化工原理幻灯片4--干燥

1、第七章 干燥 (Drying),第二节 湿空气的性质与湿度图,第三节 干燥过程的物料衡算与热量衡算,第四节 干燥速率与干燥时间,第五节 干燥器,第一节 概述,第一节 概述,去湿在化学工业中，有些固体原料、半成品和成品中含有水分和或其它溶剂（统称为湿分）需要除去。,2物理化学去湿法：用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸收湿分。因这种方法费用高，故只适用于小批量固体物料的去湿，或用于除去气体中的水分。（除去小量水分）,3. 热能去湿法（干燥）： 即借助热能使溶剂从物料中汽化, 并排除所生成的蒸气来除去湿分。 这种方法去湿完全， 但能耗较大。,1机械去湿法：即通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除去湿分，这些方法应用于溶剂无需完全除尽的情况，能量消耗较少。 （除去大量水分）,一、去湿方法有三类：,例如： 聚氯乙烯的含水量须低于0.2%，否则在其制品中将有气泡生成； 抗菌素的含水量太高则会影响其使用期限等等。 其他应用： 如副产品的加工、造纸、纺织、制革、木材加工和食品工业中。,二、干燥的目的 为了使物料便于运输、加工处理，贮藏和使用。,三、干燥过程的分类：,常压干燥 真空干燥,连续式 间歇式,

2、传导干燥（间接加热干燥） 对流干燥（直接加热干燥） 辐射干燥 介电加热干燥,根据供热方式不同：,传导干燥（间接加热干燥）： 热能(加热蒸汽)通过壁面以传导方式加热物料。 对流干燥（直接加热干燥）： 干燥介质(热空气和热烟道气)与湿物料直接接 触，并以对流方式加热湿物料。 辐射干燥： 热能以电磁波的形式射到湿物料表面,如微波炉。 辐射源可分为电能(发射红外线，远红外线或微波 等)和热能两种。 介电加热干燥： 将湿物料置于高频电场内，使其被加热。, 本章主要讨论对流干燥，干燥介质是热空气，除去的湿分是水分。,四、对流干燥过程,1、对流干燥的流程,2、对流干燥的特点,湿物料,t,tw,pV,pW,Q,N,气膜,对流干燥是传热、传质同时进行的过程，但传递方向不同，是热、质反向传递过程：,传热,传质,方向,推动力,温度差,水汽分压差,热空气主体,* 物料表面水汽压力大于干燥介质中水汽分压； * 干燥介质要将汽化的水分及时带走。,3、干燥过程进行的必要条件：,第二节 湿空气的性质与湿度图,一 、湿空气的性质,二、 空气的湿度图及其应用,一、湿空气的性质,1、湿空气中湿含量的表示方法（空气中所含水分

3、的大小）：,湿空气：干空气和水蒸汽的混合物。,水气分压pW,湿度 H,相对湿度 ,（1）、湿空气中水气分压pW,p=pg+pW,pW=y p,不饱和空气,pg干空气分压,饱和空气,pW=ps,ps水的饱和蒸气压,水汽分压最大值，失去介质作用,干燥介质,（2）、湿度（湿含量）H 定义：湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气 质量之比。,nw湿空气中水汽的摩尔数，kmol； ng湿空气中绝干空气的摩尔数，kmol； Mw水汽的分子量，kg/kmol； Mg空气的平均分子量， kg/kmol。,kg（水）/kg(干气）,当湿空气可视为理想气体时，则有：,式中：pw为空气中水蒸汽分压。,即：,当P为一定值时，,当湿空气中水蒸汽分压 pw 恰好等于同温度下，水蒸汽的饱和蒸汽压 ps时，则表明湿空气达到饱和，此时的湿度H为饱和湿度Hs。,（3）、相对湿度 定义：在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压pw与 同温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数。,即：,即：,【结论】： 湿度 H 只能表示出水汽含量的绝对值，而相对湿度 却能反映出湿空气吸收水汽的能力。,当 =1时： pw = ps，湿空气达饱和，不可作

