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第6章 固体干燥
6.1概述
化工生产中的固体物料，总是或多或少含有湿分（水或其它液体），为了便于加工、使用、运输和贮藏，往往需要将其中的湿分除去。除去湿分的方法有多种，如机械去湿、吸附去湿、供热去湿，其中用加热的方法使固体物料中的湿分汽化并除去的方法称为干燥，干燥能将湿分去除得比较彻底。
干燥是利用热能除去固体物料中湿分（水分或其它液体）的单元操作。干燥是利用热能去湿的操作，能量消耗较多，所以工业生产中湿物料一般都采用先沉降、过滤或离心分离等机械方法去湿，然后再用干燥法去湿而制得合格的产品。
一、干燥的应用
1.对原料或中间产品进行干燥，以满足工艺要求。如以湿矿（俗称尾砂）生产硫酸时，为满足反应要求，要先要对尾砂进行干燥，尽可能除去其水分；再如涤纶切片的干燥，是为了防止后期纺丝出现气泡而影响丝的质量。
2.对产品进行干燥，以提高产品中的有效成分，同时满足运输、贮藏和使用的需要。如化工生产中的聚氯乙烯、碳酸氢铵、尿素，食品加工中的奶粉、饼干，药品制造中的很多药剂，其生产的最后一道工序都是干燥。
二、干燥概述
(1）机械去湿
物料带水较多时，可先用离心过滤等机械分离方法以除去大量的水；
1.物料的去
湿方法
(3）供热干燥向物料提供热量，用以气化其中的湿分，并设法移去已经气化了的湿分。
（2）吸附去湿
用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（与湿物料并存，使物料种的水分相继经气相而转入干燥剂内
2.干燥操作方法分类
按操作
压力
常压干燥、真空干燥
真空干燥适用于处理热敏性及易氧化的物料或要求成分含量极低的场合
按操作
方式
连续干燥、间歇干燥
按传热
方式
传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥及以上某些方式的联合干燥
四种
传导
干燥
对流
干燥
辐射干 燥
介电加热
干 燥
供热干燥的分类
1. 传导干燥
缺点：物料层各处受热不均，内侧可能因 过热而变质。
优点：热利用率高；
压料辊
料浆
蒸汽通入管及冷凝液排出管的安置位置
干物料
滚筒干燥器
2. 对流干燥
干燥介质与物料间有相对流动，料在流动中相互碰撞 松散(破碎) 传热、传质表面积 。
干燥介质往往采用加热的空气，以对流传热的方式将热传递给湿物料汽化其中的湿分，内部湿分扩散至物料表面 ，汽化蒸汽从物料表面扩散至干燥介质主体后被介质带走。
所以，干燥介质在干燥过程中既是载热体又是载湿体。在对流干燥中，干燥介质的温度容易调控，被干燥的物料不易过热，但干燥介质离开干燥设备时，还带有相当一部分热能，故对流干燥的热能利用程度较差。
3. 辐射干燥（红外线干燥）
辐射到湿物料表面的辐射能→热能（靠导热向物料内部传递）→气化湿分。
优点：强度比导热、对流干燥大十几倍；
缺点：电耗大。
工业用
辐射器
电能—专门发射红外线的灯泡。
热能—用热金属板或陶瓷辐射板产生红外线。
如：将空气和煤气混合物在白色陶瓷辐射板上进行无烟燃烧，使板面达400-500℃时产生大量红外线。
4. 介电（微波）加热干燥
在高频电场的交变作用下，物料被加热除湿。
工业和科研用微波加热频率为：
9.15 GHz 和 24.5 GHz。
＜3000 MHz—高频加热
3000MHz ~ 3 103 GHz—超高频加热
(微波加热)
高频电场频率
干介与物料间流动情况 例图 设备
从物料表面掠过
托盘上的物料
从颗粒间穿过
将颗粒吹动(涌动)
沸腾床
固定床
转筒(带抄板)
颗粒下落(气流横穿)
喷雾干燥器
颗粒下落(气流上吹)
将颗粒吹起(同向流动)
气流床
流态化
对流干燥同时传递热量和质量
传热推动力：干介与物料的温度差；
传质推动力：物料与干介的浓度差(蒸汽的分压差) 。
热、质传递方向相反。干介于过程中降温增湿。
Q

湿分
除热空气外，还可以用烟道气或其它高温气体作干燥介质。
当脱除的湿分是易燃/爆的有机气体，用N2作干介。
N
ti
t
p
pi
三. 对流干燥流程
对流干燥的流程
空气
预热器
干燥器
废气
湿物料
干燥产品
四. 对流干燥流程及经济性
干燥过程的传热、传质
(2) 干燥过程进行的必要条件
①湿物料表面水汽压力大于干燥介质水汽分压；
②干燥介质将汽化的水汽及时带走。

传热
传质
方向
从气相到固体
从固体到气相
推动力
温度差
水汽分压差
第二节 对流干燥物料与干燥介质
一、物料的湿分
物料的湿分表示——含水量
物料中含水量的表示方式通常有两种：湿基含水量和干基含水量。
1.湿基含水量　单位质量湿物料所含水分的质量，即湿物料中水分的质量分数，称为湿物料的湿基含水量，用符号w表示，其单位为kg(水)/kg(湿物料)。根据其定义，可写成
2.干基含水量：　湿物料在干燥过程中，水分不断被汽化移走，湿物料的总质量在不断变化，用湿基含水量有时很不方便。考虑到湿物料中的绝干物料量在干燥过程中始终不变（不计漏损），以绝干物料量为基准的干基含水量，使用起来较为方便。所谓干基含水量，是指单位绝干物料中所含水分的质量，用符号X表示，单位为kg(水)/kg(绝干料)。根据其定义，可写成
两种含水量之间的换算关系为:
6.2湿空气的性质
本章以空气作干燥介质，水是湿分为讨论对象.
