1、57 Phase equilibrium and drying rate in drying process,A. Equilibrium relation of drying operation B. Rate relation in drying process C. Example,a.物料含水量的表示方法,A. 干燥操作的相平衡关系,湿基含水量w,干基含水量X, 生产中以w表示，工程计算中用X更方便,b. 湿物料中的水分与平衡关系,干燥过程表面汽化，内部迁移，。过程复杂。,湿物料=绝干物料+水分 非均相混合物,物料中水分分类方法,水分与物料结合方式,水分在干燥中能否除去,水分在干燥中除
2、去难易, 水分与物料结合方式,吸附水分,物料表面附着水分，与液态水一样，p表=ps,毛细管水分,物料空隙中水分，通过毛细作用迁移至物料表面。分非吸水性和吸水性。 p表ps,溶胀水分,生物物料细胞内水分，结合力较强。p表较低，为物料的一部分,* 化学结合水,通过化学键与物料结合的水分，如水合水、结晶水等。不属于干燥研究范围, 在恒定干燥条件下，水分能否除去,恒定干燥条件：干燥介质（如空气）的 t、H等不随干燥过 程变化如用大量空气干燥少量物料的过程,平衡水分,湿物料与空气,接触,排出或吸收水分,充分接触,平衡水分X*, 物料的平衡水分在上述干燥条件下不能除去,平衡水分X*,与物料种类有关,同一物
3、料与所接触的空气状态有关,自由水分(或游离水分),物料中所含水分大于平衡 水分的那部分水在恒 定干燥条件下能除去的水 分,物料水分=平衡水+自由水, 干燥中水分除去的难易,结合水分,非结合水分,结合力较强，p表ps干燥中水汽-空气间的扩散推动力 p比纯水除去难,(如溶胀水分、吸水性毛细管水分),p表=ps 如吸附水分与 大空隙的水分机械结 合，容易除去(与纯水同)。,结合水与非结合水的分界 应是与=1的空气接触达 平衡的那点右侧。如图所 示,湿物料水分=结合水+非结合水, 结合水与非结合水的交点只与物料性质有关，与空气状 态无关, 自由水=非结合水+部分结合水,B. 干燥过程中的速率关系,a.
4、 干燥速率定义与影响因素分析,定义：,Kg水/m2.h,W汽化水量，kg/h Gc绝干物料量，kg干料/h A物料干燥表面积，m2 干燥时间，h(或s),影响因素：, 物料水分结构（内部条件）, 空气状态（外部条件）,空气状态（t，H）对物料表面水分汽化速率影响很大。,t，H,(由于(t-tW)，(HW-H),U, 空气气速（流体力学条件）,u气，kHU,(过程实质传质、传热), 物料形状（物料表面A大小),物料干燥表面U,(切片、颗粒状物料等), 物料与气流接触方式,气流掠过、穿过物料表面，颗粒料悬浮于气流中等, 设备结构,b. 干燥速率曲线（恒定干燥条件下）,由于U的影响因素众多，关系复杂
5、采用实验法,实验原理,差分近似,实验方法,恒定干燥条件空气状态(t、H)、u气、接触方式不变 大量空气干燥少量物料,已知或事先测定：t，H，Gc，A，G1,通过干燥实验装置测定G数据U,干燥速率曲线(恒定干燥条件下)测定装置,实验数据处理方法,斜率法,直接标绘法,斜率法,干燥速率曲线,干燥曲线,可以用实验数据经处理直接标绘出干燥速率曲线。,c. 干燥过程分析, 斜率法误差较大，通常采用直接标绘法, 干燥条件变化，干燥速率曲线位置要变化，但任一种 物料干燥速率曲线(只要含结合水分)，都明显分为恒速与 降速两段,预热段(AB),t 1=tw,(X1-X*)自由水分, 预热段很小，计算中可以忽略,恒
