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第五章 干燥操作技术

知识目标：
●熟悉湿空气性质；
●掌握固体物料干燥过程的相平衡；
●掌握干燥过程基本计算；
●了解典型干燥设备的工作原理、结构特点。
能力目标：
●掌握干燥基本操作。
在化工、制药、纺织、造纸、食品、农产品加工等行业，常常需要将固体物料中的湿分除去，以便于贮藏、运输及进一步加工，达到生产规定的要求。
除去固体物料中湿分的方法称为去湿。去湿的方法很多，其中用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥。工业上干燥有多种方法，其中，对流干燥在工业上应用最为广泛。本章将主要介绍以空气为干燥介质、湿分为水分的对流干燥。
查一查
从其它角度划分，干燥还有哪些种类？
第一节 干燥器的结构及应用
图5-1 厢式干燥器
1-空气入口 2-空气出口 3-风扇 4-电动机 5-加热器 6-挡板 7-盘架 8-移动轮
在工业生产中，由于被干燥物料的形状和性质不同，生产规模或生产能力也相差较大，对干燥产品的要求也不尽相同，因此，所采用干燥器的型式也是多种多样的。图5-1～图5-6为常见的几种干燥器，它们的构造、原理、性能特点及应用场合可见表5-1。

图5-3 转筒式干燥器示意图
图5-2洞道式干燥器示意图
1一加热器 2风扇 3一装料车 4排气口

图5-5
单层圆筒沸腾床
干燥器

图5-4 二段气流式干燥器示意图

图5-6 YPG-II型压力式喷雾造粒干燥工艺流程图
1-高位槽 2-隔膜泵 3-空气过滤器 4-送风机 5-蒸气加热器
6-电加热器 7-喷嘴 8-干燥塔 9-旋风分离器 10-引风机
11-尾气过过滤器 12-高压风机 13-空气过滤器

图5-6 喷雾干燥流程
1-高位槽 2-隔膜泵 3-空气过滤器 4-送风机 5-蒸气加热器
6-电加热器 5-喷嘴 8-干燥塔 9-旋风分离器 10-引风机
11-尾气过过滤器 12-高压风机 13-空气过滤器

表5-1干燥器的性能特点及应用场合
类型
构造及原理
性能特点
应用场合
厢式
干燥器
多层长方形浅盘叠置在框架上，湿物料在浅盘中,厚度通常为10～100mm，般浅盘的面积约为0.3～1。新鲜空气由风机抽入，经加热后沿档板均匀地进入各层之间，平行流过湿物料表面，带走物料中的湿分。
构造简单，设备投资少，适应性强，物料损失小，盘易清洗。但物料得不到分散，干燥时间长，热利用率低，产品质量不均匀，装卸物料的劳动强度大。
多应用在小规模、多品种、干燥条件变动大，干燥时间长的场合。如实验室或中间试的干燥装置。
洞道式干燥器
干燥器为一较长的通道，被干燥物料放置在小车内、运输带上、架子上或自由地堆置在运输设备上，沿通道向前移动，并一次通过通道。空气连续地在洞道内被加热并强制地流过物料。
可进行连续或半连续操作；制造和操作都比较简单，能量的消耗也不大。
适用于具有一定形状的比较大的物料，如皮革、木材、陶瓷等的干燥。
转筒式干燥器
湿物料从干燥机一端投入后，在筒内抄板器的翻动下，物料在干燥器内均匀分布与分散，并与并流（逆流）的热空气充分接触。在干燥过程中，物料在带有倾斜度的抄板和热气流的作用下，可调控地运动至干燥机另一段星形卸料阀排出成品。

