化工原理干燥复习总

第五章干燥操作技术知识目标：●熟悉湿空气性质；●掌握固体物料干燥过程的相平衡；●掌握干燥过程基本计算；●了解典型干燥设备的工作原理、结构特点。能力目标：●掌握干燥基本操作。在化工、制药、纺织、造纸、食品、农产品加工等行业，常常需要将固体物料中的湿分除去，以便于贮藏、运输及进一步加工，达到生产规定的要求。除去固体物料中湿分的方法称为去湿。去湿的方法很多，其中用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥。工业上干燥有多种方法，其中，对流干燥在工业上应用最为广泛。本章将主要介绍以空气为干燥介质、湿分为水分的对流干燥。查一查从其它角度划分，干燥还有哪些种类？第一节干燥器的结构及应用在工业生产中，由于被干燥物料的形状和性质不同，生产规模或生产能力也相差较大，对干燥产品的要求也不尽相同，因此，所采用干燥器的型式也是多种多样的。图5-1～图5-6为常见的几种干燥器，它们的构造、原理、性能特点及应用场合可见表5-1。图5-1厢式干燥器1-空气入口2-空气出口3-风扇4-电动机5-加热器6-挡板7-盘架8-移动轮图5-2洞道式干燥器示意图1一加热器2风扇3一装料车4排气口图5-4二段气流式干燥器示意图图5-5单层圆筒沸腾床干燥器图5-6YPG-II型压力式喷雾造粒干燥工艺流程图1-高位槽2-隔膜泵3-空气过滤器4-送风机5-蒸气加热器6-电加热器7-喷嘴8-干燥塔9-旋风分离器10-引风机11-尾气过过滤器12-高压风机13-空气过滤器图5-6喷雾干燥流程1-高位槽2-隔膜泵3-空气过滤器4-送风机5-蒸气加热器6-电加热器5-喷嘴8-干燥塔9-旋风分离器10-引风机11-尾气过过滤器12-高压风机13-空气过滤器图5-3转筒式干燥器示意图表5-1干燥器的性能特点及应用场合类型构造及原理性能特点应用场合厢式干燥器多层长方形浅盘叠置在框架上，湿物料在浅盘中,厚度通常为10～100mm，般浅盘的面积约为0.3～1。新鲜空气由风机抽入，经加热后沿档板均匀地进入各层之间，平行流过湿物料表面，带走物料中的湿分。构造简单，设备投资少，适应性强，物料损失小，盘易清洗。但物料得不到分散，干燥时间长，热利用率低，产品质量不均匀，装卸物料的劳动强度大。多应用在小规模、多品种、干燥条件变动大，干燥时间长的场合。如实验室或中间试的干燥装置。洞道式干燥器干燥器为一较长的通道，被干燥物料放置在小车内、运输带上、架子上或自由地堆置在运输设备上，沿通道向前移动，并一次通过通道。空气连续地在洞道内被加热并强制地流过物料。可进行连续或半连续操作；制造和操作都比较简单，能量的消耗也不大。适用于具有一定形状的比较大的物料，如皮革、木材、陶瓷等的干燥。转筒式干燥器湿物料从干燥机一端投入后，在筒内抄板器的翻动下，物料在干燥器内均匀分布与分散，并与并流（逆流）的热空气充分接触。在干燥过程中，物料在带有倾斜度的抄板和热气流的作用下，可调控地运动至干燥机另一段星形卸料阀排出成品。生产能力大，操作稳定可靠，对不同物料的适应性强，操作弹性大，机械化程度较高。但设备笨重，一次性投资大；结构复杂，传动部分需经常维修，拆卸困难；物料在干燥器内停留时间长，且物料颗粒之间的停留时间差异较大。主要用于处理散粒状物料，亦可处理含水量很高的物料或膏糊状物料，也可以干燥溶液、悬浮液、胶体溶液等流动性物料。气流式干燥器直立圆筒形的干燥管，其长度一般为10～20m，热空气（或烟道气）进入干燥管底部，将加料器连续送入的湿物料吹散，并悬浮在其中。一般物料在干燥管中的停留时间约为0.5～3秒，干燥后的物料随气流进入旋风分离器，产品由下部收集。干燥速率大，接触时间短，热效率高；操作稳定，成品质量稳定；结构相对简单，易于维修，成本费用低。但对除成尘设备要求严格，系统流动阻力大，对厂房要求有一定的高度。适宜于干燥热敏性物料或临界含水量低的细粒或粉末物料。流化床干燥器湿物料由床层的一侧加入，由另一侧导出。热气流由下方通过多孔分布板均匀地吹入床层，与固体颗粒充分接触后，由顶部导出，经旋风器回收其中夹带的粉尘后排出。