气力干燥的基本知识及计算 -8

恒速干燥阶段 此阶段的干燥速率如图8-8b中的BC段所示 。恒速阶段的出现是因为：物料中的非结合水的存在。此 时的气—固接触大量空气与少量水接触一样，经较短的接 触时间后，物料表面即达空气的湿球温度tw，且维持不变 。按传质速率式：
N A = k H (H w − H )
(8-15)
因此只要物料表面全部被非结合水所覆盖，干燥速率必为 定值。 由于试样刚移入干燥介质时的初温不会恰好等于空气 的湿球温度．干燥初期有一为时不长的预热阶段，如 图8-8a中AB线所示。
对空气—水系统有：
I = (1.01 + 1.88H) ⋅ t + 2500H
(8-6)
绝热饱和温度：不饱和气体在与外界绝热的条件下
和大量的液体接触，若时间足够长，使传热、传质趋 于平衡，则最终气体被液体蒸汽所饱和，气体与液体 温度相等。此过程称为绝热饱和过程，最终两相达到 的平衡温度称为绝热饱和温度。
④ 固体内部水分的扩散极慢。对非多孔性物 料，如肥皂、木材、皮革等．汽化表面只能 是物料的外表面，汽化面不可能内移。当表 面水分去除后，干燥速率取决于固体内部水 分的扩散。内扩散是个速率极慢的过程，且 扩散速率随含水量的减少而不断下降。此时 干燥速率将与气速无关，与表面气—固两相 的传质系数kH无关。 固体内水分扩散的理论推导表明．扩散速率与 物料厚度的平方成反比。因此，减薄物料厚度 将有效地提高干燥速率。
总物料衡算 V1 + V2 = V3 水分衡算 V1H1 + V2 H 2 = V3 H 3 焓衡算
V1I1 + V2 I 2 = V3 I 3
(8-11) (8-12) (8-13)
显然．混合气体的状态点C必在AB联线上，其位 置也可由杠杆规则定出，即
V1 BC = V2 AC
(8-14)
水分在气—固两相间的平衡
8-2 湿空气性质及湿度图
湿空气的性质
如湿度、温度、热焓、比热和比容等等，对于 干燥过程的物料衡算和热量衡算，以及干燥的 速率均有重要的意义。
湿度H
为湿空气中所含水蒸汽的质量与干空气质量之 比 = 0 .622 ⋅ P− p
换热器原理与设计—同济 . 热能
dX dτ
干燥曲线或干燥速率曲线是恒定的空气条件 (指一定的流速、温度、湿度)下获得的。对 指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率 曲线的位置也不同，如图8-9石棉纸干燥。 考察实验所得的干燥速率曲线可知，整个干 燥过程可分为恒速干燥与降速干燥两个阶 段，每个干燥阶段的传热、传质有各自的特 点。
图8-9
两股气流的混合 设有流量为V1 、V2(kg干气／s)的两股气 流相混，其中第一股气流的湿度为H1 ， 焓为I1 ，第二段气流的湿度为H2 ，焓为 I2，分别用图8-5中的A、B两点表示。此 两股气流混合后的空气状态不难由物料 衡算、热量衡算获得。设混合后空气的 焓为I3，湿度为H3，则
图8-5
图8-10
临界含水量 固体物料在恒速干燥终了时的 含水量称为临界含水量，而从中扣除平衡含 水量后则称为临界自由含水量Xc。临界含水 量不但与物料本身的结构、分散程度有关， 也受干燥介质条件(流速、温度、湿度)的影 响。物料分散越细，临界含水量越低。等速 阶段的干燥速率越大，临界含水量越高，即 降速阶段较早地开始。 必需注意．物料干燥至临界含水量时，物料 仍含少量非结合水。临界含水量只是等速阶 段和降速阶段的分界点.
ras V (I as − I ) = V (H as − H )c pLtas (H as − H ) tas = t − c pH (8-8)
(8-7)
绝热饱和过程终了时，气体的焓比原来增加了4.187tas (Has-H), 不过，此值和气体的焓相比很小，可忽略不 计，故绝热饱和过程又可当作等焓过程处理。
结合水与非结合水 水以化学力与固体相结合，如硫酸铜中的结晶水等； 或 当固体为可溶物时，水分以溶液的形态存在于固 体中，或 当固体物料多孔时，水分可存在于细孔中 并受到孔壁毛细管力的作用；或 当固体表面具有吸 附性时，水分则因受到吸附力而结合于固体的内、外 表面上。 以上这些借化学力或物理化学力与固体相结合的水 统称为结合水。 当物料中含水较多时，除一部分水与固体结合外， 其余的水只是机械地附着于固体表面或颗粒堆积层中 的大空隙中(不存在毛细管力)．这些水称为非结合 水。
结合水与非结合水的基本区别是其表现的 平衡蒸汽压不同。非结合水的性质与纯水 相同，其表现的平衡蒸汽压即为同温度下 纯水的饱和蒸汽压。结合水则因化学和物 理化学力的存在，所表现的蒸汽压低于同 温度下的纯水的饱和蒸汽压。 平衡蒸汽压曲线 一定温度下湿物料的平 衡蒸汽压pe与含水量的关系大致如图8-6a 所示(物料的含水量以绝对干物料为基淮， 即每kg绝对干物料所带有的水量Xt表示).
