第十三章干燥 3干燥时间与干燥速率

第十三章干燥Drying复习Reviewing湿度图：t-H图应用(确定空气状态，描述变化过程干燥器物料衡算：物料含水率w、X，W和L(l和Le的计算)干燥器热量衡算：qp和qd，ηh干燥过程图解：理想干燥过程(等焓)和实际干燥过程Content湿空气性质及湿度图1干燥器物料及热量衡算2干燥速度和干燥时间3干燥器413.3干燥速度和干燥时间恒定条件下的干燥速度恒定条件下的干燥速度水分在两相间平衡关系水分在两相间平衡关系恒速阶段干燥时间计算恒速阶段干燥时间计算降速阶段干燥时间计算降速阶段干燥时间计算机械方式附着于物料中的水分：非结合水分1.结合水分与非结合水分Boundandunboundwater当物料中含有非结合水时，平衡水汽分压=同温度下ps与物料结合力较弱，较易去除的水分与物料存在化学或物理化学力作用的水分：结合水分13.3.1水分在空气与物料间的平衡关系～纯水结合水分的平衡水汽分压同温度下ps与物料结合力较强，较难去除的水分如：结晶水，溶涨水分，小毛细管里水分，细胞水分等影响因素：与空气状态无关，只与物料性质有关一定空气状态下物料中不能除去的水分：平衡含水率X*2.平衡水分与自由水分Equilibriumandfreemoisture一定空气状态下，物料能被干燥的极限(即平衡)本质：物料中与空气水汽分压pw相平衡的水分物料总水分中，平衡水分外的水分：自由水分13.3.1水分在空气与物料间的平衡关系相律：F=C-Φ+2=3(空气、水、物料)-2(气、液、固)+2=2T一定时，仅1个自由变量→→水分在两相间的平衡关系影响因素：空气状态(t,H)，物料性质0.320.280.240.200.160.120.080.04含水率X,kg/kg干料00.20.40.60.81.0相对湿度自由水分平衡水分总水分13.3.1水分在空气与物料间的平衡关系0.320.280.240.200.160.120.080.04含水率X,kg/kg干料00.20.40.60.81.0相对湿度自由水分平衡水分总水分非结合水分结合水分平衡与自由水分：按能否去除划分，与物料空气都有关结合与非结合水分：按去除能易程度划分，只与物料有关平衡水分一定是结合水分；自由水分：非结合水+部分结合水13.3.1水分在空气与物料间的平衡关系3.水分与物料的结合方式：⑴附着水分：⑵毛细管水分：⑶溶胀水分：⑷化学结合水分—结晶水：13.3.1水分在空气与物料间的平衡关系pw*=ps，非结合水分小毛细管内，表面张力作用，结合水分细胞壁或纤维皮壁中的水，结合水结合水13.3干燥速度和干燥时间水分在两相间平衡关系水分在两相间平衡关系恒定条件下的干燥速度恒定条件下的干燥速度恒速阶段干燥时间计算恒速阶段干燥时间计算降速阶段干燥时间计算降速阶段干燥时间计算AddXGUC干燥动力学目的：计算连续干燥设备尺寸恒定干燥条件constantdryingconditions：空气t、H和u，空气与物料接触状况不变。13.3.2恒定干燥条件下的干燥速度1.干燥速率U：单位时间单位面积上汽化的水分量，kg/(m2s)式中：Gc——绝干物料质量，kg；A——干燥面积，m2；X——物料干基含水率，kg水/kg干料；θ——干燥时间，s。干燥速率U，kg/(m2·s)2.01.61.20.80.400.10.20.30.40.50.60.7干基含水率X恒定干燥条件下的干燥速率曲线干燥分三阶段：预热段、恒速段、降速段13.3.2恒定干燥条件下的干燥速度X,kg水/kg干料0.50.40.30.20.1A02468101214干燥时间τ,h干燥曲线X～θ线B预热阶段C恒速干燥阶段D降速干燥阶段X*临界含水量XC降速阶段E恒速阶段CX*A’BA2.干燥曲线和干燥速率曲线(实验测定)Xc⑴预热阶段AB：很短，常忽略不计⑵恒速干燥阶段BCConstant-rateperiod：U=kH(Hw-H)=常数，物料tM=tw，临界点Ccriticalpoint表面汽化控制，去除非结合水(纯水)，仅空气影响速率⑶降速干燥阶段CDfalling-rateperiod：去除结合水分内部扩散控制，速率与物料性质形状尺寸及内部结构有关降速的原因：①实际汽化表面减少；②汽化面的内移；③平衡蒸汽压下降；④固体内部水分的扩散极慢。