颗粒在热气流中上下翻动，彼此碰撞和混合，气、固间进行传热、传质，以达到干燥目的。传热、传质速率高，设备简单，成本费用低，操作控制容易。但操作控制要求高。而且由于颗粒在床中高度混合，可能引起物料的反混和短路，从而造成物料干燥不充分。适用于处理粉粒状物料，而且粒径最好在30-60μm范围。喷雾干燥器热空气与喷雾液滴都由干燥器顶部加入，气流作螺旋形流动旋转下降，液滴在接触干燥室内壁前已完成干燥过程，大颗粒收集到干燥器底部后排出，细粉随气体进入旋风器分出。废气在排空前干燥过程极快，可直接获得干燥产品，因而可省去蒸发、结晶、过滤、粉碎等工序；能得到速溶的粉末或空心细颗粒；易于连续化、自动化操作。但热效率低，适用于士林蓝及士林黄染料等。经湿法洗涤塔（或其他除尘器）以提高回收率，并防止污染。设备占地面积大，设备成本费高,粉尘回收麻烦。知识窗固体物料的去湿方法除去固体物料中湿分的方法称为去湿。去湿的方法很多，常用的有：1.机械分离法即通过压榨、过滤和离心分离等方法去湿。这是一种耗能较少、较为经济的去湿方法，但湿分的除去不完全，多用于处理含液量大的物料，适于初步去湿。2.吸附脱水法即用固体吸附剂，如氯化钙、硅胶等吸去物料中所含的水分。这种方法去除的水分量很少，且成本较高。3.干燥法即利用热能，使湿物料中的湿分气化而去湿的方法。按照热能供给湿物料的方式，干燥法可分为：（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。例如纸制品可以铺在热滚筒上进行干燥。（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。（3）辐射干燥由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到物体的表面，为物料吸收而重新变为热能，从而使湿分气化。例如用红外线干燥法将自行车表面油漆烘干。（4）介电加热干燥将需要干燥电解质物料置于高频电场中，电能在潮湿的电介质中变为热能，可以使液体很快升温气化。这种加热过程发生在物料内部，故干燥速率较快，例如微波干燥食品。干燥法耗能较大，工业上往往将机械分离法与干燥法联合起来除湿，即先用机械方法尽可能除去湿物料中的大部分湿分，然后在利用干燥方法继续除湿。第二节干燥的基础知识一、对流干燥的方法典型的对流干燥工艺流程如图5-7所示，空气经加热后进入干燥器，气流与湿物料直接接触，空气沿流动方向温度降低，湿含量增加，废气自干燥器另一端排出。对流干燥过程中，物料表面温度θi低于气相主体温度t，因此热量以对流方式从气相传递到固体表面，再由表面向内部传递，这是个传热过程；固体表面水气分压Pi高于气相主体中水气分压，因此水气由固体表面向气相扩散，这是一个传质过程。可见对流干燥过程是传质和传热同时进行的过程，见图5-8。显然，干燥过程中压差(p-pi)越大，温差(t-θi)越高，干燥过程进行的越快，因此干燥介质及时将汽化的水汽带走，以维持一定的扩散推动力。二、空气的性质1.湿度H湿度H是湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气质量之比。（1）定义式(5-1)式中：Ma——干空气的摩尔质量，kg/kmol；Mv——水蒸汽的摩尔质量，kg/kmol；——湿空气中干空气的千摩数，kmol；——湿空气中水蒸汽的千摩尔数，kmol。（2）以分压比表示(5-2)式中：——水蒸汽分压，N/；P——湿空气总压，N/。（3）饱和湿度Hs若湿空气中水蒸汽分压恰好等于该温度下水的饱和蒸汽压Ps，此时的湿度为在该温度下空气的最大湿度,称为饱和湿度，以Hs表示。图5-7对流干燥流程示意图图5-8干燥过程的传质和传热(5-3)式中PS——同温度下水的饱和蒸汽压，N/。由于水的饱和蒸汽压只与温度有关，故饱和湿度是湿空气总压和温度的函数。2.相对湿度φ当总压一定时,湿空气中水蒸汽分压pv与一定总压下空气中水汽分压可能达到的最大值之比的百分数,称为相对湿度。