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1、第九章 干燥第1页，本讲稿共68页第2页，本讲稿共68页第九章第九章 学习指导学习指导1.学习目的了解干燥的基本概念和原理，掌握干燥过程的计算和干燥器的选型。2.学习内容湿空气的热力学性质和湿度图、干燥过程的物料衡算与焓衡算、干燥速率计算、干燥器第3页，本讲稿共68页第九章第九章 干燥干燥第一节 概述第二节 湿气的性质和湿焓图第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算第四节 干燥速率和干燥时间第五节 干燥设备第4页，本讲稿共68页第一节第一节 概述概述一、物料的去湿方法一、物料的去湿方法二、干燥过程的分类二、干燥过程的分类三、干燥的条件三、干燥的条件第5页，本讲稿共68页1 1、机械去湿法：、机械去
2、湿法：如压滤、离心优点：能量低；缺点：去湿不完全。2 2、化学去湿法、化学去湿法优点：去湿完全；缺点：费用高，操作麻烦。3 3、热能去湿法、热能去湿法优点：去湿较完全；缺点：能耗高。在化工生产过程中，常常是两种方法一起使用，当物料中的湿分较多时，采用机械去湿法，然后用热能去湿法进一步除去湿分，这样既可减少能耗，又可以满足生产的要求。一、物料的去湿方法第6页，本讲稿共68页二、干燥过程的分类1、按操作压力分：常压干燥和真空干燥常压干燥和真空干燥2、按操作方式分：连续式干燥和间歇式干燥连续式干燥和间歇式干燥3、按给湿物料提供热能的方式分：传导干燥传导干燥（间接加热干燥）：将热能以传导的方式通过金属
3、壁面传给湿物料。特点：热能利用率高。对流干燥对流干燥：（直接加热干燥）：将热能以对流的方式传给与其直接接触的湿物料。特点：热能利用率比传导干燥低。辐射干燥辐射干燥：热能以电磁波的形式由辐射器发射，射至湿物料表面被其吸收再转变为热能。介电加热干燥介电加热干燥：将需要干燥的物料置于高频电场的交变作用使物料加热而达到干燥。第7页，本讲稿共68页三、干燥的条件湿物料界面的湿气分压pi干燥介质中湿气的分压p。温度为 t、湿份分压为 p 的湿热气体流过湿物料的表面，物料表面温度 ti 低于气体温度 t。由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散
4、，并被气流带走。HtqWtippiM第8页，本讲稿共68页第二节湿空气的性质和湿度图第二节湿空气的性质和湿度图、湿空气的性质、湿空气的性质、湿空气的湿度图及其应用、湿空气的湿度图及其应用第9页，本讲稿共68页一、湿空气的性质理想气体：摩尔数之比=压力之比，则：P一定：湿空气：干空气和水蒸汽的混合物，这种混合物称湿空气。1 1、湿空气中水气分压、湿空气中水气分压pW pW P=pg+pW2 2、湿度、湿度H H定义：湿空气中单位质量绝干空气所带有的水蒸汽的质量，或湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气质量之比值。即：第10页，本讲稿共68页 若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压，即表示空
5、气呈饱和状态，则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度，即：P一定：3 3、相对湿度百分数、相对湿度百分数T一定 越小，空气距饱和程度越远，吸水能力越强。第11页，本讲稿共68页4 4、湿容积、湿容积定义：定义：单位质量的绝干空气和其所带的Hkg水蒸汽所共同占有的体积称为湿空气的湿容积，又称湿空气的比容，即:5 5、湿热、湿热c cH H定义：将1kg绝干空气和其所带的Hkg水蒸汽的温度升高1所需的总热量，称为湿热，又称湿空气的比热。即第12页，本讲稿共68页定义：1kg绝干空气和其所带的Hkg水蒸汽所具有的焓，称湿空气的焓H 即:6 6、焓、焓H H第13页，本讲稿共68页湿球温度计：湿球温度
