化工原理 第十章

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化工原理
第十章 干燥
第一节 概述
一、去湿方法和干燥方式
在化学工业中，经过一系列的物理和化学的加工步骤， 所得到的产品或半成品往往是固态物质，这些固体通常含 有过多的水分或其它溶剂，称为湿分。要制得合格的产品， 需要除去其中的水或其它溶剂，简称去湿。常用的去湿方 法有机械去湿法、化学去湿法和加热去湿法。
第一节 概述
1．机械去湿法 对于含有较多湿分的悬浮液，通常先用沉降、过滤或 离心分离等机械分离法，除去其中的大部分液体。这种方 法能量消耗较少，一般用于初步去湿。 2．化学去湿法 用生石灰、浓硫酸、无水氯化钙等吸湿物料来除去湿 分。这种方法费用高、操作麻烦，适用于小批量固体物料 的去湿，或除去气体中水分的情况。 3．加热去湿法 对湿物料加热，使其所含的湿分汽化，并及时移走所 生成的蒸汽。这种方法称为物料的干燥。这种方法热能消 耗较多。
第一节 概述
根据湿物料的加热方式不同，干燥可分为： (1)热传导干燥法 将热能以传导的方式通过金属壁 面传给湿物料，，使其中湿分汽化。这类方法热效率较高 约为70%～80%。 (2)对流传热干燥法 利用热空气、烟道气等作干燥 介质将热量以对流方式传递给湿物料，又将汽化的水分带 走的干燥方法。这类方法热效率约为30%～70%。 (3)辐射干燥法 热能以电磁波的形式由辐射器发射， 并为湿物料吸收后转化为热能，使物料中湿分汽化。用作 辐射的电磁波一般是红外线。这种方法适用于以表面蒸发 为主的膜状物质。
第一节 概述
(4)微波加热干燥法 微波是一种超高频电磁波。其 工作原理是湿物料中水分子的偶极子在微波能量的作用下， 发生激烈的旋转运动，在此过程中水分子之间会产生剧烈 的碰撞与摩擦而产生热能，这种加热从湿物料内部到外部， 干燥时间短，干燥均匀。 (5)冷冻干燥法 将湿物料在低温下冻结成固态，然 后在高真空下，对物料提供必要的升华热，使冰升华为水 汽，水汽用真空泵排出。干燥后物料的物理结构和分子结 构变化极小，产品残存的水分也很小。冷冻干燥法常用于 医药、生物制品及食品的干燥。 按操作压力不同，干燥可分为常压干燥和真空干燥。 工业上应用最多的是对流加热干燥法，本章主要介绍以热 空气为干燥介质，除去的湿分为水的对流干燥。
第一节 概述
二、空气干燥器的操作原理
典型空气干燥器的工艺流程如图10-1所示。它是利用 热气体与

湿物料作相对运动，热空气将热量传递给湿物料， 使湿物料的湿分汽化并扩散到空气中，并被带走。因此， 空气干燥器实质上是动量传递、热量传递和质量传递同时 进行的传递过程。热空气称为干燥介质，它即是载热体， 又是载湿体。
图10-1 空气干燥器工艺流程
第二节 湿空气的性质和湿度图
一、湿空气的性质
空气由绝干空气与水蒸汽所组成，在干燥中称湿空气。 在干燥过程中，湿空气中的水汽含量不断增加，而其中的 干空气作为载体（载热体和载湿体），质量流量是不变的。 因此为了计算上的方便，湿空气的各项参数都以单位质量 的绝干空气为基准。 1．湿空气中水汽的分压 作为干燥介质的湿空气是不饱和的空气，其水汽分压 P水与绝干空气分压P空及其总压力p的关系为 P=P水+ P空 (10-1) 并有 P水=Py (10-2) Py 式中 y——湿空气中水汽的摩尔分数
第二节 湿空气的性质和湿度图
2．湿度 湿度又称为湿含量，为湿空气中水气的质量与绝干空 气的质量之比。即 n水 M 水 18 n 水 （10-3） 湿空气中水汽的质量
H = 湿空气中绝干空气的质 量 = n空 M 空 = 29 n 空
式中
H——空气的湿度，㎏／㎏干空气。 M——摩尔质量，㎏／kmol。 n——物质的量，kmol。 （下标“水”表示水蒸汽，“空”表示绝干空气）
第二节 湿空气的性质和湿度图
因常压下湿空气可视为理想气体，由道尔顿分压定律 可知，理想气体混合物中各组分的摩尔比等于分压比，则 式（10-3）可表示为： 18 p p水 水 H= = 0.622 （10-4） 29 p空 p ? p水 当总压一定，水蒸汽的分压等于湿空气温度下的饱和 蒸汽压时，湿空气的湿度达到最大值，此时湿空气呈饱和 状态，对应的湿度称为饱和湿度，可用下式表示： p饱 （10-5） H 饱 = 0.622
p ? p饱
式中 H饱 ——湿空气的饱和湿度，㎏／㎏干空气。 P饱——湿空气温度下水的饱和蒸汽压，Pa或kPa。
第二节 湿空气的性质和湿度图
水的饱和蒸汽压仅与温度有关，因此空气的饱和湿度 是湿空气的总压及温度的函数。 3．相对湿度 湿空气的湿度只是表示所含水份的多少，不能直接反 映这种情况下湿空气还有多大的吸湿潜力，而相对湿度则 是用来表示这种潜力的。 在一定总压下，相对湿度φ的定义式为： p ? = 水 ×100% （10-6） p饱 相对湿度φ与水汽分压P 水 及空气温度t有关（因）， 当一定时， φ随P水的增大而增大。当P水＝0时，φ＝0空 气为绝干空气；当P水< P饱时，φ<1空气为未饱和湿空气； 当P 水 =P 饱 时，φ＝1空气为饱和湿空气，气体不能在吸湿， 因而不能用作干燥介质。
第二节 湿空气的性质和湿度图

