第九章 干 燥
知识目标：
通过本章学习，掌握湿空气各性质参数的定义及其计算，H–I图的结构及应用，干燥系统水分蒸发量、空气消耗量、蒸汽消耗量、干燥产量以及干燥时间等的计算。理解湿物料中水分的性质，干燥过程的机理及速率特征，了解各种干燥器的结构特点及应用场合及干燥器的选型。 能力目标：
能熟练应用湿焓图来确定湿空气的状态及性质参数，会利用干燥过程的物料衡算和热量衡算，平衡关系和速率关系，进行干燥器最基本的计算，确定干燥过程物流间的关系，干燥时间的计算及干燥设备的选型。
除去湿物料中湿分（大多为水份）的操作，工业上称为去湿。常用的去湿方法有（1）机械去湿法，如沉降、过滤、离心分离等，其适用处理湿含量较高的液固体系，操作方便，能耗较少，但除湿不彻底。（2）吸附去湿法，利用干燥剂（如无水氯化钙，硅胶等）来吸收湿物料中的水分，该法只能用于小批量物料的去湿，一般适合于实验室操作。（3）加热去湿法，通过对湿物料进行加热，使其中的湿分汽化，并及时排出生成的蒸汽，以获得符合产品要求的固体物料，这种去湿方法称为干燥。该法除湿彻底，但能耗较高，在工业上的去湿过程中，一般先用比较经济的机械方法除去湿物料的大部分湿分，然后再利用干燥方法除去物料中剩余的湿分，，以获得湿分符合要求的产品。干燥操作在化工、石油化工、医药、食品等行业中有广泛的应用，其目的主要是为了便于物料的贮存和运输，或满足工艺对物料含水量的要求。
干燥操作可有不同的分类方法， 按操作压力不同，干燥可分为常压干燥和真空干燥。真空赶在温度较低，适应于热敏性、易氧化或要求含水量很低物料的干燥。
按操作方式划分，干燥又可分为连续干燥和间歇干燥。连续干燥具有生产能力大、产品质量均匀、自动化程度高、劳动强度小等优点。间歇干燥的优点是设备投资低、操作控制方便，适应于处批量小、品种多或要求干燥时间较长的物料。
按照传热的方式可分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥以及上述两种或两种以上方式组合而成的联合干燥。
工业上应用最多的是连续操作的对流干燥过程，干燥介质可以是不饱和的热空气、惰性气体及烟道气，其除去的湿分大都是水分。所以本章主要讨论以不饱和热空气为干燥介质，湿分为水的干燥过程。
在对流干燥过程中，热的空气与物料直接接触，二者产生相对运动，热空气将热量传给物料，物料表面的水分受热汽化并被空气带走，物料内部的水分向表面扩散。干燥介质既是载热体又是载湿体，物料在获得热量的同时，水分汽化由液相进入气相，所以干燥过程是传热、传质同时进行的过程。传热的方向是由气相到液相，传热的推动力为热空气与湿物料之间的温度差，传质的方向是由液相到气相，传质的推动力是物料表面水蒸气的分压与热空气中的水蒸气分压的差值，干燥速率由传热速率和传质速率共同控制。干燥进行中的必要条件是物料表面的水蒸气分压必须大于干燥介质中水蒸气分压，两者差别越大，干燥进行得越快， 当两者分压相等时，干燥过程将无法进行，干燥达到了平衡，此时物料中的水分将不能被除去。所以，干燥介质应及时将汽化的水汽带走，以维持一定的传质推动力。
第一节 湿空气的性质及湿度图
在对流干燥过程中，不饱和湿空气既是载热体又是载湿体，因而可通过空气的状态变化来理解干燥过程的传热、传质特性，为此，应先了解湿空气的性质。 湿空气是由干空气和水蒸气组成的，干燥过程中湿空气中的水分含量是不断变化的，但绝干空气的量不变，故以1kg绝干空气作为基准来研究湿空气的性质。
一、湿空气的性质 （一） 湿度H
湿度又称湿含量，为湿空气中水汽的质量与绝干空气的质量比，以H表示，即： H?nM湿空气中水汽的质量?vv (9—1)
湿空气中绝干空气的质量nvMv式中 H—湿空气的湿度，kg水汽/kg绝干空气，一般用kg/kg绝干空气表示； Mv，Mg—分别为水蒸气和绝干空气的摩尔质量，kg/kmol； nv，ng—分别为水蒸气和绝干空气的摩尔数，kmol。 湿度也可以理解成1kg的干空气对应的湿空气中水蒸气的质量。常压下湿空气可视为理想气体，由道尔顿分压定律可知，混合气体中各组分的摩尔比等于分压比，则式（5—1）可变为：
pA18pA （9—2） =0.62229P-pAP-pA式中 pA—水汽的分压，Pa或kPa; P—总压，Pa或kPa。
H=由此看出，当总压一定时，湿空气的湿度是水汽分压的函数，当湿空气中的水汽分压等于该空气温度下纯水的饱和蒸汽压时，空气达到饱和，相应的湿度称为饱和湿度，以
Hs表示， Hs=0.622ps （9—3） P-ps式中 ps—空气温度下纯水的饱和蒸汽压，Pa或kPa。