6、计：用保持湿润的纱布将温度计的感温部分包起来，这种温度计称湿球温度计。湿球温度湿球温度 t tW W：将湿球温度计置于一定的温度和湿度的湿空气中，达到稳定时所显示的温度为湿空气的。湿球温度 tW。湿球原理：湿球原理：测量刚开始时，设纱布中水分的温度与空气的温度相同。HHS传质 tWtwtWtd饱和湿空气 t=tW=td第17页，本讲稿共68页二、湿空气的湿度图及其应用 第18页，本讲稿共68页(1)、等t线(2)、等H线(3)、等相对湿度线(4)、等焓线(5)、水蒸汽分压线2 2、湿度图的应用、湿度图的应用1 1、湿度图的构造、湿度图的构造利用湿度图查物性湿空气状态点的确定第19页，本讲稿共6
7、8页间接加热过程间接加热过程A AB B =100%=100%H Ht tA At tB BI IA AI IB B A A B B3 3、湿空气加热、冷却过程的图示与讨论、湿空气加热、冷却过程的图示与讨论第20页，本讲稿共68页B BA A =100%=100%H Ht tB Bt tA AI IB BI IA A B B A At td dt tc c间间 接冷却过程接冷却过程第21页，本讲稿共68页A AC CC CH Ht tA At tC C=100%H HCCH HC C空气在干燥器内的冷却过程空气在干燥器内的冷却过程第22页，本讲稿共68页第三节第三节 连续干燥器的物料衡算和热量
8、衡算连续干燥器的物料衡算和热量衡算、物料衡算、物料衡算、干燥过程的物料衡算、干燥过程的物料衡算、干燥过程的热量衡算、干燥过程的热量衡算、干燥器进、出口空气的状态变化、干燥器进、出口空气的状态变化第23页，本讲稿共68页一、物料衡算2 2、干基含水量、干基含水量1 1、湿基含水量、湿基含水量第24页，本讲稿共68页二、干燥过程的物料衡算空气预热器干燥器废气湿物料干燥产品 GC：绝干物料量；L：绝干空气的流量；X1，X2：干燥前后湿物料的干基含水量；H1，H2：干燥前后湿空气的湿度。第25页，本讲稿共68页对水进行物料衡算：空气消耗量空气消耗量L L：单位空气消耗量单位空气消耗量 ：第26页，本讲
9、稿共68页因为：H1=H0 夏季要比冬季空气的消耗量大。空气的鼓风机等装置要以全年最热月份的空气消耗量来决定湿空气的体积流量。第27页，本讲稿共68页三、干燥过程的热量衡算空气t0,H0,I0预热器干燥器废气t2,H2,I2湿物料t1,X1,I1干燥产品t2,X2,I2空气t1,H1,I1Q QP PQ QD DQ QL L对预热器做热量衡算对预热器做热量衡算 ：第28页，本讲稿共68页对干燥过程作热量衡算：简化计算：第29页，本讲稿共68页则热量衡算式为：第30页，本讲稿共68页干燥器的热效率：干燥器的热效率一般定义为：若蒸发水分量为W，空气出干燥器时温度为t2，物料进干燥器温度为t1，则干
10、燥器内蒸发（气化）水分所需Q1可用下式计算:第31页，本讲稿共68页四、干燥器进、出口空气的状态变化 在干燥操作中，空气通过预热器时，状态变化过程为温度升高而湿度不变。若预热后的空气温度t1为已知，则空气的状态也就确定了。而空气通过干燥器时，由于空气和物料间进行热和质的交换，而且还受外加热量的影响以及热损失等，所以其状态变化过程是比较复杂的。通常，根据干燥过程中空气焓的变化情况，将干燥过程分为等焓与非等焓干燥过程。第32页，本讲稿共68页1 1、等焓干燥过程（绝热干燥过程）、等焓干燥过程（绝热干燥过程）对干燥器作热量衡算，若QD=0；QL=0：I1=I2。则：即 I1=I2第33页，本讲稿共6
11、8页实际的干燥过程皆为非等焓干燥过程，依其具体情况分为以下三种：(1)干燥器中不补充热量，即QD=0，而QL0、GC（I2-I1）0。则：I2I1(2)干燥器中补充热量QD，而且比干燥器的热损失及被干燥物料带进和带出干燥器热量之差值之和还要大，即QDQL+GC（I2I1）。则：I2I1(3)干燥器中补充热量QD，此热量可使干燥过程在等温条件下进行，即在干燥器中空气状态变化保持恒定的温度t1下进行。2、非等焓干燥过程（非绝热干燥过程）第34页，本讲稿共68页A AB B =100%=100%H Ht t0 0t t1 1I I0 0I I1 1 A A B Bt t2 2第35页，本讲稿共68页
