干燥概述-干燥介质的性质.课件.ppt
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1、2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1 1/35/35质量传递篇质量传递篇固体干燥固体干燥第五十六讲第五十六讲 概述概述 干燥介质的性质干燥介质的性质一、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
2、 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2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质2 2/35/35一、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2022-4-302022-
3、4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质3 3/35/35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。2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质4 4/35/35(1)塔下部。气温高于液温,气体传热给液体。同
4、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。2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质8 8/35/35(二)除湿:(二)除湿
5、: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. 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. 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. 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
6、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. 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。2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质9 9/35/35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
7、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. 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
8、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. 3. 辐射干燥辐射干燥2. 2. 对流干燥对流干燥2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1010/35/35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
9、,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空气引风机鼓风机2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1
10、111/35/35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
11、-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;qAN湿分迁移空气流对流干燥过程图2562022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1212/35/35(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
12、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
13、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:湿度、焓湿度、焓、湿比容、温度、湿比容、温度。下面分别讨论这些状态参数。2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1313/35/35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 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: aawwkgkgMnMnH 湿空气中干空气质量湿空气中水气质量awnn 、
14、awMM 、wtwawpppnn wtw622. 0pppH )(wpfH %100sw pp (56-1)1. 1. 湿度湿度(1 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)2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1414/35/35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
15、湿空气的饱和湿度: (56-5)2. 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%100 swpp),(wtpf swpp )(622. 0tststfHpppHp,一定时 % %100)(622. 0ststfHpppHtp 一定时waHitcI ac01. 1a cwi0wwrtci wc88. 1w c0r24920 r 2022-4-3
16、02022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1515/35/35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. 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 HtHI2492)88. 101. 1( Hwa)88. 101. 1(cHccH ),( HtfI H 273273773. 0273273294 .22att 2732
17、73244. 1273273184 .22wtHtH 273273)244. 1773. 0(waHtH ),(HtHf waH 2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1616/35/354.4.温度温度(1 1)干球温度)干球温度t t在湿空气中,用普通温度计测得的真实温度。(2 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
18、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 3)绝热饱和冷却温度)绝热饱和冷却温度 t tasas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。 %100 HHpppppH 622. 0622. 0tddtd或)(dHft 2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1717/35/35如果进入系统的空气与水滴
19、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:asHast21II asasasH)()(rHHttc asasHasas88. 101. 1rHrcttHH ),()(asHasasHtfHHcrtt 绝热饱和方程0asasH0asasHS0H0asasHS20H1rHtcrHtcHrtcrHtcIHrtcI ,0asasH0as)(rrHHcrtt 绝热饱和方程饱和空气asa
20、sas,ctH空气H111,ctH补充水H,ctHastast空气的绝热增湿图356 ast因此可认为 ,于是有:相比很小,而与、由于1asHHasHSH88. 101. 188. 101. 1HcHc ,HSHcc 另一方面,另一方面,2022-4-302022-4-30干燥概述及干燥介质的性质干燥概述及干燥介质的性质1818/35/35(4 4)湿球温度)湿球温度 t tww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
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