化工原理—干燥

化工原理授课讲义 第九章 干燥

作者： 石油化学工程系化工教研室 第 1 页 共 23 页 第九章 干 燥

本 章 学 习 要 求

1．熟练掌握的内容

湿空气的性质及其计算；湿空气的湿度图及其应用；连续干燥过程的物料衡算与热量衡算；恒定干燥条件下的干燥速率与干燥时间计算。

2．理解的内容

湿物料中水分的存在形态及其；水分在气-固两相间的平衡关系；干燥器的热效率；各种干燥方法的特点；对干燥器的基本要求。

3．了解的内容

常用干燥器的主要结构特点与性能；干燥器的选用。

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§9.1 概 述

干燥是利用热能除去固体物料中湿分（水分或其它液体）的单元操作。在化工、食品、制药、纺织、采矿、农产品加工等行业，常常需要将湿固体物料中的湿分除去，以便于运输、贮藏或达到生产规定的含湿率要求。例如，聚氯乙烯的含水量须低于0.2%，否则在以后的成形加工中会产生气泡，影响塑料制品的品质；药品的含水量太高会影响保质期等。因为干燥是利用热能去湿的操作，能量消耗较多，所以工业生产中湿物料一般都采用先沉降、过滤或离心分离等机械方法去湿，然后再用干燥法去湿而制得合格的产品。

一、固体物料的去湿方法

除湿的方法很多，化工生产中常用的方法有：

1.机械分离法。即通过压榨、过滤和离心分离等方法去湿。耗能较少、较为经济，但除湿不完全。

2.吸附脱水法。即用干燥剂（如无水氯化钙、硅胶）等吸去湿物料中所含的水分，该方法只能除去少量水分，适用于实验室使用。

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。该方法能除去湿物料中的大部分湿分，除湿彻底。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，然后再利用干燥方法继续除湿而制得湿分符化工原理授课讲义 第九章 干燥

作者： 石油化学工程系化工教研室 第 2 页 共 23 页 合规定的产品。干燥法在工业生产中应用最为广泛，如原料的干燥、中间产品的去湿及产品的去湿等。

二、干燥操作方法的分类

１、按操作压强分为常压干燥和真空干燥。真空干燥主要用于处理热敏性、易氧化或要求产品中湿分含量很低的场合。

２、按操作方式分为连续操作和间歇操作。间歇操作适用于小批量、多品种或要求干燥时间很长的特殊场合。

３、按传热方式可分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥以及由上述两种或多种组合的联合干燥。

（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。该方法热能利用率高，但与传热面接触的物料易过热变质，物料温度不易控制。

（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。干燥在这里是载热体又是载湿体。在对流干燥中干燥介质的温度易调节，湿物料不易产生过热。但是干燥介质离开干燥器时要带出大量的热量，因此对流干燥热损失大，能量消耗高。

（3）射干燥 由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到固体物料的表面，为物料吸收而转变为热能，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。该法生产强度大，干燥均匀且产品洁净，但能量消耗大。

（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。

三、对流干燥方法

（1）对流干燥原理

图9-1表示热空气与湿物料间的传热和传质的情况。在对流干燥过程中，干燥介质（如热空气）将热量以对流方式从气相主体传递到固体表面，物料表面上的湿分即行气化，水气由固体表面向气相扩散；与此同时，由于物料表面上湿分气化，使得物料内部和表面间产生湿分差，因此物料内部的湿分以气态或液态的形式向表面扩散。可见对流干燥过程是传质和传热同时进行的过程。干燥介质既是载热体又是载湿体。

（2）对流干燥的条件

干燥进行的必要条件是物料表面的水气的压强必须大于干燥介质中水气的分压，在其它化工原理授课讲义

第九章 干燥

作者： 石油化学工程系化工教研室 第 3 页 共 23 页 条件相同的情况下，两者差别越大，干燥操作进行得越快。所以干燥介质应及时地将产生的水气带走，以维持一定的传质推动力。若压差为零，则无水分传递，干燥操作即停止进行。由此可见，干燥速率由传热速率和传质速率所支配。

（3）对流干燥流程

图9-2为对流干燥流程示意图。空气经预热器加热到适当温度后，进入干燥器，与进入干燥器的湿物料相接触，干燥介质将热量以对流方式传递给湿物料，湿物料中湿分被加热汽化为蒸气进入干燥介质中，使得干燥介质中湿分含量增加，最后以废气的形式排出。湿物料与干燥介质的接触可以是逆流、并流或其它方式。