（二）相对湿度φ 在一定总压下，湿空气中水汽分压pA与同温度水的饱和蒸汽压ps的百分比称为相对湿度百分数，简称为相对湿度，以φ表示 φ=pA100% （9—4） ps 湿度是湿空气含水量的绝对值，由湿度不能判别湿空气能否作为干燥介质。相对湿度代表空气的饱和程度，由其可判断湿空气能否作为干燥介质；而当pA=ps时，φ=1，表示湿空气被水汽所饱和，称为饱和空气，饱和空气不能再吸收水分，因此不能作为干燥介质。当pA=0时，φ=0，表示湿空气中不含水分，为绝干空气，这时的空气具有最大的吸湿能力。所以相对湿度值越小，表明该湿空气的不饱和程度越大，其干燥能力越强。 将式（9—4）代入式（9—2）可得H 与φ的关系式为： H=0.622?psP-?ps （9—5）
思考题9-1若已知空气的湿度H值，怎样计算1kg湿空气中绝干空气的质量？ （三）比容vH
含1kg绝干空气的湿空气之体积称为湿空气的比容，又称为湿容积，以vH表示，若湿空气视为理想气体，则有：
vH?1kg绝干空气的体积?Hkg水汽的体积；
22.4t?273101.33?? 29273PH?22.4t?273101.33?? H kg水汽的体积为v汽? 18273P273?t1.013?105?1H????22.4??则 vH??
273P?2918?其中，1kg绝干空气的体积为v空?273?t1.013?105?或 vH??0.772?1.244H?? （9—6） 273P式中 t—湿空气温度,℃;
vH—湿空气的比容，m3湿空气/kg绝干空气。
一定总压下，湿容积是温度和湿度的函数。
（四）比热容CH
常压下，含1kg绝干空气的湿空气的温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量称为比热容，又称湿热。因1kg绝干空气中的湿空气中含有Hkg的水蒸气,所以
CH?Cg?CvH （9—7） 式中 CH—湿空气的比热，kJ/（kg绝干空气?℃）； Cg—绝干空气的比热容，kJ/（kg绝干空气?℃）； Cv—水汽的比热容，kJ/（kg水汽℃）。 在常用的温度范围内，Cg，Cv可按常数处理，Cg =1.01 kJ/（kg绝干空气?℃），Cv=1.88 kJ/（kg水汽?℃）。将其代入式（9—7），得:
CH?1.01?1.88H (9—7a)
显然，比热容仅是湿度的函数。 （五）焓IH
当湿空气的温度为t，湿度为H时，以1kg绝干空气为基准的绝干空气和相应水汽的焓之和为湿空气的焓值，以IH表示。即：
IH?Ig?HIv （9—8） 式中 IH—湿空气的焓，kJ/kg绝干气； Ig—绝干空气的焓，kJ/kg绝干气； Iv—水汽的焓，kJ/kg水汽。 焓是相对值，计算时必须规定基准温度和基准状态，一般规定0 ℃的绝干空气及0 ℃的液态水的焓值均为0，对于温度为t，湿度为H的湿空气，其焓值包括由0 ℃的水变为0 ℃的水蒸气所需的热及湿空气由升0℃温至t ℃所需的湿热之和，即： IH?CHt?Hr0?（1.01?1.88H）t+2490H （9—8a） 式中 r0—0 ℃时水的汽化热，其值为2490kJ/kg。 可看出，湿空气的焓是温度和湿度的函数。
例9-1 某常压空气的温度为30℃、湿度为0.0256kg/kg绝干气，试求： （1）湿空气的相对湿度、水汽分压、比容、比热容及焓； （2）湿空气的密度ρ
（2）若将上述空气在常压下加热到50℃，再求上述各性质参数。 解：（1）30℃时的性质 相对湿度
由附录查得30℃时水的饱和蒸汽压ps＝4.2464kPa。用式9-5求相对湿度，即
H?0.622?ps
P??ps将数据带入
0.0256?0.622?40246?
101.3?40264?解得 ??94.3% 水汽分压
p??ps?0.943?4.2464?4.00kPa
比容
由式9-6求比容，即
vH?(0.772?1.244H)t?273101.3? 273P?(0.772?1.244?0.0256)比热容
由式9-7a求比热容，即
30?273=0.8926 m3湿空气/kg绝干气 273cH?1.01?1.88H?1.01?1.88?0.0256?1.058kJ/(kg绝干气·℃)
焓用式9-8ｂ求湿空气的焓，即
I?(1.01?1.88H)t?2490H
I?(1.01?1.88?0.0256)?30?2490?0.0256?95.49 kJ/kg绝干气
（2）根据密度的定义，有
???湿空气的质量绝干空气的质量+水汽的质量?
