1、項目10 干燥及設備操作學習任務2干燥過程工藝參數的確定計劃學時4職業能力目標專業能力社會能力方法能力1空氣性質；2掌握濕焓圖的構成方法；3. 掌握濕焓圖的應用4干燥工藝參數的確定團隊工作能力溝通能力小組成員的協作能力擴展相應的信息收集能力制定工作計劃能獨立使用各種媒介完成學習任務工作結果的評價與反思學習情境描述接到車間主任指令：根據給定的干燥任務，選擇合適的干燥設備，并確定干燥設備的各種工藝參數。組長接受任務后組織學員通過資訊、計劃、決策、實施和檢查、評估等過程完成學習任務。教學環境分析石油化工崗位操作技能實訓中心、教材、輔導資料、化工工藝設計手冊、化工單元操作學習光盤、學習軟件、可以上網查

2、閱資料的電腦、工作臺、拆裝工具等教學方法采用角色扮演法交代任務；用引導文和小組討論法完成決策和計劃的制定，采用任務驅動法實施工作任務。教學組織分組，分工，協作共同完成，分成6個小組，每組6人要做好記錄，由各小組長展示學習成果評議各小組展示的學習成果教師對每個小組及每個學生進行監視，做好記錄，作為成績評定的依據。實施步驟資訊第一部分 濕空氣的性質和濕度圖一、濕空氣的性質濕空氣是干空氣和水汽的混合物。由于干燥操作的壓力較低，故濕空氣通常作為理想氣體來處理。在干燥過程中，濕空氣中的水汽量是不斷變化的，而其中絕干空氣作為濕和熱的載體，其質量是不變的，故在討論濕空氣的性質和干燥過程計算時常取干空氣作為物

3、料基準。1濕空氣中的水汽分壓濕空氣中的水汽在保持與濕空氣相同的溫度下，單獨占據濕空氣的容積時所產生的壓力，稱為濕空氣中水汽的分壓力。用表示。根據道爾頓分壓定律，濕空氣的總壓力與水汽分壓力及絕干空氣分壓力的關系為+ (4-1)式中：濕空氣的總壓強，Pa；濕空氣中干空氣的分壓，Pa；濕空氣中水汽的分壓，Pa；當總壓一定時，濕空氣中水汽分壓越大，表明空氣中水汽的含量越高。當水汽分壓等于該空氣溫度下水的飽和蒸汽壓時，表明濕空氣被水汽飽和，不再具有吸收水汽的能力。故作為干燥介質的濕空氣應為不飽和空氣，即水汽分壓應低于同溫下水的飽和蒸汽壓。2濕度H又稱濕含量，或絕對濕度（簡稱濕度），指單位質量絕干空氣所帶

4、有的水汽質量,單位為kg水/kg干空氣。即 式中：、濕空氣中干空氣、水汽的千摩爾數，kmol； 、水汽和干空氣的千摩爾質量，kgkmol。常壓下濕空氣可視為理想氣體，根據道爾頓分壓定律，式（4-2）可表示為以下關系由式（4-3）可見，濕度H與空氣的總壓及其水汽分壓有關；當總壓一定時，H只與有關。當水汽分壓等于該空氣溫度下水的飽和蒸汽壓時，表明濕空氣被水汽飽和，不再具有吸收水汽的能力，此時空氣的濕度稱為飽和濕度，用表示，式中：濕空氣的飽和濕度， kg水汽/kg干空氣； 濕空氣溫度t下水的飽和蒸汽壓，Pa。式（4-4）說明，在一定總壓下，空氣的飽和濕度只取決于其溫度。3相對濕度（或相對濕度百分數）

5、指在一定總壓下，濕空氣中水氣分壓與同溫度下水的飽和蒸汽壓之比。即由式（4-5）可知，當0時，0，表明該空氣為干空氣；當時，1，表明空氣已達到飽和狀態；當時，1，為未飽和濕空氣，值越小，表明該空氣偏離飽和程度越遠，吸收水汽的能力越強。在一定總壓 P下，代入（43）得 （4-6）式（4-6）表明，當總壓P一定時，濕空氣的濕度隨空氣的相對濕度和空氣的溫度t而變化。4濕空氣的比容濕空氣的比容也稱為濕容積，指含有1kg干空氣的濕空氣的體積，即1kg干空氣及其所帶的Hkg水汽共同占有的總體積，其單位為濕空氣kg干空氣，即 （4-7）即在總壓一定時，不飽和濕空氣的比體積隨其溫度t和濕度H而變化。5濕空氣的比

