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第7章 固体干燥 7.1 概述 7.2 湿空气的性质与湿度图 7.3 固体物料的干燥平衡 7.4 干燥过程的计算 7.5 干燥速率与干燥时间器 7.6 干燥器 7.7 固体干燥过程的强化与展望,在化工生产中，一些固体产品或半成品可能混有大量的湿分，将湿分从物料中去除的过程，称为去湿。,去湿的方法及适用场合：,机械去湿：用于去除固体物料中大部分湿分。,吸附去湿：用于去除少量湿分。,热能去湿（干燥）：向物料供热以汽化其中 的湿分的单元操作。,7.1 概述,干燥过程的分类：,常压干燥 真空干燥,连续式 间歇式,根据供热方式不同，干燥可分为以下四种情况：,传导干燥（间接加热干燥）： 热能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辐射到湿物料表面。 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。,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,干燥过程进行的必要条件： * 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。,7.2 湿空气的性质与湿度图,7.2.1 湿空气的性质,7.2.2 空气的湿度图及其应用,7.2.1 湿空气的性质,通常用两个参数来表征空气中所含水分的大小： 湿度 H 及相对湿度 ,一、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。,湿空气是由水蒸汽和绝干空气构成。,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：水汽的摩尔质量，kg.kmol-1； Mg：空气的平均摩尔质量， kg.kmol-1。,质量比,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 。,二、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=2.33 kPa，总压 p = 101.3 kPa，温度为 20 、 50 和 120 ，求 H和 值 。,相对湿度 与湿度 H 的关系：,从绝对湿度H的定义(单位质量干空气所含气态水的质量)看，当PWP时，H。 因此H的定义域为PWP。 空气中的水蒸汽分压PW不可能大于总压。,三、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1 kg 干空气和其所带有的 H kg水 汽升高温度 1 所需的热量。,：干空气比热 = 1.01 kJ/(kg干气),：水汽比热 = 1.88 kJ/(kg水汽),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作计算基准。,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升温至 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：汽态水的焓值， kJ/kg水汽； r0：0时水的汽化潜热，r0=2492 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：I=f ( H, t ),四、湿空气的比容（湿容积）H m3湿空气/kg干气 定义：每单位质量绝干空气中所具有的湿空气（绝干 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，,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。,饱和湿度 HS 与露点 td 的关系：,五、露点 td,pd：td下的饱和蒸汽压。,干球温度t是用普通温度计测得的湿空气的真实温度。,湿球温度计在空气中所达到的平衡或稳定的温度。,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。,六、干球温度 t,七、湿球温度 tw,湿球温度计工作原理分析,湿球温度 tw 计算公式:,式中：,：空气至湿纱布的对流传热系数，Wm-2-1；,：以湿度差为推动力的传质系数，kgm-2s-1；,：水在湿球温度 tw 时的汽化潜热，kJkg-1水；,：湿空气在温度为 tw下的饱和湿度，kg水/kg干气；,：空气在温度为t下实际的湿度， 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 都与Re 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：,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-1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),八、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：,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-1干气-1,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，空气的 t、H 不变； tas ：大量水与一定量空气接触，空气降温、增湿。,tw ：传热与传质速率均衡的结果，属于动平衡； tas ：由热量衡算与物料衡算导出，属于静平衡。,tw 与 tas 数值上的差异取决于/kH 与cH两者之间的差别。,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。, 空气甲苯体系，,，tw tas,7.2.2 空气的湿度图及其应用,一、湿度图,五条线： 1. 等 H 线； 2. 