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1、固体干燥动力学固体干燥动力学12023年年12月月28日日化工原理化工原理2023年年12月月28日日本节主要内容本节主要内容一、干燥动力学一、干燥动力学1、干燥速率、干燥速率2、干燥速率曲线、干燥速率曲线3、干燥速率的影响因素、干燥速率的影响因素二、恒定干燥条件下干燥时间的计算二、恒定干燥条件下干燥时间的计算化工原理化工原理2023年年12月月28日日干燥动力学：干燥动力学：通过干燥速率的计算，来计算完成一定干燥任务所通过干燥速率的计算，来计算完成一定干燥任务所需的干燥器的尺寸和干燥时间等。需的干燥器的尺寸和干燥时间等。恒定干燥条件：恒定干燥条件：即干燥介质的温度、湿度、流速及物料的接触方即
2、干燥介质的温度、湿度、流速及物料的接触方式等，在整个干燥过程中均保持恒定。式等，在整个干燥过程中均保持恒定。简化处理：简化处理：适用于大量空气干燥少量湿物料的情况，空气的适用于大量空气干燥少量湿物料的情况，空气的定性温度取进、出口温度平均值。定性温度取进、出口温度平均值。恒定干燥恒定干燥:通常适用于大量空气对少量物料进行的通常适用于大量空气对少量物料进行的间歇干燥间歇干燥。变动干燥变动干燥:连续连续操作的干燥设备操作的干燥设备 本章仅限于恒定干燥条件下的计算。本章仅限于恒定干燥条件下的计算。一、干燥动力学一、干燥动力学化工原理化工原理2023年年12月月28日日干干燥燥速速率率U：单单位位时时
3、间间内内单单位位干干燥燥面面积积上上汽汽化化的的水水分分量量(kg/m2 s)。微分形式为微分形式为:式中：式中：U 干燥器的干燥速率，干燥通量，干燥器的干燥速率，干燥通量，kg/m2 s；W 一批操作中汽化的水份量，一批操作中汽化的水份量，kg；G 一批操作中绝干物料的质量，一批操作中绝干物料的质量，kg；1、干燥速率、干燥速率化工原理化工原理2023年年12月月28日日2 干燥速率曲线：干燥速率曲线：干燥速率干燥速率 U 与与含水量含水量 X 的关系曲线的关系曲线uXABCDEX*AXC临界点临界点降速段降速段恒速段恒速段图图 干燥速率曲线干燥速率曲线 （恒定干燥状况）（恒定干燥状况）由图
4、可以看出，干燥速率曲线由图可以看出，干燥速率曲线可以分成三个阶段：可以分成三个阶段：预热段（预热段（AB段）段）物料与空气接触并没有立刻有物料与空气接触并没有立刻有水分蒸发，首先物料被加热，在这水分蒸发，首先物料被加热，在这一阶段物料温度上升，同时干燥速一阶段物料温度上升，同时干燥速率也在提高部分水分蒸发；但实际率也在提高部分水分蒸发；但实际过程中这一阶段时间较短，常被忽过程中这一阶段时间较短，常被忽略不计或合并入后一阶段略不计或合并入后一阶段恒速恒速干燥阶段。干燥阶段。化工原理化工原理2023年年12月月28日日uXABCDEX*AXC临界点临界点降速段降速段 恒速段恒速段图图 干燥速率曲线
5、干燥速率曲线 （恒干燥状况）（恒干燥状况）恒速干燥阶段（恒速干燥阶段（BC段）段）当物料表面是湿润的，用大量当物料表面是湿润的，用大量空气干燥少量物料，这与前面所讲空气干燥少量物料，这与前面所讲的湿球温度条件类似。所以的湿球温度条件类似。所以物料温物料温度在这一阶段没有上升而是保持在度在这一阶段没有上升而是保持在什么温度？什么温度？空气状态所对应的湿球空气状态所对应的湿球温度。此时传热、传质的推动力恒温度。此时传热、传质的推动力恒定不变，其干燥速率也是恒定不变，定不变，其干燥速率也是恒定不变，故称为恒定干燥阶段。故称为恒定干燥阶段。除去非结合水的阶段除去非结合水的阶段化工原理化工原理2023年
