湿空气的性质及其计算；湿度图的应用；连续干燥

湿空气的性质及其计算；湿度图的应用；连续干燥 湿空气的性质及其计算;湿度图的应用;连续干燥 第九章 干燥 主要内容: 湿空气的性质及其计算; 湿度图的应用; 连续干燥过程的物料衡算和热量衡算; 恒定干燥条件下的干燥速率和干燥时间计算。第一节 概述 干燥是利用热能除去固体物料中湿分的单元操作。 一、物料的去湿方法 1、机械去湿法:如压滤、离心 优点:能量低;缺点:去湿不完全。 2、化学去湿法 优点:去湿完全;缺点:费用高,操作麻烦。 3、热能去湿法 优点:去湿较完全;缺点:能耗高。在化工生产过程中,常常是两种方法一起使 用,当物料中的湿分较多时,采用机械 去湿法,然后用热能去湿法进一步除去湿分,这样既可减少能耗,又可以满足 生产的 要求。二、干燥过程的分类 1、按操作压力分: 常压干燥 真空干燥 2、按操作方式分: 连续式干燥 间歇式干燥 3、按给湿物料提供热能的方式分: 传导干燥(间接加热干燥):将热能以传导的方式通过金属壁面传给湿物 料。特点:热能利用率高。 对流干燥:(直接加热干燥):将热能以对流的方式传给与其直接接触的 湿物料。特点:热能利用率比传导干燥低。 辐射干燥:热能以电磁波的形式由辐射器发射,射至湿物料面被其吸收 再转变为热能。 介电加热干燥:将需要干燥的物料置于高频电场的交变作用使物料加热而 达到干燥。三、对流干燥过程 1、对流干燥的流程 预热器 废气 干燥器 空气 湿物料 干燥产品 2、对流干燥的特点 t 必要条件:是物料表面所产生的是 t w 蒸汽(或其它蒸汽)压力要大于干 湿 Q 燥介质中水汽(或其它蒸汽)的分 物 压。 料 N p s p w第二节 湿空气的性质和湿度图 第二节 湿空气的性质和湿度图 一、湿空气的性质 湿空气:干空气和水蒸汽的混合物,这种混合物称湿空气。 1、湿空气中水气分压p W Pp +p g W 2、湿度H 定义:湿空气中单位质量绝干空气所带有的水蒸汽的质量,或 湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气质量之比值。 即:M n 18 n 湿空气中的水蒸汽质量 v v v H 湿空气中绝干空气的质量 M n 29 n a a a 理想气体:摩尔数之比压力之比,则: p 18 p W W0.622 H29PpPp W W P一定 : HfpW若湿空气中的水蒸汽分压等于该温度下水的饱和蒸汽压,即表示空 气呈饱和状态,则湿空气的相应湿度称为湿空气的饱和湿度,即: p s H0.622 s Pp s Hf t? P一定 : s 3、相对湿度百分数 定义:在一定的总压下,湿空气中水蒸汽分压p与同温度下水的 饱和蒸汽压pS之比的百分数,称为相对湿度百分数,简称相对湿 度。 p W100%f p T一定 w p Sp S H0.622 p? p W S P? p S φ越小,空气距饱和程度越远,吸水能力越强。4、湿容积v H 定义:单位质量的绝干空气和其所带的Hkg水蒸汽所共同占有的体积称 为湿空气的湿容积,又称湿空气的比容,即 3 m 湿空气 vH k g绝干空气 在常压下,v 的为: H 1 H t ?273 t ?273? v22.4? 0.772 ?1.244 HH? 29 18 273 273 vf H, tH?,t?,湿容积增大。 H 5、湿热c H 定义:将1kg绝干空气和其所带的Hkg水蒸汽的温度升高1?所需的总 热量,称为湿热,又称湿空气的比热。即 cf H? ccH c1.011.88 H H H a v6、焓Ι H 定义:1kg绝干空气和其所带的Hkg水蒸汽所具有的焓,称湿空气的焓Ι H 即 IIH I H a v Ic tH rc tc tH r? H a 0 v h 0 If H , t? H?1.01 ?1.88 Ht2492 H 7、湿球温度 t W 湿球温度计:用保持湿润的纱布将温度计的感温部分包起来,这种温度 计称湿球温度计。 