湿空气的体积湿空气的体积1?水汽的质量绝干空气的质量1?H1?0.0256???1.149kg/m2
湿空气的体积绝干空气的质量vH0.8926(3) 50℃时的性质参数 相对湿度
查出50℃时水蒸汽的饱和蒸汽压为12.340kPa。当空气被加热时，湿度并没有变化，若总压恒定，则水汽的分压也将不变，故
??p1.004?100%??100%?32.44% ps12.34水汽分压
因空气湿度没变，故水汽分压仍为4.004kPa。 比容
50℃时的比容为
vH?(0.772?1.244H)3
t?27350?273?(0.772?1.244?0.0256) 273273=0.955m湿空气/kg绝干气 比热容
由式9-7知湿空气的比热容只是湿度的函数，因此，湿空气被加热后，其比热容不变，为1.058kJ／(kg绝干气·℃)。
焓 I?(1.01?1.88?0.0256)?50?2490?0.0256?116.7kJ/kg绝干气
由上计算可看出，湿空气被加热后虽然湿度没有变化，但相对湿度降低了，所以在干燥操作中，总是先将空气加热后再送入干燥器内，目的是降低相对湿度以提高吸湿能力。
（六）温度
１．干球温度 用普通温度计直接测得的湿空气的温度，称为湿空气的干球温度，简称温度，以t表示。它是湿空气的真实温度。
2．湿球温度 用湿纱布包裹温度计的感温部分，纱布下端浸在水中，以保证纱布一直处于充分润湿状态，这种温度计称为湿球温度计，如图9—1所示。
将湿球温度计置于温度为t、湿度为H的大量流动着的不饱和空气中，湿纱布中的水份必然要汽化，并向空气主流中扩散，湿纱布中水份汽化所需要吸收的热量主要是空气与水份之间存在着温度差，空气以对流传热的方式向湿纱布传递热量，当空气传递的热量不能满足湿纱布中水分汽化需要的热量时，湿纱布自身温度降低放出显热，为其水份汽化提供热量，
随着水份蒸汽时间的延长，空气与湿纱布间的温度差增加，空气对湿纱布的对流传热速率提高，当空气传给水分的显热恰好等于水份汽化所需的潜热时，空气与湿纱布间的热质传递达到平衡，湿球温度计上的温度维持恒定。此时湿球温度计所测得的温度称为湿空气的湿球温度，以tw表示。湿球温度计指示的平衡温度tw，实质上是湿纱布中水分的温度，但是由于这个温度是由空气的温度和湿度决定，故称为湿空气的湿球温度。
根据传热和传质的基本理论，热质传递达到平衡时，理论上可推导湿求温度tw的计算公
式为:
tw
空气
tW?t?kHrtW??Hs,tw?H? （9
—9）
湿度H 式中
tw —空气的湿球温度，即湿纱布表温度t
面的温度，℃；
t—空气的温度，℃；
kH—以湿度差为推动力的传质系数，kg/m2﹒s；
图9—1湿球温度的测量 ?—空气与湿纱布间的对流传热系
数，w/m2﹒℃；
rtw—湿球温度tw下水汽的汽化热，kJ/kg；
Hs,tw—湿球温度tw下空气的饱和湿度，kg/kg绝干气； H—是空气的湿度，kg/kg绝干气。
实验表明，一般情况下上式中的kH和?都与空气速度的0.8次方成正比，故可认为其比值与气流速度无关，对于空气～水蒸气系统，α/kH=1.０９。
湿球温度tw不是湿空气的真实温度，它是湿空气温度t和湿度H的函数。当湿空气的温度一定时，不饱和湿空气的湿球温度总低于干球温度，空气的湿度越高，湿球温度越接近于干球温度，当空气为水汽所饱和时，湿球温度就等于干球温度。在一定总压下，只要测出湿空气的干、湿球温度，就可用式（9—9）算出空气的湿度。
应指出，在测湿球温度时，空气的流速应大于5m/s,以减少辐射与导热的影响。 3． 绝热饱和冷却温度tas
如图9—2所示为一绝热饱和冷却塔，塔与外界绝热。一定量不饱和空气与大量水在绝压饱和冷却塔中充分接触，水分会不断汽化
空气tas，Has
进入空气中，绝热情况下的热量只能在汽液
两相间传递，可以认为大量的循环水水温不 变，汽化所需的热量只能由空气自身温度下
降放出显热供给，空气失去显热，被水吸收空气t，H
后，产生的水蒸气又将这部分热量以汽化潜
热的形式带回至空气中，故空气的焓值可视为不变。随着过程的进行，空气的温度沿塔
补充水，tas
高逐渐下降，湿度逐渐升高。若两相有足够长的接触时间，最终空气为水汽所饱和，空气在塔内的状态变化是等焓降温、增湿直到图9—2绝热饱和冷却塔示意图
饱和的过程，达到稳定状态下的温度就是湿
1，塔身；2，填料；3，循环泵
空气的绝热饱和冷却温度，与之相应的湿度
称为绝热饱和湿度，以Has表示。
对图9—2的塔作热量衡算，即可求出绝热饱和温度与湿空气其它性质间的关系，即： tas?t?ras（9—10） ?Has?H?
cH 式中 tas—绝热饱和冷却温度，℃；