6、熱容簡稱濕比熱容，指以1kg干空氣為計算基準的濕空氣的比熱容，即1kg干空氣及其所帶的Hkg水蒸汽溫度升高或降低1所吸收或放出的熱量，其單位為，即 （4-8）式中：干空氣的平均等壓比熱容，；水汽的平均等壓比熱容，。在工程計算中，常取和為常數，即1.01，1.88，所以，濕空氣的比熱容為1.011.88 （4-8a）即濕空氣的比熱容只隨空氣的濕度而變化。6濕空氣的焓指以1kg干空氣為計算基準的濕空氣的焓，即為1kg干空氣的焓與其所帶的 Hkg水汽的焓之和，其單位為kJkg干空氣，即 I十 （4-9）式中：干空氣的焓，； 水汽的焓，。 通常規定0時干空氣及液態水的焓為零，于是 式中：0時水的汽化潛

7、熱，=2492kJkg。于是 （49a）由式（49a）可知，濕空氣的焓值隨空氣的溫度t、濕度H而變化。7濕空氣的溫度（1）濕空氣的干球溫度t。簡稱溫度，是指濕空氣的真實溫度，可直接用普通溫度計測量。（2）濕空氣的露點。不飽和濕空氣在總壓力和濕度H不變的情況下進行冷卻、降溫，直到達到飽和狀態時的溫度稱為該空氣的露點。此時濕空氣的濕度H就是其露點下的飽和濕度，即H，相對濕度100%。可見，一定總壓力下，空氣的濕度H（或水蒸氣分壓）越大，則露點就越高。只要測出露點溫度，便可查得此溫度下對應的飽和蒸汽壓，從而根據式（4-4）求得空氣的濕度H。這是露點法測定空氣濕度的依據。反之，若已知空氣的濕度H，可根

8、據式（4-4）求得飽和蒸汽壓，再從水蒸氣表中查出相應的溫度，即為露點。由上述可知，空氣露點是反映空氣濕度的一個特征溫度。（3）濕空氣的濕球溫度將普通溫度計的感溫球用濕紗布包裹，并用水保持濕紗布表面潤濕，這種溫度計稱為濕球溫度計，如圖46所示。濕球溫度計在空氣中達到穩定或平衡時的溫度稱為該空氣的濕球溫度。不飽和濕空氣的濕球溫度恒低于其干球溫度t。濕球溫度計測溫原理如下：將濕球溫度計置于溫度為t、濕度為H的不飽和空氣流中，假設開始時濕紗布的水溫與濕空氣的溫度t相同，空氣與濕紗布上的水之間沒有熱量傳遞。由于濕紗布表面空氣的濕度大于空氣主體的濕度H，因此濕紗布表面的水分將汽化到空氣主體中。此時汽化水分

9、所需潛熱只能由水分本身溫度下降放出的顯熱供給，因此，濕紗布上的水溫下降，與空氣間產生了溫度差，引起對流傳熱。當空氣向濕紗布傳遞的熱量正好等于濕紗布表面水分汽化所需熱量時，過程達到動態平衡，此時濕紗布的水溫不再下降，而達到一個穩定的溫度，這個穩定的溫度就是該空氣狀態（溫度為t、濕度為H）下的濕球溫度。濕球溫度是濕紗布上水的溫度，它由流過濕紗布的大量空氣的溫度t和濕度H所決定。當空氣的溫度t一定時，若其濕度H越大，則濕球溫度也越高；對于飽和濕空氣，其濕球溫度、干球溫度以及露點三者相等。因此，濕球溫度是濕空氣的狀態參數。由上可知，在達到濕球溫度時，空氣向濕紗布表面的傳熱速率為（t-） (4-10)式

