干燥概述干燥介质的性质课件

6/19/20241/35一、概述一、概述1.机械除湿2.化学除湿3.热能除湿（二）除湿（二）除湿（三）干燥（三）干燥1.传导干燥2.对流干燥3.辐射干燥4.介电加热干燥（四）对流干燥过程（四）对流干燥过程（五）干燥操作的教学思路（五）干燥操作的教学思路二、干燥介质二、干燥介质湿空气的性质湿空气的性质（一）湿空气的状态参数（一）湿空气的状态参数1.湿度2.焓3.湿比容4.温度（二）湿空气的（二）湿空气的 t-H 图及其应用图及其应用1.湿空气的 t-H 图2.t-H图的应用（三）湿空气的（三）湿空气的 I-H 图及其应用图及其应用1.湿空气的 I-H 图2.H-I图的应用（一）热质同时传递（一）热质同时传递质量传递篇固体干燥一、概述1.机械除湿（二）除湿（三）6/19/20242/35一、概述一、概述（一）热质同时传递的两种情况（一）热质同时传递的两种情况(1)以传热为目的，伴有传质的过程：如热气体的直接水冷，热水的直接空气冷却等。(2)以传质为目的，伴有传热的过程：如空气调节中的增湿和减湿等。1 热气体的直接水冷热气体的直接水冷一、概述（一）热质同时传递的两种情况1 热气体的直接水冷6/19/20243/35气相和液相的温度显然自塔底向塔顶单调下降。液相的水汽平衡分压pe与液相温度有关，因而也相应地单调下降；可是，气相中的水蒸气分压p水汽则可能出现非单调变化。气、液两相的分压曲线在塔中某处相交，其交点将塔分成上、下两段，各段中的过程有各自的特点。特点特点塔内出现传质方向的逆转，下部发生水的汽化，上部则发生水汽冷凝。塔内出现传质方向的逆转，下部发生水的汽化，上部则发生水汽冷凝。气相和液相的温度显然自塔底向塔顶单调下降。液相的水汽平衡分压6/19/20244/35(1)塔下部。气温高于液温，气体传热给液体。同时，气相中的水汽分压p水汽低于液相的水汽平衡分压(水的饱和蒸气压ps)，此时p水汽p水汽)，水汽化转向气相。此时，液体既给气体以显热，又给汽化的水以潜热，因而水温自上而下较快地下降。该区域内热、质同向传递，都是由液相传向气相。(2)塔下部。水与进入的较干燥的空气相遇，发生较剧烈的汽化过程，虽然水温低于气相温度，气相给液相以显热，但对液相来说，由气相传给液相的显热不足以补偿水分汽化所带走的潜热，因而水温在塔下部还是自上而下地逐渐下降。显然，该区域内热、质传递是反向的。(1)塔上部。热水与温度较低的空气接触，水传热给空气。因水温6/19/20248/35（二）除湿：（二）除湿：从湿固体物料中除去湿分（水或其他液体）的过程。按其作用原理可分为：1.机械除湿：机械除湿：过滤、压榨、离心分离等。此法脱湿快且经济，但除湿程度低。如离心分离后含水510%，板框压滤后含水5060%（质量分数）；2.化学除湿：化学除湿：利用吸湿剂（如无水氯化钙、浓硫酸、分子筛等）除去气体、液体或固体物料中少量的水分。此法费用高，只适用于少量物料的除湿；3.热能除湿：热能除湿：通过加热或冷冻，利用湿分在加热或冷冻过程中产生相变的物理原理除去湿分。（三）干燥：（三）干燥：借助热能，对湿物料进行加热，使其中的湿分汽化并被惰性气体带走，从而得到干燥物料的单元操作。在化学工业中，许多原料、产品或半产品，为了便于加工、运输、贮藏或使用等，往往需进行干燥。按热能提供方式的不同，干燥方法可以分为如下几类：1.传导干燥（属间接加热干燥）传导干燥（属间接加热干燥）热能以热传导方式由热表面传给湿物料，使湿分汽化，然后蒸汽由气流带走或用真空泵抽吸除去。适用于干燥薄而湿的物料，热利用率较高，但易局部过热。（二）除湿：从湿固体物料中除去湿分（水或其他液体）的过程。按6/19/20249/35热能以热对流的方式由热气流（如空气）传给与其直接接触的湿物料，使湿分汽化，同时蒸汽被热气流带走而除去。