固体物料干燥

第五章固体物料干燥一、概述为满足贮存、运输、加工和使用等方面的不同需要，对化工生产中的固体产品(或半成品),必须除去其中的湿分(水或有机溶剂)。使其湿分含量(湿含量)符合指标的要求。例如一级尿素成品湿含量(含水量)不能超过0.005kg水/100kg物料,聚氯乙烯含水量不能超过0.003kg水/100kg。因为湿含量过高,若是药物或食品久藏必将变质;树脂颗粒若含水超过规定,则在以后的成型加工中产生气泡,影响了产品的品质。工业生产中,把降低固体湿物料中湿分的操作叫去湿。1、物料的去湿方法除去湿分的方法很多,化工生产中常用的方法有：①、机械除湿如沉降、过滤、离心分离等利用重力或离心力除湿。这种方法除湿不完全,但能量消耗较少；②、物理除湿用干燥剂(如无水氯化钙,硅胶等)吸附湿物料中的水分,该法只能用于除去少量湿分,因此只适用于实验室使用；③、供热干燥即利用热能来除去湿物料中湿分的方法。该法除湿彻底,能除去湿物料中的大部分湿分,但能耗较多。为节省能源,工业中通常将两种方法联合操作,即先用比较经济的机械方法尽可能除去湿物料中大部分湿分,然后再利用供热干燥(简称干燥)方法继续除湿,以获得湿分符合规定的产品。2、干燥操作方法分类(1)、按操作压力分为常压干燥和真空干燥。真空干燥适用于处理热敏性及易氧化的物料,或要求成品中含湿量极低的场合。(2)、按操作方式分为连续干燥和间歇干燥。连续干燥具有生产能力大、产品质量均匀、热效率高以及劳动条件好等优点。间歇干燥适用于处理小批量、多品种或要求干燥时间较长的物料。(3)、按传热方式分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥以及由上述两种或多种方式组合成的联合干燥。化工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,需要除去的湿分为水或其他化学溶剂。本章主要讨论以不饱和热空气为干燥介质,湿分为水的干燥过程。称为空气-水系统,其他系统的干燥原理与空气-水系统完全相同。3、对流干燥过程的特点在对流干燥过程中,热空气将热量传给湿物料,使物料表面水分汽化,汽化的水分由空气带走,干燥介质既是载热体又是载湿体,它将热量传给物料的同时,又把由物料中汽化出来的水分带走。因此,干燥是传热和传质同时进行的过程,传热的方向是由气相到固相,热空气与湿物料的温差是传热的推动力;传质的方向是由固相到气相,传质的推动力是物料表面的水汽分压与热空气中水汽分压之差。如下图所示。显然传热传质的方向相反,但密切相关,干燥速率由传热速率和传质速率共同控制。图中ti、pi分别为湿物料表面的温度和水汽分压；t、p分别是热空气主体的温度和水汽分压。干燥操作的必要条件是物料表面的水汽分压必须大于干燥介质中的水汽分压,在其他条件相同的情况下,两者差别越大,干燥操作进行得越快。所以,干燥介质应及时将汽化的水汽带走,以维持一定的传质推动力。若干燥介质为水汽所饱和,或物料表面的水汽分压等于干燥介质中的水汽分压,则推动力为零,这时干燥操作即停止进行。4、对流干燥流程及经济性对流干燥可以是连续过程,也可以是间歇过程。下图是典型的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。在干燥器内,气流与湿物料直接接触。沿其行程,气体温度降低,湿含量增加,废气自干燥器另一端排出。若为间歇过程,湿物料成批放入干燥器内,待干燥至指定的含湿要求后一次取出。若为连续过程,物料被连续地加入与排出,物料与气流可是并流、逆流或其他形式接触。干燥操作的经济性主要取决于能耗和热的利用率。为减轻汽化水分的热负荷,湿物料中的水分应当尽可能先用机械分离方法先予除去,因为机械分离方法比较经济。在干燥操作中,加热空气所消耗的热量只有一部分用于汽化水分,相当可观的一部分热能随含水分较高的废气流失。此外,设备的热损失、固体物料的温升也造成了不可避免的能耗。为提高干燥过程的经济性,应采取适当措施降低这些能耗,提高过程的热利用率。