生产能力大，操作稳定可靠，对不同物料的适应性强，操作弹性大，机械化程度较高。但设备笨重，一次性投资大；结构复杂，传动部分需经常维修，拆卸困难；物料在干燥器内停留时间长，且物料颗粒之间的停留时间差异较大。
主要用于处理散粒状物料，亦可处理含水量很高的物料或膏糊状物料，也可以干燥溶液、悬浮液、胶体溶液等流动性物料。
气流式干燥器
直立圆筒形的干燥管，其长度一般为10～20m，热空气（或烟道气）进入干燥管底部，将加料器连续送入的湿物料吹散，并悬浮在其中。一般物料在干燥管中的停留时间约为0.5～3秒，干燥后的物料随气流进入旋风分离器，产品由下部收集。
干燥速率大，接触时间短，热效率高；操作稳定，成品质量稳定；结构相对简单，易于维修，成本费用低。但对除成尘设备要求严格，系统流动阻力大，对厂房要求有一定的高度。
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。
流化床干燥器
湿物料由床层的一侧加入，由另一侧导出。热气流由下方通过多孔分布板均匀地吹入床层，与固体颗粒充分接触后，由顶部导出，经旋风器回收其中夹带的粉尘后排出。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。
传热、传质速率高，设备简单，成本费用低，操作控制容易。但操作控制要求高。而且由于颗粒在床中高度混合，可能引起物料的反混和短路，从而造成物料干燥不充分。
适用于处理粉粒状物料，而且粒径最好在30-60μm范围。
喷雾
干燥器
热空气与喷雾液滴都由干燥器顶部加入，气流作螺旋形流动旋转下降，液滴在接触干燥室内壁前已完成干燥过程，大颗粒收集到干燥器底部后排出，细粉随气体进入旋风器分出。废气在排空前经湿法洗涤塔（或其他除尘器）以提高回收率，并防止污染。
干燥过程极快，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；能得到速溶的粉末或空心细颗粒；易于连续化、自动化操作。但热效率低，设备占地面积大，设备成本费高,粉尘回收麻烦。
适用于士林蓝及士林黄染料等。
知识窗
固体物料的去湿方法
除去固体物料中湿分的方法称为去湿。去湿的方法很多，常用的有：
1.机械分离法　即通过压榨、过滤和离心分离等方法去湿。这是一种耗能较少、较为经济的去湿方法，但湿分的除去不完全，多用于处理含液量大的物料，适于初步去湿。
2.吸附脱水法　即用固体吸附剂，如氯化钙、硅胶等吸去物料中所含的水分。这种方法去除的水分量很少，且成本较高。
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。按照热能供给湿物料的方式，干燥法可分为：
（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。　
（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。
（3）辐射干燥　由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到物体的表面，为物料吸收而重新变为热能，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。
（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。
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，然后在利用干燥方法继续除湿。
第二节 干燥的基础知识
一、 对流干燥的方法
典型的对流干燥工艺流程 如图5-7所示，空气经加热后进入干燥器，气流与湿物料直接接触，空气沿流动方向温度降低，湿含量增加，废气自干燥器另一端排出。
对流干燥过程中，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；固体表面水气分压 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，见图5-8。
图5-8干燥过程的传质和传热
图5-7 对流干燥流程示意图

