干燥速率和干燥时间的确定

1、固体物料干燥速率及干燥时间的确定在干燥过程中，水分首先从物料内部扩散至表面，然后再由表面汽化而进入空气主体。水分在物料内部的扩散形式主要取决于物料的结构及物料中水分的性质。一、固体物料中水分的存在形式对干燥过程的影响(一)平衡水分与自由水分根据物料在一定干燥条件下所含水分能否用干燥的方法除去可划分为平衡水分与自由水分。当湿物料与一定状态的湿空气接触时，可能有3种情况发生：当湿物料表面所产生的水汽分压大于空气中的水分分压，湿物料中的水分将向空气中传递，湿物料得以干燥；当湿物料表面所产生的水汽分压小于空气中的水汽分压，则物料将吸收空气中的水分，物料增湿；当湿物料中表面产生的水汽分压等于空气中的水汽

2、分压时，两者处于平衡状态，湿物料中的水分不会因为与湿空气接触时间的延长而有增减，湿物料中水分含量为一定值，该含水量就称为该物料在此空气状态下的平衡含水量，又称平衡水分。1.平衡水分当物料与一定温度和湿度的空气接触时，物料将释放或吸收水分，最后使物料的含水量达到恒定。只要空气的状态一定，物料中所含的水分就总维持这个恒定值，它并不会因为与空气接触时间的延长而改变。这种恒定的含水量就称为该物料在一定空气状态下的平衡水分，以X*表示，单位为kg水/kg绝干物料。平衡水分指在一定的干燥条件下根本不能除去的水分，是表示湿物料在一定空气状态下干燥的极限。图1 某些物料的平衡含水量曲线（25）2.自由水分自由

3、水分是物料中超过平衡水分X*的那一部分水分，是指在一定干燥条件下可除去的水分。物料中所含的总水分是平衡水分与自由水分之和。平衡水分的量与物料和干燥介质的性质有关，如图1所示。由图可以看出，物料种类不同其平衡含水量相差较大，例如：当空气的相对湿度为40时，氯化锌的X*=0，烟叶的X*=0.17kg水/kg绝干物料。对于同种物料，在一定温度下，空气的相对湿度越大，平衡水分含量越高。(二)结合水分和非结合水分根据物料与水分结合力的状况，可将物料中所含水分分为结合水分和非结合水分。结合水分是靠化学力或物理化学力与物料相结合的水分，如物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分及以结晶水的形态存在于固体物料

4、中的水分等。由于结合水分与物料的结合力强，其蒸气压小于同温度下纯水的饱和蒸气压，使干燥过程的传质推动力降低，因此除去结合水分比较困难。非结合水分是通过机械方式附着在固体物料上的水分，如物料表面的吸附水分、物料内部较大孔隙中的水分等。物料的非结合水分与物料的结合力较弱，因此干燥过程除去非结合水分比较容易。图2 固体物料（丝）中所含水分的性质图2为在一定温度下，由实验测定的某物料（丝）的平衡曲线。现将该平衡曲线延长（图中虚线部分）与的纵轴相交，交点以下的水分为物料的结合水分，交点以上的水分为非结合水分。非结合水分是在干燥中容易除去的水分，而结合水分较难除去。是结合水分还是非结合水分仅决定于固体物料

5、本身的性质，而与干燥介质的状况无关。【例6-5】固体物料(丝)在一定温度下的平衡曲线如图6-7所示，已知物料的总含水量X=0.30kg(水)/kg(绝干料)，若与50时的湿空气接触，试划分该物料的平衡水分和自由水分，结合水分和非结合水分。解：由50作垂直线交平衡线于一点，读出平衡水分为0.085 kg(水)/kg(绝干料)，则自由水分为0.300.085=0.215kg(水)/kg(绝干料)。由图中读出100时的平衡水分为0.24 kg(水)/kg(绝干料)，则物料的结合水分为0.24 kg(水)/kg(绝干料)，非结合水分为0.300.24=0.06 kg(水)/kg(绝干料)。思考：若固体

6、物料(丝)在该温度下与80时的湿空气接触，问该物料的平衡水分和自由水分，结合水分和非结合水分又为多少？(三)固体物料的干燥过程分析当固体物料的含水量超过其平衡含水量时与干燥介质接触，虽然在开始时水分均匀地分布在物料中，但由于湿物料表面水分的汽化，形成物料内部与表面的湿度差，物料内部的水分靠扩散作用向表面移动并在表面汽化，汽化的水分被干燥介质带走，从而达到使固体物料干燥的目的。水分自内部向表面扩散与表面汽化是同时进行的，但是干燥过程不同的时期，干燥机理并不相同，其原因在于受到物料的结构、性质、湿度等条件和干燥介质的影响。实际上，在干燥过程中，若表面汽化速率小于内部扩散的速率，称为表面汽化控制；若

