第十四章--固体干燥(化工原理)

14固体干燥14.1概述14.2干燥静力学（重点及难点）14.3干燥速率与干燥过程计算（本章重点）14.4干燥器14.1概述14.1.1固体去湿方法和干燥过程14.1.2对流干燥流程及经济性14.1.1固体去湿方法和干燥过程（1）物料的去湿方法①机械去湿物料带水较多时，可先用离心过滤等机械分离方法以除去大量的水。②吸附去湿用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaCl2、硅胶等）与湿物料并存，使物料中的水分相继经气相而转入干燥剂内。③供热干燥向物料供热以汽化其中的水分。供热方式又有多种。※去湿方法中较为常用的方法是供热干燥。14.1.1固体去湿方法和干燥过程干燥过程：利用热能除去固体湿物料中湿分的单元操作。干燥过程的本质：被除去的湿分从固相转移到气相中(固相为被干燥的物料，气相为干燥介质)。在去湿过程中，湿分发生相变，耗能大、费用高，但湿分去除较为彻底。工业干燥操作多是用热空气或其它高温气体为介质，使之掠过物料表面，介质向物料供热并带走汽化的湿分，此种干燥常称为对流干燥。14.1.1固体去湿方法和干燥过程干燥过程分类：（a）按操作压力可分为常压干燥、真空干燥。（b）按操作方式可分为连续式干燥、间歇式干燥。（c）按照热能供给湿物料的方式可分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥。本章主要讨论干燥介质是空气，湿分是水的对流干燥过程。14.1.1固体去湿方法和干燥过程（2）对流干燥过程的特点1）对流干燥流程14.1.1固体去湿方法和干燥过程2）干燥过程的传热、传质传热传质方向从气相到固体从固体到气相推动力温度差水汽分压差3）干燥过程进行的必要条件①湿物料表面水汽压力大于干燥介质水汽分压；②干燥介质将汽化的水汽及时带走。结论:对流干燥过程是热质反向传递的过程。14.2干燥静力学14.2.1湿空气的状态参数14.2.2湿空气状态的变化过程14.2.3水分在气—固两相间的平衡14.2.1湿空气的状态参数几个名词：1）湿空气：由空气和水蒸汽组成的混合气体p=p干+p水2）饱和湿空气：湿空气中水蒸汽分压等于当时空气温度下水的饱和蒸汽压，即p水=ps3）不饱和湿空气：p水ps4）干空气：p水=0（1）空气中水分含量的表示方法１）水汽分压p水汽与露点td测定水汽分压的实验方法是测量露点。露点td：在总压不变的条件下将空气与不断降温的冷壁相接触，直至空气在光滑的冷壁面上析出水雾，此时的冷壁温度称为露点。壁面上析出水雾表明：水汽分压为p水汽的湿空气在露点温度下达到饱和状态。14.2.1湿空气的状态参数112）湿度（湿含量）H定义：为每kg干空气所带有的水汽量，单位是kg/kg干气，即：H=Kg水汽Kg绝干空气=nvMvnaMa=18nv28.9nanv：湿空气中水汽的摩尔数，kmol；na：湿空气中绝干空气的摩尔数，kmol；Mv：水汽的分子量，kg/kmol；Ma：空气的平均分子量，kg/kmol。12当湿空气可视为理想气体时，则有：式中：pv为空气中水蒸汽分压。vvavavpppppnnvvav622.09.2818pPpnnH水汽水汽水汽水汽气水ppppppMMH622.0•H也叫绝对湿度或湿含量13当湿空气中水蒸汽分压pv恰好等于同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压ps时，则表明湿空气达到饱和，此时的湿度H为饱和湿度Hs。即：)(SPtfH，SSS622.0P-ppH14.2.1湿空气的状态参数说明：①湿度由总压和水蒸汽分压决定，当总压固定，则H＝f（p水汽）②当水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压ps时，则表该湿空气已经饱和。