化工原理教学讲义

1、6 干 燥教学要求：掌握湿空气的性质、湿度图及其应用、干燥过程的物料衡算和热量衡算、固体物料的干燥机理、干燥速率及干燥时间的计算；了解干燥操作的分类、基本原理及特点、常用干燥器的性能及应用范围。教学重点：湿空气性质；固体物料干燥过程的相平衡；恒定干燥条件下的干燥曲线和干燥速度曲线；基本干燥过程计算，包括干燥过程的物料衡算、热量衡算和干燥时间的计算；典型干燥设备的工作原理、结构特点。教学难点：湿空气性质中的绝热饱和温度tas和湿球温度tw的概念及二者的异同；6.1概述6.1.1物料的去湿方法    化工生产中的固体原料、产品或半成品为便于进一步的加工、运输

2、、贮存和使用，常常需要将其中所含的湿分（水或有机溶剂）去除至规定指标, 这种操作简称为"去湿"。"去湿"的方法可分为以下三类：机械去湿吸附去湿热能去湿即干燥"去湿"方法中较为常用的方法是干燥。干燥过程：利用热能除去固体湿物料中湿分的单元操作。干燥过程的本质：被除去的湿分从固相转移到气相中(固相为被干燥的物料，气相为干燥介质)。在去湿过程中，湿分发生相变，耗能大、费用高，但湿分去除较为彻底。干燥过程分类：（a）按操作压力可分为常压干燥、真空干燥。（b）按操作方式可分为连续式、间歇式。（c）按照热能供给湿物料的方式,干燥可分为以下四种：传

3、导干燥：热能通过传热壁面以传导方式加热物料，产生的蒸汽被干燥介质带走。对流干燥：干燥介质直接与湿物料接触，热能以对流方式传递给物料，产生蒸汽被干燥介质带走。辐射干燥：热能以电磁波的形式由辐射器发射到湿物料表面，被物料吸收转化为热能，使湿分汽化。介电加热干燥：将需要干燥的物料放在高频电场内，利用高频电场的交变作用，将湿物料加热，并汽化湿分。本章主要讨论干燥介质是空气，湿分是水的对流干燥过程。6.1.2对流干燥的特点对流干燥流程：图6-1干燥流程示意图如图6-1所示，湿空气经风机送入预热器，加热到一定温度后送入干燥器与湿物料直接接触，进行传质、传热，最后废气自干燥器另一端排出。 干燥若为连续过程，

4、物料被连续的加入与排出，物料与气流接触可以是并流、逆流或其它方式。若为间歇过程，湿物料被成批放入干燥器内，达到一定的要求后再取出。 经预热的高温热空气与低温湿物料接触时，热空气传热给固体物料，若气流的水汽分压低于固体表面水的分压时，水分汽化并进入气相，湿物料内部的水分以液态或水汽的形式扩散至表面，再汽化进入气相，被空气带走。所以，干燥是传热、传质同时进行的过程，但传递方向不同。传热传质方向从气相到固体从固体到气相推动力温度差水汽分压差干燥过程进行的必要条件：湿物料表面水汽压力大于干燥介质水汽分压；干燥介质将汽化的水汽及时带走。为确定干燥过程所需空气用量、热量消耗及干燥时间，而这些问题均与湿空气

5、的性质有关。为此，以下介绍湿空气的性质。6.2湿空气的性质与湿度图6.2.1湿空气的性质湿空气：含有湿分的空气。基准：干燥过程中，绝干空气的质量不变，故干燥计算以单位质量绝干空气为基准。 如何表征空气中所含水分的大小？通常用两个参数：湿度、相对湿度。1.湿度（湿含量）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 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

6、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。 式中：同温度下水的饱和蒸汽压，n/。注：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。定义式 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。=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。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。h、t 之间的函数关系： 可见，对水蒸汽分压相同，而

7、温度不同的湿空气，若温度愈高，则ps值愈大，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，下面来学习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。 kj/kg干空气·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干空气式中：r00时水蒸汽汽化潜热，其值为2492kj/kg。5.湿空气比容u

