化工原理 干燥习题

1、第五章第五章 干干 燥燥 总结课总结课 第五章第五章 干燥干燥 总结课总结课 第一节第一节 湿空气的热力学性质及湿度图湿空气的热力学性质及湿度图 第二节第二节 干燥过程的物料衡算与焓衡算干燥过程的物料衡算与焓衡算 第三节第三节 固体物料在干燥过程中的平衡关系与固体物料在干燥过程中的平衡关系与 速率关系速率关系 重点内容重点内容 1.1.湿空气的性质及湿度图：湿空气的性质及湿度图： 掌握：掌握：湿度、水蒸气分压、相对湿度、焓的计算、干球温湿度、水蒸气分压、相对湿度、焓的计算、干球温 度、湿球温度、绝热饱和温度、露点的定义。度、湿球温度、绝热饱和温度、露点的定义。 2.2.干燥过程的物料衡算与焓衡

2、算：干燥过程的物料衡算与焓衡算： 掌握：掌握：绝干物料量的计算，湿基与干基含水量的换算，水绝干物料量的计算，湿基与干基含水量的换算，水 分蒸发量和空气消耗量的计算。分蒸发量和空气消耗量的计算。 掌握：掌握：干燥过程的焓衡算，预热器供热量和绝热干燥过程干燥过程的焓衡算，预热器供热量和绝热干燥过程 的计算。的计算。 掌握：掌握：干燥器出口空气状态的确定。干燥器出口空气状态的确定。 应该掌握的内容应该掌握的内容 干燥过程的平衡关系和速率关系干燥过程的平衡关系和速率关系 物料中所含水分的性质物料中所含水分的性质 干燥速率、恒定条件下的干燥曲线与干燥速率曲线的测定干燥速率、恒定条件下的干燥曲线与干燥速率

3、曲线的测定 恒定条件下恒速干燥与降速干燥阶段，临界参数的确定恒定条件下恒速干燥与降速干燥阶段，临界参数的确定 恒定条件下干燥时间的计算恒定条件下干燥时间的计算 第一节第一节 湿空气的热力学性质（湿空气的热力学性质（1） 注意：注意： 湿空气：指绝干空气与水蒸汽的混合物。 湿空气性质一般都以1kg绝干空气为基准。 （1）湿空气的热力学性质）湿空气的热力学性质 湿度性质（湿度湿度性质（湿度H，相对湿度，相对湿度） 温度性质（干球温度温度性质（干球温度t、湿球温度、湿球温度tw、 绝热饱和湿度绝热饱和湿度tas、露点、露点td） 一、湿度和温度性质一、湿度和温度性质 二、容积性质二、容积性质 比容比

4、容H 比热容比热容 cH 三、焓I 湿度性质湿度性质 湿度湿度H：kg水汽水汽/kg绝干气绝干气 相对湿度相对湿度：在总压和温度一定时，在总压和温度一定时，反映吸湿能力大小反映吸湿能力大小 g ppP pP p H 622. 0 %100 s p p 水汽分压水汽分压p： s s pP p H 622. 0 对于空气对于空气- -水系统：水系统： 比容比容H：一定湿度和压强下，即每一定湿度和压强下，即每kg干空气和其所带的干空气和其所带的 H kg的水汽所具有的体积之和的水汽所具有的体积之和. 容积性质容积性质 P t HvH 5 100133. 1 273 273 )244. 1772. 0

5、( 比热容比热容 cH： 1kg干空气和其所带的干空气和其所带的H kg水汽升高（或水汽升高（或 降低）降低）1，所需（或放出）的热量，所需（或放出）的热量 HHccc vgH 88. 101. 11 焓焓I：湿空气中湿空气中1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和绝干空气的焓与相应水汽的焓之和 HIII vg 对于空气对于空气- -水系统：水系统： HtHI2490)88. 101. 1 ( 温度性质温度性质 干球温度干球温度t： 湿球温度湿球温度tw： 绝热饱和温度绝热饱和温度tas：不饱和的湿空气不饱和的湿空气绝热绝热(等焓等焓)冷却降温到饱冷却降温到饱 和状态时的温度和状态时的温度。（相应

6、湿度为（相应湿度为Has） 露点露点td：将不饱和空气将不饱和空气等湿等湿冷却到饱和状态时的温度冷却到饱和状态时的温度 ）（ d s,t 相应应湿度为H 对于水蒸汽对于水蒸汽空气系统，三个温度间的关系为：空气系统，三个温度间的关系为： 不饱和空气： das tttt)( 饱和空气：饱和空气： das tttt)( tw=tas （2）湿度图湿度图 注意：注意： P：常压下：常压下 坐标轴：两个坐标夹角为坐标轴：两个坐标夹角为135的坐标图，将斜轴的坐标图，将斜轴 上的数值投影在辅助水平轴上。上的数值投影在辅助水平轴上。 五条线五条线 ：一、等湿线：一、等湿线 二、等焓线二、等焓线 三、等干球温