饱和湿含量Hs=0.622ps/（P–ps），故Hs=f(t)③如果不是空气和水系统，则系数不是0.622。14.2.1湿空气的状态参数３）相对湿度空气中的水汽分压p水汽与一定总压及一定温度下空气中水汽分压可能达到的最大值之比定义为相对湿度，以表示。spp水汽当pps当ppspp水汽※相对湿度表示了空气中水分含量的相对大小。14.2.1湿空气的状态参数讨论：①绝干空气=0饱和时=10.622pHppss我们讨论的是01的空气②愈小，表空气距饱和愈远，则表该空气的载湿能力愈大，t增大，则ps增大，则减小，则吸湿能力愈大如＝1，则该空气已饱和，不可再吸收水分。③值随水蒸汽分压和温度而变，=f(p水汽,t)④由此17【例14-1】湿空气中水的蒸汽分压pv=2.337kPa，总压P=100kPa，求20℃时的湿度H、相对湿度；若空气分别被加热到50℃和100℃，求值。解：查p230表13-1，可知t=20℃时Ps=2.337kPa干气水汽kgpPpH/kg015.0337.2100337.2622.0622.0vv%100337.2337.2svpp没有干燥能力18查表13-1，可知t=50℃,Ps=12.335kPa%95.18335.12337.2''svpp湿度H=？水蒸气分压没变，故湿度不变t=100℃,Ps=101.325kPa100kPa%337.2100337.2''vpp温度越高，φ越小，干燥能力越大。若t=150℃,相对湿度=？19【例14-2】总压100kPa，20℃空气的湿度为0.01kg/kg绝干气，求：（1）20℃时空气相对湿度1(2)若空气被加热到80℃时的2（3）20℃，总压提至147kPa时的3（4）20℃，总压提至300kPa时1kg干气析出多少水？vv622.0pPpHkPa582.101.0622.010001.0H622.0Hvpp20%7.67337.2582.1sv1pp（1）查p230表13-1，可知t=20℃时Ps=2.337kPa（2）查p230表13-1，可知t=80℃时Ps=47.36kPa%34.336.47582.12sv2，pp（3）当p=147kPa时%5.99100147337.2582.1sv,33pp21（4）当p=300kPa时干气水汽kgpPpHs/kg0049.0337.2300337.2622.0622.0ss干气水汽kgHHHs/kg0051.00049.001.0P、H一定，温度越高，φ越小，干燥能力越大。H，t一定，压力越低，φ越小，干燥能力越大。•结论:湿度H只能表示水汽含量的绝对值；相对湿度才能表示湿空气吸收水汽的能力。22干球温度t是用普通温度计测得的湿空气的真实温度。湿球温度计在空气中所达到的平衡或稳定的温度。湿球温度计：温度计的感温球用纱布包裹，纱布用水保持湿润，这支温度计为湿球温度计。4)干球温度t5)湿球温度tw14.2.1湿空气的状态参数5）湿球温度t()()HttkHHr空气传给水的显热水汽化带走的潜热24湿球温度tw计算公式（推导过程见P221）:式中：：空气至湿纱布的对流传热系数，W/m2•℃；：以湿度差为推动力的传质系数，kg/m2•s；：水在湿球温度tw时的汽化潜热，kJ/kg水；：湿空气在温度为tw下的饱和湿度，kg水/kg干气；：空气的湿度，kg水/kg干气。)(HHrkttwwHwHkwrwHH25*物系性质：与α、kH有关的物性；*空气状态：t、H；*流动条件：α/kH。实验表明，α与kH都Re与的0.8次幂成正比，故α与kH之比值与流速无关，只与物性有关。