El!体物料干燥过程的平衡关系和速率关系 8.4.1物料的平衡湿含量一.平衡湿含量（平衡水分将湿物料与一定状态的空气接触发生去湿，直到物料表面所产生的蒸汽压与 空气中的水蒸气分压相等为止。此时物料中所含的水分称为该空气状态下物料的 平衡水分。平衡水分因物料种类的不同而有很大的差别，同一种物料的平衡水分也因空 气状况的不同而不同。某些物料在25C下的平衡水分与空气相对湿度的关系如图所示。由图可见 对于非吸水性物性，例如陶土的平衡水分几乎等于零，对于吸水性物料，例如烟 草，皮革及木材等的平衡水分较高，而且随空气状况不同而有较大的变化。由图 还可见当空气的相对湿度为零时，任何物料的平衡水分均为零。由此可知只有使 物料与相对湿度为零的空气相接触，才有可能获得绝干的物料。若物料与一定湿 度的空气进行接触，物料中总有一部分水分不能被除去，这部分水分就是平衡水 分。它表示在该空气状态下物料能被干燥的限度。通常物料的平衡水分都是由实 验测定得到的。若空气的相对湿度一定，则物料的平衡水分随空气温度升高而减小。二 结合水分和非结合水分结合水分和非结合水分是根据水分与物料结合力的状况来划分的。 结合水分包括物料细胞壁内的水分及小毛细管中的水分，这些水分与物料的结合力较 强。其特点是产生不正常的低蒸汽压，即其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽 压，致使干燥过程的传质推动力降低，所以结合水分较纯水难除去。 非结合水分包括物料中吸附的水分和孔隙中的水分，这些水分与物料是机械结合，结合 力较弱。物料中非结合水分与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，同时非结合水分 的汽化和纯水一样，在干燥过程中极易除去。三 平衡水分和自由水分两者是根据在一定的平衡条件下物料中所含的水分能否用干燥的方法加以 除去来划分的。牛叩药整戟箱桶!！结合水分和非结合水分，平衡水分和自由水分的关系用图表示出来。 8.4.2物料在定态空气条件下的干燥速率1. 干燥动力学实验1) ，干燥实验2) ,干燥曲线随着干燥过程的进行，水分被不断汽化，湿物料的质量不断减少，用记录仪记录，取湿物料质量随时间的变化规律，用测温元件汲取湿物料表面温度随时间的变化规律。XT曲线及。T曲线称为干燥曲线，如下图各中A表示物料起始含水量容度2,干燥开始后，物料含水量及其表面 温度均随时间而变化。曲线均存在这三个阶段：AB段:XT工附理（QQ，在阶段空气中的部分热量用于加热物料， 故物料的Z随的变化不大，即较小BC段： 叽心九在 阶段空气中的部分热量基本上成直线关系表面温 度恒定等于，阶段内的空气传递给物料的显热恰好等于水分从物料汽化所需的 潜热，而物料的表面温度等于热空气的。（这一阶段恰似湿球温度测温原理）。CDE段：血门比，物料开始升温，热空气中部分 热量用于加热物料时使其由f附升高到兔，另一部分热量用于汽化水分，因dZ/d T 逐渐变为平坦，直到物料中含水降至平衡水分忑为止。2、干燥速率曲线干燥速率（亦即水分汽化速率）时-為-GcdX AAd Ads 咤水网由干燥曲线求出各点斜率dX/d，按上式计算物料在不同含水量时的干燥速率，然后描出 叽干燥速率曲线。考察实验所得的干燥速率曲线可知，整个干燥过程可分为衡速干燥与降速干 燥阶段，每个干燥阶段的传热、传质有各自的特点。3、恒速干燥阶段在此阶段中，固体物料表面覆盖着水层，其状况与湿球温度计纱布表面的状 况相似。