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1、材 料 工 程 原 理 A第一节 概述第二节 湿空气的性质及湿焓图第三节 干燥过程的物料衡算与热量衡算第四节 固体物料在干燥过程中的平衡关 系与速率关系第五节 干燥设备材 料 工 程 原 理 A一、固体物料的去湿方法二、干燥过程的分类三、对流干燥过程原理四、对流干燥过程实质五、干燥过程基本问题材 料 工 程 原 理 A去湿:除去固体物料、半成品和成品中含有的水分或其它湿分。去湿目的: 1）工艺要求；2）贮存；3）运输。去湿的方法有三类： p 1. 机械去湿法：通过过滤、离心分离等除去湿分 ，但湿分除不尽； p 2. 物理化学去湿法：用吸湿性物料，如石灰、无 水氯化钙等吸收水分； p 3. 热能
2、去湿法(干燥）：即借热能使物料中的水 分（或其它湿分）汽化，并将蒸气排除以除去湿 分的方法。材 料 工 程 原 理 A工业去湿方法：先采用机械方法把固体所含的绝大 部分湿份除去，然后再通过加热把机械方法无法脱 除的湿份干燥掉，以降低除湿的成本。按操作压力分有：常压干燥和真空干燥。优点： 操作温度低，干燥速度快，热的经济性好；适用于维生素、抗菌素等热敏性产品以及在空气中易氧化、 易燃易爆产品；适用于含有溶剂或有毒气体的物料，溶剂回收容易；产品含水量可以很低，适用于低含水量的产品。缺点：加料口与产品排出口等处的密封困难，大型化、连续化生产有 困难。材 料 工 程 原 理 A按操作方式分有：连续式干
3、燥和间歇式干燥。按热能传递给湿物料的方式分有：传导干燥：利用热传导方式将热量通过干燥器壁面传给 湿物料，使其中的湿分汽化。被干燥的物料与加热介质不直接接触，属间接干燥 优点：热能利用较多 缺点：与传热壁面接触的物料易局部过热而变质， 受热不均匀。材 料 工 程 原 理 A按热能传递给湿物料的方式分有： 对流传热干燥：热空气或热烟气等干燥介质与 湿物料接触，以对流方式向物料传递热量，使湿分 气化。物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物 料表面，然后汽化的蒸汽从表面扩散至干燥介质主 体，再由介质带走。优点：受热均匀，所得产品的含水量均匀。缺点：热利用率低。 材 料 工 程 原 理 A按热能传递给湿
4、物料的方式分有：红外线辐射干燥法：辐射线作用到被干燥物料，部 分反射和透过，其余被吸收，吸收的辐射线转化为热 量，从而使得湿分汽化。另：当被干燥物料分子的运 动频率（固有频率）与射入的红外线频率相等时会产 生共振现象，物质分子运动振幅增大，内部发生激烈 摩擦而产生热能。故当频率匹配时，可节省能源。优点：生产能力强缺点：能耗大材 料 工 程 原 理 A按热能传递给湿物料的方式分有：微波加热（超高频电磁波）干燥法：湿物料中水分子的 偶极子在微波能量作用下发生激烈的旋转运动而产生热能 。介电加热干燥法： 将需干燥的物料置于交频电场内，利 用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被 干燥。优点
5、：内部加热方式干燥时间短，干燥产品均匀而洁净。缺点：费用大。 冷冻干燥 联合干燥材 料 工 程 原 理 A目前，工业上应用最普遍的是对流干燥。通常使用 的干燥介质是空气，被除去的湿分是水分。本章中 主要讨论对流干燥，且只限于以热空气为干燥介质 且除去的湿分为水分的干燥。本章主要介绍此类以热空气为干燥介质，湿分为水 的对流加热干燥。材 料 工 程 原 理 A由于温差的存在，气体以对对流方式向 固体物料传热传热 ，使湿份汽化；在分压压差的作用下，湿份由物料表面 向气流主体扩扩散，并被气流带带走。温度为为 t、湿份分压为压为 p 的湿热热气体 流过过湿物料的表面，物料表面温度ti 低 于气体温度 t
