PDF《第七章 干燥》

第七章 干燥 【例7-1】 已知湿空气的总压 pt=101.

3kPa,相对湿度 =0.6,干球温度 t=30 ? ℃.试求: ①湿度 H;

②露点 td;

③绝热饱和温度;

④将上述状况的空气在预热器中加 热至 100℃所需的热量.已知空气质量流量为 100kg(以绝干空气计)/h;

⑤送 入预热器的湿空气体积流量,m3/h. 解:已知 pt=101.3kPa, =0.6,t=30℃. ? 由饱和水蒸气表查得水在 30℃时的蒸气压 ps=4.25kPa ①湿度 H 可由式 7-4 求得: kg/kg

016 0

25 4

6 0

3 101

25 4

6 0

622 0

622 0 . . . . . . . p p p . H s t s ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ②按定义,露点是空气在湿度不变的条件下冷却到饱和时的温度,现已知 kPa

55 2

25 4

6 0 . . . p p s ? ? ? ? ? 由水蒸气表查得其对应的温度 td=21.4℃. ③求绝热饱和温度 tas.按式(7-18) (a) ? ?? ? H H c r t t as H as as ? ? ? / 已知t=30 ℃ 并已算出H=0.016kg/kg , 又cH=1.01+1.88H=1.01+1.88 * 0.016=1.04kJ/kg,而ras、Has 是tas 的函数,皆为未知,可用试差法求解. 设tas=25℃,pas=3.17kPa,Has=0.622 kg/kg,

02 .

0 17 .

3 3 .

101 17 .

3 622 .

0 ? ? ? ? as t as p p p ras=2434kJ/kg,代入式(a)得tas=30-(2434/1.04) ( 0.02-0.016)=20.6℃<

25℃. 可见所设的 tas 偏高,由此求得的 Has 也偏高,重设 tas=23.7℃,相应的 pas=2.94kPa,Has=0.622*2.94/(101.3-2.94)=0.0186kg/kg,ras=2438kJ/kg, 代入式(a)得tas=30-(2438/1.04) ( 0.0186-0.016)=23.9℃.两者基本相符, 可认为 tas=23.7℃. ④预热器中加入的热量 Q=100*(1.01+1.88*0.016) ( 100-30) =7280kJ/h 或2.02kW ⑤送入预热器的湿空气体积流量 m3/h

88 25 .

4 6 .

0 3 .

101 3 .

101 273

30 273

29 4 .

22 100 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? V 【例7-2】 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:见本题附图. 由已知条件:pt=101.3kPa, 0=50%,t0=20℃在I-H 图上定出湿空气状态 A ? 点. (a)水气分压:由图 A 点沿等 H 线向下交水气分压线于 C,在图右端纵坐标 上读得 p=1.2kPa. (b)湿度 H:由A点沿等 H 线交水平辅助轴于点 H=0.0075kg 水/kg 绝干空 气. (c)焓I:通过 A 点作斜轴的平行线,读得 I0=39kJ/kg 绝干空气. (d)露点 td:由A点沿等 H 线与 =100%饱和线相交于 B 点,由通过 B 点的 ? 等t线读得 td=10℃. (e)湿球温度 tW(绝热饱和温度 tas) :由A点沿等 I 线与 =100%饱和线相 ? 交于 D 点,由通过 D 点的等 t 线读得 tW=14℃(即tas=14℃) . (f)热量 Q:因湿空气通过预热器加热时其湿度不变,所以可由 A 点沿等 H 线向上与 t1=117℃线相交于 G 点,读得 I1=138kJ/kg 绝干空气(即湿空气离开预 热器时的焓值) .含1kg 绝干空气的湿空气通过预热器所获得的热量为: Q′=I1-I0=138-39=99kJ/kg 每小时含有 500kg 干空气的湿空气通过预热器所获得的热量为: Q=500Q′=500*99=49500kJ/h=13.8kW 通过上例的计算过程说明,采用焓湿图求取湿空气的各项参数,与用数学式 计算相比,不仅计算迅速简便,而且物理意义也较明确. 【例7-3】 今有一干燥器,湿物料处理量为 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℃,相对湿度为 50%,经 预热器加热至 120℃进入干燥器,出干燥器时降温至 45℃,相对湿度为 80%. 试求: (a)水分蒸发量 W;

(b)空气消耗量 L、单位空气消耗量 ;

l (c)如鼓风机装在进口处,求鼓风机之风量 V. 解(a)水分蒸发量 W 已知 G1=800kg/h,w1=30%,w2=4%,则Gc=G1(1-w1)=800(1-0.3)=560kg/h

429 .

