硅酸盐热工基础课件

第六章

干燥过程与设备去湿：除去物料中的水分或其它溶剂（统称为湿分）的过程。去湿的方法：机械去湿法：即通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除去湿分。物理化学去湿法：用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸收水分。该法费用高，操作麻烦，只适用于小批量固体物料的去湿，或用于除去气体中的水分。热能去湿法：如蒸发、干燥等 用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，并将产生的蒸气排除，藉此来除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥。加

硅酸盐工业生产中的干燥：水泥干法生产：入磨物料需先烘干，使其水分降至允许范围（≤1%~2%）陶瓷、耐火材料生产中：需将泥浆经干燥制成含一定水分的粉料，便于压制成型成型后的湿坯体：为得到一定机械强度和降低湿度，使其在输送、上釉、烧成等过程中不变形、开裂，需进行干燥否则粉磨时会出现粘球、糊磨甚至堵塞现象玻璃厂：石英砂、砂岩粉等，需先干燥，再配料加

§6.1概述一干燥用加热蒸发的方法除去物料中部分物理水的过程二物料干燥过程外扩散：物料表面水分气化向空气中扩散的过程内扩散：物料内部水分向表面迁移扩散的过程物料的干燥过程是属于传热和传质相结合的过程。按操作压力：常压干燥、真空干燥按操作方式：连续式、间歇式按传热方式：传导干燥、对流干燥、辐射干燥和介电加热干燥，以及由其中两种或三种方式组成的联合干燥。按操作方式：自然干燥、人工干燥三物料干燥方法（１）自然干燥：湿物料置于露天或是室内场地上，借风吹、日晒等自然条件使物料脱水（２）人工干燥：湿物料放于专用设备—干燥器中进行加热，使物料干燥外热源法：在物料外部对其表面进行加热对流加热：用空气或热烟气作为加热介质以对流方式对物料表面进行加热辐射加热：利用红外灯、灼热金属或高温陶瓷产生的红外线，对物料表面进行加热对流—辐射加热外热源法特点：物料表面温度高于内部，热量传递方向与水分内扩散方向相反内热源法：将使物料置于交变电场中，使其本身的分子产生剧烈运动而发热，或使交变电流产生焦耳热效应内热源法特点：物料内部温度高于表面，热量传递方向与水分内扩散方向相同硅酸盐工业中，较常用的干燥方法为对流加热方式的人工干燥。其使用的加热介质（热烟气或热空气）称为：干燥剂。干燥剂既是载热体又是载湿体。干燥必要条件为：物料表面水分压大于干燥介质水分压.压差越大，干燥过程进行越快。所以干燥介质须及时将汽化的水汽带走，以保持一定的汽化水的推动力§6.２湿空气性质一干空气与水蒸汽的分压自然界中空气总含有一定量的水蒸气，研究上称之为：湿空气。湿空气可看作干空气与水蒸气的混合物空气中水蒸气的多少，随地域、季节等不同令P为大气压强，Pa、Pw为干空气和水蒸气的分压，则：看作理想气体：其中：二空气的湿度(humidity)1绝对湿度（absolutehumidity）单位体积湿空气中水蒸气的质量。含有最大水蒸气量的空气，称为饱和空气。相应水蒸气分压为饱和水蒸气压Psw，对应饱和空气绝对湿度水在大气中的饱和蒸气分压仅与温度有关。0~100℃时：不同温度时，饱和空气的绝对湿度和水蒸气分压可查表获得2相对湿度(relativehumidity)φ

