化工原理课件7.ppt

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

2、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,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

3、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

4、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=yp,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）

5、/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，不可作为干燥介质；当1时：pwps，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

6、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）cHkJ/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=1.01kJ/kg干气,：水汽定压比热=1.88kJ/kg水汽,0120时,（2）、焓（热含量）IkJ/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

7、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=2492kJ/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）Hm3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：

8、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)传热Q1(湿球空气)湿球温度tW)twpw水汽化

9、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tasH，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。,rastas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

10、：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：ttw(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20oC。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117oC，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=20oC，由饱和水蒸汽表查得，水在20oC时之饱和蒸汽压为ps=2.34

11、kPa,(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：,pVHItdtwtas,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=101.325kP

12、a(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

13、，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

14、入干燥器之前必须经过预热器预热提高温度。目的：提高湿空气的焓值使其作为载热体降低其相对湿度而作为载湿体。,【讨论】：,该线表示空气的湿度与空气中的水蒸汽分压pV之间关系曲线。,总压不变时，水蒸汽的分压pVf（）水蒸汽分压标于右端纵轴上，其单位为kPa。,(5)水蒸汽分压线,将湿度的表达式改写成,H,I,t,PV,1.间接加热过程,几种常见过程：,H恒定tI,等湿过程,2.间接冷却过程,td,tc,H恒定tI,等湿过程,3.绝热降温增湿过程：,达到饱和状态下c的温度即为tas(tw)。,I恒定tH,等焓过程,(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,独立参数：

15、tH，I，tpV，td，tW,任意两独立参数可确定一状态点。,例7-4已知湿空气的总压为101.3kPa,相对湿度为50%，干球温度为20oC。试用I-H图求解：(a)水蒸汽分压pV；(b)湿度；(c)热焓；(d)露点td；(e)湿球温度tw；,(f)如将含500kg/h干空气的湿空气预热至117oC，求所需热量。,1.2kPa,E,1138,解：由已知条件：101.3kPa，050%，t0=20oC在I-H图上定出湿空气的状态点点。(a)水蒸汽分压pV由点沿等线向下交水蒸汽分压线于C，在图右边纵坐标上读出得p=1.2kPa。,(b)湿度由点沿等线交水平轴，读得0.0075kg水/kg干空气。

16、,(c)热焓通过点作等线的平行线，交纵轴，读得039kJ/kg干空气。,1.2kPa,(e)湿球温度tw由点沿等线与=100%饱和线相交于D点，由等t线读得tw=14oC（即t=14oC)。,(d)露点td由点沿等线与100%饱和线相交于B点，由等t线读得t=10oC。,E,(f)热量因湿空气通过预热器加热其湿度不变，所以可由点沿等线向上与t1=117oC线相交于E点，读出1138kJ/kg干空气（即湿空气离开预热器之焓值）。含1kg干空气的湿空气通过预热器气所获得的热量为,每小时含500kg干空气的湿空气通过预热所获得的热量为,E,1138,通过上例的计算过程说明，采用焓湿图来求取湿空气的各

17、项参数，与用数学计算相比，不仅计算迅速简便，而且物理意义也较明确。,IH图解法结果：,H0.00727kg水/kg干空气pV1.17kPaTd9oCI38.6kJ/kg干空气Q13.8kW,公式计算结果：,H0.0075kg水/kg干空气pV1.2kPaTd10oCI39kJ/kg干空气Q13.8kW,比较IH图解法和公式计算：,第三节干燥过程的物料衡算与热量衡算,一、湿物料中含水量,二、干燥过程的物料衡算,三、干燥过程的热量衡算,一湿物料中含水量,两种表示方法：,1、湿基含水量kg水/kg湿物料,2、干基含水量Xkg水/kg干物料,3、两者关系,二、干燥过程的物料衡算,G干空气质量流量，kg

18、干气/hr；L1、L2物料进出干燥器总量，kg物料/hr。,干燥流程图,1、绝干物料量Lckg干物料/hr,2、汽化水分量Wkg水/hr,水分汽化量湿空气中水分增加量湿物料中水分减少量,意义：通过物料衡算可确定将湿物料干燥到规定的含水量所除去的水分量、空气消耗量。,L2,物料衡算式,3、干空气用量Gkg干气/hr,kg干气/kg水,湿空气体积计算,选择鼓风机的选择以最大空气消耗量为标准。夏季空气湿度确定全年最大空气消耗量。且消耗量以体积流量计算。注意：非标态标态,因为，G随H1的增大而增大。,例7-4今有一干燥器，处理湿物料量为800kg/h。要求物料干燥后含水量由30%减至4%（均为湿基）。

19、干燥介质为空气，初温为150C，相对湿度为50%，经预热器加热至1200C，出干燥器时降温至450C，相对湿度为80。试求：(a)水分蒸发量；(b)空气消耗量G；(c)如鼓风机装在进口处，求鼓风机之风量q。,0=50%,1=80%,解(a)水分蒸发量,空气消耗量G、因为Hf(t,)，由I-H图查得：空气在t0150C,050%时，湿度00.005kg水/kg干空气；在t2=450C，280%时，湿度20.052kg水/kg干空气，空气通过预热器湿度不变，即010.005kg水/kg干空气。,已知：L1800kg/h,(c)风量qv,三干燥器的热量衡算,热损失QL,1、干燥器的热量衡算,温度以o

