化工原理 电子教案 第十章 固体干燥

13．干燥13.1概述一、物料的去湿方法1．机械去湿：含水较高时，机械分离方法；2．吸附去湿：含水较低时，用干燥剂CaCl2、硅胶；3．供热干燥：加热汽化水分；二、干燥分类1．按操作方式分连续干燥：工业常用；间歇干燥：小批量；2．按操作压强分常压干燥真空干燥：要求处理后物料湿分低或热敏性物质；3．按传热或供热方式分（1）传导干燥（2）对流干燥（3）辐射干燥（4）介电加热干燥（5）联合干燥三、对流干燥过程的条件及特点干燥介质—热空气汽化湿份—水分1．对流干燥的必要条件：物料表面水汽分压WP空气中水汽分压WP（传质推动力），反之，则为干燥逆过程—吸湿；2．特点气固两相之间将发生（1）热量、质量同时传递物料水分干燥介质；干燥介质热量物料；一般两者方向相反（2）过程的方向和极限A方向温度梯度为传热方向判据：低高tt（热量传递方向）水汽分压为传质方向判据：低高WWPP（质量传递方向）B极限情况取决于干燥条件包括（平衡条件：相平衡、热平衡两相的相对流量）3．因目的不同，可以分为如下两大类（1）以传热为目的，伴有传质过程。如空气的直接水冷，目的是为了提高水温，利用余热降低空气温度；（2）以传质为目的，伴有传热过程。如空调中空气的增减湿；四、本章重点1．湿空气的性质表征、状态参数及计算2．掌握湿度图的应用及干燥过程计算；3．掌握恒速及降速干燥的机理；13.2湿空气的性质及湿度图湿空气是干空气和水气的混合物。在对流干燥过程中，最常用的干燥介质是湿空气，将湿空气预热成热空气后与湿物料进行热量与质量交换，可见湿空气既是载热体，也是载湿体。在干燥过程中，湿空气的水气含量、温度及焓等性质都会发生变化。所以，在研究干燥的过程之前，首先要了解表示湿空气性质或状态的参数，如温度，相对湿度、干球湿度、露点、湿球温度、比容（湿容积）、比热、焓及绝热饱和温度等的物理意义及相互间的关系。13.2.1湿空气的性质及表征一、空气中水汽含量的表示方法1．水汽分压WPaP表示绝干空气分压P表示总压干空气的摩尔数水汽的摩尔数WWaWPPPPP/(1)2．空气的湿含量（湿度或绝对湿度）H及饱和湿度SHWWWWaWWWPPPPPPMMPPPkgkgH622.02918)()湿空气中干空气质量湿空气中水汽质量（WWPPPH622.0P一定，H仅受WP影响(2)SH（饱和温度）若WP等于同温度下水的饱和蒸汽压SP，则此时湿度为饱和湿度，以SH表示SSSPPPH622.0（3）SP仅为t之函数，当P一定，SH仅与t有关；3．空气的相对湿度表该状态空气接受水分能力，SWSWPPPP（4）与t有关。当相对湿度=100％时，表示湿空气中的水汽已达到饱和，此时水汽的分压为同温度下水的饱和蒸汽压，亦即湿空气中水汽分压的最高值。相对湿度Ψ越低，则距饱和程度越远，表示该湿空气的吸收水汽能力越强。故，湿度H只能表示出水汽含量的绝对值，而对相湿度值却能反映湿空气吸收水汽的能力。因SWPP，将其代入式(2)中，得SSPPPH622.0(5)由上式可见，当总压一定时，空气的湿度Ｈ随着空气的相对温度及湿度而变，即)(tfH，（6）二、湿空气的焓I和湿比热HC以1kg干空气为基准，以0℃为基准，并设湿空气湿度H；kJ/kg干空气（7）aC—干空气比热1.01kJ/kg.℃,WC—水汽比热1.88kJ/kg℃。0r—水在0℃下的汽化潜热2492kJ/kg所以HrtCtCIWa)(0令湿比热HHCCCWaH88.101.1HitCIWa)0(1所以HrtCHrtHCCIHWa00)(即HtHI2492)88.101.1(kgkJ/（8）三、湿空气的比容H（湿比容）湿空气的比容为单位质量干空气及其所带水汽的总体积，以符号H表示。