等 I 线； 3. 等 t 线； 4. 等 线； 5. 水蒸气分压线。,二、湿度图的应用,1. 利用湿度图查取湿空气的物性,2. 湿空气状态点的确定,【例7-2】 在总压101.3kPa时，已知70C, 相对湿度20%，求湿度H、焓值I、绝热饱和温度tas亦湿球温度tW 、空气中水分压p、露点温度td。 查图可得焓值I=180， 绝对湿度H=0.04 绝热饱和温度tas=40 C， 空气中水分压p=6kPa 露点温度td=35C 注意，总压为一大气压，偏离不大时可直接用,湿空气焓-湿图的使用,【例7-3】在总压为101.3kPa下，空气的温度为20，湿度为0.01 kg水/kg干气。试求： 1. 、td 、 tw； 2. 总压P与湿度H不变，将空气温度提高至50时的 ； 3. 温度t与湿度H不变，将空气总压提高至120kPa 时的 ； 4. 若总压提高至300kPa，温度仍为20，每100m3原来的湿空气所冷凝出来的水分量？,理解为将100m3101.3kPa湿空气压缩到300kPa,湿球温度下的,结论：,因此，提高湿空气温度 t，不仅提高了湿空气的焓值，使其作为载热体外，也降低了相对湿度使其作为载湿体。,7.3 干燥过程的物料衡算,7.3.1 物料中水分含量的表示方法 7.3.2 水分在气-固两相间的平衡,7.3.1 物料中水分含量的表示方法,两种表示方法：,一、湿基含水量 w kg水/kg湿物料,二、干基含水量 X kg水/kg干物料,三、两者关系,一、物料与水分结合方式,附着水分：湿物料的粗糙外表面附着的水分。 毛细管水分：多孔性物料的孔隙中所含的水分。 溶胀水分：是物料组成的一部分，可透入物料细胞 壁内，使物料的体积为之增大。,二、平衡水分与自由水分,1. 平衡水分（X*）, 不能用干燥方法除去的水分。,7.3.2 水分在气-固两相间的平衡,2. 自由水分（XX*）, 可用干燥方法除去的水分。,X* = f（物料种类、空气性质）,三、结合水分与非结合水分,结合水分 水与物料有结合力，pw ps。,吸水性弱的,小,2. 非结合水分 水与物料无结合力， pw ps。,结合水分与非结合水分只与物料的性质有关，而与空气的状态无关，这是与平衡水分的主要区别。,平衡水分一定是结合水分。,【例7-4】在常压25下，水分在ZnO与空气间的平衡关系为： 相对湿度 100%，平衡含水量X*0.02 kg水/kg干料 相对湿度 40%，平衡含水量X*0.007 kg水/kg干料 现ZnO的含水量为0.25 kg水/kg干料，令其与25， 40%的空气接触，求物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。,7.4.1 干燥过程的物料衡算,7.4 干燥过程的计算,L 绝干空气质量流量，kg干气/hr； G1、G2 物料进出干燥器总量，kg物料/hr。,一、绝干物料量Gc kg干物料/hr,二、汽化水分量 W kg水/hr,水分汽化量湿物料中水分减少量湿空气中水分增加量,三、绝干空气用量 L kg干气/hr,kg干气/kg水,四、湿空气参数,1. 湿空气用量,kg湿气/kg水,2. 湿空气体积,kg湿气/kg水,3. 湿空气密度,kg湿气/m3湿气,7.4.2 干燥过程的热量衡算,QP：预热器内加入热量，kJ/hr； QD：干燥器内加入热量，kJ/hr。,外加总热量 QQPQD,汽化 1 kg 水所需热量：,kJ/kg水,一、预热器的加热量计算 qP,若忽略热损失，则,kJ/kg水,二、干燥器的热量衡算,输入量,（1）湿物料带入热量（焓值） kJ/kg湿料,cM：干燥后物料比热，kJ/kg湿料； cw：水的比热， kJ/kg水。,（2）空气带入的焓值,kJ/kg水,（3）干燥器补充加入的热量,kJ/kg水,2. 输出量,（1）干物料带出焓值：,（2）废气带出焓值：,（3）热损失：,输入输出,所需外加总热量 q：,7.4.3 干燥系统的热效率,一、热效率,定义：,二、影响热效率的因素,1.,因此，t2 不能过低，一般规定 t2 比进入干燥器时空气的湿球温度 tw 高20 50。,2.,3. 回收废气中热量；,4. 加强管道保温，减少热损失。,7.4.4 干燥器空气出口状态的确定,一、等焓干燥过程（绝热干燥过程或理想干燥过程）, 空气在进、出干燥器的焓值不变。,过程分析：,令：,则有：,：外界补充的热量及湿物料中被汽化水分 带入的热量；,：热损失及湿物料进出干燥器热量之差。,等焓过程：,等焓过程又可分为两种情况，其一,无热损失,湿物料不升温,干燥器不补充热量,湿物料中汽化水分带入的热量很少,空气放出的显热完全用于蒸发水分所需的潜热，而水蒸汽又把这部分潜热带回到空气中，所以空气焓值不变。,以上两种干燥过程均为等焓干燥过程。,若,即：湿物料中水分带入的热量及干燥器补充的热 量正好与热损失及物料升温所需的热量相抵 消，此时，空气的焓值也保持不变。,其二,二、实际干燥过程,1. 补充热量大于损失的热量,即, 在非绝热情况下进行的干燥过程。,2. 补充热量小于损失的热量,即,3. 空气出口状态的确定方法, 即确定H2、I2,（1）计算法,（2）图解法,7.5 干燥速率与干燥时间,7.5.1 干燥速率 7.5.2 恒定干燥条件下干燥时间的计算,7.5.1 干燥速率,一、干燥速率定义, 单位时间、单位干燥面积汽化水分量。,kg水.m-2s-1,二、干燥曲线及干燥速率曲线, 用于描述物料含水 量 X、干燥时间 及 物料表面温度之间 的关系曲线。,1. 干燥曲线,2. 干燥速率曲线,ABC段：恒速干燥阶段 AB段：预热段 BC段：恒速段 CDE段：降速干燥阶段,C点：临界点 XC：临界含水量 E点：平衡点 X*：平衡水分,三、恒速干燥阶段,前提条件：湿物料表面全部润湿。,汽化速率（传质速率）：,kg水.m-2s-1,传热速率：, 恒速干燥速率,恒速干燥特点：,1. UUCconst. 2. 物料表面温度为 tw 3. 去除的水分为非结合水分 4. 影响 U 的因素： 恒速干燥阶段表面汽化控制阶段 只与空气的状态有关，而与物料种类无关。,四、降速干燥阶段,实际汽化表面减小 汽化面内移,降速干燥阶段特点：,1.,2. 物料表面温度,3. 除去的水分为