显然，干燥过程中压差(p-pi)越大，温差(t-θi)越高，干燥过程进行的越快，因此干燥介质及时将汽化的水汽带走，以维持一定的扩散推动力。
二、空气的性质
1.湿度H
湿度H是湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气质量之比。
（1）定义式
( 5-1 )
式中：Ma——干空气的摩尔质量，kg/kmol；
Mv——水蒸汽的摩尔质量，kg/kmol；
——湿空气中干空气的千摩数，kmol；
——湿空气中水蒸汽的千摩尔数，kmol。
（2）以分压比表示
( 5-2 )
式中：——水蒸汽分压，N/；
P——湿空气总压，N/。
（3）饱和湿度Hs
若湿空气中水蒸汽分压恰好等于该温度下水的饱和蒸汽压Ps，此时的湿度为在该温度下空气的最大湿度,称为饱和湿度，以Hs表示。
( 5-3 )
式中PS——同温度下水的饱和蒸汽压，N/。
由于水的饱和蒸汽压只与温度有关，故饱和湿度是湿空气总压和温度的函数。
2.相对湿度φ
当总压一定时,湿空气中水蒸汽分压pv与一定总压下空气中水汽分压可能达到的最大值之比的百分数,称为相对湿度。
⑴ 定义式:
( 5-4a )
( 5-4b )
⑵ 意义：相对湿度表明了湿空气的不饱和程度，反映湿空气吸收水汽的能力。
φ=1（或100%），表示空气已被水蒸汽饱和,不能再吸收水汽，已无干燥能力。φ愈小，即Pv与Ps差距愈大，表示湿空气偏离饱和程度愈远，干燥能力愈大。
⑶ H、φ、t 之间的函数关系：
( 5-5 )
可见，对水蒸汽分压相同，而温度不同的湿空气，若温度愈高，则Ps值愈大，φ值愈小，干燥能力愈大。
以上介绍的是表示湿空气中水分含量的两个性质，下面介绍是与热量衡算有关的性质。
3.湿比热CH
定义：将1kg干空气和其所带的Hkg水蒸气的温度升高1℃所需的热量。简称湿热。
CH=Ca+CvH=1.01+1.88H kJ/kg干空气·℃ ( 5-6 )
式中 Ca——干空气比热，其值约为1.01 kJ/kg干空气·℃
Cv——水蒸汽比热, 其值约为1.88 kJ/kg干空气·℃
4.焓I
湿空气的焓为单位质量干空气的焓和其所带Hkg水蒸汽的焓之和。
计算基准：0℃时干空气与液态水的焓等于零。
kJ/kg干空气 ( 5-7 )

式中：r0——0℃时水蒸汽汽化潜热，其值为2492kJ/kg。
5.湿空气比容uH
定义：每单位质量绝干空气中所具有的空气和水蒸汽的总体积。
( 5-8 )
由上式可见,湿比容随其温度和湿度的增加而增大。
6.露点td
(1) 定义：一定压力下，将不饱和空气等湿降温至饱和，出现第一滴露珠时的温度。
( 5-9 )
式中：——为露点时饱和蒸汽压, 也就是该空气在初始状态下的水蒸汽分压pv 。
（2）计算
( 5-9a )
计算得到，查其相对应的饱和温度，即为该湿含量H和总压P时的露点。
（3）同样地，由露点和总压P可确定湿含量H。
( 5-9b )
7.干温度t、湿球温度tW
（1）干球温度t：在空气流中放置一支普通温度计，所测得空气的温度为t，相对于湿球温度而言，此温度称为空气的干球温度。
（2）湿球温度tW：如图5-9所示，用水润湿纱布包裹普通温度计的感温球，即成为一湿球温度计。将它置于一定温度和湿度的流动的空气中，达到稳态时所测得的温度称为空气的湿球温度，以tW表示。
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，在湿纱布表面和气体之间存在着湿度差，这一湿度差使湿纱布表面的水分汽化被气流带走，水分汽化所需潜热，首先取自湿纱布中水分的显热，使其表面降温，于是在湿纱布表面与气流之间又形成了温度差，这一温度差将引起空气向湿纱布传递热量。
当单位时间由空气向湿纱布传递的热量恰好等于单位时
间自湿纱布表面汽化水分所需的热量时，湿纱布表面就达到
稳态温度，即湿球温度。经推导得
( 5-10 )
式中：Hw——湿空气在温度tw下的饱和湿度，
kg水/kg干气；
图5-9 湿球温度计
H——空气的湿度，kg水/kg干气。
实验表明：当流速足够大时，热、质传递均以对流为主，且kH及α都与空气速度的0.8次幂成正比，一般在气速为3.8～10.2m/s的范围内，比值α/kH近似为一常数(对水蒸汽与空气的系统，α/kH=0.96～1.005)。此时，湿球温度tWw为湿空气温度t和湿度H的函数。
注意：a．湿球温度不是状态函数；b．在测量湿球温度时，空气速度一般需大于5m/s，使对流传热起主要作用，相应减少热辐射和传导的影响，使测量较为精确。
8. 绝热饱和温度tas
（1）定义：绝热饱和过程中，气、液两相最终达到的平衡温度称为绝热饱和温度。
图5-10表示了不饱和空气在与外界绝热的条件下和大量的水接触，若时间足够长，使传热、传质趋于平衡，则最终空气被水蒸汽所饱和，空气与水温度相等，即为该空气的绝热饱和温度。
图5-10 绝热增湿塔示意图
此时气体的湿度为tas下的饱和湿度Has。以单位质量的干空气为基准，在稳态下对全塔作热量衡算:

或 ( 5-11 )
上式表明，空气的绝热饱和温度tas是空气湿度H和温度t的函数,是湿空气的状态参数，
也是湿空气的性质。当t、tas已知时，可用上式来确定空气的湿度H。
在绝热条件下，空气放出的显热全部变为水分汽化的潜热返回气体中，对1kg于空气来说，水分汽化的量等于其湿度差（Hm－H），由于这些水分汽化时，除潜热外，还将温度为tas的显热也带至气体中。所以，绝热饱和过程终了时，气体的焓比原来增加了4.187tas（Has－H）。但此值和气体的焓相比很小，可忽略不计，故绝热饱和过程又可当作等过焓程处理。
对于空气和水的系统，湿球温度可视为等于绝热饱和温度。因为在绝热条件下，用湿空气干燥湿物料的过程中，气体温度的变化是趋向于绝热饱和温度tas的。如果湿物料足够润湿，则其表面温度也就是湿空气的绝热饱和温度tas，亦即湿球温度tw，而湿球温度是很容易测定的，因此湿空气在等焓过程中的其它参数的确定就比较容易了。
比较干球温度t、湿球温度tw、绝热饱和温度tas及露点td可以得出：
不饱和湿空气：t>tw（tas）>td
饱和湿空气：t＝tw（tas）＝td
【例5-1】已知湿空气的总压为101.3kN/㎡，相对湿度为50%，干球温度为20o C。试求：(a) 湿度Ｈ；(b)水蒸汽分压p；（c) 露点td； (d) 焓Ｉ。(e) 如将500kg/h干空气预热至117o C，求所需热量Ｑ； (f) 每小时送入预热器的湿空气体积Ｖ。
解 P=101.3kN/㎡ ，＝50%，t=20o C，由饱和水蒸汽表查得，水在20 oC时之饱和蒸汽压为ps=2.34kN/m
(a)湿度Ｈ
(b)水蒸汽分压

(c)露点td
露点是空气在湿度Ｈ或水蒸汽分压p不变的情况下，冷却达到饱和时的温度。所以可由p=1.17kn/㎡ 查饱和水蒸汽表，得到对应的饱和温度td=9OC。
(d)焓Ｉ

(e)热量Ｑ

(f)湿空气体积Ｖ

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湿空气的湿度图及其应用
当总压一定时，表明湿空气性质的各项参数t,p,φ,H,I,tw等)，只要规定其中任意两个相互独立的参数，湿空气的状态就被确定。工程上为方便起见，将各参数之间之间的关系制成算图-湿度图。常用的湿度图由湿度-温度图(H-t)和焓湿度图(I-H)，本章只介绍焓湿度图(如图5-11所示)的构成和应用。

图5-11焓湿度图(I-H图)