8、h 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。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。 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 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。 7.干、湿球温度（1）干球温度：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：如图所示，用水润湿纱布包裹温度计的感湿球，即成为一湿球温度计。将

9、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。过程分析：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。 计算式：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，湿纱布表面就达到一稳态温度，即湿球温度。经推导得： 式中：hw湿空气在温度为tw下的饱和湿度，kg水/kg干气；

10、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及都与空气速度的0.8次幂成正比，一般在气速为3.810.2m/s的范围内，比值/kh近似为一常数(对水蒸汽与空气的系统，/kh=0.961.005)。此时，湿球温度tw为湿空气温度t和湿度h的函数。注意：湿球温度不是状态函数；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。绝热饱和过程：不饱和气体在与外界绝热的条件下和大量的液体接触，若时间足够长

11、，使传热、传质趋于平衡，则最终气体被液体蒸汽所饱和，气体与液体温度相等，此过程称为绝热饱和过程。绝热饱和过程说明： 图6-2绝热饱和塔示意图图6-2表示了在一绝热良好的增湿塔中，湿度h和温度t的不饱和空气由塔底引入，水由塔底经循环泵送往塔顶，喷淋而下；与空气成逆流接触，然后回到塔底再循环使用。在该过程中，水量很大，达到稳定后，全塔的水温相同，设为tas。气液在逆流接触中，由于空气处于不饱和状态，水分则不断汽化进入空气。又由于系统与外界无热量交换，水分汽化所需汽化潜热只能取自空气的显热，于是气体沿塔上升时，不断地冷却和增湿，若塔足够高，使得气、液有充足的接触时间，气体到塔顶后将与液体趋于平衡，达

12、到过程的极限。此时，空气已被水分所饱和，液体不再汽化，气体的温度也不再降低，达到入口气体在绝热增湿过程的极限温度，其值与水温t相同，即为该空气的绝热饱和温度。 此时气体的湿度为tas下的饱和湿度has。塔内底部的湿度差和温度差最大，顶部为零。除非进口气体是饱和湿空气，否则，绝热饱和温度总是低于气体进口温度，即tast。由于循环水不断汽化至空气中，所以须向塔内补充一部分温度为tas的水。（2）计算式：以单位质量的干空气为基准，在稳态下对全塔作热量衡算,气体放出的显热液体汽化的潜热，即： 或 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、

13、tas已知时，可用上式来确定空气的湿度h。（3）特别说明：绝热饱和过程又可当作等焓过程处理。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（hmh），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（hash）。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。（4）湿球温度tw与绝热饱和温度tas的关系相同点（i）湿球温度和绝热饱和温度都不是湿气体本身的温度，但都和湿气体的温度t和湿度h有关，且都表达了气体入口状态已确定时与之接触

14、的液体温度的变化极限。（ii）对于空气和水的系统，两者在数值上近似相等。比较式和式可以看出，当时，。前已述及，对空气和水的系统, / =0.961.005，湿含量h不大的情况下（一般干燥过程h0.01），=1.01+1.88h=1.011.03。由此可知，对于空气和水的系统，湿球温度可视为等于绝热饱和温度。但对其它物系，/ =1.52，与ch相差很大，例如对空气和甲苯系统/ = 1.8，此时，湿球温度高于绝热饱和温度。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

15、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。不同点（i）tas是由热平衡得出的，是空气的热力学性质；tw则取决于气、液两相间的动力学因素传递速率。（ii）tas是大量水与空气接触，最终达到两相平衡时的温度，过程中气体的温度和湿度都是变化的；tw是少量的水与大量的连续气流接触，传热传质达到稳态时的温度，过程中气体的温度和湿度是不变的。（iii）绝热饱和过程中，气、液间的传递推动力由大变小、最终趋近于零；测量湿球温度时，稳定后的气、液间的传递推动力不变。以上介绍了表示湿空气的四种温度：干球温度t；湿球温度tw；绝热饱和温度tas；露点td。比较之有：不饱和湿空气：t&

