固体物料干燥——干燥速率

2.平衡水分和自由水分
一定干燥条件下，按能否除去，分为平衡水分与自由水分。 平衡水分：低于平衡含水量 X* 的水分，是不可除水分。 自由水分：高于平衡含水量 X* 的水分，是可除水分。
干燥过程：当湿物料与不饱 和空气接触时，X 向 X* 接近， 干燥过程的极限为 X*。物料 的 X* 与湿空气的状态有关， 空气的温度和湿度不同，物 料的 X* 不同。欲使物料减湿 至绝干，必须与绝干气体接 触。
由于物料预热段很短，通常将其 并入恒速干燥段； 以临界湿含量 Xc 为界，可将干 燥过程只分为恒速干燥和降速干 燥两个阶段。
设物料的初始湿含量为 X1 ，产 品湿含量为 X2： 当 X1＞Xc 和 X2＜Xc 时，干燥有 两个阶段； 当 X1＜Xc ， X2＞Xc 时，干燥都 只有一个阶段，即恒速干燥段。
干燥任务四
干燥动力学
1．明确结合水分与非结合水分， 平衡水分和自由水分概念； 2.用干燥曲线和干燥速率曲线指导 干燥实践； 3.比较常见固体材料临界含水量。
第二节干燥相平衡关系及干燥速率 湿物料水分含量的表示方法 湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。 湿基含水量 w：水分在湿物料中的质量百分数。
临界湿含量（Critical moisture content）
Xc 决定两干燥段的相对长短，是确定干燥时间和干燥器尺寸的基础数 据，对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要。
物 品种 粘土 料 厚度mm 6.4 速度m/s 1.0 空气条件 温度℃ 37 相对湿度% 0.10 临界湿含量 kg水/ kg干料 0.11
干燥曲线和干燥速率曲线 干燥曲线：物料含水量 X 与干燥时间 的关系曲线。 预热段(Pre-heat period)： B A 预热段 初始含水量 X1 和温度 t1 变 为 X 和 tw。物料吸热升温 C 降速段 以提高汽化速率，但湿含 Xc D 恒速段 量变化不大。 恒速干燥段 D (Constant-rate period)： tw 物料温度恒定在 tw ， X~ C B A 变化呈直线关系，气体传 给物料的热量全部用于湿 干燥时间 份汽化。
不同物料的干燥机理不同，湿份内扩散机理不同，干燥 速率曲线的形状不同，情况非常复杂，故干燥曲线应由 实验的方法测定。
干燥速率的定义
干燥速率：单位时间内、单位干燥面积上气化的水
分质量。
U：干燥速率kg/(m2· s)； W1：一批操作中气化的水分量，kg；
S：干燥面积，m2
：干燥时间，s。
干燥曲线和干燥速率曲线 干燥速率曲线：干燥速率 U 或干燥速度 N 与湿含量 X 的 关系曲线。干燥过程的特征在干燥速率曲线上更为直观。
一般物料的吸湿性 都介于二者之间。
对流干燥的基本规律 干燥曲线和干燥速率曲线 Drying curve and drying-rate curve 对一定干燥任务，干燥器尺寸取决于干燥时间和干燥速 率。 由于干燥过程的复杂性，通常干燥速率不是根据理论进 行计算，而是通过实验测定的。
为了简化影响因素，干燥实验都是在恒定干燥条件下进 行的，即在一定的气－固接触方式下，固定空气的温度、 湿度和流过物料表面的速度进行实验。 为保证恒定干燥条件，采用大量空气干燥少量物料，以 使空气的温度、湿度和流速在干燥器中恒定不变。实验 为间歇操作，物料的温度和含水量随时间连续变化。
w 水分质量 100% 物料总质量
干基含水量 X：湿物料中的水分与绝干物料的质量比。
水分质量 X 纯干物料总质量
换算关系：
w
X 1 X
w X 1 w
工业生产中，物料湿含量通常以湿基含水量表示，但由 于物料的总质量在干燥过程中不断减少，而绝干物料的 质量不变，故在干燥计算中以干基含水量表示较为方便。
2 Gc
o X2
dX X2 U
Xc
Xc X
降速干燥段的干燥时间
(2) 解析法
当降速段的U ~ X 呈线性变化 时，可采用解析法。 降速段干燥速率曲线可表示为
U XX Uc X c X
G 2 c S
Xc
干燥速率 U
Uc U D X*
C
B A

X X U Uc Xc X
X
X Xc 湿含量 X
Gc ( X c X ) X c X dX Gc ( X c X ) c dX X 2 U U c S X X X U c S ln X 2 X 2
当缺乏平衡水分的实验数据时， Gc ( X c X ) ln X c 2 UcS X2 可以假设 X* = 0，则有
干燥时间为：τ = τ1 + τ2
2.干燥过程的物料衡算和热量衡算 物料衡算（Mass balance） 水分蒸发量：
湿废气体 L , H2 湿物料 G1 , w1
