寇间内汽岁化的湿兔分量备(kg尸湿分/纺s)。而微分形琴式为，式中：U——干踪蝶燥器的干织燥速率，丧kg/s腊；W——汽茫化水份量傻，kg；Gc——绝洁干物料的秘质量，k晒g；如果物娇料形状盾是不规那则的，封干燥面革积不易皂求出，叔则可使彻用干燥陈速率进乳行计算客。设物料记的初始迅湿含量失为X1，产品湿绩含量为X2：当X1＞Xc和X2＜Xc时，干抗燥有两妙个阶段良；当X1＜Xc或X2＞Xc时，干饿燥都只为有一个犯阶段，刑即恒速晚干燥段蹦。由于物根料预热壁段很短雅，通常捕将其并伐入恒速毛干燥段炼；以临界湿鼻含量Xc为界，贴可将干患燥过程星只分为已恒速干捕燥和降芒速干燥踏两个阶肿段。干燥速维率曲线围：干燥速郊率U或干燥锤速度N与湿含量X的关系曲通线。干燥承过程的特巧征在干燥乔速率曲线扇上更为直砌观。干燥曲线夏和干燥速兰率曲线ABCD干燥速率U或NABCD物料温蝴度twXcX*湿含量XIIIC’理论解餐释恒速干存燥段：物料表芽面湿润诱，X>都Xc，汽化的惰是非结合霞水。降速干乔燥段：X<袜Xc物料实际粮汽化表面壁变小(影出现干区敏)，第一阵降速段；汽化表询面内移词，第二窄降速段疑；平衡蒸每汽压下亩降(谅各种形误式的结舒合水)仍；固体内部咐水分扩散振速度极慢刘(非多减孔介质)纵。降速段干会燥速率取刮决于湿份阻与物料的聋结合方式孕，以及物诱料的结构鸡，物料外吴部的干燥遥条件对其户影响不大坑。恒定干燥慎条件下τ=tw，p=psα和kp不变由物料内弱部向表面发输送的水浑份足以保受持物料表畏面的充分泉湿润，干雷燥速率由值水份汽化骑速率控制第(取决于茫物料外部衔的干燥条凝件)，故纽奉恒速干燥相段又称为表面汽化首控制阶段。湿物料与正空气间的q和N恒定临界湿含挠量（Cri泽tica天lmo腹istu南rec延onte袭nt）Xc决定两干狱燥段的相小对长短，需是确定干乘燥时间和黎干燥器尺夕寸的基础滨数据，对抚制定干燥峰方案和优草化干燥过嘴程十分重核要。物料空气条件临界湿含量品种厚度mm速度m/s温度℃相对湿度%kg水/kg干料粘土6.41.0370.100.11粘土15.91.0320.150.13粘土25.410.6250.400.17高岭土302.1400.400.181铬革101.549-1.25砂＜0.044mm252.0540.170.210.044~0.074mm253.4530.140.100.074~0.177mm253.5530.150.0530.208~0.295mm253.5550.170.053新闻纸-0190.351.00铁杉木254.0220.341.28羊毛织物--25-0.31白岭粉31.81.0390.200.084白岭粉6.41.037-0.04白岭粉169~11260.400.13注意：Xc与物料厨的厚度遭、大小裂以及干极燥速率惯有关，涝所以不矿是物料睬本身的绢性质。霉一般需绣由实验睡测定。第三节绵干燥剖过程的慢计算物料的肌停留时以间应大现等于给警定条件士下将物史料干燥姐至指定羊的含水帽量所需箩的干燥羊时间，励并由此朴确定干宫燥器尺俱寸。若已知险物料的晚初始湿狗含量X1和临界纹湿含量Xc，则恒速颗段的干燥呢时间为恒速干燥摸段的干燥卫时间若传热浇干燥面煤积S通为已叼知，则撞由上式崇求干燥窝时间的问题归萝结为气固对流给热兼系数α的求取般。1.恒定志干燥条件拖下干燥时钩间的计算恒速干希燥段的犯干燥时兴间(1)晌空气不平行流围过静止渠物料层哈的表面L’燃—湿气体难质量流骨速，k刘g/(冻m2·h)溉；(2)蛇空气垂直数流过静止漂物料层的品表面适用条件奏：L’=2450卸~293冒00k记g/(m2·h)，辣气体温度鸣45~出150℃完。适用条违件：L’=390膨0~1爽950柴kg互/(m2·h)(3)葬气体与运链动着的颗朵粒间的传误热注意：利用上讨述方程扫计算给框热系数堤来确定敌干燥速图率和干忘燥时间额，其误蒜差较大仅，仅能敏作为粗尸略估计寄。降速干酒燥段的暂干燥时财间(1)料图解吗积分法降速段的客干燥时间宵可以从物撞料干燥曲婚线上直接俩读取。计旺算上通常陪是采用图添解法或解滩析法。当降速帅段的U~X呈非线闸性变化记时，应阅采用图腐解积分木法。在X2~Xc之间取启一定数卵量的X值，从干砌燥速率曲汇线上查得煮对应的U，计算Gc/U；作图Gc/U~X，计算聚曲线下束面阴影粘部分的狐面积。XoXcX2Gc/U降速干燥愉段的干燥舞时间(2)零解析法当降速惧段的U~X呈线性仙变化时腿，可采榴用解析最法。降速段俭干燥速辽率曲线横可表示茄为ABCD干燥速尸率UXUXcX*湿含量XUc当缺乏平芹衡水分的肢实验数据垃时，可以床假设X*=0限，则有干燥时间黄为：τ=跪τ1+τ22.干燥件过程的物典料衡算和帝热量衡算物料衡若算（M攻ass听ba参lan逼ce）G1—湿物纠料进口的磨质量流率赶，kg/猛s；G2—产品咳出口的质普量流率，鱼kg/s奖；Gc—绝干返物料的质做量流率，疗kg/s串；w1—物料衣的初始湿乓含量；w2—产品荡湿含量；L—绝白干气体丹的质量础流率，柱kg/释s；H1—气体已进干燥器肠时的湿度功；H2—气体斤离开干燥擦器时的湿洒度；W—单位时俗间内汽化仰的水分量榜，kg/辉s。湿物料G1,w1干燥产汗品G2,w2热空气L,H1湿废气体L,H2绝干空弄气消耗坚量绝干空气巧比消耗水分蒸续发量：热量衡算屈（Hea技tba轿lanc估e）Qp——晨预热器输向气体肢提供的仅热量，战kW；QD——向尊干燥器补冠充的热量灶，kW；QL—鹿干燥器劣的散热隐损失，林kW。湿物料G1,w1,1,cm1干燥产扶品G2,w2,2,cm2热气体L,H1,t1,i1湿废气体L,H2,t2,i2湿气体L,H0,t0,i0QpQdQl预热器干燥器整个干老燥系统缺的热量鞭衡算在连续兴稳定操蓝作条件恼下，系公统无热赶量积累护，单位笼时间内警(以1范秒钟为偶基准)果：湿物料G1,

w1,1,cm1干燥产品G2,

w2,2,cm2热气体L,H1,t1,i1湿废气体L,H2,t2,i2湿气体L,H0,t0,i0QpQdQl气体焓唉变物料焓变物料焓源：气体焓：整个干沉燥系统拍的热量划衡算汽化湿分鼠所需要的脖热量：物料焓变宽：加热固体耐产品所需愚要的热量嗽：放空热损宴失：总热量衡便算：预热器的种热量衡算预热器的来