第六章干燥(精品).ppt
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1、化工原理PrinciplesofChemicalEngineering第六章干燥第一节第一节第一节第一节 概述概述概述概述(IntroductionIntroduction)在在化化学学工工业业生生产产中中所所得得到到的的固固态态产产品品或或半半成成品品往往往往含含有有过过多多的的水水分分或或有有机机溶溶剂剂(湿湿份份),要要制制得得合合格格的的产产品品需需要要除除去去固固体体物料中多余的湿份物料中多余的湿份。例如:例如:制盐工业中,在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶粒;制盐工业中,在过饱和的氯化钠溶液中生成的食盐晶粒;塑料工业中,氯乙烯单体在水相中聚合制成的塑料颗粒。塑料工业中,氯乙烯单体在
2、水相中聚合制成的塑料颗粒。除湿方法:机械脱水除湿方法:机械脱水(沉降或过滤沉降或过滤);干燥;干燥(加热使湿份汽化加热使湿份汽化)惯惯用用做做法法:先先采采用用机机械械方方法法把把固固体体所所含含的的绝绝大大部部分分湿湿份份除除去去,然然后后再再通通过过加加热热把把机机械械方方法法无无法法脱脱除除的的湿湿份份干干燥燥掉掉,以以降降低低除湿的成本。除湿的成本。干干燥燥方方法法的的分分类类:根根据据加加热热方方法法可可分分为为传传导导干干燥燥、对对流流干干燥和辐射干燥。燥和辐射干燥。对流干燥过程举例对流干燥器:空气通过送风机吹入空气预热器,预热后的热空气送入气流干燥管,湿料由螺旋加料器推入干燥器并
3、分散于热气流中,受气流的输送并进行干燥,干燥产品通过旋风分离器从气流中分离出来,湿废气体由引风机抽出排空。1-鼓风机;2-预热器;3-气流干燥管;4-加料斗;5-螺旋加料器;6-旋风分离器;7-卸料阀;8-引风机。化工生产中最常用的是对流干燥。干燥介质:用来传递热量(载热体)和湿份(载湿体)的介质。由于温差的存在,气体以对流方式向固体物料传热,使湿份汽化;在分压差的作用下,湿份由物料表面向气流主体扩散,并被气流带走。对流干燥过程原理温度为 t、湿份分压为 p 的湿热气体流过湿物料的表面,物料表面温度 ti低于气体温度 t。注意:只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压,干燥即可进行,与气体的温
4、度无关。气体预热并不是干燥的充要条件,其目的在于加快湿份汽化和物料干燥的速度,达到一定的生产能力。HtqWtippiM干燥是热、质同时传递的过程干燥是热、质同时传递的过程干燥过程的基本问题干燥过程的基本问题(1)干燥介质用量的确定;干燥介质用量的确定;(2)干燥条件的优化;干燥条件的优化;(3)干燥速率的强化;干燥速率的强化;(4)干燥方法的合理选择。干燥方法的合理选择。解决这些问题需要掌握的基本知识有:解决这些问题需要掌握的基本知识有:(1)湿分在气固两相间的传递规律;湿分在气固两相间的传递规律;(2)湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化;湿气体的性质及在干燥过程中的状态变化;(3)物料的含
5、水类型及在干燥过程中的一般特征;物料的含水类型及在干燥过程中的一般特征;(4)干燥过程中物料衡算关系、热量衡算关系和速率关系。干燥过程中物料衡算关系、热量衡算关系和速率关系。本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基本本章主要介绍运用上述基本知识解决工程中物料干燥的基本问题,介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。问题,介绍的范围主要针对连续稳态的干燥过程。第二节第二节第二节第二节 湿气体的性质湿气体的性质湿气体的性质湿气体的性质 及湿度图及湿度图及湿度图及湿度图一、湿空气的性质一、湿空气的性质在干燥操作中,常采用不饱和空气为干燥介质,在干燥操作中,常采用不饱和空气为干燥介质,湿湿空空气
