第四節(jié) 固體物料干燥過程的平衡關系和速率關系

第四節(jié)體物料干燥過程的平衡關系和速率關系§8.4.1物料的平衡濕含量一.平衡濕含量（平衡水分X*）將濕物料與一定狀態(tài)的空氣接觸發(fā)生去濕，直到物料表面所產生的蒸汽壓與空氣中的水蒸氣分壓相等為止。此時物料中所含的水分稱為該空氣狀態(tài)下物料的平衡水分。平衡水分因物料種類的不同而有很大的差別，同一種物料的平衡水分也因空氣狀況的不同而不同。某些物料在25°C下的平衡水分與空氣相對濕度的關系如圖所示。由圖可見對于非吸水性物性，例如陶土的平衡水分幾乎等于零，對于吸水性物料，例如煙草，皮革及木材等的平衡水分較高，而且隨空氣狀況不同而有較大的變化。由圖還可見當空氣的相對濕度為零時，任何物料的平衡水分均為零。由此可知只有使物料與相對濕度為零的空氣相接觸，才有可能獲得絕干的物料。若物料與一定濕度的空氣進行接觸，物料中總有一部分水分不能被除去，這部分水分就是平衡水分。它表示在該空氣狀態(tài)下物料能被干燥的限度。通常物料的平衡水分都是由實驗測定得到的。若空氣的相對濕度一定，則物料的平衡水分隨空氣溫度升高而減小。結合水分和非結合水分結合水分和非結合水分是根據(jù)水分與物料結合力的狀況來劃分的。結合水分包括物料細胞壁內的水分及小毛細管中的水分，這些水分與物料的結合力較強。其特點是產生不正常的低蒸汽壓，即其蒸汽壓低于同溫度下純水的飽和蒸汽壓，致使干燥過程的傳質推動力降低，所以結合水分較純水難除去。非結合水分包括物料中吸附的水分和孔隙中的水分，這些水分與物料是機械結合，結合力較弱。物料中非結合水分與同溫度下純水的飽和蒸汽壓相同，同時非結合水分的汽化和純水一樣，在干燥過程中極易除去。三.平衡水分和自由水分兩者是根據(jù)在一定的平衡條件下物料中所含的水分能否用干燥的方法加以除去來劃分的。

BFi*好耕ti■BFi*好耕ti■和自由水分的關系用圖表示出來?！?.4.2物料在定態(tài)空氣條件下的干燥速率干燥動力學實驗，干燥實驗,干燥曲線隨著干燥過程的進行，水分被不斷汽化，濕物料的質量不斷減少，用記錄儀記錄，取濕物料質量隨時間的變化規(guī)律，用測溫元件汲取濕物料表面溫度隨時間的變化規(guī)律。x?t曲線及e?t曲線稱為干燥曲線，如下圖各中A表示物料起始含水量應】,容度0,干燥開始后，物料含水量及其表面溫度均隨時間而變化。曲線均存在這三個階段：AB段：應-工跛，日T%（0r），在階段空氣中的部分熱量用于加熱物料，故物料的Z隨的變化不大，即較小BC段：殘-乂"3在階段空氣中的部分熱量基本上成直線關系表面溫度恒定等于，階段內的空氣傳遞給物料的顯熱恰好等于水分從物料汽化所需的潛熱，而物料的表面溫度等于熱空氣的。（這一階段恰似濕球溫度測溫原理）。CDE段:壓TBqT'e，物料開始升溫，熱空氣中部分熱量用于加熱物料時使其由5升高到可，另一部分熱量用于汽化水分，因dZ/dT逐漸變?yōu)槠教梗钡轿锪现泻抵疗胶馑諼*為止。2、干燥速率曲線干燥速率（亦即水分汽化速率）

由干燥曲線求出各點斜率dX/de，按上式計算物料在不同含水量時的干燥速率，然后描出虬?區(qū)干燥速率曲線。t?t?hrrHi■<I■■洲旄F"I■漫章■雌考察實驗所得的干燥速率曲線可知，整個干燥過程可分為衡速干燥與降速十燥階段，每個干燥階段的傳熱、傳質有各自的特點。3、恒速干燥階段在此階段中，固體物料表面覆蓋著水層，其狀況與濕球溫度計紗布表面的狀況相似。物體表面的溫度等于該空氣的濕球溫度知，此階段的空氣傳遞給物料的顯熱恰好等于水分從物料表面汽化所需的潛熱。當山為定值時，物料表面的濕含量丑甲也為定值。所以 ，干燥速率與物料本身性質無關。

