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第十三章干燥

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。

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)

                   

  

H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

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Φ表示

     Φ=pw/ps(13-2-2)

   

由上式得

    pw=Φps             (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cH

   cH=ca+cwH=1.01+1.88H  (13-2-5)

   

cH的单位为kJ/(kg干空气.◦C)。

四.焓I

   I=Ia+HIw        (13-2-6)

焓的单位为kJ/kg干气。

对于空气,焓的计算以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vH

   vH=va+vwH=           

                               

    =               (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=α(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=α(t-tw)

 整理得

   

                   (13-2-13)

 

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

cH(t-tas)=(Has-H)ras(13-2-15)

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H=0.024kg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=0.622pw/(P-pw)得 0.024=0.622pw/(101.3-pw)

 解得pw=3.763kPa

(2)求Φ,查t=30゜C下水的饱和蒸汽压ps=4.24kPa,则

      Φ=(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ps=3.87kPa,ras=2490kJ/kg,

Has=0.622ps/(P-ps)=0.0247kg水汽/kg干气

   cH=1.01+1.88H=1.01+1.88×0.024=1.055kJ/kg

tas=t-(ras/cH)(Has-H)=30-(2490/1.055)(0.0247-0.024)

=28.35゜Ctas’=28゜C

不再重算。

如初值与终值差别较大则须重算。

(5)求I

   I=cHt+2492H=(1.01+1.88×0.024)×30+2492×0.024

=91.4kJ/kg

13-3 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. 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Φ线:

确定一个Φ,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=

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。

  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ras=2401kJ/kg,pas=7375Pa,设取H=0.01kg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 I=120kJ/kg,代入上式,然后由上式计算每一个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。

   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、I=120kJ/kg下的t-H关系

Hkg/kg

0

0.01

0.02

0.03

0.04

tºC

118.8

92.4

67.0

42.4

18.7

 

图13-4 湿度图2

 

160.5kJ/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。

 

13-4 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。

●冷却过程图13-5 湿度图的应用

  在湿空气达到饱和状态之前,冷却过程是加热过程的逆过程,如图13-5中从C到D的过程。

到达D点后,空气达到了饱和状态,此时开始有水珠出现,再继续降低温度则进入冷凝过程,空气处于饱和状态,状态沿着饱和线变化,如图中从D状态点到E状态点。

过D点之后,空气不再保持湿度不变。

  2. 绝热增湿过程

  在干燥操作中,如果设备保温良好,没有热损失,则干燥过程是一个绝热增湿过程,过程中空气又被冷却,因此在湿度图中这个过程将沿着绝热冷却线变化。

由于绝热冷却过程近似等同于等焓过程,所以绝热增湿过程也可以视为沿着等焓线温度下降的方向变化。

  3. 两股湿空气流的混合

  在干燥操作中,离开干燥器的废气因还没有达到饱和状态,其温度也较高,直接排放造成较大的能量损失,所以实际操作中常使部分废气循环使用,废气与新鲜热空气混合为混合干燥气体,这种做法有时还可以改善干燥产品的质量。

  设废气的状态点为M,其流量为GC,M(kg干气),湿度为HM,焓为IM,新鲜空气状态点为N,其相应参数分别为GC,

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