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第七章干 燥
第一节概述
干燥是利用热能除去固体物料中湿分(水分或其它液体)的单元操作。在化工、食品、制药、纺织、采矿、农产品加工等行业,常常需要将湿固体物料中的湿分除去,以便于运输、贮藏或达到生产规定的含湿率要求。例如,%,否则在以后的成形加工中会产生气泡,影响塑料制品的品质;药品的含水量太高会影响保质期等。因为干燥是利用热能去湿的操作,能量消耗较多,所以工业生产中湿物料一般都采用先沉降、过滤或离心分离等机械方法去湿,然后再用干燥法去湿而制得合格的产品。
一、固体物料的去湿方法
除湿的方法很多,化工生产中常用的方法有:
。即通过压榨、过滤和离心分离等方法去湿。耗能较少、较为经济,但除湿不完全。
。即用干燥剂(如无水氯化钙、硅胶)等吸去湿物料中所含的水分,该方法只能除去少量水分,适用于实验室使用。
。即利用热能使湿物料中的湿分气化而去湿的方法。该方法能除去湿物料中的大部分湿分,除湿彻底。
干燥法耗能较大,工业上往往将机械分离法与干燥法联合起来除湿,即先用机械方法尽可能除去湿物料中的大部分湿分,然后再利用干燥方法继续除湿而制得湿分符合规定的产品。干燥法在工业生产中应用最为广泛,如原料的干燥、中间产品的去湿及产品的去湿等。
二、干燥操作方法的分类
:
(1)常压干燥
(2)真空干燥。真空干燥主要用于处理热敏性、易氧化或要求产品中湿分含量很低的场合。
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(1)连续干燥:优点:生产能力大、热效率高、劳动条件好、产品均匀。
(2)间歇干燥:适用于小批量、多品种或要求干燥时间很长的特殊场合。
:
(1)传导干燥:
热能通过传热壁面以传导方式传给物料,产生的湿分蒸汽被气相(又称干燥介质)带走,或用真空泵排走。例如纸制品可以铺在热滚筒上进行干燥。
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干燥进行的必要条件是物料表面的水气的压强必须大于干燥介质中水气的分压,在其它条件相同的情况下,两者差别越大,干燥操作进行得越快。所以干燥介质应及时地将产生的水气带走,以维持一定的传质推动力。若压差为零,则无水分传递,干燥操作即停止进行。由此可见,干燥速率由传热速率和传质速率所支配。
(3)对流干燥流程
下图为对流干燥流程示意图。空气经预热器加热到适当温度后,进入干燥器,与进入干燥器的湿物料相接触,干燥介质将热量以对流方式传递给湿物料,湿物料中湿分被加热汽化为蒸气进入干燥介质中,使得干燥介质中湿分含量增加,最后以废气的形式排出。湿物料与干燥介质的接触可以是逆流、并流或其它方式。
化工生产中以连续操作的对流干燥应用最为普遍,干燥介质可以是不饱和热空气、惰性气体及烟道气,要除的湿分为水或其它化学溶剂。本章重点介绍以不饱和热空气为干燥介质,湿分为水分的对流干燥过程。
第二节湿空气的性质及湿度图
一、湿空气的性质
湿空气是绝干空气和水气的混合物。对流干燥操作中,常采用一定温度的不饱和空气作为介质。因此首先讨论湿空气的性质。由于在干燥过程中,湿空气中水气的含量不断增加,而绝干空气质量不变,因此湿空气的许多相关性质常以单位质量的绝干空气为基准。
1、湿度(湿含量)H
湿空气中所含的水蒸气的质量与绝干空气的质量之比,称为空气的湿度,又称湿含量或绝对湿度,简称湿度,以符号H表示它可表示为:
(7-1)
式中 H——湿空气的湿度,kg水气/kg绝干空气;
MV——水汽的摩尔质量,kg/kmol;
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Mg—— 绝干空气的摩尔质量,kg/kmol;
ng——绝干空气的千摩尔,kmol;
nv——水气的摩尔数,kmol。
常压下湿空气可视为理想气体混合物,根据道尔顿分压定律,理想气体混合物中各组分的摩尔比等于分压比,则式(7-1)可表示为:
(7-2)
式中 pv——水蒸气的分压,Pa;
P——湿空气的总压,Pa。
