化工原理：7-4干燥速率和干燥时间

1、第七章第七章 干燥干燥 第四节第四节 干燥速率干燥速率 和干燥时间和干燥时间 化化 工工 原原 理理 讲授内容讲授内容讲授内容 概述概述7.1 湿空气的性质和湿度图湿空气的性质和湿度图7.2 干燥过程的物料与热量衡算干燥过程的物料与热量衡算7.3 干燥速度和干燥时间干燥速度和干燥时间7.4 干燥设备干燥设备7.5 化化 工工 原原 理理 3 3 干燥时间的计算干燥时间的计算 2 2 干燥曲线和干燥速率曲线干燥曲线和干燥速率曲线 1 1 物料中所含水分的性质物料中所含水分的性质 7.4 7.4 干燥速率和干燥时间干燥速率和干燥时间 化化 工工 原原 理理 一、物料中所含水分的性质一、物料中所含水

2、分的性质 2. 平衡水分及自由水分平衡水分及自由水分 1）平衡水分平衡水分： 与物料的与物料的种类、温度种类、温度及空气的及空气的相对湿度相对湿度有关有关 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 低于平衡湿含量低于平衡湿含量 X* 的水分。是不可除水分。的水分。是不可除水分。 2）自由水分：高于平衡湿含量）自由水分：高于平衡湿含量 X* 的水分。是可除水分。的水分。是可除水分。 化化 工工 原原 理理 湿含量湿含量 X XB* 相对湿度相对湿度 非结合非结合 水分水分 结合水分结合水分 自由水分自由水分 平衡水分平衡水分 X* 0

3、1.0 0.5 化化 工工 原原 理理 干燥过程干燥过程：当湿物料与不饱和气体接触时，：当湿物料与不饱和气体接触时，X 向向 X* 接近，接近， 干燥过程的极限为干燥过程的极限为 X*。物料的。物料的 X* 与湿气体的状态有关，气与湿气体的状态有关，气 体的温度和湿度不同，物料的体的温度和湿度不同，物料的 X* 不同。欲使物料减湿至绝不同。欲使物料减湿至绝 干，必须与绝干气体接触。干，必须与绝干气体接触。 吸湿过程吸湿过程：若：若 XXB* ，则物料将吸收饱和气体中的水分使，则物料将吸收饱和气体中的水分使 湿含量增加至湿含量湿含量增加至湿含量 XB* ，即最大吸湿湿含量，物料不可，即最大吸湿湿

4、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能通过吸收饱和气体中的湿份使湿含量超过 XB* 。欲使物。欲使物 料增湿超过料增湿超过 XB* ，必须使物料与液态水直接接触。，必须使物料与液态水直接接触。 化化 工工 原原 理理 2. 结合水分与非结合水分结合水分与非结合水分 结合水分：结合水分：与物料存在某种形式与物料存在某种形式 的结合，其汽化能力比独立存在的结合，其汽化能力比独立存在 的水要低，蒸汽压或汽化能力与的水要低，蒸汽压或汽化能力与 水分和物料结合力的强弱有关。水分和物料结合力的强弱有关。 非结合水分：非结合水分：与物料没有任何形与物料没有任何形 式的结合，具有和独立存在的

5、水式的结合，具有和独立存在的水 相同的蒸汽压和汽化能力。相同的蒸汽压和汽化能力。 湿含量湿含量 X XB* 相对湿度相对湿度 非结合非结合 水分水分结合水分结合水分 0 1.0 0.5 化化 工工 原原 理理 结合水分按结合方式可分为：吸附水分、毛细管水分、溶结合水分按结合方式可分为：吸附水分、毛细管水分、溶 涨水分涨水分(物料细胞壁内的水分物料细胞壁内的水分)和化学结合水分和化学结合水分(结晶水结晶水)。 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结合，结合力较强，难汽化；吸附水分和

6、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。理吸附方式与物料结合，结合力相对较弱，易于汽化。 化化 工工 原原 理理 化化 工工 原原 理理 二、干燥曲线和干燥速率曲线二、干燥曲线和干燥速率曲线 对一定干燥任务，干燥器尺寸取决于干燥时间和干燥速率。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。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，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

7、固接触方式下，固定气体的温度、湿度和流即在一定的气固接触方式下，固定气体的温度、湿度和流 过物料表面的速度进行实验。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，以使气为保证恒定干燥条件，采用大量空气干燥少量物料，以使气 体的温度、湿度和流速在干燥器中恒定不变。实验为间歇操体的温度、湿度和流速在干燥器中恒定不变。实验为间歇操 作，物料的温度和湿含量随时间连续变化。作，物料的温度和湿含量随时间连续变化。 化化 工工 原原 理理 1. 干燥实验和干燥曲线干燥实验和干燥曲线 恒速干燥段：恒速干燥段： 物料温度恒定在物料温度恒定在 tw，X 变化变化 呈直线关系，气体传给物

