化工单元操作过程第9章干燥

化工单元操作过程第9章干燥解忠勇2011年8月本章培训目标1.熟知湿空气性质的状态参数和湿物料中水分的性质。2.掌握干燥操作的基本原理及操作过程。3.知道干燥速率的主要影响因素，会对干燥器进行物料衡算。4.了解工业上常用干燥器的结构和工作原理，会正确操作和维护设备。5.了解干燥过程的节能措施。9.1概述干燥是利用热能除去固体物料中湿分的单元操作。一、物料的去湿方法1、机械去湿法：如压滤、抽吸、离心分离、过滤等。优点：能量低；缺点：去湿不完全。2、化学去湿法：如用生石灰、浓硫酸等吸湿来除去水分。优点：去湿完全；缺点：费用高，操作麻烦。3、热能去湿法：用热能使物料中的湿分汽化，移除蒸汽以除去湿分。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。9.1.1干燥过程的分类1、按操作方式分：连续式干燥间歇式干燥2、按操作压力分：常压干燥真空干燥3、按给湿物料提供热能的方式分：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。传导干燥（间接加热干燥）：将热能以传导的方式通过金属壁面传给湿物料。特点：热能利用率高。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：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。9.1.2对流干燥过程1、对流干燥的流程空气预热器干燥器废气湿物料干燥产品物料表面温度θi低于气相主体温度t，因此热量以对流方式从气相传递到固体表面，再由表面向内部传递，这是个传热过程；固体表面处水气压Pi高于气相主体中水气分压，因此水气由固体表面向气相扩散，这是一个传质过程。可见对流干燥过程是传质和传热同时进行的过程。干燥速率既和传热速率有关，又和传质速率有关，干燥过程中，干燥介质既是载热体又是载湿体。干燥过程得以进行的条件是表面气膜两侧必须有压力差，即干燥物料表面所产生的水蒸汽压力必须大于干燥介质（空气）中水蒸汽分压。湿物料t（空气主体温度twpspw空气的水蒸汽分压Q空气传给物料的热量W由物料中汽化的水分气膜有效厚度物料表面温度物料表面的水蒸汽压力9.2湿空气的性质和湿物料的性质湿空气：干空气和水蒸汽的混合物，这种混合物称湿空气。9.2.1湿空气的状态参数（1）湿空气的压力干燥操作通常是在常压或减压下下进行的，压力较低，可以把湿空气视为理想气体。根据分压定律，湿空气的总压力P等于绝干空气的分压P气和水蒸气的分压P水之和。湿空气中水蒸汽和绝干空气的摩尔数之比等于其分压之比，即：n水、n气：湿空气中水蒸汽和绝干空气的物质的量，kmol水水气水气水p-ppppnn2、湿度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：HMnMnnnvvaava湿空气中的水蒸汽质量湿空气中绝干空气的质量1829理想气体：摩尔数之比=压力之比，则：WWpPpH2918WWpPp622.0P一定：WpfH3、相对湿度百分数定义：在一定的总压下，湿空气中水蒸汽分压p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。%100SWppT一定wpfSWppHpPpSS0622.φ越小，空气距饱和程度越远，吸水能力越强。（4）、温度tW干球温度：普通温度计测得的温度，空气的真实温度。湿球温度计：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tW：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：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→tW↓→twt→传热→达到平衡。