6、年12月月28日日 降速干燥阶段（加热段）降速干燥阶段（加热段）当当物物料料中中水水分分无无法法保保持持物物料料表表面面湿湿润润时时，表表面面水水分分蒸蒸发发速速率率下下降降，物物料料表表面面温温度度升升高高；当当表表面面水水分分蒸蒸发发干干以以后后，热热量量必必须须传传至至物物料料内内部部，内内部部水水分分蒸蒸发发后后要要扩扩散散到到物物料料表表面面才才能能进进入入空空气气，所所以以干干燥燥速速率率进进一一步步下下降降，直直至至干干燥燥速速率率为为零零，物物料料的的水水分分含含量量达达到到平平衡衡含含水水量量（此时所需的干燥时间要无限长）（此时所需的干燥时间要无限长）uXABCDEX*AXC
7、临界点临界点降速段降速段 恒速段恒速段图图 干燥速率曲线干燥速率曲线 （恒干燥状况）（恒干燥状况）化工原理化工原理2023年年12月月28日日临界含水量临界含水量（Critical moisture content）物物料料在在干干燥燥过过程程中中经经历历了了预预热热、恒恒速速、降降速速干干燥燥阶阶段段，用用临临界界含含水水量量X Xc c加加以以区区分分，X Xc c越越大大，越越早早地地进进入入降降速速阶阶段段，使使完完成成相相同同的的干干燥燥任任务务所所需需的的时时间间越越长长，X Xc c的的大大小小不不仅仅与与干干燥燥速速率率和和时时间间的的计计算算有有关关，同同时时由由于于影影响响
8、两两个个阶阶段段的的因因素素不不同同，因因此此确定确定X Xc c值对强化干燥过程也有重要意义。值对强化干燥过程也有重要意义。Xc 决决定定两两干干燥燥段段的的相相对对长长短短，是是确确定定干干燥燥时时间间和和干干燥燥器器尺尺寸寸的基础数据，对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要。的基础数据，对制定干燥方案和优化干燥过程十分重要。注注意意：Xc 与与物物料料的的厚厚度度、大大小小以以及及干干燥燥速速率率有有关关，所所以以不不是是物料本身的性质物料本身的性质。一般需由实验测定。一般需由实验测定。化工原理化工原理2023年年12月月28日日l 水分传递速率水分传递速率 气化速率气化速率干燥速率主要与
9、外部的干燥条件有关干燥速率主要与外部的干燥条件有关3、干燥速率的影响因素、干燥速率的影响因素化工原理化工原理气化的水分为气化的水分为非结合水非结合水2023年年12月月28日日l 水分传递速率水分传递速率 X X Xc c，汽化的是非结合水。汽化的是非结合水。汽化的是非结合水。汽化的是非结合水。恒定干燥条件下恒定干燥条件下和和 kH 不变不变 由由物物料料内内部部向向表表面面输输送送的的水水分分足足以以保保持持物物料料表表面面的的充充分分湿湿润润，干干燥燥速速率率由由水水分分汽汽化化速速率率控控制制(取取决决于于物物料料外外部部的的干干燥燥条条件件)，故恒速干燥段又称为，故恒速干燥段又称为表面
10、汽化控制阶段。表面汽化控制阶段。湿湿物物料料与与空空气气间间的的q 和和 N 恒定恒定化工原理化工原理2023年年12月月28日日由由于于物物料料表表面面和和空空气气间间的的传传热热和和传传质质过过程程与与测测湿湿球球温温度度时时的的情况基本相同：情况基本相同：一批操作中空气传给物料的总热量，一批操作中空气传给物料的总热量，一批操作中空气传给物料的总热量，一批操作中空气传给物料的总热量，kJkJ。在在恒恒定定干干燥燥阶阶段段，空空气气传传给给湿湿物物料料的的显显热热恰恰等等于于水水分分汽汽化化所需的汽化热：所需的汽化热：化工原理化工原理2023年年12月月28日日 恒速干燥的特点：恒速干燥的特
