化工原理第12章干燥

ps
空气的湿度为
2 3991.11 2 3991.11 exp18.5916 exp18.5916 2.338 kN/m2 15 t 233.84 15 20 233.84
H 0 0.622
空气的比热为
ps 0.8 2.338 0.622 0.0117 kg 水汽/kg 绝干气体 P ps 101.325 0.8 2.338
对流干燥过程举例 化工生产中最常用的是对流干燥。 对流干燥器：空气通过送风机吹入 空气预热器，预热后的热空气送入 气流干燥管，湿料由螺旋加料器推 入干燥器并分散于热气流中，受气 流的输送并进行干燥，干燥产品通 过旋风分离器从气流中分离出来， 湿废气体由引风机抽出排空。
1 2 5 8
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。 H 由于温差的存在，气体以对流方式 t 向固体物料传热，使湿份汽化；
ps 2 3991.11 exp18.5916 15 t 233.84
【例12-1】拟将温度20℃的空气预热至150℃用作干燥介质，已知预热前空气的 相对湿度为80%，湿份为水，总压kN/m2。试求：⑴ 空气的湿度；⑵ 预热后 空气的相对湿度和最大相对湿度。
解：⑴ 水在 20℃下的饱和蒸汽压为
2 3991.11 exp 18.5916 t 233.84 15 w
—— 湿球温度 tw 定义式
饱和气体：H = Hw，tw = t，即饱和气体的干、湿球温度相等。 不饱和气体：H < Hw，tw < t。
恒速干燥段的物料温度 (2) 湿球温度的测定 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 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：
⑵ 水在 150℃的饱和蒸汽压为
ps
2 3991.11 exp18.5916 482.44 kN/m2 15 150 233.84
湿比容H (Humid volume) 或干基湿比容 (m3/kg绝干气体) 1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽所具有的体积
T 273 101.325 t 273 1 H vH 22.4 (0.287 0.462 H ) P P 273 29 18
式中：cg — 绝干气体的比热，J/(kg绝干气体·℃)； cv — 湿份蒸汽的比热，J/(kg湿份蒸汽·℃) 。 对于空气-水系统： cg=1.005 kJ/(kg·℃)，cv=1.884 kJ/(kg·℃)
cH 1.005 1.884 H
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湿焓iH (Total enthalpy) 或干基湿焓 (kJ/kg绝干气体) 1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽所具有焓的总和
n M M p H w w w ng M g M g P p
相对湿度（Relative humidity） 湿度只表示湿气体中所含湿份的绝对数，不能反映气体偏离 饱和状态的程度（气体的吸湿潜力）。 相对湿度：一定的系统总压和温度下，气体中湿份蒸汽的分 压 p 与系统温度下湿份的饱和蒸汽压 ps 之比。
湿气体的性质 湿气体：绝干气体与湿份蒸汽的混合物，其性质与湿份蒸汽 的数量有关。 在干燥过程中，随着物料中湿份的汽化，气体中湿份蒸汽的 含量在不断增加，但绝干气体的量保持不变。 湿气体的干球温度和总压 干球温度 t ：湿气体的真实温度，简称温度（℃ 或 K）。将 温度计直接插在湿气体中即可测量。 系统总压 P ：即湿气体的总压（kN/m2）。干燥过程中系统 总压基本上恒定不变。 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。
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7 干品 4
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。 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。
ti pi
M
q W p
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1-鼓风机；2-预热器； 3-气流干燥管；4-加料斗； 5-螺旋加料器；6-旋风分离器； 7-卸料阀；8-引风机。
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概述（Introduction）
第十二章 干 燥
Chapter 12 Drying
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。 例如： 制盐工业中，在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶粒； 塑料工业中 氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒 塑料工业中，氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒。 除湿方法：机械脱水 (沉降或过滤)；干燥 (加热使湿份汽化) 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。 干燥方法的分类：根据加热方法可分为传导干燥、对流干 燥和辐射干燥。
ps P ps
重点!!!