MPRTnRTPV11由此：干空气)273(1083.2273273294.22300ttTTaaHkg水汽的体积为)273(1056.4273273184.222732734.223tHtHtMHW常压下温度为ct、湿度为H的湿空气的比容为)273)(1056.41083.2(33tHH（9）四、绝热冷却过程和绝热饱和温度右图所示为一空气增湿塔，设有温度为t，湿度为H的饱和空气在塔内与大量水接触，水用泵循环，若设备保温良好，则热量只在汽液两相之间传递，而对周围环境是绝热的。这时可认为水温完全均匀，故水向空气中汽化时所需的潜热，只能取自空气中的显热，这样，空气的温度下降，而湿度增加，即空气失去显热，而水汽将此部分热量以潜热的形式带回空气中，故空气的焓值可视为不变（忽略水汽的显热），这一过程为空气的绝热降温增湿过程及等焓过程。绝热增湿过程进行到空气被水汽所饱和，则空气的温度不再下降，而等于循环水的温度，称此温度为该空气的绝热饱和温度(adiabaticsaturationtemperature)，用符号ast表示，其对应的饱和湿度为asH，此刻水的温度亦为ast。现进一步分析这过程，在空气绝热增湿过程中，空气失去的是显热，而得到的是汽化水带来的潜热，空气的温度和湿度虽随过程的进行而变化，但其焓值不变。在塔内任意取一截面AA，空气在该截面处的状态为tH，，湿质量热容为HC。以1kg干空气为基准，在截面AA和塔顶之间列热量衡算式。以ast为基准温度，则补充水所带入的焓为零。在稳定情况下，空气释放出的显热等于水分汽化后带回空气的潜热，所以有：asasasHrHHttC)()(asasHasasrHrCttHH88.101.1（10）asr—温度ast下水的汽化潜热。五、露点AAHCtH，，空气111HCtH，，空气asasasCtH，，水astast不饱和的空气在湿含量H不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度，称为该湿空气的露点(dewpiont),用符号dt表示。露点是湿空气的一个物理性质，当达到露点时，空气的湿度为饱和湿度。若已知饱和湿度H则用式(3)求出饱和蒸汽压SP。当空气从露点继续冷却时，其中部分水蒸汽便会以露点形式凝结出来。空气的总压一定，露点时的饱和水蒸汽压SP仅与空气的湿度SH有关，即)()(SdSSHftHfP或（11）湿度越大，dt越大，如已知空气的总压P及湿度SH，可由式(3)求得饱和水蒸汽压SP，然后，由饱和水蒸汽压表查得对应的温度，即为空气的露点。同样，已知空气的总压和露点，即可求得空气的湿度，此即露点法测定空气湿度的依据。六、湿球温度1．干球温度温度计Ａ的感温球露在空气中，称为干球温度计，所测得的温度为空气的干球温度t，简称为空气的温度。2．湿球温度温度计B的感温球用纱布包裹，纱布用水保持湿润，这支温度计称为湿球温度计，它在空气中所达到的平衡或稳定的温度称空气的湿球温度(wetbulbtemperature),用号Wtw表示。不饱和空气的湿球温度wt低于干球温度t。3．湿球温度计测定空气湿球温度的机理设有大量的不饱和空气，其温度为t，水汽分压为WP，湿度为H。该空气以高速(通常气速５m/s，以减少辐射和热传导的影响）通过湿球温度计的湿布纱表面。若开始时设湿纱布水分的初温高于空气的露点，则纱布表面的水蒸汽压比空气中水汽分压高，水汽便自湿纱布表面汽化，并扩至空气主体中去，汽化水分所需的潜热，首先只能取自湿纱布中水的显热，因而使水温下降。当水温低于空气的干球温度时，热量则由空气传向纱布中的水分，其传热速率随着两者温差增大而增大，当由空气传入纱布的传热速率恰好等于自纱布表面汽化水分的传热速率时，则两者达到平衡状态，这时湿纱布中的水温即保持恒定。称这恒定或平衡的温度为该空气的湿球温度。