北京化工大学 《化工原理》 课件 第八章 干燥

1、18. 干燥8.1 湿空气的性质与湿度图8.2 干燥过程的物料衡算与热量衡算8.3 干燥速率与干燥时间8.4 干燥器.2 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。去湿的方法可分为以下三类：机诫去湿：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。.3干燥过程的分类：常压干燥真空干燥连续式间歇式传导干燥（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按操作压力分按操作方式分按供热方式分.4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

2、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。.5 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气固固气温度差水汽分压差.6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。.78.1 湿空气的性质与湿度图8.1.1 湿空气的性质8.1.2 空气的湿度图及其应用.88.1.1湿空气的

3、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 .9一、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。H =Kg水汽Kg绝干空气=nwMwng Mg=18.02nw28.95ngnw：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。.10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，.11 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

4、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：.12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。.13【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：.14三、湿空

5、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。：干空气比热 = 1.01 kJ/kg干气 ：水汽比热 = 1.88 kJ/kg水汽 式中.152、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。.16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。

6、kJ/kg水汽；r0：0时水的汽化潜热。r0=2492 kJ/kg水汽。.17 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：.18四、湿空气的比容（湿容积）Hm3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.19、的数值为：所以：.20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.21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

7、的关系：五、露点 tdpd：td下的饱和蒸汽压。.22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.23湿球温度计工作原理分析.24湿球温度tw计算公式（推导过程见P332）:式中：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；：湿空气在温度为tw下的饱和湿度，kg水/kg干气；：空气的湿度， kg水/

8、kg干气。.25* 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：影响湿球温度tw的三方面因素：.26 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.27七、绝热饱和温度tas 定义：空气绝热增湿至饱和时的温度。绝热

9、饱和器工作原理分析：.28 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。推导过程见P334ras ：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 .29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，属于动平衡；tas ：是由热量横算与物料衡算导出的，属于静平衡。 tw 与 tas 数值上的差异取

10、决于/kH 与cH两者之间的差别。 .30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。 空气水体系， 空气甲苯体系，tw tas.318.1.2 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。.32二、湿度图的应用1、利用湿度图查取湿空气的物性.332、湿空气状态点的确定.34【例7-2】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

11、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？.35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。【例7-3】教材P281、例7-2.367.2 干燥过程的物料衡算与热量衡算7.2.1 湿物料中含水量7.2.2 干燥过程的物料衡算7.2.3 热量衡算7.2.4 空气出口状态的确定7.2.5 干燥器的热效率.377.2.1 湿物料中含水量两种表示方法：一、湿基含水量 w kg水/kg湿物料.38二、干基含水量 X kg水/kg干物料三、两者关系.39

12、7.2.2 干燥过程的物料衡算干 燥 流 程 图预热器L, t0 , H0L, t1 , H1干燥器L, t2 , H2 湿物料G1, w1, (X1), 1 产品G2, w2, (X2), 2新鲜空气废气.40L 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.41三、绝干空气用量 L kg干气/hrkg干气/kg水 比空气用量：每汽化1kg的水所需干空气的量。（单位空气消耗量）.42四、湿空气参数1. 湿空气用量kg湿气/kg水kg湿气/hr

13、2. 湿空气体积kg湿气/kg水kg湿气/hr3. 湿空气密度kg湿气/m3湿气.437.2.3 热量衡算QLI1, L, t1 , H1 产品G2, w2, (X2), 2 湿物料G1, w1, (X1), 1I2, L, t2 , H2废气I0, L, t0 , H0新鲜空气QP预热器QD干燥器.44QP：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1kg水所需热量：kJ/kg水.45一、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）.46cM：干燥后物料比热，kJ/kg湿料；cw：

14、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.472. 输出量（1）干物料带出焓值：（2）废气带出焓值：（3）热损失：输入输出物料升温所需热量.48所需外加总热量 q：.49.507.2.4 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：.51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。.52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.53 空气放出的显热完全用于蒸发水分所

15、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。其二.54二、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.553. 空气出口状态的确定方法即确定H2、I2(H2、I2)（1）计算法（2）图解法举一例题.567.2.5 干燥器的热效率一、热效率定义：二、影响热效率的因素1. .57 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.

16、回收废气中热量4. 加强管道保温，减少热损失.587.3 干燥速率与干燥时间7.3.1 物料中所含水分性质7.3.2 恒定干燥条件下的干燥速率7.3.3 恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间7.3.4 恒定干燥条件下降速阶段干燥时间.597.3.1 物料中所含水分性质一、物料与水分结合方式吸附水分：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。.60二、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。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）.

17、61三、结合水分与非结合水分结合水分 水与物料结合力强，pw ps。2. 非结合水分 水与物料结合力弱， 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。.62.63【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。.647.3.2 恒定干燥条件下的干燥速率一、干

18、燥速率定义单位时间、单位干燥面积汽化水分量。kg水/m2s恒定干燥条件：空气的温度、湿度、流速及物 料接触方式不变。.65二、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.662. 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.67三、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/m2s传热速率：恒速干燥速率.68恒速干燥特点：1. UUCconst.2. 物料表面温度为tw3. 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.69四、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.