制藥工程原理與設備--干燥

1、第 九 章 干 燥,,,,一、去濕及其方法二、干燥方法 三、對流干燥的傳熱傳質(zhì)過程,第一節(jié) 概述,一、去濕及其方法,1、何為去濕？,從物料中脫除濕分的過程稱為去濕。濕分：不一定是水分！2、去濕方法機械去濕法 ：擠壓（擰衣服、過濾）物理法：濃硫酸吸收, 分子篩吸附, 膜法脫濕化學法：利用化學反應脫除濕分（CaO）干燥法：加熱,二、干燥方法,1、傳導干燥 熱能通過傳熱壁面以傳導的方式傳給濕物料

2、 被干燥的物料與加熱介質(zhì)不直接接觸，屬間接干燥 優(yōu)點：熱能利用較多 缺點：與傳熱壁面接觸的物料易局部過熱而變質(zhì)，受熱不均勻。2、輻射干燥 熱能以電磁波的形式由輻射器發(fā)射到濕物料表面，被物,料吸收轉(zhuǎn)化為熱能，而將水分加熱汽化。優(yōu)點：生產(chǎn)能力強，干燥產(chǎn)物均勻 缺點：能耗大3、介電加熱干燥 將需干燥的物料置于交頻電場內(nèi)，利用高頻電場的交變作用將濕物料加熱，水分汽化，物料被干燥。優(yōu)點：干燥

3、時間短，干燥產(chǎn)品均勻而潔凈。缺點：費用大。,4、對流干燥 熱能以對流給熱的方式由熱干燥介質(zhì)（通常熱空氣）傳給濕物料，使物料中的水分汽化。物料內(nèi)部的水分以氣態(tài)或液態(tài)形式擴散至物料表面，然后汽化的蒸汽從表面擴散至干燥介質(zhì)主體，再由介質(zhì)帶走的干燥過程稱為對流干燥。優(yōu)點：受熱均勻，所得產(chǎn)品的含水量均勻。缺點：熱利用率低。,三、對流干燥的傳熱傳質(zhì)過程,對流干燥中，傳熱和傳質(zhì)同時發(fā)生1、傳熱過程,干燥介質(zhì),濕物料表面,濕物料內(nèi)部,2、傳質(zhì)

4、過程,濕物料內(nèi)部,濕物料表面,干燥介質(zhì),,干燥介質(zhì)：載熱體、載濕體干燥過程：物料的去濕過程 介質(zhì)的降溫增濕過程,典型的對流干燥流程：,一、濕空氣的性質(zhì)二、濕度圖及其應用,第二節(jié) 濕空氣的性質(zhì)和濕度圖,,,,一、濕空氣的性質(zhì),1、濕度H（ humidity）,濕空氣中水汽的質(zhì)量與絕干空氣的質(zhì)量之比 ，又稱濕含量。,對于水蒸氣~空氣系統(tǒng)：,當濕空氣中水汽分壓pw等于該空氣溫度下的飽和蒸汽壓ps時

5、，其濕度稱為飽和濕度，用Hs表示。,2、相對濕度百分數(shù)φ（ relative humidity）,在總壓P一定的條件下，濕空氣中水蒸氣分壓pw與同溫度下的飽和蒸汽壓ps之比。,相對濕度代表濕空氣的不飽和程度，Ф愈低，表明該空氣偏離飽和程度越遠，干燥能力越大。φ=1，濕空氣達到飽和，不能作為干燥介質(zhì)。,在總壓一定時,3、比容,在濕空氣中，1kg絕干空氣體積和相應水汽體積之和，又稱濕容積。,4、比熱,常壓下，將濕空氣1Kg絕干空氣及相應水汽

6、的溫度升高（或降低）1℃所需要（或放出）的熱量，稱為濕比熱。,5、濕空氣的焓,濕空氣中1 kg絕干空氣的焓與相應水汽的焓之和。,6、干球溫度t和濕球溫度,1）干球溫度 用普通溫度計測得的濕空氣的真實溫度 2）濕球溫度 濕球溫度計在溫度為t，濕度為H的不飽和空氣流中，達到平衡或穩(wěn)定時所顯示的溫度。,,,,對于空氣~水蒸氣系統(tǒng)而言,在一定的總壓下，已知t、tw能否確定H?,7、絕熱飽和冷卻溫度,水分向空氣中汽化,,空氣降

