化工單元操作技術(shù)張郢峰Contents目1干燥過(guò)程的平衡關(guān)系2干燥過(guò)程的速率關(guān)系錄化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系與速率關(guān)系（一）濕份在氣體和固體間的平衡關(guān)系

濕份的傳遞方向(干燥或吸濕)和限度(干燥程度)由濕份在氣體和固體兩相間的平衡關(guān)系決定。pXpsXh平衡狀態(tài)：當(dāng)濕含量為X的濕物料與濕份分壓為p的不飽和濕氣體接觸時(shí)，物料將失去自身的濕份或吸收氣體中的濕份，直到濕份在物料表面的蒸汽壓等于氣體中的濕份分壓。平衡含水量：平衡狀態(tài)下物料的含水量。不僅取決于氣體的狀態(tài)，還與物料的種類(lèi)有很大的關(guān)系。X*p化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系具有和獨(dú)立存在的水相同的蒸汽壓和汽化能力。結(jié)合水分：與物料存在某種形式的結(jié)合，其汽化能力比獨(dú)立存在的水要低，蒸汽壓或汽化能力與水分和物料結(jié)合力的強(qiáng)弱有關(guān)。物料中的水分濕含量XXh相對(duì)濕度

非結(jié)合水分結(jié)合水分01.00.5結(jié)合水分按結(jié)合方式可分為：吸附水分、毛細(xì)管水分、溶漲水分(物料細(xì)胞壁內(nèi)的水分)和化學(xué)結(jié)合水分(結(jié)晶水)。化學(xué)結(jié)合水分與物料細(xì)胞壁水分以化學(xué)鍵形式與物料分子結(jié)合，結(jié)合力較強(qiáng)，難汽化；吸附水分和毛細(xì)管水分以物理吸附方式與物料結(jié)合，結(jié)合力相對(duì)較弱，易于汽化。1.結(jié)合水分與非結(jié)合水分一定干燥條件下，水分除去的難易，分為結(jié)合水與非結(jié)合水。非結(jié)合水分：與物料機(jī)械形式的結(jié)合，附著在物料表面的水，化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系2.平衡水分和自由水分一定干燥條件下，按能否除去，分為平衡水分與自由水分。平衡水分：低于平衡含水量X*的水分，是不可除水分。自由水分：高于平衡含水量X*的水分，是可除水分。吸濕過(guò)程：若X<Xh

，則物料將吸收飽和氣體中的水分使?jié)窈吭黾又翝窈縓h，即最大吸濕濕含量，物料不可能通過(guò)吸收飽和氣體中的濕份使?jié)窈砍^(guò)Xh。欲使物料增濕超過(guò)Xh，必須使物料與液態(tài)水直接接觸。干燥過(guò)程：當(dāng)濕物料與不飽和空氣接觸時(shí)，X向X*接近，干燥過(guò)程的極限為X*。物料的X*與濕空氣的狀態(tài)有關(guān)，空氣的溫度和濕度不同，物料的X*不同。欲使物料減濕至絕干，必須與絕干氣體接觸。濕含量XXh相對(duì)濕度

非結(jié)合水分結(jié)合水分自由水分平衡水分X*01.00.5化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系如圖可知某物質(zhì)總水分為

，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度φ=50%時(shí)，平衡水分為

，則自由水分=

。將平衡曲線延長(zhǎng)（圖中的虛線部分）與φ=100%的縱軸相交，交點(diǎn)為B，交點(diǎn)B以上的水分為

，它是當(dāng)空氣達(dá)到飽和時(shí)可以除去的水分；B點(diǎn)以下的水分為

。如圖所示，物料的結(jié)合水分為

，則

非結(jié)合水分=

。

化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系如圖可知某物質(zhì)總水分X=0.3kg水/kg絕干料，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度φ=50%時(shí)，平衡水分X*=0.085kg水/kg絕干料，則自由水分=X－X*=0.30－0.085=0.215kg水/kg絕干料。將平衡曲線延長(zhǎng)（圖中的虛線部分）與φ=100%的縱軸相交，交點(diǎn)B以上的水分為非結(jié)合水分，它是當(dāng)空氣達(dá)到飽和時(shí)可以除去的水分；B點(diǎn)以下的水分為結(jié)合水分。如圖所示，物料的結(jié)合水分為0.24kg/kg，則

