化工原理第09章干燥

第九章干燥

第一节概述

一、去湿的方法分类：

干燥——在化工中，某些固体原料、半成品、成品常含有一定水分或其它溶液（湿分）需要

除去。

干燥往往紧跟在蒸发、结晶、过滤、离心分离等操作过程之后的操作。

1、机械去湿法——用压滤、抽滤、过滤和离心

分离等方法来除去湿分。

适用：不需要将湿分完全除去的情况。

2、化学去湿法——用生石灰、浓硫酸、无水氯

化钙等吸湿性物料来除去湿分。

适用：小批量固体物料的去湿或除去气体中水分的情况。

去湿费用高、操作麻烦。去湿效果好。

3、热能去湿法——用热能使湿分从物料中汽化，

并排除所生成的蒸汽来除去湿分。

适用：相当完全地除去物料中的湿分。

二、按热能传给湿物的方式分类：

1、传导干燥（间接加热干燥）——载热体（加

热蒸汽）将热能以传导的方式通过金属壁传

给湿物料。

2、对流干燥（直接加热干燥）——载热体（干

燥介质）将热能以对流的方式传给与其直接接触的湿物料。

干燥介质——常用热空气。并带走水蒸汽。3、辐射干燥——热能以电磁波形式由辐射器发

射，射至湿物料表面被其吸收再转变为热能，将水分加热激化而达到干燥的目的。

4、介电加热干燥——将需要干燥的物料置于高

频电场内，由于高频电场的交变作用使物料加热而达到干燥的目的。

高频加热——电场的频率低于300MHz

超高频加热（微波加热）——电场的频率300MHz~300GHz之间。

常用微波加热——电场的频率915MHz和2450GHz两种。

5、干燥过程

●工业上应用最普遍的干燥——对流干燥

●通常使用干燥介质——热空气

●湿物料中被除去的湿分是——水分

●干燥过程——属于传质和传热相结合的过程●干燥速率——与传热速率有关，与传质速率有关。

（1）、干燥原理：

空气经过预热升高温度后，从湿物料的表面流过。热气流将热能传至物料事如神表面，再由表面传至物料的内部，这是一个传热过程。与此同时，水份从物料内部以液态或气态扩散透过物料层而达到表面，然后，水汽透过物料表面的气膜而扩散至热气流的主体，这是一个传质过程。所以，物料的干燥是属于传热和传质相结合的过程。干燥速率既和传热速罕有关，又和传质速率有关。（2）、干燥过程：

干燥过程得以进行的条件是物料表面气膜两侧必须有压力差，即被干燥物料表面所产生的水蒸气压力必须大于干燥介质(空气)中水蒸气分压。两者的压力差的大小表示汽化水分的推动力。压力差越大，干燥过程的进行越迅速。所以，必须用干燥介质及时地将汽化的水分带走，以保持一定的汽化水分的推动力。如果压力差等于零，表示干燥介质与物料之间的水蒸气达到动态平衡，干燥过程即行停止。

三、按操作的方式来分类：

干燥可分为连续式干燥、间歇式干燥。

●连续式干燥的优点：生产能力大，热效率高，劳动条件比间歇式的好，能得到较均匀的产品。

●间歇式干燥的优点：基建费用较低，操作控制方便，适用于干燥品种多、干燥时间长和批量小的物料。

因为被干燥物料的型态(溶液、浆状、育彻状、粉末状、颗粒状、块状、片状、拉丝状和薄

膜状等)和性质各不相同，生产能力的大小

相差悬殊，对产品的要求(含水量、粒径、

溶解性能、色光和形状等)又不相同，所以，

干燥器的型式多种多样

第二节 干燥速率和干燥时间

一、干燥速率

1、干燥速率——单位时间内在单位干燥面积上

汽化的水分量。U 表示，kg/(m 2·s)