7、溫增濕,,飽和,,絕熱,焓不變,對絕熱飽和器作焓衡算，即可求出絕熱飽和溫度,一般H及Has值均很小,是濕空氣在絕熱、冷卻、增濕過程中達到的極限冷卻溫度。,對于空氣~水系統(tǒng)，,注意：絕熱飽和溫度于濕球溫度的區(qū)別和聯(lián)系！,8、露點,將不飽和空氣等濕冷卻到飽和狀態(tài)時的溫度 相應的濕度稱為飽和濕度,對于水蒸汽~空氣系統(tǒng)，干球溫度、絕熱飽和溫度和露點間的關系為：,不飽和空氣：,飽和空氣：,二、濕度圖及其應用,1、H-I圖,P坐標軸五條線

8、 -等濕線等焓線等干球溫度線等相對濕度線水蒸汽分壓線,2、濕度圖的應用,1）由測出的參數(shù)確定濕空氣的狀態(tài) a）水與空氣系統(tǒng)，已知空氣的干球溫度t和濕球溫度tw，確定該空氣的狀態(tài)點A(t,H)。b）水與空氣系統(tǒng)中，已知t和td，求原始狀態(tài)點A(t,H)。c）水與空氣系統(tǒng)中，已知t和φ，求原始狀態(tài)點A的位置2）已知濕空氣某兩個可確定狀態(tài)的獨立變量，求該濕空氣的其他參數(shù)和性質(zhì),,A,A,A,例：已知濕空氣的干球溫度t=

9、30℃，相對濕度φ=0.6，求濕空氣的濕度H，露點td、tas。,,A,,H=0.016kg/kg干氣,D,C,一、濕物料中含水量的表示 方法二、干燥系統(tǒng)的物料衡算 三、干燥系統(tǒng)的熱量衡算 四、空氣通過干燥器時的狀態(tài)變化,第三節(jié) 干燥過程的物料與熱量衡算,,,,一、濕物料中含水量的表示方法,1、濕基含水量W,2、干基含水量X,3、換算關系,二、干燥系統(tǒng)的物料衡算,1、水分蒸發(fā)量,以s為基準，對水分作物料衡算,2、空氣消耗量L,每

10、蒸發(fā)1kg水分時，消耗的絕干空氣數(shù)量l,3、干燥產(chǎn)品流量G2,對干燥器作絕干物料的衡算,三、干燥系統(tǒng)的熱量衡算,1、熱量衡算的基本方程,忽略預熱器的熱損失，以1s為基準，對預熱器列焓衡算,單位時間內(nèi)預熱器消耗的熱量為：,對干燥器列焓衡算，以1s為基準,單位時間內(nèi)向干燥器補充的熱量為,單位時間內(nèi)干燥系統(tǒng)消耗的總熱量為,——連續(xù)干燥系統(tǒng)熱量衡算的基本方程式,假設：新鮮干空氣中水汽的焓等于離開干燥器廢氣中水汽的焓,濕物料進出干燥器時的比熱取

11、平均值,濕空氣進出干燥器時的焓分別為：,濕物料進出干燥器的焓分別為,可見：向干燥系統(tǒng)輸入的熱量用于：加熱空氣；加熱物料；蒸發(fā)水分；熱損失,2、干燥系統(tǒng)的熱效率,蒸發(fā)水分所需的熱量為,忽略物料中水分帶入的焓,四、空氣通過干燥器時的狀態(tài)變化,1、等焓干燥過程(理想干燥過程 ),規(guī)定： 不向干燥器中補充熱量QD=0； 忽略干燥器向周圍散失的熱量QL=0； 物料進出干燥器的焓相等,將上述條件代入,2、非等焓干燥過程,1）操作線在過B點等焓

12、線下方條件：不向干燥器補充熱量QD=0；不能忽略干燥器向周圍散失的熱量 QL≠0；物料進出干燥器時的焓不相等,2）操作線在過點B的等焓線上方,向干燥器補充的熱量大于損失的熱量和加熱物料消耗的熱量之總和,3）操作線為過B點的等溫線,向干燥器補充的熱量足夠多，恰使干燥過程在等溫下進行,例：某種濕物料在常壓氣流干燥器中進行干燥，濕物料的流量為1kg/s，初始濕基含水量為3.5%，干燥產(chǎn)品的濕基含水量為0.5%?？諝鉅顩r為：初始溫度為2

