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《化工单元操作》
项目六 干燥
干燥是利用热能除去固体物料中湿分（水分或其它液体）的化工单元操作 。
干燥是利用热能去湿的操作，能量消耗较大，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。
任务一 了解干燥过程及其应用
一、干燥在化工生产中的应用
① 便于贮藏和运输
② 满足后序工艺要求
③ 提高产品质量和有效成分
二、固体物料的去湿方法
除湿的方法很多，化工生产中常用的方法有：
①机械去湿法
即通过压榨、过滤和离心分离等方法去湿。耗能较少、较为经济，但除湿不完全。
②物理去湿法 （吸附脱水法）
即用干燥剂（如无水氯化钙、硅胶）等吸去湿物料中所含的水分，该方法只能除去少量水分，适用于实验室使用。
③热能去湿法（加热去湿法）
即利用热能使湿物料中的湿分气化而去湿的方法。
三、干燥操作方法的分类
（一）按操作压强分类
分为常压干燥和真空干燥。真空干燥主要用于处理热敏性、易氧化或要求产品中湿分含量很低的场合。
（二）按操作方式分类
分为连续操作和间歇操作。间歇操作适用于小批量、多品种或要求干燥时间很长的特殊场合。
（三）按传热方式分类
（１）传导干燥　热能通过传热壁面以传导方式传给物料，产生的湿分蒸汽被气相(又称干燥介质)带走，或用真空泵排走。
（２）对流干燥　使干燥介质直接与湿物料接触，热能以对流方式加入物料，产生的蒸汽被干燥介质带走。干燥介质在这里是载热体又是载湿体。
（３）辐射干燥　
由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到固体物料的表面，为物料吸收而转变为热能，从而使湿分气化。
（4）介电加热干燥(微波炉)
此法是将待干燥物料置于高频电场内，由于高频电场的交互作用，使物料内部的极性分子（如水分子）产生振动，其振动能量使物料发热而达到干燥的目的。
（5）冷冻干燥
是将含水物料温度降到冰点以下，使水分冷冻成冰，然后在较高真空度下使冰直接升华而除去水分的干燥方法。
化工生产中常采用连续操作的对流干燥，以不饱和热空气为干燥介质，湿物料中的湿分也多为水分。本模块即以空气——水系统为讨论对象。
四、对流干燥流程
（一）对流干燥原理
图9－1 热空气与湿物料间的传热和传质
图9－1 热空气与湿物料间的传热和传质
对流干燥过程是传质和传热同时进行的过程。
干燥介质既是载热体又是载湿体。
（二）对流干燥的条件
干燥进行的必要条件是物料表面的水气的压强必须大于干燥介质中水气的分压，在其它条件相同的情况下，两者差别越大，干燥操作进行得越快。
干燥速率由传热速率和传质速率所支配。
（三）对流干燥流程
任务二 认知干燥设备
一、对干燥设备的基本要求
① 能保证干燥产品的质量要求，如含水量、形状、粒度、强度等；
② 要求干燥速率快，干燥时间短，能耗低；
③ 热效率要高
④ 操作控制方便，劳动条件良好，附属设备简单。
1、厢式干燥器
结构简单，适应性强，操作灵活,但它具有物料不能翻动、干燥不均匀、所需干燥时间长、装卸劳动强度大、操作条件差等缺点。目前常用于实验室和小规模间歇生产。
类似：葡萄风干房、间歇洞道干燥、洞道干燥、红外线干燥、微波干燥器
2、气流干燥器
结构简单，造价低，占地面积小，操作稳定，便于实现自动化控制。由于干燥速度快，停留时间短，对一些热敏性物料在较高温度下干燥也不会变质。其缺点是气流阻力很大，动力消耗多，干燥器的主体设备太高，被干燥的物料易磨碎，旋风分离器负荷大，且不宜于干燥有毒的物质。
3、沸腾床干燥器
（流化床干燥器 ）
沸腾床干燥器是流态化技术在干燥操作上的应用
结构简单，造价低，物料在干燥器内的停留时间长短可以调节。两相接触好，干燥速率快，热效率高，多用于干燥粒径为0.03~0.6mm的散粒状物料。由于此种干燥器优点多，所以应用较广泛。
4、喷雾干燥器