因湿空气的流量大，在流过湿纱布表面时可认为其温度和湿度均不改变。应指出的是：湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度，而并不代表空气的真实温度，由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定，故称其为湿空气的湿球温度，所以它是表明湿空气状态或性质的一种参数。对于某一定干球温度的湿空气，其相应的温度越低，湿球温度值越低。而对于饱和湿空气而言，其湿球温度与干球温度相等。假设湿空气的温度为t，湿球温度为Wtw，则空气向纱布表面的传热速率为)(1WttAQ（12）式中1Q—传热速率，W；—空气至湿纱布的对流传热系数，)/(2kmkW；A—空气与纱布的接触面积，2m；同时湿纱布中水分向空气的传质速率为)(HHAkNWH（13）式中N—传质速率或水分汽化速率，skg/；Hk—以湿度差为推动力的传质系数，)./(2smkg；A—空气与纱布的接触面积，2m；wH—湿空气在温度为wt下的饱和湿度，干空气水kgkg/—H空气的湿度，干空气水kgkg/；因湿球处的热量达平衡状态，空气向湿纱布表面的传热速率应等于水分汽化所需的热量，即wNrQ1（14）wr—水在湿球温度Wt时的汽化潜热，kgkJ/；由以上各式可得：WWHWrHHAkttA)()(（15）整理上式可得：WHwWrkttHH（16）对于空气—水系统，在绝热条件下，HHCk/，上式可以写成WHWWrCttHH（17）式(10)与式(17)比较，可得：对于H和t相同的湿空气Wastt，可认为绝热饱和温度ast和湿球温度Wt数值相等，但对于其他物系，则HHCk/，这时湿球温度Wt比绝热饱和温度ast要高。不过应强调指出的是：绝热饱和温度ast与湿球温度Wt是两个完全不同的概念。但是两者都是湿空气状态(t和H)的函数。特别是对空气－水汽系统，两者在数值上近似相等，这给干燥计算带来很大的方便。因湿球温度Wt是比较容易测定的，而Wastt，则可根据空气的干球温度t和绝热饱和温度ast(因Wastt),从空气的湿度图中，查得空气的湿度H。从上述结论可看出，表示空气的性质的三个温度daswtttt及或、)(的大小，对于不饱和湿空气为dWttt；对于已达饱和的湿空气则有dwttt13.2.2空气湿度图及其用法一、空气湿度图在总压P一定时，湿空气的各个参数)(wWtIHPt、、、、、中，只有两个参数是独立的，即规定两个相互独立的参数，湿空气的状态就被唯一确定。工程上为了方便起见，将各参数之间的关系在平面坐标上绘制成湿度图。根据目的和使用上的方便可以选择不同的独立参数作为坐标，由此所得的湿度图的形式也不同。目前工程计算中用得比较广泛的是采用温度t作为横坐标、湿度H作为纵坐标所绘制的湿度图，也称Ht~图。图中包括五种线，其意义如下：1．等干球温度线简称等t线，所有与纵坐标平行的直线都是等t线。2．等湿含量线简称等H线，所有与横坐标平行的直线都是等H线。3．等相对湿度线简称等线，由SSPPPH622.0当为一定值时，由于饱和蒸汽压SP仅系温度t的函数，可以标绘出许多Ht的点而连接成等线。1的线称为饱和线，线上各点代表的空气为水蒸气所饱和。此线以下为未饱和区域，在这个区域中的空气可以作为干燥介质。在此线以上则为超饱和区域，空气中含雾状水滴，不能用于干燥物料。4．湿质量热容线可以按湿质量热容的定义标绘：HCH88.101.1由此可以知道，湿质量热容仅随湿度而变。5．绝热冷却线)(HHCrttrCttHHasHasasasHasas或上式表明，空气在绝热冷却过程中，其温度t和湿度H沿着)(Ht，和)asasHt，（两点之间的一条直线而变化，此线成为绝热冷却或绝热饱和线，其斜率为asHrC。二、湿度图的用法HC0.1HCH~