10、中：傳熱速率，；空氣與濕紗布表面間的對流給熱系數， ； 濕紗布的表面積，。濕紗布表面水分向空氣的傳質速率為 （4-11）式中：水分的傳質速率，； 以濕度差為推動力的傳質膜系數，； 濕空氣在溫度為下的飽和濕度，kgkg； 濕空氣的濕度，kgkg。 單位時間水自濕紗布表面汽化所需熱量為 = （4-12） 式中：水在下的汽化潛熱，kJkg。由于達到平衡時，空氣向濕紗布表面的傳熱速率等于水自濕紗布表面汽化所需傳熱速率，由（4-10）、（4-11）和（4-12）可得 整理上式得： （4-13）當空氣流速足夠大且溫度不太高時，可以認為濕空氣流與濕紗布表面間的傳熱、傳質均以對流方式為主，與為通過同一氣膜的傳

11、質系數與對流給熱系數。實驗表明，與都與氣流Re數的0.8次方成正比，因而/值與流速無關，只與物性有關。對于空氣一水系統，/1.09。可見，濕球溫度是濕空氣的溫度t與濕度H的函數。在一定的壓強下，只要測出濕空氣的t和，就可根據式（4-13）確定濕度。測定濕球溫度時，空氣的流速應大于5m/s，以減小熱輻射和導熱的影響，使測量結果精確。第二部分 干燥過程的物料衡算和熱量衡算一、空氣干燥器的操作過程圖4-7是空氣干燥器的流程示意圖。空氣經預熱器加熱后溫度提高，增強了其吸收水分的能力，然后進入干燥室與濕物料相接觸，進行熱、質傳遞。干燥過程中濕物料中的水分汽化所需的熱量可以全部由熱空氣提供，也可由熱空氣供

12、給一部分，另一部分由在干燥室中設置的加熱器供給。除干燥室及空氣預熱器外，干燥裝置中還設有抽風（或送風）機、進料器、卸料器和除塵器等。在圖4-7所示流程中，熱空氣僅利用一次，實際上還有將部分空氣循環使用等其他方案。在設計干燥器時，通常已知濕物料的處理量、濕物料在干燥前后的含水量及進入干燥器的濕空氣的初始狀態，要求計算水分蒸發量、空氣用量以及干燥過程所需熱量，為此需要對干燥器做物料衡算和熱量衡算，以便選擇適宜型號的干燥器、風機和換熱器等。二、干燥過程的物料衡算干燥器物料衡算要解決的問題有兩方面：一是計算濕物料干燥到指定含水量所需除去的水分量；二是計算空氣用量。（一） 物料含水量的表示方法1濕基含水

13、量它是以濕物料為計算基準，指濕物料中水分質量與濕物料總量之比，即 ×100% （4-14）2含水量它是以濕物料中絕干物料為計算基準，指濕物料中水分質量與濕物料中絕干物料之比，即 （4-15）其單位為kg水kg絕干物料；上述兩種含水量的換算關系為：工業生產中，通常用濕基含水量來表示物料中水分的多少。但在干燥器的物料衡算中，由于干燥過程中濕物料的質量不斷變化，而絕干物料質量不變，故采用干基含水量計算較為方便。（二）物料衡算通過物料衡算可求出干燥產品流量、物料的水分蒸發量和空氣消耗量。現對圖4-8所示的連續干燥器做物料衡算。設：進入干燥器的濕物料質量流量，kg/s； 出干燥器的產品質量流量

14、，kg/s；濕物料中絕干物料質量流量，kg/s；1、2分別為干燥前后物料的濕基含水量，kg水/kg濕物料；、分別為干燥前后物料的干基含水量，kg水/kg干物料；、進出干燥器的濕物料的濕度，kg水/kg絕干空氣；水分蒸發量，kg/s；濕空氣中絕干空氣的質量流量，kg/s。1水分蒸發量若不計干燥過程中物料損失量，則在干燥前后物料中絕干物料質量流量不變,即 （4-16） 整理得 （4-17） 對干燥過程去除的水分作物料衡算，可得 （4-18）2干空氣消耗量L整理式（4-18）得 （4-19） 蒸發1kg水分所消耗的干空氣量，稱為單位空氣消耗量，用表示，其單位為kg絕干空氣/kg水分，則 （4-20）

