1、14.3 干燥速率与干燥过程计算干燥速率与干燥过程计算 14.3.1 物料在定态空气条件下的干燥速率物料在定态空气条件下的干燥速率 14.3.2 间歇干燥过程的计算间歇干燥过程的计算 14.3.3 连续干燥过程的一般特性连续干燥过程的一般特性 14.3.4 干燥过程的物料衡算与热量衡算干燥过程的物料衡算与热量衡算 14.3.5 干燥过程的热效率干燥过程的热效率 14.3.6连续干燥过程设备容积的计算方法连续干燥过程设备容积的计算方法恒定干燥条件恒定干燥条件：变动干燥操作：变动干燥操作：空气空气状态状态是否是否变化变化 干燥过程中空气状态不断变化。干燥过程中空气状态不断变化。空气的温度、湿度、流
2、速空气的温度、湿度、流速及物及物 料接触方式不变。料接触方式不变。14.3.1 物料在定态空气条件下的干燥速率物料在定态空气条件下的干燥速率 一一、干燥动力学实验、干燥动力学实验 1.实验装置实验装置实验数据实验数据Gc(绝干物料的质量绝干物料的质量)Gi(湿物料的质量湿物料的质量)i(干燥时间干燥时间)2.数据处理数据处理 典型干燥曲线的形状典型干燥曲线的形状 干燥曲线：干燥曲线：物料的的自由含水量物料的的自由含水量X与干燥时间与干燥时间的的关系曲线。关系曲线。干燥速率曲线干燥速率曲线 物料的干燥速率或水分汽化速率物料的干燥速率或水分汽化速率NA：指单位时间、指单位时间、单位面积（气固接触界
3、面）被汽化的水量。单位面积（气固接触界面）被汽化的水量。AddXGAddWNcAGc试样中绝对干燥物料的质量，试样中绝对干燥物料的质量，kg；A试样暴露于气流中的表面积，试样暴露于气流中的表面积，m2,X物料的自由含水量，物料的自由含水量，kg水水/kg干料干料,W汽化的水分量，汽化的水分量，kg。3 干燥速率曲线分析干燥速率曲线分析 AB（或（或AB）段）段预热段预热段 一般该过程的时间很短，在分一般该过程的时间很短，在分析干燥过程中常可忽略，将其析干燥过程中常可忽略，将其作为恒速干燥的一部分。作为恒速干燥的一部分。BC段段恒速段恒速段 C点：临界含水量点：临界含水量 CDE段段降速段降速段
4、 两种典型的降速段干燥曲线两种典型的降速段干燥曲线CD段段:第一降速阶段第一降速阶段DE段段:第二降速阶段第二降速阶段D点点:第二临界点第二临界点 空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同。空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同。石棉纸浆的干燥速率曲线图 二、恒速干燥阶段二、恒速干燥阶段 5.恒速干燥阶段的干燥速率只与空气的状态有关，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。而与物料的种类无关。2.(NA)C 常量常量3.物料表面温度为物料表面温度为tw；4.在该阶段除去的水分为非结合水分；在该阶段除去的水分为非结合水分；1.湿物料表面全部润湿，即湿物料水分从物料内部
5、湿物料表面全部润湿，即湿物料水分从物料内部迁移至表面的速率迁移至表面的速率大于大于水分在表面汽化的速率。水分在表面汽化的速率。恒速干恒速干燥阶段为表面汽化控制。燥阶段为表面汽化控制。)()()(HHkttrNwHwwCA三、三、降速干燥阶段降速干燥阶段 1.降速的原因降速的原因 实际汽化表面减小实际汽化表面减小;汽化面内移汽化面内移;平衡蒸汽压下降平衡蒸汽压下降;固体内部水分的扩散极慢。固体内部水分的扩散极慢。(4)降速干燥阶段的干燥速率降速干燥阶段的干燥速率与物料种类、结构、与物料种类、结构、形状及尺寸有关形状及尺寸有关，而与空气状态关系不大。，而与空气状态关系不大。2.降速干燥阶段特点降速