由式(7-2)可知湿度是总压和水气分压的函数。当总压一定时,则湿度仅由水蒸气分压所决定,湿度随水气分压的增加而增大。
当湿空气的水蒸气分压等于同温度下水的饱和蒸气压时,表明湿空气呈饱和状态,此时空气的湿度称为饱和湿度Hs,即:
(7-3)
式中 Hs——湿空气的饱和湿度,kg水气/(kg绝干空气);
2、相对湿度百分数
在一定总压下,湿空气中的水气分压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,符号为,即:
(7-4)
相对湿度可以用来衡量湿空气的不饱和程度。=100%时,湿空气中水气分压等于同温度下水的饱和蒸气压,湿空气的水蒸气已达到饱和,不能再吸收水分;的湿空气能作为干燥介质。
值愈小,表明湿空气偏离饱和程度越远,吸收水气的能力越强。由此可见空气的湿度H仅表示空气中水气含量,而相对湿度值能反应出湿空气吸收水气的能力。
若将式7-4代入式7-2,可得:
(7-5)
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由上式可知,在一定的总压下,而,因此,只要知道湿空气的温度和湿度,就可以计算出相对湿度。
单位质量绝干空气中所具有的空气及水蒸气的总体积称为湿空气的比体积,即:
(7-6)
式中vH-湿空气的比体积,m3/kg绝干气;
H——湿空气的湿度,kg水/kg绝干气;
t——温度,℃。
P——湿空气的压强,Pa
由式(7-6)可知,在常压下,湿空气的比体积随湿度H和温度t的增大而增大。
常压下将绝干空气和其中的水蒸气的温度提高所需要的热量,称为湿空气的比热容,简称湿热,即:
(7-7)
式中cH-湿空气的比热,kJ/(kg绝干空气·℃);
cg-绝干空气的比热,/(kg绝干空气·℃);
cv-水蒸气的比热,/(kg水汽·℃)。
。
湿空气的焓为其中单位质量绝干空气的焓及所含水蒸气的焓之和。即:
(7-8)
式中IH-湿空气的焓,kJ/(kg绝干空气);
Ig-绝干空气的焓,kJ/(kg绝干空气);
Iv-水蒸气的焓,kJ/(kg水汽)。
上述焓值是以干空气和液态水在0℃下的焓为零作为基准。绝干空气的焓就是其显热,而水蒸气的焓则应包括水在
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0℃下的气化潜热及水气在0℃以上的显热。
对于温度为t、湿度为H的空气,其焓值计算如下,即:
(7-9)
式中r0-0℃时的水蒸气的潜热,其值为2490kJ/kg
用普通温度计测得的湿空气温度,称为干球温度,用符号t表示,单位为℃或K。
将不饱和的空气在总压和湿度不变的情况下冷却至饱和状态时对应的温度,称为该空气的露点,以符号td表示,单位为℃或K。在露点时,原湿空气的水蒸气分压等于露点下饱和水蒸气压,此时空气的湿度为饱和湿度。由式(7-3)可得:
(7-10)
式中——湿空气的饱和湿度,kg水气/(kg绝干空气);
——露点下水的饱和蒸气压,Pa
整理上式(7-10)可得:
(7-11)
在确定湿空气的露点td时,将湿空气的湿度及总压代入式(7-11)求得下的饱和蒸汽压,由饱和水蒸气表查出的对应温度即为该湿空气的露点td。
玻璃温度计感温球(水银球)用湿纱布包裹,纱布下端浸在水中,以保证纱布一直处于充分润湿状态,这样测得的温度为湿空气的湿球温度,用tw表示,单位为℃或K。如右图。
湿球温度tw实质上是湿空气与湿纱布之间传质和传热达稳定时湿纱布中水的温度,由湿球温度的原理可知,空气的湿球温度tw总是低于t。tw与t差距愈小,表明空气中的水分含量愈接近饱和。
湿球温度的工程意义在于:在干燥过程中恒速干燥阶段时湿球温度即是湿物料表面的温度。
9、绝热饱和温度
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绝热饱和温度是不饱和的湿空气与大量水相接触,在绝热条件下空气被水汽所饱和时空气的温度。在空气绝热增湿过程中,空气的降温增湿过程是一等焓过程。
绝热饱和温度和湿球温度是两个完全不同的概念,但两者都是湿空气状态(t和H)的函数。