13、5℃，濕度為0.005kg/kg干空氣，經(jīng)預熱后進干燥器的溫度為140℃，若離開干燥器的溫度選定為60℃和40℃， 試分別計算需要的空氣消耗量及預熱器的傳熱速率。 又若空氣在干燥器的后續(xù)設備中溫度下降了10℃，試分析以上兩種情況下物料是否返潮？假設干燥器為理想干燥器。,解：因在干燥器內(nèi)經(jīng)歷等焓過程，,℃,℃,絕干物料量 ：,絕干空氣量,預熱器的傳熱速率,℃,分析物料的返潮情況,當t2=60℃時，干燥器出口空氣中水汽分壓為

14、,t=50℃時，飽和蒸汽壓ps=12.34kPa，,即此時空氣溫度尚未達到氣體的露點，不會返潮。,當t2=40℃時，干燥器出口空氣中水汽分壓為,t=30℃時，飽和蒸汽壓ps=4.25kPa，,物料可能返潮。,一、物料中所含水分的性質(zhì) 二、干燥曲線和干燥速率曲線 三、干燥時間的計算,第四節(jié) 干燥速度和干燥時間,,,,一、物料中所含水分的性質(zhì),1、平衡水分與自由水分1）平衡水分 用某種空氣無法再去除的水分。

15、 與物料的種類、溫度及空氣的相對濕度有關 物料中的平衡水分隨溫度升高而減小 隨濕度的增加而增加。2）自由水分 在干燥過程中所能除去的超出平衡水分的那一部分水分。,2、結合水分和非結合水分結合水分：與物料之間有物理化學作用，因而產(chǎn)生的蒸汽壓 低于同溫度下純水的飽和蒸汽壓。 包括溶漲水分和小毛細

16、管中的水分 。難于除去 非結合水分 ：機械地附著在物料表面， 產(chǎn)生的蒸汽壓與純 水無異。 包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。 容易除去。平衡水分一定是結合水分；自由水分包括了全部非結合水分和一部分結合水分。,二、干燥曲線和干燥速率曲線,1、干燥實驗和干燥曲線,干燥曲線 ：,

17、恒定干燥條件下，物料的含水率X與時間θ的關系,2、干燥速率曲線1）干燥速率曲線,干燥速率 ：,單位時間內(nèi)，單位干燥面積上汽化的水分量,ABC段表示干燥第一階段，BC段為恒速干燥階段，AB段為物料的預熱階段，但此段所需的時間很短，一般并入BC段內(nèi)考慮 。 CDE段為第二階段，在此階段內(nèi)干燥速率隨物料含水量的減小而降低，稱為降速干燥階段。 兩個干燥階段之間的交點稱為臨界點。與該點對應的物料含水量稱為臨界含水

18、XC。,2）干燥機理a）恒速干燥階段 干燥速度由水的表面汽化速度所控制b）降速干燥階段 過程速度由水分從物料內(nèi)部移動到表面的速度所控制。c）臨界含水量 臨界水分隨物料本身性質(zhì)、厚度和干燥速率的不同而異，通常臨界水分隨恒速階段的干燥速度和物料厚度的增加而增大。,三、干燥時間的計算,1、恒定干燥條件下干燥時間的計算1）利用干燥速度曲線進行計算,分離變量積分,2）用對流

19、傳熱系數(shù)或傳質(zhì)系數(shù)進行計算,水分由表面汽化的速率,汽化所需熱量,3）影響恒速干燥的因素,空氣流速的影響 空氣濕度的影響空氣溫度的影響,2、降速干燥時間的計算,不論干燥曲線如何，都可用圖解積分法,當干燥曲線為直線或近似直線時,3、干燥總時間,第五節(jié) 干燥設備,為滿足生產(chǎn)需要，干燥器應達到以下基本要求：,▲ 適應被干燥物料的多樣性和不同產(chǎn)品規(guī)格要求；,▲ 設備的生產(chǎn)能力要高；,▲ 能耗的經(jīng)濟性；,▲ 還應便于操作、控制等。,一、

20、 工業(yè)上常用干燥器,（1）廂式干燥器（盤架式干燥器）,原理：主要是以熱風通過濕物料的表面，達到干燥的目的。,廂式干燥器中的加熱方式有兩種：,單級加熱,多級加熱,采用廢氣循環(huán)法的優(yōu)點：① 可靈活準確地控制干燥介質(zhì)的溫度、濕度；② 干燥推動力比較均勻；③ 增加氣流速度使得傳熱（傳質(zhì)）系數(shù)增大；④ 減少熱損失，但干燥速率常有所減小。,◆　廂式干燥器的優(yōu)點： 構造簡單，設備投資少； 適應性強，物料損失小，盤易