應該指出，在整個恒速干燥階段中，要求濕物料內部的水分向其表面?zhèn)鬟f的速率能夠與水分自物料表面汽化的速率相適應，使物料表面汽化始終維持潤濕狀態(tài)。顯然，恒速干燥階段的干燥速率的大小取決于物料表面水分的汽化速率，以取決于物料外部的干燥條件，所以恒速干燥階段又稱為表面汽化控制階段。強化過程：t上升，H下降，u上升。AB段叫預熱段，此階段所需的時間較短，一般并入BC段考慮。見例54、降速干燥階段此階段內干燥速率隨物料含水量的減小而降低。降速階段干燥速率的變化規(guī)律與物料性質及其內部結構有關。降速的原因大致有如下四個：1），實際汽化表面減小隨著干燥的進行，由于水分的不均勻分布，局部表面的水亦先除去而成“干區(qū)”。A（實際干燥面積）＜A（計算時的全部表面）。圖中CD段，這為第一降速階段。2），2），汽化面的內移當物料全部表面都成為十區(qū)后，水分的汽化面逐漸向物料內部移動。此時固體內部的熱、質傳遞途徑加長，造成干燥速率下降，此為干燥速率曲線中的DE段，也稱為第二降速階段。3） ，平衡蒸汽壓下降當物料中非結合水已被除盡，所汽化的已是各種形式的結合水時，平衡蒸汽壓將逐漸下降，使傳質推動力減小，干燥速率也隨之降低。4） ，固體內部水分的擴散極慢對非多孔性物質，如肥皂、木材等，汽化表面只能是物料的外表面，汽化面不能內移。當表面水分去除后，干燥速率取決于固體內部水分的擴散。內擴散的速率極慢，且擴散速率隨含水量的減少而下降。擴散過程成為干燥過程的控制步驟。此時干燥速率等于擴散速率，干燥速率與氣速無關，與表面氣一固兩相的傳質系數(shù)"百無關。強化干燥過程，必須增大使擴散速率上升。由于擴散速率與物料厚度的平方成反比，減薄物料厚度降有效的提高干燥速率。5、臨界含水量兩個干燥階段的干燥曲線的交點c點稱為臨界點，與該點對應的物料含水量稱為臨界含水量，而從中扣除平衡含水量X*后則稱為臨界自由含水量應c。臨界點c處的干燥速率仍等于恒速階段的干燥速率。臨界含水量不但與物料本身的結構、分散程度有關，也受干燥介質條件（流速u、t、H）的影響。物料分散越細，臨界含水量越低；等速的干燥速率越大，臨界含水量越高，即降速階段較早的開始（物料的X。通常由實驗測定）。若臨界含水量X-值越大便會較早的轉入降速干燥階段，使在相同的干燥任務下所需的干燥時間長。確定物料的值，不僅對于干燥速率和干燥時間的計算時十分必要的，而且由于影響二個干燥階段的干燥速率的因素不同，因此，確定X-值對于如何強化具體的干燥過程也有重要意義。6、干燥操作對物料形狀的影響在恒速階段，物料表面溫度等于山。因此，即使在高溫下易于變質破壞的物料（塑料、藥物、食品等）仍然允許t較高，以提高干燥速率和熱的利用率。在降速階段，物料溫度逐漸升高，故在干燥后期須注意不使物料溫度過高。通常減緩干燥速率，使物料內部水分分布比較均勻，以避免產生表面硬化、開裂、起皺等不良現(xiàn)象，常需對降速階段的干燥條件嚴格加以控制?！?.4.3間歇干燥過程的計算1、干燥時間物料干燥時間的確定：1）原則上恒定條件下的干燥實驗，且試料的分散程度（或堆積厚度）必須與生產時相同。2）當生產條件與實驗差別不大時，可以估算，但干燥條件不變。1）.衡速階段的干燥時間e1EK恒速度Nqg,” 切虬1?元E=色（芍-芯）T皿或由實驗確定，或按傳質或傳熱速率式計算幾種典型接觸方式的給熱系數(shù)經(jīng)驗式空氣平行于物料表面流動K=0.0143G0B^/g.Dc.^2，&=0.68?8.14，=45~150oc空氣自上而下或自下而上穿過顆粒堆積層

淳=0.0139蕓=0肆=^^>35Q)kJ/sac.m2a=0QU8簫(%=號<350)單一球型顆粒懸浮于氣流中亨=2+0.65明礦2).降速干燥階段hAkna?.?yGe產dXi） 當降速干燥階段的干燥速率、=『（X）隨物料的含水量呈非線性變化時，應采用圖解積分法計算知ii)當降速干燥階段的干燥速率皿=*可近似作為直線處理，

