重点：空气的焓湿图、干燥的热量恒算、
干燥机理、干燥时间的计算；
难点：空气的焓湿图、干燥计算；
第五章 食品干燥
去湿：除去物料中的水分和或其它溶剂（统称为湿分）的过程。
去湿的方法：
机械去湿法：即通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除去湿分。
物理化学去湿法：用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸收水分。该法费用高，操作麻烦，只适用于小批量固体物料的去湿，或用于除去气体中的水分。
热能去湿法：如蒸发、干燥等
用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，并将产生的蒸气排除，藉此来除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥。
第一节 概述
干燥过程的分类
按操作压力：常压干燥、真空干燥
按操作方式：连续式、间歇式
按传热方式：传导干燥、对流干燥、辐射干燥和介电加热干燥，以及由其中两种或三种方式组成的联合干燥。
在工业上应用最普遍的是对流干燥。通常使用的干燥介质是空气，被除去的湿分是水分。空气既是载热体又是载湿体。
物料的干燥过程是属于传热和传质相结合的过程。
干燥过程进行的条件：被干燥物料表面所产生水汽（或其它蒸汽）的压力大于干燥介质中水汽（或其它蒸汽）的分压，压差越大，干燥过程进行越快。所以干燥介质须及时将汽化的水汽带走，以保持一定的汽化水的推动力。
主要内容
湿空气的性质
湿物料的性质
干燥过程的物料衡算和热量衡算
干燥时间
干燥器
1 水蒸气分压pv
空气中水蒸气分压愈大，水分含量就愈高，根据气体分压定律，则有
第二节 湿空气的性质及湿度图
一、湿空气的性质
湿空气：绝对干空气和水蒸气的混合物。
pd—空气中绝对干空气的分压；
P—空气的大气压；
nv—空气中水蒸气的mol数；
nd—空气中绝对干空气的mol数。
2、 湿度(humidity)：绝对湿度、相对湿度、湿含量。
（1）、绝对湿度(absolute humidity)ρv：
湿空气中所含水蒸气的质量mv与湿空气体积V之比。
单位：kg/m3
按理想气体：
kg/m3
水蒸气mol质量
（2） 相对湿度 (relative humidity) φ
当 pv=0时，φ=0，表示湿空气不含水分，即为绝干空气。
当 pv=ps时，φ=1，表示湿空气为饱和空气。
在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压pv 与同温度下水的饱和蒸汽压 pS 之比的百分数，称为相对湿度(relative humidity)，用符号φ表示，即
温度T↑，水蒸气饱和压力ps ↑，当 pv一定时，φ↓。
（3）、 湿含量(moisture content)H或者d
湿空气中所含水蒸汽的质量与绝对干空气的质量之比，用符号H或d，其单位为：kg水气/kg干空气 。
Kg/kg
Md—绝干空气的摩尔质量， kg/mol
nd—绝干空气的摩尔数，mol
nv—空气中水蒸气的摩尔数，mol
常温下，湿空气可视为理想气体，则有
在饱和状态（ φ=1 ）时，湿空气中水蒸气分压pv等于该空气温度下纯水的饱和蒸气压ps，则有
由于水的饱和蒸气压仅与温度有关，故湿空气的饱和湿度是温度和总压的函数，即
相对湿度：可以说明湿空气偏离饱和空气的程度，能用于判定该湿空气能否作为干燥介质，φ值越小，则吸湿能力越大。
湿含量：是湿空气含水量的绝对值，不能用于分辨湿空气的吸湿能力。
在一定总压和温度下，两者之间的关系为
相对湿度和湿含量的关系
3 湿空气的比热CH
式中 cH——湿空气的比热， kJ/(㎏绝干气·oC)；
ca——绝干空气的比热， kJ/(㎏绝干气·oC)；
cv——水气的比热， kJ/(㎏水气·oC)
上式说明：湿空气的比热只是湿度的函数。
在常压下，将湿空气中1kg绝干空气及相应Ｈkg 水汽的温度升高（或降低）1oC所需要（或放出）的热量，称为比热，又称为湿热，用符号CH表示，单位是kJ/(㎏绝干气·oC)，即
在常用的温度范围内，有
4、 湿空气的焓h
湿空气中1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和，称为湿空气的焓，用符号h表示，单位是kJ/kg干空气。