4．湿空气的比体积 在湿空气中，１㎏绝干空气连同其所带有的水蒸汽体 积之和称为湿空气的比体积。其定义式为：
湿空气的体积 v湿 = 湿空气中干空气的质量
m 3 湿空气 kg干空气
在标准状态下，气体的标准摩尔体积为22.4m3/kmol。 因此，在总压力为p、温度为t、湿度为H的湿空气的比容 为： ? 1 H ? (273 + t ) 101.3 （10-7） ?× v湿 = 22．? 4? + × ?
M空 M水 ? 273 p
式中
ν湿——湿空气的比体积，；
t——温度，℃； p——湿空气总压，kPa。
第二节 湿空气的性质和湿度图
将，M空=29kg/mol,M水=18kg/kmol代入上式，得 ( 273 + t ) 101.3 （10-8） v = (0.773 + 1.244 H ) × ×
湿
273
p
5．湿空气的比热容c湿 在常压下，将1㎏绝干空气和㎏水蒸汽温度升高（或 降低）1℃所吸收（或放出）的热量，称为湿空气的比热 容。即 c湿=c空+c水H （10-9） 式中 c湿——湿空气的比热容，kJ/（㎏干空气·℃）； c空——干空气的比热容，kJ/（㎏干空气·℃）； c水——水蒸汽的比热容，kJ/（㎏水汽·℃）。
第二节 湿空气的性质和湿度图
在通常的干燥条件下，干空气的比热容和水蒸汽的比 热容随温度的变化很小，在工程计算中通常取常数，取c空 ＝ 1 . 0 1 kJ/（㎏ 干 空 气 · ℃ ） ， c 水 = 1 . 8 8 kJ/（㎏ 水 汽·℃）。将这些数值代入式（10-9），得 c湿=1.01+1.88H （10-10） H 即湿空气的比热容只随空气的湿度变化。
第二节 湿空气的性质和湿度图
6．湿空气的比焓 湿空气中1㎏绝干空气的焓与相应H㎏水蒸汽的焓之和 称为湿空气的比焓。根据定义可写为 I=I空+HI水 （10-11） 式中 I——湿空气的比焓，kJ/㎏干空气； I空——绝干空气的比焓，kJ/㎏干空气； I水——水蒸汽的比焓，kJ/㎏水汽。
第二节 湿空气的性质和湿度图
通常以0℃干空气与0℃液态水的焓等于零为计算基准， 0℃液态水的汽化热为r0=2490KJ/Kg水，则有 I空＝ c空t＝1.01t I水＝r0＋c水t =2490＋1.88t 因此，湿空气的比焓可由下式计算 I= (c空+c水H)t＋r0 H=(1.01＋1.88H)t＋2490H（10-12） 7．干球温度 在湿空气中，用普通温度计测得温度称为湿空气的干 球温度，为湿空气的真实温度。通常简称为空气的温度。
第二节 湿空气的性质和湿度图
8．湿球温度t湿 用湿纱布包裹温度计的 感温部分，将它置于一定温 度和湿度的流动的空气中， 如图10－2所示，达到稳定时 所测得温度称为空气的湿球 温度。
图10-2 湿球温度计
第二节 湿空气的性质和湿度图
湿球温度为空气与湿纱布之间的传热、传质过程达到 动态平衡条件下的稳定温度。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，在湿纱布表面和空气之间存在着湿度差，这一湿度差 使湿纱布表面的水分汽化并被空气带走，水分汽化所需潜 热，首先取自湿纱布表面的显热，使其降温，于是在湿纱 布表面与空气气流之间又形成了温度差，这一温差将引起 空气向湿纱布传递热量。当空气传入的热量等于汽化消耗 的潜热时，湿纱布表面将达到一个稳定温度，即湿球温度。
第二节 湿空气的性质和湿度图
达到稳定状态时，空气向湿纱布的传热速率为
Q = αA(t ? t 湿 )
（10-13） 式中 α——空气向湿纱布的对流传热膜系数， W/(㎡·℃)； A——空气与湿纱布的接触面积，㎡； t——空气的温度，℃； t湿——空气的湿球温度，℃。
第二节 湿空气的性质和湿度图
与此同时，湿纱布中水分汽化并向空气中传递，其传 质速率为 ' N = k H (H 饱 ? H ) A （10-14） 式中 N——水汽由湿纱表面向空气的传质速率，㎏/s； kH——以湿度差为推动力的传质系数， ㎏ /(㎡·s·△H)； H饱’——温度为湿球温度时的饱和湿度t湿，㎏／ ㎏干空气。 H——空气的湿度，㎏／㎏干空气。
第二节 湿空气的性质和湿度图
达到稳定状态时，空气传入的显热等于水的汽化潜热， 即 Q=Nγ’ （10-15） 式中 γ——湿球温度下水汽的汽化热，kJ/㎏。 联解式（10－13）、式（10－14）、式（10－15），并整 理得 kH γ ' ' t湿 = t ? (H 饱 ? H ) （10-16） α 实验证明，KH与α都与空气速度的0.8次幂成正比，故 可认为比值α/ KH近似为一常数。对水蒸汽与空气系统， α/ KH ＝1.09。而γ’和H饱’决定于湿球温度，于是在α/ KH为常数时，湿球温度t湿为湿空气的温度t和湿度H的函数。 当t和H一定时，t湿必定为定值。反之当测得湿空气的干球 温度t和湿球温度t湿后，可求得空气的湿度H。在测量湿球 温度时，空气速度应大于5m/s，使对流传热起主要作用， 以减少辐射和热传导的影响，使测量较为准确。
第二节 湿空气的性质和湿度图
9．绝热饱和温度 不饱和的空气和大量的水充分接触，进行传质和传热， 最终达到平衡，此时空气与液体的温度相等，空气被水蒸 汽所饱和。如果过程满足以下两个条件： （1）气液系统与外界绝热； （2）气体放出的总显热等于水分汽化所吸收的总潜热。 则空气和水最终达到的同一温度称为绝热饱和温度 t绝，与之对应的湿度称为绝热饱和湿度，用H绝表示。
第二节 湿空气的性质和湿度图
由以上可知，达到稳定状态时，空气释放出的显热等 于液体汽化所需的潜热，故 c湿 (t ? t 绝 ) = γ 绝 ( H 绝 ? H ) 整理得 （10-17） 式中 γ 绝 ——绝

