化工原理--第十二章 干燥

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。
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。
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。
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。
（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。
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。
(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
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 )]
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
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。
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。
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
（3）由露点td和总压P可确定湿含量H。
pd H 0.622 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
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：
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。
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。
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
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· ℃
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
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
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
（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
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。
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
（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。
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