我们赖以呼吸、生存的空气 = 绝干空气 + 水蒸汽
通常用两个参数来表征空气中所含水分的大小：湿度 H 及相对湿度 φ
当空气中水气 p≤ps
不饱和
饱和
空气。
一、湿度（湿含量）H
一、定义：湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气质量之比。
nw：湿空气中水汽的摩尔数，kmol；
ng：湿空气中绝干空气的摩尔数，kmol；
Mw：水汽的分子量，kg/kmol；
Mg：空气的平均分子量， kg/kmol。
当湿空气可视为理想气体时，则有：
式中：pw为空气中水蒸汽分压。
即：
当总压P为一定值，
当湿空气中水蒸汽分压 pw 恰好等于同温度下
水蒸汽的饱和蒸汽压 ps时，则表明湿空气达到饱和，此时的湿度H为饱和湿度Hs。
二、相对湿度
定义：在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压pw与
同温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数。
即：
即：
结论：
湿度 H 只能表示出水汽含量的绝对值，而相对湿度却能反映出湿空气吸收水汽的能力。
当 φ =1时：
pw = ps，湿空气达饱和，不可作为干燥介质；
当 φ <1时：
pw < ps，湿空气未达饱和，可作为干燥介质。
φ越小，湿空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。
【例题】
湿空气中水的蒸汽分压 pw=23mmHg，总压 P=760mmHg，求20℃ 时的相对湿度 ；若空气分别被加热到40℃和100℃，求 值 。
相对湿度 φ 与湿度 H 的关系：
三、湿空气的比热与焓
1、湿比热（湿热）cH [kJ/kg干气 ℃]
定义：在常压下，将1kg干空气和其所带有的Hkg水
汽升高温度1℃所需的热量。
：干空气比热 = 1.01 kJ/kg干气 ℃
：水汽比热 = 1.88 kJ/kg水汽 ℃
式中
2、焓（热含量）I [kJ/kg干气]
定义：湿空气的焓为干空气的焓与水汽的焓之和。
计算基准：
以0℃干空气及0℃液态水的焓值为0作基准。
因此，对于温度为t、湿度为H 的湿空气，其焓值包括由0℃的水变为0℃水汽所需的潜热及湿空气由0℃生温至t℃所需的显热之和。
即：
式中：
I：温度为t、湿度为H的湿空气的焓值。[kJ/kg干气]；
Ig：干空气的焓值。 [kJ/kg干气]；
Iv：水汽的焓值。 [kJ/kg水汽]；
r0：0℃时水的汽化潜热。r0=2492 kJ/kg水汽。
四、湿空气的比容（湿容积）υH [m3湿空气/kg干气]
定义：每单位质量绝干空气中所具有的湿空气（绝干
空气和水蒸汽）的总体积。
式中：
：压力P 、温度t下湿空气比容。 [m3湿气/kg干气]
：压力P 、温度t下干空气比容。 [m3干气/kg干气]
：压力P 、温度t下水汽比容。 [m3水/kg水]
、
的数值为：
所以：
定义：一定压力下，将不饱和空气等湿降温至
饱和，出现第一滴露珠时的温度。
湿度H与露点 td 的关系：
五、露点 td
pd：td下的饱和蒸汽压。
露点温度td
湿空气在等H下冷却至饱和的温度。
或
∵处在等H下，∴ Hs,td = H
干球温度t是用普通温度计测得的湿空气的真实温度。
湿球温度计在空气中所达到的平衡或稳定的温度。
湿球温度计：温度计的感温球用纱布包裹，纱布用水
保持湿润，这支温度计为湿球温度计。
不饱和空气的湿球温度 tw低于干球温度 t。
六、干球温度 t
七、湿球温度 tw
湿球温度计工作原理分析
八、绝热饱和(冷却)温度tas
饱和空气
tas,Has,Ias
空气
t,H,I
tas
填料
绝热饱和冷却塔
空气增湿降温