由于热气流的温度与湿度容易控制，而且物料温度不会超过入口热气流温度，可避免物料发生过热等原因，使对流干燥成为一种广为采用的干燥方法。但是，由于对流干燥器出口气体中的大量显热损失，以至其热效率不高，而且蒸发的溶剂难以从气流中回收（如果被汽化的溶剂是有用的话）。将湿物料置于高频电场内，由于高频电场的交变作用使物料加热而得以干燥。如电场频率低于300MHz的高频加热干燥，以及高于300MHz的超高频加热干燥（或称微波干燥）。介电干燥与上述几种干燥方法不同，介电加热发生在整个物料内部，可得到均匀干燥的物料。但是，这种干燥方法耗电量大，费用高，只在特殊要求的场合下使用。4.介电加热干燥介电加热干燥在这种干燥方法中，能量是以电磁波辐射源供给，入射至湿物料表面被吸收并转变为热能，使湿分汽化而达到干燥的目的。如采用红外辐射器干燥表面大而又薄的物料，其生产强度比前两种方法大几十倍，而且设备紧凑、干燥时间短、物料干燥均匀、清洁。但是，这种干燥方法能耗较大。3.辐射干燥辐射干燥2.对流干燥对流干燥热能以热对流的方式由热气流（如空气）传给与其直接接触的湿物料6/19/202410/35目前，工业上应用最多的是对流干燥，而且干燥介质多是空气，物料的湿分是水。因此后面讨论的重点放在用热空气作为干燥介质，干燥湿物料中水分的对流干燥。（四）对流干燥过程（四）对流干燥过程图56-1为一典型的对流干燥示意图。空气经预热器加热至适当的温度后，进入干燥器。在干燥器内，热空气与湿物料接触，并加热物料，本身温度逐渐降低，受热物料内的水分汽化进入空气流，使空气流湿度增加，而物料本身被干燥。废空气流由干燥器另一端引出。这个干燥过程既可以间歇也可以连续实现。在连续操作中，空气流与物料走向既可呈并流也可呈逆流方式操作。图56-1 对流干燥流程由上述可知，在对流干燥过程中，同时进行两个过程：一个是空气流加热湿物料，使表面水分汽化的过程，另一个是湿物料内部湿分在内外湿分差的作用下，由内部向表面迁移的过程。因此：预热器干燥器废气湿物料干物料目前，工业上应用最多的是对流干燥，而且干燥介质多是空气，物料6/19/202411/35对流干燥过程实际上是一个气、液、固三相间传热、传质同时进行的复杂过程；在此过程中，干燥介质空气流既是热载体又是湿载体，干燥过程是湿物料去湿的过程，也是干燥介质降温增湿的过程。见图56-2。（五）干燥操作的教学思路（五）干燥操作的教学思路干燥操作的教学内容主要是以空气作为干燥介质，湿物料中的湿分是水的对流干燥过程，讨论这种干燥过程的原理、典型的干燥设备及其计算方法。教学安排如下：（1）由于干燥介质湿空气在干燥过程中，既是热载体又是湿载体，湿空气的性质及其在干燥过程中的状态变化规律对干燥过程影响很大，因此先讨论湿空气的性质，并介绍一个有用的图解工具湿度图（t-H图）或湿焓图（H-I图）；（2）介绍湿物料中各种水分的性质，讨论物料中平衡水分与干燥介质状态的对应关系干燥过程的相平衡关系；（3）在上面内容的基础上讨论在干燥过程中物料水分随时间的变化关系，即研究干燥速率及其影响因素；对流干燥过程实际上是一个气、液、固三相间传热、传质同时进行6/19/202412/35（4）讨论干燥过程计算问题，其内容包括：过程衡算物料衡算和热量衡算，以确定干燥过程中所除去的水分量、耗热量及所需空气量；干燥介质在干燥过程中的状态变化及其状态参数的确定；确定物料达到某一干燥程度所需要的时间干燥时间。干燥过程的计算结果，将为干燥器的设计提供依据。（5）介绍典型干燥器的计算方法，这里包括：对所选干燥器进行设计型计算；对运行中的干燥器进行核算，这属于操作型计算问题。二、干燥介质二、干燥介质湿空气的性质湿空气的性质为讨论方便，先作两点说明：（1）作为干燥介质的湿空气为不饱和湿气体，即其中的水气分压低于同温度下水的饱和蒸汽压，此时的水气呈过热状态，而且干燥的操作压强通常较低。