干燥9.4.优秀PPT.ppt

9.4干燥速度和干燥时间Foundations of Chemical Engineering-Drying干燥速度和干燥时间在干燥过程中，在热空气的作用下，湿物料中的水分由物料内部向表面迁移，再由其表面汽化而随空气带出，因此，干燥过程中水分在空气与物料之间的平衡关系，干燥的速率刚好间等，不仅取决于空气的性质和条件，而且取决于物料与水分的结合状态。物料与水分的结合状态-结合水分与非结合水分水分与物料结合的方式对干燥速度有显著的影响。依据物料中水分除去的难易程度，分为结合水分与非结合水分。它只取决于物料本身的特性，而与空气的状态无关。结合水分，包括物料细胞壁内的水分、物料内可溶固体物溶液中的水分以及物料内毛细管中所含的水分。这些水分与物料的结合较强，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压。干燥过程中，水汽扩散到空气主体的推动力降低，除去这种水分有确定困难。事实上含结合水分的是一类孔隙较小的吸水性物料，如木材、纸张、棉、毛织品等。物料与水分的结合状态-结合水分与非结合水分非结合水分，包括存在于物料表面和吸附水分及孔隙中的水分，它主要以机械方式结合，与物料的结合强度较弱，其蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。干燥过程中，除去这种水分较简洁。事实上含有非结合水分的是一类大孔隙的非吸水性物料，如瓷土、沙子、碎矿石等。即结合水分产生的蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，难于除去；而非结合水分产生的蒸汽压与纯水无异，简洁除去。物料与水分的结合状态-平衡水分与自由水分依据确定的干燥条件下，物料中水分用干燥方法除去的可能与否分为平衡水分和自由水分。平衡水分，确定温度和相对湿度的空气流过某一物料，在紧密接触的过程中，物料将排出水分（或吸取水分），直到物料表面所产生的水汽分压与空气中的水汽分压相等。此时，物料与空气中的水分达到平衡，传质推动力为零。这时物料中所含的水分称为该空气状态下的平衡水分或平衡含湿量。X1XSX*SAXXS非结合水分。XXS结合水分。0-X*平衡水分X-X*自由水分自由水分，能用干燥方法除去的水分。即物料中所含的水分大于平衡水分的那一部分。平衡水分是与空气成相平衡，而用该空气无法去除的水分。物料中的平衡水分随温度上升而减小；随湿度的增加而增加。自由水分是物料中超出平衡水分的那一部分，X-X*，自由水分能用干燥方法除。平衡水分确定是结合水分；自由水分包括了全部非结合水分和一部分结合水分。对于含水0.29(干基)的自然丝，B点结合水为0.24，则含有0.05的非结合水分，假如将其置于50%相对湿度的空气中，则平衡水分为0.085，自由水分为0.205，自由水分中结合水为0.155，非结合水为0.05。图为某些物料在室温下的-X*曲线，由图可见，不同物料的平衡水分差异很大，而同一种物料的平衡水分随湿空气状态而变更。干燥速率及其影响因素-干燥速率 干燥速率U为单位时间、单位干燥表面积上汽化的水重量W 恒定干燥条件下的干燥速度 一般来说，湿物料在未干燥前，所含水分匀整地分布在物料内部和表面。若将含有自由水分的湿物料与未饱和的热空气接触。则水分将不断汽化至空气中；空气则不断把热量传给物料，以供应水分汽化所需的潜热，并不断把汽化的水分带走。物料表面上的水分汽化后，内部水分即向表面移动，使物料内部的水分渐渐削减。因此干燥速度不仅与干燥介质有关，也与物料本身因失水所引起的变更有关。按干燥过程中空气状态参数是否变更，可将干燥过程分为恒定干燥和非恒定干燥。所谓恒定干燥条件是指空气的湿度、温度、速度以及与物料接触的状况都不变。干燥速率及其影响因素-干燥曲线和干燥速度曲线 干燥速度的数据主要依靠试验。在试验过程中，记录不同时间下湿物料的质量G，直到物料质量不再变更时为止。物料中最终所含水分为平衡水分，物料的瞬间含水率为 将物料的含水率对干燥时间进行标绘可得图示的典型干燥曲线。A湿含量XXctwDCBADCBtX*物料表面温度干燥时间 预热段恒速段降速段物料的含水率在经过不长的调整时间(AB或AB)后，随干燥时间呈直线关系削减BC，到达某一临界点C后，削减的速度变慢，CE。