湿球温度 t :将湿球温度计置于一定的温度和湿度的湿空气中,达到稳 W 定时所显示的温度为湿空气的。湿球温度 t 。 W 湿球原理: 测量刚开始时,设纱布中水分的温度与空气的温度相同。 热量来自 HH ?传质?t ??t t?传热?达到平衡。 S W w 水本身在单位时间内,由空气传给湿纱布的热量为 Q? A tt? w 水蒸汽向湿空气的传质速率为 Nk HH A? H S , W 在达到稳定状态下,对水作热量衡算可得: t w t QN r W Qk HH A r? H S , W W H H W 整理得: k r H W ttHH? W S , Wk ,a?通过同一气膜的传质系数和对流传质系数。 H 对于湿空气?水系统而言,a/k 值约为1.09。 H8、绝热饱和温度t as 定义:空气达到绝热饱和时所显示的温度。 设进入和离开绝热饱和器的湿空气的焓值分别为Ι 和Ι , 1 2 则: Ι c t +Hr 1.01 +1.88Ht +Hr 1 H 0 0 Ι c t +H r 1.01 +1.88H t +H r 2 H,as as as 0 as as as 0c 1.01 +1.88H? 1.01 +1.88H ) H asc t +Hr ?c t +H r H 0 H,as as 0 r 0 ttHH? tfH, ta s a s a s c H 对于空气?水蒸汽系统,当空气流速较高时,1/c 值与k /a值甚为 H H 接近,故t ?t as w9、露点t d 定义:将不饱和的湿空气等湿冷却至饱和状态,此时的温度称 为该湿空气初始状态的露点。相应的湿度为饱和湿度H ,其数 s,td 值等于此湿空气的温度H。 p s, t d H0.622 s, t d Pp s, t d H P s, t d tf H? pd s, t d 0.622H s, t d 对于不饱和湿空气 tt t W d 饱和湿空气 tt t W d二、湿空气的湿度图及其应用 二1、湿度图的构造 1、等t线 2、等H线 3、等相对湿度线 4、等焓线 5、水蒸汽分压线 2、湿度图的应用 利用湿度图查物性 湿空气状态点的确定3、湿空气加热、冷却过程的图示与讨论 间接加热过程 φ B B φ A φ 100% A t B I B I A t A H间接冷却过程 φ A A φ B φ 100% B t A I A I B t B t d t c H空气在干燥器内的冷却过程 A φ 100% C t A C’ t C H H H C’ C第三节 连续干燥器的物料衡算和热量衡算 一、物料衡算 1、湿基含水量 湿物料中水分的质量100% 湿物料的总质量 2、干基含水量 湿物料中水分的质量 X?100% 湿物料中绝干物料的质量X? X1X 1?二、 物料衡算 预热器 废气 干燥器 空气 湿物料 干燥产品 G :绝干物料量; C L:绝干空气的流量; X ,X :干燥前后湿物料的干基含水量; 1 2 H ,H :干燥前后湿空气的湿度。 1 2对水进行物料衡算: G XL HG XL H C 1 1 C 2 2 WG XXL HH2 1 C 1 2 GG 1X GG 1X1 C 1 2 C 2 WGG 1 2 空气消耗量L : W LHH 2 1 单位空气消耗量 : L 1 l? W HH 2 1因为 H H 1 0 L 1 W l? LHH W HH 2 0 2 0 夏季要比冬季空气的消耗量大。空气的鼓风机等装置要以 全年最热月份的空气消耗量来决定湿空气的体积流量。 