干燥塔热计算

《化工原理》PrinciplesofChemicalEngineering第五章干燥Chapter5Drying第一节概述（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。例如：制盐工业中，在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶粒；塑料工业中，氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒。除湿方法：机械脱水(沉降或过滤)；干燥(加热使湿份汽化)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。干燥方法的分类：根据加热方法可分为传导干燥、对流干燥和辐射干燥。对流干燥过程举例对流干燥器：空气通过送风机吹入空气预热器，预热后的热空气送入气流干燥管，湿料由螺旋加料器推入干燥器并分散于热气流中，受气流的输送并进行干燥，干燥产品通过旋风分离器从气流中分离出来，湿废气体由引风机抽出排空。1-鼓风机；2-预热器；3-气流干燥管；4-加料斗；5-螺旋加料器；6-旋风分离器；7-卸料阀；8-引风机。17654328干品化工生产中最常用的是对流干燥。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的基本问题(1)干燥介质用量的确定；(2)干燥条件的优化；(3)干燥速率的强化；(4)干燥方法的合理选择。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。第二节湿气体的性质及湿度图pPpMMMnMnHgwggww一、湿空气的性质在干燥操作中，常采用不饱和空气为干燥介质，湿空气：绝干气体与湿份蒸汽的混合物，其性质与湿份蒸汽的数量有关。在干燥过程中，随着物料中湿份的汽化，气体中湿份蒸汽的含量在不断增加，但绝干气体的量保持不变。1、绝对湿度(湿度)H（Humidity）湿空气中湿份蒸汽的质量与绝干气体的质量之比。若湿份蒸汽和绝干气体的摩尔数(nw,ng)和摩尔质量(Mw,Mg)kg湿份蒸汽/kg绝干气体对于空气-水系统：Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96kg/kmolpPpH622.0总压一定时，气体的湿度只与湿份蒸汽的分压有关。5-15-22、相对湿度（Relativehumidity）湿度只表示湿气体中所含湿份的绝对数，不能反映气体偏离饱和状态的程度（气体的吸湿潜力）。相对湿度：一定的系统总压和温度下，气体中湿份蒸汽的分压p与系统温度下湿份的饱和蒸汽压ps之比。值越低，气体偏离饱和的程度越远，吸湿潜力越大；=100%时，p=ps，气体被湿份蒸汽所饱和，不能再吸湿。对于空气-水系统：%100sppsspPpH622.05-3ssspPpH622.05-45-5值较好反映了湿空气的吸水能力。3、湿比容H(Humidvolume)或干基湿比容(m3/kg绝干气体)1kg绝干空气的体积和其带有的Hkg水气的体积之和.常压下(P=1013.25kN/m2)：PtHPTHvH273)462.0287.0(325.1012732734.2218291)273)(004557.0002835.0(tHvH4、湿比热cH(Humidheat)或干基湿比热J/(kg绝干气体·℃)1kg绝干空及其带有的Hkg水气温度升高1℃所需要的热量HcccvgH1HcH884.1005.1式中：cg—绝干气体的比热，J/(kg绝干气体·℃)；cv—湿份蒸汽的比热，J/(kg水汽·℃)。对于空气-水系统：cg=1.005kJ/(kg·℃)，cv=1.884kJ/(kg·℃)5-65-75、湿焓iH(Totalenthalpy)或干基湿焓(kJ/kg绝干气体)1kg绝干气体及其带有的Hkg水气的焓的总和。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，一般取0℃下的绝干气体和液态水的焓为零，则对于空气-水系统：vgHHIIIHrtcHrtHccIHvgH00)(HtHIH27.2491)884.1005.1(显热项汽化潜热项5-85-8a5-8bkgkJr/249006、干球温度（temperature）和湿球温度tW（wetbulbtemperature）用普通的温度计测得湿空气温度为其真实温度。为了与下面讨论的湿球温度相区别，称为干球温度，用t表示。湿球温度tW（wetbulbtemperature）如图，用水保持润湿的纱布包在温度计的汞感温部分，纱布下端浸在水中以保持润湿状态，此种温度计称为湿球温度计。若将湿球温度计置于一定温度和湿度的湿空气流中，达到平衡或稳定时的温度称为该空气的湿球温度。通过测量湿球温度，可以求出湿空气的湿度H。空气温度ttW湿度H原理如下：由于未饱和的湿空气的温度与纱布水分温度相同，但湿度不相同，湿纱布表面的水分必然汽化，并向空气主体中扩散。水分汽化结果，使湿纱布水分温度下降，致使湿空气与纱布之间产生温度差，引起湿空气向湿布对流传热，但湿纱布水分的温度还会下降以弥补水分汽化所需的热量。直至空气向湿布单位时间传递的热量，正好等于单位时间自纱布表面汽化水分所需的热量时，纱布中的水温就保持不变、达到平衡，湿球湿度计所指示的温度便是平衡时湿纱布的水分温度，也就是湿空气的湿球湿度tW。空气温度ttW湿度H湿球温度与干球温度当湿空气的温度一定时，若湿度越高，测得的湿球温度也越高。