化工生产中以连续操作的对流干燥应用最为普遍，干燥介质可以是不饱和热空气、惰性气体及烟道气，要除的湿分为水或其它化学溶剂。本章重点介绍以不饱和热空气为干燥介质，湿分为水分的对流干燥过程。

图9-2 化工原理授课讲义 第九章 干燥

作者： 石油化学工程系化工教研室 第 4 页 共 23 页 §9.2 湿空气的性质及湿度图

一、湿空气的性质

湿空气是绝干空气和水气的混合物。对流干燥操作中，常采用一定温度的不饱和空气作为介质。因此首先讨论湿空气的性质。由于在干燥过程中，湿空气中水气的含量不断增加，而绝干空气质量不变，因此湿空气的许多相关性质常以单位质量的绝干空气为基准。

1、湿度（湿含量）H

湿空气中所含的水蒸气的质量与绝干空气的质量之比，称为空气的湿度，又称湿含量或绝对湿度，简称湿度，以符号Ｈ表示它可表示为：

gvggvvnn　nMnMH2918量湿空气中绝干空气的质湿空气中水蒸气的质量 （9-1）

式中 Ｈ——湿空气的湿度，kg水气/kg绝干空气；

MV——kg/ kmol；

Mg——绝干空气的摩尔质量，kg/ kmol；

ng——绝干空气的千摩尔，kmol；

nv——水气的摩尔数， kmol。

常压下湿空气可视为理想气体混合物，根据道尔顿分压定律，理想气体混合物中各组分的摩尔比等于分压比，则式（9-1）可表示为：

pPppPpH622.0)(2918 （9-2）

式中 p——水蒸气的分压，Pa；

Ｐ——湿空气的总压，Pa。

由式（9-2）可知湿度是总压和水气分压的函数。当总压一定时，则湿度仅由水蒸气分压所决定，湿度随水气分压的增加而增大。

当湿空气的水蒸气分压等于同温度下水的饱和蒸气压时，表明湿空气呈饱和状态，此时空气的湿度称为饱和湿度Ｈs，即：

ssspPpH622.0 （9-3）

式中 Ｈs——湿空气的饱和湿度，kg水气/（kg绝干空气）；

2、相对湿度百分数 化工原理授课讲义 第九章 干燥

作者： 石油化学工程系化工教研室 第 5 页 共 23 页 在一定总压下，湿空气中的水气分压与同温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数，称为相对湿度百分数，简称相对湿度，符号为，即：

%100spp （9-4）

相对湿度可以用来衡量湿空气的不饱和程度。＝100%时，湿空气中水气分压等于同温度下水的饱和蒸气压，湿空气的水蒸气已达到饱和，不能再吸收水分。相对湿度小于100%的湿空气能作为干燥介质。＆值愈小，表明湿空气偏离饱和程度越远，吸收水气的能力越强。由此可见空气的湿度Ｈ仅表示空气中水气含量，而相对湿度值能反应出湿空气吸收水气的能力。

若将式9-4代入式9-2，可得：

sspPpH622.0 (9-5)

由上式可知，在一定的总压下相对湿度与湿度Ｈ及饱和蒸汽压ps有关，而ps又与温度有关，因此，只要知道湿空气的温度和湿度，就可以计算出相对湿度。

3．湿空气的比容vH

单位质量绝干空气中所具有的空气及水蒸气的总体积称为湿空气的比容或湿容积，常压下，即：3127322.42918273HmHtvkg湿空气绝干空气 (9-6)

式中vH－湿空气的比容，m3/kg绝干气；

H－湿空气的温度，kg水/kg绝干气；

t－温度，℃。

由式(9-6)可知,在常压下,湿空气的比容随湿度H和温度t的增大而增大。

4．湿空气的比热容

常压下将绝干空气和其中的水蒸气的温度提高所需要的热量，称为湿空白的比热，简称湿热，化工原理授课讲义 第九章 干燥

作者： 石油化学工程系化工教研室 第 6 页 共 23 页 即：

vgHHccc

HHcccvgH88.101.1 (9-7)

式中 cH－湿空气的比热,kJ/(kg绝干空气-℃)；