用微分式表示：

τAd dM U 水

=

式中：dM 水——物料表面上汽化的水量，kg

A ——被干燥物料的表面积，m 2

d τ——干燥时间，s

2、影响干燥速率的因素：

影响干燥速率的因素主要有三个方面：湿物料、

干燥介质和干燥设备。

这三者又是互相关连的。现就其中较为重要的影

响因素讨论如下。

(1)、物料的性质和形状：

包括湿物料的物理结构、化学组成、形状和大小、

物料层的厚薄，以及水分的结合方式等。 在干燥第一阶段，由于物料的干燥相当于自由水

面的汽化。因此，物料的性质对干燥速率影

响很小，主要受干燥介质条件的影响。但物

料的形状、大小和物料层的厚薄影响物料的

临界含水量。在干燥第二阶段，物料的性质

和形状对干燥速率起决定性影响。(2)、物料本身的温度：

物料的温度越高，则干燥速率越大。但物料的温度与干燥介质的温度和湿度有关。

（3)、物料的含水量：

物料的最初、最终以及临界含水量决定干燥各阶段所需时间的长短。

(4)、干燥介质的温度和湿度：

干燥介质(空气)的温度越高、湿度越低，则干燥第一阶段的干燥速率越大，但是以不损害物

料为原则。对某些热敏性物料，更应考虑选

择合适的温度。有些干燥设备采用分段中间

加热方式可以避免过高的介质温度。(5)、干燥介质的流速和流向：

在干燥第一阶段，提高气速可以提高干燥速率。

介质的流动方向垂直于物料表面的干燥速

率比平行时要大。在干燥第二阶段，气速和

流向对干燥速率影响很小。

(6)、干燥器的构造：

上述各项因素都和干燥器的构造有关。许多新型

干燥器就是针对某些有关因素设计的。

所以，由于影响干燥速率的因素很多，目前还不能从干燥机理，得出计算干燥速率和干燥时

间的公式，也没有统一的计算方法来确定干

燥器的主要尺寸。通常在小型实验装置中测

定有关数据作为放大设计计算的依据。

二、恒定干燥情况下干燥时间的计算

在恒定干燥情况下，物料从最初含水量X1，干燥到最终含水量X2所需的时间，可根据

在相同情况下由实验测定的干燥速率曲线

(如图10—15)和式(10—46)求得。将式(10

—46)写成积分式，得

第三节干燥器

一、对于干燥器一般要求：

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；有的产品要求保持

结晶形状；有的要求不能龟裂变形等。②、干燥速度快。这样，可以减小设备尺寸，缩

短干燥时间。

③、干燥器的热效率高。在干燥操作中热能的利

用是主要的技术经济指标。

④、干燥系统的流体阻力要小。这样，可以降低

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。

二、干燥器以加热方式和形状或操作条件来分

类，如下所示。

干燥器：

1、对流干燥器——厢式、转筒、气流、沸腾、喷雾干燥器

2、传导干燥器——滚筒、冷冻、真空干燥器

3、辐射干燥器——红外线干燥器

4、介电加热干燥器——微波干燥器

三、对流干燥器的结构和特点

1、厢式干燥器

（1）、结构

图10—18是一台间歇操作的常压厢式干燥器，又称为盘架式干燥器，是目前还在使用的最

古老的干燥器。

主要构造：一外壁绝热的厢式干燥室和放在小车支架上的放料盘。干燥室的大小和放料盘的

多少，由所处理的物料量的多少和所需的干

燥面积而定。图中放料盘分成三组，盘中物

料层的厚度一般为10~100mm。空气经加热

器加热到一定温度后，被送风机吸入，沿图

中箭头指示方向下行进入下部几层放料盘，再经中间加热器加热后进入中部几层放料

盘，最后经另一中间加热器加热后进入最上

部的几层放料盘，而后排出。当热空气流过放料盘时，将盘内被干燥物料中的水分汽化带走，物料便被干燥。空气的流速通常为1—10m/s，随物料的粒度而定。空气分段加热和废气部分循环，可以使厢内空气温度均匀，提高热效率和干燥效率。

（2）、优点：

构造简单，容易制造，适应性较大。

（3）、缺点：

干燥不均匀；由于物料层是静止的，需要的干燥时间较长；装卸物料劳动强度大，操作条件差。但在实验室和中小型生产中仍能长期使用。

（3）、适用：这种干燥器适用于干燥粒状、片状和膏状物料，较贵重的物料，批量小、干燥程度要求较高、不允许粉碎的易碎的脆性物料，以及随时需要改变风量、温度和湿度等干燥条件的情况。对于热敏性、易氧化或燃烧的物料，可用厢式真空干燥器。

2．转简干燥器

（1）、结构

图10—19是一台用热空气直接加热的并流操作的转筒干燥器，又称为回转圆筒干燥器。转筒干燥器的干燥室是一个倾斜角度为0.5°~0.6°的横卧旋转圆筒。圆筒的全部重量支