6、气:绝绝干干气气体体与与湿湿份份蒸蒸汽汽的的混混合合物物,其其性性质质与与湿湿份份蒸蒸汽汽的的数数量量有有关关。在在干干燥燥过过程程中中,随随着着物物料料中中湿湿份份的的汽汽化化,气气体体中湿份蒸汽的含量在不断增加,但绝干气体的量保持不变。中湿份蒸汽的含量在不断增加,但绝干气体的量保持不变。1 1、绝对湿度、绝对湿度、绝对湿度、绝对湿度(湿度湿度湿度湿度)HH(HumidityHumidity)湿湿空空气气中中湿湿份份蒸蒸汽汽的的质质量量与与绝绝干干气气体体的的质质量量之之比比。若若湿湿份份蒸蒸汽和绝干气体的摩尔数汽和绝干气体的摩尔数(nw,ng)和摩尔质量和摩尔质量(Mw,Mg)kg湿份蒸汽
7、湿份蒸汽/kg绝干气体绝干气体对于空气对于空气-水系统:水系统:Mw=18.02kg/kmol,Mg=28.96kg/kmol总压一定时,气体的湿度只与湿份蒸汽的分压有关。总压一定时,气体的湿度只与湿份蒸汽的分压有关。6-16-16-16-16-26-26-26-22 2、相对湿度、相对湿度、相对湿度、相对湿度(Relative humidityRelative humidity)湿湿度度只只表表示示湿湿气气体体中中所所含含湿湿份份的的绝绝对对数数,不不能能反反映映气气体体偏偏离离饱和状态的程度(气体的吸湿潜力)。饱和状态的程度(气体的吸湿潜力)。相相对对湿湿度度:一一定定的的系系统统总总压压
8、和和温温度度下下,气气体体中中湿湿份份蒸蒸汽汽的的分分压压 p 与系统温度下湿份的饱和蒸汽压与系统温度下湿份的饱和蒸汽压 ps 之比。之比。值越低,气体偏离饱和的程度越远,吸湿潜力越大;值越低,气体偏离饱和的程度越远,吸湿潜力越大;=100%时,时,p=ps,气体被湿份蒸汽所饱和,不能再吸湿。,气体被湿份蒸汽所饱和,不能再吸湿。对于空气对于空气-水系统:水系统:6-36-36-36-36-46-46-46-46-56-56-56-5 值较好反映了湿空气的吸水能力。值较好反映了湿空气的吸水能力。3 3、湿比容、湿比容 H H 或干基湿比容或干基湿比容(mm3 3/kg/kg绝干气体绝干气体)1k
9、g 绝干空气的体积和其带有的绝干空气的体积和其带有的H kgkg水气水气水气水气的体积之和的体积之和.常压下(P=1013.25kN/m2):4 4、湿比热、湿比热c cH H (Humidheat)Humidheat)或干基湿比热或干基湿比热J/(kgJ/(kg绝干气体绝干气体)1kg绝干空及其带有的其带有的H kgkg水气水气水气水气温度升高1所需要的热量式中:cg 绝干气体的比热,J/(kg绝干气体);cv 湿份蒸汽的比热,J/(kg水汽)。对于空气-水系统:cg=1.005kJ/(kg),cv=1.884kJ/(kg)6-66-66-66-66-76-76-76-75 5、湿焓、湿焓、
10、湿焓、湿焓i iHH (Total enthalpy)Total enthalpy)或干基湿焓或干基湿焓或干基湿焓或干基湿焓(kJ/kgkJ/kg绝干气体绝干气体绝干气体绝干气体)1kg 绝干气体及其带有的绝干气体及其带有的H kgkg水气的水气的水气的水气的焓的总和。焓的总和。由由于于焓焓是是相相对对值值,计计算算焓焓值值时时必必须须规规定定基基准准状状态态和和基基准准温温度度,一般取一般取0下的绝干气体和液态水的焓为零,则下的绝干气体和液态水的焓为零,则对于空气对于空气-水系统:水系统:显热项汽化潜热项6-86-86-86-86-8a6-8a6-8a6-8a5-8b5-8b5-8b5-8b
