化工原理试卷.doc

第十三章：干燥
一、本章学习目的
通过本章的学习，应熟练掌握表示湿空气性质的参数，正确应用空气的H–I图确定空气的状态点及其性质参数；熟练应用物料衡算及热量衡算解决干燥过程中的计算问题；了解干燥过程的平衡关系和速率特征及干燥时间的计算；了解干燥器的类型及强化干燥操作的基本方法。
二、本章思考题
1、工业上常用的去湿方法有哪几种？
2、对干燥设备的基本要求是什么？常用干燥设备有哪些？各有何特征？
3、选择干燥器的主要依据是什么？
4、干燥过程中干燥介质的作用是什么？
5、表征湿空气的性质的参数有哪些？
6、什么叫湿度和相对湿度？湿空气的相对湿度大，其湿度也大，这种说法对吗？为什么？
7、测定干球温度和湿球温度的何作用？
8、干球温度、湿球温度和露点三者有何区别？
9、湿球温度和绝热饱和温度有何区别？测定湿球温度和绝热饱和温度时，若水的初温不同，对测定的结果是否有影响？为什么？
10、湿度图上有哪些参数线？怎样利用这些线来确定湿空气的状态参数？
11、当湿空气的总压变化时，湿空气H–I图上的各线将如何变化? 在t、H相同的条件下，提高压力对干燥操作是否有利? 为什么?
12、作为干燥介质的湿空气为什么要先经预热后再送入干燥器？
13、采用一定湿度的热空气干燥湿物料，被除去的水分是结合水还是非结合水？为什么？
14、干燥过程分哪几种阶段？它们有什么特征？
15、什么叫临界含水量和平衡含水量？
16、干燥时间包括几个部分？怎样计算？
17、干燥哪一类物料用部分废气循环？废气的作用是什么？
18、影响干燥操作的主要因素是什么？调节、控制时应注意哪些问题？

三、例题
例题13-1：已知湿空气的总压为101.3kN/m2 ,相对湿度为50%，干球温度为20o C。试用I-H图求解：
(a)水蒸汽分压p；
(b)湿度Ｈ；
(c)热焓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117oC，求所需热量Ｑ。
解 ：
由已知条件：Ｐ＝101.3kN/m2，Ψ0＝50%，t0=20o C在I-H图上定出湿空气的状态点Ａ点。
(a)水蒸汽分压p
由Ａ点沿等Ｈ线向下交水蒸汽分压线于Ｂ，在图右边纵坐标上读出得p=1.2kN/m2。
(b)湿度Ｈ
由Ａ点沿等Ｈ线交水平辅助轴于Ｃ点，读得Ｈ＝0.0075kg水/kg干空气。
(c)热焓Ｉ
通过Ａ点作等Ｉ线的平行线，交纵轴于Ｅ点，读得Ｉ0＝39kj/kg干空气。
(d)露点t
由Ａ点沿等Ｈ线与Ψ＝100%饱和线相交于Ｄ点，由等t线读得t=10oC。
(e)湿球温度tw
由Ａ点沿等Ｉ线与Ψ=100%饱和线相交于Ｆ点，由等t线读得tw=14o C（即t =14oC)。
(f)热量Ｑ
因湿空气通过预热器加热其温度不变，所以可由Ａ点沿等Ｈ线向上与t1 =117oC线相交于Ｇ点，读出Ｉ1138kj/kg干空气（即湿空气离开预热器之焓值）。含1kg干空气的湿空气通过预热器气所获得的热量为

每小时含500kg干空气的湿空气通过预热所获得的热量为

例题13-2：在一连续干燥器中干燥盐类结晶，每小时处理湿物料为1000kg，经干燥后物料的含水量由40%减至5%（均为湿基），以热空气为干燥介质，初始湿度H1为0.009kg水•kg-1绝干气，离开干燥器时湿度H2为0.039kg水•kg-1绝干气，假定干燥过程中无物料损失，试求：
（1） 水分蒸发是qm,W （kg水•h-1）；
（2） 空气消耗qm,L（kg绝干气•h-1）；
原湿空气消耗量qm,L’（kg原空气•h-1）；
（3）干燥产品量qm,G2（kg•h-1）。
解：
qmG1=1000kg/h, w1=40℃, w2=5%
H1=0.009, H2=0.039
qmGC=qmG1(1-w1)=1000(1-0.4)=600kg/h
x1=0.4/0.6=0.67, x2=5/95=0.053
①qmw=qmGC(x1-x2)=600(0.67-0.053)=368.6kg/h
②qmL(H2-H1)=qmw