实验测定证明,对空气-水系统,可以近似认为绝热饱和温度与湿球数值相等,而湿球温度比较容易测定。
由以上讨论可知,湿空气的湿度H主要通过测定干球温度t、湿球温度tw、露点温度后计算得到。三个温度之间的关系如下:
对于不饱和湿空气 t>tw>td
对于饱和湿空气 t=tw=td
【例8-1】 kPa,相对湿度为50%,干球温度为20℃。试求:
湿度;(2) 水蒸气分压p;(3)露点td;(4) 焓I;(5)如将500kg/h干空气预热至117℃,求所需热量Q;(6) 每小时送入预热器的湿空气体积V
解:p=,t=20℃,由饱和水蒸气表查得,水在20℃时的饱和蒸汽压为=
   湿度H
(2)   水蒸气分压p
p==×=
(3)   露点
露点是空气在湿度H或水蒸气分压P不变的情况下,冷却达到饱和时的温度。所以可由p=,得到对应的饱和温度=9℃
(4)   焓I
I=(+)t+2492H=(+×)×20+2492×=
(5)   热量Q
Q=500×(+×)×(117-20)=4966KJ/h=
(6)   湿空气体积V
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二、湿空气的湿度图及应用
当总压一定时,表明湿空气性质的各项参数,只要规定其中任意两个相互独立的参数,湿空气的状态就被确定。工程上为方便起见,将各参数之间之间的关系制成湿度图。常用的湿度图由湿度—温度图(H-t)和焓湿度图(I-H),本章介绍焓湿度图的构成和应用。
1、I-H焓湿图的构成
,以湿空气的焓为纵坐标,湿度为横坐标所构成的湿度图,称为湿空气的I-H图。为了使各种关系曲线分散开,采用两坐标轴交角为135°的斜角坐标系。为了便于读取湿度数据,将横轴上湿度H的数值投影到与纵轴正交的辅助水平轴上。图中共有5种关系曲线,图上任何一点都代表一定温度t和湿度H的湿空气状态。
现将图中各种曲线分述如下:
(1)等湿线(即等H线)。即等湿线是一组与纵轴平行的直线,在同一根等H线上不同的点都具有相同的温度值,其值在辅助水平轴上读出。
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(2)等焓线(即等I线)。等焓线是一组与斜轴平行的直线。在同一条等I线上不同的点所代表的湿空气的状态不同,但都具有相同的焓值,其值可以在纵轴上读出。
(3)等温线(即等t线) 由式I=+(+2490)H,当空气的干球温度t不变时,I与H成直线关系,因此在I-H图中对应不同的t,可作出许多条等t线。上式为线性方程,等温线的斜率为(+2490),是温度的函数,故等温线相互之间是不平行。
(4)等相对湿度线(即等线)等相对湿度线是一组从原点出发的曲线。根据式(7-5),可知当总压P一定时,对于任意规定的值,上式可简化为H和Ps的关系式,而Ps又是温度的函数,因此对应一个温度t,就可根据水蒸气可查到相应的Ps值计算出相应的湿度H,将上述各点(H,t)连接起来,就构成等相对湿度线。根据上述方法,可绘出一系列的等线群。
=100%的等线为饱和空气线,此时空气完全被水气所饱和。饱和空气以上(<100%)为不饱和空气区域。当空气的湿度H为一定值时,其温度t越高,则相对湿度值就越低,其吸收水气能力就越强。故湿空气进入干燥器之前,必须先经预热以提高其温度t。目的是除了为提高湿空气的焓值,使其作为载热体外,也是为了降低其相对湿度而提高吸湿力。=0时的等线为纵坐标轴。
(5)水气分压线 该线表示空气的湿度H与空气中水气分压p之间关系曲线.
2、I-H图的用法
利用I-H图查取湿空气的各项参数非常方便。只要已知表示湿空气性质的各项参数中任意两个在图上有交点的参数,如t-,t-,t-等,就可以在I-H图上定出一个交点,此点即为湿空气的状态点,由此点可查得其它各项参数。若用两个彼此不是独立的参数,如p-H,-p,-H,则不能确定状态点,因它们都在同一条等I线或等H线上。
例如,图8-3中A代表一定状态的湿空气,则
(1)湿度H,由A点沿等湿线向下与水平辅助轴的交点
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