7、度线三、等干球温度线 四、等相对湿度线四、等相对湿度线 五、水蒸汽分压线五、水蒸汽分压线 H-I图等等I线群（线群（0680） 等等H线群（线群（00.2） 等等t线群（线群（0250） 等等线群线群 （5%100%） 蒸蒸 汽汽 分分 压压 线线 群群 H-I图的说明与应用图的说明与应用 1）已知湿空气的状态点的位）已知湿空气的状态点的位 置，可读出该湿空气的其他置，可读出该湿空气的其他 参数和性质参数和性质 A % %100 p I t tw或tas td p 2）由测出的参数确定湿空气的状态）由测出的参数确定湿空气的状态 5-2-1 湿物料中含水量的表示方法湿物料中含水量的表示方法 5-

8、2-2 干燥系统的物料衡算干燥系统的物料衡算 5-2-3 干燥系统的焓衡算干燥系统的焓衡算 5-2-4 空气通过干燥器的状态变化空气通过干燥器的状态变化 第二节第二节 干燥过程的物料衡算与焓衡算干燥过程的物料衡算与焓衡算 5-2-1湿物料中含水量的表示方法湿物料中含水量的表示方法 2112 XXGHHLW 1、湿基含水量、湿基含水量W 湿物料的总质量 水分质量 2、干基含水量、干基含水量X 湿物料中绝干气的质量 湿物料中水分的质量 X 5-2-2 干燥系统的物料衡算干燥系统的物料衡算 1、水分蒸发量、水分蒸发量W 2、空气消耗量、空气消耗量L0 3、干燥产品流量、干燥产品流量G2 )1 ( 0

9、0 HLL 2 11 2 1 1 G G Dp QQQ Lm QGctWttL 12202 88. 1249001. 1 加热空气；蒸发水分加热空气；蒸发水分; 加热物料加热物料; 热损失热损失 即：向干燥系即：向干燥系 统输入的热量统输入的热量 用于：用于： 5-2-3干燥系统的焓衡算干燥系统的焓衡算 单位时间内预热器消耗的热量单位时间内预热器消耗的热量QP为：为： 单位时间内向干燥器补充的热量单位时间内向干燥器补充的热量QD为为 : 单位时间内干燥系统消耗的总热量单位时间内干燥系统消耗的总热量Q为为: 5-2-4 空气通过干燥器时的状态变化空气通过干燥器时的状态变化 1、等焓干燥过程、等焓

10、干燥过程(理想干燥过程理想干燥过程 ) 新鲜空气新鲜空气 L H0，t0，I0 H1，t1，I1 LL H2，t2，I2 G1, X1，1 , 1 I G2, X2，2 , 2 I QP QD QL 预热器预热器干燥器干燥器 湿物料湿物料 21 II 空气通过干燥器时的焓恒定空气通过干燥器时的焓恒定 5-2-4 空气通过干燥器时的状态变化空气通过干燥器时的状态变化 2、非等焓干燥过程、非等焓干燥过程 H t1 t2 C 21 II C1 C2 C3 B 1）操作线在过）操作线在过B点等焓线下方点等焓线下方 BC1 21 II 2）操作线在过点）操作线在过点B的等焓线上方的等焓线上方BC2 21

11、 II 3）操作线为过）操作线为过B点的等温线点的等温线BC3 向干燥器补充的热量足够多，恰使干燥过程在等温下进行向干燥器补充的热量足够多，恰使干燥过程在等温下进行 5-3-1 固体物料与物料中的水分固体物料与物料中的水分 5-3-2 干燥时间的计算干燥时间的计算 第三节第三节 固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系 5-3-1 固体物料与物料中的水分固体物料与物料中的水分 1.如何区分物料中所含水分的性质如何区分物料中所含水分的性质 1）水分与物料的结合方式）水分与物料的结合方式结合水与非结合水结合水与非结合水 非结合水：机械方式与物料结合的吸收水分

12、及孔隙中的水分，非结合水：机械方式与物料结合的吸收水分及孔隙中的水分，干燥法去除干燥法去除 结合水：与物料结合力较强的细胞壁内的水分及小毛细管内的水分，结合水：与物料结合力较强的细胞壁内的水分及小毛细管内的水分，难去除难去除 在恒定条件下，非结合水与结合水的划分只取决于物料本身的特性而在恒定条件下，非结合水与结合水的划分只取决于物料本身的特性而 与空气的状态无关。与空气的状态无关。 2）平衡水分与自由水分）平衡水分与自由水分 平衡水分：在固定空气状态下不能被除去的物料中的水分，是平衡水分：在固定空气状态下不能被除去的物料中的水分，是 特定干燥条件下物料的极限含水量特定干燥条件下物料的极限含水量