4、为干燥介质； 当 1时： pw ps，湿空气未达饱和，可作为干燥介质。, 越小，湿空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。,【例7-1】 湿空气中水的蒸汽分压 pw=17.5mmHg，总压 P=760mmHg，求20 时的相对湿度 ；若空气分别被加热到50和120，求值 。,相对湿度 与湿度 H 的关系：,2、湿空气的比热与焓 (1）、湿比热（湿热）cH kJ/kg干气 定义：在常压下，将1kg干空气和其所带有的Hkg水 汽升高温度1所需的热量。,：干空气定压比热 = 1.01 kJ/kg干气 ,：水汽定压比热 = 1.88 kJ/kg水汽 ,0120 时,（2）、焓（热含量）I kJ/kg干气 定义：湿空气的焓为干空气的焓与水汽的焓之和。 计算基准： 以0干空气及0液态水的焓值为0作基准。, 因此，对于温度为t、湿度为H 的湿空气， 其焓值包括由0的水变为0水汽所需的潜热及湿空气由0生温至t所需的显热之和。,即：,式中： I：温度为t、湿度为H的湿空气的焓值。kJ/kg干气； Ig：干空气的焓值。 kJ/kg干气； Iv：水汽的焓值。 kJ/kg水汽； r0：0时水的汽化潜热。r0=24

5、92 kJ/kg水汽。,由上式可知，湿空气的焓值只与湿空气的湿度及温度有关。即：,3、湿空气的比容（湿容积）H m3湿空气/kg干气 定义：每单位质量干空气中所具有的湿空气（干 空气和水蒸汽）的总体积。,式中：,：压力P 、温度t下湿空气比容。 m3湿气/kg干气,：压力P 、温度t下干空气比容。 m3干气/kg干气,：压力P 、温度t下水汽比容。 m3水/kg水,所以：,综合以上分析可得：,当总压力P为一定值时，,另外：湿空气密度,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。,湿度H与露点 td 的关系：,（1）、露点 td,Pdtd下的饱和蒸汽压。,4、湿空气的温度,湿球温度计：温度计的感温球用纱布包裹，纱布用水 保持湿润，这支温度计为湿球温度计。,不饱和空气的湿球温度 tw低于干球温度 t。,（3）、湿球温度 tw,干球温度t是用普通温度计测得的湿空气的真实温度。,（2）、干球温度 t,湿球温度 tW：将湿球温度计置于一定的温度和湿度的湿 空气中，达到稳定时所显示的温度为湿空气的。,简称空气的温度。,湿球温度计工作原理分析,HHS传质 (湿球表面水汽化

6、) 传热Q1(湿球空气) 湿球温 度tW) twt传热Q2(空气湿球)当Q1Q2时，达到平衡。,测量刚开始时，设纱布中水分的温度与空气的温度相同。,动态平衡,在单位时间内，由空气传给湿纱布的热量为,水蒸汽向湿空气的传质速率为,在达到稳定状态下，对水作热量衡算可得：,（1）,（2）,湿球温度与空气温度及湿度关系式的推导：,湿球温度tw计算公式,式中：,联立(1)和(2)整理得：,空气至湿纱布的对流传热系数，W/m2 ；,以湿度差为推动力的传质系数，kg/m2 sH；,水在湿球温度tw时的汽化潜热，kJ/kg水；,空气的湿度， kg水/kg干气。,湿空气在温度为tw下的饱和湿度，kg水/kg干气；,* 物系性质：与 、 kH有关的物性； * 空气状态：t、H； * 流动条件：/kH 。,实验表明，与 kH都Re与的0.8次幂成正比，故 与kH之比值与流速无关，只与物性有关。 当物系已确定，则物系性质就不再改变，此时，湿球温度只与气相状态有关，即：,【讨论】：影响湿球温度tw的三方面因素：,对于空气水系统： 当空气流速 u 5m/s时，传热以对流方式为主，有：,因此，湿球温度是湿空气的温度和