11、点：（1 1）U=U=U Uc c=const.=const.（2 2）物料表面温度为物料表面温度为t tw w；（3 3）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。（4 4）恒恒速速干干燥燥阶阶段段的的干干燥燥速速率率只只与与空空气气的的状状态态有有关关，而而与与物料的种类无关。物料的种类无关。化工原理化工原理2023年年12月月28日日2、降速干燥段：、降速干燥段：X Xc物料实际汽化表面变小物料实际汽化表面变小(出现干区出现干区)，第一降速段；，第一降速段；随随着着干干燥燥过过程程的的进进行行，物物料料内内部部水水分分迁迁移移到到表表面面的的速速率率已已经经小小于于
12、表表面面水水分分的的汽汽化化速速率率。物物料料表表面面不不能能再再维维持持全全部部润湿，而出现部分润湿，而出现部分“干区干区”，即实际汽化表面减少。，即实际汽化表面减少。去除的水分为去除的水分为结合、非结合水分结合、非结合水分。汽化表面内移，第二降速段；汽化表面内移，第二降速段；当当物物料料全全部部表表面面都都成成为为干干区区后后，水水分分的的汽汽化化面面逐逐渐渐向向物物料料内内部部移移动动，传传热热是是由由空空气气穿穿过过干干料料到到汽汽化化表表面面，汽汽化化的的水水分分又又从从湿湿表表面面穿穿过过干干料料到到空空气气中中，降降速速干干燥燥阶阶段段又又称称为为物料内部迁移控制阶段。物料内部迁
13、移控制阶段。化工原理化工原理2023年年12月月28日日化工原理化工原理2023年年12月月28日日 降速干燥阶段特点：降速干燥阶段特点：降速干燥阶段特点：降速干燥阶段特点：（1 1）随随着着干干燥燥时时间间的的延延长长，干干基基含含水水量量X X减减小小，干干燥燥速速率率降降低；低；（2 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 3）除去的水分为非结合、结合水分；）除去的水分为非结合、结合水分；（4 4）降降速速干干燥燥阶阶段段的的干干燥燥速速率率与与物物料料种种类类、结结构构、形形状状及及尺寸有关，而尺寸有关，而与空气状态关系不大与空气状态关系不大。化工原理化工原理2
14、023年年12月月28日日3.3.影响干燥过程的主要因素影响干燥过程的主要因素1 1）气固接触方式）气固接触方式结论：（结论：（a a）差；差；（b b）中；中；（c c）好。好。粘土粒径粘土粒径 dp，m0.12410-210-310-410-510-6表面积表面积 A，m20.0240.333030030002 2）物料尺寸物料尺寸物料尺寸物料尺寸，干燥面积，干燥面积，干燥速率，干燥速率化工原理化工原理2023年年12月月28日日 强强化化外外部部干干燥燥条条件件（t t，H H，u u）,增增加加传传热热传传质质推推动动力力，减减小气膜阻力，提高恒速段干燥速率，但对降速段改善不大。小气膜
15、阻力，提高恒速段干燥速率，但对降速段改善不大。强化干燥条件将使强化干燥条件将使 X Xc c 增加，更多的水分将在降速段汽化。增加，更多的水分将在降速段汽化。气体温度的提高受热源条件和物料耐热性的限制。气体温度的提高受热源条件和物料耐热性的限制。增大气速，降低气体湿度，使干燥过程的能耗增加。增大气速，降低气体湿度，使干燥过程的能耗增加。4 4）物料特性）物料特性 物料本性不影响恒速段的干燥速率；物料本性不影响恒速段的干燥速率；物物料料结结构构不不同同，水水分分的的结结合合方方式式、结结合合力力的的强强弱弱不不同同，降降速速段干燥速率差异很大。段干燥速率差异很大。强强化化干干燥燥速速率率，须须考
16、考虑虑物物料料本本性性。若若恒恒速速段段速速率率太太快快，有有些些物物料料会会变变形形、开开裂裂或或表表面面结结硬硬壳壳；降降速速段段应应考考虑虑物物料料的的耐耐热热性，如热敏性物料不能采用过高温度的气体作为干燥介质。性，如热敏性物料不能采用过高温度的气体作为干燥介质。3 3）干燥介质条件）干燥介质条件化工原理化工原理2023年年12月月28日日 物物物物料料料料的的的的停停停停留留留留时时时时间间间间应应应应大大大大等等等等于于于于给给给给定定定定条条条条件件件件下下下下将将将将物物物物料料料料干干干干燥燥燥燥至至至至指指指指定定定定的含水量所需的干燥时间，并由此确定干燥器尺寸。的含水量所需