15、如果以表示空氣預熱前的濕度，由于空氣經預熱器后，其濕度不變，故，則式（4-20）可改寫為 （4-20a）由上式可見，單位空氣消耗量僅與、有關，與路徑無關。越大，也越大，由于是由空氣的初溫t及相對濕度所決定，所以在其它條件相同的情況下，將隨著t及的增加而增大，也就是說，對同一干燥過程而言，夏季的空氣消耗量比冬季大，故在選擇輸送空氣的風機裝置時，須按全年最大空氣消耗量而定。三、干燥過程的熱量衡算通過對干燥系統進行熱量衡算，可確定物料干燥所消耗的熱量、預熱器或干燥器內補充加熱器的傳熱面積，以及確定干燥器出口空氣（廢氣）的濕度H2、焓I2等狀態參數。圖4-9為對流干燥過程的熱量衡算示意圖，圖中、分別為

16、新鮮空氣進入預熱器、離開預熱器（即進入干燥器）和離開干燥器時的濕度，單位為kg水/kg絕干空氣；、分別為新鮮空氣進入預熱器、離開預熱器（即進入干燥器）和離開干燥器時的焓，單位為kJ/kg絕干空氣；、分別為新鮮空氣進入預熱器、離開預熱器（即進入干燥器）和離開干燥器時的溫度，單位為；絕干空氣的質量流量，單位為kg絕干空氣/s、分別為進入和離開干燥器的物料的質量流量，單位為kg/s、分別為進入和離開干燥器的物料的溫度，單位為；、分別為進入和離開干燥器的物料的的焓，單位為kJ/kg絕干物料；單位時間內輸入預熱器的熱量，單位為；單位時間內向干燥器內補充的熱量，單位為；單位時間內干燥系統損失的熱量，單位為

17、；（一）預熱器的熱量衡算若忽略預熱器的熱損失，對圖4-9中的預熱器作熱量衡算，得 （4-21）或 （4-21a）(二)向干燥器補充的熱量對圖4-9中的干燥器作熱量衡算，得 或 （4-22）(三)干燥系統的熱量衡算對圖4-9中包括預熱器和干燥器在內的干燥系統作熱量衡算，則單位時間內進入干燥系統的熱量單位時間內帶出干燥系統的熱量 （4-23）或 （4-23a）式中：絕干物料的質量流量，單位為kg/s；干燥系統損失的熱量，單位為。取0液態水和0絕干物料的焓為零，則物料焓的計算式為 (4-24)式中：絕干物料的平均比熱容，單位為kJ/kg. 液態水的平均比熱容，單位為kJ/kg. 以1kg絕干物料為基

18、準的濕物料的平均比熱容，單位為kJ/kg.物料的干基含水量，單位為kg水/kg干物料。為便于理解，式（4-23a）可變換為另一種較簡單的形式，即將、代入式（4-23a），并假設，經簡化整理后，可得 (4-25)由上式可知，加入干燥系統的總熱量，用于加熱空氣；蒸發物料中的水分；加熱物料；補償系統周圍的熱損失。四、干燥器出口空氣狀態的確定在進行干燥器的物料衡算和熱量衡算時，須先確定空氣進、出干燥器時的狀態。空氣進入干燥器的狀態較容易確定。空氣通過預熱器預熱后，溫度升高而濕度不變。若已知預熱后空氣的溫度，則進入干燥器的空氣狀態也就確定了。而空氣出干燥器時的狀態較為復雜。這是因為空氣通過干燥器時，與濕

19、物料間進行熱、質傳遞，空氣溫度降低而濕度增加，有時還需在干燥中補充熱量，且干燥器均有一定的熱損失。基于此，干燥器出口空氣狀態的確定，一般是根據干燥過程中焓的變化情況來確定的。通常，將干燥過程分為等焓干燥過程和非等焓干燥過程兩大類。現分述兩類過程中空氣出口狀態的確定。（一）等焓干燥過程在干燥操作中，若滿足下列條件：（1）干燥器內不補充熱量，即；（2）干燥器保溫良好，熱損失忽略不計，即；（3）濕物料進、出干燥器的溫度變化不大，其焓值可認為近似相等，即。則由式（4-23a）可得 （4-26）又由式（4-23a）可知 于是可得：，表明空氣在干燥器中經歷的過程為等焓過程，即空氣在干燥器內的狀態變化沿等焓