0 3 .

0 1

3 .

0 1

1 1

1 ? ? ? ? ? w w X

042 .

0 04 .

0 1

04 .

0 1

2 2

2 ? ? ? ? ? w w X W=Gc(X1-X2)=560*(0.429-0.042)=216.7kg 水/h (b)空气消耗量 L、单位空气消耗量l 由I-H 图中查得,空气在 t=15℃, =50%时的湿度为 H=0.005kg 水/kg 绝干 ? 空气. 在t2=45℃, 2=80%时的湿度为 H2=0.052kg 水/kg 绝干空气. ? 空气通过预热器湿度不变,即H0=H1. kg 绝干空气/h

4610 005 .

0 052 .

0 7 .

216 0

2 1

2 ? ? ? ? ? ? ? H H W H H W L kg 干空气/kg 水3.21

005 .

0 052 .

0 1

1 0

2 ? ? ? ? ? H H l (c)风量 V 用式(7-14)计算 15℃、101.325kPa 下的湿空气比容为 ? ?

273 273

15 244 .

1 773 .

0 0 ? ? ? H vH ? ?

273 288

005 .

0 244 .

1 773 .

0 ? ? ? ? =0.822m3/kg 绝干空气 V=LvH=4610*0.822=3789.42m3/h 用此风量选用鼓风机. 【例7-4】采用常压气流干燥器干燥某种湿物料.在干燥器内,湿空气以一定的 速度吹送物料的同时并对物料进行干燥.已知的操作条件均标于本例附图

1 中.试求: (1)新鲜空气消耗量;

(2)单位时间内预热器消耗的热量,忽略预热器的热损失;

(3)干燥器的热效率. 解:(1)新鲜空气消耗量 先按式(7-27)计算绝干空气消耗量,即12HHWL??①求 W 绝干物料 Gc= kg 绝干料/h

248 01 .

0 1

250 1

2 2 ? ? ? ? X G W=Gc(X1-X2)=248(0.15-0.01)=34.7kg/h ②求H2 因QL≠0,故干燥操作为非绝热过程,空气离开干燥器的状态参数 不能用等焓线去寻求,下面用解析法求解. 当t0=15℃、H0=0.0073kg/kg 绝干空气时, I1=(1.01+1.88H0)t0+r0H0=34kJ/kg 绝干空气 当t1=90℃、H1=H0=0.0073kg/kg 绝干空气时,同理可得 I1=110kJ/kg 绝干空 气. I1′=csθ1+X1cwθ1=1.156*15+0.15*4.187*15=26.76kJ/kg 绝干料 同理 I2′=1.156*40+0.01*4.187*40=47.91kJ/kg 绝干料 围绕本例附图

1 的干燥器作焓衡算,得LI1+GcI1′=LI2+GcI2′+QL 或L(I1-I2)=Gc(I2′-I1′)+QL 将已知值代入上式,得L(110-I2)=248(47.91-26.76)+3.2*3600 或L(110-I2 ) =16770 (a) 根据式(7-11)可以写出空气离开干燥器时焓的计算式为 I2=(1.01+1.88H2)t2+2490H2 或I2= ( 1.01+1.88H2 ) * 50+2490H2=50.5+2584H2 (b) 绝干空气消耗量L=

0073 .

0 7 .

34 2

1 2 ? ? ? H H H W (c) 联立式(a) 、式(b)及式(c) ,解得 H2=0.02055kg/kg 绝干空气 I2=103.6kJ/kg 绝干空气 L=2618.9kg 绝干空气/h (2)预热器消耗的热量 Qp 用式(7-29)计算,即Qp=L(I1-I0)=2618.9(110-34)=199000kJ/h=55.3kW (3)干燥系统的热效率η 若忽略湿物料中水分带入系统中的焓,则用式 (7-35)计算干燥系统的热效率,即??%Qt.W100

88 1

2490 2 ? ? ? ? 因QD=0,故Q=Qp,因此 ? ? ? ? %

1 .