qmL’=qmL(1+H1)=12286.7(1+0.009)=12397.3kg/h
③qmGC=qmG2(1-w2)
∴

例题13-3：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湿度为60%，若空气在干燥器中经历等焓干燥过程，试求：
（1） 在I—图H上画出空气状态变化过程的示意图；
（2） 设已查得H0=0.008kg水•kg-1绝干气，H2=0.03 kg水•kg-1绝干气)，求绝干空气消耗量qm,L（kg绝干气•s-1）。
预热器供应之热量（kw）。
解：
w1=0.42,w2=0.04, qmG2=0.126kg/s
H2=0.03
φ2=0.6
t0=21℃
t1=93℃
I1=I2
φ0=0.6
t0=21, φ0=0.4, t1=93, φ2=0.6, I1=I2
H0=0.008, H2=0.03
qmG2(1-w2)=qmG1(1-w1)
∴
∴qmw=qmG1- qmG2=0.209-0.126=0.0826

Qp=qmL(I1-I0)=qmL(1.01+1.88H1)(t1-t0)=3.752(1.01+1.88×0.008)(93-21)=301.2kg/s

例题13-4：在一常压气流干燥器中干燥某种湿物料，已知数据如下：空气进入预热器的温度为15℃，湿含量为0.0073kg水•kg-1绝干气，焓为35kJ•kg-1绝干空气；空气进干燥器温度为90℃，焓为109 kJ•kg-1绝干空气；空气出干燥器温度为50℃；湿含量为0.023 kg水•kg-1绝干气；进干燥器物料含水量为0.15kg水•kg-1绝干料；出干燥器物料含水量为0.01kg水•kg-1绝干料；干燥器生产能力为237kg•h-1（按干燥产品计）。试求：
1． 绝干空气的消耗量（kg绝干气•h-1）；
2． 进预热器前风机的流量（•s-1）；
3． 预热器加入热量（KW）（预热器热损失可忽略）。附湿空气比容计算公式：
V= ( 0.772 + 1.244H ( t + 273 ) / 273 × ( 1.0133 × ) / P 。
解：
t0=15℃, H0=0.0073, I0=35, t1=90℃, I1=109, t2=50℃, H2=0.023, x1=0.15, x2=0.01, qmG2=237kg/h
x2=w2/(1-w2), w2=x2/(1+x2)=0.01/1.01=0.01
qmGc=qmG2(1-w2)=237(1-0.01)=234.6
qmw=qmGc(x1-x2)=234.6(0.15-0.01)=32.8
①qmL=qmw/(H2-H1)=32.8/(0.023-0.0073)=2089.2
②qv=qmL•vH

qv=2089.2×0.824＝1721.5m3/h
③Qp=qmL(1.01+1.88H0)(t1-t0)=2089.2(1.01+1.88×0.0273)（90-15）＝160407

例题13-5：在常压绝热干燥器内干燥某湿物料，湿物料的流量为600kg•h-1，从含水量20％干燥至2％（均为湿基含水量）。温度为20℃，湿度为0.013kg水•kg-1绝干气的新鲜空气经预热器升温至100℃后进入干燥器，空气出干燥器的温度为60℃。
0.01 0.10 0.25
X, kg水/kg绝干物料
干燥速率，U

（1） 完成上述任务需要多少kg绝干空气•h-1？
（2） 空气经预热器获得了多少热量？
（3） 在恒定干燥条件下对该物料测得干燥速率曲线如图所示，已知恒速干燥段时间为1小时，求降速阶段所用的时间。
解：
、（1）

qm,Gc=600(1-ω1)=480kg/h
qm,W= qm,Gc (X1-X2)=480(0.25=0.0204)=110.2kg/h
I1=(1.01+1.88H1)t1+2490H1=135.8
因为等焓干燥
I2=(1.01+1.88H2)t2+2490H2=I1 H2＝0.02889
qm,L= qm,W /(H2-H1)=6935kg干气/h
（2）
Qp= qm,L (I1-I0)= qm,L (1.01+1.88H0)(t1-t0)=573907kJ/h
(3) 恒速段

