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化工
题目

对某固体物料在恒定干燥条件下进行间歇干燥,空气水平吹过物料表面,每个生产周期可处理绝干物料 1000 (kg),干燥总面积为 50 (~m)^2,已知恒速段的干燥速率为 3.06 times 10^-4 (~kg) (水) / ((~m)^2 cdot (s)),试估计将此物料从含水量 0.15 (~kg) (水) / (~kg) 绝干料干燥至 0.005 (~kg) (水) / (~kg) 绝干料所需的时间。(已知物料的临界含水量为 0.125 (~kg) (水) / (~kg) 绝干料,平衡水分近似为零,降速段干燥速率曲线是直线。)

对某固体物料在恒定干燥条件下进行间歇干燥,空气水平吹过物料表面,每个生产周期可处理绝干物料 $1000 \text{kg}$,干燥总面积为 $50 \text{~m}^2$,已知恒速段的干燥速率为 $3.06 \times 10^{-4} \text{~kg} \text{水} / (\text{~m}^2 \cdot \text{s})$,试估计将此物料从含水量 $0.15 \text{~kg} \text{水} / \text{~kg}$ 绝干料干燥至 $0.005 \text{~kg} \text{水} / \text{~kg}$ 绝干料所需的时间。(已知物料的临界含水量为 $0.125 \text{~kg} \text{水} / \text{~kg}$ 绝干料,平衡水分近似为零,降速段干燥速率曲线是直线。)

题目解答

答案

恒速干燥阶段: \[ t_c = \frac{G (X_1 - X_c)}{R_c A} = \frac{1000 \times 0.025}{0.0153} \approx 1634 \, \text{s} \] 降速干燥阶段: \[ t_d = \frac{G X_c}{R_c A} \ln \left( \frac{X_c}{X_2} \right) = \frac{125}{0.0153} \ln 25 \approx 8170 \times 3.2189 \approx 26300 \, \text{s} \] 总时间: \[ t = t_c + t_d = 1634 + 26300 = 27934 \, \text{s} \approx 7.76 \, \text{h} \] 最终结果:所需时间为约 27934 秒(即 7.76 小时)。

解析

本题主要考察恒定干燥条件下间歇干燥时间的计算,需分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段分别计算,再求和得到总干燥时间,具体步骤如下:

1. 关键参数说明

  • 绝干物料量 $G$:题目中每个周期处理绝干物料 $1000 \, \text{kg}$,即 $G = 1000 \, \text{kg}$(绝干料)。
  • 干燥面积 $A$:$50 \, \text{m}^2$。
  • 初始含水量 $X_1$:$0.15 \, \text{kg水/kg绝干料}$。
  • 临界含水量 $X_c$:$0.125 \0} \, \text{kg水/kg绝干料}$(恒速段终点)。
  • 最终含水量 $X_2$:$0.005 \, \text{kg水/kg绝干料}$(平衡水分近似为0)。
  • 恒速段干燥速率 $R_c$:$3.06 \times 10^{-4} \, \text{kg水/(m}^2 \cdot \text{s)}$,换算为 $0.0153 \, \text{kg水/(m}^2 \cdot \text{h)}$(或保持秒单位计算)。

2. 恒速干燥阶段时间 $t_c$

恒速段干燥速率恒定,干燥的水分量为初始含水量与临界含水量之差,公式为:
$t_c = \frac{G (X_1 - X_c)}{R_c A}$

  • 水分差:$X_1 - X_c = 0.15 - 0.125 = 0.025 \, \text{kg水/kg绝干料}$
  • 代入计算:
    $t_c = \frac{1000 \times 0.025}{3.06 \times 10^{-4} \times 50} = \frac{25}{0.0115} \approx 1634 \, \text{s}$

3. 降速干燥阶段时间 $t_d$

降速段干燥速率曲线为直线,假设速率与自由水分含量成正比($R = R_c \frac{X}{X_c}$),积分得:
$t_d = \frac{G X_c}{R_c A} \ln\left( \frac{X_c}{X_2} \right)$

  • 对数项:$\ln\left( \frac{0.125}{0.005} \right) = \ln 25 \approx 3.2189$
  • 代入计算:
    $t_d = \frac{1000 \times 0.125}{3.06 \times 10^{-4} \times 50} \times 3.2189 = \frac{125}{0.0915} \times 3.2189 \approx 1366 \times 3.2189 \approx 26300 \, \text{s}$

4. 总干燥时间 $t$

$t = t_c + t_d = 1634 + 26300 = 27934 \, \text{s} \approx 7.76 \, \text{h}$

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