6、速段(BC),物料表面湿润,料内水分向表面扩散量表面汽化水量,(Hw-H)、(t-tw)都不变,U=const,空气传给物料之显热=水分汽化之潜热,表面汽化控制,降速段(CDE),物料表面出现干区,料内水分向表面扩散量表面汽化水量,空气传给物料之热量,用于汽化表面水,用于使物料温度升高 tw2,U急剧下降(汽化面,A不变,汽化量),(第一降速段),干区逐渐扩大完全干枯U进一步降低至D点,直到XX2,内部迁移速率控制, 恒速干燥段分预热段、恒速段(表面汽化控制)、降速 段(内部迁移速率控制), 恒速段、降速段交点Xc，Uc分别称临界含水率与 临界干燥速率,Xc 进入降速段早,干燥时间, Xc对强
7、化干燥过程有重要意义, Xc的影响因素,物料性质如多孔吸水物料的Xc大于多孔非吸水物料,物料分散程度分散度小的物料Xc大于分散度大的,干燥速率干燥速率快的Xc大于慢的,., 干燥相平衡关系是指在一定温度下，物料含水率与空气相 对湿度，即X的关系，通常这一关系由实验测定。,【本讲要点】, 由于干燥速率的影响因素较复杂，因此通常采用实验方法 测定数据，再标绘成干燥速率曲线，以供干燥过程分析与计算 之用。, 按在干燥过程中水分是否能除去，物料所含水分有平衡水 分与自由水分之分；按水分除去的难易（水分与物料的结合方 式不同），有结合水与非结合水分之分。平衡水分系由结合水 分构成，而自由水分既有非结合水
8、又有结合水分，在干燥过程 中除去的是自由水分。, 按照干燥速率的变化，干燥过程通常分为恒速干燥阶段和 降速干燥阶段，两个干燥阶段的干燥过程不同，前者受表面水 分汽化速率控制，也称为表面汽化控制阶段，后者受物料内部 水分迁移速率控制，也称内部迁移控制阶段。, 两个干燥阶段的分界点称临界点，相应的物料含湿率称临 界含湿率Xc，其数值大小对完成一定任务所需干燥时间影响较 大，因此准确确定Xc数值对干燥过程的强化具有重要的意义。,a. 干燥速率的影响因素分析,C. 例,比较0.3cm纸箔、0.1cm纸箔、素陶瓷三种物质在以下情 况下的干燥速度曲线。 厚度为0.3cm的纸箔在常压空气中干燥，其初始含水量
9、为 0.5kg水/kg干料，平衡水分为0.01kg水/kg干料。当空气的湿 度和温度不变，空气的速度分别为12m/s和4m/s时，画出该纸 箔的干燥速度曲线示意图。 如仍用以上品种的纸箔，条件同上，但厚度变为0.1cm， 问干燥曲线有何变化？指出与第问的情况有几点不同？并 将其在同一坐标图上表示出来。 假若物料改为素陶瓷，初始含水量和干燥条件不变，仍 在上述坐标图上画出此种情况下的干燥速度曲线。 横向比较0.3cm、0.1cm纸箔及素陶瓷三种情况下临界湿 含量、平衡湿含量等有何不同？干燥速度曲线有何不同？,解：,现在需要分析：用0.3cm、0.1cm纸箔与素陶瓷三种物料，在 以上情况下的干燥速
10、度谁大？临界湿含量谁大？平衡湿含量 谁大？,三种物料的干燥速度曲线如下图表示。, 第一种情况：物料为0.3cm的纸箔, 与空气流速L1=12m/s、L2=4m/s对应的干燥速度分别为 U1、U1，如图所示。, L1 L2 U1 U1 即干燥介质的气速越大，物料的干燥速度越大，见图示。, 与空气流速L1=12m/s、L2=4m/s对应的物料临界湿含量 分别为Xc1、Xc1，如图所示。, L1 L2 Xc1 Xc1 因为此时U1 U1，即L1所对应的恒速阶段较早地变为降速 阶段。转折点早，表明Xc1的值较大，见图示。, 平衡湿含量X*的比较,虽然空气的流速不同，但只要干燥介质的状态相同(温度、 湿