⑴定义式:(5-4a)(5-4b)⑵意义：相对湿度表明了湿空气的不饱和程度，反映湿空气吸收水汽的能力。φ=1（或100%），表示空气已被水蒸汽饱和,不能再吸收水汽，已无干燥能力。φ愈小，即Pv与Ps差距愈大，表示湿空气偏离饱和程度愈远，干燥能力愈大。⑶H、φ、t之间的函数关系：(5-5)可见，对水蒸汽分压相同，而温度不同的湿空气，若温度愈高，则Ps值愈大，φ值愈小，干燥能力愈大。以上介绍的是表示湿空气中水分含量的两个性质，下面介绍是与热量衡算有关的性质。3.湿比热CH定义：将1kg干空气和其所带的Hkg水蒸气的温度升高1℃所需的热量。简称湿热。CH=Ca+CvH=1.01+1.88HkJ/kg干空气·℃(5-6)式中Ca——干空气比热，其值约为1.01kJ/kg干空气·℃Cv——水蒸汽比热,其值约为1.88kJ/kg干空气·℃4.焓I湿空气的焓为单位质量干空气的焓和其所带Hkg水蒸汽的焓之和。计算基准：0℃时干空气与液态水的焓等于零。tHHtHccHrHtcrtcIvgvg)88.101.1(2492)()(00kJ/kg干空气(5-7)式中：r0——0℃时水蒸汽汽化潜热，其值为2492kJ/kg。5.湿空气比容H定义：每单位质量绝干空气中所具有的空气和水蒸汽的总体积。干气kgmPtHHwgH/103.101273273)244.1773.0(32(5-8)由上式可见,湿比容随其温度和湿度的增加而增大。6.露点td(1)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。(5-9)式中：——为露点时饱和蒸汽压,也就是该空气在初始状态下的水蒸汽分压pv。（2）计算(5-9a)计算得到，查其相对应的饱和温度，即为该湿含量H和总压P时的露点。（3）同样地，由露点和总压P可确定湿含量H。ddpPpH622.0(5-9b)7.干温度t、湿球温度tW（1）干球温度t：在空气流中放置一支普通温度计，所测得空气的温度为t，相对于湿球温度而言，此温度称为空气的干球温度。（2）湿球温度tW：如图5-9所示，用水润湿纱布包裹普通温度计的感温球，即成为一湿球温度计。将它置于一定温度和湿度的流动的空气中，达到稳态时所测得的温度称为空气的湿球温度，以tW表示。当不饱和空气流过湿球表面时，由于湿纱布表面的饱和蒸汽压大于空气中的水蒸汽分压，在湿纱布表面和气体之间存在着湿度差，这一湿度差使湿纱布表面的水分汽化被气流带走，水分汽化所需潜热，首先取自湿纱布中水分的显热，使其表面降温，于是在湿纱布表面与气流之间又形成了温度差，这一温度差将引起空气向湿纱布传递热量。当单位时间由空气向湿纱布传递的热量恰好等于单位时间自湿纱布表面汽化水分所需的热量时，湿纱布表面就达到稳态温度，即湿球温度。经推导得：(5-10)式中：Hw——湿空气在温度tw下的饱和湿度，kg水/kg干气；H——空气的湿度，kg水/kg干气。实验表明：当流速足够大时，热、质传递均以对流为主，且kH及α都与空气速度的0.8次幂成正比，一般在气速为3.8～10.2m/s的范围内，比值α/kH近似为一常数(对水蒸汽与空气的系统，α/kH=0.96～1.005)。此时，湿球温度tWw为湿空气温度t和湿度H的函数。注意：a．湿球温度不是状态函数；b．在测量湿球温度时，空气速度一般需大于5m/s，使对流传热起主要作用，相应减少热辐射和传导的影响，使测量较为精确。8.绝热饱和温度tas（1）定义：绝热饱和过程中，气、液两相最终达到的平衡温度称为绝热饱和温度。图5-10表示了不饱和空气在与外界绝热的条件下和大量的水接触，若时间足够长，使传热、传质趋于平衡，则最终空气被水蒸汽所饱和，空气与水温度相等，即为该空气的绝热饱和温度。此时气体的湿度为tas下的饱和湿度Has。以单位质量的干空气为基准，在稳态下对全塔作热量衡算:或(5-11)上式表明，空气的绝热饱和温度tas是空气湿度H和温度t的函数,是湿空气的状态参数，图5-9湿球温度计图5-10绝热增湿塔示