一.焓湿图的构成
如图5-12所示，在压力为常压下(pt=101.3Pa)的湿空气的I-H图中,为了使各种关系曲线分散开，采用两坐标轴交角为135°的斜角坐标系。为了便于读取湿度数据，将横轴上湿度H的数值投影到与纵轴正交的辅助水平轴上。图中共有5种关系曲线，图上任何一点都代表一定温度t和湿度H的湿空气状态。现将图中各种曲线分述如下:
1.等湿线(即等H线)　即等湿线是一组与纵轴平行的直线，在同一根等H线上不同的点都具有相同的温度值，其值在辅助水平轴上读出。
2.等焓线(即等I线)　等焓线是一组与斜轴平行的直线。在同一条等I线上不同的点所代表的湿空气的状态不同，但都具有相同的焓值，其值可以在纵轴上读出。
3.等温线(即等t线)　由式I=1.01t+(1.88t+2490)H可知，当空气的干球温度t不变时，I与H成直线关系，因此在I-H图中对应不同的t，可作出许多条等t线。
上式为线性方程，等温线的斜率为(1.88t+2490),是温度的函数故等温线相互之间是不平行。
4.等相对湿度线(即等线) 等相对湿度线是一组从原点出发的曲线。根据H=0.622Ps/(Pt-Ps)可知，当总压Pt一定时，对于任意规定的值，上式可简化为H和Ps的关系式，而Ps又是温度的函数，因此对应一个温度t，就可根据水蒸气可查到相应的Ps值计算出相应的湿度Ｈ，将上述各点(H,t)连接起来，就构成等相对湿度线。根据上述方法，可绘出一系列的等线群。
=100%的等线为饱和空气线，此时空气完全被水气所饱和。饱和空气以上(＜100%＝为不饱和空气区域。当空气的湿度H为一定值时，其温度t越高，则相对湿度值就越低，其吸收水气能力就越强。故湿空气进入干燥器之前，必须先经预热以提高其温度t。目的是除了为提高湿空气的焓值，使其作为载热体外，也是为了降低其相对湿度而提高吸湿力。＝0时的等线为纵坐标轴。
图5-12焓湿度图的用法
5.水气分压线　该线表示空气的湿度H与空气中水气分压p之间关系曲线。
二.I-H图的用法
利用I-H图查取湿空气的各项参数非常方便。如图5-12中A代表一定状态的湿空气，则
(1)湿度H，由H点沿等湿线向下与水平辅助轴的交点Ｈ，即可读出Ａ点的湿度值。
(2)焓值I，通过A点作等焓线的平行线，与纵轴交于Ｉ点，即可读得A点的焓值。
(3)水气分压P，由Ａ点沿等温度线向下交水蒸气分压线于Ｃ，在图右端纵轴上读出水气分压值
(4)露点td,由A点沿等湿度线向下与=100%饱和线相交于B点，再由过B点的等温线读出露点td值。
(5)湿球温度tw(绝热饱和温度tas),由A点沿着等焓线与=100%饱和线相交于D点，再由过D点的等温线读出湿球温度tw(即绝热饱和温度tas值)。
已知湿空气某一状态点A的位置，如图5-12所示。可直接借助通过点A的四条参数线读出它的状态参数值。
通过上述查图可知，首先必须确定代表湿空气状态的点，然后才能查得各项参数。通常根据下述已知条件之一来确定湿空气的状态点：
a.湿空气的干球温度t和湿球温度tw，见图5-13(a)。
b.湿空气的干球温度t和露点td，见图513(b)。
c.湿空气的干球温度t和相对湿度，见图5-13(c)。