非結(jié)合水分=X－結(jié)合水分=0.30－0.24=0.06kg水/kg絕干料?；卧僮骷夹g(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系解：由題可知某物質(zhì)總水分為

。當(dāng)空氣的相對(duì)濕度φ=50%時(shí)，平衡水分為

，則自由水分=

。當(dāng)空氣的相對(duì)濕度φ=100%時(shí)，平衡水分為

，即可知結(jié)合水分為

，它是當(dāng)空氣達(dá)到飽和時(shí)不能除去的水分；則物料的非結(jié)合水分=

。

化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系解：由題可知某物質(zhì)總水分X=0.2kg水/kg絕干料，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度φ=50%時(shí)，平衡水分X*=0.009kg水/kg絕干料，則自由水分=X－X*=0.20－0.009=0.191kg水/kg絕干料。當(dāng)空氣的相對(duì)濕度φ=100%時(shí)，平衡水分為

X*=0.025kg水/kg絕干料，即可知結(jié)合水分為0.025kg水/kg絕干料，它是當(dāng)空氣達(dá)到飽和時(shí)不能除去的水分；則

非結(jié)合水分=X－結(jié)合水分=0.20－0.025=0.175kg水/kg絕干料?；卧僮骷夹g(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系物料的吸濕性物料濕含量的平衡曲線有兩種極端情況。強(qiáng)吸濕性物料：與水分的結(jié)合力很強(qiáng)，平衡線只是漸近地與

=100%接近，平衡濕含量很大。如某些生物材料。非吸濕性物料：與水結(jié)合力很弱，平衡線與縱坐標(biāo)基本重合，X*=Xh0，如某些不溶于水的無(wú)機(jī)鹽(碳酸鹽、硅酸鹽)等。00.20.40.60.81.00.10.20.3煙葉木材氯化鋅優(yōu)質(zhì)紙濕含量X相對(duì)濕度

一般物料的吸濕性都介于二者之間?；卧僮骷夹g(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系（二）恒定干燥條件下的干燥過(guò)程對(duì)一定干燥任務(wù)，干燥器尺寸取決于干燥時(shí)間和干燥速率。由于干燥過(guò)程的復(fù)雜性，通常干燥速率不是根據(jù)理論進(jìn)行計(jì)算，而是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。為了簡(jiǎn)化影響因素，干燥實(shí)驗(yàn)都是在恒定干燥條件下進(jìn)行的，即在一定的氣－固接觸方式下，固定空氣的溫度、濕度和流過(guò)物料表面的速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為保證恒定干燥條件，采用大量空氣干燥少量物料，以使空氣的溫度、濕度和流速在干燥器中恒定不變。實(shí)驗(yàn)為間歇操作，物料的溫度和含水量隨時(shí)間連續(xù)變化。干燥曲線和干燥速率曲線化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系恒速干燥段：物料溫度恒定在tw，X~

變化呈直線關(guān)系，氣體傳給物料的熱量全部用于濕份汽化。預(yù)熱段：初始含水量X1和溫度

1變?yōu)閄和tw。物料吸熱升溫以提高汽化速率，但濕含量變化不大。干燥曲線：物料含水量X、物料表面溫度t′與干燥時(shí)間

的關(guān)系曲線。干燥曲線和干燥速率曲線A濕含量XX0twDCBADCBtX*物料表面溫度t′干燥時(shí)間

預(yù)熱段恒速段降速段降速干燥段：物料開(kāi)始升溫，X變化減慢，氣體傳給物料的熱量?jī)H部分用于濕份汽化，其余用于物料升溫，當(dāng)X=X*，t′=t?；卧僮骷夹g(shù)干燥過(guò)程的平衡關(guān)系干燥速率的定義干燥速率u：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位干燥面積上汽化的水分量(kg水/m2·s)。微分形式為，式中：u——干燥器的干燥速率，kg/(m2·s)；

