化工原理：第11 章 干燥 (2).ppt

第11章干燥11.1.1概述去湿:将固体物料中所含的湿分（水或有机溶剂）去除至规定指标的操作去湿方法：机械去湿法能耗少、费用低，但湿分去除不彻底物理去湿法受吸湿剂的平衡浓度的限制，且只适用于脱除微量湿分干燥方法固体物料的去湿主要采用干燥的方法真空干燥操作压力常压干燥间歇干燥连续干燥操作方式分类：干燥过程:是利用热能除去固体物料中的湿分（水或其他溶剂）的单元操作传导干燥对流干燥辐射干燥介电加热干燥加热方式干燥介质湿空气、惰性气体、高温烟道气、过热蒸汽等对流干燥利用热空气与湿物料作相对运动，气体的热量传递给湿物料，使湿物料的湿分汽化，传递到气体中，并被带走对流干燥是动量、热量、质量传递同时进行传递的过程机理:质量传递：湿份的转移,由固相到气相，以蒸汽分压为推动力热量传递：由气相到固相，以温度差为推动力11.2湿空气性质及湿度图湿空气：含有湿分的空气，是常用的干燥介质，且一般情况下可视为理想气体11.2.1湿空气的状态参数干燥过程中，干空气的质量不变，故干燥计算以单位质量干空气为基准（干基）kg水/kg干空气视为理想气体，则：饱和湿度Hs：湿空气中水蒸气分压等于该温度下水的饱和蒸汽压ps（1）湿度H（湿含量或绝对湿度）湿空气中水蒸气质量和干空气质量之比。

2）相对湿度相对湿度表明湿空气的不饱和度，反映湿空气吸收水汽的能力 H = f ( , t )在p=101.3kN/m2时 （4）湿比热cH（kJ/kg干空气C ）ca:干空气比热，约1.01kJ/kg干空气Ccv:水蒸汽比热，约1.88kJ/kg干空气C（3）湿比容H(m3/kg干空气) 基准:0C干空气、0C时液态水的焓为零.r0:0C时水蒸气汽化潜热，2490kJ/kg（6）绝热饱和温度tas绝热饱和过程:系统与外界绝热，不饱和气体与液体长时间接触，传热、传质达平衡态时，则:（5）湿空气的焓I(kJ/kg干空气)补充水t、Htas、HascH:空气湿比热，kJ/kg干空气Cras:tas时水汽化潜热，kJ/kgHas:tas时空气的饱和湿度，kJ/kg干空气湿空气：放出的热量=水气化所需的潜量绝热饱和温度是状态函数:绝热饱和过程可当作等焓处理即空气的入口焓近似等于空气的出口焓（7）露点td：保持空气的H不变，降低温度，使其达到饱和状态，此时的温度为露点温度pd：为露点td时饱和蒸汽压，既该空气在初始状态下的水蒸气分压pv（8）干、湿球温度干球温度与湿球温度湿球温度:过程气流吹过-湿份气化-表面降温-热量传递近似为常数（=0.961.005），数值上等于相同条件下的绝热饱和温度，故可以用其确应空气状态。

稳态时,空气传入的显热等于水的汽化潜热注意：湿球温度不是空气的状态函数应用 若则而空气-水体系11.2.2湿球温度和绝热饱和温度之间的关系tas与t和H有关,是空气的状态参数tw除了与t和H有关，还与空气的流动状况相关但对于空气-水，可认为tas=tw，而tw容易测量tas、tw本质上截然不同不饱和空气：ttas=twtd饱和空气：t=tas=tw=td湿空气的四个温度t、tw、tas、td可确定空气状态9.2.3湿空气的湿度图根据相律，当压力一定时，双组分、单相的湿空气自由度为2湿度图：t-H图和I-H图等温度线（坐标轴X）等湿度线（坐标轴Y）等相对湿度线（1）湿空气的湿度图（t-H图）一定总压下书P277图固定，则可确定t，H的关系绝热饱和线（等湿球温度线）湿比热线比容线干比容线汽化潜热-温度线饱和湿比容线tH=100%汽化潜热对温度饱和比体积对温度湿比热容对湿度H=0H=const绝热饱和线等相对湿度线不饱和空气:t tas = tw td饱和空气:t = tas = tw =td湿空气的状态参数 （2）湿度图的应用 方法：找到空气的状态点，然后再求其他参数求湿空气的性质参数书P287例11.2.2,11.2.3tw湿空气状态变化过程的图示加热和冷却示意图绝热饱和过程示意图非绝热增湿过程示意图不同温度、湿度的气流的混合过程示意图ABt=1Ht1t2=1tHABt1tdt2加热和冷却=1ttHHABStasHas绝热饱和过程=1ttHHABStasBBHas非绝热增湿过程示意图杠杆定律求C点的位置不同温度、湿度的气流的混合过程湿基含水量 w： kg/kg湿物料干基含水量X:kg/kg干物料换算关系9.3.1湿物料含水量的表示方法 9.3固体物料干燥过程的相平衡 温度一定，对于一定的湿物料，长时间接触湿空气，达平衡状态时：平衡蒸气压：平衡状态下湿物料表面的蒸气压。