如采用真空干燥,减少废气和物料带走的热量。干燥操作在化工、石油化工、医药、食品、原子能、纺织、建材、采矿、电工与机械制品以及农产品等行业中广泛应用,在国民经济中占有很重要的地位。二、对流干燥的物料与干燥介质干燥过程是传热和传质的过程,湿物料和干燥介质的一些性质对干燥过程影响很大,有必要对其进行讨论。1、物料的湿分表示因为湿分含量的多少直接对干燥过程有影响,如湿分含量高,干燥的时间就长。固体物料湿分表示方法是用相对湿含量和绝对湿含量表示。相对湿含量也叫干基湿含量,即每千克干物料所含水分量,用X′表示。绝对湿含量,也叫百分含量,即每千克湿物料所含水分量,用ω表示。XX12、空气的状态参数空气的状态参数除总压p、温度t之外,与干燥过程有关的是水分在空气中的含量,以及与过程计算有关的参数。(1)、水蒸气分压pv与露点td空气中的水蒸气分压直接影响干燥过程的平衡与传质推动力。测定水蒸气分压的实验方法是测量露点,即在总压不变的条件下将空气降温与冷壁接触直至冷壁上析出水雾,此时的冷壁温度称为露点td。在露点时,原空气的水蒸气分压pv等于露点下水蒸气饱和蒸汽压。按此原则,只要查出露点时饱和蒸汽压,就是空气原状态的蒸汽分压。(2)、空气的湿度为便于物料衡算,常将水蒸气分压pv换算成湿含量(即湿度)。空气的湿度X定义为,每千克干空气所带有的水蒸气量,单位是kg/kg(干气),即式中Mv一水蒸气摩尔质量；Mg一空气摩尔质量；p一湿空气总压,kPa；pv一水蒸气分压,kPa。当空气中水蒸气分压pv等于同温度下纯水的饱和蒸汽压ps时,空气达到饱和,相应的湿度称为饱和湿度,以Xs表示。此时的空气已不能作为干燥介质。显然,在等湿度下加热此空气后,可以作为干燥介质。vvvvgvppppppMMX622.0(3)、相对湿含量φ在一定总压下,湿空气中水蒸气分压pv与同温度下水的饱和蒸汽压ps之比称为相对湿含量,通常以百分率表示,符号为φ,即相对湿度代表空气的不饱和程度,当pv=ps时,φ=1表明湿空气被水蒸气饱和,称为饱和空气,这种湿空气不能再吸收水分,因此不能用作干燥介质;当pv=0时,φ=0,表示湿空气中不含水分,为绝干空气。%100svpp湿空气的φ值越小,吸湿能力越大,绝干空气的吸湿能力最强。故由相对湿度可以判断该湿空气能否作为干燥介质及其载湿能力的大小。而湿度是湿空气中含水量的绝对值,由湿度不能判断湿空气是否能作为干燥介质。相对湿含量随温度的变化而变化,湿含量一定的湿空气,即pv一定时,温度升高,水蒸气饱和蒸气压ps上升,即φ下降,所以干燥介质的温度升高有利于空气的吸湿能力增强。工程上常将空气加热后再作为干燥介质,一方面是为干燥提供热源,另一方面也增大了空气的吸湿能力。(4)、干球温度与湿球温度tw干球温度是空气的真实温度,即用普通温度计测出的湿空气的温度,为了与湿球温度加以区别,称这种真实温度为干球温度,简称温度,用t表示。工程上测量水蒸气含量的简易方法是测量空气的湿球温度tw,用专门的湿球温度计直接测取湿球温度并转换成相对湿含量或绝对湿含量。湿球温度测量原理：用湿纱布包裹温度计的感温部分(水银球),纱布下端浸在水中,以保证纱布一直处于充分润湿状态,这种温度计称为湿球温度计,如图所示。将湿球温度计置于温度为t、湿度为X的流动的不饱和空气中,假定开始时纱布中水分(以下简称水分)的温度与空气的温度相同,但因空气是不饱和的,湿纱布中的水分必然要汽化,由湿纱布表面向空气主体中扩散,汽化所需的汽化热只能由水分本身温度下降放出显热而供给。水温下降后,与空气间出现温度差,此温度差又引起空气向水分传热,水分温度会继续下降放出显热,以弥补汽化水分不足的热量,直至空气传给水分的显热恰好等于水分汽化所需的潜热时,湿球温度计上的温度维持恒定,此时的温度称为该湿空气的湿球温度,以tw表示。前面假设初始水温与湿空气温度相同,但实际上,不论初始温度如何,最终必然达到这种平衡的温度,只是到达平衡状态所需的时间不同。