增湿至饱和
保温良好
由湿球温度的经验，可知：tas＜t 。
湿空气在绝热条件下达饱和时的温度。
补水(tas)
湿球温度 tw 与绝热饱和温度 tas 的关系：
tw ：大量空气与少量水接触，空气t、H的不变；
tas ：大量水与一定量空气接触，空气降温、增湿。
tw ：是传热与传质速率均衡的结果，属于动平衡；
tas ：是由热量横算与物料衡算导出的，属于静平衡。
tw 与 tas 数值上的差异取决于α/kH 与cH两者之间的差别。
☆ 湿含量的测定和温度间的关系
温度间的关系如下 (空气-水系统) ：
不饱和空气 t＞tas (或tw)＞td
饱和空气 t = tas (或tw) = td
若已知湿空气的温度和湿度(湿含量) ，则湿空气的状态可以确定。其中温度直接测定，湿度则通过测定干、湿球温度(或露点温度)计算推出。
三、空气的湿度图及其应用
1、湿度图的构造
等H线
等t线
等相对湿度线
等焓线
绝热冷却线
水蒸汽分压线
几条线
(1）等H线（等湿度线）
等线为一系列平行于纵轴的直线。
（2）等t 线（等温线）
等t 线为一系列平行于横轴（不是水平辅助轴）的直线
（3）等I线（等焓线）
（4）等φ线（等相对湿度线）
注意：①当H一定时，t↑，φ ↓，吸收水汽能力↑。所以湿空气进入干燥器之前须先经过预热以提高其温度和焓值有利于载热外，同时也是为了降低相对湿度而有利于载湿；
②φ=100%的线称为饱和曲线，线上各点空气为水蒸气所饱和，此线上放为未饱和区（φ <1），在这个区域的空气可以作为干燥介质。此线下方为过饱和区域，空气中含雾状水滴，不能用于干燥物料；
③H-I图是以总压p=100kPa为前提绘制的，因此当φ一定，t≥ 99.7℃时，ps=100kPa=p，H=常数，等φ线（图中φ=5%与φ=10%两条线）垂直向上为直线与等H线重合。
（5）pv线(水蒸汽分压线)
pv线标于p=100%线的下方，表示pv与H之间的关系。
由
得
(6)　绝热冷却线
　　　由下式知
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　绝热冷却线是一条近似沿着点(t,H)和点(tas,Has)之间变化的直线,其斜率为-cH/ras。
此外还有:
(7).　湿比热线
　　　据cH=1.01+1.88H绘制。
(8).　干空气比容线
　　　据va=0.773(273+t)/273绘制。
(9).　饱和比容线
　　　据vHS=(0.773+1.244HS)(273+t)/273绘制。
2、湿度图的应用
H-I图中的任意一点A代表一个确定的空气状态，其t、tw、H、φ 、I等均为定值。已知湿度空气的两个独立参数，即可确定一个空气的状态A，其他参数可由H-I图查得。
t-H、t-tw、t-td、t-φ是相互独立的两个参数，可确定唯一的空气状态点A；
td-H、pv-H、td-pv（都在同一条等温线上），tw-H（在同一条等H线上），不是彼此独立的参数，不能确定空气的状态点A。
结论：
因此，提高湿空气温度 t，不仅提高了湿空气的焓值，使其作为载热体外，也降低了相对湿度使其作为载湿体。
四. 湿空气状态的变化过程
（1）加热与冷却过程
（1）加热与冷却过程
若不计换热器的流动阻力，湿空气的加热或冷却属等压过程。
①加热过程
始态A→终态B，因pv与p不变，为等H过程，t↑，φ ↓，吸收水汽能力↑；
②冷却过程
始温为t1，若终温t2>td，则为等H过程；若终温t3>td，则过程为ADE所示，必有部分水汽凝结为水，空气的湿度降低H3（2）绝热增强过程，前已述及等线变化
（3）两股气流的混合，衡算式
总物料衡算式：
水分衡算式：
焓衡算式：

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