第十四章 固体干燥.pdf

1第十四章固体干燥第一节概述第二节干燥静力学第三节干燥速率与干燥过程计算第四节干燥器第一节概述第二节干燥静力学第三节干燥速率与干燥过程计算第四节干燥器第一节 概述第一节 概述一、固体物料的去湿方法和干燥过程1、物料的去湿方法、物料的去湿方法（1）机械去湿：沉降、离心过滤，适于含水较多的物料（2）吸附去湿：干燥剂（无水氯化钙、硅胶等），适于含水较少的物料（3）供热去湿：利用热能去除湿物料中湿分称为干燥，（湿分为水或有机溶剂）a、蒸发结晶：得到固体溶质（蒸发在沸腾条件下汽化）b、喷雾干燥：溶液分散成滴（可为悬浮液）与热气流接触c、对流干燥：热空气或其它高温气体为介质向物料供热，并带走汽化湿分2、干燥分类、干燥分类（1）按操作压强分：常压干燥和真空干燥(2)按操作方式分：连续，间歇（3）按传热方式分：传导，对流，辐射工业上应用最多的是对流加热干燥法：以热空气为干燥介质，除去湿分水对流干燥过程的特点干燥是热质同时传递的过程气流温度t 物料表面温度i气体传热 固体固体表面水的平衡分压pe气流中水汽分压p水汽固体中的水被汽化 气相注：若p水气pe，则气相中水固体（返潮）HtqWiP水汽peM湿物料G1,w1,1干燥产品G2,w2,2热气体L,H1,t1,i1湿废气体L,H2,t2,i2湿气体L,H0,t0,i0QpQdQl预热器干燥器二、对流干燥流程及经济性气流式干燥器流程示意图经济性：能耗和热的利用率第二节干燥静力学第二节干燥静力学一、湿空气的状态参数一、湿空气的状态参数1、湿空气含水量的表示方法（四种）、湿空气含水量的表示方法（四种）(2)水汽分压水汽分压0.622HPpH=+水汽(1)湿度湿度0.622kg/kgppHP=水汽水汽干气水汽；气体湿度公式推导：/18180.62229/29HmMnpVRTppmMnpVRTppp=水汽水 水水汽水汽水汽干气气 气空气空气水汽2（3）相对湿度）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的比值定义为相对湿度总压为101.3kPa，空气温度低于100时，空气中水汽分压的最大值为同温度下的饱和水蒸汽压PSspp=水汽()spp总如空气温度较高，该温度下的饱和水蒸气压会大于总压。因空气总压已指定，水汽分压的最大值最多等于总压总水气pp=()spp总湿空气达到饱和状态不能再容纳水分，亦不能用于作干燥介质ss0.6220.622HppHPpPp=水汽总总水汽与关系：绝干空气/spp=水气未饱和空气，相对湿度越小，对干燥越有利当 p水汽=pS时=1当 p水汽pS时1当p水汽=0 时=0思考思考：在：在t、H相同的条件下，提高压强对于干燥操作是否有利？为什么？相同的条件下，提高压强对于干燥操作是否有利？为什么？t 相同，相同，ps不变，不变，H相同，相同，p，吸收水汽能力，不利于干燥。因此干燥操作经常在常压或真空条件下进行。，吸收水汽能力，不利于干燥。因此干燥操作经常在常压或真空条件下进行。0.622sHPHp=+总（）（4）绝对湿度）绝对湿度WHRH=sWss0.622 ()总pHppPp=为饱和湿度：WH11RR=一般，更为常用；只有当时，2、湿空气的焓、湿空气的焓 I（1Kg干气及其所带H Kg水汽所具有的能量）2500(1.01 1.88)2500/PHICtHH tHkJ kg=+=+干空气；干气体以0的气体为基准，水汽焓以0液态水为基准湿比热容：PH1.01 1.88/)CHkJkgK=+干空气；(干空气比热容Cpg水蒸汽比热容pv水的汽化热 r0pgpVo/IC tCHtr HkJ kg=+干空气；PgPV0PH0()CCH tr HCtr H=+=+湿比热容Cpg：在常压下将1kg的绝干空气和其所带有的H kg水蒸汽的温度升高1 所需的总热量。I：1Kg干气及其所带H Kg水汽所具有的能量干燥中常用比体积（湿比容）H（m3湿气/kg干气）标态0、1kg干气为基准的湿空气体积4.222911干空气kg4.2218HHkg水汽转换为实际状况t33H(2.83 104.56 10)(273)H t=+3H1 kg/mH+=（湿气湿气）湿空气密度：HH273273t=+标实（）用于由空气质量流量换算成体积流量（风量）以选择风机H1()22.42918H=+标3.