6、。HtqWtippiM材 料 工 程 原 理 A干燥介质质：用来传递热传递热 量（载热载热 体 ）和湿份（载载湿体）的介质质。注意：只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份 分压，干燥即可进行，与气体的温度无关。气体 预热并不是干燥的充要条件，其目的在于加快湿 份汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力 。HtqWtippiM干燥是热、质同时传递的过程材 料 工 程 原 理 A干燥过程热空 气流 过湿 物料 表面热量 传递 到湿 物料 表面湿物 料表 面水 分汽 化并 被带 走表面 与内 部出 现水 分浓 度差内部 水分 扩散 到表 面传热过程传质过程传质过程干燥过程推动力传质传质 推动动力：物料
7、表面水分压压P表水 热热空气中的水分压压P空水 传热传热 推动动力：热热空气的温度t空气 物料表面的温度t物表材 料 工 程 原 理 A除水分量空气消耗量干燥产品量热量消耗干燥时间物料衡算能量衡算涉及干燥速率和水在 气固相的平衡关系涉及湿空气的性质解决这些问题需要掌握的基本知识有：(1) 湿分在气固两相间的传递规律； (2) 湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化； (3) 物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征； (4)干燥过程中物料衡算关系、热量衡算关系和速率关系。 本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基 本问题，介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。材 料 工 程 原 理 A一
8、、湿空气的性质二、湿空气的湿焓图材 料 工 程 原 理 A湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。湿空气的性质 湿度性质(绝对湿度、相对湿度、湿含量) 温度性质(干球温度、湿球温度、露点温度、绝热饱和冷却温度) 容积性质(密度、比容) 比热性质(比热容、焓)研究湿空气，就是研究湿空气的四大性质。材 料 工 程 原 理 A为了研究方便，假设：(1)干燥过程的湿空气，可以作为理想气体处理，满 足理想气体方程式、道尔顿分压定律。(2)因为干空气只作为载热体，它的质量在干燥过程 中始终保持不变，所以湿空气的有关参数都以单位 质量的干空气为基准。(3)系统总压P=101.33kPa。材 料 工 程 原 理
9、A湿空气服从理想气体状态方程和道尔顿分压定律干空气、水蒸气看作理想气体，从而：湿空气干空气水蒸气+材 料 工 程 原 理 A(1)(1)绝对湿度绝对湿度绝对湿度单位体积湿空气中所含水蒸气的质量 符号“w ”，单位为kg/m3饱和空气空气的绝对湿度就是在空气温度及水蒸 气分压下的水蒸气密度湿空气中所含水蒸气的量称为空气的湿度。三种表示方式：材 料 工 程 原 理 A绝对湿度只表示湿空气中所含水份的绝对数，不能反映空气偏离饱和 状态的程度（即气体的吸湿能力）。相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压 pV 与系统温 度下水的饱和蒸汽压 ps 之比的百分数。相对对湿度：在总压总压 和温度一定
10、时时，湿空气的绝对绝对 湿度w与饱饱和空气的 绝对绝对 湿度sw之比材 料 工 程 原 理 A值说值说 明湿空气偏离饱饱和空气或绝绝干空气的程度， 值值越小 吸湿能力越大； = 0 ，pw=0时时，表示湿空气中不含水分，为绝为绝 干空气。 = 1 ，pw=psw时时，表示湿空气被水汽所饱饱和，不能再吸湿。材 料 工 程 原 理 A湿含量每千克干空气所含水蒸气的质质量，符号“x”或“H”，单单位“kg-H2O/kg-干空气”湿物料在一定量的空气中干燥时时，随着物料中水分的蒸发发，空气的湿度将逐渐渐增大，但绝绝干空气的质质量仍保持不变变，因此，在干燥过过程中，采用1kg绝绝干空气作为计为计 算基准