因此，湿空气可以作为理想气体处理，即假设理想气体的一切定律均适用于湿空气（2）在干燥过程中，湿空气中的水气质量是变化的，而其中的干空气作为热和湿的载体，其质量和质量流量是恒定的。为计算方便，下面有关湿空气的参数是以单位质量（kg）干空气为基准。（一）湿空气的状态参数（一）湿空气的状态参数在干燥过程中，系统总压通常是恒定的，这样，湿空气的状态参数主要有：湿湿度度、焓焓、湿比容、温度湿比容、温度。下面分别讨论这些状态参数。（4）讨论干燥过程计算问题，其内容包括：过程衡算物料衡6/19/202413/35其中 分别为水气、干空气的摩尔数，kmol 分别为水、空气的相对分子量（2）相对湿度（水气饱和度）相对湿度（水气饱和度 ）相对湿度为空气中水气分压与同温度下的纯水饱和蒸汽压之比，即：由定义可见：根据理想气体分压定律，将相应参数代入式（56-1）得：（56-1）1.湿度湿度（1）绝对湿度（湿含量或湿度）绝对湿度（湿含量或湿度）绝对湿度表明空气中水分的含量，其定义式为：kg水/kg干空气 （56-2）可见，当总压一定时，有：（56-3）其中 分别为水气、干空气的摩6/19/202414/35当时，即湿空气中的水气分压达到饱和，此时的湿空气已无吸湿能力；值越小，即距饱和程度越远，表明该空气纳水能力越强；若以代入式（56-2）中可得H的另一计算式：（56-4）如时，则由上式可得湿空气的饱和湿度：（56-5）2.焓焓 I湿空气的焓为其中的干空气焓与水气焓之和。为方便，干空气的焓以0气态为准，水气的焓以0液态水为准，则可表示为：kJ/kg干空气（56-6）其中干空气的比热容，kJ/（kg干空气K）水气的焓，kJ/kg水气水气的比热容，kJ/（kg水气K）水在0的汽化热，kJ/kg当 时，6/19/202415/35将上面数据代入式（56-6），经整理得：（56-7）其中项湿空气的比热容，简称湿热容，kJ/（kg干空气K）由式（56-7）可见：3.湿比容湿比容湿空气的比容（湿比容）为其中干空气的比容与水气比容之和，即有：m3/kg干空气（56-8）在1atm下，有：m3干空气/kg干空气m3水气/kg干空气于是：（56-9）即将上面数据代入式（56-6），经整理得：6/19/202416/354.温度温度（1）干球温度）干球温度t在湿空气中，用普通温度计测得的真实温度。（2）露点）露点 td一般情况下，湿空气中的水气分压低于同温度下水的饱和蒸汽压。当在总压与湿度保持不变的情况下，使湿空气冷却到饱和状态，即将结出露水时的温度，称为该湿空气的露点。当达到露点时，此时式(56-4)可写为：(56-10)其中 pd 水在露点td下的饱和蒸汽压，可见：这样，在一定总压下，可以由H算出 pd，在查表或用Antoine公式计算露点td或由 td 算出湿度H，这便是露点法测湿空气湿度的依据。（3）绝热饱和冷却温度）绝热饱和冷却温度 tas下面讨论图56-3所示的空气绝热增湿过程。进入系统的空气(状态为t，H)与喷淋水相接触，离开系统时空气温度与湿度都将发生变化。假定过程是绝热的，其中的水进行循环，同时不断补充适量的水。4.温度6/19/202417/35如果进入系统的空气与水滴的接触足以使二者之间达到平衡，即空气被水所饱和，那么二者的温度应一致，相应的饱和湿度为 。由于该过程水量较大，水温 可基本保持恒定。由于过程是绝热的，水向空气中汽化所需之潜热，只能取自空气中的显热，即空气的湿度在增加，而温度却下降，但空气的焓不变，即有：。亦即：因此可认为，于是有：另一方面，另一方面，如果进入系统的空气与水滴的接触足以使二者之间达到平衡，即空气6/19/202418/35（4）湿球温度）湿球温度 tw先看看测量空气湿球温度的方法，如图56-4所示。