6、干燥阶段特点 (1)随着干燥时间的延长，干基含水量随着干燥时间的延长，干基含水量X减小，干燥减小，干燥速率降低，速率降低，物料表面温度逐渐升高物料表面温度逐渐升高；(2)物料表面温度大于湿球温度物料表面温度大于湿球温度；(3)除去的水分为除去的水分为非结合、结合水分非结合、结合水分；四、四、临界含水量临界含水量 等速干燥阶段的速率越大，等速干燥阶段的速率越大，Xc降低物料厚度，降低物料厚度，Xc物料越细，物料越细，Xc五、干燥操作对物料性状的影响五、干燥操作对物料性状的影响 1.恒速段可以采用较高的气流温度恒速段可以采用较高的气流温度，以提高干燥，以提高干燥速率和热的利用率。速率和热的利用率。
7、2.降速段降速段尤其是干燥后期尤其是干燥后期需控制干燥速率需控制干燥速率，防止物料温度过高。防止物料温度过高。b.某些物质因脱水而产生种种物理的、化学的以某些物质因脱水而产生种种物理的、化学的以致生物的变化。如木材脱水收缩，内部产生应力，严致生物的变化。如木材脱水收缩，内部产生应力，严重时可使木材沿薄弱面开裂。有些物质脱水后会产生重时可使木材沿薄弱面开裂。有些物质脱水后会产生表面硬化、干裂，起皱等不良现象。表面硬化、干裂，起皱等不良现象。a.降速段，物料温度升高；降速段，物料温度升高；原因：原因：14.3.2 间歇干燥过程的计算间歇干燥过程的计算 物料在恒定干燥条件下所需干燥时间的确定方法：物
8、料在恒定干燥条件下所需干燥时间的确定方法：a.同一物料的干燥试验确定同一物料的干燥试验确定b.当生产条件与试验差别不大时，可进行估算。当生产条件与试验差别不大时，可进行估算。14.3.2.1 恒速阶段的干燥时间恒速阶段的干燥时间11.物料的自由含水量由物料的自由含水量由X1降至降至XC忽略物料的预热阶段忽略物料的预热阶段 cAG dXNAd1C10AddXcXGXAN 11ccAGXXAN2.NA的确定的确定 11ccAGXXAN按传质或传热速率式估算按传质或传热速率式估算)()(wwwHAttrHHkN实验测定实验测定几种典型的气流与物料的接触方式时的给热系数几种典型的气流与物料的接触方式时
9、的给热系数 空气平行于物料表面流动空气平行于物料表面流动 8.00143.0GkW/m2G为气体的质量流速，为气体的质量流速，kg/(m2s)条件为条件为G=0.688.14 kg/（m2s），气温），气温t=45150空气自上而下或自下而上穿过颗粒堆积层空气自上而下或自下而上穿过颗粒堆积层 单一球形颗粒悬浮于气流中单一球形颗粒悬浮于气流中0.590.410.0189/(/350)ppGdd G0.490.410.0118/(/350)ppGdd G1/21/3p20.65er (Re/)pppdRPd u 14.3.2.2 降速阶段的干燥时间降速阶段的干燥时间2 1.物料的自由含水量由物料的
10、自由含水量由XC降至降至X2（X2X*)所需时间所需时间 2c2Ac02ddXXNXAG2.计算计算 近似计算法近似计算法 数值积分法或图解积分法数值积分法或图解积分法近似计算法近似计算法)(*AXXKNx用虚线用虚线CE代替代替CDE*ccA,XXXNK)()(wHww,HHkttNCAC22*Xc*Xc2ddXXXXXXXAKGXXXAKGc*2*cXc2lnXXXXAKG3.总干燥时间总干燥时间*cc1Xc1XXXXAKG)ln(*2*c*cc1Xc21XXXXXXXXAKG*2*cc121lnXXXXXXXXc11ccAGXXAN*A()xCNKXX*2*cXc2lnXXXXAKG14