降速段

四、本章习题
13-1：已知湿空气的总压为100kPa，温度为60℃，相对湿度为40%，试求：(1) 湿空气中水汽的分压；(2) 湿度；(3) 湿空气的密度。[答：（1）7.97Pa；（2）0.05387kg/kg绝干气；（3）1.016 kg/m3湿空气]

13-2：空气的总压为101.33kPa，试求：
（1）空气在40℃和Ψ＝65%时的焓和湿度；
（2）已知湿空气水蒸气分压为7kPa,求该空气在50℃时的相对湿度Ψ和湿度H
[答：（1）H＝0.0309水汽/kg干空气；I＝119.7kJ/kg干空气；（2）Ψ＝56.7%；H＝0.046kg水/kg干空气]

13-3：空气在10℃和101.33 kPa下，湿度为0.005kg水/kg干空气。试计算：
（1）空气的相对湿度Ψ1
（2）空气湿度提高到35℃时的相对湿度Ψ2
（3）总压提高到114.6kPa，温度仍为35℃时的相对湿度Ψ3；
（4）总压提高到1471kPa，温度仍显35℃，每100kg原来湿空气所冷凝出来的水分量。
[答：（1）Ψ1＝66%；（2）Ψ2＝14.4%；（3）Ψ3＝16.3%；（4）0.298kg水]

13-4：将t0=25℃、 =50%的常压新鲜空气与循环废气混合，混合气加热至90℃后用于干燥某湿物料。废气的循环比为0.75，废气的状态为：t2=50℃、 =80%。流量为1000kg/h的湿物料，经干燥后湿基含水量由0.2降至0.05。假设系统热损失可忽略，干燥操作为等焓干燥过程。试求（1）新鲜空气耗量；（2）进入干燥器时湿空气的温度和焓；（3）预热器的加热量[答：（1）2782kg新鲜空气/h,（2）t1=83.26℃, I1=224.1kJ/kg绝干气，（3）QP=132.8kW]

13-5：某厂利用气流干燥器将含水20%的物料干燥到5%（均为湿基），已知每小时处理的原料量为1000kg，于40℃进入干燥器，假设物料在干燥器中的温度变化不大，空气的干球温度为20℃，湿球温度为16.5℃，空气经预热器预热后进入干燥器，出干燥器的空气干球温度为60℃，湿球温度为40℃，干燥器的热损失很小可略去不计，试求：
（1） 需要的空气量为多少m3•h-1？（以进预热器的状态计）
（2） 空气进干燥器的温度？
0℃时水的汽化热2491.27kJ•kg-1，空气与水汽比热分别为1.01与1.88kJ•kg-1•K-1
[答：（1） qmL’= 4547.9（2）t1=148.4℃]

13-6：将温度t0=26℃、焓I0=66kJ/kg绝干气的新鲜空气送入预热器，预热到t1＝95℃后进入连续逆流干燥器，空气离开干燥器的温度t2＝65℃。湿物料初态为：q1＝25℃、w1=0.015、G¢1=9200kg湿物料/h，终态为：q2＝34.5℃、w2=0.002。绝干物料比热容cs=1.84 kJ/(kg绝干物料.℃)。若每汽化1kg水分的总热损失为580kJ，试求：(1)干燥产品量G2'；(2)作出干燥过程的操作线；(3)新鲜空气消耗量；（4）干燥器的热效率。[答：(1)9080kg/h，(2)略，(3)17403kg新鲜空气/h，(4)24.18%]

13-7：用热空气干燥某湿物料。空气初始温度t0=20℃，初始湿度H0=0.006Kg水•kg-1干气。为保证干燥产品质量，空气进干燥器的温度不得高于90℃；为此在干燥器中间设置加热器。空气经预热器升温至90℃通入干燥器，当热空气温度降至60℃时，再用中间加热器将空气加热至90℃，废气离开干燥器时的温度变为60℃。假设两段干燥过程均视为等焓过程。
1、 在湿空气的H—I（或t—H）图上定性表示出空气通过整个干燥器的过程；
2、汽化每千克水所需的绝干空气量和所需供热量。
[答：(1)略，(2) Q＝2611.69]

