化工原理 第13章 干燥

第13章干燥：湿空气的性质；湿度图：查取湿空气的性质、表示湿空气的状态变化过程；湿物料中含水率的表示方法；干燥动力学：干燥速率和干燥时间。

第13章 干燥

• 概述
  • 湿物料
  • 湿分
    • 水分或其他液体
  • 除湿方法
    • 机械分离法
      • 通过压榨、过滤和离心分离等方法去湿
    • 吸附脱水法
      • 用固体吸附剂，如CaCl2、硅胶等吸去物料中所含的水分
    • 干燥法
      • 利用热能，使湿物料中的湿分汽化而除去
      • 分类
        • 传导干燥
          • 热能通过传热壁面以传导方式传给物料，产生的湿分蒸气被气相（又称干燥介质）带走，或用真空泵排走。
          • 例：纸制品可以铺在热滚筒上进行干燥
        • 对流干燥
          • 热能以对流方式加入物料，产生的蒸气被干燥介质所带走
          • 例：干燥介质热空气，湿分水
        • 辐射干燥
          • 由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到物料表面，为物料所吸收而重新变为热能，从而使湿分汽化
          • 例：用红外线干燥法将自行车表面油漆干燥
        • 介电加热干燥
          • 将需要干燥的电解质物料置于高频电场中，电能在潮湿的电介质中转变为热能
          • 例：微波干燥食品
• 湿空气的性质及温-湿图
  • 湿空气的性质
    • 浓度、比热、比容（密度）、焓、温度等
    • 湿空气中水蒸气含量的表示方法 单位：kg水/kg干空气
      • 湿度（湿含量）
      • 饱和湿度
        • Ps：相同温度下水的饱和蒸气压
      • 相对湿度
        • 相对湿度值越小，表示空气的吸湿能力越大
        • 温度上升，饱和蒸汽压增大，相对湿度会下降
    • 湿比容
      • 单位：m3湿空气/kg干空气
    • 比热容
      • 单位：kJ/(kg干空气*K)
    • 焓
      • r0为0℃时水的汽化潜热≈2490kJ/kg 通常规定，0℃时绝干空气及液态水的焓为零
      • 单位：kJ/kg干空气
    • 温度
      • 露点温度td
        • 在总压不变的条件下，将不饱和湿空气冷却，直至冷凝出水珠为止时的温度
        • 特点
      • 干球温度t
        • 简称温度，指空气的真实温度
      • 湿球温度tw
        • 大量、快速流动的空气与少量水接触，达到稳定时（动态平衡），湿球温度计所指示的温度
        • 空气以对流方式传给水的热量速率=水分气化所需的潜热速率
        • tw=f(t,H)，与水的初始状态无关
        • kH、α主要与空气流速有关，但α/kH却几乎与流速无关 对空气-水系统，当气体温度不高、流速＞5m/s时，α/kH为常数≈cH≈1.09kJ/(kg*K)（Lewis规则）
      • 绝热饱和温度tas
        • 在与外界绝热情况下，空气与大量水经过无限长时间接触后，空气温度与水温相等时的稳定温度
        • 湿空气为等焓变化
        • tas=f(t,H)是湿空气的性质，而与水的状态无关
      • 异同
        • 相同之处
          • 湿空气均为等焓变化
          • 均为空气状态(t,H)的函数
          • 对于空气－水体系，α/kH≈cH，r0≈rw，因此tw≈tas；但对于其他体系两者不等
        • 不同之处
          • 湿球温度：大量空气与少量水接触后的稳定水温，空气状态(t，H)不变 绝热饱和温度：少量空气与大量水接触后的稳定温度，空气增湿、降温
          • 湿球温度：传质、传热仍在进行，动态平衡 绝热饱和温度：没有净的质量、热量传递进行，静态平衡
  • 湿度图
    • 应用
      • 查取湿空气的性质
      • 表示湿空气的状态变化过程
        • 加热过程
        • 冷却过程
        • 绝热增湿、降温过程
        • 两股湿空气的混合
          • 物料衡算
          • 热量衡算
• 干燥过程的计算
  • 干燥过程
    • 已知
      • 干燥介质（空气）的进口条件，如温度、湿度、压力等
      • 物料的进口条件，如温度、湿含量，质量或质量流率
      • 物料的干燥要求（湿含量）
    • 求解
      • 干燥介质用量
      • 干燥条件，如进干燥室的空气温度，出干燥室的空气温度和湿度等
      • 整个设备的热能消耗
      • 干燥室尺寸
  • 湿物料中含水率的表示方法
    • 湿基含水率
    • 干基含水率
  • 物料衡算
    • 蒸发的水分量
    • 绝干空气用量
    • 比干空气用量
      • I与干燥过程所经历的途径无关
  • 热量衡算
    • 预热器的热量衡算
    • 干燥器的热量衡算
    • 干燥系统的总热量衡算
      • 加入干燥系统的全部能量有四个用途：加热空气、蒸发水分、加热物料和热损失
    • 干燥设备的热效率
      • 一般，η=30~60%；在应用部分废气循环时，η=50~70%
      • 影响因素
        • 尽量利用废气中的热量，或将其循环使用，也将有助于热效率的提高
    • 理想干燥过程和实际干燥过程
      • 理想干燥过程（等焓干燥过程）
        • 理想干燥器都是等焓干燥，等焓干燥不一定是理想干燥器
      • 实际干燥过程
• 干燥动力学： 干燥速率和干燥时间
  • 干燥动力学可以解决干燥室尺寸问题
  • 干燥速率