W G1 G2 Gc ( X1 X 2 ) L( H 2 H1 )
干燥产品 G2 , w2 G1 — 湿物料进口的质量流率，kg/s； G2 — 产品出口的质量流率，kg/s； Gc — 绝干物料的质量流率，kg/s； w1 — 物料的初始湿含量； w2 — 产品湿含量； L — 绝干气体的质量流率，kg/s； H1 — 气体进干燥器时的湿度； H2 — 气体离开干燥器时的湿度； W —单位时间内汽化的水分量，kg/s。
物料的吸湿性 物料湿含量的平衡曲线有两种极端情况。 强吸湿性物料：与水分的结合力很强，平衡线只是渐近 地与 = 100% 接近，平衡湿含量很大。如某些生物材料。 非吸湿性物料：与水结合力很弱，平衡线与纵坐标基本 重合， X*=Xh0 ，如某些不溶于水的无机盐 ( 碳酸盐、硅 酸盐)等。
1.0
0.8 相对湿度 0.6 0.4 0.2 0 0.1 0.2 湿含量 X 0.3 氯化锌 优质纸 木材 烟叶
1.0 相对湿度
0.5
结合水分 Xh
非结合 水分
0
湿含量 X
结合水分按结合方式可分为：吸附水分、毛细管水分、溶 涨水分(物料细胞壁内的水分)和化学结合水分(结晶水)。 化学结合水分与物料细胞壁水分以化学键形式与物料分子 结合，结合力较强，难汽化；吸附水分和毛细管水分以物 理吸附方式与物料结合，结合力相对较弱，易于汽化。
粘土
粘土 高岭土 铬革
15.9
25.4 30 10
1.0
10.6 2.1 1.5
32
25 40 49
0.15
0.40 0.40 -
0.13
0.17 0.181 1.25
25 2.0 54 0.17 0.21 砂＜0.044mm 注意：Xc 与物料的厚度、大小以及干燥速率有关，所以 0.044~0.074mm 25 3.4 53 0.14 0.10
热空气 L , H1
绝干空气消耗量 L
W L 1 l 绝干空气比消耗 H 2 H1 W H 2 H1
热量衡算（Heat balance）
பைடு நூலகம்
1
0
Gc X c Gc ( X 1 X c ) d dX X 1 UcS UcS
Q (t t w ) Uc rtw rtw
1
Gc ( X 1 X c )rtw
S (t t w )
若传热干燥面积 S 为已知，则由上式求干燥时间 的问 题归结为气固对流给热系数 α的求取。
湿份在气体和固体间的平衡关系 湿份的传递方向 (干燥或吸湿) 和限度 (干燥程度) 由湿份 在气体和固体两相间的平衡关系决定。
p ps p
X*
Xh
X
平衡状态：当湿含量为 X 的湿物料与湿份分压为 p 的不 饱和湿气体接触时，物料将失去自身的湿份或吸收气体 中的湿份，直到湿份在物料表面的蒸汽压等于气体中的 湿份分压。 平衡含水量：平衡状态下物料的含水量。不仅取决于气 体的状态，还与物料的种类有很大的关系。
1.0 相对湿度 结合水分 0.5 平衡水分
非结合 水分
自由水分 0
X*
Xh
湿含量 X
吸湿过程：若 X<Xh ，则物料将吸收饱和气体中的水分使 湿含量增加至湿含量 Xh，即最大吸湿湿含量，物料不可 能通过吸收饱和气体中的湿份使湿含量超过 Xh。欲使物 料增湿超过 Xh，必须使物料与液态水直接接触。
(1) 图解积分法
当降速段的U ~ X 呈非线性变 化时，应采用图解积分法。
2
2
0 X c dX dX d Gc Gc Xc U X2 U X2
Gc / U
在 X2 ~ Xc 之间取一定数量的 X 值，从干燥速率曲线上查 得对应的 U，计算 Gc /U； 作图Gc /U ~ X，计算曲线下 面阴影部分的面积。
湿含量X 物料表面温度
X*
t
降速干燥段 (Falling-rate period)： 物料开始升温，X 变化减慢，气体传给物料的热量仅部分 用于湿份汽化，其余用于物料升温，当 X = X* ， = t。
物料的结构和吸湿性 降速段干燥速率曲线的形状因物料的结构和吸湿性而异。 多孔性物料 (Porous media)：湿份主要是藉毛细管作用由 内部向表面迁移。 非多孔性物料 (Nonporous media)：借助扩散作用向物料 表面输送湿份，或将湿份先在内部汽化后以汽态形式向 表面扩散迁移。如肥皂、木材、皮革等。 吸湿性物料 (Hygroscopic media)：与水份的亲合能力大。 非吸湿性物料 (Nonhygroscopic media)：
白岭粉
白岭粉
6.4
16
1.0
9~11
37
26
0.40
0.04
0.13
第三节 干燥过程的计算
1.恒定干燥条件下干燥时间的计算 物料的停留时间应大等于给定条件下将物料干燥至指定 的含水量所需的干燥时间，并由此确定干燥器尺寸。 恒速干燥段的干燥时间 若已知物料的初始湿含量 X1 和临界湿含量 Xc，则恒速段 的干燥时间为