17、的干燥时间，并由此确定干燥器尺寸。的含水量所需的干燥时间，并由此确定干燥器尺寸。的含水量所需的干燥时间，并由此确定干燥器尺寸。若若若若已已已已知知知知物物物物料料料料的的的的初初初初始始始始湿湿湿湿含含含含量量量量 X X X X1 1 1 1 和和和和临临临临界界界界湿湿湿湿含含含含量量量量 X X X Xc c c c，则则则则恒恒恒恒速速速速段的干燥时间为段的干燥时间为段的干燥时间为段的干燥时间为 恒速干燥段的干燥时间恒速干燥段的干燥时间 若若传传热热干干燥燥面面积积 S 为为已已知知，则则由由上上式式求求干干燥燥时时间间 的的问问题归结为题归结为气固对流给热系数气固对流给热系数 a a
18、 的求取。的求取。二、恒定干燥条件下干燥时间的计算二、恒定干燥条件下干燥时间的计算化工原理化工原理2023年年12月月28日日(1)图解积分法图解积分法 降降速速段段的的干干燥燥时时间间可可以以从从物物料料干干燥燥曲曲线线上上直直接接读读取取。计计算算上上通常是采用图解法或解析法。通常是采用图解法或解析法。当当降降速速段段的的U X 呈呈非非线线性性变变化化时，应采用图解积分法。时，应采用图解积分法。在在 X2 Xc 之之间间取取一一定定数数量量的的 X 值值，从从干干燥燥速速率率曲曲线线上上查查得得对对应应的的 u，计计算算 Gc/Su；作作图图Gc/Su X，计算曲线下面阴影部分的面积。计
19、算曲线下面阴影部分的面积。XoXcX2Gc/Su降速干燥段的干燥时间降速干燥段的干燥时间 化工原理化工原理2023年年12月月28日日(2)解析法解析法 当当降降速速段段的的U X 呈呈线线性性变变化时，可采用解析法。化时，可采用解析法。降速段干燥速率曲线可表示为降速段干燥速率曲线可表示为 ABCD干燥速率干燥速率 uXuXcX*湿含量湿含量 Xuc当当缺缺乏乏平平衡衡水水分分的的实实验验数数据据时时，可以假设可以假设 X*=0，则有则有降速干燥段的干燥时间降速干燥段的干燥时间 化工原理化工原理干燥时间为：干燥时间为：=1+2例例1、在盘式干燥器中，将某湿物料的含水量从在盘式干燥器中，将某湿物
20、料的含水量从0.6干燥干燥至至0.1（干基，下同）经历了（干基，下同）经历了4个小时恒定干燥操作。已个小时恒定干燥操作。已知物料的临界含水量为知物料的临界含水量为0.15，平衡含水量为，平衡含水量为0.02，且降速，且降速干燥段的干燥速率与物料的含水量近似成线性关系。试干燥段的干燥速率与物料的含水量近似成线性关系。试求：将物料含水量降至求：将物料含水量降至0.05需延长多少干燥时间？需延长多少干燥时间？化工原理化工原理解：包括恒速及降速两个阶段。恒速干燥段所需要时间：解：包括恒速及降速两个阶段。恒速干燥段所需要时间：降速段干燥时间：降速段干燥时间：所以，总的干燥时间为：所以，总的干燥时间为：化
21、工原理化工原理原工况下的干燥时间为：原工况下的干燥时间为：新工况下的干燥时间为：新工况下的干燥时间为：=4.994h 或采用下列公式直接计算：或采用下列公式直接计算：化工原理化工原理推荐阅读书目推荐阅读书目1.1.王晓红，田文德，王英龙王晓红，田文德，王英龙.化工原理化工原理.北京：化学工北京：化学工业出版社，业出版社，2013.（5.3节）节）2.2.王晓红，田文德王晓红，田文德.化工原理（下册）化工原理（下册）.北京：化学工北京：化学工业出版社，业出版社，2015.（6.4节）节）化工原理化工原理本讲结束本讲结束下讲内容：下讲内容：固体干燥的物料和能量衡算固体干燥的物料和能量衡算2023年年12月月28日日化工原理化工原理27