13、 自由水分：超出平衡含水量的那部分，在干操作中能被除去的自由水分：超出平衡含水量的那部分，在干操作中能被除去的 水分水分 相同干燥条件下，不同物料的平衡水分数值相差大；同一相同干燥条件下，不同物料的平衡水分数值相差大；同一 物料平衡含水量随空气的状态而变，物料本身温度升高其物料平衡含水量随空气的状态而变，物料本身温度升高其 平衡水分降低平衡水分降低. 2.干燥过程中的平衡关系如何表达干燥过程中的平衡关系如何表达 平衡关系曲线： 湿物料中的结合水 是=100%的平衡湿 含量 恒定干燥条件恒定干燥条件 整个干燥过程中空气的温度、湿度均保持不变。整个干燥过程中空气的温度、湿度均保持不变。 是一种简化

14、模型。是一种简化模型。 1. 干燥速率曲线干燥速率曲线 干燥速率：单位时间，单位干 燥面积上气化的水分质量。 干燥过程分为两个主要阶段 恒定干燥阶段，降速干燥阶段 E 降速阶段降速阶段恒速阶段恒速阶段 恒定干燥阶段表面气化控制阶段 降速干燥阶段物料内部迁移控制 阶段 5-3-2 干燥时间的计算干燥时间的计算 恒定干燥阶段，降速干燥阶段分界点所对应的参数称 为临界参数，包括临界干燥速率和临界含水量、 E 降速阶段降速阶段恒速阶段恒速阶段 选择合适的干燥条件，使非结 合水在恒速阶段全部除去，使 临界含水量尽量减小，这样可 以在相同的干燥任务下消耗最 短的干燥时间 2. 恒定干燥条件下干燥时间的计算

15、恒定干燥条件下干燥时间的计算 C XX r tt S G t 11 2 )( 2 X XC dX SU G XX XX U XX S G C C C 2 2 ln 恒定干燥条件下干燥时间的计算一干燥实验数据或干燥曲线恒定干燥条件下干燥时间的计算一干燥实验数据或干燥曲线 为基础而进行。为基础而进行。 恒速阶段的干燥时间：恒速阶段的干燥时间： 降速阶段的干燥时间：降速阶段的干燥时间： 当干燥曲线（当干燥曲线（UX）为直线或近似直线时）为直线或近似直线时 2 2 * ln X X U X S G X C C C 缺乏时，此时，当 + 例题例题1、在一连续干燥器中干燥某湿物料,每小 时处理湿物料为10

16、00kg,经干燥器物料的含水 量由35%减至2%(均为湿基),以热空气为干燥 介质,初始湿度H为0.010kg水/kg绝干气,离开干 燥器时湿度H为0.040kg水/kg绝干气,假定干燥 过程中无物料损失,试求: (1)水分蒸发量W(kg水/h); (2)空气消耗量L(kg绝干气/h)；原湿空气 消耗量L(kg原空气/h)； (3)干燥产品量G(kg/h)。 (1)水分蒸发量W x1=w1/(1-w1)=0.35/(1-0.35)=0.538 kg水/kg绝干料 x2=w2/(1-w2)=0.02/(1-0.02)=0.0204 kg水/kg绝干料 G=G1(1-w1)=1000(1-0.35

17、)=650kg绝干料/h W=G(x1-x2)=650(0.538-0.0204)=336.4kg水/h (2)L=W/(H2-H1)=336.4/(0.04-0.01)=11213kg绝干气/h L=L(1+H1)=11213 (1+0.01)=11325.5kg原空气/h (3)G2=G1-W=1000-336.4=663.6kg/h 例题例题2、在一干燥器中干燥某湿物料,每小时 处理湿物料1000kg,经干燥后物料的含水量由 40%减至5%(均为湿基)，干燥介质为373K的 热空气，其中所含水汽的分压为1.0kN/m2， 空气在313K及相对湿度70%下离开干燥器， 试求: (1)水分蒸