水分由湿纱布表面向空气主体扩散,与此同时空气又将显热传给湿纱布,虽然传热和传质在水分与空气间同时进行,但因空气流量大,因此可以认为湿空气的温度与湿度一直恒定,保持在初始温度t和湿度X的状态下。由湿球温度的原理可知,空气的湿球温度tw总是低于干球温度t。tw与t差距愈小,表明空气中的水分含量愈接近饱和。对饱和空气tw=t。湿球温度的工程意义在于：在干燥过程中恒速干燥阶段时湿球温度也就是湿物料表面的温度。3、干燥介质空气的条件干燥过程既是湿物料中湿分向气相中扩散的传质过程,也是气相向湿物料传热的过程。两过程同时进行。空气作为干燥介质,既是提供热量的热载体,也是携带湿分的湿载体。空气的温度必须大于湿物料表面的温度,空气的干球温度等于空气的湿球温度,或等于露点温度时,均不能作为干燥介质,空气已被水分饱和。对一定湿含量的空气,温度升高,相对湿含量下降,干燥能力上升。工程上选择高温空气,一方面为提高传热速率,另一方面也是为了提高湿物料表面和空气之间的传质推动力。空气干燥介质的温度应受到湿物料物性所限制,保证物料不起热敏反应,不焦化,不龟裂等。空气的流动型态对干燥过程有一定的影响。空气的湍动程度增加,有利于质和热的传递,对提高干燥速率是有利的。4、湿物料中湿分的性质干燥过程中物料脱水的快慢不仅与干燥介质(空气)的状态有关,而且还与物料本身的特性有关。干燥过程中,水分由湿物料表面向空气主体中扩散的同时,物料内部水分也源源不断地向表面扩散,水分在物料内部的扩散速率与物料结构以及物料中的水分性质有关。除去物料中水分的难易程度取决于物料与水分的结合方式,因此首先要研究物料中水分的性质。(1)、平衡水分及自由水分当物料与一定状态的空气接触后,物料将释出或吸入水分,直到物料表面的水汽分压与空气中的水汽分压相等为止,此时物料中的水分与空气中的水分处于动态平衡。只要空气状态恒定,物料含水量不会因为与空气接触时间的延长而改变,这种恒定的含水量称为该物料在固定空气状态下的平衡水分,又称平衡湿含量或平衡含水量,用Xe表示,单位为kg(水)/kg(干料)。平衡含水量是一定干燥条件下不能被干燥除去的那部分水分,是物料在该条件下被干燥的极限。下图给出某些固体物料在25℃时、平衡含水量Xe与空气相对湿度的关系,称为平衡曲线。由图看出,相同的空气状态,不同物料的平衡含水量相差很大。比如空气t=25℃、φ=60%时陶土的Xe约为1kg(水)/100kg(干料)(6号线上的A点),而烟叶的Xe约为23kg(水)/100kg(干料)(7号线上的B点)。对同一种物料,Xe随空气状态而变,比如羊毛,当空气的t=25℃，φ=20%时,Xe约为7.3kg(水)/100kg(干料)，(2号线上C点),而当φ=60%时,Xe约是14.5kg(水)/l00kg(干料)，(2号线上的D点)。空气的相对湿度越小,越干燥,Xe越低,能被干燥除去的湿物料中的水分越多。当φ=0时,各种物料的Xe均为零,即湿物料只有与绝干空气相接触才能被干燥成绝干物料。干燥平衡是干燥过程的极限,实际操作中,要达到干燥平衡,需要无限长的干燥时间或无限大的干燥面积,因此,工业干燥过程均不能达到干燥平衡,也不能期望达到干燥平衡,否则,需要付出牺牲效率的代价。空气的温度对物料平衡含水量也有影响,空气温度升高,相对湿含量下降,所以,物料平衡含水量减少。例如棉花与相对湿度为50%的空气接触,当空气温度由37.8℃升到93.3℃时,平衡含水量Xe由0.073降至0.057,约减少25%。各种物料平衡含水量随空气温度变化数据,只有来自实验测取。物料中超过Xe的那部分水分被称为自由水分,这种水分可以用干燥方法除去。物料中平衡含水量与自由含水量的划分不仅与物料的性质有关,还与空气的状态有关。(2)、结合水分与非结合水分物料中的水分还可据其被脱除的难易,分为结合水和非结合水。当固体物料具有晶体结构时,其中可能含有一定量的结晶水,这部分水以化学力与固体相结合,如硫酸铜中的结晶水等。当固体的物料系多孔性,存在于细孔中并受到孔壁毛细管力的作用。当固体表面