W——汽化的水份量，kg；

Gc——絕干物料的質(zhì)量，kg；

A——物料的干燥表面積，m2；

τ——干燥所需時(shí)間，s。

化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的速率關(guān)系設(shè)物料的初始濕含量為X1，產(chǎn)品濕含量為X2：當(dāng)X1＞X0

和X2＜X0

時(shí)，干燥有兩個(gè)階段；當(dāng)X1＜X0

或X2＞X0

時(shí)，干燥都只有一個(gè)階段。由于物料預(yù)熱段很短，通常將其并入恒速干燥段；以臨界濕含量X0

為界，可將干燥過(guò)程只分為恒速干燥和降速干燥兩個(gè)階段。干燥速率曲線：干燥速率u與濕含量X的關(guān)系曲線。干燥過(guò)程的特征在干燥速率曲線上更為直觀。干燥曲線和干燥速率曲線ABCD干燥速率uABCD物料溫度

twX0X*濕含量XIIIC’化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的速率關(guān)系臨界濕含量X0決定兩干燥段的相對(duì)長(zhǎng)短，是確定干燥時(shí)間和干燥器尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)制定干燥方案和優(yōu)化干燥過(guò)程十分重要。物料空氣條件臨界濕含量品種厚度mm速度m/s溫度℃相對(duì)濕度%kg水/kg干料粘土6.41.0370.100.11粘土15.91.0320.150.13粘土25.410.6250.400.17高嶺土302.1400.400.181鉻革101.549-1.25砂＜0.044mm252.0540.170.210.044~0.074mm253.4530.140.100.074~0.177mm253.5530.150.0530.208~0.295mm253.5550.170.053新聞紙-0190.351.00鐵杉木254.0220.341.28羊毛織物--25-0.31白嶺粉31.81.0390.200.084白嶺粉6.41.037-0.04白嶺粉169~11260.400.13注意：X0

與物料的厚度、大小以及干燥速率有關(guān)，所以不是物料本身的性質(zhì)。一般需由實(shí)驗(yàn)測(cè)定?；卧僮骷夹g(shù)干燥過(guò)程的速率關(guān)系二、干燥過(guò)程的計(jì)算物料的停留時(shí)間應(yīng)大等于給定條件下將物料干燥至指定的含水量所需的干燥時(shí)間，并由此確定干燥器尺寸。若已知物料的初始濕含量X1

和臨界濕含量X0，則恒速段的干燥時(shí)間為恒速干燥段的干燥時(shí)間1.恒定干燥條件下干燥時(shí)間的計(jì)算化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的速率關(guān)系降速干燥段的干燥時(shí)間(1)圖解積分法降速段的干燥時(shí)間可以從物料干燥曲線上直接讀取。計(jì)算上通常是采用圖解法或解析法。當(dāng)降速段的u-X呈非線性變化時(shí)，應(yīng)采用圖解積分法。在X2-X0

之間取一定數(shù)量的X值，從干燥速率曲線上查得對(duì)應(yīng)的u，計(jì)算Gc/u；作圖Gc/u-X，計(jì)算曲線下面陰影部分的面積。XoXcX2Gc/u化工單元操作技術(shù)干燥過(guò)程的速率關(guān)系降速干燥段的干燥時(shí)間(2)解析法當(dāng)降速段的u-X呈線性變化時(shí)，可采用解析法。降速段干燥速率曲線可表示為ABCD干燥速率uXuX0X*濕含量Xu0當(dāng)缺乏平衡水分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，