第十四章 固体干燥(化工原理)

14.2.1 湿空气的状态参数
常压下温度为t℃、湿度为H的湿空气比体积为：
vH (2.8310 4.5610 H )(t 273)
※湿空气的比体积的单位:m3/kg干气
3
3
思考：有人认为湿空气的比体 积的倒数是湿空气的密度，你 认为对吗？
答：不对。
1 H 湿 vH
14.2.1 湿空气的状态参数
14 固体干燥



14.1 14.2 14.3 14.4
概述 干燥静力学（重点及难点） 干燥速率与干燥过程计算（本章重点） 干燥器
14.1 概述
14.1.1 固体去湿方法和干燥过程 14.1.2 对流干燥流程及经济性
14.1.1 固体去湿方法和干燥过程




（1）物料的去湿方法 ①机械去湿 物料带水较多时，可先用离心过滤等机械分离方法 以除去大量的水。 ②吸附去湿 用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaCl2、硅胶 等）与湿物料并存，使物料中的水分相继经气相而转入 干燥剂内。 ③供热干燥 向物料供热以汽化其中的水分。供热方式又有多种。 ※去湿方法中较为常用的方法是供热干燥。
rw ras tw t (H w H ) t ( H as H ) tas 1.09 c pH
14.2.2 湿空气状态的变化过程


补充说明：
1）对于一定t、H的空气tas为一定值，故tas是 空气的状态函数。 2）对于空气－水系统，对照tw的定义式 α/kH≈1.09≈cpH，而ras ≈rw，故tas =tw
14.2.1 湿空气的状态参数
（2）与过程计算有关的参数 上述参数尚不足以满足干燥过程的计算 的需要，为此补充定义如下两个参数： 湿空气的焓 湿空气的比体积

绝热饱和温度
14.2.1 湿空气的状态参数
1）湿空气的焓
I (cpg cpv H )t r0 H
cpg ——干气比热容，空气为1.01kJ/（kg•℃）； cpv ——蒸汽比热容，水汽为1.88 kJ/（kg•℃）； r0 ——0℃时水的汽化热，取2500 kJ/（kg•℃）； cpH cpg cpv H ——湿比热容 对空气-水系统有：I (1.01 1.88H )t 2500 H
结论:对流干燥过程是热质反向传递的过程。
14.2 干燥静力学

14.2.1 湿空气的状态参数 14.2.2 湿空气状态的变化过程 14.2.3 水分在气—固两相间的平衡
14.2.1 湿空气的状态参数


几个名词： 1）湿空气：由空气和水蒸汽组成的混合气体 p = p 干 + p水 2）饱和湿空气： 湿空气中水蒸汽分压等于当时空气温度下水的 饱和蒸汽压，即p水 = ps 3）不饱和湿空气： p水 < ps 4）干空气：p水 = 0
• 结论:湿度H只能表示水汽含量的绝对值；相 对湿度才能表示湿空气吸收水汽的能力。

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4) 干球温度 t 干球温度t是用普通温度计测得的湿空气的真实温度。 5) 湿球温度 tw
湿球温度计在空气中所达到的平衡或稳定的温度。
湿球温度计：温度计的感温球用纱布包裹，纱布用水 保持湿润，这支温度计为湿球温度计。
14.2.1 湿空气的状态参数



讨论： ①空气 愈小，偏离饱和愈远，则水气化快，tw ↓， ↑则汽化慢，tw ↑； =1，空气饱和，tw = t ②tw虽测的是湿纱布的温度，但它是由空气的H和 t 决定。即tw是空气的状态参数。 tw= f (H,t)，可由测定 tw后，由上式计算空气的H。

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14.2.1 湿空气的状态参数
5）湿球温度tw
(t tw ) kH ( Hw H )rw
空气传给水的显热 水汽化带走的潜热
湿球温度tw计算公式（推导过程见P221）:
tw t
式中：
k H rw