8、料呈直线关系，气体传给物料 的热量全部用于湿份汽化。的热量全部用于湿份汽化。 预热段：预热段： 初始湿含量初始湿含量 X1 和温度和温度 1 变为变为 X 和和 tw。物料吸热升温以提高汽。物料吸热升温以提高汽 化速率，但湿含量变化不大。化速率，但湿含量变化不大。 干燥曲线干燥曲线：物料湿含量：物料湿含量 X 与干燥时间与干燥时间 的关系曲线。的关系曲线。 A 湿含量湿含量X Xc tw D CB A D C B t X* 物料表面温度物料表面温度 干燥时间干燥时间 预热段预热段 恒速段恒速段 降速段降速段 降速干燥段降速干燥段 ： 物料开始升温，物料开始升温，X 变化减慢，气体传给物料的热量

9、仅部分用变化减慢，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，当于湿份汽化，其余用于物料升温，当 X = X* ， = t。 化化 工工 原原 理理 化化 工工 原原 理理 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：多孔性物料：湿份主要是藉毛细管作用由内部向表面迁移。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：非多孔性物料：借助扩散作用向物料表面输送湿份，或将湿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、木份先在内部汽化后以汽态形式向表面扩散迁移。如肥

10、皂、木 材、皮革等。材、皮革等。 吸湿性物料：吸湿性物料：与水份的亲合能力大。与水份的亲合能力大。 非吸湿性物料：非吸湿性物料： 不同物料的干燥机理不同，湿份内扩散机理不同，干燥速率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。法测定。 化化 工工 原原 理理 2. 干燥速率曲线干燥速率曲线 1）干燥速率曲线）干燥速率曲线 干燥速率干燥速率 ： 单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量 Ad dW U 干燥速率曲线：干燥速率曲线：干燥速率

11、干燥速率 U 或干燥速度或干燥速度 N 与湿含量与湿含量 X 的关的关 系曲线。干燥过程的特征在干燥速率曲线上更为直观。系曲线。干燥过程的特征在干燥速率曲线上更为直观。 化化 工工 原原 理理 设物料的初始湿含量为设物料的初始湿含量为 X1，产品湿含量为，产品湿含量为 X2： 当当 X1Xc 和和 X2Xc 时，时， 干燥有两个阶段；干燥有两个阶段； 当当 X1Xc 或或 X2Xc 时，时， 干燥都只有一个阶段，即干燥都只有一个阶段，即 恒速干燥段。恒速干燥段。 由于物料预热段很短，通常将其由于物料预热段很短，通常将其 并入恒速干燥段；并入恒速干燥段； 以临界湿含量以临界湿含量 Xc 为界，可

12、将干燥为界，可将干燥 过程只分为恒速干燥和降速干燥过程只分为恒速干燥和降速干燥 两个阶段。两个阶段。 A BC D 干燥速率 U 或 N A BC D 物料温度 tw XcX* 湿含量 X I II C 化化 工工 原原 理理 XGW C dXGdW C Ad dXG U C ABC段表示干燥第一阶段，段表示干燥第一阶段，BC段为恒速干燥阶段，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，一般并段为物料的预热阶段，但此段所需的时间很短，一般并 入入BC段内考虑段内考虑 。 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

13、降低，称为降速干燥阶段。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料含水量称为临界含水XC。 化化 工工 原原 理理 化化 工工 原原 理理 2）干燥机理）干燥机理 a）恒速干燥阶段）恒速干燥阶段 干燥速度由水的表面汽化速度所控制干燥速度由水的表面汽化速度所控制 b）降速干燥阶段）降速干燥阶段 过程速度由水分从物料内部移动到表面的速度所控制。过程速度由水分从物料内部移动到表面的速度所控制。 c）临界含水量）临界含水量 临界水分随物料本身性质、厚度和干燥速率的不同而临界水分随物料本身性

14、质、厚度和干燥速率的不同而 异，通常临界水分随恒速阶段的干燥速度和物料厚度的增加异，通常临界水分随恒速阶段的干燥速度和物料厚度的增加 而增大。而增大。 化化 工工 原原 理理 三、干燥时间的计算三、干燥时间的计算 1. 恒速干燥阶段干燥时间的计算恒速干燥阶段干燥时间的计算 1）利用干燥速度曲线进行计算）利用干燥速度曲线进行计算 Ad dXG U C 分离变量积分分离变量积分 1 , 0XX 21, XX 1 2 0 1 X X C U dX A G d 211 XX AU G C C 化化 工工 原原 理理 2）用对流传热系数或传质系数进行计算）用对流传热系数或传质系数进行计算 w ttAQ 水分由表面汽化的速率水分由表面汽化的速率 HHAkG wHw 汽化所需热量汽化所需热量 wwH rHHAkQ HHk r tt Ar Q U wH w w w C HHAk XXG ttA rXXG wH C w wC 2121 1 化化 工工 原原 理理 2. 降速干燥阶段干燥时间的计算降速干燥阶段干燥时间的计算 1 2 2 X X c U dX A G 不论干燥曲线如何，都可用不论干燥曲线如何，都可用图解积分法图解积分法 当干