膜技术、干燥课堂练习.ppt

膜技术 课堂练习 例1 用反渗透的方法处理溶质浓度为3 质量 的蔗糖溶液 渗透液含溶质为150mg L 计算截留率 和选择性因子 并说明这中情况下哪一个参数更合适 解 设A为糖 B为水 已知渗透液中溶质的浓度 原料液中溶质的浓度 则有 或 选择因子计算 或 因为反渗透过程中溶剂分子可自由通过膜 所以对于含有一种溶剂和一种溶质的液相混合物 用溶质截留率表示选择性更方便 例2 分别计算25 下 下列水溶液的渗透压 1 3 质量 NaCl MNaCl 58 45g mol 2 3 质量 白蛋白 M白蛋白 65000g mol 3 固体含量为30g L的悬浮液 其颗粒质量为1ng 10 9g 1 根据题意 NaCl的质量百分数 质量比 为3 则体积摩尔浓度为 解 设上述溶液分别为理想溶液 则可使用Van tHoff公式计算渗透压 NaCl溶液 2 白蛋白溶液 3 固体含量为30g L的悬浮液 例3 在不同温度和0 5 7Pa的压力范围内测定甲烷在某膜内渗透系数 结果表明渗透系数与压力无关 不同温度下的p值如下 T 10203040p Pa0 180 350 631 01问 该材料是玻璃态还是橡胶态 计算活化能 解 一般甲烷 氢 氦 氮等气体的临界温度低 常称这样的气体为 惰性 气体 无论是玻璃态还是橡胶态 这些气体的渗透系数通常与操作压力无关 因此无法判断这些材料是玻璃态还是橡胶态 气体通过聚合物的扩散为一活性扩散 可由Arrhenius方程描述 根据碰撞理论 气体压力越大 有效 碰撞次数 通过率 也越大 有 因此 以作图可得一直线 直线的斜率为 作图可得 斜率所以 例4 某RO中空纤维膜的水渗透系数为m3 m2 s Pa 外直径为0 1mm 制造商提出以海水为原料 3 质量 NaCl 同例2 已知在6MPa和298K下 膜元件的通量为 问 长度为1m的膜元件中应有多少根纤维 每根纤维每天通量为多少 解 设膜元件的面积为A 若能求出膜面积 即可求出纤维数 根据题意 膜面积也可用下式计算 而 根据例2 已知渗透压 所以 式中 n为纤维数 d为纤维直径 L为膜元件长度 所以纤维数为 每根纤维的量为 根据题意纤维的长度为1m 干燥 课堂练习 例 已知湿空气的总压P为101 3kPa 相对湿度 50 干球温度t 20 试用H I图求解 水蒸气分压 湿度 焓 露点 湿球温度 如将含500kg h的干空气预热至117 求所需热量Q 每小时送入预热器的湿空气体积 水蒸气分压线 I p CH 0 0075 E p值 H 100 F D B t0 20 td 10 I1 138 t1 117 50 G A I0 39 tw 14 1 2 解 热量Q 因为湿空气通过预热器内加热时 温度上升但湿度不变 所以可由A点向上沿等H线与t1 117 等温线相交于G 读得I1 138kJ kg干空气即为使空气离开预热器时的焓值 含1kg干空气的湿空气通过预热器所获得的热量 则 每小时含500kg干空气的湿空气通过预热器所获得的热量 每小时送入预热器的湿空气体积 例 今有一干燥器 处理湿物料量为800kg h 要求物料干燥后含水量由30 减至4 均为湿基 干燥介质为空气 初温15 相对湿度50 经预热器加热至120 进入干燥器 出干燥器时降温至45 相对湿度80 试求 水分蒸发量W 空气消耗量L和单位空气消耗量l 干燥产品量G2 如鼓风机装在进口处 求鼓风机的风量 预热器 干燥器 L L L 求 W L l G2 V 解 求水分蒸发量W 已知 kg水 h 求L l 由H I图查得 kg水 kg干气 时的湿度 kg水 kg干气 kg干气 kg水 kg干气 kg水 求G2 求风量V 例 上述例题中干燥系统若忽略预热器和干燥器的热损失 求 预热器耗热量QP 干燥系统消耗的总热量 向干燥系统补充的热量 干燥系统的热效率 已知 湿物料初温为15 离开干燥器时温度为55 干物料的比热为1 3kJ kg干料 解 求Qp 对预热器进行热量衡算 当 时 kJ kg干气 由H I图查出 空气离开预热器时 kJ kg干气 由H I图查出 求Q 式中 查15 时水的比热 干料 因式中G为绝干物料量 故 所以 湿物料的比热 向干燥器补充的热量 干燥系统的热效率 Q有效 Q 100 课堂练习 若循环废气为离开干燥器废空气量的80 干燥为绝热过程 预热器热损失忽略 系统的操作压强为101 3kPa 求 新湿空气的流量 整个系统的热消耗量 进入预热器的湿空气温度 解 新湿空气的流量 设离开干燥器的废空气中干空气的流量为L kg干气 s 根据题意 因有80 的废气要参与循环 