物体表面的温度等于该空气的湿球温度，此阶段的空气传递给物料 的显热恰好等于水分从物料表面汽化所需的潜热。当S为定值时，物料表面的 湿含量旦卩也为定值。所以，干燥速率与物料本身性质无关。应该指出，在整个恒速干燥阶段中，要求湿物料内部的水分向其表面传递的 速率能够与水分自物料表面汽化的速率相适应，使物料表面汽化始终维持润湿状 态。显然，恒速干燥阶段的干燥速率的大小取决于物料表面水分的汽化速率，以 取决于物料外部的干燥条件，所以恒速干燥阶段又称为表面汽化控制阶段。强化 过程：t上升，H下降，u上升。AB段叫预热段，此阶段所需的时间较短，一般并入BC段考虑。见例54、降速干燥阶段此阶段内干燥速率随物料含水量的减小而降低。降速阶段干燥速率的变化规 律与物料性质及其内部结构有关。降速的原因大致有如下四个：1）， 实际汽化表面减小随着干燥的进行，由于水分的不均匀分布，局部表面的水亦先除去而成“干区”。A （实际干燥面积）A （计算时的全部表面）。图中CD段，这 为第一降速阶段。2）， 汽化面的内移当物料全部表面都成为干区后，水分的汽化面逐渐向物料内部移动。此时固体内部的热、质传递途径加长，造成干燥速率下降，此为干燥速率曲线中的DE段，也称为第二降速阶段。3），平衡蒸汽压下降当物料中非结合水已被除尽，所汽化的已是各种形式的结合水时，平衡蒸 汽压将逐渐下降，使传质推动力减小，干燥速率也随之降低。4），固体内部水分的扩散极慢对非多孔性物质，如肥皂、木材等，汽化表面只能是物料的外表面，汽化面 不能内移。当表面水分去除后，干燥速率取决于固体内部水分的扩散。内扩散的 速率极慢，且扩散速率随含水量的减少而下降。扩散过程成为干燥过程的控制步 骤。此时干燥速率等于扩散速率，干燥速率与气速无关，与表面气一固两相的传 质系数必耳无关。强化干燥过程，必须增大使扩散速率上升。由于扩散速率与物料厚度的平方 成反比，减薄物料厚度降有效的提高干燥速率。5、临界含水量区匚两个干燥阶段的干燥曲线的交点c点称为临界点，与该点对应的物料含水量 称为临界含水量，而从中扣除平衡含水量用后则称为临界自由含水量疋c。临 界点c处的干燥速率仍等于恒速阶段的干燥速率。临界含水量不但与物料本身的结构、分散程度有关，也受干燥介质条件（流 速u、t、H）的影响。物料分散越细，临界含水量越低；等速的干燥速率越大， 临界含水量越高，即降速阶段较早的开始（物料的疋匚通常由实验测定）。若临界含水量疋匚值越大便会较早的转入降速干燥阶段，使在相同的干燥任 务下所需的干燥时间长。确定物料的畫值，不仅对于干燥速率和干燥时间的计算时十分必要的，而 且由于影响二个干燥阶段的干燥速率的因素不同，因此，确定 蛊匚值对于 如 何强化具体的干燥过程也有重要意义。6、干燥操作对物料形状的影响在恒速阶段，物料表面温度等于f附。因此，即使在高温下易于变质破坏的 物料（塑料、药物、食品等）仍然允许t较高，以提高干燥速率和热的利用率。 在降速阶段，物料温度逐渐升高，故在干燥后期须注意不使物料温度过高。通常 减缓干燥速率，使物料内部水分分布比较均匀，以避免产生表面硬化、开裂、起 皱等不良现象，常需对降速阶段的干燥条件严格加以控制。 8.4.3间歇干燥过程的计算1、干燥时间物料干燥时间的确定：1）原则上恒定条件下的干燥实验，且试料的分散程度（或堆积厚度）必须与生产时相同。2）当生产条件与实验差别不大时,可以估算，但干燥条件不变。1）.