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第一节概述
干燥是利用热能除去固体物猜中湿分(水分或其余液体)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猜中的湿分除去,以便于运输、
储藏或达到生产规定的含湿率要求。比方,%,不然在今后的成形加工中会产生气泡,影响塑料制品的质量;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,能量耗费许多,所以工业生产中湿物料一般都采纳先沉降、过滤或离心分别等机械方法去湿,而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
除湿的方法好多,化工生产中常用的方法有:
。即经过压迫、过滤和离心分别等方法去湿。耗能较少、较为经济,但除湿不完整。
。即用干燥剂(如无水氯化钙、硅胶)等吸去湿物猜中所含的水分,该方法只好除去少许水分,适用于实验室使用。
。即利用热能使湿物猜中的湿分气化而去湿的方法。该方法能除去湿物猜中的大
部分湿分,除湿完全。
干燥法耗能较大,工业上常常将机械分别法与干燥法结合起来除湿,即先用机械方法尽
可能除去湿物猜中的大部分湿分,而后再利用干燥方法连续除湿而制得湿分吻合规定的产品。
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。真空干燥主要用于办理热敏性、易氧化或要求产品中湿分含量很低的场合。
:
1)连续干燥:长处: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别场合。
:
(1)传导干燥:
热能经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。比方纸制品可以铺在热滚筒长进行干燥。
特色:热能利用率高,但与传热面接触的物料易过热变质,物料温度不易控制。
(2)对流干燥:
使干燥介质直接与湿物料接触,热能以对流方式传给物料,产生的蒸汽被干燥介质带走。
干燥介质在这里是载热体又是载湿体。
特色:温度易调理,湿物料不易被过热。但是干燥介质走开干燥器时要带出大批的热量,因
此对流干燥热损失大,能量耗费高。
3)辐射干燥:
由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到固体物料的表面,为物料汲取而转变成热能,
从而使湿分气化。比方用红外线干燥法将自行车表面油漆烘干。
特色:该法生产强度大,干燥均匀且产品洁净,但能量耗费大。
4)介电加热干燥:
将需要干燥电解质物料置于高频电场中,电能在湿润的电介质中变成热能,可以使液体
很快升温气化。
频率<300MHz的称为高频加热。
频率=300MHz~300GHz的超高频加热,称为微波加热。
平时所用的微波频率是915和2450MHz
特色:这类加热过程发生在物料内部,干燥速率较快,干燥均匀。比方微波干燥食品。
5)冷冻干燥:
物料冷冻后,把干燥器抽成真空,使载热体循环,对物料供给必需的升华热,使冰升华
为水汽,水汽用真空泵排出。
常用于医药品、生物制品及食品的干燥。
三、对流干燥方法
(1)对流干燥原理
H
在对流干燥过程中,干燥介质(如热空气)将热量以对流方
式从气相主体传达到固体表面,物料表面上的湿分即行气化,水ti
气由固体表面向气相扩散;与此同时,因为物料表面上湿分气化,pi
使得物料内部和表面间产生湿分差,所以物料内部的湿分以气态
M
或液态的形式向表面扩散。可见对流干燥过程是传质和传热同时
进行的过程。干燥介质既是载热体又是载湿体。
(2)对流干燥的条件
t
q
W
p
干燥进行的必需条件是物料表面的水气的压强一定大于干燥介质中水气的分压,在其
它条件同样的状况下,二者差异越大,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,以保持必定的传质推进力。若压差为零,则无水分传达,干燥操作即停止进行。
因而可知,干燥速率由传热速率和传质速率所支配。
(3)对流干燥流程
以下图为对流干燥流程表示图。空气经预热器加热到合适温度后,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达给湿物
料,湿物猜中湿分被加热汽化为
蒸气进入干燥介质中,使得干燥
介质中湿分含量增添,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广泛,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余化学溶剂。本章要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杂物。对流干燥操作中,常采纳必定温度的不饱和空气作为介质。所以第一谈论湿空气的性质。因为在干燥过程中,湿空气中水气的含量不停增添,而绝干空气质量不变,所以湿空气的好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:
湿空气中水蒸气的质量
Mvnv
18nv
