青海大学干燥课件第5章第3节固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系.ppt

第五章 干燥,一、物料中所含水分的性质 二、干燥曲线和干燥速率曲线 三、干燥时间的计算,第三节 固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系,2019/4/14,干燥动力学,物料衡算和热量衡算,W、L、Q,选风机、预热器,干燥速度和干燥时间（干燥动力学）,干燥器的设计,干燥速度即取决于空气的性质和操作条件，也取决于水分在空气与物料间的平衡关系。,水分在空气与物料间的平衡关系,用干燥方法从物料中除去水分与 物料结构 空气状态 含水分的性质 有关,2019/4/14,一、物料中所含水分的性质,1、平衡水分及自由水分,1) 平衡水分,当物料与一定状态的空气接触后，物料将释放或吸入水分，最终达到恒定的含水量，若空气状态恒定，则物料将永远维持这么多的含水量，不会因接触时间延长而改变，这种恒定的含水量称为该物料在固定空气状态下的平衡水分，又称平衡含湿量或平衡含水量，以X*表示，单位为kg水/kg绝干料。,用某种空气无法再去除的水分，可由实验测得。与物料的种类、温度及空气的相对湿度有关，物料中的平衡水分随温度升高而减小随湿度的增加而增加。,2) 自由水分,在干燥过程中所能除去的超出平衡水分的那一部分水分。,一定干燥条件下，按能否除去，水分可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。,思考题：物料中的平衡水分能否被全部除去？,2019/4/14,平衡含水量X*与空气相对湿度 的关系（25 ）,1新闻纸 2羊毛、毛织物 3硝化纤维 4丝 5皮革 6陶土 7烟叶 8肥皂 9牛皮胶 10木材 11玻璃绒 12棉花,湿物料用湿空气进行干燥，能否得到绝干物料？,非吸水性物料，x*8kg水/100kg干料,2019/4/14,2、结合水分和非结合水分,一定干燥条件下，按水分除去的难易，水分可分为结合水与非结合水。,结合水分: 与物料存在某种形式的结合，其汽化能力比独立存在的水要低，蒸气压或汽化能力与水分和物料结合力的强弱有关。,非结合水分: 与物料机械形式的结合，附着在物料表面的水，具有和独立存在的水相同的蒸气压和汽化能力。,难于除去,易于除去,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。,2019/4/14,固体物料中所含水分的性质,总 水 分,平衡 水分,自由 水 分,非结合水分,结合水分,物料的总水分、平衡水分、自由水分、非结合水分与结合水分之间的关系。,平衡水分一定是结合水分；自由水分包括了全部非结合水分和一部分结合水分。,2019/4/14,二、干燥曲线和干燥速率曲线,1、干燥实验和干燥曲线,干燥实验: 用大量的热空气干燥少量的湿物料，空气的温度、湿度、气速及流动方式等都恒定不变。定时测定物料的质量变化，并记录每一时间 时物料的质量W及物料的表面温度，直到物料的质量恒定为止，此时物料与空气达到平衡状态，物料中所含水分即为该条件下的平衡水分。,恒定干燥条件,间歇操作,用大量的空气干燥少量的物料,维持空气的速度及与物料的接触方式不变,实验数据,2019/4/14,洞道干燥实验流程示意图,1洞道干燥室 2离心鼓风机 3孔板流量计 4温度计 5干燥物料 6重量传感器 7加热器 8湿球温度计 9干球温度计 10重量显示仪 11温度显示仪 12湿球温度显 示仪 13电加热控制 仪表,2019/4/14,干燥曲线: 物料含水量X与干燥时间、物料表面温度和干燥时间的关系曲线，这两条曲线均称为干燥曲线。,AB预热阶段,BC干燥阶段（第一干燥阶段）,CD干燥阶段（第二干燥阶段）,热量主要用于物料升温,热量用于 汽化水分,热量用于汽化水分和加热物料,2019/4/14,2、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。,干燥速率: 单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分质量,即,ABC段表示干燥第一阶段，BC段为恒速干燥阶段,AB段为物料的预热阶段，但此段所需的时间很短，一般并入BC段内考虑 。 CDE段为第二阶段，在此阶段内干燥速率随物料含水量的减小而降低，称为降速干燥阶段。 两个干燥阶段之间的交点称为临界点。与该点对应的物料含水量称为临界含水量Xc。,设物料的初始湿含量为X1，产品湿含量为X2; 当X1Xc和X2Xc时，干燥有两个阶段； 当X1Xc或X2Xc时，干燥都只有一个阶段，即恒速干燥段。,2019/4/14,恒定干燥条件下干燥速率曲线,预热阶段,恒速干燥阶段,降 速 干 燥 阶 段,临界湿 含量,临界干燥速率,2019/4/14,3、干燥机理,(1) 恒速干燥阶段,恒速干燥阶段中，固体物料的表面非常润湿，其状况与湿球温度计的湿棉布表面的状况类似。,恒定干燥条件下 =tw，p=ps,和kH 不变,湿物料与空气间的Q和N恒定,由物料内部向表面输送的水分足以保持物料表面的充分湿润，X Xc，汽化的水分是非结合水。