11、6、干、干 球温度(球温度(temperature)和湿球温度和湿球温度tW(wet bulb temperature)用普通的温度计测得湿空气温度为其真实温度。为了与用普通的温度计测得湿空气温度为其真实温度。为了与下面讨论的湿球温度相区别,称为干球温度,用下面讨论的湿球温度相区别,称为干球温度,用t表示。表示。湿球温度湿球温度tW(wet bulb temperature)如图,用水保持润湿的纱布包在如图,用水保持润湿的纱布包在温度计的汞感温部分,纱布下端温度计的汞感温部分,纱布下端浸在水中以保持润湿状态,此种浸在水中以保持润湿状态,此种温度计称为湿球温度计。若将湿温度计称为湿球温度计。若将
12、湿球温度计置于一定温度和湿度的球温度计置于一定温度和湿度的湿空气流中,达到平衡或稳定时湿空气流中,达到平衡或稳定时的温度称为该空气的湿球温度。的温度称为该空气的湿球温度。通过测量湿球温度,可以求出湿空气的湿度通过测量湿球温度,可以求出湿空气的湿度H。空气温度ttW湿度H原理如下:原理如下:由由于于未未饱饱和和的的湿湿空空气气的的温温度度与与纱纱布布水水分分温温度度相相同同,但但湿湿度度不不相相同同,湿湿纱纱布布表表面面的的水水分分必必然然汽汽化化,并并向向空空气气主主体体中中扩扩散散。水水分分汽汽化化结结果果,使使湿湿纱纱布布水水分分温温度度下下降降,致致使使湿湿空空气气与与纱纱布布之之间间产
13、产生生温温度度差差,引引起起湿湿空空气气向向湿湿布布对对流流传传热热,但但湿湿纱纱布布水水分分的的温温度度还还会会下下降降以以弥弥补补水水分分汽汽化化所所需需的的热热量量。直直至至空空气气向向湿湿布布单单位位时时间间传传递递的的热热量量,正正好好等等于于单单位位时时间间自自纱纱布布表表面面汽汽化化水水分分所所需需的的热热量量时时,纱纱布布中中的的水水温温就就保保持持不不变变、达达到到平平衡衡,湿湿球球湿湿度度计计所所指指示示的的温温度度便便是是平平衡衡时时湿湿纱纱布布的的水水分分温温度度,也也就就是是湿空气的湿球湿度湿空气的湿球湿度tW。空气温度ttW湿度H湿球温度与干球温度湿球温度与干球温度
14、当湿空气的温度一定时,若湿度越高,测得的湿球温度也当湿空气的温度一定时,若湿度越高,测得的湿球温度也越高。若空气为水气所饱和,测得的湿球温度就是空气的越高。若空气为水气所饱和,测得的湿球温度就是空气的温度。湿球温度为湿空气的温度和湿度所决定,它是湿空温度。湿球温度为湿空气的温度和湿度所决定,它是湿空气的性质之一。气的性质之一。当湿球温度计的温度达到稳定时,当湿球温度计的温度达到稳定时,气膜层中的湿度为温度气膜层中的湿度为温度tW下的饱和湿度,气膜中水气向空下的饱和湿度,气膜中水气向空气的传递速率为气的传递速率为在定态状态下,传热速率与传质速率的关系为在定态状态下,传热速率与传质速率的关系为rt
15、W-湿球温度下水气的汽化潜热湿球温度下水气的汽化潜热联立上面三式得联立上面三式得5-95-95-95-9实验表明实验表明kH,与与 二者都与二者都与空气的速度的空气的速度的0.8方成正比。故二者方成正比。故二者比值与空气流速无关。对于空气比值与空气流速无关。对于空气水蒸气系统水蒸气系统 kH/1.09。此式表明,湿空气此式表明,湿空气t和和H高,高,tW也就高。也就高。t与与tW差越大,差越大,H越越低。当低。当tW=t,H=HS,tw=HS,因此可以通过测定湿度计的干、因此可以通过测定湿度计的干、湿球温度,查出湿球温度,查出 rtW,和和PS,算出算出HS,tw,然后用上述关系然后用上述关系