16、gt;tw（tas）>td 饱和湿空气：ttw（tas）td6.2.2湿空气的湿度图及其应用为了便于计算，将空气各种性质标绘在湿度图中。湿度图的形式有两种：温度湿度图（简称：温湿图）、焓湿度图（简称：焓湿图）。一般常用的湿度图都是针对一定的总压而绘制的。如图6-3所示为在总压p=101.3kn/ 下绘制的温度湿度图（低温部分）。1.湿度图（1）温湿图图6-3 湿空气的湿度-温度图（p101.325kpa）等温线等湿线绝热饱和(冷却)线等相对湿度线湿比热线比容线（2）焓湿图等温线等湿线等焓线等相对湿度线水蒸汽分压线2.湿度图的应用（1）湿空气性质参数的确定湿度图中的任何一点都代表某一确定的

17、湿空气性质和状态，只要依据任意两个独立性质参数，即可在th（或ih）图中找到代表该空气状态的相应点，于是其它性质参数便可由该点查得。（2）湿空气状态变化过程的图示加热和冷却：不饱和空气在间壁式换热器中的加热或冷却是一个湿度不变的过程。如图6-4（a）所示，由a到b表示一加热过程；如图6-4（b）表示一冷却过程。冷却先是由温度始沿等h线降温，使温度下降至露点，空气达到饱和。再继续降温，则有冷凝水析出，然后湿空气沿饱和线减湿降温。绝热饱和过程：湿空气与水或湿物料的接触传递系统中，若为绝热过程，则如图8.5所示，空气将沿着绝热冷却线ab增湿降温。如前所述，若忽略蒸发水分在初始状态下的显热，绝热饱和过

18、程可近似认为是一个等焓过程。非绝热的增湿过程：在实际干燥过程中，空气的增湿降温过程大多不是等焓的，如有热量补充，则焓值增加，如图6-5中ab'所示的过程；如有热损失，则焓值降低，如图8.5中ab''所示的过程。 图6-4 加热、冷却过程 图6-5 绝热、非绝热增湿过程不同温度、湿度的气流的混合过程：如图6-6所示，状态为a和b的两股气流，其温度和湿度分别为、和、，现a与b按m：n（质量）混合。显然，两股气流混合后的状态c必然在点a、b的联线上，其位置可按杠杆定律求出。图6-6两股气流的混合6.3干燥过程的物料衡算与热量衡算干燥过程是热、质同时传递的过程。进行干燥计算，必

19、须解决干燥中湿物料去除的水分量及所需的热空气量。湿物料中的水分量如何表征呢？6.3.1湿物料中的含水量湿物料中的含水量有两种表示方法1.湿基含水量w kg水/kg湿料2.干基含水量x kg水/kg绝干物料3.二者关系 说明：干燥过程中，湿物料的质量是变化的，而绝干物料的质量是不变的。因此，用干基含水量计算较为方便。6.3.2干燥过程的物料衡算预热器干燥器 产品g2, w2, (x2), q2l, t1 , h1湿物料g1, w1, (x1), q1l, t0 , h0新鲜空气l, t2 , h2废气 图6-7 物料衡算符号说明：l：绝干空气流量，kg干气/h；g1、g2：进、出干燥器的湿物料量

20、，kg湿料/h；gc：湿物料中绝干物料量，kg干料/h。目的：通过干燥过程的物料衡算，可确定出将湿物料干燥到指定的含水量所需除去的水分量及所需的空气量。从而确定在给定干燥任务下所用的干燥器尺寸，并配备合适的风机。1.湿物料的水分蒸发量wkg水/h 通过干燥器的湿空气中绝干空气量是不变的，又因为湿物料中蒸发出的水分被空气带走，故湿物料中水分的减少量等于湿物料中水分汽化量等于湿空气中水分增加量。即：所以：2.干空气用量lkg干气/h令 kg干气/kg水l称为比空气用量，即每汽化1kg的水所需干空气的量。因为空气在预热器中为等湿加热，所以h0h1，因此l只与空气的初、终湿度有关，而与路径无关，是状态

