化工原理下(考研精品课程)第三节 干燥速率与干燥时间

第三节干燥速度与干燥时间 1 结合水与非结合水结合水 以化学力或物理化学力与固体相结合的水 如结晶水 小毛细管水 溶胀水分 吸附在固体表面的水等 非结合水 机械地附着在固体的表面或颗粒堆积层中的大孔隙的水分 主要区别 非结合水的平衡蒸汽压等于纯水的饱和蒸汽压 结合水的平衡蒸汽压小于纯水的饱和蒸汽压 一 水分在气 固两相间的平衡 2 平衡水分与自由水分 干燥刚开始 非结合水 pe ps 水分由固 气结合水 当pe ps pe pv 水分由固 气最后结合水 pe ps pe pv 水分不能往空气中传递 即水分在气固间达平衡 此时物料中的水分X 称为对应空气状态的平衡水分 而能被除去的水分 Xt X 称为自由水分 常见几种物料的平衡水分 二 恒定干燥条件下的干燥速率 1 干燥曲线 实验测定 AB为预热段 CDE为降速干燥阶段 CD为第一降速干燥阶段 DE为第二降速干燥阶段 BC为恒速干燥阶段 C点为临界点 临界含水量Xc X 平衡水分 kg水 kg干料 dW GcdX 2 恒速干燥阶段 在这一阶段 物料表面含有充分的非结合水分 物料表面的水蒸汽压与水的饱和蒸汽压相同 故物料表面的温度为湿球温度tw 干燥速度由水在表面汽化的速度控制 干燥速度为 此阶段空气放出的显热为 水分汽化所需的热量为 干燥速度为 当空气的温度t 湿度H 流速u等不变时 干燥速度为一恒定值 故干燥速度与物料的性质关系不大 HW rW为空气在湿球温度下的饱和湿度和汽化潜热 3 降速干燥阶段 干燥速度降低的原因 实际汽化表面减小 由于物料表面水分分布不均匀 局部表面成为干区 如CD所示 称为第一降速段 汽化面的内移 当物料表面都成为干区后 水分的汽化面向物料内部迁移 热 质传递途径加长 如图中的DE段所示 称为干燥第二降速段 平衡蒸汽压下降 当物料中的非结合水分已被除尽 结合水分的平衡蒸汽压下降 使传质推动推动力 pw pv 减小 干燥速度降低 降速阶段水分除去机理 液体扩散理论和毛细管理论 4 讨论 恒速阶段与降速阶段的比较 恒速干燥速度的影响因素 a 若空气的温度t 湿度H不变 流速加快 U加快 Xc变大 平衡含水量X 由于t H不变而不变 b 若空气的湿度H 流速不变 温度t升高 U加快 Xc变大 平衡含水量X 由于t升高降低 c 若空气的温度t u不变 湿度H降低 U加快 Xc变大 临界含水量Xc 物料分散越细 恒速段去除的非结合水越完全 Xc越小 恒速段干燥速度越快 则可能有更多的内部非结合水分来不及去除 Xc越大 物料层厚度 Xc越大 三 间歇干燥过程的计算 1 恒速阶段干燥时间的计算 已知 物料的质量Gc 干燥曲线 求 X1 X2所需的时间 U0 a 可直接由实际的干燥速度曲线求得 b 应用对流传质系数或对流传热系数求取 实际计算时常用对流传热系数的经验公式 当空气平行于物料表面流动 条件 G 0 7 8 3kg m2 s 气温t 45 150 单位W m2 K 当垂直于物料表面流动时 条件 G 1 1 5 6kg m2 s 单位W m2 K 2 降速阶段干燥时间的计算 a 设降速干燥速度曲线为一直线 总干燥时间 1 2 b 用图解积分法求 四 连续干燥过程的计算 在连续干燥器中 气流与物料的接触方式可分为并流 逆流 错流或更复杂的形式 以并流为例 其特点为 1 沿设备长度方向 气体的状态不再恒定 t H 2 无恒速段 降速段 只分预热段 表面汽化阶段 升温阶段 物料的内部水分迁移控制 3 若忽略热损失 在表面汽化阶段 物料温度 tW 常数 气体近似为等焓过程 某湿物料10kg 均匀地平摊在长0 8m 宽0 6m的平底浅盘内 并在恒定的空气条件下进行干燥 物料的初始湿含量为15 干燥4h后含水量为8 已知在此条件下物料的平衡含水量为1 临界含水量为6 皆为湿基 假定降速阶段的干燥速度与物料的自由含水量 干基 成正比 试求 将物料继续干燥至含水量为2 所需的总干燥时间 解 恒速段的干燥速度为 当w2 2 wc 干燥分为恒速和降速两个阶段 例 将物料继续干燥至临界含水量所需时间为 降速段所需时间为 总干燥时间为 4 1 04 3 98 9 04h 讨论 现将物料平摊在两个相同的浅盘内 并在同样的干燥条件下干燥 只需4小时便可将物料的含水量降至2 问物料的临界含水量有何变化 恒速阶段的干燥时间为多长 解 物料恒速段的干燥速度及平衡水分只与空气的状态有关 与干燥面积无关 讨论 减小料层的厚度不仅可以增加传热