(H w H )
ห้องสมุดไป่ตู้
：空气至湿纱布的对流传热系数，W/m2 •℃； ：水在湿球温度tw时的汽化潜热，kJ/kg水；
(2)若空气被加热到80℃时的2 （3）20℃，总压提至147kPa时的3
（4）20℃，总压提至300kPa时1kg干气析出多少水？
pv H 0.622 P pv
0.01100 pv 1.582kPa 0.622 H 0.622 0.01 Hp

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（1）查p230表13-1，可知 t=20℃时Ps=2.337 kPa
k H ：以湿度差为推动力的传质系数，kg/m2 •s；
rw
H w ：湿空气在温度为tw下的饱和湿度，kg水/kg干气； H ：空气的湿度， kg水/kg干气。

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影响湿球温度tw的三方面因素：
* 物系性质：与α 、 kH有关的物性；
* 空气状态：t、H； * 流动条件： α/kH 。 实验表明，α与 kH都Re与的0.8次幂成正比，故α 与kH之比值与流速无关，只与物性有关。当物系已
14.2.1 湿空气的状态参数

（1）空气中水分含量的表示方法
１）水汽分压p水汽与露点td 测定水汽分压的实验方法是测量露点。

露点td：在总压不变的条件下将空气与不断降 温的冷壁相接触，直至空气在光滑的冷壁面上 析出水雾，此时的冷壁温度称为露点。 壁面上析出水雾表明：水汽分压为p水汽的湿空 气在露点温度下达到饱和状态。
14.1.1 固体去湿方法和干燥过程




干燥过程分类： （a）按操作压力可分为常压干燥、真空干燥。 （ b ）按操作方式可分为连续式干燥、间歇式干 燥。 （ c ）按照热能供给湿物料的方式可分为传导干 燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥。 本章主要讨论干燥介质是空气，湿分是水的对流 干燥过程。
14.1.1 固体去湿方法和干燥过程

（2）对流干燥过程的特点 1）对流干燥流程
14.1.1 固体去湿方法和干燥过程
2）干燥过程的传热、传质
传热
传质
从固体到气相
方向 推动力
从气相到固 体
温度差
水汽分压差
3）干燥过程进行的必要条件 ①湿物料表面水汽压力大于干燥介质 水汽分压； ②干燥介质将汽化的水汽及时带走。
14.1.1 固体去湿方法和干燥过程


干燥过程：利用热能除去固体湿物料中湿分的单元操作。 干燥过程的本质：被除去的湿分从固相转移到气相中(固 相为被干燥的物料，气相为干燥介质)。在去湿过程中， 湿分发生相变，耗能大、费用高，但湿分去除较为彻底。 工业干燥操作多是用热空气或其它高温气体为介质，使之 掠过物料表面，介质向物料供热并带走汽化的湿分，此种 干燥常称为对流干燥。
3）绝热饱和温度
I 4.18 ( H1 H )
△I与I相比甚小，可视为等焓过程
定义绝热饱和温度tas，在θ= tas条 件下，作热量衡算：
V (Ias I ) V (Has H )c pLtas
I 1.01t (1.88t 2500 )H
ras tas t ( H as H ) c pH

③如果不是空气和水系统，则系数不是0.622。
14.2.1 湿空气的状态参数


３）相对湿度
空气中的水汽分压p水汽与一定总压及一定温度下空 气中水汽分压可能达到的最大值之比定义为相对湿 度，以表示。 当
ps p
p水汽 p ※相对湿度表示了空气中水分含量的相对大小。
当 ps p
p水汽 ps
当湿空气中水蒸汽分压 pv 恰好等于同温度下 水蒸汽的饱和蒸汽压 ps时，则表明湿空气达到饱和， 此时的湿度H为饱和湿度Hs。
pS H S 0.622 P-pS
即： H S f (t，P)

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14.2.1 湿空气的状态参数




说明： ①湿度由总压和水蒸汽分压决定，当总压固定， 则H＝f（p水汽） ②当水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压ps 时，则表该湿空气已经饱和。 饱和湿含量Hs=0.622ps/（P – ps），故Hs=f(t)
14.2.1 湿空气的状态参数


