第13章20202020热质同时传递的过程

1、第13章热、质同时传递的过程13.1 概述如干燥、吸附、热气直接水冷化工生产过程中，许多过程热质传递同时进行。和热水的直接空气冷却。在这些过程中热质传递相互影响。例1热气的直接水冷D度 温质 传下部汽 水P0XI塔 降降体 液 给 热 传 体 气升 急 剧 急 化 变 0 團 缓 化 变上部4汽 水P0塔降降降下汽水P降S体 液 给 热 传 体 气占小 特 总气相中的水 气儿It 气分压P水气水汽分爪例2热水的直接空气冷却度 温质 传塔立口 下V汽 水P0升 上SP降 汽 水P体 液 给 热 传 体 气塔立口 上V汽 水P0升 上 t升上0凝 冷占小 特 总之 反 立口 、卜13.2气液直接接

2、触时的传质和传热1过程的分析过程方向的判据从上一节例子讨论可看到：温差决定传热方向，即热量总从高温传向低温； 压差决定传质 即物质总从高分压相传向低分压相，且气体中的水气分压最大值为同温下水的饱和蒸汽压 Ps。当p水汽=ps时,传质达到极限，此时的空气称为饱和湿空气 传递方向逆转的原因在上节图中可看到,当t= B时；即传热达到瞬时平衡时，未饱和气体中P水汽 0，传热由气相到液相，传递方向 就发生逆转。同理，P水汽=Ps即传质瞬时达到平衡时,不饱和气体t 0 ,传热由气相到液相, 0上升,P s也增大，p水汽ps,这时传质由液相到气相， 即汽化,也发生传递方向逆转由此可见, 一过程的继续进行必打

3、破另一过程的瞬时平衡，从而使传递方向逆转。2过程的速率传热速率假设：气液相界面温度0 i高于气相温度t 由于水气直接接触时液相侧给热系数a远大于气相，所以气液相界面温度与液相主体温度相等，即0 = 0 i。传热速率:q= a ( 0 -t) kw/m 13-1传质速率以水汽分压差为推动力表示当液相平衡分压Ps高于气相中水汽分压P水汽时，传质速率：NA=kg (ps-p 水汽)kmol/(s m) 13-22kg气相传质系数 kmol/(m s kPa)以气体湿度差为推动力表示a：湿度H的定义：单位质量干气中带有的水汽量kg水汽/kg干气b：H与p水汽的关系为：H=13-3p为气相总压kPaM水

4、，M气为水与气体的摩尔质量卩水汽对水与空气系统H=0.62213-4饱和湿度Hs=0.622P_Ps13-5c：传质速率：NA=kH(Hs-H) 13-6kH以湿度表示的气相传质系数kg/(s 吊)3 、过程的极限热质同时传递时，过程的极限与单一传递过程不同，可区分为两种情况 : 大量气体与少量液体接触过程的极限液相状态固定不变， 气相状态变化。 液体从无限高塔顶进入， 气体与液体逆流充分接 触，且液气比很大，气相将在塔顶同时达到热平衡和相平衡。即t= 0 , p水汽=ps大量气体与少量液体接触过程的极限气相状态固定不变， 液相状态变化。 气体从无限高塔底进入， 状态保持不变，气体与液 体逆流

5、充分接触，且液气比很小。此时，气液不可能在塔底同时达到传热与传质平衡。原因：达到热平衡时，即t= 0,若进口气相不饱和，即p 水汽 0 ,传热必将继续进行，从而也破坏了相平衡。注意： 上述过程虽然不能同时达到热质传递平衡,但过程仍有极限 ( 下面将讨论 ).4、 极限温度 湿球温度 实验现象 用湿纱布包扎温度计水银球感温部分,纱布下端浸于水中,以维持纱布处于湿润状态。 此时的温度计称为湿球温度计,所指示的温度为湿纱布中水的温度。将它置于温度为t，湿度为H的流动不饱和空气中，假设纱布中水温与气温相同因不饱和气体与水分存在湿度差 HH,水必汽化，水温将下降，即 ttas 。1 、热质同时传递时过程