20、C为基准，湿空气的焓算。,湿物料温度为oC，干基含水量X，焓算为：,cs绝干料的平均比热容，kJ/（kg干料.oC）；,cW液态水的平均比热容，4.187kJ/（kg水.oC）。,kJ/kg干气,kJ/kg干料,干燥器的热量衡算式：,或,热量衡算式,物料衡算式,联立两式，可得：排出废气状态参数H2，I2；干燥系统消耗的热量QDQP；干燥介质的用量G。,1、等焓降温增湿过程在热量衡算中的体现：,若干燥器热量衡算式,等号右边各项之和为0，则I1I2，该过程为空气的等焓降温增湿过程。,2、加入干燥器的总热量QQDQP，用于：,(1)加热空气；(2)加热物料；蒸发物料中的水分；补偿周围热损失。,【讨论

21、】：,例7-5有一气流干燥器，用于干燥某晶体物料。已知干燥器的生产能力为每年2106kg晶体产品，年工作日为300日，每日三班连续生产。物料湿基含水量,物料在干燥器，内由150C升至450C。冷空气的温度为150C，相对湿度为70%，经预热器升温至900C送入干燥器，若废气离开干燥器的温度为650C，且预热器及干燥器中的热损失均不计，干燥器亦不补充加热。试求：,(a)水分蒸发量；(b)空气用量(c)已知预热中加热蒸汽的绝对压力为196.1kPa，试求预热中加热蒸汽的用量。,0=70%,解(a)水分蒸发量,(b)空气用量L,湿空气的焓,t190C时，0=70%，得H10.00734kg水/kg干

22、气，,在I-H图上，,干气,t265C时，H2，,湿物料的焓,115C，X10.25kg水/kg干料时，求得I134.5kJ/kg干料245C，X20.0204kg水/kg干料时，求得I260.1kJ/kg干料,得,已知，QDQL0，代入干燥器热量衡算式：,得,又因,联立求得：,H20.0166kg水/kg干气,G6760kg干气/h,(c)预热器中加热蒸汽用量,加热蒸汽压力为196.1kPa，蒸汽的汽化潜热r=2206kJ/kg(附录七),预热器中加入热量,P355习题7-9,第四节物料的平衡含水量和干燥速率,三、恒定干燥条件下的干燥速率与干燥时间,一、物料中所含水分的性质,二、物料的干燥机

23、理,一、物料中所含水分的性质,结合水分,非结合水分,根据物料与水分结合力的状况,根据物料在一定的干燥条件下，其中所含水分能否用干燥方法除去来划分,平衡水分,自由水分,（一）、结合水分与非结合水分,结合水分包括物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分、及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等。水与物料结合力强，pwps。,2.非结合水分包括机械地附着于固体表面的水分，如物料表面的吸附水分、较大孔隙中的水分等。水与物料结合力弱，pwps。,干燥过程的传质推动力降低，故除去结合力分较困难。,干燥过程中除去非结合水分较容易。,水的蒸汽压与空气中水蒸汽分压相等(达到平衡状态)时，物料中的平衡含水量。,

24、(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。,X*=f（物料种类、空气性质）,平衡水分一定是结合水分。,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；,平衡水分X*=f（物料种类、空气性质）。,2.自由水分（XX*）,可用干燥方法除去的水分。,区别：,100,50,X,自由水分,结合水分,非结合水,总水分,平衡水分,物料含水量,空气相对湿度,固体物料(丝)的平衡含水量图,某些物料的平衡含水量曲线图见P344图7-13,1、物料的干燥实验,二、物料的干燥机理,在干燥设备的计算中，往往要了解物料由初始含水量降到最终要求的含水量时，物料应在干燥器内的停留

25、时间，然后可计算各种干燥器的工艺尺寸。,实验：用大量的热空气干燥少量湿物料，空气的温度，湿度，气速，流动方式等恒定不变。记录每一时间间隔内物料的质量变化W，及表面温度，直到物料质量恒定为止，即平衡状态（平衡水分），烘干物料到恒重，得到绝干物料(干基).,2、物料的干燥实验曲线表明在干燥过程中湿物料的平均含水量X及物料表面温度与干燥时间的关系。通过实验测定而绘出。,A,B,C,D,X,1,tW,2,干燥的三个阶段：,(1)预热阶段AB,(2)恒速干燥阶段BC,(3)降速干燥阶段CDE,E,(1)预热阶段AB,大量的热空气（t，H）少量湿物料（）,流程：,t传热Q1(空气湿球)pVQ2(继续)物料

26、表面水汽化(速率)当Q1=Q2时,tM，预热阶段结束。,，X,最终：,A,B,C,D,X,1,tW,2,E,(2)恒速干燥阶段BC,A,B,C,D,X,1,tW,2,E,机理和湿球温度测定相似。,此阶段物料表面湿润，呈现连续水膜（对于纤维性物质，毛细管力作用）。,物料表面：温度tW（空气t，H），湿度HW（tw下的饱和湿度）,传热推动力：ttW传质推动力：HWH,恒定,dX/d=常数,干燥速率,主要取决于物料表面水分汽化速率。,表面汽化控制阶段,(3)降速干燥阶段CDE,物料干燥过程中有一个转折点C，此点称为临界点。,处于临界点物料的平均含水量称为临界含水量XC。,干燥速率是随着物料含水量的减少而降低。,C点出现不润湿点：内部水分移动速率表面汽化速率,D点完全不润湿：表面汽化往物料内部转移,因，水汽穿过固体，阻力作用,dX/d,dX/d,干燥速率主要取决于水汽在物料内部的传递速率。,内部扩散控制阶段,当XX*（平衡含水量）时t,（一）、干燥速率定义,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。,三、恒定干燥条件下的干燥速率与干燥时间,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