干燥

第七章干燥第一节概述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微波加热本章重点：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。对流干燥过程原理温度为t、水份分压为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。由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使水份汽化；在分压差的作用下，水份由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。干燥是热、质同时传递的过程。干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。只要物料表面的水份分压高于气体中水份分压，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，其目的在于加快水份汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力。HtQWtippiM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：物料表面水分压热空气中的水分压传热推动力：热空气的温度物料表面的温度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：湿分在气固两相间的传递规律；湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化；物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征；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。第二节湿空气的性质及湿度图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，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湿份的表示方法对于空气-水蒸气系统：Mv=18.02kg/kmol，Mg=28.96kg/kmolvvgvggvvpPpMMMnMnHvvpPpH622.0绝对湿度(湿度)H：湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比。湿份蒸汽和绝干空气的摩尔数(nv,ng)和摩尔质量(Mv,Mg)，则有：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pv=ps(系统温度下水的饱和蒸汽压ps)时，湿度称为饱和湿度，以Hs表示。ssspPpH622.0相对湿度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）。相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压pv与系统温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数。值说明湿空气偏离饱和空气或干空气的程度，值越小吸湿能力越大；=0，pv=0时，表示湿空气中不含水分，为绝干空气。=1，pv=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svppsspPpH622.0相对湿度=f(H,t)ps随温度的升高而增加，H不变，提高t，则，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，则，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。出现第一滴液体的温度即为露点td。%100svpp比体积和比热容比体积：1kg绝干空气和相应水汽体积之和，m3/kgPtHPtHvH55100133.1273273)244.1772.0(100133.12732734.2218291比热容：1kg绝干空气及相应水汽温度升高1℃所需要的热量，KJ/(kg·℃)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·℃)湿空气的焓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℃时绝干空气和液态水的焓值均为零，则：对于空气-水系统：vgHIIIHrtcHrtHccIHvg00)(HtHI2490)88.101.1()(wttSQwwttsHrHHSkQ)(,wtsHwrHHSkttSw)()(,)(,HHrkttwwtstHw干燥过程中的物料温度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。空气的湿球温度tw：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：QW对流传热αkH气体t,H气膜对流传质液滴表面tw,Hw液滴——湿球温度tw定义式空气的湿球温度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α/kH与速度等因素无关，而仅取决于系统的物性。对于本系统，其取值近似为1.09KJ/kg干气·℃结论：tw=f(t,H)，气体的t和H一定，tw为定值。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)(,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：wHwtsrKttHHw)(,气体ttw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%的常压空气物料温度与湿空气的湿球温度绝热饱和冷却温度tas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。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。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HcH88.101.1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（I-H图）湿空气参数的计算比较繁，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线等φ线空气湿度图对于空气-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。(1)等湿度线(等H线))(HHcrttasHasas(2)等焓线（等I线）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，p-H近似为直线关系。空气湿焓图的用法确定空气的干燥条件=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。确定空气的状态点，查找其它参数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。确定绝热饱和冷却温度工业生产中，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。第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算湿物料水分含量的表示方法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XwwX1XXw1干燥过程的物料衡算和热量衡算物料衡算G1—湿物料进口的质量流量，kg/s；G2—产品出口的质量流量，kg/s；Gc—绝干物料的质量流量，kg/s；w1—物料的初始湿含量；w2—产品湿含量；L—绝干气体的质量流量，kg/s；H1—气体进干燥器时的湿度；H2—气体离开干燥器时的湿度；W—单位时间内汽化的水分量，kg/s。湿物料G1,w1干燥产品G2,w2热空气L,H1湿废气体L,H2)()(122121HHLXXGGGWc12HHWL121HHWLl绝干空气消耗量绝干空气比消耗水分蒸发量：热量衡算Qp——预热器向气体提供的热量，kW；QD——向干燥器补充的热量，kW；QL—干燥器的散热损失，kW。湿物料G,w1,1,I1’干燥产品G,w2,2,I2’热气体L,H1,t1,I1湿废气体L,H2,t2,I2湿气体L,H0,t0,I0QpQdQL预热器干燥器整个干燥系统的热量衡算在连续稳定操作条件下，系统无热量积累，单位时间内(以1秒钟为基准)：湿物料G1,w1,1,cm1干燥产品G2,w2,2,cm2热气体L,H1,t1,i1湿废气体L,H2,t2,i2湿气体L,H0,t0,i0QpQdQlLDpQGILIQQIGLI2'2'11LDpQIIGIILQQQ)()(1'2'022022020000()[()()]HHgvgvLIILcHctrHcHctrH)]()()([020002202HHrtHtHcttcLvgLWHH02202002000()()HHgvWWLIILcttcHtHtrLL)())((20020tcrWttcHcLvvg2020)(vHWittLc气体焓变物料焓变气体焓：汽化湿分所需要的热量：])()[()(112212wswscccXccXcGIIG)]()([112212XXccGwsccGWXX212121