18、发量； (2)所需要的新鲜空气量。 水在313K时的饱和蒸汽压可取为7.4kN/m2， 湿空气的总压为101.3kN/m2。 解：解：1.水分蒸发量水分蒸发量W W=G (x1-x2) G1=1000kg/h=0.278kg/s G=0.278(1-0.4)=0.167kg/s x1=1/(1-1)=0.40/(1-0.40)=0.667kg/kg绝干料 x2=2/(1-2)=0.05/(1-0.05)=0.053kg/kg绝干料 W=G (x1-x2)=0.167(0.667-0.053)=0.1025kg/s 解：解：2.所需要的新鲜空气量所需要的新鲜空气量 求H1 H1=0.622p/(

19、P-p)=0.6221.0/(101.3-1.0) =0.0062kg/kg干空气 求H2 H2=0.622ps/(P-ps)=0.6220.77.4/(101.3-0.77.4) =0.0335kg/kg干空气 求L L=W/(H2-H1)=0.1025/(0.0335-0.0062) =3.76kg干空气/s 进口的湿空气量=L(1+H1)=3.76(1+0.0062)=3.783kg/s 例题例题3、已知湿物料含水量为42%，经干燥后为 4%(均为湿基)，产品产量为0.126kg/s，空气的 干球温度为21，相对湿度40% ，经预热器加 热至93后再送入干燥器中，离开干燥器时空 气的相对

20、湿度为60% ，若空气在干燥器中经历 等焓干燥过程，试求: (1)在H-I图上示意作出空气的状态变化过程,标出 状态点A、B、C的位置,并注明其有关的参数； (2)设已查得H0=0.008kg水/kg绝干气,H2=0.03kg 水/kg绝干气,求绝干空气消耗量L(kg绝干气/s) (3)预热器供应热量 解： (2) G=G2(1-w2) =0.126(1-0.04)=0.121kg/s X1=42/58=0.724kg水/kg绝干料 X2=4/96=0.0417kg水/kg绝干料 W=G(X1-X2)=0.121(0.724-0.0417) =0.0826kg水/s L=W/(H2-H0)=0

21、.0826/(0.03-0.008) =3.76 kg绝干气/s (3)Qp=L(I1-I0) I1-I0=(1.01+1.88H)(t1-t0) =(1.01+1.880.008)(93-21) =73 kJ/kg绝干气 预热器供应热量 Qp=L(I1-I0)=3.7673=274 kw 例题例题4：已知湿空气的总压为101.3kPa相对湿度为 50%，干球温度为20。试用I-H图求解： （a）水气分压p； （b）湿度H； （c）焓I； （d）露点td； （e）湿球温度tW； （f）如将含500kg/h干空气的湿空气预热至117 ，求所需热量Q。 解：解： 由已知条件：由已知条件：p=101

22、.3kPa，0=50%， t0=20在在I-H图上定出湿空气状态图上定出湿空气状态A点。点。 （a）水气分压）水气分压p：由图：由图A点沿等点沿等H线向下交线向下交 水气分压线于水气分压线于C，在图右端纵坐标上读得，在图右端纵坐标上读得 p=1.2kPa。 （b）湿度）湿度H：由：由A点沿等点沿等H线交水平辅助轴线交水平辅助轴 于点于点H=0.0075kg水水/kg绝干空气。绝干空气。 （c）焓）焓I：通过：通过A点作斜轴的平行线，读得点作斜轴的平行线，读得 I0=39kJ/kg绝干空气。绝干空气。 （d）露点）露点td：由：由A点沿等点沿等H线与线与=100%饱和饱和 线相交于线相交于B点，

23、由通过点，由通过B点的等点的等t线读得线读得 td=10。 （e）湿球温度）湿球温度tW（绝热饱和温度（绝热饱和温度tas）：由）：由 A点沿等点沿等I线与线与=100%饱和线相交于饱和线相交于D点，由点，由 通过通过D点的等点的等t线读得线读得tW=14（即（即tas=14）。）。 解：解：由已知条件：解：由已知条件：p=101.3kPa，0=50%， t0=20在在I-H图上定出湿空气状态图上定出湿空气状态A点。点。 （f）热量）热量Q：因湿空气通过预热器加热时：因湿空气通过预热器加热时 其湿度不变，所以可由其湿度不变，所以可由A点沿等点沿等H线向上与线向上与 t1=117线相交于线相交于G点，读得点，读得I1=138kJ/kg绝绝 干空气（即湿空气离开预热器时的焓值）。干空气（即湿空气离开预热器时的焓值）。 含含1kg绝干空气的湿空气通过预热器所获得绝干空气的湿空气通过预热器所获得 的热量为：的热量为： Q=I1-I0=138-39=99kJ/kg 每小时含有每小时含有500kg干空气的湿空气通过预热干空气的湿空气通过预热 器所获得的热量为：器所获得的热量为： Q=500Q=50099=49500kJ/h=13.8kW 例题例题5：今有一干燥器，湿物料处理量为800kg/h。要