16、求出湿空气的湿度求出湿空气的湿度H。5-105-105-105-107、绝热饱和冷却温度、绝热饱和冷却温度tas绝热饱和冷却温度也是湿空气的一种性质。绝热饱和冷却绝热饱和冷却温度也是湿空气的一种性质。绝热饱和冷却温度可在绝热饱和冷却塔中测得。温度可在绝热饱和冷却塔中测得。这是一个等焓过程,在绝热饱和这是一个等焓过程,在绝热饱和冷却温度下对应的湿度称为绝热冷却温度下对应的湿度称为绝热饱和湿度。注意,绝热饱和温度饱和湿度。注意,绝热饱和温度和湿球温度是两个完全不同的概和湿球温度是两个完全不同的概念,但两者都是初始湿空气温度念,但两者都是初始湿空气温度和湿度的函数。和湿度的函数。对于水蒸汽对于水蒸汽
17、空气体系,空气体系,有有tas=tW 可以简化计算。可以简化计算。补充水补充水t,H,I空气空气空气空气tas,Has,I26-116-116-116-119、露点温度露点温度td将不饱和的将不饱和的 空气等湿(空气等湿(H)冷却到饱和状态时的温度称为冷却到饱和状态时的温度称为该空气的露点,以该空气的露点,以td表示。此时空气达到饱和状态。此时空表示。此时空气达到饱和状态。此时空气的湿度为饱和湿度气的湿度为饱和湿度HSHs,td由于温度为由于温度为t的不饱和空气是在等湿下冷却至温度等于的不饱和空气是在等湿下冷却至温度等于td的的饱和状态的饱和状态的,故温度为故温度为t的不饱和空气的湿度的不饱和
18、空气的湿度H=Hs,td6-126-126-126-12若测出露点温度若测出露点温度td,可以查出可以查出td下水的饱和蒸汽压下水的饱和蒸汽压Ps,td可求出总可求出总压为压为P时的湿度。反之时的湿度。反之,可求可求td。对于不饱和空气:对于不饱和空气:ttW(=tas)td饱和:饱和:t=tW=td二、湿空气的湿焓图二、湿空气的湿焓图 (H-IH-I图)图)由前面介绍可知,湿空气的状态可用温度由前面介绍可知,湿空气的状态可用温度t,湿度湿度H,相对相对湿度湿度,水汽分压,水汽分压p,露点露点td,湿球温度湿球温度tW等不同的参量描等不同的参量描述,它们是不是全是独立的呢?湿空气体系实际上是两
19、组述,它们是不是全是独立的呢?湿空气体系实际上是两组分一个相分一个相根据相律根据相律 f=x-+2f=2-1+2=3当总压固定时,当总压固定时,f=2,只用两个独立参量就可以描述湿空气只用两个独立参量就可以描述湿空气的状态。的状态。G(x)=(x1,x2)这两个参数应是不同类型的。这两个参数应是不同类型的。如果一个是湿度参数,另一个则必定是温度参数。如果一个是湿度参数,另一个则必定是温度参数。对有两个独立变量的体系,用公式计算湿空气的其它参数对有两个独立变量的体系,用公式计算湿空气的其它参数往往比较麻烦,有时还必须试差,为了计算方便,将湿空往往比较麻烦,有时还必须试差,为了计算方便,将湿空气的
20、各种参数之间的关系绘制成线图。气的各种参数之间的关系绘制成线图。有两种不同类型的线图,有两种不同类型的线图,H-I图和图和t-H图。我们主要介绍图。我们主要介绍H-I图(湿焓图)。图(湿焓图)。湿焓图湿焓图AEDFBCtwtd=1HpI湿焓图湿焓图1、等湿线:、等湿线:等等H线线为为一一系系列列平平行行于于纵纵轴轴的的直直线线。在在同同一一条条等等H线线上上,不不同同点点具具有有相相同同的的湿湿度度,但但是是湿湿空空气气的的状状态态并并不不相相同同。H的的读读数数范范围围为为0-0.2/绝绝干干空空气气。根根据据露露点点的的定定义义可可知知,凡凡湿湿度度相相同同的的湿湿空空气气,具具有有相相等