45 %

100 199000

50 88 .

1 2490

7 .

34 %

100 88 .

1 2490

2 ? ? ? ? ? ? ? ? Q t W ? 【例7-5】 有一间歇操作干燥器,有一批物料的干燥速率曲线如图 7-15 所示. 若将该物料由含水量 w1=27%干燥到 w2=5%(均为湿基) ,湿物料的质量为 200kg, 干燥表面积为 0.025m2/kg 干物料,装卸时间τ′=1h,试确定每批物料的干燥周 期. 解 绝对干物料量 Gc′=G1′(1-w1)=200*(1-0.27)=146kg 干燥总表面积 S=146*0.025=3.65m2 将物料中的水分换算成干基含水量 最初含水量 kg 水/kg 干物料

37 .

0 27 .

0 1

27 .

0 1

1 1

1 ? ? ? ? ? w w X 最终含水量 kg 水/kg 干物料

053 .

0 05 .

0 1

05 .

0 1

2 2

2 ? ? ? ? ? w w X 由图 7-15 中查到该物料的临界含水量 Xc=0.20kg 水/kg 干物料,平衡含水量 X*=0.05kg 水/kg 干物料,由于 X2β1. 【例8-4】在25℃下以水(S)为萃取剂从醋酸(A)与氯仿(B)的混合液中提 取醋酸.已知原料液流量为 1000kg/h,其中醋酸的质量百分率为 35%,其余为 氯仿.用水量为 800kg/h.操作温度下,E 相和 R 相以质量百分率表示的平均数 据列于本例附表中. 试求: (1)经单级萃取后 E 相和 R 相的组成及流量;

(2)若将 E 相和 R 相 中的溶剂完全脱除,再求萃取液及萃余液的组成和流量;

(3)操作条件下的选择 性系数β;

( 4)若组分 B、S 可视作完全不互溶,且操作条件下以质量比表示相 组成的分配系数 K=3.4, 要求原料液中溶质 A 的80%进入萃取相,则每公斤稀释 剂B需要消耗多少公斤萃取剂 S? 解: 根据题给数据, 在等腰直角三角形坐标图中作出溶解度曲线和辅助曲线 , 如本题附图所示. 例8-4 附表 (1)两相的组成和流量 根据醋酸在原料液中的质量百分率为 35%,在AB 边上确定 F 点,联结点 F、S,按F、S 的流量用杠杆定律在 FS 线上确定和点 M. 因为 E 相和 R 相的组成均未给出,需借辅助曲线用试差作图法确定通过 M 点的联结线 ER.由图读得两相的组成为 E 相yA=27%,yB=1.5%,yS=71.5% R 相xA=7.2%,xB=91.4%,xS=1.4% 依总物料衡算得 M=F+S =1000+800=1800kg/h 由图量得 =45.5mm 及=73.5mm RM RE 用式 8-32 求E相的量,即kg/h

1114 5

73 5

45 1800 ? ? ? ? ? . . RE RM M E 氯仿层(R 相) 水层(E 相) 醋酸水醋酸水0.00 0.99 0.00 99.16 6.77 1.38 25.10 73.69 17.72 2.28 44.12 48.58 25.72 4.15 50.18 34.71 27.65 5.20 50.56 31.11 32.08 7.93 49.41 25.39 34.16 10.03 47.87 23.28 42.5 16.5 42.50 16.50 R=M-E=1800-1114=686kg/h (2)萃取液、萃余液的组成和流量 连接点 S、E,并延长 SE 与AB 边交于 E′,由图读得 yE′=92%. 连接点 S、R,并延长 SR 与AB 边交于 R′,由图读得 xR′=7.3%. 萃取液和萃余液的流量由式 8-36 及式 8-37 求得,即kg/h

327 3

7 92

3 7

35 1000 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? . . x y x x F E R E R F kg/h

673 327

1000 ? ? ? ? ? ? ? E F R 萃取液的流量 E′也可用式 8-23 计算,两法结果一致. (3)选择性系数β用式 8-27 求得,即5.228

4 .