图5-13 在I-H图中确定湿空气的状态点

三、物料中所含水分的性质
1、结合水分与非结合水分
根据物料与水分结合力的状况，可将物料中所含水分分为结合水分与非结合水分。
结合水分 包括物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分、及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等。这种水分是籍化学力或物理化学力与物料相结合的，由于结合力强，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，致使干燥过程的传质推动力降低，故除去结合水分较困难。
非结合水分 包括机械地附着于固体表面的水分，如物料表面的吸附水分、较大孔隙中的水分等。物料中非结合水分与物料的结合力弱，其蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，因此，干燥过程中除去非结合水分较容易。
用实验方法直接测定某物料的结合水分与非结合水分较困难，但根据其特点，可利用平衡关系外推得到。在一定温度下，由实验测定的某物料的平衡曲线，将该平衡曲线延长与=100%的纵轴相交（如图5-14所示），交点以下的水分为该物料的结合水分，因其蒸汽压低于同温下纯水的饱和蒸汽压。交点以上的水分为非结合水分。
图5-14 物料中所含水分的性质
物料所含结合水分或非结合水分的量仅取决于物料本身的性质，而与干燥介质状况无关。
2、平衡水分与自由水分
根据物料在一定的干燥条件下，其中所含水分能否用干燥方法除去来划分，可分为平衡水分与自由水分。
平衡水分 物料中所含有的不因和空气接触时间的延长而改变的水分，这种恒定的含水量称为该物料在一定空气状态下的平衡水分，用X*表示。
当一定温度t、相对湿度的未饱和的湿空气流过某湿物料表面时，由于湿物料表面水的蒸汽压大于空气中水蒸汽分压，则湿物料的水分向空气中汽化，直到物料表面水的蒸汽压与空气中水蒸汽分压相等时为止，即物料中的水分与该空气中水蒸汽达到平衡状态，此时物料所含水分即为该空气条件（t、）下物料的平衡水分。平衡水分随物料的种类及空气的状态（t，）不同而异，在同一t下的某些物料的平衡曲线。对于同一物料，当空气温度一定改变其值，平衡水分也将改变。
自由水分 物料中超过平衡水分的那一部分水分，称为该物料在一定空气状态下的自由水分。
若平衡水分用X*表示，则自由水分为（X-X*）。
四、物料中含水量的表示方法
1.湿基含水量
湿物料中所含水分的质量分率称为湿物料的湿基含水量。
kg/kg湿料
2.干基含水量
不含水分的物料通常称为绝对干料.湿物料中的水分的质量与绝对干料质量之比,称为湿物料的干基含水量。
kg/kg干物料
两者的关系
　 ( 5-12 )
( 5-13 )
第三节 干燥计算
一、干燥过程的物料衡算
(一) 水分蒸发量
图 5-15干燥器物料衡算
对如图5-15所示的连续干燥器作水分的物料衡算。以1h为基准，若不计干燥过程中物料损失量，则在干燥前后物料中绝对干料的质量不变，即
( 5-14 )
式中G1——进干燥器的湿物料的质量，kg/h；
G2——出干燥器的湿物料的质量，kg/h；
由上式可以得出Ｇ1，Ｇ2之间的关系
        ；
式中、——干燥前后物料的湿基含水量，kg水/kg料；
干燥器的总物料衡算为
( 5-15 )
则蒸发的水分量为

式中W——水分蒸发量，kg/h。
若以干基含水量表示，则水分蒸发
量可用下式计算，
( 5-16 )
也可得出：
； ( 5-17 )
式中L——干空气的质量流量，kg/h；
Gc——湿物料中绝干物料的质量，kg/h
H1、H2——进、出干燥器的湿物料的湿度，kg水/kg干空气；
X1、X2——干燥前后物料的干基含水量，kg水/kg干物料；
（二）干空气消耗量
由式（5-17）可得干空气的质量：
( 5-18 )
蒸发1Kg水分所消耗的干空气量,称为单位空气消耗量,其单位为Kg绝干空气/Kg水分,用L表示,则
( 5-19)
如果以H0表示空气预热前的湿度,而空气经预热器后,其湿度不变,故H0＝H1,则有
( 5-19a )
由上可见,单位空气消耗量仅与H2、H0有关，与路径无关。
【例5-2】某干燥器处理湿物料量为800kg/h。要求物料干燥后含水量由30%减至4%（均为湿基）。干燥介质为空气，初温为150C，相对湿度为50%，经预热器加热至1200C ，试求：(a)水分蒸发量Ｗ；(b)空气消耗量Ｌ、单位消耗量l；(c)如鼓风机装在进口处，求鼓风机之风量Ｖ。
解：(a) 水分蒸发量Ｗ

(b) 空气消耗量Ｌ、单位空气消耗量
由式（5-5）可得空气在t0 ＝150C,＝50%时的湿度Ｈ0＝0.005kg水/kg，干空气在t2 =450 C，＝80%时的湿度为Ｈ2＝0.052kg水/kg干空气，空气通过预热器湿度不变，即

(c)风量Ｖ

二、干燥过程的热量衡算
通过干燥系统的热量衡算可以求得：（1）预热器消耗的热量；（2）向干燥器补充的热量；（3）干燥过程消耗的总热量。这些内容可作为计算预热器传热面积、加热介质用量、干燥器尺寸以及干燥系统热效应等依据。