21、等的的露露点点td。因因此此在在同同一一条条H线线上湿空气的露点是不变的。上湿空气的露点是不变的。H-IH-I图由以下五种线群所组成图由以下五种线群所组成:等焓线为一系列平行横轴(斜轴)的直线。在同一条等等焓线为一系列平行横轴(斜轴)的直线。在同一条等I线上线上不同点所代表的空气状态不相同。但都具有相同的焓值,图中不同点所代表的空气状态不相同。但都具有相同的焓值,图中I的读数范围为的读数范围为 0-680kJ/绝干空气。绝干空气。绝热增湿过程是等焓过程,在同一条等绝热增湿过程是等焓过程,在同一条等I线上,湿空气的温度线上,湿空气的温度t随其湿度随其湿度H的增加而下降,但其焓却是不变的。的增加而
22、下降,但其焓却是不变的。2、等焓线(等、等焓线(等I线)线)3、等干球温度线、等干球温度线I=1.01t+(1.88t+2490)H上式表明湿空气温度一定时,其焓和湿度成直线关系,在上式表明湿空气温度一定时,其焓和湿度成直线关系,在H-I图中、等图中、等t线即表示在一系列的干球温度线即表示在一系列的干球温度t1、t2下湿空气下湿空气的的I和和H之间关系直线群之间关系直线群由于个直线的斜率为(由于个直线的斜率为(1.88t+2490),),因此因此t越高,等越高,等I线的线的斜率也越大,所以各等斜率也越大,所以各等t线不是相互平行。线不是相互平行。4、等等 线(相对湿度)线(相对湿度)由上式可知
23、,当湿空气的总压一定时,相对湿度由上式可知,当湿空气的总压一定时,相对湿度 =f(H,Ps),),由于由于Ps仅与空气的仅与空气的t有关,因而有关,因而 仅与仅与H及及t有关。对于某一固定有关。对于某一固定的的 值,若假设一个温度,便可由上式求出一个对应的值,若假设一个温度,便可由上式求出一个对应的H值,如值,如此,将若干个(此,将若干个(t,H)点连接起来,即为一条等点连接起来,即为一条等 线。线。湿焓图湿焓图图中有图中有 =5%100%的的11条等条等 线。线。=100%的等的等 线称为线称为饱和空气线。此时空气为水汽所饱和。饱和空气线。此时空气为水汽所饱和。显然,只有位于饱和空气线上方的
24、不饱和区域的空气才能作显然,只有位于饱和空气线上方的不饱和区域的空气才能作为干燥介质。为干燥介质。由图可见,当湿空气的由图可见,当湿空气的H一定时,一定时,t愈高,则愈高,则 值愈低,因此值愈低,因此吸水能力愈大。通常湿空气先经预热器提高温度后再送到干吸水能力愈大。通常湿空气先经预热器提高温度后再送到干燥器。这样使空气的焓值增大有利于载热。同时因相对湿度燥器。这样使空气的焓值增大有利于载热。同时因相对湿度降低而利于载湿。降低而利于载湿。5、蒸气分压线、蒸气分压线蒸气分压线标绘于饱和空气线的下方,表示空气的湿度蒸气分压线标绘于饱和空气线的下方,表示空气的湿度H和和空气中水分分压空气中水分分压p之
25、间的关系之间的关系6-136-136-136-13由此式可见,若湿空气的总由此式可见,若湿空气的总压一定,且压一定,且H0.622时,时,p与与H可视为直线关系。可视为直线关系。三、三、H-I图应用图应用1、某一状态点、某一状态点A各参数的求法。各参数的求法。A=100%tdtWtHp pp pa a例:已测出湿空气的温度例:已测出湿空气的温度t=100,tW=35。求该空气的求该空气的状态点。先从坐标查温度状态点。先从坐标查温度tW=35线与线与=100%相交点相交点a,可可确定其焓值确定其焓值I。由等由等I线查其干球温度线交点,就可得线查其干球温度线交点,就可得H值。值。2、已知湿空气的、
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