化工原理-《化工原理》

《化工原理》PrinciplesofChemicalEngineering第十二章干燥Chapter12Drying概述（Introduction）在化学工业生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过多的水分或有机溶剂(湿份)，要制得合格的产品需要除去固体物料中多余的湿份。除湿方法：机械除湿——如离心分离、沉降、过滤。干燥——利用热能使湿物料中的湿份汽化。除湿程度高，但能耗大。惯用做法：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。干燥分类：操作压力操作方式传热方式(或组合)常压真空连续间歇导热对流辐射介电加热本章重点：以不饱和热空气为干燥介质，除去湿物料中水分的连续对流干燥过程。干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。对流干燥过程原理温度为t、湿份分压为p的湿热气体流过湿物料的表面，物料表面温度ti低于气体温度t。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。HtqWtippiM干燥是热、质同时传递的过程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推动力：物料表面水分压P表水热空气中的水分压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物表对流干燥过程实质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干燥过程基本问题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。第一节湿气体的热力学性质湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。在干燥过程中，随着湿物料中水份的汽化，湿空气中水份含量不断增加，但绝干空气的质量保持不变。因此，湿空气性质一般都以1kg绝干空气为基准。操作压强不太高时，空气可视为理想气体。系统总压P：湿空气的总压（kN/m2），即P干空气与P水之和。干燥过程中系统总压基本上恒定不变。且干燥操作通常在常压下进行，常压干燥的系统总压接近大气压力，热敏性物料的干燥一般在减压下操作。干空气干空气nnppOHOH221.湿份的表示方法对于空气-水蒸气系统：Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96kg/kmolpPpMMMnMnHgvggvvpPpH622.0湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。若湿份蒸汽和绝干空气的摩尔数(nw,ng)和摩尔质量(Mw,Mg)绝对湿度(湿度)H（Humidity）总压一定时，湿空气的湿度只与水蒸汽的分压有关。Kg水蒸汽/kg绝干空气当p=ps时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。ssspPpH622.0相对湿度（Relativehumidity）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）。值说明湿空气偏离饱和空气或绝干空气的程度，值越小吸湿能力越大；=0，p=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。=1，p=ps时，表示湿空气被水汽所饱和，不能再吸湿。对于空气-水系统：%100sppsspPpH622.0相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压p与系统温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数。相对湿度（Relativehumidity）若t总压下湿空气的沸点，0100%；若t总压下湿空气的沸点，湿份psP，最大(空气全为水汽)100%。故工业上常用过热蒸汽做干燥介质；若t湿份的临界温度，气体中的湿份已是真实气体，此时=0，理论上吸湿能力不受限制。=f(H,t)ps随温度的升高而增加，H不变提高t，，气体的吸湿能力增加，故空气用作干燥介质应先预热。H不变而降低t，，空气趋近饱和状态。当空气达到饱和状态而继续冷却时，空气中的水份将呈液态析出。sspPpH622.02.比容H(Humidvolume)或湿比容(m3/kg绝干气体)比容：1kg绝干空气和相应水汽体积之和。PtHPtHvH55100133.1273273)244.1772.0(100133.12732734.22182913.比热cH(Humidheat)或比热容KJ/(kg·℃)比热：1kg绝干空气及相应水汽温度升高1℃所需要的热量HcccvgH1HcH88.101.1式中：cg—绝干空气的比热，KJ/(kg·℃)；cv—水汽的比热，KJ/(kg·℃)。对于空气-水系统：cg=1.01kJ/(kg·℃)，cv=1.88kJ/(kg·℃)4.焓I(Totalenthalpy)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，则对于空气-水系统：vgHIIIHrtcHrtHccIHvg00)(HtHI2490)88.101.1(显热项汽化潜热项当热、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：)(wttSQwwttsHrHHSkQ)(,wtsHwrHHSkttSw)()(,)(,HHrkttwwtstHw5.