，湿空气的绝对湿度(或水气分压)与同温度、同总压下的饱和空气的绝对湿度（饱和水气分压）之比，称为湿空气的相对湿度相对湿度越大，空气吸湿能力越小人体感觉舒适的空气相对湿度为45%~65%3湿含量x1kg绝干空气所含水蒸气的质量，叫空气的湿含量,（kg水蒸气/kg干空气）常温下，湿空气可视为理想气体，则有在饱和状态时，湿空气中水蒸气分压pw等于该空气温度下纯水的饱和蒸气压psw，则有由于水的饱和蒸气压仅与温度有关，故湿空气的饱和湿含量是温度和总压的函数，即相对湿度：可以说明湿空气偏离饱和空气的程度，能用于判定该湿空气能否作为干燥介质，φ值越小，则吸湿能力越大。湿含量：是湿空气含水量的绝对值，不能用于分辨湿空气的吸湿能力。在一定总压和温度下，两者之间的关系为相对湿度和湿含量的关系上述三种湿度表示方式运用于不同场合；测量时—绝对湿度衡量干燥能力时—相对湿度干燥计算时—湿含量三种湿度参数可换算三湿空气的密度、比容及比热1湿空气的密度定义一：单位质量湿空气的体积，m3湿空气/kg湿空气。2湿空气的比容vs

用表示，为密度的倒数定义二：单位质量绝干空气对应的湿空气的体积。即1kg绝干气体积和相应的水气体积之和，亦称湿容积(humidvolume)，用符号vs表示，单位为：m3湿空气/kg绝干气。3湿空气的比热Cs

在常压下，将湿空气中1kg绝干空气及相应xkg水汽的温度升高（或降低）1oC所需要（或放出）的热量，称为比热，又称为湿热，用符号Cs表示，单位是kJ/(㎏绝干气·oC)，即式中Cs——湿空气的比热，kJ/(㎏绝干气·oC)；

Ca——绝干空气的比热，kJ/(㎏绝干气·oC)；

Cw——水气的比热，kJ/(㎏水气·oC)上式说明：湿空气的比热只是湿度x的函数。在常用的温度范围内，有四湿空气的热焓I

湿空气中1kg绝干空气的焓与相应xkg水汽的焓之和，称为湿空气的焓，用符号I表示，单位是kJ/kg干空气。I=Ia+xIw式中Ｉ——湿空气的焓，kJ/kg绝干气；

Ig——绝干空气的焓，kJ/kg绝干气；

Iv——水气的焓，kJ/kg水气。五湿空气的温度参数1干球温度t普通玻璃液体温度计(水银、酒精等)可测量。湿空气的实际温度。2露点td

(dewpiont)未饱和的湿空气，在湿含量不变下，冷却至饱和时的温度。设Pd为露点时的饱和水蒸汽分压，则：一旦低于露点，即有水珠析出，所以称露点。**空气的总压P一定，露点时的饱和水蒸汽压pd

仅与空气的湿度x有关，即pd=f(x)或td=f(x)，湿度越大，td

越大。****在干燥过程中，干燥器排出的废气温度至少要比其露点高10~20℃，以防在排气、收尘系统中结露。****热烟气作为干燥剂时，因其含有SO2，很少量即会使露点急剧上升。此时一旦温度降至露点以下，析出的水溶入SO2形成酸雾，会腐蚀排风机、管道等金属设备。当空气从露点继续冷却时，其中部分水蒸汽便会以露珠的形式凝结出来。****在露点时，空气的湿度为饱和湿度，φ=1。Why?3湿球温度twb

在玻璃体温度计的温包上裹湿纱布，将纱布一端浸入水中。平衡状态下温度计示数为空气的湿球温度twb

。twb补充液，温度twb空气湿度x温度t形成原理（如图所示）：

在稳定状态时，空气向湿纱布表面的传热速率为：

Q=αF（t-twb）对空气~水蒸气系统而言，α/kd=1.09气膜中水向空气的传递速率为：

N=kd（xwb-x）F在稳定状态下，传热速率和传质速率之间的关系为：

Q=Nγwb对于某一定干球温度的湿空气，其相对湿度越低，湿球温度值越低。对于饱和湿空气而言，其湿球温度与干球温度相等。湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度，而并不代表空气的真实温度，由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定，故称其为湿空气的湿球温度，所以它是表明湿空气状态或性质的一种参数。强调：干湿球温度计4绝热饱和温度一定量不饱和空气，通入绝热饱和器内与大量喷洒水接触，空气被水饱和（φ=100%）后，再引出绝热饱和器。水温恒定而均匀，（用泵循环），因为绝热，所以水向空气中气化所需热只能由空气降温的显热供给，所以空气的绝热饱和过程中，湿度逐渐增大而温度逐渐下降。绝热降温增湿过程及等焓过程空气tac，xac，Iac空气t，x，I补充水