11、比较较方便。令s为单为单 位体积积湿空气在总压总压 P及温度T时时的质质量，即湿空气的密度，则则按质质量平衡有：材 料 工 程 原 理 A湿含量方程根据湿含量的定义义，则则空气的总压为一定时： 材 料 工 程 原 理 A密度：密度：比容：比容：根据理想气体状态方程1kg1kg湿空气湿空气所具有的体积（包括（1-x）kg绝干空气及x kg水）材 料 工 程 原 理 A湿空气的焓或热含量：单位质量绝干空气在常压下，以0 度为基准的热焓。（1kg 绝干空气的焓与相应水汽的焓之 和。）由于焓是相对值，计算焓值时必须规定基准状态和基准温度，一般 以0为基准，且规定在0时绝干空气和水汽的焓值均为零，则对于
12、空气-水系统：显热项汽化潜热项材 料 工 程 原 理 A当热、质传递达平衡时，气体对液体 的供热速率恰等于液体汽化的需热速 率时：(1)干球温度 t ：湿空气的真实温度，简称温度( 或 K)。将温度计直 接插在湿空气中即可测量。(2) 空气的湿球温度（Wet-bulb temperature） a.定义qN对流传热hkH气体 t, H气膜对流传质液滴 表面 tw , Hw液滴 湿球温度 twb 定义式 材 料 工 程 原 理 A因流速等影响气膜厚度的因素对对 和 kd 有相同的作用，可认为认为 kd / 与 速度等因素无关，而仅仅取决于系统统 的物性。对于空气-水系统： 结论： tw b= f
13、 (t, x) ，气体的 t 和 x 一定，tw b为定值。 材 料 工 程 原 理 A湿球温度计测定湿球温度的条件是保证纯对 流传热，即气体应有较大的流速和不太高的 温度，否则，热传导或热辐射的影响不能忽 略，测得的湿球温度会有较大的误差。 通过测定气体的干球温度和湿球温度， 可以计算气体的湿度：气体ttw材 料 工 程 原 理 A物料充分湿润，湿分在物料表面的汽化和在液面上汽化相同。物料经过预热 ，很快达到稳定的温度，由于对流传热 强烈，物 料温度接近气体的湿球温度 twb。对于空气-水系统， twb 热空气中的水分压P空水 传热推动力：热空气的温度t空气 物料表面的温度t物表材 料 工
14、程 原 理 AReviewReview五、湿空气的性质(3) 湿含量 xkg水蒸汽/kg绝干空气1、湿度(2)相对湿度(1)绝对湿度2 2、比容：、比容：1kg1kg湿空气湿空气所具有的体积（包括（1-x）kg绝干空气及x kg水 ）材 料 工 程 原 理 A焓：1kg 绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。对于空气-水系统：3.焓I (Total enthalpy)ReviewReview五、湿空气的性质4.温度(1)干球温度 t (2)湿球温度 twb (3)绝热饱和冷却温度 tac (4)露点温度 td 材 料 工 程 原 理 A绝热饱和冷却温度：不饱和的湿空气等焓降温到 饱和状态时的温度。高
15、温不饱和空气与水在绝热条件下进行传热、传 质并达到平衡状态的过程。达到平衡时，空气与 水温度相等，空气被水的蒸汽所饱和。I, x, t 空气的初始热含量、湿含量及干球温度绝热饱和过程 (Adiabatic saturation process)：Iac, xac, tac 绝热饱和时的热含量、湿含量及干球温度，ctac汽化潜热和比热湿含量的增量为使这部分水汽化，需要空气传给水 的热量，也就是空气减少的热含量为 ：材 料 工 程 原 理 A这部分水又以水蒸气形式进入空气， 带入的热量为：则，空气通过饱和增湿器时焓的增量为：通常此项远小于I，可认为：又 ：单位质量绝干空气进入和离 开绝热饱和器是的
16、热容实验表明，空气-水系统绝热饱 和温度近似等于其湿球温度材 料 工 程 原 理 A温度为t的不饱和空气在等湿下冷却至温度等于td的饱和状 态，此时x = xs,td。露点：在湿含量保持不变的条件下，不饱和空气冷却到饱和状态时的温 度，以td表示；相应的湿含量为饱和湿含量，以xs,td表示。 处于露点温度的湿空气的相对湿度 = 1，空气湿度达到饱和湿度， 湿空气中水汽分压等于露点温度下水的饱和蒸气压，则水蒸气-空气系统统：不饱饱和空气t tac （或 twb） td；饱饱和空气 t = tas = td 材 料 工 程 原 理 A已知湿空气的总压为101.325 kPa，相对湿度为 50%，干球温度为20。试求： (1)湿含量； (2)水蒸气分压p; (3)露点td (4)焓I (5)如
