北京化工大學(xué) 《化工原理》 課件 第八章 干燥

1、18. 干燥8.1 濕空氣的性質(zhì)與濕度圖8.2 干燥過程的物料衡算與熱量衡算8.3 干燥速率與干燥時間8.4 干燥器.2 在化工生產(chǎn)中，一些固體產(chǎn)品或半成品可能混有大量的濕分，將濕分從物料中去除的過程，稱為去濕。去濕的方法可分為以下三類：機誡去濕：用于去除固體物料中大部分濕分。吸附去濕：用于去除少量濕分。熱能去濕（干燥）：向物料供熱以汽化其中 的濕分的單元操作。.3干燥過程的分類：常壓干燥真空干燥連續(xù)式間歇式傳導(dǎo)干燥（間接加熱干燥）對流干燥（直接加熱干燥）輻射干燥介電加熱干燥按操作壓力分按操作方式分按供熱方式分.4根據(jù)供熱方式不同，干燥可分為以下四種情況：傳導(dǎo)干燥（間接加熱干燥）： 熱能通過壁

2、面以傳導(dǎo)方式加熱物料。對流干燥（直接加熱干燥）： 干燥介質(zhì)與濕物料直接接觸，并以對流 方式加熱濕物料。輻射干燥： 熱能以電磁波的形式射到濕物料表面。介電加熱干燥： 將濕物料置于高頻電場內(nèi)，使其被加熱。.5 本章主要討論對流干燥，干燥介質(zhì)是熱空氣，除去的濕分是水分。 對流干燥是傳熱、傳質(zhì)同時進(jìn)行的過程，但傳遞方向不同，是熱、質(zhì)反向傳遞過程：傳熱傳質(zhì)方向推動力氣固固氣溫度差水汽分壓差.6干燥過程進(jìn)行的必要條件：* 物料表面水汽壓力大于干燥介質(zhì)中水汽分壓；* 干燥介質(zhì)要將汽化的水分及時帶走。.78.1 濕空氣的性質(zhì)與濕度圖8.1.1 濕空氣的性質(zhì)8.1.2 空氣的濕度圖及其應(yīng)用.88.1.1濕空氣的

3、性質(zhì)通常用兩個參數(shù)來表征空氣中所含水分的大?。?濕度 H 及相對濕度 .9一、濕度（濕含量）H定義：濕空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量與絕干空氣 質(zhì)量之比。濕空氣是由水蒸汽和絕干空氣構(gòu)成。H =Kg水汽Kg絕干空氣=nwMwng Mg=18.02nw28.95ngnw：濕空氣中水汽的摩爾數(shù)，kmol； ng：濕空氣中絕干空氣的摩爾數(shù)，kmol；Mw：水汽的分子量，kg/kmol；Mg：空氣的平均分子量， kg/kmol。.10當(dāng)濕空氣可視為理想氣體時，則有：式中：pw為空氣中水蒸汽分壓。即：當(dāng)P為一定值時，.11 當(dāng)濕空氣中水蒸汽分壓 pw 恰好等于同溫度下水蒸汽的飽和蒸汽壓 ps時，則表明濕空氣達(dá)到飽

4、和，此時的濕度H為飽和濕度Hs。二、相對濕度定義：在一定溫度及總壓下，濕空氣的水汽分壓pw與 同溫度下水的飽和蒸汽壓ps之比的百分?jǐn)?shù)。 即：即：.12結(jié)論： 濕度 H 只能表示出水汽含量的絕對值，而相對濕度卻能反映出濕空氣吸收水汽的能力。當(dāng) =1時： pw = ps，濕空氣達(dá)飽和，不可作為干燥介質(zhì)；當(dāng) 1時： pw ps，濕空氣未達(dá)飽和，可作為干燥介質(zhì)。越小，濕空氣偏離飽和程度越遠(yuǎn)，干燥能力越大。.13【例7-1】 濕空氣中水的蒸汽分壓 pw=17.5mmHg，總壓 P=760mmHg，求20 時的相對濕度 ；若空氣分別被加熱到50和120，求值 。相對濕度 與濕度 H 的關(guān)系：.14三、濕空