tac水tac空气被水汽饱和后（φ=100%），温度不再下降，此时温度称空气的绝热饱和温度tac，对应的饱和湿含量xac在空气绝热增湿过程中，空气失去的是显热(降温)，而得到的是汽化水带来的潜热，空气的温度和湿度虽随过程的进行而变化，但其焓值不变。绝热、降温、增湿过程及等焓过程湿空气在绝热增湿过程中为等焓过程，即：I=Iac

实验测定表明，对于在湍流状态下的空气－水蒸气系统而言，有****绝热饱和温度tac与湿球温度twb是两个完全不的概念。但是两者都是湿空气状态(t和x)的函数。特别是对空气－水气系统，两者在数值上近似相等，对其他系统而言，不存在此关系。对空气－水蒸气系统，干球温度、绝热饱和温度（或湿球温度）及露点之间的关系为：对于不饱和湿空气：t>tac（或twb）>td

对于饱和的湿空气：t＝tac（或twb）＝td

例6-1§6.3湿空气的湿度（I-x）图（自学）§6.4干燥过程的物料平衡和热平衡干燥过程的计算中应通过干燥器的物料衡算和热量衡算，计算出湿物料中水分蒸发、干燥剂用量和所需热量，再依此选择适宜型号的鼓风机、设计或选择换热器等。（1）干燥设备干燥器预热室（燃烧室）通风设备：风机、烟道、烟囱辅助设备：喂料设备、输送设备、收尘设备一物料平衡1干燥设备及流程（2）干燥流程逆流顺流空气干燥烟气干燥图

Lx0,t0,I0Lx1,t1,I1QpQDG2,X2,θ2,I΄2Lx2,t2,I2G1,X1,θ1,I΄1QL预热器干燥器2物料中水分的表示方法3干燥过程水蒸发量的计算（1）干基水分计算（2）湿基水分计算（3）干燥介质计算干燥器则：无物料损失时，水分衡算4干燥剂耗量（1）空气为干燥剂预热器空气热空气干燥器冷湿空气（2）高温烟气与冷空气混合作为干燥剂（自学）5干燥产品流量二热平衡（自学）干燥器三干燥过程图解计算（自学）一物料中的水分§6.5干燥的物理过程1平衡水(equilibriumwater)与自由水(freewater)（可排除水）划分依据：物料所含水分能否用干燥方法除去。物料中的水分与一定温度t、相对湿度φ的不饱和湿空气达到平衡状态，此时物料所含水分（干基水分）称为该空气条件(t、φ)下物料的平衡水分。在干燥过程中能除去的水分只是物料中超出平衡水分的那一部分，称为自由水分。

平衡水分随物料的种类及空气的状态(t，φ)不同而异。平衡水分代表物料在一定空气状况下可以干燥的限度。物料的平衡水分与干燥介质相对湿度之间的关系曲线称为平衡水分曲线。干燥介质的状态一定时，物料的平衡水分是干燥可能达到的最低含水率。当干燥介质达到饱和状态时（φ=100%），物料的平衡水分称为最大可能平衡水分。划分依据：根据物料与水分结合力的状况（1）结合水分包括物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分、及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等。

特点：籍化学力或物理化学力与物料相结合的，由于结合力强，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，致使干燥过程的传质推动力降低，故除去结合水分较困难。2、结合水分(boundwater)与非结合水分(unboundwater)