干燥过程中的物料温度(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-bulbtemperature）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tw定义式(2)空气的湿球温度（Wet-bulbtemperature）因流速等影响气膜厚度的因素对α和kH有相同的作用，可认为kH/α与速度等因素无关，而仅取决于系统的物性。饱和气体:H=Hs，tw=t，即饱和空气的干、湿球温度相等。不饱和气体:HHs，twt。对于空气-水系统：09.1Hk)(09.1,HHrttwtsww结论：tw=f(t,H)，气体的t和H一定，tw为定值。)(,HHrkttwwtstHw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：wwHtsrttcHHw)(,气体ttwb.湿球温度的测定物料充分湿润，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tw。对于空气-水系统，tw100℃。当气体的湿度一定时，气体的温度越高，干、湿球温度的差值越大。结论：当物料充分湿润时，可以使用高温气体做干燥介质而不至于烧毁物料。例如，可以使用500℃的气体烘干淀粉。t℃2060100200500tw℃17.6228.3635.7647.6364.43对初始温度为20℃、相对湿度为80%的常压空气b.湿球温度的测定(3)绝热饱和冷却温度tas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。asasasHrHHLttLc)()()(HHcrttasHasas由于ras和Has是tas的函数，故绝热饱和温度tas是气体温度t和湿度H的函数。已知t和H，可以试差求解tas。)(,HHkrttwwtsHtwHHkc对于空气-水系统：wastt绝热饱和过程(Adiabaticsaturationprocess)：(4)露点td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H=Hs,td。露点：不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度，以td表示；相应的湿度为饱和湿度，以Hs,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：不饱和空气ttas（或tw）td；饱和空气t=tas=tddddtststspPpH,,,622.0气体湿度图（Humiditychart）湿空气参数的计算比较繁琐，甚至需要试差。为了方便和直观，通常使用湿度图。等湿线等焓线等温线饱和空气线p-H线空气湿度图的绘制（Humiditychart）对于空气-水系统，tastw，等tas线可近似作为等tw线。每一条绝热冷却线上所有各点都具有相同的tas。物理意义：以绝热冷却线上所有各点为始点，经过绝热饱和过程到达终点时，所有各状态的气体的温度都变为同一温度。横坐标：空气的湿度，所有的横线为等湿度线。右侧纵坐标：空气的干球温度，所有纵线为等温线。(1)等湿度线(等H线))(HHcrttasHasas(2)等焓线（等I线）对给定的tas：t=f(H)在同一条等湿线上不同点所代表的湿空气状态不同，但H相同，露点是将湿空气等H冷却至=1时的温度。(3)等干球温度线(等t线)I与H呈直线关系，t越高，等t线的斜率越大，读数0-250ºC。(4)等相对湿度线(等线)总压P一定，对给定的：因ps=f(t)，故H=f(t)。sspPpH622.0(5)蒸气分压线tHtI01.1)249088.1(pPpH622.0总压P一定，ps=f(H)，p-H近似为直线关系。空气湿焓图的用法（Useofhumiditychart）两个参数在曲线上能相交于一点，即这两个参数是独立参数，这些参数才能确定空气的状态点。=100%，空气达到饱和，无吸湿能力。100%，属于未饱和空气，可作为干燥介质。越小，干燥条件越好。1.确定空气的干燥条件2.确定空气的状态点，查找其它参数3.确定绝热饱和冷却温度1）等I干燥过程等焓干燥过程又称绝热干燥过程。a.不向干燥器重补充热量，即QD=0.b.忽略干燥器向周围散失的热量，即QL=0.c.物料进出干燥器的焓相等，即G(I2’_I1’)=0沿等I线，空气t1、t2意志，即可确定H1、H2。2）等H干燥过程恒压下，加热或冷却过程。第二节干燥相平衡关系及干燥速率湿物料水分含量的表示方法湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。湿基含水量w：水分在湿物料中的质量百分数。%100物料总质量水分质量w干基含水量X：湿物料中的水分与绝干物料的质量比。纯干物料总质量水分质量X换算关系：wwX1XXw1工业生产中，物料湿含量通常以湿基含水量表示，但由于物料的总质量在干燥过程中不断减少，而绝干物料的质量不变，故在干燥计算中以干基含水量表示较为方便。湿份在气体和固体间的平衡关系湿份的传递方向(干燥或吸湿)和限度(干燥程度)由湿份在气体和固体两相间的平衡关系决定。pXpsXh平衡状态：当湿含量为X的湿物料与湿份分压为p的不饱和湿气体接触时，物料将失去自身的湿份或吸收气体中的湿份，直到湿份在物料表面的蒸汽压等于气体中的湿份分压。平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。不仅取决于气体的状态，还与物料的种类有很大的关系。X*p具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力。结合水分：与物料存在某种形式的结合，其汽化能力比独立存在的水要低，蒸汽压或汽化能力与水分和物料结合力的强弱有关。物料中的水分湿含量XXh相对湿度非结合水分结合水分01.00.5结合水分按结合方式可分为：吸附