12、第四节第四节 干燥速率和干燥时间干燥速率和干燥时间、水分在汽固两相间的平衡关系、水分在汽固两相间的平衡关系、干燥速率和干燥速率曲线、干燥速率和干燥速率曲线、干燥速率和干燥速率曲线、干燥速率和干燥速率曲线第36页，本讲稿共68页1 1、物料的、物料的X X平衡关系平衡关系如将某一物料与一定温度及湿度地空气相接触，物料将被除去或吸收水分，直到物料表面所产生的水蒸汽压力与空气中的水蒸汽压力相等为止，而使物料的含水量达于一定数值，此数值称为该光线状态下此物料的平衡含水量。X X一、水分在汽固两相间的平衡关系第37页，本讲稿共68页 平衡水分因物料种类的不同有很大的差别；同一种物料的平衡水分也因空气状态
13、的不同而异。只有使物料与相对湿度百分数为零的空气相接触，才能获得绝干的物料；反之如果使物料与一定湿度的空气接触，物料中总有一部分水（即平衡水分）不能除去。故平衡水分是在一定的空气状态下物料可以被干燥的最大限度。第38页，本讲稿共68页平衡水分与自由水分：平衡水分与自由水分：根据物料中所含水分在一定的条件下能否用对流干燥的方法将除去来划分为平衡水分和自由水分。结合水和非结合水分：结合水和非结合水分：结合水是指存在于物料细胞壁内的水分、小毛细管中的水分以及胶体结构物料中的水分等。这些水分与物料结合力强，因此结合水分的特点是产生低蒸汽压，即其蒸汽压低于同温度下纯水的蒸汽压，所以结合水是较难除去的水分
14、。2 2、物料中的水分分类：、物料中的水分分类：第39页，本讲稿共68页1001005050X X自由水分结合水分非结合水总水分平衡水分第40页，本讲稿共68页二、干燥速率和干燥速率曲线1 1、恒定干燥条件：、恒定干燥条件：是指干燥介质的温度、相对湿度、流过物料表面的速度、与物料的接触方式以及物料的尺寸或料层的厚度恒定。2 2、干燥速率：、干燥速率：单位时间内在单位干燥面积上被干燥物料所能气化的水分质量，称为干燥速率u.第41页，本讲稿共68页 湿物料的干燥曲线，它表明在干燥过程中湿物料的平均含水量X及物料表面温度t与干燥时间的关系。这种曲线是通过实验测定而绘出。为了比较不同物料在相同条件下的
15、干燥速率，还可以把干燥曲线转化成干燥速率曲线。A AB BC CD DX X t t1 1t tW Wt t2 2A AB BC CD DX X1 1X X*u u3 3、干燥曲线和干燥速率曲线、干燥曲线和干燥速率曲线第42页，本讲稿共68页 物料干燥过程中有一个转折点C，此点称为临界点。从干燥开始到临界点为第一阶段，临界点以后为第二阶段。第一阶段为表面气化控制阶段，此段的干燥速率是恒定不变，故称第一阶段为恒定干燥阶段。第二阶段为内部扩散控制阶段，由于此阶段内干燥速率是随着物料含水量的减少而降低。故称为降速干燥阶段。恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点C称为临界点，处于临界点物料的平均含水量称为
16、临界含水量X0。4、恒速干燥阶段和降速干燥阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段第43页，本讲稿共68页恒速干燥阶段：恒速干燥阶段：降速干燥阶段：降速干燥阶段：三、恒定干燥条件下的干燥时间的计算：第44页，本讲稿共68页第五节第五节 干燥器干燥器、厢式干燥器、厢式干燥器、洞道式干燥器、洞道式干燥器、带式干燥器、带式干燥器、转筒干燥器、转筒干燥器、气流干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器、喷雾干燥器第45页，本讲稿共68页被干燥物料的特点：被干燥物料的特点：形状：有板状、块状、片状、针状、纤维状、粒状、粉状，膏糊状甚至液状等；结构：多孔疏松型，紧密型；耐热性：热敏性；结块：易粘结