（2）非结合水分机械地附着于固体表面的水分，如物料表面的吸附水分、较大孔隙中的水分等。特点：物料中非结合水分与物料的结合力弱，其蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，干燥过程中除去非结合水分较容易。物料的结合水分和非结合水分的划分只取决于物料本身的性质，而与干燥介质的状态无关；平衡水分与自由水分则还取决于干燥介质的状态。干燥介质状态改变时，平衡水分和自由水分的数值将随之改变。物料的总水分、平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分之间的关系见图示。总水分自由水分平衡水分非结合水分结合水分x*x0x1空气相对湿度φ100%物料的含水量0二物料与水的结合方式1化学结合水以结晶水的形态包括在物料的矿物分子组成中的水化学结合水与物料结合最牢靠，需高温才可能排除400~500℃下才可能排除(已不属于干燥)2物理化学结合水(大气吸附水)吸附水物理化学结合水与物料的结合弱于化学结合水，可干燥排除渗透水微孔毛细管（r＜10-5cm）水结构水除物理化学结合水一般不会产生体积收缩，可加以较高的干燥速率3机械结合水（物理结合水）润湿水机械结合水与物料呈机械结合状态，结合最弱。干燥时最先排除孔隙水粗孔毛细管（r＞10-5cm

）水机械结合水排除时物料会产生体积收缩，所以又称之为收缩水三、干燥机理（自学）

四干燥速率（恒定干燥条件）及其影响因素（自学）ABCDEu表面温度干燥时间tABCDEABCDEuv1干燥曲线：干燥过程中物料含水量u与干燥时间t、物料表面温度与干燥时间t的关系曲线。2干燥速率曲线：物料干燥速率v与物料含水量u的关系曲线。干燥曲线与干燥速率曲线

BBACCC时间EEEAABDDD●●●水分干燥速率表面温度干燥过程曲线五物料的干燥过程1加热阶段前提：干燥剂温度、相对湿度、流速恒定单位时间：干燥剂传给物料的热量大于物料水分蒸发的热量所以温度升高，干基水分降低,干燥速率增大加热阶段

BBACCC时间EEEAABDDD●●●到达B点，干燥剂传给物料的热量等于物料水分蒸发的热量水分干燥速率表面温度2等(恒)速干燥阶段如BC段所示（因物料加热段很短，有时并入等速干燥段考虑）。除去的水分是非结合水；属于表面汽化控制(外扩散控制)阶段；物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度；干燥速率的大小，主要取决于空气的性质，而与湿物料的性质关系很小。此阶段特点：干燥剂传给物料的热量等于物料水分蒸发的热量加热阶段

BBACCC时间EEEAABDDD●●●等速干燥阶段水分干燥速率表面温度临界点：C点，该点的干燥速率vc等于等速阶段的干燥速率。临界含水量：uc越大，则会过早的转入降速干燥阶段，使在相同的干燥任务下所需的干燥时间加长。临界含水量与物料的性质、厚度、干燥速率有关。3降速干燥阶段BBACCC时间EEEAABDDD●●●加热阶段