干燥速率由水分汽化速率控制(取决于物料外部的干燥条件)，故恒速干燥段又称为表面汽化控制阶段。只与空气的状态有关,恒速干燥的特点,1）U=Uc=const； 2）物料表面温度为tw； 3）在该阶段除去的水分为非结合水分； 4）恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态有关，而与物料的种类无关。,2019/4/14,(2) 降速干燥阶段,1) 物料实际汽化表面变小 (出现干区)，第一降速段(CD)； 2) 汽化表面内移，第二降速段(DE)；（传热传质阻力增大，速率进一步减小） 3) 平衡蒸汽压下降 (各种形式的结合水)； 4) 固体内部水分扩散速度极慢 (非多孔介质)。 降速段干燥速率取决于湿分与物料的结合方式，以及物料的结构，物料外部的干燥条件对其影响不大。,X Xc,降速段干燥速率曲线的形状因物料的结构和吸湿性而异。降速阶段的干燥速率取决于物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质的状态参数关系不大，故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。,降速干燥阶段特点,1）随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥速率降低； 2）物料表面温度大于湿球温度； 3）除去的水分为非结合、结合水分； 4）降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、形状及尺寸有关，而与空气状态关系不大。,2019/4/14,降速干燥速率曲线,因物料的内在性质不同而异。 四种典型形状的干燥速率曲线。,（a）大孔隙粒状物料层干燥、粉粒状物料分散干燥、液滴干燥及薄片状物料等的干燥，其干燥速率与含水量近似呈线性关系。 （b）非亲水性细粉粒堆积层或纤维状物料层的干燥，依靠毛细管力的作用，使水分通过细小孔隙向物料表面传递。 （c）纤维性物料（木材）或细小粉粒物料（粘土、淀粉）等亲水性物料的干燥，第一降速阶段水分的传递主要依靠毛细管力，而第二降速阶段水分与水汽的传递主要依靠扩散作用。 （d）肥皂、胶类等能与水形成均相溶液的无孔吸湿性物料的干燥，物料内部与表面有浓度差，水分借扩散作用向表面传递，在表面汽化。这类物料不存在恒速干燥阶段。,2019/4/14,(3) 临界含水量,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。,注意: Xc与物料的厚度、大小以及干燥速率有关，所以不是物料本身的性质。一般需由实验测定。,Xc的影响因素：物料本身性质、干燥介质、物料与干燥介质的接触方式。,2019/4/14,Xc随物料的性质、厚度及干燥速率等有关 无孔吸水性物料的Xc 多孔物料 物料层越厚，c值越大 恒速干燥段干燥速率大，这可能使物料表面板结，较早地进入降速干燥段，c较大 c值越大，转入降速干燥段越早，所需干燥时间越长，对干燥过程不利 减小Xc措施-减低物料层的厚度，加强对物料的搅拌,增大干燥面积,临界含水量Xc,2019/4/14,1、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。,1) 恒速阶段的干燥时间,三、干燥时间的计算,积分边界条件:,Xc的来源,由干燥速率曲线得出,由手册查出,2019/4/14,(1) 空气平行流过静止物料层的表面,L 湿气体质量流速，kg/(m2h)；,适用条件: L=245029300 kg/(m2h)，气体温度 45150。,(2) 空气垂直流过静止物料层的表面,适用条件: L=390019500 kg/(m2h),(3) 气体与运动着的颗粒间的传热,影响恒速干燥速率的因素: 空气流速; 空气湿度;空气温度。,注意: 利用上述方程计算对流传热系数来确定干燥速率和干燥时间，其误差较大，仅能作为粗略估计。,恒速干燥阶 段干燥时间,Uc的来源,由干燥速率曲线得出,由经验公式计算,2019/4/14,2) 降速阶段的干燥时间,积分边界条件:,当降速段的U X 呈线性变化时，可采用解析法。,不再是常数,2019/4/14,积分得,若 X * 很低或缺乏 X * 数据，令,降速干燥阶 段干燥时间,2019/4/14,当降速段的U X 呈非线性变化时，应采用图解积分法。,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。,干燥时间为: =1+2,3)对间歇操作干燥总时间,其中，3为装卸料时间。,2019/4/14,例:已知某物料在恒定干燥条件下从初始含水量0.4 kg水/kg绝干料降至0.08kg水/kg绝干料,共需6小时，物料的临界含水量Xc=0.15kg水/kg绝干料,平衡含水量X*=0.04kg水/kg绝干料,降速阶段的干燥速率曲线可作为直线处理。试求：恒速干燥阶段所需时间 及降速阶段所需时间 分别为多少？若在同样条件下继续将物料干燥至0.05kg水/kg绝干料，还需多少时间？,2019/4/14,解：,X由0.4降至0.