    • 单位时间、单位干燥表面积所汽化的水分量
    • 单位：kg/(m^2*s)
  • 物料中的几种水分
    • 结合水分与非结合水分
      • 非结合水
        • 机械地附着在物料表面的水分，或物料堆积中大空隙中的水分
        • 特点
          • 非结合水的性质与纯水相同
          • 与固体相互结合力较弱，较易去除
      • 结合水
        • 结晶水、小毛细血管内的水、细胞内的水分等
        • 特点
          • 结合水的蒸气压低于同温下水的饱和蒸气压
          • 借化学力或物理化学力与固体相结合，较难去除
      • 取决于物料本身的性质，与空气状况无关
    • 平衡水分与自由水分
      • 平衡水分X* 在一定空气状态下的干燥极限
        • 在一定空气状态下，湿物料中的恒定含水量；也就是在一定空气状态下物料中不能除去的水分
        • 单位：kg水/kg干料
      • 自由水分
        • 物料总水分中，除了平衡水分以外的那部分水
      • 取决于物料本身的性质、空气状态
  • 干燥过程及机理
    • 恒定干燥条件
      • 湿空气的状态（温度、湿度）不变、空气流速不变、与物料的接触方式不变
    • 干燥过程
      • 预热段
      • 恒速段
        • 思考
          • 恒速阶段除去的是什么水？ 非结合水
          • 影响恒速阶段干燥速率的因素？ 空气条件
      • 降速段
        • 思考
          • 降速阶段除去的是什么水？ 非结合水和部分结合水
          • 影响降速阶段干燥速率的因素？ 取决于物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大
        • 临界含水率
          • 思考
            • 临界含水量大好，还是小好？ 越小越好
            • 影响临界含水量大小的因素？
              • 干燥介质状况（流速、温度、湿度等） 恒速阶段干燥速率越小，Xc越小
              • 物料本身的结构、性质、厚度等 物料层越薄，Xc越小
  • 干燥时间的计算
    • 恒速阶段干燥时间T1的计算
      • rw为湿球温度tw下汽化潜热
    • 降速阶段干燥时间T2的计算
• 干燥器
  • 分类
    • 加热方式
      • 对流式
      • 传导式
      • 辐射式
      • 介电加热式
    • 操作压力
      • 常压式
      • 减压式
    • 操作方式
      • 连续式
      • 间歇式
  • 常用工业干燥器
    • 厢式干燥器
      • 小型称为烘箱，大型称为烘房
      • 典型的常压、间歇式对流干燥设备
      • 适用场合
        • 任何形状的物料
      • 优点
        • 对物料的适应性强
      • 缺点
        • 物料得不到分散，干燥速率低，热利用率较差，且产品质量不均匀。产量不大
    • 洞道式干燥器
      • 连续的或半连续操作
      • 适用场合
        • 处理量大、干燥时间长的物料
      • 优缺点
        • 基本同厢式干燥器
    • 回转圆筒干燥机
      • 主体是略带倾斜并能回转的圆筒体。湿物料从高端上部加入，与通过筒体内的热风或加热壁面进行有效接触被干燥，干燥后产品从低端下部收集。在干燥过程中，物料借助于圆筒的缓慢转动，在重力的作用下从较高一端向较低一端移动。筒体内壁上装有抄板，它不断地把物料抄起又洒下，使物料的热接触表面增大，以提高干燥速率并促进物料向前移动。目前仍被广泛适用于冶金、建材、化工等领域。
      • 特点
        • 生产能力大、可连续操作。结构简单，操作方便。使用范围广， 可干燥颗粒物料、膏糊状物料，甚至液体物料。操作弹性大。
    • 气流干燥器
      • 适用场合
        • 主要用于干燥晶体和小颗粒物料，尤其是热敏性、易氧化、不宜粉碎的物料
      • 优点
        • 干燥时间短，干燥效率高。在加料口及其上1m左右的范围内，干燥速率最快。 （传热温差较大，空气湿度较小，颗粒处在加速阶段，与气流的相对速度较大）
      • 缺点
        • 系统的流动阻力大，要求的厂房高，对除尘设备要求严。
    • 沸腾床干燥器 (流化床干燥器)
      • 适用场合
        • 主要用于干燥晶体和小颗粒物料
      • 优点
        • 干燥效率高
  • 干燥设备的设计
    • 经验或半经验方法
      • 依据
        • 物料衡算、热量衡算、干燥动力学（干燥速率、干燥时间） 物料在干燥器内的停留时间必须等于或稍大于所需的干燥时间
      • 确定条件
        • 干燥介质的选择
          • 饱和水蒸气、热空气、烟道气、液态或气态的燃料和电能
        • 流动方式的选择
          • 并流、逆流和错流
        • 干燥介质进干燥室的温度确定
          • 应接近物料允许的最高温度
        • 干燥介质出口温度t2及相对湿度ψ2的确定
          • 一般要求t2较物料出口温度高10~30℃，或t2较入口气体的绝热饱和温度高20~50℃
        • 物料离开干燥器的温度
          • tM2的确定
• 温度越高，Hs越大，相对湿度越小 总压越大，Hs越小，相对湿度越大 Ql越大，L越大，热效率越低 t2越高，效率越低（不能太低，防止返潮） H2 t1越高，去湿能力越强，效率越高，但同时热损失大 循环越多，效率越高 中间加热，多步完成，热效率提高 固体物料气固平衡 物料厚度越薄，干燥时间越短