露点td定义：将不饱和的湿空气等湿冷却至饱和状态，此时的温度称为该湿空气初始状态的露点。相应的湿度为饱和湿度Hs,td,其数值等于此湿空气的温度H。HpPpstdstdstd,,,.0622pHPHstdstdstd,,,.0622tfHd对于不饱和湿空气ttWtd饱和湿空气t=tW=td绝热饱和温度tas定义：空气达到绝热饱和时所显示的温度。设进入和离开绝热饱和器的湿空气的焓值分别为Ι1和Ι2，则:Ι1=cHt+Hr0=(1.01+1.88H)t+Hr0Ι2=cH,astas+Hasr0=(1.01+1.88Has)tas+Hasr0cH=(1.01+1.88H)≈(1.01+1.88Has）cHt+Hr0≈cH,ast+Hasr0ttrcHHasHas0tHftas,对于空气—水蒸汽系统，当空气流速较高时，1/cH值与kH/a值甚为接近，故tas≈tw9.2.2湿物料的性质对于物料的去湿过程经历了两步：首先是水分从物料内部迁移至表面，然后再由表面汽化而进入空气主体。故干燥速率不仅取决于空气的性质及干燥操作条件，而且还与物料中所含水分的性质有关。（1）平衡水分和自由水分根据物料在一定干燥条件下，其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。平衡水分：等于或小于平衡含水量，无法用相应空气所干燥的那部分水分。自由水分：湿物料中大于平衡含水量，有可能被该湿空气干燥除去的那部分水分。（2）结合水分和非结合水分根据物料与水分结合力的状况，可分为结合水分和非结合水分。结合水分：凡湿物料的含水量小于Xs的那部分水分称为结合水分。此时,其蒸汽压都小于同温度下纯水的饱和蒸汽压。非结合水分：含水量超过Xs的那部分水分称为非结合水分。此时，湿物料中的水分的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。9.3干燥速率与干燥过程物料衡算干燥速率的大小直接影响到物料干燥所需要的时间，所以干燥速率是影响干燥操作的重要条件。某物料在恒定干燥条件下干燥，可用实验方法测定干燥曲线及干燥速率曲线。恒定干燥条件：指干燥过程中空气的湿度、温度、速度以及与湿物料的接触状况都不变。9.3.1干燥速率及其影响因素（1）干燥速率和干燥速率曲线所谓干燥速率指单位时间、单位干燥面积汽化的水分量。AddXGAdXXGdAddWUcc)]([1（2）干燥速率的影响因素物料的性质和形状物料的温度物料的含水量干燥介质的温度和湿度干燥介质的流速和流向干燥器的构造9.3.2干燥过程物料衡算（1）物料含水量的表示方法湿基含水量%100湿物料的总质量湿物料中水分的质量干基含水量X湿物料中水分的质量湿物料中绝干物料的质量100%X1XX1水分蒸发量单位时间内从湿物料中除去水分的质量称为蒸发量，以W表示，单位为kg/s.空气消耗量每蒸发1kg的水分所消耗的干空气量称为单位空气消耗量，用l表示。9.4干燥设备及其操作9.4.1干燥的操作方式介绍（1）干燥介质中间加热的空气干燥（2）干燥介质部分循环的空气干燥（3）真空干燥（4）返料干燥（5）冷冻干燥（升华干燥）（6）高频干燥（7）红外线干燥9.4.2常用干燥器的结构和特点干燥器的要求（1）能保证产品的工艺要求，如能达到指定的干燥程度，干燥质量均匀等。（2）干燥速度快，以减小设备尺寸，缩短干燥时间。（3）热效率高。（4）干燥系统的流体阻力小，以降低输送机械的能量消耗。（5）操作控制方便，劳动条件良好，附属设备简单。类型干燥器干燥器的分类类型干燥器对流干燥器厢式干燥器气流干燥器沸腾干燥器转筒干燥器喷雾干燥器传导干燥器滚筒干燥器真空盘架式干燥器辐射干燥器红外线干燥器介电加热干燥器微波干燥器常用对流式干燥器◆厢式干燥器的优点：构造简单，设备投资少；适应性强，物料损失小，盘易清洗。尤其适用于需要经常更换产品、小批量物料的干燥。物料得不到分散，干燥时间长；若物料量大，所需的设备容积也大；工人劳动强度大；热利用率低；产品质量不均匀。