衡速阶段的干燥时间1GedXAdsGedXaax7%或由实验确定，或按传质或传热速率式计算CE几种典型接触方式的给热系数经验式 空气平行于物料表面流动K = O.O143Gos7/g.2 ,8-8.14,/ = 45150V 空气自上而下或自下而上穿过颗粒堆积层曲=A y刃）M/訂匚喘厂0 49j p 单一球型颗粒悬浮于气流中 EK” dpQ dy-pA =A H2）.降速干燥阶段 2 ai)当降速干燥阶段的干燥速率叽二了（蛊）随物料的含水量呈非线性变化时，应采用图解积分法计算邑ii)当降速干燥阶段的干燥速率叽二佔可近似作为直线处理,55i 4*即叫二圧+心dNA = adX,dX=-dNAa =, %YL-兀-才于竺血冬 当搭二o，贝y $ 总干燥时间 = 、-邑2.干燥结束时的物料温度降速阶段:厚层物料，表里温度不均匀，存在温度分布薄层或扩散的物料，内外温差不大，可视为均匀。为此可用气固间的传热与 传质速率式找出干燥终了时物料的温度与含水量的关系。降速阶段，取/厂时间微元物料升温川丘含水量降低盘假设咲务血二7勿朋疋代入上式边界条件B胃f _妁=（去-斥卜%-臥-如孚叭-5 Q G解此微分方程._ _. 8.4.4连续干燥过程的一般特性1. 连续干燥过程的特点以并流连续干燥为例说明气流dk点以前：，预热阶段+表面汽化阶段预热段：坊呼h，丹1 匚比表面汽化段：山切心一吒二曲二5&弘-吃）T仓沿途下降，加二心-几，凤沿途增加，山丹二丹尸-禺眄! J沿途下降不再是恒速阶段如Q匚=,则表面汽化段中气体绝热增湿，物料温度维持不变。K点以后升温阶段，比丁二坷血丄二耳，叫上但吧芝Kr. X2. 连续干燥过程的数学描述描述方法：液柱法t,H, 9 =f(x,y,z)与无关考察对象：垂直于气流运动方向上取一设备微元dV式。数学描述：对微元写出物料衡算式，质量衡算式及相际传热与传质速率方程 8.4.5连续干燥过程的物料衡算与热量衡算1. 物料衡算为完成一定的干燥任务，需确定干燥器的有关尺寸，配置风机和预热器连续干燥器如下图所示:以干燥器为控制体对水分作物料衡算IH也 # j! 晶臺11呼二空闪-场）化-駕）2. 热量衡算1. 预热器：以预热器为控制体作热量衡算q皿nq十和）%-Q = 叫 +C；禺+卩（S + q丹1）匕-G2. 干燥器：以干燥器为控制体作热量衡算弘+ Q G冈+包/】+祀厨二冋2 + Gc G耳+ Q兀6比 弘 + 叽 6 + 6 兀）+WCA 二弘 + G + C 足）.令备二G+6兀為二亿+G毘仏W巴得y（cs十u,禺）（即二厂毘-国血十u掐-6即十袖風-即我5 十G也）D =比禺-乩.）仇十-6即十&工减侶-即十日3. 物料衡算式与热量衡算式的联立求解设计型计算中，上两式中,乞傀“2是由干燥任务规定的, 对于实际干燥过程q二乳干燥末期气固间及物料内部蒔质，传热的综合效果）一般由实验测定。对于扩散的细颗粒物料联立求解物料衡算式、热量衡算式得：卩兄从而选择适用的风机，预热器及确定干燥器的有关尺寸。4. 连续干燥过程的热效率令Q二叫禺-碍彷即这样十 = q十2十爲Q二叫q十c;町皿q十q%!% 二q十念十念十鸟令2(阵+6唤-如)口一 】十定义热效率：21) .tn-t!，但同时IN a-Tf，干燥设备容积增大。若t过低，则气流易在设备及管道出口处散热而析出水滴返潮。一般t的选择：f认+ (20 502) .fn-f t-f IV IQ It的界限：f 物料的热限温度对于不能经受高温的物料，采用中间加热的方式即在干燥器内设置一个或多 个中间加热器，往往可提高n。另外，在干燥操作中，往往将废气中的热量进行回收，以降低能耗。生产中 利用废气预热冷空气或冷物料。 8.4