湿空气的比体积湿空气的比体积湿比容为1 kg干空气的体积和其所带有的H kg水汽的体积之和34、四个温度、四个温度（1）干球温度干球温度 t（即湿气体真实温度）（2）湿球温度）湿球温度 tW（大量空气与少量水接触至动态平衡时的水温）气体ttw如果这一热量不足以补偿水的汽化所需热量，水温继续下降，降至tw时，在t-tw温差下，空气传给水的显热与水汽化所需热量相等，达到平衡状态，水温不再降低。此时的水温即为极限温度湿球温度tw过程分析：起初气温 t=水，但气相中P水汽小于液面上水的PS，存在传质推动力，水汽化进入气相，汽化热来自于本身温度的降低，一旦水温低于气温（水5m/s时：注意：空气的湿球温度tw总是低于干球温度t，tw与t的差距越小，表示空气中水分含量越高，对饱和湿空气 tw=t在 t-tw温差下，空气以对流方式传给水的显热等于水汽化所需潜热，达到动态平衡状态，水温不再降低，为湿球温度tW。（3）绝热饱和温度绝热饱和温度 tas（少量空气与大量水接触至传质传热平衡时的温度）（少量空气与大量水接触至传质传热平衡时的温度）tas 补充水补充水 饱和空气饱和空气 tas,Has 绝热绝热 湿空气湿空气 t,H tas 绝热饱和塔示意图绝热饱和塔示意图 当少量流动空气同大量循环水绝热接触时，只要空气的相对湿度小于100，水就会不断汽化。汽化需要吸收热量，使水温下降。空气通过对流传热将热量传给循环水，所以气体温度也会下降。当空气-水经充分循环接触至传质传热平衡时，空气中水汽达到饱和，水和空气的温度也相同。此平衡系统的温度，称为湿空气的绝热饱和温度t当少量流动空气同大量循环水绝热接触时，只要空气的相对湿度小于100，水就会不断汽化。汽化需要吸收热量，使水温下降。空气通过对流传热将热量传给循环水，所以气体温度也会下降。当空气-水经充分循环接触至传质传热平衡时，空气中水汽达到饱和，水和空气的温度也相同。此平衡系统的温度，称为湿空气的绝热饱和温度tasas，是绝热增湿过程中空气降温的极限。，是绝热增湿过程中空气降温的极限。tas是气体在绝热条件下（等焓）降温增湿到饱和的过程：气相降温供显热给水相，水相中水分汽化供潜热给气相，显热等于潜热，故而等焓。PHasasaasasasPHs()()()rttHHVCttH rCV H=2PHasasasasasasasaPHs/()/()(/)rttHHtf tVkgs mCKJKgKrtkJ kgHtkgkgHC=干气干气水汽干气气相流率，气体的湿比热容；下水的汽化热，的饱和湿度，；、空气水系统：09.1=HPHkC tas 补充水补充水 饱和空气饱和空气 tas,Has 绝热绝热 湿空气湿空气 t,H tas 绝热饱和塔示意图绝热饱和塔示意图 asasas()1.09rttHH=湿球温度tw与绝热饱和温度tas的异同：H wwwwasasasasPH()()()()k rttHHtf tHrttHHtf tHC=；、；、相同之处：1、湿空气均为等焓变化；2、均为空气状态（t、H）的函数3、对空气-水体系而言，tas=tw，对于其他系统，如空气和有机液体，这两个温度并不相等。tas 补充水补充水 空气空气 tas,Has 绝热绝热 空气空气 t,H tas 绝热饱和塔示意图绝热饱和塔示意图空气空气t,Ht,Htw湿球温度计湿球温度计1、湿球温度tw：大量空气与少量水接触后水的极限温度，空气的状态（t，H）不变。绝热饱和温度tas：少量空气与大量水经过接触后湿空气的极限温度，空气降温增湿到饱和的过程。tas 补充水补充水 空气空气 tas,Has 绝热绝热 空气空气 t,H tas 绝热饱和塔示意图绝热饱和塔示意图空气空气t,Ht,Htw湿球温度计湿球温度计2、湿球温度时，传质、传热仍在进行，此时水分仍在汽化，属动态平衡范畴；绝热饱和温度时，传热和传质两方面均达到平衡，没有净的质量、热量传递进行，因此属静态平衡范畴。不同之处：物理意义完全不同4（4）露点（温度）露点（温度）td露点与水汽分压：测定水汽分压的实验方法就是测量露点sss100%0.622dddddpppHPp=水汽；对于一定量的湿空气，在总压不变的情况下降低温度，使水的饱和蒸汽压降至与空气中的水汽分压相等时的温度，称为露点。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点。