17、成块的湿物料在干燥过程中能逐步分散，散粒性很好的湿物料在干燥过程中可能会严重结块。第46页，本讲稿共68页对产品的要求：对产品的要求：干燥程度：脱除表面水分，结合水分甚至结晶水分。要求的平均湿含量和干燥均匀性。外观：一定的晶型和光泽，不开裂变形等。由于物料的多样性，年生产能力也有很大差别，故干燥器的形式也很多。第47页，本讲稿共68页按加热方式可将干燥器分为：按加热方式可将干燥器分为：(1)对流干燥器，如：洞道式干燥器、转筒干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器等；(2)传导干燥器，如：滚筒式干燥器、耙式干燥器、间接加热干燥器等；(3)辐射干燥器，如：红外线干燥器；(4)介电加热干燥器，
18、如：微波干燥器。第48页，本讲稿共68页干燥器的选型应考虑以下因素：干燥器的选型应考虑以下因素：(1)保证物料的干燥质量，干燥均匀，不发生变质，保持晶形完整，不发生龟裂变形；(2)干燥速率快，干燥时间短，单位体积干燥器汽化水分量大，能做到小设备大生产；(3)能量消耗低，热效率高，动力消耗低；(4)干燥工艺简单，设备投资小，操作稳定，控制灵活，劳动条件好，污染环境小。第49页，本讲稿共68页优点：对物料适应性强，可以用于各种物料的干燥，适用于小规模多品种、干燥条件变动大的场合。缺点：物料得不到分散，气固两相接触不好，干燥时间长；热效率较低，产品质量不易均匀。带式干燥器（带宽1-3m，长4-50m
19、，干燥时间为5-120分钟）进风循环风机预热器湿料产品热风一、厢式干燥器第50页，本讲稿共68页第51页，本讲稿共68页二、洞道式干燥器在一狭长的通道内铺设铁轨，物料放置在一串小车上，小车可以连续地或间歇地在进、出通道。空气连续地在洞道内被加热并强制地流过物料表面，流程可安排成并流或逆流，还可根据需要安排中间加热或废气循环，干燥介质可用热空气和烟道气。洞道式干燥器容积大，小车在洞道内停留时间长，适用于具有一定形状的比较大的物料如木材、皮革或陶器等的干燥。风扇加热器小火车进气排气口湿物料干品第52页，本讲稿共68页三、带式干燥器优点：干燥过程中物料翻动少，对晶体形状保持完好，适用于处理粒状、块状
20、和纤维状物料；缺点：缺点：热效率较低，生产能力较小。典型产品：脱水蔬菜、颗粒饲料、味精、鸡精、椰蓉、有机颜料、合成橡胶、丙稀纤维、药品、药材、小木制品、塑料制品、电子元器件老化、固化等。第53页，本讲稿共68页四、转筒干燥器主体：沿轴向装有若干抄板的圆筒。圆筒略呈倾斜放置，在齿轮机构的驱动下作旋转运动；湿物料：高进低出；高燥介质：低进高出；圆筒旋转：物料被炒板抄起然后洒下，改善传热传质，提高干燥速率；物料湿含量较低，产品能承受高温，宜采用逆流干燥。物料湿含量较高、产品湿含量不是很低的场合宜采用并流干燥。产品废气湿料热风第54页，本讲稿共68页 转筒干燥器的特点：机械化程度较高，生产能力较大；干
21、燥介质通过转筒的阻力较小；对物料的适应性较强，操作稳定方便，运行费用较低；装置比较笨重，金属耗材多，传动机构复杂，维修量较大；设备投资高，占地面积大。第55页，本讲稿共68页五、气流干燥器气流干燥器的特点：气流干燥器的特点：气流干燥器的特点：气流干燥器的特点：1）干燥速度快，固体物料分散悬浮在气流中，气固两相间具有很大的传热传质面积。热气体进口速度高(20-40m/s)，气固两相间(尤其是加速段)相对速度很大，平均体积传热系数 ha 为 3000-7000 W/(m3K)，比其它类型干燥器高几倍至几十倍，同等生产能力条件下，气流干燥器的体积小得多。2)气固并流操作，符合干燥基本规律，即在恒速段
22、干燥条件十分强烈，而在降速段内扩散控制时，温和的干燥条件正好与之相适应，可以使用高温气体作为干燥介质而不会烧坏物料。第56页，本讲稿共68页(3)干燥时间短，物料从进入干燥器开始，到气固两相脱离接触，整个干燥过程不超过1秒钟，因而气流干燥又称为快速干燥或闪蒸干燥，特别适合于热敏性物料的干燥。(4)气流干燥器中，固体物料呈活塞流流动，每一颗粒子经历的干燥时间大致相同，因而干燥产品的湿含量均匀一致。(5)结构简单，设备投资少，占地面积小，操作方便，性能稳定，维修量小。第57页，本讲稿共68页 加速运动段是气流干燥器最有效的干燥区段，一根 10m 长的气流管，80%左右的水分量是在长约 2m 左右的
