第13章热,质同时传递的过程

第13章热、质同时传递的过程

13.1 概述

化工生产过程中，许多过程热质传递同时进行。如干燥、吸附、热气直接水冷和热水的直接空气冷却。在这些过程中热质传递相互影响。

例1 热气的直接水冷

例2 热水的直接空气冷却

13.2 气液直接接触时的传质和传热

1 过程的分析

⑴过程方向的判据

从上一节例子讨论可看到:温差决定传热方向,即热量总从高温传向低温；压差决定传质,即物质总从高分压相传向低分压相,且气体中的水气分压最大值为同温下水的饱和蒸汽压

p s。当p水汽=p s时,传质达到极限,此时的空气称为饱和湿空气.

⑵传递方向逆转的原因

在上节图中可看到,当t=θ时;即传热达到瞬时平衡时，未饱和气体中p水汽

θ，传热由气相到液相,传递方向就发生逆转。同理，p水汽=p s即传质瞬时达到平衡时,不饱和气体t>θ,传热由气相到液相,θ上升,p s也增大,p水汽

2过程的速率

⑴传热速率

假设：①气液相界面温度θi高于气相温度t

②由于水气直接接触时液相侧给热系数α远大于气相,所以气液相界面温度与液相主体温度相等，即θ=θi。

传热速率: q=α(θ-t) kw/m2 13-1

⑵传质速率

以水汽分压差为推动力表示

当液相平衡分压p s高于气相中水汽分压p水汽时 ,

传质速率：N A=k g（p s-p水汽） kmol/(s·m2) 13-2

k g气相传质系数 kmol/(m2·s·kPa)

②以气体湿度差为推动力表示

a：湿度H的定义：单位质量干气中带有的水汽量 kg水汽/kg干气

b：H与p水汽的关系为: H= 13-3

p为气相总压kPa

M水，M气为水与气体的摩尔质量

对水与空气系统 H=0.622 13-4

饱和湿度 H s=0.622 13-5

c：传质速率：N A=k H(H s-H) 13-6

k H以湿度表示的气相传质系数 kg/(s·m2)

3 、过程的极限

热质同时传递时，过程的极限与单一传递过程不同，可区分为两种情况:

⑴大量气体与少量液体接触过程的极限

液相状态固定不变，气相状态变化。液体从无限高塔顶进入，气体与液体逆流充分接触，且液气比很大，气相将在塔顶同

时达到热平衡和相平衡。即t=θ，p水汽=p s

⑵大量气体与少量液体接触过程的极限

气相状态固定不变，液相状态变化。气体从无限高塔底进入，状态保持不变，气体与液体逆流充分接触，且液气比很小。

此时，气液不可能在塔底同时达到传热与传质平衡。

原因：达到热平衡时，即t=θ，若进口气相不饱和，即p水汽

(液相汽化-放热)将破坏热平衡。

同理，达到相平衡时，即p水汽=p s，若进口气相不饱和，即t>θ,传热必将继续进行，从而也破坏了相平衡。

注意：上述过程虽然不能同时达到热质传递平衡，但过程仍有极限(下面将讨论).

4、极限温度

⑴湿球温度

①实验现象

用湿纱布包扎温度计水银球感温部分，纱布下端浸于水中，以维持纱布处于湿润状态。此时的温度计称为湿球温度计，所指示

的温度为湿纱布中水的温度。

将它置于温度为t，湿度为H的流动不饱和空气中，假设纱布中水温与气温相同.因不饱和气体与水分存在湿度差H

②湿球温度的计算

a 计算式:

当大量空气与少量水充分接触，湿球温度计的温度不再变化时，表明由气相向液相的传热速度α(t-t w)等于液相向气相的传质

带走的潜热速度k H(H w-H)r w，即:

α(t-t w)=k H(H w-H)r w 13-7

r w湿球温度t w下水的汽化热 kJ/kg

H w湿球温度t w下饱和湿度 kg/kg干气

P s饱和蒸汽压 kPa

由(式13-7)得：

13-8

b 应用:

⑴已知气体状态(t,H),求气体的湿球温度t w。由于式(式-8)中的饱和湿度H w及汽化热r w是t w的函数，故需试差求解

⑵已知气体的干、湿球温度(t,t w),求气体的湿度。

③影响tw的因素

⑴物系性质: 汽化热rw、液体饱和蒸汽压ps与温度的关系

及其它与α、kH有关的性质.

⑵气相状态: t,H或p水汽

湿空气温度一定，湿度越高，tw越高。空气饱和时，tw=t.

⑶流动条件: 影响着α及kH.

当温度不太高时辐射影响可忽略；

当流速足够大时(>5m/s),

与流速无关。

由上述影响因素知：已知空气真实温度(干球温度)t和湿球温度tw,空气状态即可唯一确定

⑵绝热饱和温度

①实验现象

可在绝热饱和冷却塔中测得。初始温度t,湿度为H的不饱和空气由塔底进入，大量的水由塔顶淋下,且在塔底排出后循环使用，即水温均衡，塔与外界绝热。空气与水接触,水分汽化，所需热量只能由气温下降放出显热而提供，水气又将热带到空气中。