湿空气等湿冷却到饱和状态的温度（析出露珠）称为露点td。td=f（P水汽）二、焓湿图（二、焓湿图（I-H图）及其应用图）及其应用1、1、I I-H H 图构成图构成-VIHtPH：等 线，等线，等 线，等 线，水汽分压线五条线H横轴横轴H辅助线等湿线等焓线等温线等线辅助线等湿线等焓线等温线等线II=1PH线2、2、I I-H H 图的应用图的应用湿空气状态的确定湿空气状态的确定在以下参数中，两个独立参数确定空气的一个状态点t、I（tas、tw）、）、H（pV、td）ItAH=100%水气分压线PV（1）识图A 点：湿空气状态点tHPV、tdItas、twA 点：四线通过（2）解题例题1、已知550.02100tHPKPa=，总压求=Idt=ast=wt=p查图法.注意总压为100kPa查图法It=55AH=0.02=1水气分压线PVtdtw=tasPH由55温度线与湿度0.02等H线确定空气状态点A过 A 作等线查出=过 A 作等 I 线查出 I=等 I 线与=1线的交点所对应的温度为 tas=tw=等H线与=1线的交点所对应的温度为 td=等H线与p-H的交点所对应的水汽分压为 p=5035100wttPKPa=，总压例题2、已知das H pIt t求：，1交点，过交点作等I线，由图查出 I=128 kJ/kg由35等温线找到与过A作垂线即H=0.03 1=交点所对应等温线即为H线与d32t=与I线相交于点A（状态点）（状态点）50=t等温线再作H线与p-H线的交点所对应的 p=4.6 KPaHI0.03P=4.6t=50t=35t=32A=15I-H 图小结：（1）要确定空气的状态点，必须要有两个独立参数wasdtttt、四个温度的关系（2）1=1=wasdtttt=HPV、td 在等H线上可求I tas、tw在等I线上可求相关而互不独立相关而互不独立互相独立互相独立作业作业 P263:2、3四线通过湿空气状态点：H、I、t（3）绝热饱和温度指湿气体在绝热条件下增湿直至饱和，1=相交点的对应温度，tas=tw。即等I线与三、湿空气状态的变化过程1、加热与冷却过程1、加热与冷却过程（总压、水汽分压不变，等湿过程）（总压、水汽分压不变，等湿过程）CA冷却等H过程DC(露点)等H过程BA加热等H过程AB有利于干燥ED 部分水汽凝结为水，空气温度降低，冷却减湿过程ABt1t2=1AC=1t1t2tDt3DE2、绝热增湿过程、绝热增湿过程（等焓过程、极限温度（等焓过程、极限温度 tas）喷洒少量水，水全部汽化进入气相，空气温度下降，湿度增加，不考虑热损失，则为绝热（等焓）增湿过程：AB空气供显热给水水汽化带潜热返还空气（等焓）如果喷水量足够，气体可降温增湿至饱和状态（C点），对应有绝热饱和湿度Has和绝热饱和温度tas空气空气t、H水t1、H1=1BCH1HasHAtt1tas绝热增湿过程说明：绝热增湿过程说明：I：加入的水在温度下的显热，与空气的焓 I 相比甚小，可忽略，故而绝热增湿过程视为等焓过程114.18()(0)4.18()IHHHH=过程终了时空气的焓较初态略有增加，增量为I空气空气t、H水t1、H1总物料衡算V1+V2=V3水分衡算V1H1+V2H2=V3H3焓衡算V1I1+V2I2=V3I3混合气体的状态点C必在AB联线上其位置可由杠杆定律定出312212331VVVHHHHHH=132321123IIVIIVIIV=V2H2I2V1H1I1V3H3I3AB=1CI3I2I1IHV1H3H2H1V3V23、两股气流的混合、两股气流的混合杠杆定律杠杆定律123/VVVkgS干气、和均以绝干气为基准：例题14-2：空气状态变化过程的计算 P.240在总压100kpa下将温度为18，湿度为0.006 kg/kg干气的新鲜空气与部分废气混合，然后将混合气加热，送入干燥器作为干燥介质使用。要求进入干燥器的气体湿度为0.065 kg/kg干气废气的排出温度为58、相对湿度70%，58时pS=18.2kPa。求：废气与新鲜空气混合比V2/V1及混合气温度t。