5、氣的比熱與焓 1、濕比熱（濕熱）cH kJ/kg干氣 定義：在常壓下，將1kg干空氣和其所帶有的Hkg水 汽升高溫度1所需的熱量。：干空氣比熱 = 1.01 kJ/kg干氣 ：水汽比熱 = 1.88 kJ/kg水汽 式中.152、焓（熱含量）I kJ/kg干氣 定義：濕空氣的焓為干空氣的焓與水汽的焓之和。計算基準(zhǔn)： 以0干空氣及0液態(tài)水的焓值為0作基準(zhǔn)。 因此，對于溫度為t、濕度為H 的濕空氣，其焓值包括由0的水變?yōu)?水汽所需的潛熱及濕空氣由0生溫至t所需的顯熱之和。.16即：式中：I：溫度為t、濕度為H的濕空氣的焓值。kJ/kg干氣；Ig：干空氣的焓值。 kJ/kg干氣；Iv：水汽的焓值。

6、kJ/kg水汽；r0：0時水的汽化潛熱。r0=2492 kJ/kg水汽。.17 由上式可知，濕空氣的焓值只與濕空氣的濕度及溫度有關(guān)。即：.18四、濕空氣的比容（濕容積）Hm3濕空氣/kg干氣定義：每單位質(zhì)量絕干空氣中所具有的濕空氣（絕干 空氣和水蒸汽）的總體積。式中：壓力P 、溫度t下濕空氣比容。 m3濕氣/kg干氣：壓力P 、溫度t下干空氣比容。 m3干氣/kg干氣：壓力P 、溫度t下水汽比容。 m3水/kg水.19、的數(shù)值為：所以：.20綜合以上分析可得：當(dāng)總壓力P為一定值時，另外：濕空氣密度.21定義：一定壓力下，將不飽和空氣等濕降溫至 飽和，出現(xiàn)第一滴露珠時的溫度。濕度H與露點 td

7、的關(guān)系：五、露點 tdpd：td下的飽和蒸汽壓。.22干球溫度t是用普通溫度計測得的濕空氣的真實溫度。濕球溫度計在空氣中所達(dá)到的平衡或穩(wěn)定的溫度。濕球溫度計：溫度計的感溫球用紗布包裹，紗布用水 保持濕潤，這支溫度計為濕球溫度計。不飽和空氣的濕球溫度 tw低于干球溫度 t。六、干球溫度 t七、濕球溫度 tw.23濕球溫度計工作原理分析.24濕球溫度tw計算公式（推導(dǎo)過程見P332）:式中：空氣至濕紗布的對流傳熱系數(shù)，W/m2 ；：以濕度差為推動力的傳質(zhì)系數(shù)，kg/m2 sH；：水在濕球溫度tw時的汽化潛熱，kJ/kg水；：濕空氣在溫度為tw下的飽和濕度，kg水/kg干氣；：空氣的濕度， kg水/

8、kg干氣。.25* 物系性質(zhì)：與 、 kH有關(guān)的物性；* 空氣狀態(tài)：t、H；* 流動條件： /kH 。 實驗表明，與 kH都Re與的0.8次冪成正比，故 與kH之比值與流速無關(guān)，只與物性有關(guān)。當(dāng)物系已確定，則物系性質(zhì)就不再改變，此時，濕球溫度只與氣相狀態(tài)有關(guān)，即：影響濕球溫度tw的三方面因素：.26 對于空氣水系統(tǒng)： 當(dāng)空氣流速 u 5m/s時，傳熱以對流方式為主，有： 因此，濕球溫度是濕空氣的溫度和濕度的函數(shù)，即當(dāng) t、H一定時，tw也為定值?？蓪憺椋?在實際生產(chǎn)中，常常利用干、濕球溫度計來測量空氣的濕度。1.09kJ/kg.27七、絕熱飽和溫度tas 定義：空氣絕熱增濕至飽和時的溫度。絕熱

9、飽和器工作原理分析：.28 經(jīng)過以上分析可知，在空氣絕熱增濕過程中，空氣失去的顯熱與汽化水分帶來的潛熱相等，空氣的溫度和濕度雖隨過程的進(jìn)行而變化，但其焓值不變。推導(dǎo)過程見P334ras ：tas溫度下水的汽化潛熱，kJ/kg水；Has：空氣的絕熱飽和濕度，kg水/kg干氣；cH ：濕空氣的比熱， kJ/kg干氣 .29濕球溫度 tw 與絕熱飽和溫度 tas 的關(guān)系：tw ：大量空氣與少量水接觸，空氣t、H的不變；tas ：大量水與一定量空氣接觸，空氣降溫、增濕。tw ：是傳熱與傳質(zhì)速率均衡的結(jié)果，屬于動平衡；tas ：是由熱量橫算與物料衡算導(dǎo)出的，屬于靜平衡。 tw 與 tas 數(shù)值上的差異取