热饱和温度时液体的汽化潜热，kJ/㎏。 在湿空气的绝热增湿饱和过程中，水分汽化潜热取自空 气，空气因降温显热减小，与此同时，水汽又带了这部分 热量回到湿空气中，所以空气的焓值不变。实验证明，对 空气与水物系， α/ KH≈c湿，因此，由式（10－16）、式 （10－17）可知t绝≈t湿。
t绝 = t ?
γ绝
c湿
(H 湿 ? H )
第二节 湿空气的性质和湿度图
10．露点温度 不饱和湿空气在总压p和湿度一定的情况下进行冷却、 降温，直至水蒸汽饱和，此时的温度称为露点温度，用 t饱表示。由式（10－5）
H 饱 = 0.622 p饱 p ? p饱
可见，在一定总压下，只要测出露点温度，便可从手 册中查得此温度下对应的饱和蒸汽压，从而求得空气湿度。 反之，若已知空气的湿度，可根据上式求得饱和蒸汽压， 再从水蒸汽表中查出相应的温度，即为露点温度。
第二节 湿空气的性质和湿度图
由以上的讨论可知，表示湿空气性质的特征温度，有 干球温度t、湿球温度t湿、绝热饱和温度t绝、露点温度 t露。对于空气－水物系，t湿≈t绝，并且有下列关系： 不饱和湿空气t>t湿>t露 饱和湿空气 t=t湿=t露
二、湿空气的焓湿图（I-H图）及其应用
总压一定时，湿空气的各项参数，只要规定其中的两 个相互独立的参数，湿空气的状态即可确定。在干燥过程 计算中，由前述各公式计算空气的性质时，计算比较繁琐， 工程上为了方便起见，将各参数之间的关系绘在坐标图上。 这种图通常称为湿度图，常用的湿度图有焓湿图（I-H图） 和湿度－温度图（H-t图）。下面介绍工程上常用的焓湿 图（I-H图）的构成和应用。
第二节 湿空气的性质和湿度图
1．I-H图的构成 图10-3是在总压力＝100kPa下，绘制的I-H图。此图 纵轴表示湿空气的焓值I，横轴表示湿空气的湿度H。为了 避免图中许多线条挤在一起而难以读数，本图采用夹角为 1350的斜角坐标。又为了便于读取湿度数值，作一水平辅 助轴，将横轴上的湿度值投影到水平辅助轴上。图中共有 五种线，分述如下。 （1）等焓（I）线 为平衡于横轴（斜轴）的一系列 线，每条直线上任何点都具有相同的焓值，图中读数范围 为0～680kJ/㎏干空气。 （2）等湿度（H）线 为一系列平行于纵轴的垂直线， 每条线上任何一点都具有相同的湿含量，其值在辅助轴上 读取，图中读数范围为0～0.2kg/㎏绝干气。
第二节 湿空气的性质和湿度图
（3）等干球温度（t）线 写成 即等温线，将式（10-12）
I = 1.01t + (1.88t + 2490) H
由此式可知，当为定值，与成直线关系。任意规定值， 按此式计算与的对应关系，

标绘在图上，即为一条等温线。 同一条直线上的每一点具有相同的温度数值。图中的读数 范围为0～250℃。因直线斜率（1.88+2490）随温度的升 高而增大，所以等温线互不平行。 （4）等相对湿度（φ）线 由式（10-4）、式（10-6）可 得
H = 0.622
p 饱 p ? ?p饱
（10-18）
第二节 湿空气的性质和湿度图
等相对湿度（φ）线就是用上式绘制的一组曲线。当 总压p＝101.325kPa时，因φ=f(H，p 饱 ),所以对于某一值， p饱＝f(t),在0～100℃范围内给出一系列t，就可根据水蒸 汽表查到相应的数值，再根据式（10-18）计算出相应的p 饱湿度，在图上标绘一系列（t,H）点，将上述各点连接起 来，就构成了等相对湿度线。 图10-3中共有11条等相对湿度线，由5%～100%。 =100%时称为饱和空气线，此时的空气被水汽所饱和。
第二节 湿空气的性质和湿度图
（5）水蒸汽分压（P水）线
p水 = pH 0.622 + H
由式（10－4）可得 （10-19）
图10-3中水蒸汽分压线就是由式（10-19）标绘的。 它是在总压P＝101.325kPa时，空气中水汽分压P水与湿度H 之间的关系曲线。水汽分压P水的坐标，位于图的右端纵轴 上。 2．I-H图的应用 利用I-H图可方便的确定湿空气的性质。首先，须确 定湿空气的状态点，然后由I-H图中读出各项参数。假设 已知湿空气的状态点A的位置，如图10-4所示。可直接读 出通过A点的四条参数线的数值。可由值读出与其相关的 参数P水、t湿的数值，由I值读出与其相关的参数t湿≈ t露的 数值。确定各项参数具体过程如下：
第二节 湿空气的性质和湿度图
图10-4 H-I图的应用
第二节 湿空气的性质和湿度图
（1）湿度H，由A点沿等湿线向下与水平辅助轴的交点，即 可读出A点的湿度值。 （2）焓值I，通过A点做等焓线的平行线，与纵轴相交，由 交点可得焓值。 （3）水汽分压P水，由A点沿等湿度线向下交水汽分压线于一 点，在图右端纵轴上读出水汽分压值。 （4）露点t露，由由A点沿等湿度线向下与φ＝100%饱和线交 于一点，再由过该点的等温线读出露点温度。 （5）湿球温度t湿（绝热饱和温度t绝），由A点沿着等焓线 与＝100%饱和线交于一点，再由过该点的等温线读出湿球 温度（绝热饱和温度）。
第二节 湿空气的性质和湿度图
通常根据下述条件之一来确定湿空气的状态点，已知 条件是： （1）湿空气的温度t和湿球温度t湿，状态点的确定见 图10-5（a）。 （2）湿空气的温度t和露点温度t露，状态点的确定见 图10-5（b）。 （3）湿空气的温度t和相对湿度φ，状态点的确定见 图10-5（c）。
第二节 湿空气的性质和湿度图
图10-5在H-I图中