11、.3.3 连续干燥过程的一般特性连续干燥过程的一般特性 一一、连续干燥器中气流与物料的接触方式、连续干燥器中气流与物料的接触方式 二、连续干燥过程的特点二、连续干燥过程的特点 1.预热段预热段(物料中的水分临界水分）物料中的水分临界水分）沿设备长度增加，物料表面温度上升到气流的湿球温度，沿设备长度增加，物料表面温度上升到气流的湿球温度，气流温度下降。气流温度下降。2.表面汽化阶段表面汽化阶段(物料中的水分临界水分物料中的水分临界水分)沿设备长度增加，物料表面水分汽化，空气湿度增加，空气沿设备长度增加，物料表面水分汽化，空气湿度增加，空气经历绝热增湿过程经历绝热增湿过程；物料表面温度基本保持不变
12、，为空气的湿球；物料表面温度基本保持不变，为空气的湿球温度。温度。3.升温阶段升温阶段(物料中的水分临界水分物料中的水分临界水分)沿设备长度增加，物料温度升高，气流温度继续下降。沿设备长度增加，物料温度升高，气流温度继续下降。二、连续干燥过程的数学描述分析二、连续干燥过程的数学描述分析 1.考察方法：考察方法：欧拉法欧拉法 考察对象：在垂直于气流运动方向上取一设备微元考察对象：在垂直于气流运动方向上取一设备微元 2.过程数学描述方程过程数学描述方程 气固相际传热及传质速率方程式气固相际传热及传质速率方程式 物料内部的传热、传质速率方程式物料内部的传热、传质速率方程式 物料衡算式物料衡算式热量衡
13、算式热量衡算式14.3.4 干燥过程的物料衡算与热量衡算干燥过程的物料衡算与热量衡算 一一、空气干燥器的操作原理图、空气干燥器的操作原理图 1.进料口；进料口；2干燥室；干燥室；3卸料口；卸料口；4抽风机；抽风机；5空气预热器；空气预热器；6补充加热器补充加热器二二、物料衡算、物料衡算 水分蒸发量；水分蒸发量；空气消耗量；空气消耗量；干燥产品流量干燥产品流量 2.水分蒸发量水分蒸发量W 1.计算目的计算目的)()(1221221121cHHVGGwGwGXXGW)(02HHVW3.空气消耗量空气消耗量 干空气质量流量干空气质量流量 0212HHWHHWV121HHWLl)1(0HVV 实际空气
14、（新鲜空气）质量流量实际空气（新鲜空气）质量流量kg湿空气湿空气/s风机的风量风机的风量qV（m3湿空气湿空气/s）ptHVVvqHv3.101273273)244.1773.0(比空气用量比空气用量 4.干燥产品质量流量干燥产品质量流量)1()1(2211wGwGGc)1/()1(2112wwGG 注意：注意：G2是指离开干燥器的物料的流量，其中包括是指离开干燥器的物料的流量，其中包括绝干物料及含有的少量水分。绝干物料及含有的少量水分。三、三、热量衡算热量衡算 忽略预热器的热损失忽略预热器的热损失)()(01pH01p1ttVcIIVQ11112500)88.101.1(HtHI000025
15、00)88.101.1(HtHI01HH 01ppHHcc1.预热器的热量衡算预热器的热量衡算 2.干燥器的热量衡算干燥器的热量衡算 LcQIGVIQIGVI2c2D11LmcQcGVIQcGVI22pc2D11pm1Xcccl ppspm或或cpm湿物料的比热容，湿物料的比热容，kJ/(kg干物料干物料.)对于水对于水cpl=4.18 kJ/(kg.)四、四、物料衡算与热量衡算的联立求解物料衡算与热量衡算的联立求解 1.设计型问题分析设计型问题分析 目标：目标：计算完成一定干燥任务所需干空气用量计算完成一定干燥任务所需干空气用量 02HHWVLcQIGVIQIGVI2c2D11干燥任务干燥任
16、务Gc、W、1、X1、X2空气初始状态空气初始状态H1(=H0)QL可按传热公式求或取可按传热公式求或取QL=(0.050.10)QP 2不能任意选择不能任意选择 未知变量：未知变量：V、H2、t1、t2、QD V、W、H2、H0、t1、Gc、1X1、QD、t2、1、X2、QL02HHWVLcQIGVIQIGVI2c2D11未知变量：未知变量：V、H2、t1、t2、QD t1可以选定可以选定未知变量：未知变量：V、H2、t2、QD 约束方程：约束方程：2个个 设计者应选择的参数设计者应选择的参数2个个 2、干燥过程的物料和热量衡算常遇到以下两种情况、干燥过程的物料和热量衡算常遇到以下两种情况
