化工原理--第十二章 干燥

以上三个式子是连续干燥设备热量衡算的 基本方程。
为了明确Q的各个用途，将上式进一步化简：
Q Qp Qd LcH 0 (t2 t0 ) W (1.88t2 2492 ) c1t M 1 G2cM 2 (t M 2 t M 1 ) Ql
等号左边代表干燥设备的“供能方”，右边 代表“耗能方”，其中第一项为新鲜空气被加 热所耗的能量；第二项为物料中水分蒸发所耗 的能量；第三项为物料升温所耗能量。加入干 燥系统的全部能量作用：加热空气、蒸发水分、 加热物料、热损失。
传导干燥：热能通过传热壁面以传导方式加热 物料，产生的蒸汽被干燥介质带走。 对流干燥：干燥介质直接与湿物料接触，热能 以对流方式传递给物料，产生蒸汽被干燥介质 带走。 辐射干燥：热能以电磁波的形式由辐射器发射 到湿物料表面，被物料吸收转化为热能，使湿 分汽化。 介电加热干燥：将需要干燥的物料放在高频电 场内，利用高频电场的交变作用，将湿物料加 热，并汽化湿分。
根据物料与水分结合力的状况，可分为结合水分和 非结合水分。 结合水分：凡湿物料的含水量小于Xs的那部分水分 称为结合水分。此时, 其蒸汽压都小于同温度下纯水 的饱和蒸汽压。 非结合水分：含水量超过Xs的那部分水分称为非结 合水分。此时，湿物料中的水分的蒸汽压等于同 度下纯水的饱和蒸汽压。
第四节 干燥速率和干燥时间
对于物料的去湿过程经历了两步：首先
是水分从物料内部迁移至表面，然后再由表 面汽化而进入空气主体。故干燥速率不仅取 决于空气的性质及干燥操作条件，而且还与 物料中所含水分的性质有关。
一、物料中的水分 根据物料所含水分能否用干燥的方法除去可分为平 衡水分与自由水分。 平衡水分：等于或小于平衡含水量，无法用相应空 气所干燥的那部分水分。 自由水分：湿物料中大于平衡含水量，有可能被该 湿空气干燥除去的那部分水分。
cH 1.01 1.88H
（四）、湿空气的焓I： 湿空气的焓为单位千克干空气的焓和其 所带H kg水蒸汽的焓之和，用I表示。 计算基准：0℃时干空气与液态水的焓等 于零。 I I a IV H kJ/kg干空气
I ca t (r0 cv t ) H r0 H (ca cv H )t 2492H (1.01 1.88H )t
1、湿物料的水分蒸发量W[kg水/s] 通过干燥器的湿空气中绝干空气量是不变 的，又因湿物料中蒸发出的水分被空气带走， 故湿物料中水分的减少量=湿物料中水分汽化量 =湿空气中水分增加量。即：
G1 G2 G1w1 G2 w2 Gc ( X1 X 2 ) [W ] [L(H2 H1 )]
三、干燥过程热量衡算 （一）、热量衡算 1、流程图
新鲜空气，经加热后进入干燥器与湿物料接触， 增湿降温。整个干燥过程需外加热量有两处，预 热器内加入热量Qp，干燥器内加入热量Qd。外 加总热量Q＝Qp＋Qd。
2、预热器热量衡算 QP L( I1 I 0 ) 3、干燥器的热量衡算 在稳定干燥过程中，输入量等于输出量， 干燥器热量衡算式为：
（六）、绝热饱和温度tas （1）定义：绝热饱和过程中， 气、液两相最终达到平衡温 度称为绝热饱和温度。 绝热饱和过程： 不饱和气体在与外界绝 热的条件下和大量的液体接 触，若时间足够长，使传热、 传质趋于平衡，则最终气体 被液体蒸汽所饱和，气体与 液体温度相等，此过程称为 绝热饱和过程。
（2）特别说明：绝热饱和过程又可当作等焓 过程处理。 湿球温度tw与绝热饱和温度tas的关系，对于 空气和水的系统，两者在数值上近似相等。
H、φ、t 之间的函数关系：
p S H 0.622 P p s
可见，对水蒸汽分压相同，而温度不同的 湿空气，若温度愈高，则ps值愈大，φ值愈小， 干燥能力愈大。
（二）、湿比容H 定义：每千克绝干空气中所具有的空气和 水蒸汽的总体积。
273 t 101.3 103 H g w H (0.773 1.244H ) 273 P m3 / kg干气