h=hd+hvH
式中 h——湿空气的焓，kJ/kg绝干气；
hd ——绝干空气的焓，kJ/kg绝干气；
hv——水气的焓，kJ/kg水气。
对于温度为T、湿含量为H的湿空气，焓包括由0o C的水变为0o C的水汽所需的潜热及湿空气由0oC升温至T oC所需的显热之和，即
kJ/kg绝干气
干空气的比热容
水蒸气的比热容
水的汽化潜热
5、 湿空气的比容vH
在湿空气中，单位质量绝干空气的湿空气所占有的体积。
单位：m3湿空气/kg绝干气。
单位：m3湿空气/kg绝干气
对于理想气体：
对于温度为t、压力为P的湿空气：
湿空气的密度：
6、干球温度T和湿球温度Tw
Tw
补充液，温度Tw
空气
湿度H
温度T
干球温度T：空气的温度
湿球温度Tw：不饱和空气的湿球温度Tw低于干球温度T。
形成原理（如图所示）：
空气向湿纱布表面的传热速率为： Q=αS（T-Tw）
湿纱布中水分向空气吸热汽化，温度降低，传质速率：N=kH（Hs-H）S
达到平衡时，即Nr=Q时，Tw恒定。
对于某一定干球温度的湿空气，其湿含量越低，湿球温度值越低。对于饱和湿空气而言，其湿球温度与干球温度相等。
对空气~水蒸气系统而言， α/kH=
湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度，而并不代表空气的真实温度，由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定，故称其为湿空气的湿球温度，所以它是表明湿空气状态或性质的一种参数。
7、 露点 Td
不饱和的空气在湿含量Ｈ不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度，称为该湿空气的露点(dew piont),用符号Td表示。
当空气从露点继续冷却时，其中部分水蒸汽便会以露珠的形式凝结出来。空气的总压一定，露点时的饱和水蒸汽压ps,td 仅与空气的湿度Hs,td有关，即 ps,td=f(Hs,td) 或 td= (Hs,td) 湿度越大，td 越大。
在露点时，空气的湿度为饱和湿度，φ=1。
8 、绝热饱和温度Tas
空气
Tas，Hs，h2
空气
T，H，h1
补充水 Tas
水
Tas
绝热降温增湿过程及等焓过程：
在空气绝热增湿过程中，空气失去的是显热，而得到的是汽化水带来的潜热，空气的温度和湿度虽随过程的进行而变化，但其焓值不变。
形成原理：
绝热增湿过程进行到空气被水汽所饱和，则空气的温度不再下降，而等于循环水的温度，称此温度为该空气的绝热饱和温度，用符号Ts 表示，其对应的饱和湿含量为Ｈs，此刻水的温度亦为Ts。
塔顶和塔底处湿空气的焓分别为：
由于Ｈ和Ｈs比较小，故可视为cH 、cHs不随湿度而变，即cH=cHs 。则有
湿空气在绝热增湿过程中为等焓过程
绝热饱和方程
对于在湍流状态下的空气－水蒸气系统而言，a/kH≈ cH ， 在一定温度T和湿度H下，绝热饱和温度≈湿球温度，即Tas≈Tw
绝热饱和温度Tas与湿球温度Tw是两个完全不的概念。但是两者都是湿空气状态(T和H)的函数。特别是对空气－水蒸汽系统，两者在数值上近似相等，对其他系统而言，不存在此关系。
根据绝热过程和露点形成过程的原理，通常Tas>Td
对空气－水蒸气系统 ，干球温度T、绝热饱和温度Tas（或湿球温度Tw）及露点Td之间的关系为：
对于不饱和湿空气： T>Tas≈Tw>Td
对于饱和的湿空气： T ＝ Tas＝ Tw ＝Td
例题：已知湿空气的总压为
（1）湿含量H；
（2）水蒸气分压pv；
（3）露点Td；
（4）焓h；
（5）如将500kg/h空气预热到117 ℃，求所需热量Q；
（6）如完成（5）的任务，每小时需送入预热器的湿空
气的体积V。
解：已知 P=，φ=50%，T=20℃，
由饱和水蒸气表查得，水在20℃时的饱和蒸汽压ps=。
（1）求湿含量H
kg水气/kg干空气
（2）求水蒸气分压pv
（3）求露点Td
空气露点是空气在湿含量H或水蒸气分压pv不变的的情况下，冷却达到饱和时的温度，所以可由pv=，查饱和水蒸气表，得到对应的饱和温度Td=9℃。
（4）求焓h
（5）如将500kg/h空气预热到117 ℃，求所需热量Q
（6）求每小时需送入预热器的湿空 气的体积V
问题
1. 湿空气经加热后，其相对湿度_____,湿含量H____.