91 5 .

1 /

2 .

7 27 / ? ? ? B B A A x y x y ? 由于该物系的氯仿(B) 、水(S)互溶度很小,所以β值较高,所得到萃取 液浓度很高. (4)每公斤 B 需要的 S 量 由于组分 B、S 可视作完全不互溶,则用式 8-34 计算较为方便.有关参数计算如下:

5385 .

0 35 .

0 1

35 .

0 1 ? ? ? ? ? F F F x x X ? ? ? ?

1077 .

0 5385 .

0 8 .

0 1

1 1 ? ? ? ? ? ? F A X X ? YS=0 Y1 与X1 呈平衡关系,即Y1=3.4X1=3.4*0.1077=0.3662 将有关参数代入式 8-34a,并整理得 S/B=(XF-X1)/Y1=(0.5385-0.1077) /0.3662=1.176 即每公斤稀释剂 B 需要消耗 1.176kg 萃取剂 S. 需要指出, 在生产中因溶剂循环使用, 其中会含有少量的组分 A 与B.同样 , 萃取液和萃余液中也会含少量 S. 这种情况下, 图解计算的原则和方法仍然适用 , 仅在三角形相图中点 S、E′及R′的位置均在三角形坐标图的均相区内. 【例8-5】25℃时丙酮(A)―水(B)―三氯乙烷(S)系统以质量百分率表示 的溶解度和联结线数据如本题附表所示. 例8-5 附表

1 溶解度数据 三氯乙烷 水丙酮三氯乙烷 水丙酮例8-5 附表

2 联结线数据 用三氯乙烷为萃取剂在三级错流萃取装置中萃取丙酮水溶液中的丙酮.原料 液的处理量为 500kg/h,其中丙酮的质量百分率为 40%,第一级溶剂用量与原料 液流量之比为 0.5,各级溶剂用量相等.试求丙酮的回收率. 解:丙酮的回收率可由下式计算,即FFAFx x R Fx

3 3 ? ? ? 关键是求算 R3 及x3. 由题给数据在等腰直角三角形相图中作出溶解度曲线和辅助曲线,如本题附 图所示. 第一级加入的溶剂量,即每级加入的溶剂量为 S=0.5F =0.5*500=250kg/h 根据第一级的总物料衡算得 M1=F+S =500+250=750kg/h 99.89 94.73 90.11 79.58 70.36 64.17 60.06 54.88 48.78 0.11 0.26 0.36 0.76 1.43 1.87 2.11 2.98 4.01

0 5.01 9.53 19.66 28.21 33.96 37.83 42.14 47.21 38.31 31.67 24.04 15.89 9.63 4.35 2.18 1.02 0.44 6.84 9.78 15.37 26.28 35.38 48.47 55.97 71.80 99.56 54.85 58.55 60.59 58.33 54.99 47.18 41.85 27.18

0 水相中丙酮 xA 5.96 10.0 14.0 19.1 21.0 27.0 35.0 三氯乙烷相中丙 酮yA 8.75 15.0 21.0 27.7

32 40.5 48.0 由F和S的量用杠杆定律确定第一级混合液组成点 M1,用试差法作过 M1 点 的联结线 E1R1.根据杠杆定律得 kg/h

4 369

67 33

750 1

1 1

1 1

1 . R E M E M R ? ? ? ? ? 再用 250kg/h 的溶剂对第一级的 R1 相进行萃取. 重复上述步骤计算第二级的 有关参数,即M2=R1+S=369.4+250=619.4kg/h kg/h

321 83

43 4 .

619 2

2 2

2 2

2 ? ? ? ? ? R E M E M R 同理,第三级的有关参数为 M3=321+250=571kg/h kg/h

298 92

48 571

3 ? ? ? R 由图读得 x3=3.5%.于是,丙酮的回收率为 %

8 .

94 4 .

0 500

035 .

0 298

4 .

0 500

3 3 ? ? ? ? ? ? ? ? F F A Fx x R Fx ? ................