21、清洗。 尤其適用于需要經(jīng)常更換產(chǎn)品、小批量物料的干燥。,物料得不到分散，干燥時間長；若物料量大，所需的設備容積也大；工人勞動強度大；熱利用率低；產(chǎn)品質(zhì)量不均勻。,◆ 廂式干燥器的主要缺點：,（2）氣流式干燥器 結構：,優(yōu)點：① 氣、固間傳遞表面積很大，體積傳質(zhì)系數(shù)很高，干燥速率大；② 接觸時間短，熱效率高，氣、固并流操作，可以采用高溫介質(zhì)，對熱敏性物料的干燥尤為適宜；③ 由于干燥伴隨著氣力輸送，

22、減少了產(chǎn)品的輸送裝置；④ 氣流干燥器的結構相對簡單，占地面積小，運動部件少，易于維修，成本費用低。,缺點：① 必須有高效能的粉塵收集裝置，否則尾氣攜帶的粉塵將造成很大的浪費，也會對形成對環(huán)境的污染；② 對有毒物質(zhì)，不易采用這種干燥方法。但如果必須使用時，可利用過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)；③ 對結塊、不易分散的物料，需要性能好的加料裝置，有時還需附加粉碎過程；④ 氣流干燥系統(tǒng)的流動阻力降較大，動力消耗較大。,應用：氣流干燥器適宜于處

23、理含非結合水及結塊不嚴重又不怕磨損的粒狀物料，尤其適宜于干燥熱敏性物料或臨界含水量低的細?；蚍勰┪锪?。對粘性和膏狀物料，采用干料返混方法和適宜的加料裝置，如螺旋加料器等，也可正常操作。,（3）流化床干燥器（沸騰床干燥器）,● 原理：流化床干燥器是流態(tài)化原理在干燥中的應用，流態(tài)化原理已在上冊中敘述。在流化床干燥器中，顆粒在熱氣流中上下翻動，彼此碰撞和混合，氣、固間進行傳熱、傳質(zhì)，以達到干燥目的。,● 優(yōu)點① 與其它干燥器相比，傳熱、傳質(zhì)

24、速率高；② 由于傳遞速率高，氣體離開床層時幾乎等于或略高于床層溫度，因而熱效率高；③ 由于氣體可迅速降溫，所以與其他干燥器比，可采用更高的氣體入口溫度；④ 設備簡單，無運動部件，成本費用低；⑤ 操作控制容易。,（4）噴霧干燥器,● 原理：在噴霧干燥器中，將液態(tài)物料通過噴霧器分散成細小的液滴，在熱氣流中自由沉降并迅速蒸發(fā)，最后被干燥為固體顆粒與氣流分離。,● 優(yōu)點① 在高溫介質(zhì)中，干燥過程極快，適宜于處理熱敏性物料；② 處理物

25、料種類廣泛，如溶液、懸浮液、漿狀物料等皆可；③ 噴霧干燥可直接獲得干燥產(chǎn)品，因而可省去蒸發(fā)、結晶、過濾、粉碎等工序；④ 能得到速溶的粉末或空心細顆粒；⑤ 過程易于連續(xù)化、自動化。,二、干燥器的選擇,（1）選擇干燥器需要考慮的問題 ① 被干燥物料的性質(zhì)； ② 濕物料的干燥特性 ； ③ 處理量； ④ 回收問題； ⑤ 能源價格、安全操作和環(huán)境因素。,● 缺點

26、： ① 熱效率低； ② 設備占地面積大、設備成本費高； ③ 粉塵回收麻煩，回收設備投資大。,（2）干燥器選擇步驟① 根據(jù)濕物料的形態(tài)、干燥特性、產(chǎn)品的要求、處理量和以及所采用的熱源為出發(fā)點，進行干燥實驗，確定干燥動力學和傳遞特性；② 確定干燥設備的工藝尺寸，結合環(huán)境要求，選擇出適宜的干燥器型式；③ 若幾種干燥器同時適用時，要進行成本核算及方案比較，選擇其中最佳者。,三、干燥新技術與新設備,（1）干燥新技術,① 過熱蒸汽干燥