10、決于/kH 與cH兩者之間的差別。 .30當(dāng)空氣為不飽和狀態(tài)：t tw (tas) td；當(dāng)空氣為飽和狀態(tài)： t = tw (tas) = td。 空氣水體系， 空氣甲苯體系，tw tas.318.1.2 空氣的濕度圖及其應(yīng)用一、濕度圖五條線：1.等 H 線；2.等 I 線；3.等 t 線；4.等 線；5.水蒸氣分壓線。.32二、濕度圖的應(yīng)用1、利用濕度圖查取濕空氣的物性.332、濕空氣狀態(tài)點的確定.34【例7-2】在總壓為101.3kpa下，空氣的溫度為20，濕度為0.01 kg水/kg干氣。試求：1. 、td 、 tw；2. 總壓P與濕度H不變，將空氣溫度提高至50時的；3. 溫度t與濕度

11、H不變，將空氣總壓提高至120kpa時的；4. 若總壓提高至300kpa，溫度仍為20，每100m3原來的濕空氣所冷凝出來的水分量？.35結(jié)論： 因此，提高濕空氣溫度 t，不僅提高了濕空氣的焓值，使其作為載熱體外，也降低了相對濕度使其作為載濕體?！纠?-3】教材P281、例7-2.367.2 干燥過程的物料衡算與熱量衡算7.2.1 濕物料中含水量7.2.2 干燥過程的物料衡算7.2.3 熱量衡算7.2.4 空氣出口狀態(tài)的確定7.2.5 干燥器的熱效率.377.2.1 濕物料中含水量兩種表示方法：一、濕基含水量 w kg水/kg濕物料.38二、干基含水量 X kg水/kg干物料三、兩者關(guān)系.39

12、7.2.2 干燥過程的物料衡算干 燥 流 程 圖預(yù)熱器L, t0 , H0L, t1 , H1干燥器L, t2 , H2 濕物料G1, w1, (X1), 1 產(chǎn)品G2, w2, (X2), 2新鮮空氣廢氣.40L 絕干空氣質(zhì)量流量，kg干氣/hr；G1、G2 物料進(jìn)出干燥器總量，kg物料/hr。一、絕干物料量Gc kg干物料/hr二、汽化水分量 W kg水/hr水分汽化量濕物料中水分減少量濕空氣中水分增加量.41三、絕干空氣用量 L kg干氣/hrkg干氣/kg水 比空氣用量：每汽化1kg的水所需干空氣的量。（單位空氣消耗量）.42四、濕空氣參數(shù)1. 濕空氣用量kg濕氣/kg水kg濕氣/hr

13、2. 濕空氣體積kg濕氣/kg水kg濕氣/hr3. 濕空氣密度kg濕氣/m3濕氣.437.2.3 熱量衡算QLI1, L, t1 , H1 產(chǎn)品G2, w2, (X2), 2 濕物料G1, w1, (X1), 1I2, L, t2 , H2廢氣I0, L, t0 , H0新鮮空氣QP預(yù)熱器QD干燥器.44QP：預(yù)熱器內(nèi)加入熱量，kJ/hr；QD：干燥器內(nèi)加入熱量，kJ/hr。外加總熱量 QQPQD汽化1kg水所需熱量：kJ/kg水.45一、預(yù)熱器的加熱量計算 qP若忽略熱損失，則kJ/kg水二、干燥器的熱量衡算輸入量（1）濕物料帶入熱量（焓值）.46cM：干燥后物料比熱，kJ/kg濕料；cw：

14、水的比熱， kJ/kg水。（2）空氣帶入的焓值kJ/kg水（3）干燥器補充加入的熱量kJ/kg水.472. 輸出量（1）干物料帶出焓值：（2）廢氣帶出焓值：（3）熱損失：輸入輸出物料升溫所需熱量.48所需外加總熱量 q：.49.507.2.4 空氣出口狀態(tài)的確定一、等焓干燥過程（絕熱干燥過程或理想干燥過程）空氣在進(jìn)、出干燥器的焓值不變。過程分析：.51令：則有：外界補充的熱量及濕物料中被汽化水分 帶入的熱量；：熱損失及濕物料進(jìn)出干燥器熱量之差。.52等焓過程：等焓過程又可分為兩種情況，其一無熱損失濕物料不升溫干燥器不補充熱量濕物料中汽化水分帶入的熱量很少.53 空氣放出的顯熱完全用于蒸發(fā)水分所