13.3.2恒定干燥条件下的干燥速度3.临界含水量XCcriticalmoisturecontent恒速干燥终了时的物料含水量为临界含水量XCXC随物料性质、厚度及分散，和干燥介质而异。恒速阶段干燥速度和物料厚度↑，XC↑。强化干燥过程，减少设备尺寸：尽可能↓XC。4.干燥操作对物料性状的影响：恒速段：tM=tw，不易物料温度过高，∴t可适当↑；降速段：tM较高，应避免高温对物料性质的破坏；干燥速率：过大使物料表面开裂，结壳，硬化等。13.3.2恒定干燥条件下的干燥速度13.3干燥速度和干燥时间水分在两相间平衡关系水分在两相间平衡关系恒速阶段干燥时间计算恒速阶段干燥时间计算恒定条件下的干燥速度恒定条件下的干燥速度降速阶段干燥时间计算降速阶段干燥时间计算AddXGUC13.3.3恒速阶段干燥时间θ1的计算CC1cXXCc01AU)XX(GUXdAGdC111.应用干燥速率曲线计算(图解积分)CWH1UHHkU常数恒速阶段：干燥速率U，kg/(m2·s)2.01.61.20.80.400.10.20.30.40.50.60.7干基含水率X恒定干燥条件下的干燥速率曲线临界含水量XC降速阶段E恒速阶段CX*A’BA350Gdp41.0p49.0dG0118.0)tt(r)HH(kU⑴空气平行于物料表面流动13.3.3恒速阶段干燥时间θ1的计算⑵空气自上而下或自下而上穿过颗粒堆积层2.应用传质或传热速率式估算UC℃m/kW,G0143.028.0G:气体质量流速，kg/（m2·s）；dp:具有与实际颗粒相同表面的球的直径，m；μ:气体粘度，Pa·s。350Gdp41.0p59.0dG0189.03/12/1ppPrRe65.02dudRepp)tt(r)HH(kU13.3.3恒速阶段干燥时间θ1的计算⑶单一球形颗粒悬浮于气流中2.应用传质或传热速率式估算UCu:气体与颗粒的相对运动速度；ρ,μ,Pr:气体的密度、粘度和普朗特数。3.UC影响因素空气流速u，H，t。(u或t↑,H↓,UC↑))tt(Ar)XX(G)HH(Ak)XX(GAU)XX(GwwC1CwHC1CCC1C113.3干燥速度和干燥时间水分在两相间平衡关系水分在两相间平衡关系降速阶段干燥时间计算降速阶段干燥时间计算恒定条件下的干燥速度恒定条件下的干燥速度恒速阶段干燥时间计算恒速阶段干燥时间计算2.近似计算干燥速率U，kg/(m2·s)2.01.61.20.80.400.10.20.30.40.50.60.7干基含水率X恒定干燥条件下的干燥速率曲线临界含水量XC降速阶段E恒速阶段CX*A’BA13.3.4降速阶段干燥时间θ2的计算C22XX2C02UdXAGd降速阶段干燥曲线～直线，则XXUXXUKCCX斜率XXXXUUCCXXXXlnAUXXG2CCCC21.图解积分：X-1/U图积分3、干燥总时间)XXXXlnXXXX(AKG*2*c*cc1Xc21*2*c*cc121XXXXlnXXXX13.3.4降速阶段干燥时间θ2的计算[例13-2]将物料的干基含水率X从0.6降到0.1，经历了4hrs，物料在干燥条件下XC=0.15，X*=0.02，且降速阶段U2∝(X-X*).试求：将物料继续干燥至0.05所需干燥时间。13.3干燥速率和干燥时间解：分析：已知干燥过程包括恒速和降速过程，通过已知干燥时间和物料干基含水量变化求解KX，UC等参数或其组合，从而计算另需干燥时间。13.3干燥速率和干燥时间解：)]XXXXln)XX()XX[(AUG*2*C*CC1CC21hr4)]02.01.002.015.0ln)02.015.0()15.06.0[(AUGCChr7955.7AUGCC*2*2*CCCXXXXln)XX(AUGhr102.005.002.01.0ln)02.015.0(7955.7作业p231：13-11