第十三章干燥.docx

1、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

2、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

3、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 ps时，表明该湿空气能继续接受水蒸汽；当pw ps时，表明该湿空气不能继续接受水蒸汽。 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

4、为相对湿度，用表示pw/ps （13-2-2）由上式得 pw= ps （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0C的空气为基准；对于水蒸汽，焓的计算以0C的液体水为基准，则有 Ia=cat=1.01t （13-2-7） Iv=cvt+r0 =1.88t+249

5、2 （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

6、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=(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= (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

7、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=30C,湿度H0.024kg水汽

8、/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 pw3.763 kPa（2）求，查t=30C下水的饱和蒸汽压ps=4.24kPa,则( 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27.5C ，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 =28.4C,查得ps3.87kPa, ras=2490kJ/

9、kg, Has=0.622 ps /(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) =28.35C tas=28C 不再重算。如初值与终值差别较大则须重算。（5）求II=cHt+2492H=(1.01+1.88 0.024) 30+2492 0.024 =91.4kJ/kg13-3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

10、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.等线：确定一个，例如0.5，然后确定一个温度，例如10C，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

11、/ras。以绘制tas=40C的绝热冷却线为例：查tas=40C下的ras2401kJ/kg, pas=7375Pa，设取H0.01kg水汽/kg干气，cH=1.01+1.88H=1.029，代入式（13-15a）求得t=135C。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I120kJ/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

12、分别为158.1、159.7、 表1常压、I120kJ/kg下的t-H关系H kg/kg 0 0.01 0.02 0.03 0.04t C 118.8 92.4 67.0 42.4 18.7 图13-4湿度图2160.5kJ/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

13、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,