BBACCC时间EEEAABDDD●●●等速干燥阶段降速干燥阶段水分干燥速率表面温度第一降速阶段（CD段）：物料内部水分扩散速率小于表面水分在湿球温度下的汽化速率，这时物料表面不能维持全面湿润而形成“干区”，导致干燥速率下降。第二降速阶段（DE段）：水分的汽化面逐渐向物料内部移动，从而使热、质传递途径加长，阻力增大，造成干燥速率下降。降速干燥阶段特点：干燥速率主要决定于物料本身的结构、形状和大小等。而与空气的性质关系很小。物料表面的温度不断上升，而最后接近于空气的温度。六制品在干燥过程的收缩与变形陶瓷和耐火材料制品在干燥时，由于自由水分的排除，物料颗粒靠拢，使其线尺寸发生变化，产生收缩，制品产生变形。但收缩仅发生在排除自由水阶段，当自由水排除完毕，进入降速干燥阶段时，收缩即停止。实验表明，对薄壁制品因内部水分浓度梯度不大，线收缩系数与干燥条件无关，而在不同介质参数下干燥同一种粘土质制品时，线收缩系数几乎是同时的，而对于厚壁制品，因内部水分浓度梯度较大，使得干燥条件对线收缩系数有显著的影响。在干燥过程中，由于制品中水分分布不均匀或制品各向厚度不均匀时，不同部分的收缩会不一致，因此而产生不均匀的收缩应力。一般情况下，制品的表面和菱角处比内部干燥要快得多，薄壁处比厚壁处干燥也要快得多，从而产生较大的收缩；制品内部水分排出滞后于表面，收缩也较表面小，这样就阻止了表面的收缩，从而使内部产生压应力而表面产生张应力，当张应力超过材料的强度极限时就会造成制品的开裂，即使不开裂，在上述应力作用下，制品也会变形。因此，为防止制品在干燥过程中的变形和开裂，需要对制品中心与表面的水分差进行限制，并严格控制干燥速度。在最大允许水分差条件下的干燥速度称为最大安全干燥速度。陶瓷和耐火材料制品的最大安全干燥速度与材料的性质，制品的几何形状、大小、含水率及干燥方法等因素有关，需由实验确定。一、干燥器的分类按操作压强分：常压干燥器、真空干燥器；按供热方式分：对流干燥器、传导干燥器、辐射干燥器、介电加热干燥器；按操作方式分：连续式、间歇式；按介质和物料的相对运动方向分：并流、逆流、错流干燥器；第六节干燥设备并流、逆流、错流干燥器的特点并流：含水量高的物料与温度最高而湿度最低的介质相接触，在进口端的干燥推动力大，在出口端的推动力小。适用情况：（1）干物料不耐高温而湿物料允许快速干燥；在干燥第一阶段，物料温度始终维持在湿球温度，到第二阶段，物料温度才逐渐上升，但此时介质温度已下降，物料不致于过热。（2）物料的吸湿性小或最终水分要求不很低；物料在出口处与温度最低、湿度最高（即相对湿度最大）的介质接触，其平衡水分高。逆流：物料与干燥介质的运动方向相反，干燥推动力在干燥器中分布较均匀。适用情况：（1）湿物料不宜快干而干物料能耐高温；（2）物料的吸湿性强或最终含水量要求低；注：在逆流时，湿物料进入的温度不应低于干燥介质在此处的露点，否则湿度高的干燥介质中有一部分水蒸气会冷凝在湿物料上，从而增加干燥时间。错流：高温介质与物料运动方向相垂直，如果物料表面都与湿度小、温度高的介质接触，可获得较高的推动力，但介质的用量和热量的消耗也较大。适用情况：（1）物料在干燥的始、终都允许快速干燥和高温；（2）要求设备紧凑（过程速度大）而允许较多的介质和能耗。优点：构造简单、制造容易、适应性强。缺点：干燥不均匀，干燥时间长，劳动强度大，操作条件差。适用于干燥粒状、片状和膏状物料，批量小、干燥程度要求高、不允许粉碎的脆性物料，以及随时需要改变风量、温度和湿度等干燥条件的情况。厢式干燥器（盘式干燥器）二.干燥器箱式干燥器车厢式干燥器湿物料进口干燥产品热空气废气带式干燥器是使用环带作为输送物料的干燥器。运输带通常用帆布、橡胶、金属丝网制成，以金属丝网居多。带式干燥器优点：对流传热系数和传热温度差大，干燥器的体积小，干燥速率快，物料停留时间短，可在高温下干燥；热利用率高；设备紧凑，结构简单；可以完全自动控制。缺点：气流在系统中压降较大；干燥管长；在干燥过程中存在摩擦，易将产品磨碎；分离器的负荷大。适用于在潮湿状态下仍能在气体中自由流动的颗粒物料，可利用高速的热气流使粉、粒状的物料悬浮于其中，在气力输送过程中进行干燥。气流干燥器湿物料气流式干燥系统干燥管干物料旋风分离器蒸汽冷凝水冷空气热空气板式换热器废气风机工作原理：散粒状物料由床侧加料器加入，热气流通过多孔分布板与物料层接触