让不饱和湿空气流过湿球温度计的湿纱布表面，纱布保持润湿。湿纱布中的水不断汽化，空气中的热不断传入湿纱布。当水汽化所需热量与空气传入纱布热量相等，即达到稳态时，纱布中的水虽然仍在不断汽化，但温度保持不变。这个稳定的温度称为该湿空气的湿球温度。下面推导湿球温度的关联式。由于空气量较大，空气的温度、湿度可认为恒定。如图56-5所示，由空气传给纱布的热量：W/m2汽化水分，kg/(m2s)所需汽化热：当达到稳态时，二者相等，即有：或另外，从传质角度考虑，应有：（4）湿球温度 tw6/19/202419/35实验表明，实验表明，在温度不太高时，kH与都与空气流速的0.8次方成正比关系，则比值kH/只与物系有关。这样，由上式可知，tw 由湿空气的(t,H)或 决定。在用干、湿球温度计方便地测出t、tw后，便可用上式确定湿空气的H，这便是干、湿球法测湿度的依据。其他状态参数也可用前面的关系式一一算出。实验还表明，实验还表明，对于空气水系统，当空气流速在 3.810.2m/s 范围内，有：。这样，比较绝热饱和温度式和湿球温度式可知：。这一结果表明，对空气水系统，这两个物理意义不同的温度，在数值上近似相等。由于湿球温度 tw 易于测得，这给干燥过程的计算代来方便。实验表明，在温度不太高时，kH与都与空气流速的0.8次方成6/19/202420/35空气空气-水系统中几种温度的关系和计算水系统中几种温度的关系和计算四种温度关系如下四种温度关系如下不饱和空气饱和空气tas和和 tw的试算步骤（二者方法相同）的试算步骤（二者方法相同）(1)初设tas(或tws)，查该温度下水的饱和蒸汽压pas(或pws)，据和计算出对应的(2)查出在tas(或tws)下饱和水蒸气的汽化潜热用或计算出值，并与初设值比较，若初设值与计算值相近或相等，试算结束。否则，需重复上述计算步骤。初设空气-水系统中几种温度的关系和计算6/19/202421/35tas 与与 tw 有哪些不同？对空气有哪些不同？对空气-水系统，测定水系统，测定 tas与与 tw 时，若水的初温时，若水的初温不同，对测定结果有什么影响？不同，对测定结果有什么影响？又根据水的初温不同时，因水是少量的，当其与大量连续空气接触时不足以引起空气的t 和H发生明显改变，故对测定tw 的影响甚微，可认为不变。（1）tas 是在绝热条件下，大量的水与连续空气流接触所达到的稳态饱和温度，而tw是少量的水与大量的连续空气流接触所达到的稳态非饱和温度，对空气-水系统而言，tas tw。综上所述：综上所述：tas 和和 tw 都是都是 t 和和 H 的函数，是湿空气固有的性质，与水的温度无关的函数，是湿空气固有的性质，与水的温度无关（2）根据tas 只是空气干球温度t和湿度H的函数，与水的温度无关。水的初温不同时，只会改变空气与水接触时达到稳态饱和所需的时间，不会改变空气的绝热饱和温度tas 与 tw 有哪些不同？对空气-水系统，测定 tas与6/19/202422/35（二）湿空气的温（二）湿空气的温湿图（湿图（t H 图）及其应用图）及其应用 1.湿空气的湿空气的 t H 图图湿空气的状态湿空气的状态：根据 ，当 pt 一定时，则F2。在湿空气性质参数像 中，只要任意选出两个独立参数，则可确定湿空气的状态。而 则属于非独立变量。在 t-H图中有6种曲线：等 t 线；等 H 线；等相对湿度 线；绝热冷却线；湿质量热容 cH 线；湿比容线。等 t 线作一系列平行于纵坐标的直线即为等 t 线。等 H 线作一系列平行于横坐标的直线即为等 H 线。等 线根据 ，选定一 值，查出不同 t 下对应的水的饱和蒸汽压 ps 值，按上式计算出H后再根据一系列(t，H)点数据作图便得。