20、線進行，故只要確定出口空氣的另一個獨立參數（如規定出口空氣的溫度或相對濕度）,出干燥器的空氣狀態及其對應的狀態參數，便可完全確定。如圖4-10中BC線所示。在實際干燥過程中，等焓干燥過程很難實現，故又稱為理想干燥過程。（二）非等焓干燥過程實際操作中的干燥過程，均為非等焓干燥過程，這是因為實際干燥過程總是存在一定的熱損失，有時也需要向干燥器補充熱量，且物料出干燥器時因溫度升高會帶走一部分熱量。故實際干燥過程常為非等焓干燥過程。非等焓干燥過程可分為以下幾種情況：1干燥器內不補充熱量，即0；物料進、出干燥器的焓值不等；熱損失不能忽略,即，將式（4-22），整理后可得 （4-27） 由于式(4-27)

21、中總為正值，故I2I1，說明空氣通過干燥器后焓值降低，如圖4-10所示，此過程線BC1位于等焓線BC線下方。2干燥器內補充熱量，即0，根據式（4-22），整理后可得= （4-28）式中，若，則I2I1，與0時的情況相同；若 ，則I2I1，說明空氣通過干燥器后焓值增大，如圖4-10所示，此過程線BC2位于等焓線BC線上方。上面定性地分析了非等焓干燥過程中，空氣進、出干燥器所經歷的狀態變化情況，至于空氣出干燥器時具體狀態點的確定，應根據實際條件加以分析。五、干燥器的熱效率和干燥效率干燥器的熱效率是指水分汽化所消耗的熱量與輸入干燥系統的總熱量之比，即 （4-29）式中：水分汽化所消耗的熱量為 （4-

22、30）由于物料中水分帶入系統中的熱量很小，故可忽略。干燥效率是指水分汽化所消耗的熱量與熱空氣在干燥器內放出的熱量之比，即 （4-31）式中：空氣在干燥器內放出的熱量為干燥器的熱效率和干燥效率的大小均反映了干燥系統熱利用率的高低。若將離開干燥器的廢氣溫度降低而濕度增大，則可減少空氣用量并提高干燥器的熱效率。但是，空氣的濕度增加，會使空氣與物料間的傳質推動力減小；一旦廢氣出口溫度低至干燥器進氣的飽和狀態溫度時，濕空氣會析出液態水，使干燥產品返潮。故依靠降低廢氣溫度，增大其濕度來提高熱效率是有限度的，一般要求廢氣出口溫度應比干燥器進氣的絕熱飽和溫度高2050。此外，充分利用廢氣中的熱量（如用以預熱空

23、氣或濕物料）、加強設備和管道的保溫，均有利于熱效率的提高。第三部分 干燥速率和干燥時間通過對干燥系統進行物料衡算和熱量衡算，可確定從濕物料中除去的水分量以及耗用的空氣量和熱量，以作為選擇風機和預熱器的依據。而通過干燥速率和干燥時間的計算，可作為確定干燥器尺寸的依據。前已述及，濕物料在干燥過程中，水分先由物料內部移動到物料表面，再由表面擴散至空氣主流中，由空氣帶走。故干燥速率不僅取決于濕空氣的性質和操作條件，還與濕物料中所含水分的性質有關。一、物料中所含水分的性質（一）平衡水分與自由水分在一定的干燥條件下，根據物料中所含水分能否用干燥的方法加以除去，可分為平衡水分和自由水分。當物料與一定狀態的空

24、氣相接觸時，如果濕物料表面水汽的分壓與空氣中水汽的分壓不等時，物料就會釋放出水分或吸收水分；當過程進行到兩者分壓相等時，水分將在氣、固兩相間達到平衡，物料中水分不再發生變化，此恒定的水分稱為該物料在一定空氣狀態下的平衡水分，用表示，單位為kg水/kg干物料。 平衡水分的含量不僅與空氣的狀態有關，還與物料的性質有關。如圖4-11所示，不同物料的平衡水分數值相差較大。例如，玻璃絲和瓷土等結構致密的固體，其平衡水分很小，而煙葉、羊毛、皮革等物質，則平衡水分較大。從圖中還可看出，同種物料，在一定的溫度下，空氣的相對濕度越大，平衡水分含量越高。當相對濕度為零時，物料的平衡水分也為零。說明物料只有與絕干空