V1V2t1=18H1=0.006I1预热器干燥器t2=582=70%I2V3H3=0.065I3HtI6解：（1）求 V2/V1混合比29.2065.00908.0006.0065.02112=HHHHVV由题知，H1=0.006，t1=18H3=0.065=H=70%，t2=582V1V2t1=18H1=0.006I1预热器干燥器HtIt2=582=70%I2V3H3=0.065I322580.7 18.212.712.70.6220.6220.0908 kg/kg100 12.7StppKPapHPp=水汽水汽干气水汽时，废气中废气湿度：30.065 kg/kgHH=干气加热为等湿过程：12/VVkgS干气、均以绝干气为基准：（2）求t：与焓 I 有关，热量衡算1111(1.01 1.88)2500 (1.01 1.88 0.006)18 2500 0.006 33.4/干气IH tHkJ kg=+=+=2121 12211 122122121()215kJ/k1VIIV IV IVV IV IVVIIgVVVV+=+=+干气-2500(1.01 1.88)250046.81.01 1.88IHIH tHtH=+=+V1V2t1=18H1=0.006I1预热器干燥器HtII2V3H3=0.065I3废气的焓：22221.01 1.882500295kJ/kgIHtH=+=干气（）讨论：1、温度对湿空气容纳水分能力的影响将温度为120、湿度为0.15kg水/kg干空气的湿空气在101.3kPa的恒定总压下加以冷却，试分别计算冷却至以下温度时每公斤干空气所析出的水分：（1）冷却至100；（等H 过程，P水汽不变，P总=Pa）（2）冷却至50；（HW50=0.0860.15，析出水量为0.15-0.086=0.064 kg）（3）冷却至20 ；（比较HW20=0.0150.15，析出水量为0.15-0.015=0.135 kg）2、总压对空气容纳水分能力的影响在密闭的容器内，盛有温度为20的空气，总压为101.3kPa、湿度为0.01 kg水/kg干空气的湿空气，试求：提示：根据理想气体状态方程，PV=nRT分析P的变化（1）该空气的相对湿度及容纳水分的最大能力为多少？=0.684，HW20=0.015 kg水/kg干空气（2）若向容器内压入温度为20 的干空气，使总压上升为303.9kPa（绝压），该空气的相对湿度、湿度及容纳水分的最大能力为多少？（水汽分压不变）=0.684，H20=0.0033；HW20=0.0048（3）若将容器内的空气等温压缩至303.9kPa（绝压），空气的湿度为多少？在压缩过程中每公斤空气可析出多少水？（水汽分压为原来的三倍）H20=HW20=0.0048 H=0.01，析出水=0.01-0.0048=0.0052 四、水分在气固两相间平衡（四种水分）1、结合水与非结合水、结合水与非结合水（1）物料中水以两种形态存在结合水结晶水，细毛细孔中水，以化学力、物理化学力结合非结合水附着物体表面水分，或颗粒空隙间的水（2）基本区别：平衡蒸汽压不同espp结合水非结合水espp=等于纯水的饱和蒸汽压（3）平衡蒸汽压曲线两种表示方法etpX湿物料平衡蒸汽压与含水量(1)ppe=psXtpeXmax非结合水结合水Xt 总含水量，Xtkg水/kg绝干Xmax 结合水最大含量7XtXmax相对湿度=pe/ps非结合水结合水01.00.5=Pe/Ps，PeP水汽t X 图：减少温度对平衡曲线的影响只要有非结合水存在，湿物料的平衡蒸汽压Pe不会变化，总是纯水的饱和蒸汽压（pe=pS或=1）1)eSpp除去非结合水后，将逐渐下降（，吸湿过程：若 X气流0.49P0.41P0.0118(350)d GGd=+要求：3QVQ预大，少，少，t1不能过高，防止物料受热分解2t 1t 提高提高121210tttttt=讨论：，当，则3、连续干燥过程设备容积的计算、连续干燥过程设备容积的计算PH12am()QV CttV t=干1w2wm1w2w()()lnttttttttt=amQVt=V理想干燥器容积 t1t2twtw理想干燥器长度Q气体在干燥器中放出的热量CPH湿空气平均比热容a容积传热系数iiamiQVt=预热段表面汽化段升温段iV实际干燥器各段容积V,t0t1tctwtwGc,1V,t2Gc,2干燥器长度mit取各段两端点的对数温差作业：P264:9、101、厢式（烘房）2、喷雾干燥器：1，23、气流干燥器4、流化干燥器第四节 干燥器第四节 干燥器一、干燥器的基本要求适应性强，生产能力大，能耗经济性好二、常用工业干燥器种类：千姿百态5、其它干燥器：1，2，3，4，5，6，7，8