承在滚轮上，筒身被齿轮带动而回转。物料

从转筒较高的一端加入。随着圆筒的转动，物料随筒壁上升至一定的高度后又受重力

的作用而落下，作螺线运动前进，移动到较

低的一端时，便被干燥完毕而排出。在圆筒

内壁面上装有许多与筒轴平行的抄板，它的

作用是把物料抄起来又洒下，同时促使物料

前移，使物料与空气的接触面积增大以提高

干燥速率。常用的抄扳如图10—20所示。空气一般由较高一端借抽风机吸入，经空气加热器(用蒸汽加热)后进入圆筒中，与被于燥物

料成并流接触，将物料中水分带走。从圆筒

的较低一端排出。

转简干燥器是连续操作的干燥器。圆筒的转数一般为1.8r／min。物料与空气的流向通常有

并流和逆流两种，根据物料的性质和最终含

水量的要求而定。

（2）、特点：

并流干燥操作的特点：等速干燥阶段的干燥速率快，干燥后的物料温度低，热能利用程度高。

并流操作适用于物料含水量较高时允许快

速干燥，不致发生裂纹或焦化，而干燥后物

料不耐高温，吸湿性很小的物料的干燥。逆流干燥操作的特点：干燥后物料的含水量可以降到较低的数值，干燥器内传热和传质推动

力比较均匀。逆流操作适用于在等速阶段干

燥速率不宜过快，而干燥后能耐高温的物料

的干燥。

装在转简内物料的体积约为转筒总体积的10％—25％。

除热空气外，对于能耐高温和不怕污染的物料可采用烟道气作干燥介质，能够得到较高的体

积蒸发率[kg水/(m3·h)]和热效率。

例如，气体进口温度为227℃时，对于进口含水量较高的物料，干燥器的体积蒸发率为

15kg水/(m3·h)，热效率为30％—50％；

气体进口温度为527℃时，体积蒸发率为

35kg水/(m3·h)，热效率为60％—80％。为了防止粉尘飞扬，转筒干燥器内气速应较小。

对于粒径在1mm左右的物料，气速是

0.3~1.0m/s；对于粒径在5mm左右的物料，

气速在3m/s以下。转筒干燥器的体积传热

膜系数αa=0.12—0.24kW/(m2·K)。

转简干燥器的优点：

生产能力大，气流阻力小，操作弹性大，操作方便。

转简干燥器的缺点：消耗钢材量多，基建费用较高，占地面积大。

转筒干燥器适用：干燥大量生产的散粒状或小块状物料，如无机盐结晶、硫铵、尿素、矿边、陶土和碳酸钙等物料。国内现有的转筒干燥

器，直径为0.6—2.5m，长度为2~7m，所处

理物料的含水量范围为3％—50％，产品含

水量可降至0.5％左右，甚至可降到0.1％。

物料在干燥器内停留时间约为5min至2h。3．气流干燥器

（1）、结构

在气流干燥器中，干燥过程是利

用高流速的热气流，使粉粒

状的物料悬浮在气流中，在

气力输送过程中实现的。图

10—21是一台直管气流干

燥器。

操作时，热空气以很高的流速(约

20-40m/s)，沿10—20m长的

直立管向上流动。由于物料

颗粒悬浮在空气中，气固传

热表面积很大，气固传热膜

系数很大，物料中非结合水

分很快汽化。

气流干燥器是一种干燥速率很高的干燥器。

它的优点：由于物料与空气接触的表面积大，干燥速率快；物料在干燥器中的停留时间很

短，不超过5~10s，可以在很高的温度下干

燥；设备紧凑，结构简单；造价低，占地面

积小；操作连续而稳定，可以完全用自动控

制装置来控制操作。

但是，由于使用高速气流，物料在输送或干燥过程中与壁面或物料之间互相摩擦，将产品磨

碎，并使系统中气流压力降增大，一般在

3kPa以上。

气流干燥器的一个主要缺点：干燥管高度大．一般都在10m以上。

为了降低设备的总高度，已研究出许多改进的方法。由实验测定得知，在干燥管底部加料口

以上1m左右管内的干燥效率最大，从气体

传给物料的热量可达整个干燥管内传热量

的1/2~3/4。这是由于干燥管底部的温度差