（二）、干燥设备的热效率 干燥器的热效率是干燥器操作性能的一个 重要指标。热效率高，表明热的利用程度好， 操作费用低，同时可合理利用能源，使产品成 本降低。因此，在操作过程中，希望可获得尽 可能高的热效率。

蒸发水分所需的热量 Q汽化
输入干燥设备的总热量 Q W (1.88t 2 2492 ) c1t M 1 100% Q p Qd
理想
Q汽化 Qp LcH 1 (t1 t 2 ) t1 t 2 100% 100% 100% LcH 0 (t1 t 0 ) t1 t 0
等焓干燥过程有以下两种情况：
A.整个干燥过程无热损失、湿物料不升温、干
燥器不补充热量、湿物料中汽化水分带入的热
量很少。
（七）、露点td （1）定义：一定压力下，将不饱和空气等湿 降至饱和，出现第一滴露珠时的温度。 pd H d H 0.622 P pd
式中：pd——为露点td时饱和蒸汽压, 也就是该空气在初始状 态下的水蒸汽分压pv 。
（2）计算td
计算得到pd，查其相对应的饱和温度，即为该 湿含量H和总压P时的露点td。
M v nv 18nv nv H 0.622 , kg / kg干空气 M a na 29na na
式中：Ma——干空气的摩尔质量，kg/kmol； Mv——水蒸汽的摩尔质量，kg/kmol； na——湿空气中干空气的千摩数，kmol； nv——湿空气中水蒸汽的千摩尔数，kmol。
（2）以分压比表示
100%
（三）、理想干燥过程和实际干燥过程 1、理想干燥过程（等焓干燥过程、绝热干燥 过程） 理想干燥过程是指干燥在绝热情况下进行 的，空气在进出干燥器的焓值不变，即I1＝I2 。空气在干燥室内降温所放出的显热 LcH1 (t1 t 2 ) 全部用于物料中水分的汽化，而汽化的水分又 将这部分显热以汽化潜热的形式带回到空气中， 故使空气焓保持不变。
(1) 纵坐标：空气的湿度，所有的横线为等湿度线。 (2)横坐标：空气的干球温度，所有纵线为等温线。 (3) 等相对湿度线 (等 线) =1的线为饱和线 (4)绝热饱和（冷却）线、等湿球温度线 对于空气-水系统，有tas≈tw，因此绝热饱和线可 近似视为等湿球温度线。 (5)等焓线 在一定的I下，将t与H关系绘于图中，可得到等 焓线。湿空气在绝热饱和塔中的变化是等焓变化， 所以等焓线与绝热饱和线基本相同。 (6)湿比热容线（cH～H） (7)干空气比容线、饱和比容线
p H 0.622 P p
式中：p——水蒸汽分压，Pa； P——湿空气总压，Pa。
（3）饱和湿度Hs 若湿空气中水蒸汽分压恰好等于该温度下水的 饱和蒸汽压ps，此时的湿度为在该温度下空气的最 大湿度,称为饱和湿度，以Hs表示。
式中： p s ——同温度下水的饱和蒸汽压，Pa。
ps H s 0.622 P ps
注：饱和湿度是湿空气总压和温度的函数。
2、相对湿度φ 当总压一定时，湿空气中水汽分压p与同温 度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数，称为相对 湿度。 p

ps
100%
意义：相对湿度表明了湿空气的不饱和程度， 反映湿空气吸收水汽的能力。 φ =1，表示空气已被水蒸汽饱和，不能再吸 收水汽，已无干燥能力。φ愈小，即p与ps差距愈 大，表示湿空气偏离饱和程度愈远，干燥能力 愈大。
可见，湿比容随其温度和湿度的增加而增大。
（三）、湿比热cH： 定义：将1kg干空气和其所带的H kg水蒸气 的温度升高或降低1℃所需的热量。简称湿比热 容，用cH表示。
cH ca cV H
kJ/kg干空气· ℃
式中：ca——干空气比热，其值约为1.01 kJ/kg干空气· ℃ cv——水蒸汽比热, 其值约为1.88 kJ/kg干空气· ℃
B.干燥过程中湿物料中水分带入的热量及补充
的热量刚好与热损失及升温物料所需的热量相
抵消。