喷雾器结构；用喷雾器将含水量在70%~80%以上的溶液、悬浮液、浆状液或熔融液等喷成直径小于10~60 m的雾滴，分散于热空气气流之中，使水分迅速汽化，而达到干燥目的。
干燥进行很快，一般只需3~30s；可以从料液直接得到粉末产品，能避免干燥操作中的粉末飞扬，改善了劳动条件；适用于热敏性物料；操作稳定，容易实现连续化和自动化操作。
缺点是：设备庞大，能量消耗大，热效率低。它常用于洗涤粉、乳粉、染料、抗菌素的干燥。
5、转筒干燥器
生产能力大，气体阻力小，操作方便，操作弹性大，可用于干燥粒状或块状物料。缺点是钢材耗用量大，设备笨重，基建费用高。目前国内主要用于干燥硫铁矿、硫酸铵、硝酸铵、复合肥以及碳酸钙等物料。
类似：滚筒干燥、双滚筒干燥器
三、干燥器的选用
① 物料的形态
② 物料的热敏性
③ 物料的黏附性
④ 物料的干燥性
⑤ 操作压力
⑥ 干燥产品的形状、质量及价格
⑦ 经济性
⑧ 环境因素
⑨ 其它因素
作业
思考题：P188页5、6
任务三 获取干燥知识
一、湿空气的性质
在干燥过程中，湿空气中水气的含量不断增加，而绝干空气质量不变，因此湿空气的许多相关性质常以单位质量的绝干空气为基准。
（一）湿度（湿含量）H
湿空气中所含的水蒸气的质量与绝干空气的质量之比，称为空气的湿度，又称湿含量或绝对湿度，简称湿度(kg水气/kg干空气)
常压下湿空气可视为理想气体混合物，根据道尔顿分压定律，理想气体混合物中各组分的摩尔比等于分压比
当湿空气的水蒸气分压等于同温度下水的饱和蒸气压时，表明湿空气呈饱和状态，此时空气的湿度称为饱和湿度Ｈs，即：
（二）相对湿度百分数φ
在一定总压下，湿空气中的水气分压pw与同温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数，称为相对湿度百分数，简称相对湿度，即：
相对湿度为100%时，湿空气中水气分压等于同温度下水的饱和蒸气压，湿空气的水蒸气已达到饱和，不能再吸收水分。相对湿度小于100%的湿空气能作为干燥介质。 相对湿度φ值愈小，表明湿空气偏离饱和程度越远，吸收水气的能力越强。
（三）湿空气的比体积vH
单位质量绝干空气中所具有的空气及水蒸气的总体积称为湿空气的比体积或湿容积，用符号vH表示，单位为m3/kg绝干气，常压下
（四）湿空气的比热容
常压下将绝干空气和其中的水蒸气的温度提高1℃所需要的热量，称为湿空气的比热，简称湿热，单位为kJ/kg绝干空气·℃，即：
式中 cH－湿空气的比热，kJ/kg绝干空气·℃；
cg－绝干空气的比热，1.01kJ/kg绝干空气·℃；
cv－水蒸气的比热，1.88kJ/kg绝干空气·℃。
（五）湿空气的比焓ＩＨ
湿空气的焓为单位质量绝干空气的焓及所含水蒸汽的焓之和。用符号ＩＨ表示，单位为kJ/(kg绝干空气)，即：
式中　r0——０℃时的水蒸气的潜热，其值为2490kJ/kg
以干气及水(液态)在0℃时的焓等于零为基准 :
（六）干球温度ｔ和湿球温度tw
1、用普通温度计测得的湿空气温度为其真实温度，称为干球温度，用符号ｔ表示，单位为℃或Ｋ。
　　2、湿球温度tw实质上是湿空气与湿纱布之间传质和传热达到稳定时湿纱布中水的温度，由湿球温度的原理可知，空气的湿球温度tw总是低于t。
　　在干燥过程中,恒速干燥阶段时湿球温度即是湿物料表面的温度。
　　湿球温度极易测定。
图9－3 干湿球温度计
（七）露点td
将不饱和的空气在总压和湿度不变的情况下冷却至饱和状态时对应的温度，称为该空气的露点，以符号td表示，单位为℃或Ｋ。在露点时，原湿空气的水蒸气分压等于露点下饱和水蒸气压，此时空气的湿度为饱和湿度。
若已知空气露点，查对应的饱和水蒸气压ps(用td查)，得原湿空气的水蒸气分压pw 。
（八）绝热饱和温度tas
　　绝热饱和温度是不饱和的湿空气与大量水相接触，在绝热条件下空气被水汽所饱和时空气的温度，称为绝热饱和温度，以符号tas表示，单位为℃或Ｋ。在空气绝热增湿过程中，空气的降温增湿过程是一等焓过程。
　　实验测定证明，对空气－水系统，可以近似认为绝热饱和温度与湿球温度数值相等，而湿球温度比较容易测定。