平衡含水量：平衡状态下物料的含水量9.3.2水分在气、固之间的平衡及干燥平衡曲线平衡含水量=f(物料的性质，空气的状态)可见：（1）干燥平衡曲线p-X*(p*X)线-X线平衡曲线受温度的影响较大，如果用图，则温度的影响相对较小D（3）平衡曲线的应用物料被干燥物料吸湿相平衡确定过程进行的方向（3）平衡曲线的应用确定过程的推动力干燥过程传质推动力：X=X-X*或:p=p*-p或: H=H*-H传热推动力：空气温度-湿物料表面温度（3）平衡曲线的应用确定在给定干燥介质的条件下，湿物料中可能去除的水分及干燥后物料的最低含水量自由水分平衡水分（2）物料中所含水分的性质自由水分和平衡水分平衡水分：用一定状态的湿空气，干燥某湿物料，物料能够达到的极限含水量称为对应于该空气状态的平衡水分即：XX*可能被空气干燥的水分结合水分和非结合水分 非结合水分结合水分结合水分和非结合水分 Ionic or polar group-SO3H结合水分和非结合水分结合水分：固、液之间结合力较强的水分，化学键、氢键等，存在于物料细胞壁内或毛细管内注：结合水产生的蒸汽压小于同温度下纯水的蒸汽压非结合水分：固液之间结合力较弱的水分，如物料表面的附着水分，或物料表面大孔内的水分。

注：非结合水产生的蒸汽压等于同温度下纯水的蒸汽压 自由水分平衡水分非结合水分结合水分不同点：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，与空气状态无关不同点：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干燥速率 定义：以湿度差表示: 以温度差表示: 9.4恒定干燥条件下的干燥速率 9.4.1干燥速率曲线 （1）干燥曲线与干燥速率曲线 干燥速率通常在恒定干燥条件下测定 指：空气的状态恒定及与湿物料的接触状态不变如少量湿物料与大量湿空气相接触恒定干燥条件下的干燥过程一般是间歇操作干燥曲线及干燥速率曲线 干燥曲线：X关系干燥速率曲线：RX之间的关系AB（或AB）段： A点代表时间为零时的情况, AB为湿物料不稳定的加热过程B点后,物料表面温度达到空气的湿球温度(即传热、传质稳定)曲线分析：干燥曲线干燥速率曲线内部迁移阻力表面蒸发阻力 BC段：干燥速率保持恒定，称为恒速干燥阶段 物料表面温度维持空气湿球温度； 干燥速率仅与空气性质有关；汽化非结合水分； 可采用较高气体流速，提高干燥速率和热能利用率。

强化恒速干燥速率的方法： 干燥速率主要取决于干燥介质的条件、物料的尺寸及其与气体的接触方式等因素，而与物料的种类、内部结构和水分在物料内部的存在及运动情况无关 提高空气温度、降低空气湿度或增大空气流速都可以提高恒速阶段的干燥速率 较小的物料尺寸可提供较大的干燥面积，提高干燥速率； 同样尺寸的物料，接触方式对干燥速率影响较大，气流平行流过物料表面（如箱式干燥器中的物料层）时，干燥面积仅为表层物料表面，流体与物料间的对流传热、传质也不充分当物料分散在气流中（如流化床干燥器）时，干燥面积和对流作用比气流平行流过物料表面时充分得多，因此恒速阶段的干燥速率也大得多 C点：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，用Xc表示从临界点开始，水分由内部向表面迁移的速率开始小于表面蒸发速率，湿物料表面的水分不足以保持表面的润湿，表面开始出现干点，干燥速率开始下降对干燥时间产生较大影响恒速干燥阶段的干燥速率越大，临界含水量越大，干燥过程转入降速干燥阶段越早，对于相同的干燥要求，所需的干燥时间越长临界含水量不但与物料本身的结构、分散程度有关，而且受到干燥介质条件（如空气的温度、湿度、流速）的影响。

在一定的干燥条件下，对于一定种类的物料，物料层越薄、分散得越细，临界含水量越低；物料与气流接触得越充分，临界含水量越低；一般的，多孔性物料的临界含水量比非多孔性物料低CDE段：随着物料含水量的减少，干燥速率下降，CDE段称为降速干燥阶段不同类型物料结构不同，降速阶段速率曲线的形状也不同物料逐渐升温，表面易硬化或变质，应控制其干燥速率此阶段干燥速率主要与物料性质相关干燥速率主要由水分在物料内部的迁移速率控制降速阶段中，干燥速率与物料的内部结构和尺寸、物料与水分的结合方式、物料的温度和湿含量、物料与气体的接触方式等因素密切相关，而与外部干燥介质的条件关系不大E点：干燥速率为零，X*即操作条件下平衡含水量注意：干燥曲线或干燥速率曲线是在恒定的空气条件下获得的，对指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同9.4.3湿分在湿物料中的传递机理（1）湿物料分类 多孔性物料：如催化剂颗粒，砂子等主要特征： 水分存在于物料内部大小不同的细孔和通道中； 湿分移动主要靠毛细管作用力 临界含水量较低，降速段一般分为两个阶段非多孔性物料，如肥皂、浆糊、骨胶等主要特征： 结合水与固相形成了单相溶液 湿分靠物料内部存在的湿分差以扩散的方式进行迁移 这类物料的干燥曲线的特点是恒速阶段短，临界含水量较高，降速段为一平滑曲线。

2）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 非多孔性湿物料的降速干燥过程较符合扩散理论 （3）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（表面张力引起） 多孔性物料的干燥过程较好地符合这一理论 多孔性陶制平板的干燥速率曲线 非多孔性粘土板的干燥速率曲线 作业：P3361，2，5。