若空气为水气所饱和，测得的湿球温度就是空气的温度。湿球温度为湿空气的温度和湿度所决定，它是湿空气的性质之一。当湿球温度计的温度达到稳定时，)(WttSQ气膜层中的湿度为温度tW下的饱和湿度，气膜中水气向空气的传递速率为SHHkNtWsH)(,在定态状态下，传热速率与传质速率的关系为tWNrQrtW---湿球温度下水气的汽化潜热联立上面三式得)(,HHrktttWstWHW5-9实验表明kH，与二者都与空气的速度的0.8方成正比。故二者比值与空气流速无关。对于空气——水蒸气系统kH/≈1.09。此式表明，湿空气t和H高，tW也就高。t与tW差越大，H越低。当tW=t，H=HS，tw=HS，因此可以通过测定湿度计的干、湿球温度，查出rtW，和PS，算出HS，tw，然后用上述关系求出湿空气的湿度H。5-107、绝热饱和冷却温度tas绝热饱和冷却温度也是湿空气的一种性质。绝热饱和冷却温度可在绝热饱和冷却塔中测得。这是一个等焓过程，在绝热饱和冷却温度下对应的湿度称为绝热饱和湿度。注意，绝热饱和温度和湿球温度是两个完全不同的概念，但两者都是初始湿空气温度和湿度的函数。对于水蒸汽—空气体系，有tas=tW可以简化计算。补充水t，H，I空气空气tas，Has，I25-119、露点温度td将不饱和的空气等湿（H）冷却到饱和状态时的温度称为该空气的露点，以td表示。此时空气达到饱和状态。此时空气的湿度为饱和湿度HS′→Hs,tdtdStdSdtSPPPH,,,622.0由于温度为t的不饱和空气是在等湿下冷却至温度等于td的饱和状态的,故温度为t的不饱和空气的湿度H=Hs,tdtdStdSdtSPPPHH,,,622.05-12若测出露点温度td,可以查出td下水的饱和蒸汽压Ps,td可求出总压为P时的湿度。反之,可求td。对于不饱和空气：t＞tW（=tas）＞td饱和：t=tW=td二、湿空气的湿焓图（H-I图）由前面介绍可知，湿空气的状态可用温度t，湿度H，相对湿度，水汽分压p，露点td，湿球温度tW等不同的参量描述，它们是不是全是独立的呢？湿空气体系实际上是两组分一个相根据相律f=x-+2f=2-1+2=3当总压固定时，f=2，只用两个独立参量就可以描述湿空气的状态。G（x）=（x1，x2）这两个参数应是不同类型的。如果一个是湿度参数，另一个则必定是温度参数。对有两个独立变量的体系，用公式计算湿空气的其它参数往往比较麻烦，有时还必须试差，为了计算方便，将湿空气的各种参数之间的关系绘制成线图。有两种不同类型的线图，H-I图和t-H图。我们主要介绍H-I图（湿焓图）。湿焓图AEDFBCtwtdφ=1HpI湿焓图1、等湿线：等H线为一系列平行于纵轴的直线。在同一条等H线上，不同点具有相同的湿度，但是湿空气的状态并不相同。H的读数范围为0-0.2㎏/㎏绝干空气。根据露点的定义可知，凡湿度相同的湿空气，具有相等的露点td。因此在同一条H线上湿空气的露点是不变的。H-I图由以下五种线群所组成：等焓线为一系列平行横轴（斜轴）的直线。在同一条等I线上不同点所代表的空气状态不相同。但都具有相同的焓值，图中I的读数范围为0-680kJ/㎏绝干空气。绝热增湿过程是等焓过程，在同一条等I线上，湿空气的温度t随其湿度H的增加而下降，但其焓却是不变的。2、等焓线（等I线）3、等干球温度线I=1.01t+（1.88t+2490）H上式表明湿空气温度一定时，其焓和湿度成直线关系，在H-I图中、等t线即表示在一系列的干球温度t1、t2下湿空气的I和H之间关系直线群由于个直线的斜率为（1.88t+2490），因此t越高，等I线的斜率也越大，所以各等t线不是相互平行。4、等线（相对湿度）由上式可知，当湿空气的总压一定时，相对湿度=f（H，Ps），由于Ps仅与空气的t有关，因而仅与H及t有关。对于某一固定的值，若假设一个温度，便可由上式求出一个对应的H值，如此，将若干个（t，H）点连接起来，即为一条等线。sspPpH622.0湿焓图图中有=5%～100%的11条等线。=100%的等线称为饱和空气线。此时空气为水汽所饱和。显然，只有位于饱和空气线上方的不饱和区域的空气才能作为干燥介质。由图可见，当湿空气的H一定时，t愈高，则值愈低，因此吸水能力愈大。通常湿空气先经预热器提高温度后再送到干燥器。这样使空气的焓值增大有利于载热。同时因相对湿度降低而利于载湿。5、蒸气分压线蒸气分压线标绘于饱和空气线的下方，表示空气的湿度H和空气中水分分压p之间的关系HHpps622.05-13由此式可见，若湿空气的总压一定，且H《0.622时，p与H可视为直线关系。三、H-I图应用1、某一状态点A各参数的求法。A=100%tdtWtHppa例：已测出湿空气的温度t=100℃，tW=35℃。求该空气的状态点。先从坐标查温度tW=35℃线与=100%相交点a，可确定其焓值I。由等I线查其干球温度线交点，就可得H值。2、已知湿空气的t-tw，t-td，t-，确定状态点A方法如下：A=100%tWt3H12A=100%tdt3H12A=100%tdtWt2H1%第三节干燥过程的物料衡算湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。1、湿基湿含量w：单位质量的湿物料中所含液态湿分的质量。2、干基湿含量X：单位质量的绝干物料中所含液态湿分的质量。换算关系：一、湿物料中含水量的表示方法TcTWGWw湿物料的质量份的质量水cTGWX绝干物料的质量的质量物料中水分湿XXw1wwX1工业生产中，物料湿含量通常以湿基湿含量表示，但由于物料的总质量在干燥过程中不断减