总 结
湿空气的湿度Ｈ主要通过测定干球温度t、湿球温度tw或露点温度td后计算（或查图）得到。三个温度之间的关系如下：
　　对于不饱和湿空气：t>tw>td
　　对于饱和湿空气：t＝tw＝td
【例6-1】 已知湿空气的总压为101.3kPa，相对湿度为50%，干球温度为20℃。试求：①湿度；②水蒸气分压pw；③露点td；④焓IH；⑤如将500kg/h干空气预热至117℃，求所需热量Q；⑥每小时送入预热器的湿空气体积V。
解：ｐ=101.325kPa，t=20℃，由饱和水蒸气表查得，水在20℃时的饱和蒸汽压为ps=2.34kPa
①湿度H
②水蒸气分压ｐw
ｐw=ps=0.50×2.34=1.17kPa
③露点
露点是空气在湿度H或水蒸气分压ｐw不变的情况下，冷却达到饱和时的温度。所以可由ｐw=1.17kPa查饱和水蒸气表，得到对应的饱和温度=9℃
④焓IH
IH=(1.01+1.88H)t+2492H
=(1.01+1.88×0.00727)×20+2492×0.00727
=38.6ｋJ/ｋg干空气
⑤热量Q
Q =500×(1.01+1.88×0.00727)×(117-20)
= 49647ｋJ/h
= 13.8kW
⑥湿空气体积V
二、湿空气的湿度图及应用
（一）I-H焓湿图的构成
1.等湿线(即等H线)
2.等焓线(即等I线)
3.等温线(即等t线)
4.等相对湿度线(即等φ线)
5.水气分压线
（二）I-H图的用法
只要已知表示湿空气性质的各项参数中任意两个在图上有交点的参数，就可以在I-H图上定出一个交点，此点即为湿空气的状态点，由此点可查得其它各项参数。
【例6-2】 已知湿空气的总压101.3kPa，干球温度为50℃，湿球温度为35℃，试求此时湿空气的湿度H、相对湿度、焓I 、露点td及分压ｐｗ。
解：由tw=35℃的等t线与φ=100%的等线之交点B，作等I 线与t=50℃的等t线相交，交点A为空气的状态点。由A点可直线读得：H=0.03kg(水气)／kg(干空气)， φ =38%，Iн=130KJ／kg(干空气)。
由A点沿等Η线交于φ =100%的等φ线上C点，C点处的温度为湿空气的露点，td=32℃；由A点沿等湿线交水蒸气分压线于D点，即可读得D点的分压值Pw=4.7kPa。
补充例题 已知湿空气总压为101.3kPa,温度为40 С，湿度为0.02kg(水气)/kg(干空气)，试用湿度图求取相对湿度，焓I ，湿球温度tw和露点td。
　
解：温度为40℃的等ｔ线与湿度为0.02kg(水气)/kg(干空气)的等H线，在I-H图中的交点A，即为空气的状态点。由A点可读得φ=43%，I =92kJ/kg(干空气)。
由A点沿等焓线与饱和空气线交于B点，B点所对应的温度即为湿球温度，tw=28℃。
　由A点引垂直线与饱和空气线交于C点，C点所对应的温度为露点，td=25℃。
作业
思考题：P188页9
计算题：P188页1
三、干燥过程的工艺计算
（一）湿物料中含水量的表示方法
1.湿基含水量Ｗ
　　湿物料中所含水分的质量分率称为湿物料的湿基含水量。
2.干基含水量X
不含水分的物料通常称为绝对干料。湿物料中的水分的质量与绝对干料质量之比,称为湿物料的干基含水量。
两者的关系为
工业生产中物料含水量常以湿基含水量表示，但由于干燥过程中湿物料的总质量因干燥失出水分而不断减少，而绝干物料的质量不变，因此，干燥计算中，以干基含水量表示较为方便。
(二)物料中所含水分的性质
1.平衡水分与自由水分
平衡水分是一定干燥条件下不能用相应空气所干燥的那部分水分；湿物料中所含的水分大于平衡水分，有可能被该湿空气干燥除去的那部分水分称为自由水分。
(1)结合水分
包括物料细胞壁内的水分、小毛细管中的水分、结晶水 ;结合水分较纯水更难除去。
(2)非结合水分
包括物料中吸附的水分和孔隙中的水分，在干燥过程中极易除去。
2.结合水分和非结合水分
区分四者

(三) 干燥过程的物料衡算
1.水分蒸发量