图5-16干燥器的热量衡算

（一）热量衡算的基本方程
若忽略预热器的热损失，对上图预热器列焓衡算，得：

故单位时间内预热器消耗的热量为：
( 5-20)
再对上图的干燥器列焓衡算，得：

——为热损失，kg/s
I0、I1、I2——湿空气进、出预热器及出干燥器的焓，kJ/kg干空气
I1ˊ、I2ˊ——-湿物料的焓，kJ/kg干物料
故单位时间内向干燥器补充的热量为：
( 5-21)
联立( 5-20 )、( 5-21)得：
( 5-22)
( 5-20)、( 5-21 )及( 5-22)为连续干燥系统中热量衡算的基本方程式。为了便于分析和应用，将( 5-21)式作如下处理。假设：
（1） 新鲜空气中水气的焓等于离开干燥器废气中水气的焓，即：

（2） 湿物料进出干燥器时的比热取平均值。
根据焓的定义，可写出湿空气进出干燥系统的焓为：

同理：
上两式相减并将假设（1）代入，为了简化起见,取湿空气的焓为，故：

或：
( 5-23 )
湿物料进出干燥器的焓分别为：

（焓以为基准温度，物料基准状态—绝干物料）
式中：、——分别为湿物料进出、出干燥器时的比热，
——分别为湿物料进入和离开干燥器时温度，℃
将假设（2）代入下式：
( 5-24 )
将( 5-22)、( 5-23)及代入( 5-21)式得

( 5-25 )
分析( 5-25 )式可知，向干燥系统输入的热量用于：
（1）加热空气（2）蒸发水分（3）加热物料（4）热损失。
上述各式中的湿物料比热可由绝干物料比热及纯水的比热求得：即：

（二）空气通过干燥器时的状态变化
干燥过程既有热量传递又有质量传递，情况复杂，一般根据空气在干燥器内焓的变化，将干燥过程分为等焓过程与非等焓过程两大类。
1、等焓干燥过程
等焓干燥过程又称绝热干燥过程，等焓干燥条件：
（1）不向干燥器中补充热量；（2）忽略干燥器的热损失；（3）物料进出干燥器的焓值相等。
将上述假设代入式5—25，得：

即：
上式说明空气通过干燥器时焓恒定，实际操作中很难实现这种等焓过程，故称为理想干燥过程，但它能简化干燥的计算，并能在图上迅速确定空气离开干燥器时的状态参数。
2、非等焓干燥器过程
非等焓干燥器过程又称为实际干燥过程。由于实际干燥过程不具备等焓干燥条件则

非等焓过程中空气离开干燥器时状态点可用计算法或图解法确定。
【例5-3】用连续干燥器干燥含水1.5%的物料9200kg/h，物料进口温度25℃，产品出口温度34.4℃，含水0.2%（均为湿基），其比热为1.84kJ/（kg·℃），空气的干球温度为26℃，湿球温度为23℃，在预热器加热到95℃后进入干燥器，空气离开干燥器的温度为65℃，干燥器的热损失为71900kJ/h。试求：（1）产品量；（2）空气用量；（3）预热器所需热量。
[解] （1）产品量

则产品量为： G2=G1-W=9200-120=9080 kg/h
（2）空气用量

式中，, 由 t0=26℃，two=23℃，查湿度图得：
由于
其中，
在入口温度θ1=25℃时，水的比热cw=4.18 kJ/kg·℃，于是，

已知， ， ，
r0=2490kJ/kg

将有关数据代入式（10.44）得：

解得： H2=0.024kg水/kg干空气
故空气用量L为：
（3） 预热器需要加入的热量

（三）干燥系统的热效率
干燥过程中，蒸发水分所消耗的热量与从外热源所获得的热量之比为干燥器的热效率。即：
( 5-22 )
  式中，蒸发水分所需的热量Q汽化可用下式计算。
( 5-23 )
  从外热源获得的热量
  如干燥器中空气所放出的热量全部用来汽化湿物料中的水分，即空气沿绝热冷却线变化，则：
( 5-24 )
且干燥器中无补充热量，，则