25、氣接觸時，才能得到絕干物料。故平衡水分是物料干燥到極限程度時的水分。物料中超過平衡水分的那部分水分，稱為自由水分。即通過干燥方法可以除去的水分。（二）結合水分與非結合水分根據水分與物料的結合方式不同，物料中的水分可分為結合水分和非結合水分。1結合水分借助于化學力或物理化學力與固體相接觸的那部分水分，稱為結合水分。如結晶水、毛細管中的水分、細胞內的水分等。結合水分與固體物料間的結合力較強，較難除去。2非結合水分指機械地附著在固體物料上的水分。如固體表面和內部較大空隙中的水分。非結合水分與固體的相互結合力較弱，是較易除去的水分。結合水分與非結合水分的區別還在于各自的平衡蒸汽壓不同。結合水由于化學和

26、物理化學力的存在，使其蒸汽壓低于同溫度下水的飽和蒸汽壓；而非結合水分的性質與純水的相同，其平衡蒸汽壓就是同溫度下水的飽和蒸汽壓。平衡水分與自由水分、結合水分與非結合水分是物料中所含水分的兩種不同分類。平衡水分與自由水分的區分既取決于物料的性質，還取決于空氣的狀態；而結合水分與非結合水分的區分僅取決于物料的性質，與空氣的狀態無關。四種水分的關系見圖4-12。二、干燥速率及其影響因素由于干燥機理的復雜性，目前對干燥速率的計算與分析多取自實驗。為了討論問題的方便，假定干燥過程的條件恒定，即空氣的溫度、濕度、流速、與物料的接觸狀況以及物料的幾何尺寸等均不變。如用大量的空氣干燥少量的濕物料就屬于此類情況

27、。（一）恒定干燥條件下的干燥曲線和干燥速率曲線在恒定干燥條件下，通過實驗，可繪制出干燥曲線和干燥速率曲線，由曲線可以直觀地了解干燥過程中物料中的水分與溫度隨時間的變化關系，以及干燥速率的變化特性。1干燥曲線通過實驗，測定出干燥過程中不同時間下濕物料的干基含水量和物料表面的溫度,并繪成曲線，如圖4-13，稱為干燥曲線。由干燥曲線可直接讀出在一定條件下，將物料干燥至某一干基含水量所需要的時間。2干燥速率曲線干燥速率是指單位時間內在單位干燥面積上汽化的水分量，如用微分表示，為 （4-32）式中：干燥速率，單位為；汽化的水分量，單位為kg；物料的干燥表面積，單位為；干燥時間，單位為。又由于 代入式（4

28、-32）可得 （4-33）式中：負號表示物料含水量隨干燥時間的增加而減少。 由圖4-13中曲線，求出不同下的斜率，再將測得的絕干物料量和物料的干燥面積，一并代入式（4-33）求得干燥速率，將對作圖，便得到如圖4-14所示的曲線，稱為干燥速率曲線。在圖4-14中，段對應的時間很短，稱為預熱階段，在干燥計算中可忽略不計；在段，物料的干燥速率保持恒定，其值不隨物料含水量而變，稱為恒速干燥階段；在CE段，干燥速率隨物料含水量的減少而降低，稱為降速干燥階段。圖中C點為恒速與降速段的分界點，稱為臨界點，該點對應的含水量稱為臨界含水量，由表示。實驗表明，只要物料中含有非結合水分，總存在恒速與降速兩個不同的階

29、段。在兩個階段內，物料的干燥機理和影響因素各不相同，分述如下。（二）恒速干燥階段及其影響因素在這一階段，物料表面與空氣間的傳熱與傳質過程類似于濕球溫度的測定原理。在恒定干燥條件下，空氣傳給物料的熱量等于水分汽化所需的熱量，物料表面的溫度始終保持為濕球溫度。雖然物料水分不斷汽化，含水率不斷降低，但傳熱推動力（）與傳質推動力（）均維持恒定，干燥速率不隨的減少而變，故圖4-14中段為一水平段。在該階段除去的是物料表面附著的非結合水分，且物料內部水分向表面移動的速率大于表面水分汽化的速率，使物料表面始終有充盈的非結合水分，干燥速度由水在物料表面汽化的速率所控制。故該階段又稱為表面汽化控制階段。由于該階段的干燥速率取決于物料表面水分的汽化速率，亦即取決于物料外部的空氣條件，與物料自身的性質關系很小。故影響該階段干燥速率的因素主要是濕空氣的溫度、濕度