总压一定时，气体的湿度只与湿份蒸汽的分压有关。
相对湿度（Relative humidity） 若 t < 总压下湿份的沸点，0 100%； 若 t >总压下湿份的沸点，湿份 ps> P，最大 (气体全为湿 份蒸汽) < 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。 湿份为水时 可按下式由系统温度 t 计算饱和蒸汽压 湿份为水时，可按下式由系统温度
k 重点!!! t w t H rw ( H w H ) h
气膜 气体 t, H 对流传热 q h 液滴 kH 对流传质 N 液滴 表面 tw , Hw
恒速干燥段的物料温度
tw t kH rw ( H w H ) k 有相同的作用，可认为 k /h 与速度 H H h
因流速等影响气膜厚度的因素对 h 和
p P 时，
湿比热cH (Humid hea百度文库)或干基湿比热J/(kg绝干气体· ℃) 1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽温度升高1℃所需要的热量
c H c g 1 cv H
相对湿度达到最大，即
max
P 101.325 21% ps 482.44
即 150℃空气相对湿度的变化范围为 0~21%。
干燥过程中的物料温度 在不同的干燥阶段，物料温度的变化规律不同。 恒速干燥段的物料温度 恒定条件下，恒速干燥段物料表面维持在一个稳定温度 tw。 (1) 气体的湿球温度（Wet-bulb temperature） 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：
Q hA(t t w ) Q k H A( H w H ) rw hA(t t w ) k H A( H w H ) rw
空气预热前后水汽分压不变，因此，空气预热至 150℃时的相对湿度为
p 1.87 0.39% p s 482.44
可见，将空气从 20℃加热至 150℃，相对湿度从 80%降至 0.39%。当空气中水汽分压等于总压
常压下(P=101.325kN/m2) ： vH (0.002835 0.004557 H )(t 273)
p p s 0.8 2.338 1.87 kN/m
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重点!!!
= 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，故气体用作干燥介质应预热。 H 不变而降低 t，，气体趋近饱和状态。当气体达到饱和 状态(露点)而继续冷却时，气体中的湿份将呈液态析出。
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湿份的表示方法 湿份分压（Moisture partial pressure） 湿气体中湿份蒸汽的压力，用 p 表示（kN/m2 ）； 当气体为湿份蒸汽所饱和时，湿份分压达到最大值，即系统 温度下湿份的饱和蒸汽压。 绝对湿度(湿度) H（Humidity） 湿气体中湿份蒸汽的质量与绝干气体的质量之比。若湿份蒸 湿气体中湿份蒸汽的质量与绝干气体的质量之比 若湿份蒸 汽和绝干气体的摩尔数 (nw, ng) 和摩尔质量 (Mw , Mg)
iH ig Hiv
【例12-2】将温度20℃、相对湿度为80%的空气预热至120℃用作 干燥介质，湿份为水。试求：⑴空气的湿比热；⑵ 预热前后空 气焓值的变化。
解：⑴ 20℃时水的饱和蒸汽压为
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， 若取0℃下的绝干气体和液态湿份的焓为零，则
iH (c g Hcv )t r0 H cH t r0 H
ps
2 3991.11 2 3991.11 exp18.5916 2.338 kN/m2 exp18.5916 15 20 233.84 t 233.84 15
空气的湿度为
H 0 0.622
空气中水汽分压为
ps 0.8 2.338 0.622 0.0117 kg 水汽/kg 绝干气体 101.325 0.8 2.338 P ps

p 100% ps
kg湿份蒸汽/kg绝干气体 重点!!!
p H 0.622 P p
值越低，气体偏离饱和的程度越远，吸湿潜力越大； =100% 时，p=ps，气体被湿份蒸汽所饱和，不能再吸湿。
对于空气-水系统：
H 0.622
对于空气-水系统： Mw=18.02kg/kmol，Mg=28.96 kg/kmol
显热项 对于空气-水系统：
汽化潜热项
iH (1.005 1.884 H )t 2491.27 H
c H 1.005 1.884 H 1.005 1.884 0.0117 1.027 kJ/(kg 绝干气体·℃)
⑵ 由于预热前后空气湿度不变，故焓值变化为
重点!!!
i H c H (t1 t 2 ) (1.005 1.884 0.0117 )(120 20) 102.7 kJ/kg 绝干气体
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。
干燥过程的基本问题 (1) 干燥介质用量的确定； (2) 干燥条件的优化； (3) 干燥速率的强化； (4) 干燥方法的合理选择。 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。
等因素无关，而仅取决于系统的物性。
结论： tw = f (t, H) ，气体的 t 和 H 一定，tw 为定值。 对于空气-水系统：
k H cH 1 h rw 2491.27 2.3t w
H w 0.622 pw P pw pw
tw t
rw (H w H ) cH
由于方程的非线性， 求解 tw 需用试差法。
c (t t w ) H Hw H rw
t tw 气体
恒速干燥段的物料温度 (3)恒速干燥段的物料温度 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<100℃。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 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。 对初始温度为 20℃、相对湿度为 80% 的常压空气 t℃ tw ℃ 20 17.62 60 100 200 500 28.36 35.76 47.63 64.43