当物系已确定，则物系性质就不再改变，此时，湿球温度只与气相状态有关，即：影响湿球温度tw的三方面因素：)(Htftw，14.2.1湿空气的状态参数对空气-水系统，当被测气流的温度不太高，流速5m/s时，α/kH为一常数，其值约为1.09kJ/（kg•℃），故)(09.114.2.1湿空气的状态参数讨论：①空气愈小，偏离饱和愈远，则水气化快，tw↓，↑则汽化慢，tw↑；=1，空气饱和，tw=t②tw虽测的是湿纱布的温度，但它是由空气的H和t决定。即tw是空气的状态参数。tw=f(H,t)，可由测定tw后，由上式计算空气的H。14.2.1湿空气的状态参数（2）与过程计算有关的参数上述参数尚不足以满足干燥过程的计算的需要，为此补充定义如下两个参数：湿空气的焓湿空气的比体积绝热饱和温度14.2.1湿空气的状态参数1）湿空气的焓HrtHccI0pvpg)(——0℃时水的汽化热，取2500kJ/（kg•℃）；pgcpvc0r式中HcccpvpgpHHtHI2500)88.101.1(对空气-水系统有：※湿空气的焓的单位kJ/kg干气——干气比热容，空气为1.01kJ/（kg•℃）；——蒸汽比热容，水汽为1.88kJ/（kg•℃）；——湿比热容14.2.1湿空气的状态参数2）湿空气的比体积在常压下、t℃的1kg干空气的体积为：)273(1083.22732734.223ttM气在常压下、t℃的Hkg水汽的体积为：)273(1056.42732734.223tHtMH水14.2.1湿空气的状态参数)273)(1056.41083.2(33HtHv常压下温度为t℃、湿度为H的湿空气比体积为：※湿空气的比体积的单位:m3/kg干气1HHv湿思考：有人认为湿空气的比体积的倒数是湿空气的密度，你认为对吗？答：不对。14.2.1湿空气的状态参数3）绝热饱和温度14.18()IHH()()asaspLasVIIVHHct()asasaspHrttHHcHttI)250088.1(01.1定义绝热饱和温度tas，在θ=tas条件下，作热量衡算：△I与I相比甚小，可视为等焓过程aspHtHHcrtHHrtt)()(09.1asas湿空气状态的变化过程补充说明：1）对于一定t、H的空气tas为一定值，故tas是空气的状态函数。2）对于空气－水系统，对照tw的定义式α/kH≈1.09≈cpH，而ras≈rw，故tas=twtas是等焓过程计算，因此tas和tw是两个不同的概念。3）对不饱和空气，ttas=twtd4）对饱和空气，t=tas=tw=td14.2.1湿空气的状态参数5）焓－湿度图（Ｉ－Ｈ图）36/22H-I图等I线群（0~680）等H线群（0~0.2）等t线群（0~250）等φ线群（5%~100%）蒸汽分压线群14.2.1湿空气的状态参数①等H线（等湿度线）等H线为一系列平行于纵轴的直线。②等t线（等温线）等t线为一系列平行于横轴的直线。③等I线（等焓线）HttI)250088.1(01.1④等线（等相对湿度线）ss622.0pppH14.2.1湿空气的状态参数⑤p水汽线(水蒸汽分压线)p水汽线标于=100%线的下方，表示p水汽与H之间的关系。由0.622pHpp水汽水汽得0.622HppH水汽14.2.1湿空气的状态参数注意：a)当H一定时，t↑，↓，吸收水汽能力↑。所以湿空气进入干燥器之前须先经过预热以提高其温度和焓值有利于载热外，同时也是为了降低相对湿度而有利于载湿；b)=100%的线称为饱和曲线，线上各点空气为水蒸汽所饱和，此线上方为未饱和区（1），在这个区域的空气可以作为干燥介质。此线下方为过饱和区域，空气中含雾状水滴，不能用于干燥物料；c)H-I图是以总压p=100kPa为前提绘制的，因此当一定，t≥99.7℃时，ps=100kPa=p，H=常数，等线（图中=5%与=10%两条线）垂直向上为直线与等H线重合。14.2.1湿空气的状态参数d）H-I图中的任意一点代表一个确定的空气状态，其t、tw、H、、I等均为定值。已知湿空气的两个独立参数，即可确定一个空气