9.4 干燥速率与干燥时间

c.若空气的温度t、u不变，湿度H降低，U0加快，Xc变大，平 衡含水量X*由于H降低而降低。
9.4.3 恒定干燥条件下干燥时间的计算
已知：物料的质量Gc，干燥曲线，求：X1→X2所需的时间τ＝？
G dX τ = ∫ dτ =－ c ∫ S U X G c dX G X1 − XC = c （1）恒速阶段干燥时间的计算 τ1 =－ c ∫ S X1 U0 S U0
G dX U － c ＝ S dτ
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
U0 = Gw/S = kH (HW − H)
U0 = Gw/S =
α
r W
(t −tW )
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 条件：G＝0.7~8.3kg/(m2.s)，气温 0.8 α =14.3G 料表面流动： t=45~150℃，α单位W/(m2.K) 当垂直于物料表 α = 24.2G0..37 条件：G＝1.1~5.6kg/(m2.s)，α单 面流动时： 位W/(m2.K)
干燥实验:将湿物料置于恒定空气流中进行干燥,测定物料的质 量随着干燥时间的变化规律.
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 质量 m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m 时间 0 20 50 100 150 200 250 320 ∝ 干基含水率X X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X* 0 20 30 50 50 50 50 70 X1-0 X2－X1 X3－X2 X4－X3
9.4.干燥速率与干燥时间
9.4.1 物料中所含水分的性质
（1）结合水与非结合水： 结合水：结晶水、毛细管水、溶胀水分、吸附在固体 表面的水 非结合水： 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。
水分性质 非结合水 结合水
结合力 机械力 化学力，物理化学力
X*------平衡水分，kg水/kg干料 C点为临界点，此时物料的含 水量称为临界含水量Xc。
AB为预热段 BC为恒速干燥阶段 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。
（2）恒速干燥阶段
水的汽化速率为： 干燥速度为：
Gw = kH S (HW − H )
U = Gw/S = kH (HW − H) Q = Gwr = kHr S(HW − H) W W U = Gw/S = Q/(r S) =α(t −tW )/r W W
（4）讨论
（a）恒速阶段与降速阶段的比较 恒速段 去除的水分 物料表面温度 影响干燥速度 的因素 非结合水 tM1＝tW 降速段 非结合水与结合水 tM1 =tW~t2
空气t、H、u及空气与物 与固体内部的水分 料的接触方式有关，与固 的迁移有关，与外 体物料的性质无关。 界空气无关。
（b）临界含水量Xc
返回
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。
（c）空气状况对恒速段干燥速度U的影响
a.若空气的温度t、湿度H不变，流速加快，U0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，U0加快，Xc变 大，平衡含水量X*由于t升高而降低。
（2）降速阶段干燥时间的计算
G 2 dX τ2 = ∫ dτ = − c ∫ A Xc U
X
U0
（a）设降速干燥速度曲线为一直线
U＝ （ － *） X = KX X X , K U0 Xc − X *
U
X*
X2 X
c
Gc Xc − X ∗ τ2 = ln AKX X2 − X * Gc (Xc − X*) Xc − X ∗ ＝ ln AUc X2 − X *
平衡蒸汽压
pe=ps pe<ps
（2）平衡蒸汽压曲线
湿物料的平衡蒸汽压与含水量的关系
（3）平衡水分与自由水分
当用不饱和的空气干燥湿物料时 • 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。
•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，使传质推动力(pw-pv)减小，干燥速 度降低。
1 U
（b）用图解积分法求
−∫
X2
dX U Xc
−∫
X2
X2
dX U Xc
X1
总干燥时间τ＝ τ1＋τ2
X
连续干燥过程
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 （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。 （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。
常见物料的平衡水分
9.4.2 干燥速率和干燥dW = −G dX c m2 ⋅ s Sdτ
A
B
G dX G ∆X U＝ － c ＝ － c S dτ S ∆τ
C
B
A
D
C
X∗
时间 干燥曲线图
D
E
E
Xc
干基含水量X(kg/kg) 干燥速率曲线图
X∗
HW、rW为空气在湿球温度 下的饱和湿度和汽化潜热
此阶段空气放出的显热为： Q =αS (t − tW 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。
)
（3）降速干燥阶段
干燥速度降低的原因：
G dX G ∆X c U＝ － ＝ － c S dτ S ∆τ