ii)即N,=aX+bdNA=adX,dX=-dNAa瓦站-X*嚀4A當X*=G,則2an.站總干燥時間￡=￡1—形2.干燥結束時的物料溫度恒速階段：3

降速階段：當X= =￡厚層物料，表里溫度不均勻，存在溫度分布薄層或擴散的物料，內外溫差不大，可視為均勻。為此可用氣固間的傳熱與傳質速率式找出干燥終了時物料的溫度與含水量的關系。降速階段，取打時間微元物料升溫含水量降低迎則庭（-日向"氣疚+GQ次假設假設ds=-GedXIAK,X代入上式邊界條件X=XC^=3W吼-京-知）學）—-知） :解此微分方程§8.4.4連續(xù)干燥過程的一般特性連續(xù)干燥過程的特點以并流連續(xù)干燥為例說明Zi 1xb?M / It j1 1一 J:JLZJIL-L—jJArtikHzj I:hTji. iw干燥器 }一’—1 -.1?&2物料的H!i1 -"1;；」表面汽化現(xiàn)象 .J1預姑階段― 衣IBJ門1七硯對. 二'升溫階段k點以前：X乏工￡，預熱階段+表面汽化階段預熱段：‘1 '中"1 ‘3，丑1,丑』,表面汽化段：召二W，￡j一^隊，丑J一丑NA=aA(tl-&)=kHA(H^-Hl)...4沿途下降，山=4一卯，珞沿途增加，△丑=丑呷-丑，?..皿上沿途下降不再是恒速階段如S2z=0,則表面汽化段中氣體絕熱增濕，物料溫度維持不變。K點以后升溫階段，乩Tn務，九'n勺,Na、但皿MX連續(xù)干燥過程的數(shù)學描述描述方法：液柱法t,H,0=f(x,y,z)與￡無關考察對象：垂直于氣流運動方向上取一設備微元dV數(shù)學描述：對微元寫出物料衡算式，質量衡算式及相際傳熱與傳質速率方程式?！?.4.5連續(xù)干燥過程的物料衡算與熱量衡算1.物料衡算為完成一定的干燥任務，需確定干燥器的有關尺寸，配置風機和預熱器連續(xù)干燥器如下圖所示:

2.熱量衡算以干燥器為控制體對水分作物料衡算2.熱量衡算以干燥器為控制體對水分作物料衡算W=Gc(X1-X2)=V(H2-H1)預熱器：以預熱器為控制體作熱量衡算&=此（匕_L）=叮丑】）（￡】_%）R=/(弓+R丑］)(虹TJ+2.干燥器：以干燥器為控制體作熱量衡算刃］+ +［應攔必+噸舟=也+ 務+&￡攔迅叫+G點0+4站）+噸我=%+ +4也）+召令n』+w又mu%I2=(Cg+CvH2)t2+rQH2得/q+QHgiF)=5-m+W一5+￥胰職-執(zhí))+8叮q+弓五口）（"勺）=叮珞-珞族 -t/］）+［4（%-&］）+&物料衡算式與熱量衡算式的聯(lián)立求解設計型計算中，上兩式中，也出】，X1，X%是由干燥任務規(guī)定的，對于實際干燥過程%=刃干燥末期氣固間及物料內部傳質，傳熱的綜合效果）一般由實驗測定。對于擴散的細顆粒物料聯(lián)立求解物料衡算式、熱量衡算式得：5從而選擇適用的風機，預熱器及確定干燥器的有關尺寸。連續(xù)干燥過程的熱效率令0求血-珞族+%“舟）這樣+gw與)=0+￡+&咦令ZR+gjf邛—0+4定義熱效率： 2.tn一tl，但同時INa-Tt,干燥設備容積增大。若t過低，則氣流易在設備及管道出口處散熱而析出水滴返潮。一般t的選擇：+(20~5Q)P.tn—tt-tI-VI—QIt的界限：￡營物料的熱限溫度對于不能經(jīng)受高溫的物料，采用中間加熱的方式即在干燥器內設置一個或多個中間加熱器，往往可提高n。另外，在干燥操作中，往往將廢氣中的熱量進行回收，以降低能耗。生產中利用廢氣預熱冷空氣或冷物料?！?.4.6理想干燥過程的計算[2z=o（巳C亂十巳亂島若干燥過程中：0=0（干燥器內不補充熱量）則由干燥器為控制體的熱量衡算式：%=礦&,1\=卜空氣體的狀態(tài)變化在I-H圖上為：其特點：在此干燥過程中，所有水分都是在表面汽化階段被除去，物料表面濕度恒定不變，即等于與之接觸的空氣濕球溫度。這實質上是物料內部水分向表面擴散的速率遠大于表面汽化速率。致使物料表面濕度與飽和溫度同內部傳遞過程無關。當然是假定的、虛擬的、理想的對實際過程的簡化處理。但對于應旨艮低、顆粒尺寸又很細小的擴散物料保溫良好的干燥可視為理想干燥過程。數(shù)學描述方法：取設備微元dV為控制體列出微元內的物料衡算式、熱量衡算式、相間傳熱傳質速率式理想干燥過程的計算以微元體dV為控制體「水分物衡：VdH=-GcdXI熱量衡算式：di=0^6*=0）傳熱速率式：-C^dt= -加『聯(lián)立求解：饞質速率式：頃= 印...在理想干燥過程中，下式必成立:-C^dt=r^dH得 a白=如將物料、熱量衡算式2分別積分得：叮地-珞）=叫（芍-站）或將傳熱或傳質速率式積分可求得V（設備容積）由于％比止壺更易得到，為此f=2Lrc0%L1-6數(shù)值積分得V在設計型計算中也,3”％是已知量"如是選擇如作近似計算取積分式CH=CsCVH=constJ*J%攪=（0-蜘）-&-知）*一InH—h一知理想干燥過程的熱效率=Q】=Q+Eg\f=kfT7=>^T或弓J§8.4.7實際干燥過程所需容積的估算