2、实际干燥过程 （1） I1 I 2 ，湿空气经过干燥室时焓降低。 若干燥室内无热量补充，却有物料升温、热损 失等能量消耗；或补充的热量不足以抵上能耗， 则一部分能耗必须得由热空气提供，因此，热空 气的焓降低。 （2）I1 I 2 ，湿空气经过干燥室时焓升高。 若干燥室内有热量补充，且补充的热量大于物料 升温、热损失等能耗之和，则补充热量的一部分 被空气获得，因此，空气的焓升高。 例12-6 教材p/245
第十二章 干 燥
内容简介 本章主要介绍以空气为干燥介质、湿分 为水的对流干燥过程的理论基础，对湿空气 的性质、干燥过程的相平衡、干燥过程的基 本计算、工业常用干燥设备进行了较为详细 的讨论。
第一节 概 述
1、物料的去湿方法 （1）机械分离法：即通过过滤、压榨、抽吸 和离心分离等方法除去湿分。 耗能较少， 但湿分除去不完全。 （2）吸附脱水法：用吸湿性物料如石灰、无 水氯化钙等吸收湿分。除去的水分量很少， 且成本较高。 （3）干燥法：即借助热能使溶剂从物料中汽 化，并排除所生成的蒸汽来除去湿分。 耗 能较大。通常与机械分离联合除湿。
2、对流干燥的流程
传热 方向 从气相到固体 推动力 温度差
传质 从固体到气相 水汽分压差
第二节 湿空气的性质与湿度图
一、湿空气的性质 湿空气：含有湿分的空气。 基准：干燥过程中，绝干空气的质量不变，故
干燥计算以单位质量绝干空气为基准。
（一）、湿空气中水蒸气含量的表示方法 1、湿度（湿含量）H 湿度H是湿空气中所含水蒸汽的质量与绝 干空气质量之比。 （1）定义式
第三节 干燥过程的物料衡算与热量衡算
一、湿物料中含水率的表示方法 1.湿基含水量w
湿物料中水分的质量 kg水/kg湿料 w 湿物料总质量
2.干基含水量X
湿物料中水分的质量 kg水/kg绝干物料 X 湿物料中绝干物料的质 量
3.二者关系
X w 1 X
或
w X 1 w
说明：干燥过程中，湿物料的质量是变化 的，而绝干物料的质量是不变的。因此，用 干基含水量计算较为方便。
二、物料衡算
L, t0 , H0
新鲜空气
预热器 L, t1 , H1 废气 L, t2 , H2
干 燥 器
产品 G2, w2, (X2)
湿物料 G1, w1, (X1),
符号说明： L：绝干空气流量，kg干气/s； G1、G2：进、出干燥器的湿物料量，kg湿料/s； Gc：湿物料中绝干物料量，kg干料/s。
2、干空气用量L[kg干气/s]
W L( H 2 H 1 )
W L H 2 H1
L 1 [kg干气/kg水] 令 l W H 2 H1
l 称为比干空气用量，即每汽化1kg的水所 需干空气的量。 因为空气在预热器中为等湿加热， 1 1 所以H0＝H1， l H 2 H1 H 2 H 0 因此l只与空气的初、终湿度有关，而与路径 无关，是状态函数。 湿空气用量： L' L(1 H 0 ) kg湿气/s
式中：r0——0℃时水蒸汽汽化潜热，其值为2492kJ/kg。
例12-1教材p/225
（五）干、湿球温度 （1）干球温度：在空气流中放置一支普通温度 计，所测得空气的温度为t，相对于湿球温度而 言，此温度称为空气的干球温度。 （2）湿球温度：如图所示，用水润湿纱布包裹 温度计的感湿球，即成为一湿球温度计。将它 置于一定温度和湿度的流动的空气中，达到稳 态时所测得的温度称为空气的湿球温度，以tw表 示。
Qd L( I 2 I1 ) G2 cM 2 (t M 2 t M 1 ) Ql Wc1t M 1 将上两式相加得单位时间内整个干燥设备总消 耗的热量为
Q Qp Qd L( I 2 I 0 ) G2cM 2 (tM 2 tM 1 ) Ql Wc1tM 1
（3）由露点td和总压P可确定湿含量H。
pd H wenku.baidu.com0.622 P pd
以上介绍了表示湿空气的四种温度：干球 温度t；湿球温度tw；绝热饱和温度tas；露点td。 比较有： 不饱和湿空气：t>tw（tas）>td 饱和湿空气：t＝tw（tas）＝td
例12-2 教材p/229
二、湿空气的湿度图