确定湿空气的状态点
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算 一、湿物料中含水量的表示方法
1．湿基含水量 水分在湿物料中的质量分数为湿基含水量，以w表示。 即
w= 湿物料中水分的质量 湿物料的总质量
kg水分 kg湿物料
（10-20）
2．干基含水量 湿物料中的水分与绝干物料的质量比为干基含水量， 以X表示。即 = 湿物料中的水分量 kg水分 X 湿物料中绝干物料量 kg绝干料 （10-21）
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
在工业生产中，通常用湿基含水量表示物料中水分的 含量多少。但在干燥计算中，由于湿物料中的绝干物料的 质量在干燥过程中是不变的，故用干基含水量计算比较方 便。两种含水量之间的换算关系为 w X = 1? w 及 （10-22）
X w= 1+ X
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算 二、物料衡算
物料衡算主要是为了解决两个问题：一是确定将湿物 料干燥到规定的含水量需蒸发的水分量；二是确定带走这 些水分所需要的空气量。对图10－6所示连续干燥器作物 料衡算。
新鲜空气L，H1
废气L，H2 干 燥 器
湿物料G，X1 或G1,w2
干燥产品G，X2 或G２,w2
图10－6 干燥器的物料衡算
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
设 L——绝干空气消耗量，㎏（绝干气）/s。 H1、H2——分别为空气进、出干燥器时的湿度，㎏/㎏干空 气。 X1、X2——分别为湿物料进、出干燥器时的干基含水量， ㎏（水分）/㎏干物料。 w1，w2——分别为湿物料进、出干燥器时的湿基含水量， ㎏（水分）/㎏湿物料。 G1、G2——分别为湿物料进、出干燥器时的流量，㎏(物 料)/s。 G——湿物料中绝干物料的流量，㎏(绝干料)/s。
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
1．水分蒸发量W 若不计干燥过程中物料损失，则在干燥前后物料中绝 干物料质量不变，即
G = G1 (1 ? w1 ) = G2 (1 ? w2 )
整 理 得 干 G =燥 (1 ? w产 1) G1 2 1 ? w2 （10-23） 则 W = G1 ? G2 （10-24） 对干燥器中水分作物料衡算，又可得
W = G ( X 1 ? X 2 ) = L( H 2 ? H 1 )
品
流
量
式中
（10-25） W——湿物料在干燥器中蒸发的水分量，㎏水分/s。
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
2．空气消耗量 由式（10－25）得，干空气消耗量 L 与水分蒸发量的关系 为 W L= H ?H （10-26） 将上式两端除以W，可得蒸发１㎏水分需消耗的干空 L 1 气量(称为单位空气消耗量，单位为，㎏干空气/㎏水分) l= = 为 W H 2 ? H1 （10-27） 由以上可知，空气消耗量随进入干燥器的空气湿度H1 的增大而增大。因此，一般按夏季的空气湿度确定全年中 最大空气消耗量。干燥

中风机的选择是以湿空气的体积流 量为依据的，湿空气的体积流量可由上面计算的L和湿空 气的比体积来求取。
2 1
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
三、热量衡算 连续干燥过程的热量衡算示意图如图10－7所示。
图10－7 连续干燥过程的热量衡算示意
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
1．预热器的加热量 如图10-7所示，绝干空气流量为 L（㎏干空气/s）， 不计热损失，则预热器的加热量为： （10-28） 式中 I0,I1——分别为湿空气进入预热器、离开预热器时 的焓， kJ/㎏干空气；空气水系统，湿空 气焓值由下式计算
I = (1.01 + 1.88 H )t + 2490 H
Q预 = L( I 1 ? I 0 )
L——绝干空气的流量，㎏干空气/s；
Q吸——单位时间预热器消耗的热量，kW。
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
2．干燥器的热量衡算 干燥器的热量输入、输出情况如下：
表内： G——为湿物料中绝干物料的流量，㎏/s； I1’I2’——分别为湿物料进入和离开时的焓，kJ/㎏ 绝干料；湿物料的温度为℃，干基含水 量为X（㎏水/㎏绝干料），其焓的计算 式为：
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
式中C干——绝干料的平均比热容，kJ/（㎏绝干料·℃）； C水 ——液态水的平均比热容，4.187kJ/(㎏水·℃)。 I2 ——湿空气离开干燥器时的焓，kJ/㎏干空气； Q补——单位时间向干燥器补充的热量，kW； Q损——单位时间干燥器损失的热量，kW。 干燥器的热量衡算式为
' GI1' + LI1 + Q补 = GI 2 + LI 2 + Q损
整理为：
' Q补 = L( I 2 ? I 1 ) + G ( I 2 ? I1' ) + Q损
（10-30）
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
四、理想干燥过程
由以上结果可看出，对干燥系统进行物料衡算与热量 衡算时，必须知道空气离开干燥器的状态参数，由于干燥 器内空气与物料间既有热量传递又有质量传递，有时还要 向干燥器补充热量，而且又有热量损失于周围环境中，情 况复杂，故确定干燥器出口处空气状态参数很繁琐。若能 满足或接近以下条件，则可简化干燥计算 （1）不向干燥器中补充热量，即； Q补=0 （2）热损失可忽略，即； Q损=0 （3）物料进出干燥器的焓相等，即 G（I2’-I1’)=0
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
将以上条件代入式10-30，可得 I1=I2 上式说明空气通过干燥器时焓恒定，所以又将这个过 程称为等焓过程。实际操作中很难实现这种等焓过程，故 该过程称为理想干燥过程。利用焓恒定，能在I-H图上迅 速确定空气离开干燥器时的状态参数。 通过对干燥器的热量衡算，可确定干燥过程的热能消 耗量，为计算预热器