13-8：状态为t0=25℃、 =55%的新鲜空气经预热器加热至t1＝85℃后送入干燥器，离开干燥器时的温度t2＝30℃。预热器的热源为180kPa的饱和蒸汽，总传热系数为50W/(m2·K) ，热损失可忽略。湿物料初态为：q1＝24℃、w1=0.037，终态为：q2＝60℃、、w2=0.002、G2'=1000kg/h。绝干物料的比热容cs=1.507kJ/（kg绝干物料·℃）。转筒干燥器的直径D=1.3m、长度Z=7m。干燥器外壁向空气的对流–辐射体积传热系数为35kJ/（m3·h·℃），试求：（1）绝干空气流量；（2）预热器加热蒸汽的消耗量；（3）预热器的传热面积。
[答：(1)3102kg/h，(2)86.60kg/h，(3)18.89m2]

13-9：有一连续干燥器在常压下操作，生产能力为1000kg •h-1（以干燥产品计）物料水分由12%降为3%（均为湿基）物料温度则由15℃至28℃，绝干物料的比热为1.3KJ •kg-1绝干料，℃，空气的初温为25℃，湿度为0.01kg •kg-1绝干空气，经预热器后升温至70℃，干燥器出口废气为45℃，设空气在干燥器进出口处焓值相等，干燥系统热损失可忽略不计，试求：
① 在H—I图上（或t—H图上）示意画出湿空气在整个过程中所经历的状态点；
② 空气用量（m3•h-1）（初始状态下）；
为保持干燥器进出口空气的焓值不变，是否需要另外向干燥器补充或移走热量？其值为多少？
[答： (1) I1 ＝96.9 I2＝96.9 H2=0.02，(2) 21375kg/h；若要I1=I2, 需QD=21375kg/h ]

13-10：对10kg某湿物料在恒定干燥条件下进行间歇干燥，物料平铺在0.8×1 m的浅盘中，常压空气以2m/s的速度垂直穿过物料层。空气t=75℃，H=0.018kg/kg绝干空气，2.5小时后物料的含水量从X1=0.25kg/kg绝干物料降至X2=0.15kg/kg绝干物料 。此干燥条件下物料的Xc=0.1kg/kg绝干物料、X*=0。假设降速段干燥速率与物料含水量呈线性关系。（1）求将物料干燥至含水量为0.02kg/kg绝干物料所需的总干燥时间；（2）空气的t、H不变而流速加倍，此时将物料由含水量0.25kg/kg绝干物料干燥至0.02kg/kg绝干物料需1.4小时，求此干燥条件下的Xc。
[答：(1)1.625h；(2)0.121kg/kg绝干料]

13-11：采用常压操作的干燥装置干燥某种湿物料，已知操作条件如下：
空气的状况：进预热器前=20℃，=0.01kg水•kg-1绝干气
进干燥器前=120℃；
出干燥器时=70℃，=0.05 kg水•kg-1绝干气
物料的状况：进干燥器前=30℃，=20%（湿基）。
出干燥器时=50℃，=5%（湿基）。
绝干物料比热=1.5kJ•kg-1·℃-1
干燥器的生产能力为53.5kg/h（按干燥产品计）。试求：
（1） 绝干空气流量qm,L（kg绝干空气•h-1）；
（2） 预热器的传热量 (kJ•h-1)；
（3） 干燥器中补充的热量 (kJ•h-1)。
假设干燥装置热损失可以忽略不计。
[答：（1）qmL=250kg绝干空气•h-1（2）Qp=25720kJ•h-1 （3）QD=13843 kJ•h-1]

13-12：某湿物料经过5.5h恒定干燥后，含水量由 ＝0.35kg/kg绝干料降至 =0.10kg/kg 绝干物料，若物料的临界含水量Xc＝0.15kg/kg绝干料、平衡含水量X*=0.04kg/kg绝干料。假设在降速阶段中干燥速率与物料的自由含水量（X–X*）成正比。若在相同的干燥条件下，要求将物料含水量由X1＝0.35kg/kg绝干料降至X2'=0.05kg/kg 绝干物料，试求所需的干燥时间。 [答：9.57h]