7、表面汽化速率大于内部扩散的速率，称为内部扩散控制。（1）表面汽化控制。某些物料内部的水分能迅速地到达物料的表面，因此水分去除的速率为物料表面水分的汽化速率所限制。此类干燥操作完全由周围干燥介质的情况而定。（2）内部扩散控制。某些物料内部扩散速率比表面汽化速率小，当表面干燥后，内部水分不能及时扩散到表面，因此蒸发表面向物体内部移动。这种情况下，必须设法增加内部扩散速率，或降低表面的汽化速率。二、干燥速率及其影响因素1、干燥速率在恒定干燥情况下，欲确定干燥操作所需的时间，必须首先确定物料的干燥速率。干燥速率是指单位时间内在单位干燥面积上被干燥物料汽化的水分量。 其中 式中 干燥速率，kg/ms；干

8、燥表面积，m2；一批操作中汽化出的水分量，kg；干燥时间，s；批操作中绝干物料的质量，kg；“”表示值随干燥时间的增加而降低。2、影响干燥速率的因素影响干燥速率的因素主要有物料的状况、干燥介质的状态及干燥设备三个方面。现就其中较为重要的影响因素讨论如下。物料的性质和形状：包括湿物料的物理结构、化学组成、形状和大小、物料层的厚薄以及水分的结合方式等。湿物料本身的温度：物料的温度越高，则干燥速率越大。在干燥器中湿物料的温度与干燥介质的温度和湿度有关。物料的含水量：物料的最初、最终以及临界含水量决定干燥各阶段所需时间的长短。干燥介质的温度和湿度：当干燥介质的湿度不变时，其温度越高，则干燥速率越大，但

9、要以不损坏被干燥物料的品质为原则。不过，要防止由于干燥过快，物料表面形成硬壳而减小后期的干燥速率，使总的干燥时间加长。当干燥介质（热空气）的温度不变时，其相对湿度越低，水分的汽化越快，尤其是在表面汽化控制时最为显著。干燥介质的速度：增加干燥介质的速度，可提高表面汽化控制阶段的干燥速率；在内部扩散控制阶段，气流对干燥速率影响不大。干燥介质的流向：干燥介质的流动方向垂直于物料表面的干燥速率比平行时要大。三、干燥速率的确定1、干燥曲线某物料在恒定干燥条件下干燥，可用实验方法测定干燥曲线及干燥速率曲线。恒定干燥条件是指干燥过程中空气的湿度、温度、速度以及与湿物料的接触状况都不变。 在间歇式干燥器中，定

10、时测量物料的质量变化，记录下每一时间间隔内物料的质量变化以及物料表面的温度，直到物料的质量恒定为止。此时物料与湿空气达到平衡状态，物料中所含的水分为该条件下的平衡水分。图3 恒定干燥条件下某物料的干燥曲线图3中的-及-曲线是按上述实验方法在恒定干燥条件下获得的数据而标绘的，这两条曲线均称为干燥曲线。由图可见，图中点表示物料初始含水量为、温度为2。干燥开始后，物料含水量及表面温度均随时间而变化，在段末端含水量降至、温度升到tw。物料在段处于预热阶段，空气中的部分热量用于加热物料，故物料含水量及温度均随时间变化不大。其后段呈直线。此段内空气传给物料的显热恰好等于水分从物料中汽化所需的汽化热，而物料

11、的表面温度等于热空气的湿球温度tw。进入段后，物料开始升温，热空气的一部分热量用于加热物料，使温度由tw升到2，另一部分热量用于汽化水分。直到点时物料中含水量降至平衡含水量X*,干燥过程也就终止。2、干燥速率曲线如图4为恒定干燥条件下的干燥速率曲线，干燥过程分为两个重要阶段。图4恒定干燥条件下干燥速率曲线段：此段为湿物料的预热阶段，物料的含水量及其表面温度均随时间而变化。物料含水量由初始含水量降至与点相应的含水量，而温度则由初始温度升高(或降低)至与空气的湿球温度相等的温度。一般该过程的时间很短，在分析干燥过程中常可忽略，将其作为恒速干燥的一部分。段：干燥速率保持恒定，不随的减小而降低，称为恒速干燥阶段（或干燥的第一阶段）。在该阶段内湿物料表面温度为空气的湿球温度。段：随着物料含水量的减少，干燥速率随着的减小而降低，故段称为降速干燥阶段（或干燥的第