的加热面积、加热介质的消耗量、干 燥器的尺寸等提供了依据。
第四节
干燥速率
干燥过程中，湿分从固体物料内部向表面迁移，在从 物料表面向干燥介质汽化。湿分与物料的结合方式直接影 响着湿分在气、固间的传递。因此，用干躁的方法从湿物 料中除去水分的难易程度因水分性质不同而不同。
一、物料中所含水分的性质
1．平衡水分和自由水分 根据物料在一定的干燥条件下，其中所含水分能否用 干燥的方法除去来划分，可分为平衡水分与自由水分。
第四节
干燥速率
（1）平衡水分 当湿物料与一定温度和湿度的湿空气 接触，物料将释放水分或吸收水分，直至物料表面所产生 的水蒸汽分压与空气中水蒸汽分压相等，此时，物料中所 含水分不再因与空气接触时间的延长而有增减，含水量恒 定在某一含水量，此即该物料的平衡含水量，用X*表示。 物料的平衡含水量随相对湿度增大而增大，当φ＝0时， X* ＝0，即只有在绝干空气中才有可能获得绝干物料，平 衡水分还随物料种类的不同而有很大的差别。图10－8表 示空气温度在25℃时某些物料的平衡含水量曲线。 在一定的空气温度和湿度条件下，物料的干燥极限为。 要想进一步干燥，应减小空气湿度或增大温度。平衡含水 量曲线上方为干燥区，下方为吸湿区。
第四节
干燥速率
图10-8 某些物料的平衡水分 1－新闻纸；2－羊毛、毛织物；3－硝化 纤维；4－丝；5－皮革；6－陶土；7－ 烟叶；8－肥皂；9－牛皮胶;10－木材
第四节
干燥速率
（2）自由水分 物料中所含的大于平衡水分的那部分 水分，即干燥中能够除去的水分，称为自由水分。 2．结合水分和非结合水分 按照物料与水分的结合方式，将水分分为结合水分和 非结合水分。其基本区别是表现出的平衡蒸汽压不同。
第四节
干燥速率
（1）结合水分 通过化学力或物理化学力与固体物料 相结合的水分称为结合水分。如：结晶水、毛细管中的水 及细胞中溶胀的水分。结合水与物料结合力较强，其蒸汽 压低于同温度下的饱和蒸汽压。因此，将图10－8中，给 定的湿物料平衡水分曲线延伸到与的相对湿度线相交，交 点所对应含水量即为结合水分。 （2）非结合水分 物料中所含的大于结合水分的那部 分水分，称为非结合水分。非结合水分通过机械的方法附 着在固体物料上。如：固体表面和内部较大空隙中的水分。 非结合水分的蒸汽压等于纯水的饱和蒸汽压，易于除去。 自由水分、平衡水分、结合水分、非结合水分及物料 总水分之间的关系见图10-9所示。
第四节
干燥

速率
图10-9固体物料中水 分的区分（t为定值）
第四节
干燥速率
二、干燥速率和干燥速率曲线
1．干燥速率 干燥速率为单位时间在单位干燥面积上汽化的水分量， 用U表示，单位为㎏/m2·s。考虑到干燥速率是变量，故其 定义式用微分式表示 （10-31） 式中 U——干燥速率，㎏/m2．s； A——干燥面积，m2； W——汽化的水分量，㎏； τ——干燥时间，s。
U= dW Adτ
第四节
因 dW = ?GdX 则上式可写成
GdX U =? Adτ
干燥速率
（10-32） 式中 G——湿物料中绝干物料的质量，㎏； X——湿物料干基含水量，㎏/㎏绝干料。 确定干燥时间和干燥器的尺寸，应知道干燥速率。湿 分由湿物料内部向干燥介质传递的过程是一个复杂的物理 过程，干燥速率的快慢，不仅取决于湿物料的性质（物料 结构、与水分结合方式、块度、料层的厚薄等）而且也决 定于干燥介质的性质（温度、湿度、流速等）。通常干燥 速率从实验测得的干燥曲线求取。
第四节
干燥速率
2．干燥速率曲线 为了简化影响因素，干燥实验大多在恒定干燥条件下 进行。所谓恒定干燥即干燥介质的温度、湿度、流速及与 物料接触方式在整个干燥过程中均不变。大量不饱和空气 对少量湿物料进行干燥时，可认为是恒定干燥。 实验过程简述如下：在恒定干燥条件下干燥某物料， 记录下不同时间τ下湿物料的质量G’，进行到物料质量不 再变化为止，此时物料中所含水分为平衡水分X*。然后， 取出物料，测量物料与空气接触表面积 A，再将物料放入 烘箱内烘干到恒重为止，此即绝干物料质量G。根据实验 数据可计算出不同时刻的干基含水量为 （10-33）
G' ? G X = G
第四节
干燥速率
将计算得到的干基含水量 X 与干燥时间τ标绘在坐标 纸上，即得干燥曲线，如图10-10所示。 将图10-10中X-τ曲线斜率及实测的绝干物料质量G、 物料与空气接触表面积A代入式10-32，即可求得干燥速率 U。将计算得到的干燥速率U与物料含水量标绘在坐标纸上， 即得干燥速率曲线，如图10-11所示。 在图10-10和图10-11中，A点代表时间为零时的情况， AB段为物料的预热阶段，这时物料从空气中接受的热主要 用于物料的预热，湿含量变化较小，时间也很短，在分析 干燥过程时常可忽略。从B点开始至C点，干燥曲线BC段斜 率不变，干燥速率保持恒定，称为恒速干燥阶段。C点以 后，干燥曲线的斜率变小，干燥速率下降，所以CDE段称 为降速干燥阶段。C点称为临界点，该点对应的含水量称 为临界含水量，以Xc表示。X*即为操作条件下的平衡含水 量。
第四节
干燥速率
图10-1

