化工原理 第十三章 干燥.doc

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1、1第十三章 干燥13-1 概述化工过程基本单元反应前分离反应反应后分离反应前分离包括原料纯化、去湿等。反应后分离如为液体产品分离方法如蒸馏、萃取、膜分离、离子交换等等；如为固体产品分 离方法如蒸发、干燥、过滤、结晶等等。由于化学反应通常在溶液中进行，化工产品大部分是固体 产品，因此，从产品中去除水分的单元操作干燥，是常见的 化工单元操作。干燥是一个同时包含传热和传质过程的操作，如图 13-1 所 示。干燥过程中热量和湿分的载体称为干燥介质。常见的干燥 介质为空气，常见的湿分为水分，后面的讨论均作此假定。热 空气将热量传递给湿物料，使湿物料的水 分汽化，汽化后的水分离开湿物料表面传递给空气。按照

2、汽化水分所需热量的供给方式，干燥可分为：对流干燥：干燥介质（一般为空气）直接与湿物料接触 热量以对流的方式传给湿物料，汽化的水分又以对流的方式传 给干燥介质，是最常见的干燥方式，本章重点讨论这种干燥方 式。 图 13-1 干燥过程传导干燥：热量通过传热壁面以传导的方式加热湿物料，汽化的水分由干燥介质带走，如 用烟道气干燥。 辐射干燥：能量以辐射能的方式传给湿物料，湿物料吸收辐射能后转变为热能使水分汽化， 如日光晒干，红外线干燥等。介电加热干燥：将湿物料置于高频电场内，依靠电能加热使水分汽化，如微波炉加热即为 介电加热。第一节 湿空气的性质和湿度图13-2 湿空气的性质湿空气指含有一定水汽的空气

3、。干燥操作许多问题涉及湿空气的性质，故先对此进行讨论。一. 湿度湿空气中所含水汽质量与干空气质量之比称为湿度，用 H 表示，由下式计算H= （13-2-1） wwawawawaaww pPp622. 0pp 2918 nn MM MnMn 2H 是质量比浓度，单位为 kg 水汽/kg 干空气。由于干燥过程中空气的质量可视为不变，故干燥计算中 用湿度单位很方便。 二. 相对湿度 湿度表示的是空气中所含水汽的绝对量，未能反映湿空气继续接受水分的能力。对于一定温度下 的湿空气，该温度下的水的饱和蒸汽压 ps该湿空气所能容受的水汽最大分压。当 pw ps时，表明该湿 空气能继续接受水蒸汽；当 pw p

4、s时，表明该湿空气不能继续接受水蒸汽。 pw 小 ps越多，表明湿 空气接受水蒸汽的能力越大，可用两者的比值来表示湿空气继续接受水分的能力，称为相对湿度，用 表示pw/ps （13-2-2）由上式得pw= ps （13-2-2a）于是式（13-2-1）又可表为H=0.622 （13-2-3）当湿空气达到饱和时，相对湿度等于 1，此时的 H 记为 Hs，则有HS=0.622 （13-2-4）三. 比热 cHcH=ca+cwH=1.01+1.88H (13-2-5)cH的单位为 kJ/(kg 干空气.C)。 四. 焓 II=Ia+HIw （13-2-6）焓的单位为 kJ/kg 干气。对于空气，焓的

5、计算以 0 C 的空气为基准；对于水蒸汽，焓的计算 以 0 C 的液体水为基准，则有Ia=cat=1.01t （13-2-7） Iv=cvt+r0 =1.88t+2492 （13-2-8）将上两式代入式（13-2-6）并整理得I=（1.01+1.88H）t+2492H （13-2-9）五. 比容 vHvH= va+vwH = ss pPp ss pPp PP 273) t273(H184 .22 294 .22a（3= （13-2-10）比容的单位是 m3/kg 干气。六. 干球温度 t即为用温度计测得的空气温度，称其为干球温度是为了与后述的湿球温度相区别。七. 湿球温度 tw据湿球温度计原理

6、说明湿球温度的概念。tw由空气的温度 t 和湿度 H 所决定，t 一定时，H 越大，则湿沙布向空气主体的传质推动力就越小， 水分汽化扩散所造成的温度降就越小，tw与 t 越接近。当空气的 H 达到与 HS相同时，湿沙布就不向 空气主体传质，此时 tw=t。而对于相同的 H，显然越高，tw也越高。 下面导出 tw 与 t 和 H 之间的关系： 空气向湿沙布的传热速率q=(t-tw) kJ/m2.s (13-2-11)湿沙布向空气的传质速率Gw=kH(Hw-H） kg/m2.s （13-2-12）对于稳定传热传质过程而言，有q=Gwrw= kH(Hw-H）rw= (t-tw) 整理得（13-2-1

7、3）对于空气-水物系，在绝热条件下，当空气的速度在 3.8- 10.2m/s 范围内时有于是上式可写成（13-2-14）八. 绝热饱和温度 tas以空气在增湿塔（见图 13-2）中的增湿过程为例说明绝热 饱和温度的概念。在绝热条件下空气的增湿过程为等焓过程。 没塔内某截面的湿空气的温度和湿度分别为 t 和 H，塔顶 空气已达到饱和状态，其温度和湿度分别为 tas和 Has,由热量衡 算得图 13-2 空气增湿塔绝热饱和过程PP 273) t273(H224. 1773. 0a（wHww rk ttHHH HckwHww rc ttHH4cH (t-tas)=(Has-H)ras (13-2-1

