干燥理论学习笔记

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干燥理论学习笔记

干燥操作分类

根据对湿物料的加热方法的不同，干燥操作可分为以下几种。

• 热传导干燥法 利用热传导方式将热量通过干燥器的壁面传给湿物料，使其中的湿分汽化。
• 对流传热干燥法 使热空气或热烟道气等干燥物质与湿物料接触，以对流方式向物料传递热量，使湿分汽化，并带走所产生的蒸汽
• 红外线辐射干燥法
• 微波加热干燥法
• 冷冻干燥法

工业上常用的是对流加热干燥法，下文以热空气为干燥介质，除去湿分为水的对热加热干燥为例介绍：

对流干燥示意图.jpg.jpeg

如上图所示，干燥过程可以简述如下：
热空气与湿物料直接接触，向物料传递热量。传热的推动力为空气温度t与物料表面温度的温度差。同时，物料表面的水汽向空气主体传递，并被空气带走。水汽传递的推动力为物料表面的水汽分压与空气主体的水汽分压的分压差。因此，物料的干燥过程是传热与传质并存的过程。在干燥器中，空气既要为物料提供水分汽化所需的热量，又要带走所汽化的水汽，以保证干燥过程的进行。因此，空气既是载热体，又是载湿体。空气在进入干燥器前需要经过预热器加热到一定的温度。在干燥器中，空气从进口到出口逐渐降温增湿，最后作为废气排出。

传热传质理论

湿球温度计，湿球温度达到稳定时，从空气向湿球表面的对流传热速率为

式中，为传热速率，；为对流传热系数，，为湿球表面积，。
同时，湿球表面的水汽向空气主体的对流传质速率为

式中，为传质速率，；为以温度差为推动力的对流传质系数，；为湿球表面处的空气，在湿球温度下的饱和湿度，。
单位时间内，从空气主体向湿球表面传递的热量Q正好等于湿球表面水汽化带回空气主体的热量

整理得

式中， 为同一气膜的对流传热系数与对流传质系数之比，单位为。实验证明， 和都与Re的0.8次方成正比，所以与流速无关，只与物系性质有关。对于空气-水物系，。

物料的干燥曲线

干燥曲线测定方法，在恒定条件下（即空气温度、湿度、流速及其与物料的接触状况等保持恒定）下大量空气中将少量湿物料的试样悬挂在干燥实验装置的天平上，定时测量物料的质量L和表面温度，直到物料质量恒定为止。然后将物料放入电烘箱内烘干至物料质量恒定，即可得到绝干物料的质量，并求得干基含水量。试样的含水量及其表面温度随时间的变化关系如下左图中的与曲线，称为物料的干燥实验曲线

干燥曲线与干燥速率曲线.jpg

1. 干燥过程分为三个阶段，为预热阶段，此时物料的温度小于干燥空气对应的湿球温度，在温度梯度推动下，发生传热。同时，物料表面的水蒸气分压力大于空气中水蒸气分压力，在分压力梯度的推动下，物料表面水分汽化，开始时汽化量较小，汽化所需热量小于空气传入物料的热量，随着物料温度上升，水分汽化速率或物料含水率变化率 也逐渐增大，当水分汽化所需热量等于空气传给物料的热量时，预热阶段结束，进入恒速干燥阶段。
2. 为恒速干燥阶段，此阶段物料表面润湿，呈现连续水膜，物料表面温度始终维持在空气对应的湿球温度，此时由于传热推动力和传质推动力保持不变，因此水分汽化速率不变，为一向下的斜直线。
3. 为降速干燥阶段，其中转折点称为恒速干燥阶段与降速干燥阶段的临界点，对应的物料含水率称为临界含水量
   物料的含水量降到点时，内部水分向表面的移动速率已下降到来不及向表面补充足够的水分以维持表面的润湿，因而开始出现不润湿点，水分汽化速率或 逐渐减小，当润湿表面继续减小为点，表面完全不润湿，从第一降速阶段（段)进入第二降速阶段(段)。汽化表面逐渐从物料表面向内部转移，汽化所需热量通过固体传到汽化区域，汽化了的水汽穿过固体孔隙向外部扩散，故水分的汽化速率进一步降低，直到E点时，物料的含水量将降为该空气条件下的平衡含水量X*。此时，。

物料的平衡含水量曲线

平衡含水量曲线.jpg

自由水也叫非结合水。在一定空气温度和湿度下，物料的平衡含水率一定，随着空气相对湿度（物料水分蒸气压)的增大，物料平衡含水量增加。

间歇干燥过程的干燥速率影响
干燥速率是单位时间内单位干燥表面积上的汽化水分量，单位为

其中，为水分蒸发量，，为物料的干燥面积，，为干燥时间，。
又，则 ,，其中为湿物料中绝干物料质量，；为湿物料干基含水量，。

干燥曲线与干燥速率曲线.jpg

如上右图即为典型干燥速率曲线，与干燥曲线对应，可由干燥速率曲线求得干燥时间。