对水分进行物料衡算，则
式中 W——单位时间内水分的蒸发量，kg/s
L——单位时间内消耗的绝干空气量，kg/s
Gc——单位时间内绝干物料的流量，kg/s
H1、H2——分别为空气进、出干燥器时的湿度，kg水/kg绝干空气
X1、X2——物料进、出干燥器时的干基含水量，kg水/kg绝干物料
2.空气消耗量
式中 L——单位时间内消耗的绝干空气量，kg绝干气／s；
l——每蒸发1kg水分时消耗的绝干空气量，称为单位空气消耗量，kg绝干空气/kg水分
湿度Ｈ０与气候条件有关，夏季湿度大，消耗的空气量最多。因此在选择输送空气的通风机时，应以全年中最大空气消耗量为依据，通风机的通风量V计算如下：
3.干燥产品量
实际干燥产品量要考虑物料的损耗，即G2要作一折扣。
【例6-3】用空气干燥某含水量为40％（湿基）的物料，每小时处理湿物料量为1000㎏，干燥后产品含水量为5％（湿基）。空气的初温为20℃，相对湿度为60％，经加热至120℃后进入干燥器，离开干燥器时的温度为40℃，相对湿度为80％。试计算：①水分蒸发量；②绝干空气消耗量和单位空气消耗量；③如鼓风机安装在进口处，风机的风量是多少；④干燥产品的产量。
解：①水分蒸发量
②查饱和水蒸所表得：20 ℃时，ｐS0=3.334kPa；40℃时，ｐS2=7.375 kPa。则
③鼓风机的风量
④干燥产品的量
(四)干燥过程的热量衡算
1.预热器的热量衡算
2.干燥器的热量衡算
3.总热量衡算
加热干空气
蒸发水
加热物料
热损失
4.干燥系统的热效率
作业
计算题：P189页10
四、恒定干燥条件下的干燥速率
（一）干燥速率
干燥速率为单位时间、单位干燥面积汽化的水分量 。
（二）干燥曲线与干燥速率曲线
2. 干燥速率曲线分析
AB段：预热阶段；
BC段：恒速，湿物料表面温度为空气的湿球温度；
C点:临界含水量；
CDE段：降速；
E点：E点的干燥速率为零，即为操作条件下的平衡含水量。
3. 干燥过程
(1)恒速干燥阶段
特点：U=Uc；物料表面温度为tw；在该阶段除去的水分为非结合水分；恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态有关，而与物料的种类无关。
(2)降速干燥阶段
特点：随着干燥时间的延长，干基含水量X小，干燥速率降低；物料表面温度大于湿球温度；除去的水分为非结合、结合水分；降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、形状及尺寸有关，而与空气状态关系不大。
4. 临界含水量Xc
实际上，在工业生产中，物料不会被干燥到平衡含水量，而是在临界含水量和平衡含水量之间，这需视产品要求和经济核算而定。
若临界含水量Xc愈大，便会愈早转入降速阶段，使得相同干燥条件下所需干燥时间愈长。由于恒速阶段和降速阶段其干燥机理与影响因素各不相同，过程的控制因素也不相同，强化措施也不一样。因此确定Xc对设计计算及强化干燥过程均有重要意义。
临界含水量由湿物料的性质、厚度及干燥条件决定，无孔吸水性物料的Xc比多孔物料大；物料分散越细、堆积厚度越薄，Xc值也就越低。
（三）影响干燥速率的因素
1.物料的性质与形状
2.物料本身的温度
3.物料的含水量
4.干燥介质的温度与湿度
5.干燥介质的流速和流向
6.干燥器的结构
五、干燥操作的节能
1. 降低出口废气温度
出口废气温度受两个因素限制：一是要保证产品湿含量(若出口废气温度过低，则干燥传热推动力变小，干燥效果变差，产品湿度增加，可能达不到要求的产品含水量)；二是废气进入旋风分离器或布袋过滤器时，要保证其温度高于露点20～60℃，以防止已干燥产品发生“返潮”。
2. 利用废气余热
①将部分废气循环回干燥器②利用废气中的余热来预热湿空气。
3. 采用两级干燥法
4. 利用内换热器
5. 采用过热蒸汽干燥
作业
思考题：P188页15

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