将试验数据用含水率与干燥速度进行标绘，即得到干燥速度曲线。干燥速率及其影响因素-干燥曲线和干燥速率曲线 U干燥速度曲线呈现三个阶段：初始阶段(物料的预热阶段(Pre-heat period)AB或AB、恒速阶段(Constant-rate period)BC、降速阶段(Falling-rate period)CE。若物料初始时只有结合水，则干燥过程没有恒速阶段。须要指出的是，干燥曲线或干燥速度曲线是在恒定的空气条件下获得的，对指定的物料，空气的温度、湿度不同，速度曲线的位置也不同。干燥速率及其影响因素-物料干燥机理及影响因素分析 初始阶段(预热阶段)：A点代表时间为零时的状况，AB为湿物料不稳定的加热过程，在该过程中，物料的含水量及其表面温度均随时间而变更。物料含水量由初始含水量降至与B点相应的含水量，而温度则由初始温度上升(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视，将其作为恒速干燥的一部分。干燥速率及其影响因素-物料干燥机理及影响因素分析 恒速干燥阶段：干燥速率保持恒定，湿物料表面温度为空气的湿球温度；物料整个表面都有充分的非结合水分(即充分润湿)，物料表面的水汽分压与同温度下水的蒸汽压相同，干燥速度由水的表面汽化速度所限制。汽化速率GW，恒速干燥的特点：干燥速度恒定；物料表面温度为tw；在该阶段除去的水分为非结合水分。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。干燥速率及其影响因素-物料干燥机理及影响因素分析 降速干燥阶段：在此阶段内干燥速率随物料含水率的减小而降低。由恒速阶段转为降速干燥阶段的转折点称为临界点C。此时物料的平均含水率称为临界含水率XC。临界点后的CD段，物料内部水分移动到表面的速率小于表面的水分汽化速率，过程速率由水分从物料内部移动到表面的速度限制，物料表面不再能维持全部潮湿，部分表面上汽化的为结合水分，而且，随着干燥的进行，潮湿表面不断削减，因而按全部表面积计算的干燥速度不断降低。这一阶段称为降速第一阶段或不饱和表面干燥阶段，即CD段。当达到点D时，全部物料表面都不含非结合水分，D点称为其次临界点。干燥速率及其影响因素-物料干燥机理及影响因素分析 降速其次阶段从D点起先，水分的汽化面随着干燥过程的进行渐渐由表面对物料内部移动，汽化所需的热量需通过已干燥的固体物料层传递到汽化面，同时汽化的水分也通过该层固体进入空气流。在这一阶段中，干燥速率比前一阶段下降得更快，受水分在物料中移动的速度限制。最终到达E点时，物料的含水率降到了平衡水分，干燥过程的接着已不能降低物料的含水率。降速干燥阶段特点：随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥速率降低；物料表面温度大于湿球温度；除去的水分为非结合、结合水分；降速干燥阶段的干燥速度与物料种类、结构、形态及尺寸有关，而与空气状态关系不大。在某些状况下，由部分润湿表面过渡到全部干燥的表面并不明显，CDE是平滑的，并不出现转折点。干燥速率及其影响因素-物料干燥机理及影响因素分析 应当指出：临界含水率XC是整个物料层的平均值，它既取决于恒速干燥阶段的干燥速度，也取决于物料本身性质、物料层的厚度、物料的粒度等。通常临界含水率随恒速阶段的干燥速度增加、物料层厚度的增加及物料颗粒粒度削减而增大。XC愈大，干燥速度愈早转入降速阶段，所需干燥时间越长。为了减小XC，应尽可能减小物料层的厚度。通常XC由试验测定，有关手册中也列出了部分物料的XC范围，但因影响因素较多，局限性较大。干燥速率及其影响因素-物料干燥机理及影响因素分析 恒定干燥条件下的干燥时间计算-应用干燥曲线进行计算 若已知物料的初始湿含量 X1 和临界湿含量 Xc，则恒速段的干燥时间为 恒定干燥条件下降速阶段干燥时间的计算-应用图解积分法 XoXcX2Gc/AUABCD干燥速率 UXUXcX*湿含量 XUc恒定干燥条件下的干燥时间计算 ABCD干燥速率 UXUXcX*湿含量 XUc恒定干燥条件下的干燥时间计算 当缺乏平衡水分的试验数据时，可以假设 X*=0，则有 物料干燥所需时间为两段时间之和，对于间歇操作的干燥器而言，还应考虑装卸物料所需时间。