绝热冷却线 绝热饱和方程（二）湿空气的温湿图（t H 图）及其应用湿空气的状6/19/202423/351 等温线2 等湿线3 等相对湿度线4 绝热冷却线5 湿热容线6 湿比容线干空气比容干空气比容饱和空气比容饱和空气比容cHH1 等温线干空气比容饱和空气比容cHH6/19/202424/350.020.042280225024602370234023102430240024900203040506010708090100温度 t/1101200.010.030.080.060.050.100.120.140.16湿空气的t-H图湿度H/kg.(kg干空气)-1汽化潜热/kJ.(kgH2O)-1湿比容/m3.(kg干空气)-11.350.950.850.751.051.251.15汽化潜热对湿度湿比热容对温度饱和比容对温度湿比容对温度 H=0.140.120.080.100.040.060.020.00绝热饱和线1.001.051.101.151.201.251.301.35湿比热容/kJ.(kgH2O.)-10.020.0422802250246023702340236/19/202425/35干燥概述干燥介质的性质课件6/19/202426/352.t-H图的应用图的应用（1）确定湿空气的状态，并求取其它状态参数（2）描述湿空气的状态变化过程（3）计算湿空气的混合问题例13-4.已知 ，求2.t-H图的应用6/19/202427/35如循环空气与新鲜空气以比例M：N（干空气质量比）混合，衡算得：kg/kg干空气kg/kg干空气即H与I是可以加和的量。在t-H图上，可以用杠杆定律表示上面的结论，图中A点为新鲜空气状态点，B点为从干燥器排出废空气状态点，C点为混合气经预热器预热后的状态点。可见，再循环比例 M：N 越大，则混合气预热到焓值为I1处的干球温度t1越低(使耗热量减小)。但另一方面却使 值增大，即混合空气的吸湿能力降低。因此，湿空气的混合问题是一个需综合考虑的问题。ABC如循环空气与新鲜空气以比例M：N ABC6/19/202428/35（三）湿空气的（三）湿空气的 H-I 图及其应用图及其应用1.湿空气的湿空气的 H-I 图图上面讨论了表征湿空气性质的状态参数，并建立了它们的关系式。在工程中，为计算上的方便，将这些关系标绘在平面坐标上制成了湿度图。根据所选基本坐标的不同，有：t-H图、H-I图。其中H-I，图在干燥过程计算中较为方便，下面介绍图H-I。如图56-6所示，是按常压作出的H-I图。图中各量均以1kg干空气为基准。为避免众多曲线交集在一起引起读数困难，采用135斜角坐标系。横坐标表示湿空气的湿度H，为便于读数，将横坐标湿度数值投影在辅助水平轴上；纵坐标表示湿空气的焓I，等I线为与横轴平行的直线(与水平成45角)。H-I图由四种曲线簇和一条蒸汽分压线构成，它们是：等H线；等I线；等t线；等 线；蒸汽分压线。后三种曲线可分别根据式(56-7)、(56-4)、(56-2)标绘而成。由图56-6可见：(或等于1)的曲线为饱和空气的等 线，只有位于此线左上方的不饱和区的湿空气才能作为干燥介质；H值一定，t值越高时，值越低，即作为干燥介质其吸湿能力越强。因此，湿空气在进入干燥器以前，需先经预热器加热以提高t，这样，除了可以提高湿空气的I以作为载热体以外，同时也为了降低 值而作为湿载体。（三）湿空气的 H-I 图及其应用6/19/202429/35干燥概述干燥介质的性质课件6/19/202430/352.H-I 图的应用图的应用湿空气的H-I图可以方便地用于确定湿空气的状态；进行干燥过程的物料及热量衡算。后者在第49讲中叙及，此仅讨论与前者有关的几个问题。