17、未知变量：未知变量：V、H2、t2、QD 选择气体出干燥器的状态（如选择气体出干燥器的状态（如t2及及 即即H2已定，求已定，求V与与QD。选定选定QD（如许多干燥器（如许多干燥器QD=0，即不补充热量），即不补充热量）及气体出干燥器状态的一个参数，求及气体出干燥器状态的一个参数，求V及另一个气体出及另一个气体出口参数。口参数。2五、理想干燥器过程的物料和热量衡算五、理想干燥器过程的物料和热量衡算 1.理想干燥过程理想干燥过程 热量衡算式热量衡算式 LDQQIIGIIV)()(21c12 整个干燥过程湿物料不升温（物料中的水分都在表整个干燥过程湿物料不升温（物料中的水分都在表面汽化段去除，物料
18、的升温很小面汽化段去除，物料的升温很小1 2）、无热损失、干、无热损失、干燥器不补充热量；燥器不补充热量；干燥过程中湿物料中水分带入的热量及补充的热量干燥过程中湿物料中水分带入的热量及补充的热量刚好与热损失及升温物料所需的热量相抵消。刚好与热损失及升温物料所需的热量相抵消。21II 理想干燥过程（或等焓干燥、绝热干燥过程）。理想干燥过程（或等焓干燥、绝热干燥过程）。2.湿度图表示湿度图表示 六、六、实际干燥过程的物料和热量衡算实际干燥过程的物料和热量衡算 LDQQIIGIIV)()(21c12LDQIIGQ)(12c12II LDQIIGQ)(12c12II(1)当当(2)当当14.3.5 干
19、燥过程的热效率干燥过程的热效率 一、一、空气在干燥器中放出热量的分析空气在干燥器中放出热量的分析 LDPQIIGIIVQQ)()(12c120202120()()()pHpVV IIVcttW ctr112212c)()(pLpmcWccGIIGLDPQIIGIIVQQ)()(12c120202120()()()pHpVV IIVcttW ctr112212c)()(pLpmcWccGIIGLpHpmcpLpVDPQttVccGctcrWQQ)()()(021221200加入干加入干燥系统燥系统的热量的热量蒸发水蒸发水分耗热分耗热Q1物料升温物料升温耗热耗热Q2加热加热空气空气耗热耗热Q3热热
20、损损失失QL二、干燥器的热效率二、干燥器的热效率 Dp21QQQQ0DQ0lQ010()PpHQVctt01220()ppHQQQVctt012102pH21pHDp2111ttttttVcttVcQQQQ若若（等焓、理想、绝热干燥），则（等焓、理想、绝热干燥），则 123PDLQQQQQQ0012102012()()pHpHQQVcttttVctt0320()pHQVctt三、三、提高提高的措施的措施 1.当当t0，t1一定时，降低废气的温度一定时，降低废气的温度t2 干燥速率干燥速率NA，,设备容积设备容积弊：弊：t2不能过低以避免出现返潮现象不能过低以避免出现返潮现象 2w,1(20 5
21、0)tt）2.当当t0，t2一定时，提高空气的预热温度一定时，提高空气的预热温度t1 弊：弊：t1除受热源能位的限制外还应以物料不致在除受热源能位的限制外还应以物料不致在高温下受热破坏为限。高温下受热破坏为限。3.减少干燥过程的各项热损失减少干燥过程的各项热损失 a.做好干燥设备和管道的保温工作，做好干燥设备和管道的保温工作，b.防止干燥系统的渗透。防止干燥系统的渗透。4.采用部分废气循环操作采用部分废气循环操作 弊：干燥速率降低，干燥时间增加，装置费用增弊：干燥速率降低，干燥时间增加，装置费用增加，存在一最佳废气循环量，一般废气循环量为总气加，存在一最佳废气循环量，一般废气循环量为总气量的量的20%30%。