6、的数学描述 全塔物料衡算 气相经凉水塔后水分增量应等于水蒸发量即 :V(H 2-H1) = L 2-L1 (13-11) 全塔热量衡算V(I2-I1)=L2cpL 0 2-L1cpL 0 1V(I 2-I 1)=L2cpL0 2-L 1cpL0 1(13-12)一般凉水塔水分蒸发量不大，LL2,故：V(I2-I 1) = L 2cpL(0 2-0 1) (13-13)式中cpL液体比热容 kJ/(kg C )物料衡算微分方程式 因设备传热和传质推动力各处不同，故要对微元塔作数学描述，以计算过程速率。VdH=dL=N Aadz (i3-i4) 将( 式-6) 代入得：VdH=kHa(Hs-H)d

7、z (i3-i5)式中 V 气相流率,kg干气/(s m2)L 液相流率， kg/(s m2);a 有效相际接触面积 ;dz 微元塔段 ;H s 饱和湿度 ;k H 气相传质系数 kg/(s m2)气体沥i| o温度七1湿度H】凉水塔高的全塔衡算微元塔高的数学描述热量衡算方程式 湿空气热焓：1kg干气及所带Hkg水汽焓之和。以0 C气体和0C水为基准。 温度为t,湿度为H气体焓为I=c pgt+c pvHt+r oH (13-16)式中cpg 干气比热容，空气为1.01kJ/(kg C );c pv 水汽比热容，1.88kJ/(kg C );r o 0C水的汽化热，2500kJ/kg;I 湿空

8、气热焓， kJ/kg; 对空气 - 水系统 I=(1.01+1.88H)t+2500H; (13-17) 令空气湿比热容 cpH=cpvH+cpg则 : (13-18)I=c pHt+r 0H (13-19) 热量衡算微分式Vdl=c pL(Ld 0 + 0 dL)=CpLLd 0 +CpL 0 dL (13-20)对凉水塔，由于水分汽化量不大，汽化的水所带显热 cpL 0 dL远小于水温下降所引起水的热焓变化 cpLLd0 , 故Vdl=c pLLd0(13-21) 传热速率方面的热量衡算 气液相在微元塔段所传递的热量为 qadz, 此热量可使气体温度升高 dtVc pHdt=qadz (1

9、3-22)将( 式-1) 代入得：Vc pHdt= a a( 0 -t)dz (13-23)2 、设计型命题及计算方法 设计型命题设计任务：将一定流量热水从入口温度 0 2 降至指定温度 0 1 ；设计条件：进口气体的温度 t 与湿度 H；计算目的：选择适当的空气流量，kg干气/s,确定经济上合理的塔高及尺寸；计算方法逐段计算法将塔自上至下分若干段，每段高度乙热量衡算式 V(l n-l n-1)=LcpL(0 n-0 n-1) (13-24)传热速率式 Vc pH(t n-t n-i )= a a( 0 -t) z (13-25)传质速率式 V(H n-Hn-i)=kHa(Hs-H) z (1

10、3-26)热焓的计算式 l n=cpHtn+Hnr0 (13-27)对凉水塔设计型计算问题 : 当塔径确定后，气液两相塔底参数均已知，逐段计算从塔顶开始。这样，每段下截面参数皆已知，传热推动力 (0 -t) 、传质推动力 (Hs-H) 近似取下截面值。故上述方程改写为：i9pL(13-28)aa(13-29)比二H(13-30)I n = (C pg+CpvHi)t n+oHi(13-31)以焓差为推动力的近似算法 a:焓差法计算塔高的条件L近似取为常数。I :为方便热量衡算，水量a-a=常数，如空气-水系统。3z，对(式-19)式，可认为空气的湿比热容CPH近似为常数，对此式b:塔高计算法

11、为计算凉水塔塔高 微分得：VdI=VCpHdt+Vr odH 将(式-15)和(式-23)代入得：VdI= a a( 0 -t)dz+r okHa(Hs-H)dz(13-32)aa上式两边除kHa得:V(I s-|)dz,则 dI = c(0-t)dz+ (比-H)dz kHa根据焓的定义，上式右端可写为 y 贞dz x(13-33)咖一 I积分得:di(13-34)下饱和湿空气的焓。(13-35)V式中Is-水温 上式也可写成Z=HOgX Nog式中OGdi擁二(41 一 G 一 (厶2 一 丿2)(13-39)Ngc:全塔热量衡算为计算No,必需找出气相焓Is与水温B之间的关系。故对全塔进行热量衡算得: V(I 2-I i)=LCpl( 0 2- 0 1)(13-36)对塔内任一截面与塔底作热量衡算得：T(13-37)! = h +产玩(&-即此式表明塔中任一截面上