23、加速段汽化干燥的。第58页，本讲稿共68页气流干燥器的传热强化：气流干燥器的传热强化：(1)多级气流干燥器：将多台气流干燥串联使用，总管长相同的情况下，加速段增加。且各干燥器可选择合适的气体条件，有利于热能的回收和合理利用。在淀粉、奶粉生产中被广泛采用。(2)脉冲式气流干燥器：脉冲管内气速随管径变化而交替地增大和减小。由于惯性的作用，颗粒运动速度滞后气体，使气固两相的相对速度增加。(3)旋风式气流干燥器：类似于旋风分离器，但更长，气流携带固体颗粒沿切线方向进入后作螺旋运动，使物料在瞬间得到干燥。适用于允许磨损的热敏性物料（如制药行业）。第59页，本讲稿共68页六、流化床干燥器流化床（沸腾床）干
24、燥器，是流态化技术在干燥作业上的应用。流化床干燥器的特点：(1)气流干燥与流态化干燥的区别在于操作气速不同。气流管中颗粒浓度较低，流化层中颗粒浓度较大；(2)操作气速低，但颗粒浓度高，气固接触面积很大，颗粒剧烈运动使气膜受到强烈冲刷，表面更新速率很快，传热传质速率很高，体积传热系数 ha 可达23007000 W/(m3K)；(3)物料颗粒的剧烈运动和相互混合使床内各处的温度均匀一致，避免了物料的局部过热，为物料的优质干燥提供了条件；(4)物料停留时间任意可调，特别适合于干燥结合水分；第60页，本讲稿共68页第61页，本讲稿共68页(5)连续操作时物料的停留时间分布很不均匀，部分物料因停留时间
25、过短而干燥不充分(underdry)，部分颗粒因停留时间过长而过分干燥(overdry)。单层流化床仅用于对产品湿含量的均匀性要求不高的场合，如硫铵、磷铵和氯化铵等的干燥。工业上常将流化床干燥器与气流干燥器串联使用，利用气流干燥的闪蒸作用，迅速使物料的表面水分汽化，然后送入流化床干燥器中进一步脱除物料所含的结合水分。第62页，本讲稿共68页流化床干燥器的用途：流化床干燥器的用途：适用于：药品中的原料药、压片颗粒、中药冲剂；化工原料中的塑料树脂、柠檬酸和其它粉状、颗粒状物料的干燥除湿；食品、粮食加工、食品饮料冲剂、玉米胚芽、饲料等的干燥。停留时间不均匀问题的解决方法：停留时间不均匀问题的解决方法
26、：每一层完全混合，层与层之间不相混。改善了物料停留时间的分布，层数越多，产品湿含量愈均匀。国内使用五层流化床干燥涤纶切片，效果很好。气固两相逆流流动，有利于降低产品的湿含量，且可使热量的利用更加充分。第63页，本讲稿共68页第64页，本讲稿共68页 多层流化床特别适合于产品湿含量较低、冷物料不能承受强烈干燥而干物料可以耐高温的场合。多层床其结构复杂，气体的流动阻力也较大，因而限制了多层流化床的应用。主要问题：控制物料顺利流至下一层的量，且不使气体沿溢流管短路跑掉。在应用中常因操作不当而不能正常生产。第65页，本讲稿共68页 流化床干燥器结构简单，造价较低，可动部件少，维修费用低，物料磨损较小，
27、气固分离比较容易，传热传质速率快，热效率较高，物料停留时间可以任意调节，因而这种干燥器在工业上获得了广泛的应用，已发展成为粉粒状物料干燥的最主要手段。第66页，本讲稿共68页七、喷雾干燥器用于干燥溶液、浆液或悬浮液。液状物料由雾化器喷成雾状细滴并分散于热气流中，使水分迅速汽化而获得微粒状干燥产品。雾滴直径通常仅为 30-60m，每升料液具有 100-600m2 的蒸发面积，故所需干燥时间很短（约为5-30s）。特别适合于干燥热敏性的物料，如牛奶、蛋制品、血浆、洗衣粉、抗菌素、酵母和染料等，已广泛应用于食品、医药、燃料、塑料及化学肥料等行业。第67页，本讲稿共68页第六节第六节 过程强化与展望过程强化与展望1 1、发展传导式（接触式）干燥器、发展传导式（接触式）干燥器2 2、开发组合型干燥器、开发组合型干燥器3 3、提高过程控制水平、提高过程控制水平4 4、节省能量、节省能量5 5、控制环境污染、控制环境污染第68页，本讲稿共68页