0恒定干燥条件下某物料的干燥曲线
第四节
干燥速率
图10-11 恒定干燥条件下干燥速率曲线
第四节
干燥速率
（1）恒速干燥阶段BC 在这一阶段，物料整个表面都 有非结合水，物料中的水分由物料内部迁移到物料表面的 速率大于或等于表面水分的汽化速率，所以物料表面保持 润湿。干燥过程类似于纯液态水的表面汽化。干燥过程与 湿球温度计的湿纱布水分汽化机理是相同的，因而物料表 面温度保持为空气的湿球温度。这一阶段的干燥速率主要 决定于干燥介质的性质和流动情况。干燥速率由固体表面 的汽化速率所控制。 （2）临界含水量XC 由恒速阶段转为降速阶段时，物 料的含水量为临界含水量。由临界点开始，水分由内部向 表面迁移的速率开始小于表面汽化速率，湿物料表面的水 分不足以保持表面的湿润，表面上开始出现干点。如果物 料最初的含水量小于临界含水量，则干燥过程不存在恒速 阶段。临界含水量与湿物料的性质和干燥条件有关，其值 一般由实验测定。
第四节
干燥速率
（3）降速干燥阶段CDE 由图10-11可知，降速干燥通 常可分为两个阶段。当物料含水量降到临界含水量后，物 料表面开始出现不润湿点(干点)，实际汽化面积减小，从 而使得以物料全部外表面积计算的干燥速率逐渐减小。当 物料外表面完全不润湿时，降速干燥就从第一降速阶段 （CD段）进入到第二降速阶段（DE段）。在第二降速阶段， 汽化表面逐渐从物料表面向内部转移，从而使传热、传质 的路径逐渐加长，阻力变大，故水分的汽化速率进一步降 低。降速阶段的干燥速率主要决定于水分和水汽在物料内 部的传递速率。此阶段由于水分汽化量逐渐减小，空气传 给物料的热量，部分用于水分汽化，部分用于给物料升温， 当物料含水量达到平衡含水量时，物料温度将等于空气的 温度。
第四节
干燥速率
三、影响干燥速率的因素
1.影响恒速干燥速率的因素 由恒速干燥的特点可知，恒速阶段的干燥速率与物料 的种类无关，与物料内部结构无关，主要和以下因素有关： （1）干燥介质条件 干燥介质条件是指空气的状态 （t,H等）及流动速度。提高空气温度t、降低湿度H，可 增大传热及传质推动力。提高空气流速，可增大对流传热 系数与对流传质系数。所以，提高空气温度，降低空气湿 度，增大空气流速能提高恒速干燥阶段的干燥速率。
第四节 干燥速率
（2）物料的尺寸及与空气的接触面积 物料尺寸较小 时提供的干燥面积大，干燥速率高。同样尺寸的物料，物 料与空气接触方式对干燥速率有很大影响

。物料颗粒与空 气一般有三种不同的接触方式，如图10-12所示。物料分 散悬浮于气流中接触方式最好，不仅对流传热系数与对流 传质系数大，而且空气与物料接触面积也大，其次是气流 穿过物料层的接触方式，而气流掠过物料层的接触方式与 物料接触不良，干燥速率最低。
第四节 干燥速率
2．影响降速干燥速率的因素 降速干燥阶段的特点是湿物料只有结合水分，干燥速 率与干燥介质的条件关系不大，影响因素主要有： （1）物料本身的性质 物料本身的性质包括物料的内 部结构和物料与水的结合形式等，这些因素对干燥速率有 很大影响。不过物料本身的性质，通常是不能改变的因素。 （2）物料温度 在同一湿含量的情况下，提高物料温 度可以减小内部传质阻力，使干燥速率加快。 （3）物料的形状和尺寸 物料的形状和尺寸影响着内 部水分的传递。物料越薄或直径越小对提高干燥速率有利。 （4）气体与物料接触方式 一定大小的物料如与气体 接触方式不同，其传质距离和传质面积不同。若将物料分 散在气流中，则传质距离会缩短，传质面积会大大提高， 干燥速率会大幅度提高。
第四节
干燥速率
（a）气体掠过物料层表面
（b）气体穿过物料层
（c）物料悬浮于气流中
图10-12 物料与空气的接触方式
第五节 干燥器
一、干燥设备的分类
干燥器的种类很多，以适应多种多样性的物料和产品 规格的不同要求。干燥器通常按加热的方式来分类： 1．对流干燥器 干燥介质以对流方式将热量直接传递给湿物料，并将 湿物料中的湿分带出。如：厢式干燥器、洞道干燥器、气 流干燥器、转筒干燥器和喷雾干燥器。 2．传导干燥器 干燥介质以热传导方式将热量传递给湿物料，使湿物 料中的水分汽化得到干燥。如滚筒干燥器、真空耙式干燥 器和冷冻干燥器。
第五节 干燥器
3．辐射或介电加热干 燥器利用热辐射或电磁波 将湿物料加热而干燥。如 红外线干燥器、微波干燥 器。 下 面 对 化工 生产 中常用 的几种干燥器进行简介。
图10-13 厢式干燥器 1－空气进口；2－空气出口；3－风机；4－ 电动机；5－加热器；6－挡 板；7－盘架； 8－移动轮
第五节 干燥器
二、厢式干燥器
厢式干燥器是一种间歇式的多功能干燥器，可以同时 干燥不同的物料。一般为常压操作，也有在真空下操作的。 图10-13为厢式干燥器的示意图。新鲜空气由入口进入干 燥器与吸湿以后的空气混合后进入风扇，由风扇出来的空 气一部分作为废气由空气出口放空，大部分经加热器加热 后沿挡板均匀地在各浅盘内的物料