11、度相同)，对于同种物料来说，平衡湿含量X*就相同。如 图所示横坐标平衡湿含量为X1*所对应的纵坐标干燥速度 为零。, 第二种情况：物料为0.1cm的纸箔, 与空气流速L1=12m/s、L2=4m/s对应的干燥速度分别为 U2、U2，如图所示。, L1 L2 U2 U2 与第一种情况同理，见图示。, 与空气流速L1=12m/s、L2=4m/s对应的物料临界湿含量 分别为Xc2、Xc2，如图所示。, L1 L2 Xc2 Xc2 与第一种情况同理，见图示。, 平衡湿含量X*的比较,空气的状态相同(温度、湿度相同)，对于同种物料来说，平 衡湿含量X*相同。图中用X1*表示与第一种情况重合。, 第三种情
12、况：物料为素陶瓷, 空气的状态与流速与第、相同，L1所对应的干燥 速度为U3，L2对应的为U3, L1 L2 U3 U3。, L1、L2所对应的物料临界湿含量分别为Xc3、Xc3。, L1 L2 Xc3 Xc3 。,空气的状态相同，对于同种物料来说，平衡湿含量X2* 相同。, 当L1=12m/s时，0.3cm纸箔、0.1cm纸箔、素陶瓷三者对 应的干燥速度分别为U1、U2、U3；当L2=4m/s时，对应的干 燥速度分别为U1、U2、U3，比较它们的U、Xc、 X*大小。, L1 L2 U U ，但U3=U1=U2， U3=U1=U2,这是因为无论是纸箔还是素陶瓷，在恒速干燥阶段物料表面 全部被
13、非结合水覆盖，此时干燥速度便为定值，物料中的非 结合水无论其数量为多少，所表现的性质与纯水相同，物料,表面达到空气的湿球温度tw，在恒速阶段其温度值维持不 变，传质速率NA=kH(Hw-H)也维持不变。, 素陶瓷的临界湿含量Xc3比纸箔的湿含量Xc1、Xc2高还 是低？,素陶瓷与纸箔相比，其临界湿含量Xc3较低，这是因为素陶 瓷与纸箔相比，前者为多孔性吸水小的物质，后者为吸水性 大的物质，在相同的空气状态下，当初始湿含量相同时，素 陶瓷的恒速阶段长于纸箔，所以临界湿含量Xc3小于纸箔的 临界湿含量Xc1、Xc2。, 平衡湿含量随物质种类而异，吸水性小的素陶瓷其平 衡湿含量X2*比吸水性大的纸箔
14、的平衡湿含量X1*低，即X2* X1*。, 注意物料的几个湿含量：平衡湿含量X*，收湿点处的 湿含量X1，临界湿含量Xc，如图所示。, 恒速干燥阶段，物料中的水分主要是非结合水分，此时， 无论其数量为多少，所表现的性质与液态纯水相同。只要 物料表面全部被非结合水覆盖，干燥速率即为恒定值。, 临界湿含量及其影响因素,临界湿含量与物料的结构、料层厚度、干燥介质的性质以及 物料的分散程度有关。, 吸水性物料的临界湿含量大于非吸水性物料的湿含量， 即Xc纸Xc素陶瓷，这是因为对相同的初始含水量来说，吸水 性强的物料内部水分所占的比例大，而外部水分所占的比例 小，在干燥速率曲线上转折点出现得早。, 料层越薄，临界湿含量Xc越低。如0.3cm纸箔的临界湿 含量大于Xc1大于0.1cm纸箔的湿含量Xc2。, 干燥介质的气速L越高，物料的干燥速度U越高，临界 湿含量Xc越高。, 物料分散得越细，临界湿含量Xc越低。, 气体介质的相对湿度越低，干燥速度U越高，临界湿 含量越高。,