故离开整个干燥系统的废气中干气的流量为0 2Lkg干气 s 干燥器中干气流量 而 先由H I图查出H2和H0 查得 kg水气 kg干气 查得 kg水气 kg干气 离开预热器的空气湿度 kg水气 kg干气 求W 根据干燥过程物料水分衡算 物料中干基湿含量为 kg水分 kg干料 kg水分 kg干料 绝干物料流量G kg干料 s kg s 求 新的湿空气流量 kg干气 s 所以 新的湿空气流量为 L湿 kg湿气 s 求整个干燥系统的热耗量 根据题意 干燥为绝热干燥过程 即干燥器无热损失 则 且干燥器无需补热 同时根据题意预热器的热损失可忽略不计 故整个干燥系统的热耗量为 由H I图查出 kJ kg干气 kJ kg干气 对绝热干燥过程有 kJ kg干气 kJ kg干气 kJ s 进入预热器的湿空气温度 由 查H I图知 约为48 有一间歇操作干燥器 有一批物料的干燥曲线如图5 13所示 若将该物料由含水量w1 27 干燥到w2 5 均为湿基含水量 湿物料的质量为200kg 干燥表面积为0 024m2 kg干物料 装卸时间 1h 试确定每批物料的干燥周期 解 将物料量换算成绝干物料量 干燥总表面积 将物料中水分换算成干基含水量 最初含水量kg水 kg干物料 最终含水量kg水 kg干物料 查干燥速率曲线 物料的临界含水量Xc kg水 kg干物料 物料的平衡含水量X kg水 kg干物料 由于X2 Xc 所以干燥过程应包括恒速干燥和降速干燥两个阶段 a 恒速阶段 由X1 0 37 Xc 0 20查干燥速率曲线知Uc 1 5kg m2h b 降速阶段 由Xc 0 20 X2 0 053X 0 05代入式 中 c 每批物料干燥周期 练习 一 已知湿空气的干球温度为60 湿度为0 054kg水 kg干气 若总压强为100kPa 试用解析法求 1 湿空气的水气分压 2 相对湿度 3 湿比容 4 湿空气的焓 解 1 湿空气的水气分压p 2 求 由附录 水的饱和蒸汽压 查得60 时水的 3 求湿空气的湿比容 m3湿空气 kg干空气 4 求湿空气的焓 kJ kg干空气 二 若上例中湿空气的温度 湿度均不变 而总压降为50kPa 试讨论湿空气的性质关系线在H I图上的变化 解 湿空气的湿度可由下式计算 若空气的温度和湿度均不变 而总压强改变 则由上式可知 两种压强下的相对湿度必然不同 但符合以下关系 1 将等式左边上下同乘以P 以推出的关系 等式左边 同样右边可得 即 1 式可改为 整理可得 由此可知 在空气温度和湿度不变的条件下 若是空气总压减小 其相对湿度也减小 因此在H I图上 等相对湿度线将上移 如本题中总压强由100kPa降为50kPa时 相对湿度由原来的40 降为20 所以压强降低对干燥操作有利 由湿空气的湿度计算式可知 对一定的湿度 当总压强P下降时 水蒸汽分压也变小 故在H I图上水蒸汽分压线下移 而该图上的等温线 等湿度线及等焓线不变 三 现有一采用废空气部分循环的干燥系统 干燥器为理论干燥器 新鲜常压空气的流量为1 667kg s 焓为50kJ kg干气 水蒸气分压为1 6kPa 湿物料含水量为w1 40 最终w2 7 进入预热器的湿空气湿度为0 034kg水气 kg干气 温度为40 离开预热器的空气为88 空气在预热器的总传热系数为 加热水蒸气的压强 假定预热器的热损失可忽略 试求 以绝干物料表示的干燥系统生产能力 预热器的传热面积 废空气的循环百分数 HOP 0 034IOPt0p 40 I1 H1 0 034t1 88 废空气L I2H2 新湿空气L0 1 667kg st0H0 I0 50kJ kg干气p0 1 6kPa 预热器 干燥器 湿物料Gw1 40 干燥产品w2 7 L 求 以绝干物料表示的干燥系统的生产能力 预热器的传热面积 废空气的循环百分数 水蒸气加热P水 292kPa 根据I0 50 kJ kg干气 p0 1 6kPa在H I图上确定新湿空气状态点A H0p A t0p t1 A1 A2 p0 I0 再由t0p 40 H0p 0 034kg kg干气 在H I图上确定混合气体进入预热器的状态A0p 从A0p沿等H线向上移动与t1 88 等温线相交 得出预热器的空气状态点A1 由于干燥器为理论干燥器 绝热干燥器 因此为等焓过程 故 出干燥器的空气状态点t2必然在过点A1的等I线上 同时进预热器的空气是由新空气与部分离开干燥器的废气相混而成 故点A A0p及出干燥器的废空气状态点A2也必然在一条直线上 因此 联A A0p并延长 与过点A1的等I线相交 交点即为A2 在湿空气H I图上读出上述各状态点 A0 A0p A1 A2的状态参数如下