t273? VL v0.772 ?1.244 H H H 273三、热量衡算 空气 Q 废气 L t ,H ,I 1 1 1 t ,H ,I 2 2 2 空气 预热器 干燥器 t ,H ,I 0 0 0 湿物料 干燥产品 t ’,X ,I ’ 1 1 1 t ’,X ,I ’ 2 2 2 Q Q P D 对预热器做热量衡算 : L IQL I 0 p 1 QL II p 1 0对干燥过程作热量衡算: ’ ’ L IG IL IG IQ 0 C 1 P D 2 C 2 L ’ ' QL II G II Q P D 2 0 C 2 1 L 简化计算: I 'c t 'X c t '? cX ct 'c t ' 1 s 1 1 w 1 s 1 w 1 m1 1I 'c t 'X c t '? cX ct 'c t ' 2 s 2 2 w 2 s 2 w 2 m2 2 cX ccX c s 1 w s 2 w I 'I 'c t 't ' 2 1 m2 2 1I1.01 ?1.88 H t2492 H 0 0 0 01.01 t2492 ?1.88 t H 0 0 0 I1.01 ?1.88 H t2492 H 2 2 2 21.01 t2492 ?1.88 t H 2 2 2 2492 ?1.88 t 2492 ?1.88 t 0 2 II1.01 tt 2492 ?1.88 t HH 2 0 2 0 2 2 0 则热量衡算式为: Q ?1.01 Ltt? W ?2492 ?1.88 t? G c t 't 'Q D 2 1 2 C m2 2 1 L四、空气进、出干燥器的状态变化: 在干燥操作中, 空气通过预热器时,状态变化过程为温度 升高而湿度不变。若预热后的空气温度t 为已知,则空气的状 1 态也就确定了。而空气通过干燥器时,由于空气和物料间进行 热和质的交换,而且还受外加热量的影响以及热损失等,所以 其状态变化过程是比较复杂的。通常,根据干燥过程中空气焓 的变化情况,将干燥过程分为等焓与非等焓干燥过程。 1、等焓干燥过程(绝热干燥过程) 对干燥器作热量衡算, ’ QL II G II Q P D 2 0 C 2 1 L QL II p 1 0 若Q 0;Q 0:I ’I ’。 D L 1 2 则:即 I I 1 22、非等焓干燥过程(非绝热干燥过程) 实际的干燥过程皆为非等焓干燥过程,依其具体情况分为以下三种: 1干燥器中不补充热量,即Q 0,而Q ?0、G (I ’-I ’)?0。 D L C 2 1L II QL II G I 'I 'Q 1 0 D 2 0 C 2 1 L 则:I Q +G (I ’?I ’)。 L C 2 1 则:I >I 2 1 3干燥器中补充热量Q ,此热量可使干燥过程在等温条件下进行,即 D 在干燥器中空气状态变化保持恒定的温度t 下进行。 1I φ 1 B B φ A φ 100% t 1 A t 2 I 0 t 0 H五、干燥器的热效率 干燥器的热效率η一般定义为: 干燥器内用于气化物料中水分所消耗的热量 '100% 对干燥系统加入的总热量 Q ' 1 100% P D 若蒸发水分量为W,空气出干燥器时温度为t ,物料进干燥 2 器温度为t ’,则干燥器内蒸发(气化)水分所需Q 可用下 1 1 式计算: QW ?2492 ?1.88 t4.187 t '1 2 1 干燥操作中干燥器的热效率表示干燥器 操作的性能,效率愈 高表示热利用程度愈好。 在干燥操作中,若将离开干燥器的空气温度降低 而湿度增大 ,则亦能提高干燥效率和节省空气的消耗量以降低输送空气的能 量。但是空气的湿度增加,会使物料和空气间的传质推动力(即 H ?H)减小。一般地吸水性物料的干燥,空气出口的温度应高一 W 些,而湿度应低些。通常,在实际干燥操作中,空气出干燥器之 温度t 需比进入干燥器时的绝热饱和温度高20到50?,这样去保 1 证在干燥器以后的设备中空气不致分出水滴,以免造成设备材料 的腐蚀等问题。