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。
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)
0.622
p H p p =-水汽
水汽
b . 饱和湿度
0.622
s
s s
p H p p =- c . 相对湿度
p ϕ=
水汽
一定温度、压力下空气中水汽分压可能达到的最大值
s ()
p p ≤s /p p 水汽s ()
p p >/p p 水汽=
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t d ：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t as ： 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t w ：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：()d W as t t t t >>
饱和湿空气：()d W as t t t t ==
③ 湿空气的比热容(湿比热容)c pH ：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 ∙℃)。
pH 1.01 1.88c H =+
④ 湿空气的焓I ：指1kg 干气及所带的H kg 水汽所占的总体积，单位m 3/kg 干气。
(1.01 1.88) 2 500I H t H =++ ⑤ 湿空气的比体积：指1kg 干气及所带的H kg 水汽所占的总体积，单位m 3/kg 干气。
常压下温度为t ℃、湿度为H 的湿空气的比体积为
)273)(1056.41083.2(33H +⨯+⨯=--t H v
(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
量
湿物料中绝干物料的质湿物料中水分的质量=
X kg 水/kg 绝干料
二者关系
X X w +=
1 w
w
X -=1 ② 相对湿度曲线
1.0
相对湿度φ
X max
X X t
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)
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
τ
τAd dX G Ad dW
N c A -==
式中 c G ——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，m 2；
X ——物料的自由含水量，*X X X t -=，kg 水/kg 干料；
W ——汽化的水分量，kg 。
② 干燥速率曲线
干燥速率N A (k g .m -2.s -1)
图14-3 干燥速率曲线
③ 各阶段特点 a . 恒速段 )()()(H H k t t r N w H w w
C A -=-=
α
＝常量
物料表面温度等于．．
湿空气的湿球温度t w ； 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X c ↓； 物料越细，X c ↑；
等速干燥阶段的干燥速率(N A )C 越大，X c ↑。
(2) 间歇干燥过程的计算
恒速段 11()c c
A C G X X A N τ-=
⋅ 降速段
2c c 2A
d X X G X A N τ=-⎰
降速段的近似计算法
*
2*c X c 2ln X X X X AK G --=τ (X ——干基含水量) A X *c
()C
N K X X =- c c 2X 2ln G X AK X τ=
(X ——自由含水量) A X c
()
C N K X = (3) 干燥过程的物料衡算与热量衡算
V ,t ,H 2,I 2产品
G c ,X 1,θ1,G c ,X 2,θ2,干燥器
1I '
2
I '
图14-4 干燥流程示意图
① 物料衡算 绝干物料量
c 1122(1)(1)G G w G w =-=-
或
12
c 12
11G G G X X =
=++
蒸发水分量 c 12112212()W G X X G w G w G G =-=-=- 或
2120()()W V H H V H H =-=-
干空气质量流量 0
212H H W
H H W V -=-=
比空气用量 2120
11V l W H H H H =
==-- 实际空气(新鲜空气)质量流量
0'(1)V V H =+ kg 湿空气/s
273101.3
(0.773 1.244)
273V H t q Vv V H p
+==+⨯ m 3湿空气/s 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 )1/()1(2112w w G G --=
② 预热器的热量衡算
1P 10pH 10()()Q V I I Vc t t =-=-
11112500)88.101.1(H t H I ++= 00002500)88.101.1(H t H I ++=
1H H =，
1p p H H c c =
③干燥器的热量衡算
L c Q I G VI Q I G VI +'+=+'+2c 2D 1
1 或
121p,1D 2c ,2c X p X L VI G c Q VI G c Q θθ++=++
式中c p,X ——湿物料的比热容，kJ/(kg 干物料.℃) p,X p,s p,L c c c X =+，对于水c p,L =4.18 kJ/(kg.℃)
④ 理想干燥过程，又称为等焓干燥过程，即21I I = ⑤ 干燥系统的热量衡算
L D P Q I I G I I V Q Q +'-'+-=+)()(12
c 12
D P Q Q +加入干燥
系统的热量
气耗热Q 3物料升温耗热Q 2蒸发水分耗热Q 1Q L 20%~30%
5%~30%
15%~40%
8%~30%
⑥ 干燥过程的热效率 D
p 2
1Q Q Q Q ++=
η
忽略热损失
33
P D P D 1P D Q Q Q Q Q Q Q Q η+-=
=-++
a . 理想干燥过程
12
10
t t t t η-=
- b . 提高热效率的措施
降低废气的温度t 2，但t 2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t 1，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%。
(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
①喷雾干燥器：干燥速率快，干燥时间短(仅5~30s)，特别适用于热敏性物料的干燥；能处理低浓度溶液，且可由料液直接得到干燥产品。
②气流干燥器：颗粒在管内的停留时间很短，一般仅2s左右。
在加料口以上1m左右，物料被加速，气固相对速度最大，给热系数和干燥速率也最大，是整个干燥管最有效的部分。
③流化床干燥器：气速较气流干燥器低，停留时间长(停留时间可由出料口控制)。