（1）确定湿空气的状态，并求取其它状态参数）确定湿空气的状态，并求取其它状态参数在湿空气性质参数，像 中，如能任知两个独立参数，则可在H-I图上确定一个状态点，并由此可以查出其他参数数值。必须指出的是：这两个参数应是独立的，否则，像等均属于重复条件，他们各自在同一条等H线或等I线上，不能确定空气的状态（2）描述湿空气的状态变化过程）描述湿空气的状态变化过程 加热与冷却过程 湿空气在换热器的过程可以近似看作等压的加热或冷却过程。由于此过程中，空气的湿度不变，因此该过程在H-I图中的等H线上；绝热增湿过程 不饱和空气在一绝热装置内的增湿过程中，像前面讨论绝热饱和温度的装置，空气给予水的显热又全部以水分汽化热的形式返回空气，这是等焓过程，因此在图中的等焓线上。（3）计算湿空气的混合问题）计算湿空气的混合问题如图56-7(a)所示，在生产中，为了利用由干燥器出口排出废气中的余热，可以采用部分循环混合的方法。如循环空气与新鲜空气以比例 M：N(干空气质量比)混合，用物料衡算和焓2.H-I 图的应用6/19/202431/35干燥概述干燥介质的性质课件6/19/202432/35在H-I图上，可以用杠杆定律表示上面的结论，如图56-7所示。图中A点为新鲜空气状态点，B点为从干燥器排出废空气状态点，C点为混合气经预热器预热后的状态点。由图可见，再循环比例 M：N 越大，则混合气预热到焓值为 I1处的干球温度t1 越低（使耗热量减小）。但另一方面却使 值增大，即混合空气的吸湿能力降低。因此，湿空气的混合问题是一个需综合考虑的问题。衡算得：kg/kg干空气kg/kg干空气C在H-I图上，可以用杠杆定律表示上面的结论，如图56-7所示6/19/202433/35C图中A点为新鲜空气状态点，B点为从干燥器排出废空气状态点，C点为混合气经预热器预热后的状态点。由图可见，再循环比例 M：N 越大，则混合气预热到焓值为I1 处的干球温度t1越低（使耗热量减小）。但另一方面却使 值增大，即混合空气的吸湿能力降低。湿空气的湿空气的 tH图图IH图图C图中A点为新鲜空气状态点，B点为从干燥器排出废空气状态点，6/19/202434/35【本讲要点】【本讲要点】1.干燥是一种利用热能将湿物料加热，使其中的湿分汽化而为惰性气流带走的去湿方法。工业上较多采用的是对流加热干燥器，这是由于作为干燥介质的热空气流的温度和湿度易于控制，而且物料温度不会超过进口热空气温度以避免过热的缘故。对流干燥过程是湿物料去湿的过程，也是干燥介质降温增湿的过程，即干燥过程实质上是一个气、液、固三相间的传热、传质过程。2.表示湿空气的状态参数有多个，但只要规定其中两个独立的参数，湿空气的状态便被确定。3.湿空气的湿度（或湿含量）表示空气中水分含量的绝对值，而相对湿度则反映湿空气容纳水气的能力。4.湿空气的绝热饱和温度是在绝热条件下，大量的水与连续空气流接触所达到的稳态饱和温度；湿空气的湿球温度是在绝热条件下，少量水与大量连续空气流接触而达到的稳态非饱和温度。对空气-水系统，近似有 ，这一结果给干燥过程的计算带来方便。5.湿空气的H-I图可以方便地用于确定湿空气的状态，描述湿空气在干燥过程中的状态变化；辅助干燥过程的物料与热量衡算。【本讲要点】6/19/202435/35【思考题思考题】1.试叙述下列基本概念，并指出他们之间的联系与区别：（1）绝对湿度与相对湿度；（2）露点温度与沸点温度；（3）干球温度与湿球温度；（4）绝热饱和温度与湿球温度。2.在H-I图上分析用作干燥介质的湿空气的 之间的大小顺序，在何条件下，三者相等。3.试说明湿空气H-I图上的等干球温度线、等相对湿度线、蒸汽分压线是如何标绘出来的。4.当湿空气总压变化时，湿空气H-I图上的各种曲线将如何变化？如保持t、H不变而将总压提高，这对干燥操作是否有利？为什么？作业：作业：13-113-3【思考题】作业：13-113-3