讨论： ①绝干空气 = 0 我们讨论的是0 < <1的空气 饱和时 =1
② 愈小，表空气距饱和愈远，则表该空气的载湿能力 愈大，t增大，则ps增大，则 减小，则吸湿能力愈大

如 ＝ 1 ，则该空气已饱和，不可再吸收水分。 ③ 值随水蒸汽分压和温度而变， = f (p水汽,t) ④由此


tas是等焓过程计算，因此tas和tw是两个不同 的概念。
3）对不饱和空气，t > tas = tw > td 4）对饱和空气，t = tas = tw = td

14.2.1 湿空气的状态参数
5）焓－湿度图（Ｉ－Ｈ图）
式中
※湿空气的焓的单位kJ/kg干气
14.2.1 湿空气的状态参数
2）湿空气的比体积
在常压下、 t℃ 的1kg干空气的体积为：
22.4 t 273 2.83103 (t 273) M气 273
在常压下、 t℃ 的H kg水汽的体积为 ：
22.4 t 273 H 4.56 103 H (t 273) M水 273
pv 1.582 1 67.7% ps 2.337
（2）查p230表13-1，可知 t=80℃时Ps=47.36 kPa
pv 1.582 2 3.34% ps， 47.36 2
（3）当p=147kPa时

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1.582 147 3 99.5% ps 2.337 100
ps H 0.622 p ps
【例14-1】
湿空气中水的蒸汽分压 pv=2.337kPa，总压 P=100kPa，
求20℃ 时的湿度H、相对湿度 ；若空气分别被加热
到50℃和100℃，求值 。
pv 2.337 H 0.622 0.622 0.015kg水汽 / kg干气 解： P pv 100 2.337

2）湿度（湿含量）H
定义：为每kg干空气所带有的水汽量，
单位是kg/kg干气，即：
H =
Kg水汽 Kg绝干空气
=
nvMv na Ma
=
18nv
28.9na
nv：湿空气中水汽的摩尔数，kmol；
na：湿空气中绝干空气的摩尔数，kmol；
Mv：水汽的分子量，kg/kmol； Ma：空气的平均分子量， kg/kmol。
确定，则物系性质就不再改变，此时，湿球温度只
与气相状态有关，即： t w f (t，H )

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14.2.1 湿空气的状态参数
对空气-水系统，当被测气流的温度不太高，流 速>5m/s时， α /kH为一常数，其值约为1.09kJ/ （kg•℃），故
rw tw t (H w H ) 1.09
查p230表13-1，可知 t=20℃时Ps=2.337 kPa
pv 2.337 100% ps 2.337

没有干燥能力
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查表13-1，可知 t=50℃,Ps=12.335 kPa
pv 2.337 ' 18.95% ps ' 12.335
湿度H=？ 水蒸气分压没变，故湿度不变
pv,3
（4）当p=300kPa时
ps 2.337 H s 0.622 0.622 0.0049 kg水汽 / kg干气 P ps 300 2.337
H H H s 0.01 0.0049 0.0051 kg水汽/ kg干气
P、H一定，温度越高，φ越小，干燥能力越大。 H，t一定，压力越低，φ越小，干燥能力越大。
t=100℃,Ps=101.325 kPa>100kPa
pv 2.337 ' ' 2.337% p 100
温度越高，φ越小，干燥能力越大。

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若t=150℃,相对湿度=？
【例14-2】
总压 100kPa，20℃ 空气的湿度为0.01kg/kg绝干气，求：
（1）20℃时空气相对湿度1

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当湿空气可视为理想气体时，则有：
nv pv pv na pa p pv
式中：pv为空气中水蒸汽分压。
18nv pv H 0.622 28.9na P pv
M水 p水汽 p水汽 H 0.622 M 气 p p水汽 p p水汽

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• H也叫绝对湿度或湿含量