7、湿度的函数， 即，当 t、H一定时，tw也为定值。可写为：, 在实际生产中，常常利用干、湿球温度计来测量空气的湿度。,1.09kJ/kg,（4）、绝热饱和温度tas 定义：空气绝热增湿至饱和时的温度。 绝热饱和器工作原理分析：,水汽表面pvpw水汽化t水，至稳定状态t水tas，tast,pw,静态平衡。,空气t，至稳定状态t水tas H，至tas下的饱和Has,经过以上分析可知，在空气绝热增湿过程中，空气失去的显热与汽化水分带来的潜热相等，空气的温度和湿度虽随过程的进行而变化，但其焓值不变。,ras tas温度下水的汽化潜热，kJ/kg水； Has空气的绝热饱和湿度，kg水/kg干气； cH 湿空气的比热， kJ/kg干气 ,进入饱和器的湿空气(t，H)焓离开饱和器的湿空气焓(tas，Has),绝热饱和温度tw,湿球温度 tw 与绝热饱和温度 tas 的关系：,tw ：大量空气与少量水接触，空气t、H的不变； tas ：大量水与一定量空气接触，空气降温、增湿。,tw ：是传热与传质速率均衡的结果，属于动态平衡； tas ：是由热量横算与物料衡算导出的，属于静态平衡。,tw 与 tas

8、数值上的差异取决于/kH 与cH两者之间的差别。,【讨论】：,当空气为不饱和状态：t tw (tas) td； 当空气为饱和状态： t = tw (tas) = td。,例7-3 已知湿空气的总压为101.3kPa，相对湿度为50%，干球温度为20o C。 试求(a) 湿度 (b) 水蒸汽分压p (c) 露点td (d) 焓 (e) 如将500kg/h干空气预热至117o C，求所需热量； (f) 每小时送入预热器的湿空气体积。,解 P=101.3kPa ，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=2.34kPa,(a)湿度,(b)水蒸汽分压,露点是空气在湿度或水蒸汽分压pv不变的情况下，冷却达到饱和时的温度。 所以可由pv=1.17kPa 查饱和水蒸汽表，得到对应的饱和温度td=9oC。,(c)露点td,(d)焓,(e)热量,(f)湿空气体积,表示湿空气性质的各参数：,湿度： pV， ，H 温度： t，td，tw，tas 比热和焓： cH，I 比容： vH,二、空气的湿度图及其应用,湿度图有关参数,pVf (H),总压P一定时，各参数的影响因素：

9、,pV H I td tw tas,1.等 H 线； 2.等 I 线； 3.等 t 线； 4.等 线； 5.水蒸气分压线。,以湿空气的焓值I为纵坐标，湿度H为横坐标的焓湿图；,根据总压P=101.325kPa(760mmHg)为基础 。,五条线：,在同一根等H线上不同状态的点都具有相同的湿度值。,湿度为H的湿空气冷却到饱和状态( =100)下的温度为露点td 。,常见情况： 加热和冷却过程。,(1)等湿度线(等H线)，是一组与纵轴平行的直线。,所以，状态不同而湿度相同的湿空气，具有相同的露点。,H,I,t, 100,td,在同一根等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，其值在纵轴上读出。,(2)等焓线(等I 线)，是一组与横轴平行的直线。,H,I,t,I,t,(3)等温线(等t线)，将式焓的表达式改写成,由上式可知，当空气的干球温度t不变时，I与H成直线关系，故在I-H图中对应不同的t，可作出许多等t线。 各种不同的温度的等温线，与水平轴成倾斜，其（IH）斜率为(1.88t+2492)，故温度愈高，其斜率愈大。,因此，这许多成直线的等t线并不是互相平行的。,H,I,t,(4)等相对湿度线（等 线）,P101.325kPa,图中包括 5%100%的一系列曲线。,H,I,t, 100,由图中可见：,为一定，t， ,（2）图中 线三个区： 100%的曲线称为饱和空气线，此时空气完全被水汽所饱和； 饱和空气线以上( 100%)为不饱和区域，此区对干燥操作有意义； 饱和线以下为过饱和空气区，此时湿空气成雾状，它会使物料增湿，故在干燥操作中要避免。,（1） ，作为干燥介质时，吸收水汽的能力愈强，,故湿空气进入干燥器之前必须经过预热器预热提高温度。

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