第14章 固体干燥
知识要点
干燥是指向物料供热以汽化其中的湿分的操作。本章主要讨论以空气为干燥介质、湿分为水的对流干燥过程。学习本章应重点掌握湿空气的性质参数与湿度图、湿物料中的水分性质、干燥过程的物料衡算与热量衡算。一般掌握干燥过程的速率与干燥时间的计算。了解干燥器的类型与适用场合，提高干燥过程的热效率与强化干燥过程的措施。本章主要知识点间的联系图如下图所示。
干燥过程物料衡算湿空气的性质干燥速率与干燥时间干燥过程热量衡算物料中水分性质干燥器干燥过程强化
图14-1 干燥一章主要知识点联系图
1. 概述
对流干燥的特点：热、质反向传递过程 传热：固相←气相 推动力：温度差 传质：固相→气相 推动力：水汽分压差 2. 干燥静力学
(1) 湿空气的状态参数
① 空气中水分含量的表示方法 a. 绝对湿度(湿度)
H?0.622p水汽
p?p水汽ps p?psp水汽/ps(ps?p)b. 饱和湿度 c. 相对湿度
Hs?0.622??p水汽=一定温度、压力下空气中水汽分压可能达到的最大值p水汽/p(ps?p)
② 湿空气温度的表示方法
a. 干球温度t：简称温度，指空气的真实温度，可直接用普通温度计测量。 b. 露点温度td：在总压不变的条件下，不饱和湿空气等湿降温至饱和状态时的温度。 ．．．．
c. 绝热饱和温度tas： 指少量空气与大量水经长时间绝热接触后达到的稳定温度。 d. 湿球温度tw：指大量空气与少量水经长时间绝热接触后达到的稳定温度。 e. 湿空气的四种温度间的关系
不饱和湿空气：t?tW(tas)?td
饱和湿空气：t?tW(tas)?td
③ 湿空气的比热容(湿比热容)cpH：将1kg干空气和其所带的H kg水汽的温度升高1℃所需的热量，单位 kJ/(kg?℃)。
cpH?1.01?1.88H
④ 湿空气的焓I：指1kg干气及所带的Hkg水汽所占的总体积，单位m3/kg干气。
I?(1.01?1.88H)t?2 500H ⑤ 湿空气的比体积：指1kg干气及所带的Hkg水汽所占的总体积，单位m3/kg干气。
常压下温度为t℃、湿度为H的湿空气的比体积为
vH?(2.83?10?3?4.56?10?3H)(t?273)
(2) 湿度图
湿空气的各种性质之间存在着一定的函数关系，这些关系除了可用前面介绍的公式表示外，还可用湿空气的性质图来表示。在总压一定时，湿空气仅有两个独立的性质参数。从形式上看，常用的有焓I—湿度H图、温度t—湿度H图。
(3) 水分在气固两相间的平衡 ① 湿物料中水分含量的表示方法
湿基含水量
w?湿物料中水分的质量湿物料总质量 kg水/kg湿料
干基含水量
X?w?湿物料中水分的质量湿物料中绝干物料的质量 kg水/kg绝干料
二者关系
Xw X? 1?X1?w② 相对湿度曲线
1.0结合水分非结合水分相对湿度φ平衡水分自由水分0X*XmaxXt
图14-2 相对湿度曲线
③ 平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分间的差异(表14-1)
表14-1 物料中四种水分间的差异
项目 区分标准 特点 平衡水分 自由水分 能否被干燥除去 能被干燥除去 不能被干燥除去 结合水分 非结合水分 干燥的难易程度 难 容易 pe?ps pe?ps 影响因素 备注 湿空气的性质、物料性质 平衡水分一定是结合水分 物料本身的性质 非结合水分一定是自由水分 3. 干燥速率与干燥过程计算 (1) 物料在定态条件下的干燥速率
① 干燥速率： 指单位时间、单位面积(气固接触界面)被汽化的水量，即
NA?GdXdW??c Ad?Ad?式中 Gc——试样中绝对干燥物料的质量，kg；
A——试样暴露于气流中的表面积，m2；
X——物料的自由含水量，X?Xt?X*，kg水/kg干料；
W——汽化的水分量，kg。 ② 干燥速率曲线
干燥速率NA(kg.m-2.s-1)降速段恒速段预热段CDBA?A0EXC自由含水量X
图14-3 干燥速率曲线
