1、1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。按照汽化水分所需热
2、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空
3、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） wawawa pP62.0p918nMn2H 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 p s 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
4、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，称为相对湿度，用 表示p w/ps （13-2-2 ）由上式得pw= p s （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 cHcH=ca+cwH=1.01+1.88H (13-2-5)cH 的单位为 kJ/(kg 干空气.C)。四. 焓 II=Ia+HIw （13-2-6）焓的单位为 kJ/kg 干气。对于空气，焓的计算以 0 C 的空气为基准；对于水蒸汽，焓的计算以 0 C
5、 的液体水为基准，则有Ia=cat=1.01t （13-2-7 ） Iv=cvt+r0 =1.88t+2492 （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 vHvH= va+vwH = spPsP73)t(H184.29. a（3= （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。t w 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
6、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，t w 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-t w) 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）r w= (t-t w) 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
7、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P273)t(H4.17.0a（wHwrktHckwrct4cH (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
8、 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=30 C,湿度 H0.024kg 水汽/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=0.622p w/(101.3-pw) 解得 pw3.763 kPa（2）求 ，查 t=30 C 下水的饱和蒸汽压 ps=
9、4.24kPa,则( p w /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 27.5 C ，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 =28.4 C,查得 ps3.87kPa, ras=2490kJ/kg,Has=0.622 ps /(P- ps)=0.0247kg 水汽/kg 干气c H=1.01+1.88H=1.01+1.88 0.024=1.055kJ/kgtas=t-(ras/cH)(Has-H)= 30-(24
10、90/1.055)(0.0247-0.024)=28.35 C tas=28 C不再重算。如初值与终值差别较大则须重算。（5）求 II=c Ht+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，
11、例如 10 C，查得该温度下水的饱和蒸汽压为 1.23kPa,代入H=asasrct038.2.1503.62.0pP62.0s 5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(t as, Has)之间变化的直线,其斜率为-c H/ras。以绘制tas=40 C 的绝热冷却线为例：查 tas=40 C 下的 ras2401kJ/k
12、g, pas=7375Pa，设取 H0.01kg水汽/kg 干气，c H=1.01+1.88H=1.029，代入式（13-15a）求得 t=135 C。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。asHasrct6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分别为 158.1、159.7
13、、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。713-4 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
14、中水汽分压和总压都没有变化，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
15、，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,N、H N、I N，混合气状态点为 O，相应
16、参数分别为 GC,O、H O、I O， 则混合气的参数由下式计算：总物料衡算G C,O GC,M + GC,N水分衡算G C,OHO= GC,MHM + GC,NHN热量衡算G C,OIO= GC,MIM + GC,NIN 也可图解求取，由杠杆规则确定混合气状态点 O：O 点确定后，查图得该点的 HO 和 IO。EHtIB =1MON,C,C8第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算13-5 干燥过程和原理据图 13-6 进行介绍。图 13-6 干燥过程和原理示图通常通常在干燥计算中，首先需要确定从物料中去除的水分量、相应需要的空气流量的提供的热量，据此选择或设计适宜的风机和换热器，然后进行干燥器
17、和其它辅助设备的设计和选择。下面先介绍湿物料中含水量的表示方法。13-6 湿物料中含水量表示方法一. 湿基含水量 w湿湿基含水量 w 是以湿物料为基准的水分含量表示方法，即w=（湿物料中水分的质量 / 湿物料总质量）100% （13-6-1）二. 干基含水量 X干基含水量 X 是以干物料为基准的水分含量表示方法，即X（湿物料中水分的质量 / 湿物料中干物料质量）100% （13-6-2 ）两种含水量的换算关系为X=w/(1-w) （13-6-3） w=X/(1-X) （13-6-4）913-7 物料衡算对连续干燥器的水分作物料衡算得GCX1+LH1= GCX2+LH2 （13-7-1 ）上式的
18、形式和意义与吸收一章的全塔物料衡算十分相似。式中GC = G1(1-w1) = G2(1-w2) (13-7-2)G1=G2+W (13-7-3)这里 W 为干燥过程需要从物料中去除的水分量，注意和表示含水量的 w 相区别，其计算式为W=GC(X1-X2)= （13-7-4） 从物料中去除的水分量由空气带走，因此其值又等于空气中水分的增加量W=L(H2-H1) (13-7-5)W 一般由式（13-7-5）求算，而上式一般用于已知 W 后求算 L，即L=W/ (H2-H1) (13-7-6)在干燥计算中，常用去除 1kg 水分量作为计算基准求算相关量，去除 1kg 水分量所需的干空气用量记为 l
19、，则有l=1/(H2-H1) (13-7-7)实际空气用量则为l=l(1+H1) (13-7-8)L=L(1+H1) (13-7-8a)补充例题 13-2 在一连续干燥中，每小时处理湿物料 1000kg，经干燥后物料的含水量由 10%降到 2%（均为湿基） 。以热空气为干燥介质，初始湿度 H1 为 0.008kg 水汽/kg 干气，离开干燥器时的湿度 H2 为 0.05kg 水汽/kg 干气，设干燥过程无物料损失，求：1）水分蒸发量；2）空气消耗量；3）干燥产品量。解：1）X 1=w1/(1-w1)=0.1/(1-0.1)=0.111kg 水/kg 干料X 2= 0.02/(1-0.02)=0
20、.0204kg 水/kg 干料G C=G1(X1-X2)=1000(1-0.1)=900kg 干料/hW=G C(X1-X2)=900(0.111-0.0204)=81.5kg 水/h1221w)()w(102） L=W/(H2-H1)=81.5/(0.05-0.008)=1940kg 干气/hL=L(1+H 1)=1940(1+0.008)=1960kg 空气/hl=1/(H 2-H1)=1/(0.05-0.008)=23.8kg 干气/kg 水3）G 2=G1(1-w1)/(1-w2)=1000(1-0.1)/(1-0.02)=918.4kg/h或 G 2=G1-W=1000-81.5=9
21、18.5kg/h13-8 热量衡算一. 对整个干燥系统的热量衡算对整个干燥系统作热量衡算（参见图 13-7） ，可得Qp +Qd +L I0 +GCIM1= L I2 + GCIM2+QL 整理上式得Q= Qp +Qd = L (I2-I0) + GC(IM2-IM1) +QL （13-8-1 ）式中I2=ca t2+cv H2t2+ r0 H2I 0=ca t0+cvH0t0+ r0H0L (I2-I0) Lc a (t2-t0) + r0 L (H2-H0) +LcvH2t2- LcvH0t0 +LcvH0t2- LcvH0t2Qp QdL,t0,I0G1,tM1,IM1 G2,tM2,IM2L,t2L,t1I1 I2QL图13-7 干燥热量衡算
