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《化工原理》 Principles of Chemical Engineering 第十二章 干燥Chapter

12 Drying 概述(Introduction) 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: 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. 干燥介质:用来传递热量(载热体)和湿份(载湿体)的介质. 由于温差的存在,气体以对流方式向固体物料传热,使湿份汽化;

在分压差的作用下,湿份由物料表面向气流主体扩散,并被气流带走. 对流干燥过程原理 温度为 t、湿份分压为 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. 注意:只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压,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,其目的在于加快湿份汽化和物料干燥的速度,达到一定的生产能力. ?H t q W ti p pi ?M 干燥是热、质同时传递的过程 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P表水 > 热空气中的水分压P空水传热推动力:热空气的温度t空气 >物料表面的温度t物表 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:(1) 湿分在气固两相间的传递规律;

(2) 湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化;

(3) 物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征;

(4)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. 1.湿份的表示方法 对于空气-水蒸气系统:Mw=18.02kg/kmol,Mg=28.96 kg/kmol 湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比.若湿份蒸汽和绝干空气的摩尔数 (nw, ng) 和摩尔质量 (Mw , Mg) 绝对湿度(湿度) H(Humidity) 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p=ps时,湿度称为饱和湿度,以Hs表示. 相对湿度(Relative humidity) 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). ?值说明湿空气偏离饱和空气或绝干空气的程度, ?值越小吸湿能力越大;

? =

0 ,p=0时,表示湿空气中不含水分,为绝干空气.? =

1 ,p=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: 相对湿度:在总压和温度一定时,湿空气中水汽的分压 p 与系统温度下水的饱和蒸汽压 ps 之比的百分数. 相对湿度(Relative humidity) 若t总压下湿空气的沸点,湿份 ps> P,最大? (空气全为水汽) < 100%.故工业上常用过热蒸汽做干燥介质;

若t>湿份的临界温度,气体中的湿份已是真实气体,此时? =0,理论上吸湿能力不受限制. = f (H, t) ps 随温度的升高而增加,H 不变提高 t,???,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,??,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. 2.比容?H (Humid volume) 或湿比容 (m3/kg绝干气体) 比容:1kg 绝干空气和相应水汽体积之和. 3.比热cH (Humid heat)或比热容KJ/(kg・ ℃) 比热:1kg 绝干空气及相应水汽温度升高1℃所需要的热量 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=1.01 kJ/(kg・℃),cv=1.88 kJ/(kg・℃) 4.焓I (Total enthalpy) 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℃时绝干空气和水汽的焓值均为零,则 对于空气-水系统: 显热项 汽化潜热项 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: 5.干燥过程中的物料温度 (1)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. (2) 空气的湿球温度(Wet-bulb temperature) a.定义 q N 对流传热 h kH 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 (2) 空气的湿球温度(Wet-bulb temperature) 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 kH / α与速度等因素无关,而仅取决于系统的物性. 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:H < Hs,tw < t. 对于空气-水系统: 结论: tw = f (t, H) ,气体的 t 和H一定,tw 为定值. 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: 气体 t tw b. 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, tw tas (或tw)> td;

饱和空气 t = tas = td 气体湿度图(Humidity chart) 湿空气参数的计算比较繁琐,甚至需要试差.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 空气湿度图的绘制 (Humidity chart) 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. 横坐标:空气的湿度,所有的横线为等湿度线.右侧纵坐标:空气的干球温度,所有纵线为等温线. (1) 等湿度线 (等H线) (2) 等焓线(等I线) 对给定的 tas: t = f (H) 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0-250?C. (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) . (5) 蒸气分压线 总压 P 一定, ps= f (H) , p-H 近似为直线关系. 空气湿焓图的用法 (Use of humidity chart) 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. ? =100%,空气达到饱和,无吸湿能力.?