若忽略湿比热的变化，则干燥过程的热效率可表示为：

( 5-25 )
热效率越高表示热利用率愈好，若空气离开干燥器的温度较低，而湿度较高，则干燥操作的热效率高。但空气湿度增加，使物料与空气间的推动力下降。
一般来说，对于吸水性物料的干燥，空气出口温度应高些，而湿度应低些，即相对湿度要低些。在实际干燥操作中，空气离开干燥器的温度需比进入干燥器时的绝热饱和温度高，这样才能保证在干燥系统后面的设备内不致析出水滴，否则可能使干燥产品返潮，且易造成管路的堵塞和设备材料的腐蚀。
活动建议
分析讨论：提高热效率有那些方法？
三、干燥速率和干燥时间
（一）干燥速率
干燥速率：单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量W，如用微分式表示则为
( 5-26 )
式中 U——干燥速率,kg/m2·h ；
W——汽化水分量,kg
A——干燥面积,m2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　 τ——干燥所需时间,h
而
所以 ( 5-27 )
式中 Ｇc——湿物料中绝对干料的量，kg
X——干基的含水量，kg水/kg干物料
负号表示物料含水随着干燥时间的增加而而减少。
（二）干燥曲线与干燥速率曲线
图5-17恒定干燥条件下的干燥曲线
干燥过程的计算内容包括确定干燥操作条件，干燥时间及干燥器尺寸，为此，须求出干燥过程的干燥速率。但由于干燥机理及过程皆很复杂，直至目前研究得尚不够充分，所以干燥速率的数据多取自实验测定值。为了简化影响因素，测定干燥速率的实验是在恒定条件下进行。如用大量的空气干燥少量的湿物料时可以认为接近于恒定干燥情况。
如图5-17所示为干燥过程中物料含水量X与干燥时间τ的关系曲线，此曲线称为干燥曲线。
图5-18所示为物料干燥u与物料含水量X关系曲线，称为干燥速率曲线。
由干燥速率曲线可以看出，干燥过程分为恒速干燥和降速干燥两个阶段。
1．恒速干燥阶段 此阶段的干燥速率如图5-18中BC段所示。这一阶段中，物料表面充满着非结合水分，其性质与液态纯水相同。在恒定干燥条件下，物料的干燥速率保持恒定，其值不随物料含水量多少而变。
在恒定干燥阶段中，由于物料内部水分扩散速率大于表面水分汽化速率，空气传给物料的热量等于水分汽化所需的热量。物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度，这阶段干燥速率的大小，主要取决于空气的性质，而与湿物料的性质关系很小。
图中AB段为物料预热段，此段所需时间很短，干燥计算中往往忽略不计。
图5-18恒定干燥条件下的干燥速率曲线
2．降速干燥阶段 如图5-18所示，干燥速率曲线的转折点（C点）称为临界点，该点的干燥速率Uc。仍等于等速阶段的干燥速率，与该点对应的物料含水量，称为临界Xc。当物料的含水量降到临界含水量以下时，物料的干燥速率亦逐渐降低。
图中所示CD段为第一降速阶段，这是因为物料内部水分扩散到表面的速率已小于表面水分在湿球温度下的汽化速率，这时物料表面不能维持全面湿润而形成“干区”，由于实际汽化面积减小，从而以物料全部外表面积计算的干燥速率下降。
图中DE段称为第二降速阶段，由于水分的汽化面随着干燥过程的进行逐渐向物料内部移动，从而使热、质传递途径加长，阻力增大，造成干燥速率下降。到达E点后，物料的含水量已降到平衡含水量X*（即平衡水分），再继续干燥亦不可能降低物料的含水量。
降速干燥阶段的干燥速率主要决定于物料本身的结构、形状和大小等。而与空气的性质关系很小。这时空气传给湿物料的热量大于水分汽化所需的热量，故物料表面的温度不断上升，而最后接近于空气的温度。
想一想
在工业实际生产中，物料会不会被干燥达到平衡含水量后才能出干燥器？物料干燥后的含水量指标应该怎样确定？
（三）恒定干燥条件下干燥时间的计算
恒定干燥条件，即干燥介质的温度、湿度、流速及与物料的接触方式，在整个干燥过程中均保持恒定。