上方掠过，对物料干燥。 增湿降温后的空气与入口进来新鲜空气混合，再次进入风 扇。被干燥的物料放在盘架上，分批地放入，干燥结束后 成批的取出，例如用小车推进推出。 这种设备的优点是结构简单，设备投资少，适应性强。 缺点是劳动强度大，热利用率低，产品质量不均匀。 这种设备主要适用于小规模、多品种、干燥条件变动 大的场合。
第五节 干燥器
三、洞道式干燥器
洞道式干燥器是由厢式干燥器发展而来，以适应大量 生产的要求。将厢式干燥器的间歇操作发展为了连续或半 连续的操作。如图10-14所示。干燥器为一较长的通道， 其中铺设铁轨，盛有物料的小车在铁轨上运行，空气连续 的在洞道内被加热并强制地流过物料，小车可连续或半连 续（隔一段时间运动一段距离）地移动，在洞道内物料和 热空气接触而被干燥。洞道干燥器适用于处理量大，干燥 时间长的物料。
第五节 干燥器
图10-14 洞道式干燥器 1－加热器；2－风扇；3－装料车；4－排气口
第五节 干燥器
四、滚筒式干燥器
滚筒干燥器是一种间接加热的连续干燥器，属于热传 导干燥器。图10-15所示为一双滚筒干燥器，两滚筒的旋 转方向相反，部分表面浸在料槽中，从料槽中转出的滚筒 表面粘上了一薄层料浆，加热蒸汽通入筒内，经筒壁的热 传导，使物料中的水分蒸发。水汽和夹带的粉尘由上方的 排气罩排出，被干燥的物料在滚筒的外侧用刮刀刮下，经 螺旋输送器推出而收集。 滚筒干燥器适用于悬浮液、溶液和稀糊状等流动性物 料的干燥，不适用于含水量过低的热敏性物料。滚筒干燥 器的优点是干燥过程连续化，劳动强度低，设备紧凑，投 资小、清洗方便。缺点是物料易受到过热，筒体外壁的加 工要求较高，操作过程中由于粉尘飞扬而使操作环境恶化。
第五节 干燥器
图10-15 滚筒干燥器 1－外壳；2－滚筒；3－刮刀
第五节 干燥器
五、气流式干燥器
气流干燥是气流输送技术在干燥中的一种应用。气流 干燥器利用高速热空气流使散粒状湿料被吹起，并悬浮于 其中，在气流输送过程中对物料进行干燥，如图10-16所 示。气流干燥器的主体是干燥管，干燥管的基本方式为直 立等径的长管，干燥管下部有笼式破碎机，其作用是对加 料器送来的块状物料进行破碎。对于散粒状湿物料，不必 使用破碎机。高速的热空气由底部进入，物料在干燥管中 被高速上升的热气流分散并呈悬浮状，与热气流并流向上 运动，湿物料在被输送过程中被干燥。干燥后的产品由下 部收集，湿空气经袋式过滤器收回粉尘后排出。
第

五节 干燥器
图10-16气流干燥器
第五节 干燥器
气流干燥器适宜处理含非结合水及结块不严重又不怕 磨损的粒状物料。对于黏性和膏状物料，采用干料返混的 方法和适宜的加料装置，也可正常操作。 气流干燥器的主要优点有：干燥速率快，干燥时间短， 从湿物料投入到产品排出，只需1～2秒。由于热风和湿物 料并流操作，即使热空气温度高达700～800℃，而产品温 度不超过70～90℃，所以适宜干燥热敏性和低熔点的物料。 干燥器结构简单，占地面积小。缺点是：由于流速大，压 力损失大，物料颗粒有一定的磨损，对晶体有一定要求的 物料不适用。
第五节 干燥器
六、喷雾式干燥器
喷雾干燥器是一种处理液体物料的干燥设备，是用喷雾器将物料 喷成细雾，分散在热气流中，使水分迅速汽化而达到干燥目的。图 10-17为喷雾干燥流程图，浆料由高压泵压至干燥器顶部的压力喷嘴， 喷成雾状液滴，与热空气混合后并流向下，气流作螺旋形流动旋转下 降，液滴在接触干燥室内壁前已经完成干燥过程，成为微粒或细粉落 到干燥器底部。产品随气体进入旋风分离器中而被分出，废气经风机 排出。 喷雾干燥器广泛应用于化工、医药、食品等工业生产中，特别适 用于热敏性物料的干燥。它的主要优点有：由于液滴直径小，气液接 触面积大，扰动剧烈，干燥过程极快，干燥完成后，物料表面温度仍 接近于湿球温度，非常适宜处理热敏性的物料。喷雾干燥可直接由液 态物料获得产品，省去了蒸发、结晶、过滤、粉碎等多种工序。能得 到迅溶的粉末和空心细颗粒。其缺点是：干燥器体积大，单位产品热 量消耗高。机械能消耗大。
第五节 干燥器
图10-17喷雾干燥流程图 1－燃烧炉；2－空气分布器；3－压力式喷头； 4－干燥塔；5－旋风分离器；6－风机
第五节 干燥器
七、沸腾床干燥器
沸腾床干燥器是流态化原理在干燥中的应用。在沸腾 床干燥器中，颗粒在热气流中上下翻动，彼此碰撞和混合， 气、固间进行传热和传质，以达到干燥目的。图10-18所 示为单层圆筒沸腾床干燥器。散粒物料由床侧加料口加入， 热风通过多孔气体分布板由底部进入床层同物料接触，只 要热风气速保持在一定的范围，颗粒即能在床层内悬浮， 并作上下翻动，在于热风接触过程中使物料得到干燥。干 燥后的颗粒由床的另一侧出料管卸出，废气由顶部排出， 经气固分离设备后放空。 在单层圆筒沸腾床干燥器中，由于床层中的颗粒的不 规则运动，引起返混和短路现象，使得每个颗粒的停留时 间是不相同的，这会使产品质量不均匀。为