◆厢式干燥器的主要缺点：（2）气流式干燥器结构：优点：①气、固间传递表面积很大，体积传质系数很高，干燥速率大；②接触时间短，热效率高，气、固并流操作，可以采用高温介质，对热敏性物料的干燥尤为适宜；③由于干燥伴随着气力输送，减少了产品的输送装置；④气流干燥器的结构相对简单，占地面积小，运动部件少，易于维修，成本费用低。缺点：①必须有高效能的粉尘收集装置，否则尾气携带的粉尘将造成很大的浪费，也会对形成对环境的污染；②对有毒物质，不易采用这种干燥方法。但如果必须使用时，可利用过热蒸汽作为干燥介质；③对结块、不易分散的物料，需要性能好的加料装置，有时还需附加粉碎过程；④气流干燥系统的流动阻力降较大，动力消耗较大。应用：气流干燥器适宜于处理含非结合水及结块不严重又不怕磨损的粒状物料，尤其适宜于干燥热敏性物料或临界含水量低的细粒或粉末物料。对粘性和膏状物料，采用干料返混方法和适宜的加料装置，如螺旋加料器等，也可正常操作。（4）喷雾干燥器●原理：在喷雾干燥器中，将液态物料通过喷雾器分散成细小的液滴，在热气流中自由沉降并迅速蒸发，最后被干燥为固体颗粒与气流分离。●优点①在高温介质中，干燥过程极快，适宜于处理热敏性物料；②处理物料种类广泛，如溶液、悬浮液、浆状物料等皆可；③喷雾干燥可直接获得干燥产品，因而可省去蒸发、结晶、过滤、粉碎等工序；④能得到速溶的粉末或空心细颗粒；⑤过程易于连续化、自动化。●缺点：①热效率低；②设备占地面积大、设备成本费高；③粉尘回收麻烦，回收设备投资大。转筒干燥器转筒干燥器的优点：机械化程度高，生产能力大，流动阻力小，容易控制，产品质量均匀。此外，转筒干燥器对物料的适应性较强，不仅适用于处理散粒状物料，当处理粘性膏状物料或含水量较高的物料时，可向其中掺入部分干料以降低粘性。转筒干燥器的缺点：设备笨重，金属材料耗量多，热效率低（约为50%），结构复杂，占地面积大，传动部件需经常维修等。目前国内采用的转筒干燥器直径为0.6～2.5m，长度为2～27m，处理物料的含水量为3%～50%，产品含水量可降到0.5%，甚至低到0.1%（均为湿基）。物料在转筒内的停留时间为几分钟到两小时，或更高。（3）流化床干燥器（沸腾床干燥器）●原理：流化床干燥器是流态化原理在干燥中的应用，流态化原理已在上册中叙述。在流化床干燥器中，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、传质，以达到干燥目的。加料单层圆筒沸腾床干燥器至分离器出料热空气分布盘气体出口加料出料床内分离器第一层第二层热空气多层流化床干燥器●优点①与其它干燥器相比，传热、传质速率高；②由于传递速率高，气体离开床层时几乎等于或略高于床层温度，因而热效率高；③由于气体可迅速降温，所以与其他干燥器比，可采用更高的气体入口温度；④设备简单，无运动部件，成本费用低；⑤操作控制容易。沸腾床干燥器的缺点：沸腾床干燥器的操作控制要求较高，而且因颗粒在床中高度混合，可能引起物料的返混和短路，使其在干燥器中停留时间不均匀，可能有部分物料未经完全干燥就离开干燥器，而另一部分物料因停留时间过长而产生干燥过度现象。非对流式干燥器真空耙式干燥机优点：被干燥的物料可以是浆状、膏状、粉状、纤维状；劳动强度氏，操作管理方便，操作条件也较好。缺点：设备结构复杂，造价高，间歇操作，产量低。冷冻干燥器：主要用于生物制品，药物、食品红外线干燥器：适用于薄层物料的干燥。常用干燥器的使用与维护转筒式干燥机干燥器内空气与物料间的流向可采用逆流、并流或并逆流相结合的操作。通常在处理含水量较高、允许快速干燥而不致发生裂纹或焦化、产品不能耐高温而吸水性又较低的物料时，宜采用并流干燥；当处理不允许快速干燥而产品能耐高温的物料时，宜采用逆流干燥。为了减少粉尘的飞扬，气体在干燥器内的速度不宜过高，对粒径为1mm左右的物料，气体速度为0.3～1.0m/s；对粒径为5mm左右的物料，气速在3m/s以下。有时为防