大，更重要的是由于物料在底部系作加速运

动。在刚进入干燥管底部的瞬间，物料颗粒

上升速率为零；被气流吹动后，颗粒上升速

度从零被加速到气流速度u气与颗粒沉降速

率u0之差，即u＝u气-u0。这个加速过程大

体上是在加料口以上1~3m的加速段内完成

的。此后颗粒的运动速度即保持恒定。所以

加速段以上部分称为等速段。在加速段内气

体与颗粒的相对速度最大，传热膜系数也最

大。同时，在干燥管底部颗粒最密集，即单

位体积干燥管内颗粒的表面积最大，因此，

加速管内体积传热膜系数也最大。

所以。要提高气流干燥器的效能或降低干燥管的高度，应该尽量发挥干燥管底部加速段的作

用和增加颗粒与气流的相对速度。可以采用

以下几种方法改革气流干燥器。

①、采用多级气流干燥器，即把较高的干燥管改

几段串联的较低的管。把干燥管改成多级，就可以增加加速段的数目和总长度。但是，此法需增加气体输送和分离设备。国内有采

用二级气流干燥器来干燥淀粉和聚氯乙烯

的经验。二级以上的气流干燥器大多用于含

水量较大的物料，如硬脂酸盐和口服葡萄糖

等。

②、采用脉冲式气流干燥器，即用直径交替地缩

小和扩大的脉冲管代替直管，使气体和颗粒

的相对运动速度不断改变。脉冲管内气流速4．沸腾床干燥据

沸腾床干燥器又名流化床干燥器，是流化技术在干燥中的应用。为了使物料和气体之间有相

对运动，在干燥中把气流速度控制在一定的

范围内，既保证物料的运动，汽化表面能够

更新，物料又不致被气流带出。这样，气固

可以充分接触、提高干燥速率。沸腾床干燥

器就是为了达到这一目的而设计的干燥器。沸腾床干燥器的工作原理：

热气流通过松散的粉状或粒状的物料层，只要气流速度保持在颗粒临界流化速度和带出速

度(颗粒沉降速度)之间，颗粒就能形成流化

床。在沸腾干燥器中，颗粒被热气流猛烈地

冲刷，上下翻动，互相混合和碰撞，与热气

体进行传热和传质而达到干燥的目的。当床

层膨胀至一定高度时，床层空隙率增大而气

流速度下降、颗粒又重新落下而不致被气流

所带走。

在沸腾床中颗粒与气流间的接触面积很大，而且气流边界层湍流化，强化了传热和传质过

程。因此，沸腾床干燥器具有较高的体积传

热膜系数，其αa=2.3—7.0kW/(m2·K)。

沸腾床干燥器的优点：

颗粒在干燥器内停留时间比在气流干燥器内长，而且可以任意调节；气固接触好，能得到较

低的最终含水量；空气的流速较小，物料与

设备的磨损较轻，压力降小；热效率高，对

于非结合水分的干燥，可达60％~80％，对

于结合水分的干燥，可达30％—50％；结

构简单，设备紧凑，造价低，可动部分少，维修费用低。

沸腾床干燥器适用：

处理粉粒状物料，而且要求物料不会因水分较多而引起显著结块。对物料粒径要求最好能在

30μm至6mm之间。因为粒径小于20—40

μm时，气体通过多孔分布板时易产生局部

沟流；粒径大于4~8mm时，需要较高的流

化速度，使流体阻力增大，这对动力消耗和物料磨损方面都不利。对被处理物料的含水量的要求是，粉状的在2%~5%，颗粒状的在10％—15％。因为含水量高于上述范围时，物料的流动性差，这时可以掺入部分干料，或在床内加搅拌器以防止结块。

由于沸腾床干燥器具有很多优点，这种干燥器将会得到广泛使用。

5、滚筒干燥器：

图10-23是一台双滚筒干燥器，是一对钢制的中空圆筒，由传动装置带动，每分钟的转数约为2-8转。加热蒸汽在筒内放出热量而冷凝，冷凝液由虹吸管排出。操作时，加热蒸汽由滚筒的空心轴通人简内，通过间壁将粘附在简外的物料加热和烘干。干燥后的物料用刮刀刮下。

滚筒干燥器属于传导干燥器。它的热效率较高，一般可达70％—90％。通常蒸发1kg水分约需1.2—1.5kg加热蒸汽。加热蒸汽至料液的传热系数K约为0.18—0.24kW/(m2·K)。

6、喷雾干燥器