(7-1)
H
Mgng
29ng
湿空气中绝干空气的质量
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;
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杂物,依据道尔顿分压定律,理想气体混杂物中各组分
的摩尔比等于分压比,则式(7-1)可表示为:
18pv
pv
(7-2)
H
Ppv
29(P
pv)
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。当总压一准时,则湿度仅由水蒸气分压所决定,湿度随水气分压的增添而增大。
当湿空气的水蒸气分压等于同温度下水的饱和蒸气压时,表示湿空气呈饱和状态,此时空气的湿度称为饱和湿度Hs,即:
Hs
ps
(7-3)
P
ps
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
在必定总压下,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:
pv
100%
(7-4)
ps
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,不可以再汲取水分;
100%的湿空气能
作为干燥介质。
值愈小,表示湿空气偏离饱和程度越远,汲取水气的能力越强。因而可知空气的湿度H
仅表示空气中水气含量,而相对湿度
值能反应出湿空气汲取水气的能力。
若将式7-4代入式7-2,可得:
ps
(7-5)
Pps
由上式可知,在必定的总压下fH,ps,而psft,所以fH,t,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拥有的空气及水蒸气的整体积称为湿空气的比体积,即:
1kg干空气的体积
Hkg水气体积
H
1kg
干空气
1
H
273
t
105
29
273
P
18
(7-6)
273
t
105
273
P
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此中的水蒸气的温度提升所需要的热量,称为湿空气的比热容,简称湿热,即:
cH
cg
cvH
cH
cg
(7-7)
式中
cH-湿空气的比热,kJ/(kg绝干空气·℃);
c-绝干空气的比热,/(kg绝干空气·℃);
g
cv-水蒸气的比热,/(kg水汽·℃)。
湿空气的焓IH。
湿空气的焓为此中单位质量绝干空气的焓及所含水蒸气的焓之和。即:
IHIgHIv
(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
水蒸气的焓则应包含水在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,其焓值计算以下,即:
IHcgtH(r0cvt)cHtHr0()t2490H
(7-9)
式中r0-0℃时的水蒸气的潜热,其值为2490kJ/kg
干球温度t
用一般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。
露点td
将不饱和的空气在总压和湿度不变的状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:
Hd
Hs
ps
(7-10)
ps
P
式中
Hs——湿空气的饱和湿度,kg水气/(kg绝干空气);
ps——露点下水的饱和蒸气压,Pa
整理上式(7-10)可得:
HsP
ps(7-11)
在确立湿空气的露点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。
湿球温度tw
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
保证纱布向来处于充分润湿状态,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。
空气
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准时湿
t,Ht,H
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,表示空气中的水分含量愈凑近饱和。tw
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
湿球温度计
度即是湿物料表面的温度。
9、绝热饱和温度tas
绝热饱和温度是不饱和的湿空气与大批水相接触,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。
tas
增补水
绝热饱和温度tas和湿球温度tw是两个完整不一样的看法,但两
空气
tas,Has
者都是湿空气状态(t和H)的函数。
绝热
实验测定证明,对空气-水系统,可以近似以为绝热饱和温度
空气
tas与湿球tw数值相等,而湿球温度比较简单测定。
t,H
由以上谈论可知,湿空气的湿度H主要经过测定干球温度
t、
tas
湿球温度tw、露点温度后计算获取。三个温度之间的关系以下:
绝热饱和塔表示图
对于不饱和湿空气t>tw>td
对于饱和湿空气
t=tw=td
【例8-1】,相对湿度为50%,干球温度为20℃。试求:
(1)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ps=
湿度H
ps
=
水/kg干空气
ps
=
P
-
水蒸气分压p
p=ps=×=
露点td
露点是空气在湿度H或水蒸气分压P不变的状况下,冷却达到饱和时的温度。所以可由
p=,获取对应的饱和温度td=9℃
焓I
I=(+)t+2492H=(+×)×20+2492×=
热量Q
Q=500×(+×)×(117-20)=4966KJ/h=
湿空气体积V
T+273
V=500vH=500(+)
273
=500(+)
=
二、湿空气的湿度图及应用
20+273
273
当总压一准时,表示湿空气性质的各项参数,只要规定此中任意两个互相独立的参数,
湿空气的状态就被确立。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别开,采纳两坐标轴交角为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必定温度t和湿度H的湿空气状态。
现将图中各种曲线分述以下:
(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线上不一样的点
都拥有同样的温度值,其值在辅助水平轴上读出。
(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线上不一样的点所代
表的湿空气的状态不一样,但都拥有同样的焓值,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,所以在I-H图中对应不一样的t,可作出好多条等t线。上式为线性方程,等温线
的斜率为(+2490),是温度的函数,故等温线互相之间是不平行。
(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。依据式
(7-5)
ps
,可知当总压P一准时,对于任意规定的
值,上式可简化为H和Ps的
ps
P
关系式,而Ps又是温度的函数,所以对应一个温度t,即可依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。依据上述方法,可
绘出一系列的等
线群。
=100%的等
线为饱和空气线,此时空气完整被水气所饱和。饱和空气以上
(<100%)
为不饱和空气地域。当空气的湿度H为必定值时,其温度t越高,则相对湿度
值就越低,
其汲取水气能力就越强。故湿空气进入干燥器从前,一定先经预热以提升其温度
t。目的是除
了为提升湿空气的焓值,使其作为载热体外,也是为了降低其相对湿度而提升吸湿力。
=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特别方便。
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-tw,t-td,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,由此点可查得其余各项参数。若用两个相互不是独立的参数,如p-H,td-p,td-H,则不可以确立状
态点,因它们都在同一条等I线或等H线上。
比方,图8-3中A代表必定状态的湿空气,则
(1)湿度H,由A点沿等湿线向下与水平辅助轴的交点H,即可读出A点的湿度值。
(2)
焓值I,经过A点作等焓线的平行线,与纵轴交于I点,即可读得
A点的焓值。
(3)
水气分压P,由A点沿等湿度线向下交水蒸气分压线于C,在图右端纵轴上读出水气
分压值。
(4)
露点td,由
A
点沿等湿度线向下与
饱和线订交于
B
点,再由过
B
点的等温线
=100%
读出露点td值。
(5)
湿球温度tw
绝热饱和温度
as
,由
A
点沿着等焓线与
饱和线订交于
D
点,再
(
t)
=100%
由过D点的等温线读出湿球温度
tw(即绝热饱和温度tas值)。
经过上述查图可知,第一一定确立代表湿空气状态的点,而后才能查得各项参数。
第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算
平时,在干燥过程的计算中,第一要计算干燥过程中的水分蒸发量和空气耗费量和热
量,
础.
一、湿物猜中含水量的表示方法
1、湿基含水量
湿物猜中所含水分的质量分数称为湿物料的湿基含水量。
?湿物猜中水分的质量
wKg水分/Kg湿料(7-12)
湿物料总质量
不含水分的物料平时称为绝对干料。湿物猜中的水分的质量与绝对干料质量之比,称为湿
物料的干基含水量。
X
湿物猜中水分的质量
(7-13)
Kg水分/Kg干料
湿物猜中绝干物料的质量
二者的关系为
X
w
或w
X
(7-14)
w
1X
1
工业生产中物料含水量常以湿基含水量表示,但因为干燥过程中湿物料的总质量因干燥
失出水分而不停减少,而绝干物料的质量不变,所以,干燥计算中,以干基含水量表示较为
方便。
二、干燥器物料衡算