21、函数。湿空气用量： kg湿气/h 或 kg湿气/kg水湿空气体积： m3湿气/h 或 m3湿气/kg水6.3.3干燥过程热量衡算通过干燥器的热量衡算，可以确定物料干燥所消耗的热量或干燥器排出空气的状态。作为计算空气预热器和加热器的传热面积、加热剂的用量、干燥器的尺寸或热效率的依据。1.流程图图6-8干燥器热量衡算温度为，湿度为h0，焓为的新鲜空气，经加热后的状态为t1、h1、i1，进入干燥器与湿物料接触，增湿降温，离开干燥器时状态为t2、h2、i2，固体物料进、出干燥器的流量为g1、g2，温度为1、2，含水量为x1、x2。通过流程图可知，整个干燥过程需外加热量有两处，预热器内加入热量qp，干燥

22、器内加入热量qd。外加总热量qqpqd。将q折合为汽化1kg水分所需热量2.预热器热量衡算 若忽略热损失，则 kj/kg水3.干燥器的热量衡算（1）输入量湿物料带入热量式中：干燥后物料比热，kj/kg湿料：水的比热，kj/kg水：绝干物料比热，kj/kg干料空气带入的焓值 干燥器补充的热量 （2）输出量干物料带出焓值 废气带出焓值 热损失 在稳定干燥过程中，输入量等于输出量，干燥器热量衡算式为：6.3.4干燥器空气出口状态的确定 由于空气在干燥器内发生增湿降温变化过程，如何确定废气出口状态，需对不同干燥过程进行分析。1.等焓干燥过程（理想干燥过程、绝热干燥过程）等焓干燥过程是指干燥在绝热情况下

23、进行的，空气在进出干燥器的焓值不变，即i1i2。令：则：若为等焓过程，则i1i2，d0。可用求出（h2、i2）。等焓干燥过程有以下两种情况：a.整个干燥过程无热损失、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。b.干燥过程中湿物料中水分带入的热量及补充的热量刚好与热损失及升温物料所需的热量相抵消。2.实际干燥过程很显然，只有在保温良好的干燥器和湿物料进出干燥器温度相差不大的情况下，才可近似当作等焓过程处理。由于对干燥器的绝热保温很难，因此实际干燥过程是在非绝热情况下进行的，即。（1）当补充的热量大于损失的热量时，。（2）当补充的热量小于损失的热量时，。6.3.5干燥器的热效

24、率干燥器的热效率是干燥器操作性能的一个重要指标。热效率高，表明热的利用程度好，操作费用低，同时可合理利用能源，使产品成本降低。因此，在操作过程中，希望可获得尽可能高的热效率。1.定义2.提高热效率途径（1）当t0，t1一定时， 但因此在设计时规定：t2要比热空气进入干燥器时的湿球温度tw高2050。（2）当t0，t2一定时， 提高空气的预热温度，可提高热效率。空气预热温度高，单位质量干空气携带的热量多，干燥过程所需要的空气量少，废气带走的热量相应减少，故热效率得以提高。但是，空气的预热温度应以湿物料不致在高温下受热破坏为限。对不能经受高温的材料，采用中间加热的方式，即在干燥器内设置一个或多个中

25、间加热器，往往可提高热效率。（3）尽量利用废气中的热量，如用废气预热冷空气或湿物料，减少设备和管道的热损失，都有助于热效率的提高。6.4干燥速率与干燥时间通过干燥器的物料衡算及热量衡算可以计算出完成一定干燥任务所需的空气量及热量。但需要多大尺寸的干燥器以及干燥时间长短等问题，则必须通过干燥速率计算方可解决。对于物料的去湿过程经历了两步：首先是水分从物料内部迁移至表面，然后再由表面汽化而进入空气主体。故干燥速率不仅取决于空气的性质及干燥操作条件，而且还与物料中所含水分的性质有关。6.4.1物料中所含水分的性质根据物料在一定干燥条件下，其所含水分能否用干燥的方法除去来划分，可分为平衡水分与自由水分