③ 各阶段特点 a. 恒速段 ? (NA)C??rw(t?tw)?kH(Hw?H)＝常量
? 物料表面温度等于湿空气的湿球温度tw； ．．
? 恒速干燥阶段为表面汽化控制； ? 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与空气的状态有关，与物料的种类无关。 b. 降速段
? 随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥速率降低，物料表面温度逐渐升高； ? 物料表面温度大于湿空气的湿球温度； ? 除去的水分既有非结合水，也有结合水；
? 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
? 由恒速阶段转为降速阶段的点称为临界点，所对应湿物料的含水量称为临界含水量； ? 降低物料厚度，临界含水量Xc↓； ? 物料越细，Xc↑；
? 等速干燥阶段的干燥速率(NA)C越大，Xc↑。 (2) 间歇干燥过程的计算 恒速段 降速段
GcX1?Xc ?A(NA)CGcX2dX ?2???AXcNA?1?降速段的近似计算法
GcXc?X*(NA)C ?2? (X——干基含水量) K?lnX**Xc?XAKXX2?XGcX(N) ?2?lnc (X——自由含水量) KX?AC
AKXX2Xc(3) 干燥过程的物料衡算与热量衡算
干燥器预热器空气V,t0,H0,I0QP物料Gc,X1,θ1,I1?产品?Gc,X2,θ2,I2V,t1,H1,I1QD废气V,t2,H2,I2QL
图14-4 干燥流程示意图
① 物料衡算 绝干物料量
Gc?G1(1?w1)?G2(1?w2) Gc?G1G2 ?1?X11?X2或
蒸发水分量 或
W?Gc(X1?X2)?G1w1?G2w2?G1?G2 W?V(H2?H1)?V(H2?H0)
WW ?H2?H1H2?H0干空气质量流量 V?比空气用量 l?V11 ??WH2?H1H2?H0实际空气(新鲜空气)质量流量 风机的风量
V'?V(1?H0) kg湿空气/s
qV?VvH?V(0.773?1.244H)273?t101.3 m3湿空气/s ?273p式中t、H是风机所在位置空气的干球温度与湿度。
干燥产品质量流量 G2?G1(1?w1)/(1?w2)
② 预热器的热量衡算
QP?V(I1?I0)?VcpH1(t1?t0) I1?(1.01?1.88H1)t1?2500H1 I0?(1.01?1.88H0)t0?2500H0
H1?H0，cpH1?cpH0
③干燥器的热量衡算 或
??QD?VI2?GcI2??QL VI1?GcI1VI1?Gccp,X1?1?QD?VI2?Gccp,X2?2?QL
式中cp,X——湿物料的比热容，kJ/(kg干物料.℃) cp,X?cp,s?cp,LX，对于水cp,L=4.18 kJ/(kg.℃)
④ 理想干燥过程，又称为等焓干燥过程，即I1?I2 ⑤ 干燥系统的热量衡算
??I1?)?QL QP?QD?V(I2?I1)?Gc(I2QP?QD?W(r0?cpVt2?cpL?1)?Gccpm2(?2??1)?VcpH0(t2?t0)?QL加入干燥系统的热量蒸发水分耗热Q120%~30%物料升温耗热Q25%~30%加热空气耗热Q315%~40%热损失QL8%~30%
⑥ 干燥过程的热效率 ??Q1?Q2
Qp?QDQP?QD?Q3Q3 ?1?QP?QDQP?QDt1?t2 t1?t0忽略热损失
??a. 理想干燥过程
??b. 提高热效率的措施
? 降低废气的温度t2，但t2应比空气的湿球温度高20~50℃，以避免干燥的产品返潮。
? 提高空气的预热温度t1，但以考虑热源能位的限制与物料的耐高温性。对不能经受高温的物料，采用中间加热的方式。
? 减少干燥过程的各项热损失。
? 采用部分废气循环操作，一般废气循环量为总气量的20%~30%。
4. 干燥器
(1) 常用干燥器： 厢式干燥器、喷雾干燥器、流化床干燥器、气流干燥器等 (2) 几种干燥器的特点