湿空气性质(续)
相对湿度 p 当总压一定时，湿空气 ϕ = ( ps ≥ P ) 中水蒸汽分压p与同 P 温度下水的饱和蒸汽 p R = 压Ps之比的百分数 ϕ = ( ps ≤ p)
š
湿球温度：
tw = t − kH
ps
H H
s
α
rw (H w − H )
Q = αA( t − t w ) W = k H (H w − H)A, kg / s
(8-1)
H kg水汽的体积为：
22.4 t + 273 H × = 4.56 × 10− 3 H (t + 273) M水 273
(8-2)
ν H = (2.83×10 + 4.56×10 H )⋅ (t + 273)
−3 −3
常压下温度为t℃、湿度为H的湿空气比体积为：
(8-3)
湿比热：将1kg干空气和其所带的Hkg水蒸汽
当需知气体的体积流量(如选择风机、计算流速) 时，常使用气体的比体积。湿空气的比体积νH 是指1kg干气及其所带的Hkg水汽所占的总体积， m3/kg。通常条件下．气体比体积可按理想气体定 律计算。在常压下1kg干空气的体积为：
22.4 t + 273 × = 2.83 × 10− 3 (t + 273) M 水汽 273
湿球温度的测量：
干球温度
空气 t, H
湿纱布 水
水蒸气分压p和露点td 空气在湿度H不变、亦即蒸汽压p不变的情况下，冷却 达到饱和状态的温度称为露点，此时：
ϕ =1
汽的体积之和
HP pd = 0.622 + H
湿比容：单位质量干空气和其所带的H kg水蒸 由露点td和总压P可求得含湿量H.
湿空气的比体积
第8章 干燥
8-1 干燥方式
按操作压力的不同、可分为常压干燥和真空干 燥； 按操作方式可分为连续式的或间歇式的； 按传热方式，可分为传导干燥、对流干燥、辐射 干燥和介电加热干燥
换热器原理与设计—同济 . 热能
对流干燥
化工生产中最广泛使用的是对流干燥。它是利 用热气体与湿物料作相对运动，气体将热量传 递给湿物料，使湿物料的湿分汽化并扩散到气 体中，并被带走。因此，对流干燥操作实质上 是动量传递、热量传递及质量传递同时进行的 传递过程。 热气体称为干燥介质，它是载热体、又是载湿 体。常用的干燥介质是热空气，有时也采用高温 烟道气、过热蒸汽或其它惰性气体。 本章讨论的主要是以热空气为干燥介质，以水分 为被除去的湿分的对流干燥过程。
8-4 降速干燥阶段
降速的原因大致有如下四个：
① 实际汽化表面减小。局部表面的非结合水已先除 去而成为“干区”。此时尽管物料表面的平衡蒸汽压末 变，式(8-15)中的推动力(Hw-H)未变，kH也未变，但 实际汽化面积减小，以物料全部外表面计算的干燥速 率将下降。见图8-10a ② 汽化面的内移。当多孔物料全部表面都成为干区 后，水分的汽化面逐渐向物料内部移动。此时固体内 部的热、质传递途径加长．造成干燥速率下降.此为 干燥曲线中的DE段，也称为第二降速阶段。见图8-10b ③平衡蒸汽压下降。当物料中非结合水已被除尽，所 汽化的已是各种形式的结合水时，平衡蒸汽压将逐渐 下降，使传质推动力减小，干燥速率也随之降低。
湿度图
主要有以下曲线簇和曲线： 1.等温度线(等t线)；为一系列平行于纵轴的直线； 2.等湿度线(等H线)；为一系列平行于横轴的直线； 3.等相对湿度线(等φ线);湿度和相对湿度的关系：
ϕp s H = 0 . 622 ⋅ P − ϕp s
(8-9)
图8-1
焓湿图
图8-2
8-3 湿空气状态的变化过程 加热与冷却过程 若不计换热器的流动阻力，湿空气的 加热或冷却属等压过程。湿空气被加热时的状态变化可 用I-H图上的线段AB表示(参见图8-3a)。由于总压与水汽 分压没有变化，空气的湿度不变，AB为一垂直线。温度 升高，空气的相对湿度减小，接纳水汽的能力增大。
图8-6
只要有非结合水存在，其平衡蒸汽压不会变化，总是纯水 的饱和蒸汽压。当含水量减少时，非结合水不复存在时， 平衡蒸汽压逐渐下降。显然，测定平衡蒸汽压曲线就可得 知固体中有多少水分属结合水，多少属非结合水。
图8-7
平衡水分与自由水分
若水分都属非结合水，则只要空气未达饱和，且有足够 的接触时间，原则上所有的水都将被空气带走，就象雨 后马路上的水被风吹干那样。 但是，当有结合水存在时，若以相对湿度φ的空气掠过 同温度的湿固体，长时间后，固体物料的含水量将由原 来的含水量Xt(图8-6b中的A点)降为X*，但不可能绝对干 燥。X*是物料在指定空气条件下的被干燥的极限，称为 该空气状态下的平衡含水量。此种情况下被去除的水分 (相当于Xt一X*)包括两部分，一部分是非结合水(相当于 Xt一Xmax)，另一部分是结合水(相当于Xmax—X*)。所有 能被指定状态的空气带走的水分称自由水分，相应地称 (Xt—X*)为自由含水量，即自由含水量。
自由含水量
X = X1 − X