26、。平衡水分：等于或小于平衡含水量，无法用相应空气所干燥的那部分水分。自由水分：湿物料中大于平衡含水量，有可能被该湿空气干燥除去的那部分水分。根据物料与水分结合力的状况，可分为结合水分和非结合水分。图6-9 平衡含水量曲线结合水分：凡湿物料的含水量小于xs的那部分水分称为结合水分。此时, 其蒸汽压都小于同温度下纯水的饱和蒸汽压。非结合水分：含水量超过xs的那部分水分称为非结合水分。此时，湿物料中的水分的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。图6-10 水分的类两种分类方法的不同：平衡水分与自由水分，结合水分与非结合水分是两种概念不同的区分方法。自由水分是在干燥中可以除去的水分，而平衡水分是不能除去

27、的，自由水分和平衡水分的划分除与物料有关外，还决定于空气的状态。非结合水分是在干燥中容易除去的水分，而结合水分较难除去。是结合水还是非结合水仅决定于固体物料本身的性质，与空气状态无关。6.4.2恒定干燥条件下的干燥速率干燥速率的大小直接影响到物料干燥所需要的时间，所以干燥速率是影响干燥操作的重要条件。1.干燥速率定义：单位时间、单位干燥面积汽化的水分量。2.干燥曲线与干燥速率曲线某物料在恒定干燥条件下干燥，可用实验方法测定干燥曲线及干燥速率曲线。什么是恒定干燥条件？恒定干燥条件：指干燥过程中空气的湿度、温度、速度以及与湿物料的接触状况都不变。（1）干燥曲线图6-11 干燥曲线（2）干燥速率曲线

28、图6-12 恒定干燥条件下干燥速率曲线（3）曲线分析：ab（或a'b）段：a点代表时间为零时的情况，ab为湿物料不稳定的加热过程，在该过程中，物料的含水量及其表面温度均随时间而变化。物料含水量由初始含水量降至与b点相应的含水量，而温度则由初始温度升高(或降低)至与空气的湿球温度相等的温度。一般该过程的时间很短，在分析干燥过程中常可忽略，将其作为恒速干燥的一部分。bc段：在bc段内干燥速率保持恒定，称为恒速干燥阶段。在该阶段：湿物料表面温度为空气的湿球温度；c点：由恒速阶段转为降速阶段的点称为临界点，所对应湿物料的含水量称为临界含水量，用xc表示。临界含水量与湿物料的性质及干燥条件有关。

29、表6.1、6.2给出了不同物料临界含水量的范围。 表6.1不同物料临界含水量的范围表6.2某些物料临界含水量（大约值）cde段：随着物料含水量的减少，干燥速率下降，cde段称为降速干燥阶段。干燥速率主要取决于水分在物料内部的迁移速率。不同类型物料结构不同，降速阶段速率曲线的形状不同。 图6-13 图6-14某些湿物料干燥时，干燥曲线的降速段中有一转折点d，把降速段分为第一降速阶段和第二降速阶段。d点称为第二临界点，如图6-13所示。但也有一些湿物料在干燥时不出现转折点，整个降速阶段形成了一个平滑曲线，如图6-14所示。降速阶段的干燥速率主要与物料本身的性质、结构、形状、尺寸和堆放厚度有关，而与

30、外部的干燥介质流速关系不大。e点：e点的干燥速率为零，即为操作条件下的平衡含水量。需要指出的是，干燥曲线或干燥速率曲线是在恒定的空气条件下获得的，对指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同。3.恒速干燥阶段的干燥速率 恒速干燥的前提条件：湿物料表面全部润湿。即湿物料水分从物料内部迁移至表面的速率大于水分在表面汽化的速率。若物料最初潮湿，在物料表面附着一层水分，这层水分可认为全部是非结合水分，物料在恒定干燥条件下干燥时，物料表面的状况与湿球温度计湿纱布表面状况相似，物料表面温度q 即为tw。 若维持恒速干燥，必须使物料表面维持润湿状态，水分从湿物料到空气中实际经历两步：首先由物料内部迁移至表面，然后再从表面汽化到空气中。若水分由物料内部迁移至表面的速率大于或等于水分从表面汽化的速率，则物料表面保持完全润湿。由于此阶段