此，可采用多 层沸腾床干燥器和卧式多室沸腾床干燥器。
第五节 干燥器
多层沸腾床干燥器，物料由上面第一层加入，热风由 底层吹入，在床内进行逆向接触。颗粒由上一层经溢流管 流入下一层，颗粒在每一层内可以互相混合，但层与层之 间不互混，经干燥后由下一层卸出。热风自下而上通过各 层由顶部排出。 为了减小气体的流动阻力和保证操作的稳定性，国内 在化纤、塑料和制药等行业已广泛地采用卧式多室沸腾床 干燥器。它是在长方形床层中，沿垂直于颗粒流动方向， 安装若干垂直挡板，分隔为几个室，挡板下端距多孔分布 板有一定距离，物料可以逐室流动，不致完全混合。这样， 颗粒的停留时间分布较均匀，以防止未干颗粒排出。 流化床干燥器的主要优点有：传热、传质效率高，处 理能力大；物料停留时间短，有利于处理热敏性物料；设 备简单，可动部件少，操作稳定。缺点是对物料的形状和 粒度有限制。
第五节 干燥器
图10-18单层圆筒沸腾床干燥器
第五节 干燥器
八、冷冻真空干燥器
冷冻真空干燥是将物料冷冻到冰点以下，并置于高度 真空环境下，水分直接由固态冰升华而被除去。因冷冻升 华所需的热量是通过传导方式供给的，所以冷冻干燥属传 导加热的真空干燥。 冷冻真空干燥的优点是，干燥后物料能保持原有的化 学组成与物理性质并且其热能的消耗比其他干燥方法少， 这是因为在真空下冰的升华温度很低，所以室温或稍高温 度的液体或气体就可作为载热体，且具有足够的传热推动 力。冷冻真空干燥器的外壁一般不需要绝热保温。 冷冻真空干燥的缺点是设备投资费用高，动力消耗大， 干燥速率慢。由于有以上这些缺点，所以冷冻干燥除特殊 情况外未获广泛应用，目前主要用于食品和医药工业。
第五节 干燥器
九、红外线干燥器
红外线干燥是利用红外辐射元件发射出来的红外线对 物料进行直接加热的一种干燥方法。红外线投射到被干燥 的物体上，被物体吸收转变为热使湿分汽化。 根据波长不同，红外线分为两个区域，波长在0.75～ 5.6μm的称近红外，在5.6～1000μm区域的为远红外。用 近红外灯作为加热元件的干燥方法称为近红外干燥。由于 一般物料对红外线的吸收光谱大多位于远红外区域，故近 红外干燥，效率低，干燥时间长，耗能大。用远红外辐射 元件对物料进行加热干燥就称为远红外干燥。有很多物料， 特别是有机物、高分子材料等在远红外区域有很宽的吸收 带，所以远红外特别适合用于上述物料的干燥。远红外干 燥具有干燥速度快、干燥质量好、能量利

用率高等优点。 因红外线穿透到物料深层内部比较困难，所以红外线干燥 器主要用于薄层物料的干燥。
第五节 干燥器
十、微波干燥器
微波干燥是在微波理论及微波管成就的基础上发展起 来的一门技术。微波是指频率为300MHz到300GHz，波长为 1mm到1m之间的电磁波。微波是一种高频交变电场。在高 频交变电场中，湿物料中的水分会随着电场方向的变换而 转动，在此过程中，水分子之间会产生剧烈的碰撞与摩擦， 部分能量转换成热能，所以能使湿物料中的水分获得热量 而汽化，从而使物料得到干燥。微波干燥已在食品、皮革 等行业中获得了一定的应用。 微波干燥具有如下优点：加热迅速，干燥速度快。热 效率高，控制灵敏，操作方便。产品含水量均一，质量稳 定。
第五节 干燥器
十一、干燥器的选型
通常，干燥器选型应考虑以下各项因素： 1．产品的质量 例如在医药工业中许多产品要求无 菌，避免高温分解，此时干燥器的选型主要从保证质量上 考虑，其次才考虑经济性等问题。 2．物料的特性 物料的特性不同，采用的于燥方法 也不同。物料的特性包括物料形状、含水量、水分结合方 式、热敏性等。例如对于散粒状物料，多选用气流干燥器 和沸腾床干燥器。 3．生产能力 生产能力不同，于燥方法也不尽相同。 例如当干燥大量浆液时可采用喷雾于燥器，而生产能力低 时可用滚筒干燥器。
第五节 干燥器
4．劳动条件 某些干燥器虽然经济适用，但劳动强 度大、条件差，且生产不能连续化。这样的干燥器特别不 适宜处理高温有毒，粉尘多的物料。 5．经济性 在符合上述要求下，应使干燥器的设备 费和操作费用为最低。 6．其它要求 例如设备的制造、维修、操作及设备 尺寸是否受到限制等。 另外，根据干燥过程的特点和要求，还可采用组合式 的干燥器。例如，对于最终含水量要求较高的可采用气流 －沸腾干燥器；对于膏状物料，可采用滚筒－气流干燥器。

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