此外,废气中热量的回收利用对提高干燥操作的 热效率也具有实际意义。当然还应注意干燥设备和管路的保温, 以减少干燥系统的热损失。第四节 干燥过程的相平衡关系和速率关系 干燥器的尺寸需要通过干燥速率关系和干燥时间来确定,而干燥速率 不仅与空气的性质有关,也取决于物料含水分的性质。而物料所含水 分性质又与物料的结构和化学状态密切相关。 一、水分在汽-固两相间的平衡关系 φ 1、物料的φ-X平衡关系 如将某一物料与一定温度及湿度地空气相 接触,物料将被除去或吸收水分,直到物 料表面所产生的水蒸汽压力与空气中的水 蒸汽压力相等为止,而使物料的含水量达 于一定数值,此数值称为该光线状态下此 物料的平衡含水量。 X平衡水分因物料种类的不同有很大的差别;同一种物料的平衡水 分也因空气状态的不同而异。 只有使物料与相对湿度百分数为零的空气相接触,才能获得绝干 的物料;反之如果使物料与一定湿度的空气接触,物料中总有一 部分水(即平衡水分)不能除去。故平衡水分是在一定的空气状 态下物料可以被干燥的最大限度。 2、物料中的水分分类: 平衡水分与自由水分:根据物料中所含水分在一定的条件下能 否用对流干燥的方法将除去来划分为平衡水分和自由水分。 结合水和非结合水分: 结合水是指存在于物料细胞壁内的水分、小毛细管中的水分以 及胶体结构物料中的水分等。这些水分与物料结合力强,因此 结合水分的特点是产生低蒸汽压,即其蒸汽压低于同温度下纯 水的蒸汽压,所以结合水是较难除去的水分。X 非结合水是指存在于物料表上的 非 结 润湿水以及颗粒堆积层中的大空 合 隙中的水分等。这些水与物料结 水 自 合力弱,其蒸汽压与同温度下纯 由 水的饱和蒸汽压相同,因此非结 水 分 合水的气化与纯水的气化相同, 总 在干燥过程中易被除去。 水 结 结合水与非结合水分都很难用实 分 合 水 验方法直接测定,但可根据它们 分 的特点,而利用平衡关系外推得 到。在一定温度下,物料中的结 合水与非结合水的划分,只取决 平 于物料本身的特性,而与其接触 衡 的空气无关。 水 分 φ 100% 50%二、恒定干燥条件下的干燥过程 1、恒定干燥条件:是指干燥介质的温度、相对湿度、 流过物料表面的速度、与物料的接触方式以及物料的 尺寸或料层的厚度恒定。 2、干燥速率:单位时间内在单位干燥面积上被干燥物料所能 气化的水分质量,称为干燥速率ud W uA dd W? G d X cG d X c uA d ?3、干燥曲线和干燥速率曲线 湿物料的干燥曲线,它表明在干燥过程中湿物料的平均含水量 X及物料表面温度t’与干燥时间τ的关系。这种曲线是通过实 验测定而绘出。为了比较不同物料在相同条件下的干燥速率, 还可以把干燥曲线转化成干燥速率曲线。 A B u C B X C A D ’ t 2 D t W t ’ 1 * τ X X 14、恒速干燥阶段和降速干燥阶段 物料干燥过程中有一个转折点C,此点 称为临界点。从 干燥开始到临界点为第一阶段,临界点以后为第二阶段。 第一阶段为表面气化控制阶段,此段的干燥速率是恒定不 变,故称第一阶段为恒定干燥阶段。第二阶段为内部扩散 控制阶段,由于此阶段内干燥速率是随着物料含水量的减 少而降低。故称为降速干燥阶段。恒速干燥阶段和降速干 燥阶段的分界点C称为临界点,处于临界点物料的平均含 水量称为临界含水量X 。 0 临界含水量随物料的性质、厚度及干燥速率的不同而 异。物料的临界含水量通常由实验测定。三、恒定干燥条件下的干燥时间的 计算: 恒速干燥阶段: G c? XX 1 1 0 A u o 降速干燥阶段: X d X 2 G c 2 AX 0 f XX* G XX * c 0? ln 2 K A XX * 2