8、5)整理止式得（13-2-15a）将上式与式（13-2-14）比较可知，对于 H 和 t 相同的空气，tw和 tas相等。这个结论很有用， 由于 tas测定较不便，对于空气-水物系，可以采用测定 tw来代替 tas 。必须注意，这个结论不适 用于其它物系。 九. 露点 td 将湿空气在 H 不变的情况下进行冷却，直到有水珠冷凝出来，也即空气达到饱和时的温度 称为露点，用表示 td 。补充例题 13-1 已知湿空气总压为 101.3kPa，温度 t=30 C,湿度 H0.024kg 水汽/kg 干气， 求湿空气的水汽分压、相对湿度、露点、绝热饱和温度和焓。 解： （1）求 pw ，由H=0.62

9、2pw/(P-pw) 得 0.024=0.622pw/(101.3-pw) 解得 pw3.763 kPa （2）求 ，查 t=30 C 下水的饱和蒸汽压 ps=4.24kPa,则( pw /ps ) 100% =(3.763/4.24) 100% =89% （3）求 td ，在 H 不变的情况下将空气冷却直到空气处于饱和状态，此时 pw成为饱和蒸汽压 pd，其相应的温度为 27.5 C ，这个温度即为露点 td。 （4）求 tas，需采用试差法进行求解。初设 tas =28.4 C,查得 ps3.87kPa, ras=2490kJ/kg,Has=0.622 ps /(P- ps)=0.0247

10、kg 水汽/kg 干气cH=1.01+1.88H=1.01+1.88 0.024=1.055kJ/kgtas=t-(ras/cH)(Has-H)= 30-(2490/1.055)(0.0247-0.024)=28.35 C tas=28 C不再重算。如初值与终值差别较大则须重算。 （5）求 II=cHt+2492H=(1.01+1.88 0.024) 30+2492 0.024=91.4kJ/kg13-3 空气的湿度图由计算的方法得到空气的各种性质参数比较麻烦，利用空气的湿度图查取则比较快捷。湿度 图有多种多样的形式，图 13-3 为常见的一种形式，下面说明图中各种线的意义和绘制方法： 一.

11、等 t 线：所有与纵座标平行的直线都是等 t 线。 二. 等 H 线：所有与横座标平行的直线都是等 H 线。 三. 等 线：确定一个 ，例如 0.5，然后确定一个温度，例如 10 C，查得该温度下水 的饱和蒸汽压为 1.23kPa,代入H=asHasas rc ttHH0038. 023. 15 . 03 .10123. 15 . 0622. 0pPp622. 0ss5图 13-3 空气湿度图 1于是得到湿度图上的一个点（10，0.0038） ；同理求得相对湿度为 0.5 的其它若干温度下的相 应的点，将这些点连结成一条光滑曲线即为相对湿度为 0.5 的等相对湿度线。同理绘制其它等相 对湿度线

12、。四. 绝热冷却线由下式知（13-2-15a）绝热冷却线是一条近似沿着点(t, H)和点(tas, Has)之间变化的直线,其斜率为-cH/ras。以绘制 tas=40 C 的绝热冷却线为例：查 tas=40 C 下的 ras2401kJ/kg, pas=7375Pa，设取 H0.01kg 水汽/kg 干气，cH=1.01+1.88H=1.029，代入式（13-15a）求得 t=135 C。同理求算其它 H 下的 t，如教材 P209 表 13-2 所示。 五. 等焓线I=（1.01+1.88H）t+2492H （13-2-9）设定一个焓值，例如 I120kJ/kg，代入上式，然后由上式计算每

13、一个 t 下的对应 H 值， 如表 1 所示，将这些对应值描在湿度图上得到一系列点，将这些点连结成光滑曲线即为等焓线。 如图 13-4 所示。asHasas rc ttHH6绝热冷却线近似为等焓线，例如表 13-2 中前三组数据的焓值分别为 158.1、159.7、表 1 常压、I120kJ/kg 下的 t-H 关系H kg/kg 0 0.01 0.02 0.03 0.04t C 118.8 92.4 67.0 42.4 18.7图 13-4 湿度图 2160.5kJ/kg。六. 湿比热线据 cH=1.01+1.88H 绘制。七. 干空气比容线据 va=0.773(273+t)/273 绘制。八. 饱和比容线据 vHS=(0.773+1.244HS)(273+t)/273 绘制。713-4 湿度图的应用一. 由已知参数查未知参数参见教材例 13-4 和例 13-5。二. 湿空气状态变化过程的图解表示1. 加热与冷却过程加热过程加热过程是个等压过程，空气中水汽分压和总压都 没有变化，故 H 也没有变化，因此，加热过程在湿度 图中表现为空气的状态点沿着水平线从左向右移动，如 图 13-5 中 AB 所示。由图可见，当状态点从 A 移动到 B 时，温度升高，焓值增大，相对湿度减 小。 冷却过程