15、需的潛熱，而水蒸汽又把這部分潛熱帶回到空氣中，所以空氣焓值不變。以上兩種干燥過程均為等焓干燥過程。若即：濕物料中水分帶入的熱量及干燥器補充的熱 量正好與熱損失及物料升溫所需的熱量相抵 消，此時，空氣的焓值也保持不變。其二.54二、實際干燥過程1. 補充熱量大于損失的熱量即在非絕熱情況下進(jìn)行的干燥過程。2. 補充熱量小于損失的熱量即.553. 空氣出口狀態(tài)的確定方法即確定H2、I2(H2、I2)（1）計算法（2）圖解法舉一例題.567.2.5 干燥器的熱效率一、熱效率定義：二、影響熱效率的因素1. .57 因此，t2不能過低，一般規(guī)定t2比進(jìn)入干燥器時空氣的濕球溫度tw高20 50。2. 3.

16、回收廢氣中熱量4. 加強管道保溫，減少熱損失.587.3 干燥速率與干燥時間7.3.1 物料中所含水分性質(zhì)7.3.2 恒定干燥條件下的干燥速率7.3.3 恒定干燥條件下恒速階段干燥時間7.3.4 恒定干燥條件下降速階段干燥時間.597.3.1 物料中所含水分性質(zhì)一、物料與水分結(jié)合方式吸附水分：濕物料的粗糙外表面附著的水分。毛細(xì)管水分：多孔性物料的孔隙中所含的水分。溶脹水分：是物料組成的一部分，可透入物料細(xì)胞 壁內(nèi)，使物料的體積為之增大。.60二、平衡水分與自由水分1. 平衡水分（X*）不能用干燥方法除去的水分。2. 自由水分（XX*）可用干燥方法除去的水分。X* = f（物料種類、空氣性質(zhì)）.

17、61三、結(jié)合水分與非結(jié)合水分結(jié)合水分 水與物料結(jié)合力強，pw ps。2. 非結(jié)合水分 水與物料結(jié)合力弱， pw ps。 結(jié)合水分與非結(jié)合水分只與物料的性質(zhì)有關(guān)，而與空氣的狀態(tài)無關(guān)，這是與平衡水分的主要區(qū)別。平衡水分一定是結(jié)合水分。.62.63【例7-4】在常壓25下，水分在ZnO與空氣間的平衡關(guān)系為：相對濕度 100%，平衡含水量X*0.02 kg水/kg干料相對濕度 40%，平衡含水量X*0.007 kg水/kg干料 現(xiàn)ZnO的含水量為0.25 kg水/kg干料，令其與25， 40%的空氣接觸，求物料的自由水分、平衡水分、結(jié)合水分和非結(jié)合水分。.647.3.2 恒定干燥條件下的干燥速率一、干

18、燥速率定義單位時間、單位干燥面積汽化水分量。kg水/m2s恒定干燥條件：空氣的溫度、濕度、流速及物 料接觸方式不變。.65二、干燥曲線及干燥速率曲線用于描述物料含水 量 X、干燥時間 及 物料表面溫度之間 的關(guān)系曲線。1. 干燥曲線.662. 干燥速率曲線ABC段：恒速干燥階段 AB段：預(yù)熱段 BC段：恒速段CDE段：降速干燥階段C點：臨界點 XC：臨界含水量E點：平衡點 X*：平衡水分.67三、恒速干燥階段前提條件：濕物料表面全部潤濕。汽化速率（傳質(zhì)速率）：kg水/m2s傳熱速率：恒速干燥速率.68恒速干燥特點：1. UUCconst.2. 物料表面溫度為tw3. 去除的水分為非結(jié)合水分4. 影響 U 的因素： 恒速干燥階段表面汽化控制階段 只與空氣的狀態(tài)有關(guān)，而與物料種類無關(guān).69四、降速干燥階段實際汽化表面減小汽化面內(nèi)移降速干燥階段特點：1. 2.