2. 空气的饱和湿度是湿空气如下参数的函数：
A.总压及干球温度 B.湿球温度和焓
3. 空气的干球温度t，湿球温度tw，露点温度td，当相对湿度φ=90%，则
A、t = tw = td， B、t > tw > td，
C、t < tw< td， D、t > tw= td
4. 以空气作为干燥介质时，为什么通常需要先将空气预热？
在工程计算中，常用的是以湿空气的焓值h为纵坐标，湿含量H为横坐标的焓—湿图，即h-H图。
图上共有五种线，图上任一点都代表一定温度t和湿度Ｈ的湿空气状态。
等湿含量线(等H线)：
等焓线(等h线)：
等温 (等干球温度)线(等T线)：
等相对湿度线（等φ线）
水蒸汽分压线：
（二）、湿空气的湿度图
1 等湿含量线(等H线)
2 等焓线(等h线)
3 等温线(等T线)
h=(+2500)H+
当空气的干球温度T不变时，h与H成直线关系，故在h-H图中对应不同的T，可作出许多等T线。 各种不同温度的等温线，其斜率为(+2500)，故温度愈高，其斜率愈大。因此，这许多成直线的等T线并不是互相平行的。
一组与纵轴平行的直线。在同一条等H线上，湿空气的露点Td不变。
一组与横轴平行的直线 。在同一条等h线上，湿空气的温度T随湿度H的增大而下降，但其焓值不变。
4 等相对湿度线（等φ线）
当湿空气的湿含量Ｈ为一定值时，温度愈高，其相对湿度φ值愈低，即其作为干燥介质时，吸收水汽的能力愈强，故湿空气进入干燥器之前必须经过预热器预热提高温度，目的除了提高湿空气的焓值使其作为载热体外，也是为了降低其相对湿度而作为载湿体。
5 水蒸汽分压线
该线表示空气的湿含量Ｈ与空气中的水蒸汽分压pv之间关系曲线。当湿空气的总压Ｐ不变时，水蒸汽的分压pv随湿含量Ｈ而变化。水蒸汽分压标于右端纵轴上，其单位为kN/m2。
A
E
D
F
B
C
Tw
Td
φ=1
H
p
h
干球温度T、露点Td、湿球温度Tw（或绝热饱和温度Tas）都是由等T线确定的。
根据湿空气任意两个独立的参数，就可以在h-H图上确定该空气的状态点，然后查出空气的其他性质。
非独立的参数如：Td~H，p~H，Td~p，Tw~h，Tas~h等，它们均在同一等H线或等h线上。
湿焓图的应用
通常根据下述已知条件之一来确定湿空气的状态点，已知条件是：
H
0
A
φ=1
T
Tw
h
1
2
3
H
0
A
φ=1
T
Td
h
1
2
3
0
H
A
φ=1
T
h
φ
1
2
（１）湿空气的干球温度T和湿球温度Tw；
（２）湿空气的干球温度T和露点Td ；
（３）湿空气的干球温度T和相对湿度φ。
例： 已知湿空气的总压为 , 湿含量为H= kg水/kg干空气，干球温度为70o C。试用h-H图求解：
(a)水蒸汽分压pv； (b)相对湿度φ ； (c)热焓h； (d)露点Td ；
(e)湿球温度Tw ；
解 由已知条件：Ｐ＝ H= kg水/kg干空气，T=70o C，在h-H图上定出湿空气的状态点Ａ点。
pv=3kN/m2
φ=10%
h＝123kJ/kg干空气
Td=24oC
Tw=33o C
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算
对流干燥是空气经预热后通入干燥器与湿物料进行热交换，湿物料中水分气化所需的热量由空气供给，而水汽则由空气带走。
完成某一定的生产任务，需要多大的风机，多少传热面积的预热器，干燥器的尺寸以及其它辅助设备等，必须通过干燥过程中水分蒸发量、空气消耗量以及干燥器内各项热量的分配。
一、物料含水量的表示方法
1 湿基含水量w
以湿物料为计算基准的物料中水分的质量分率或质量百分数。
不含水分的物料通常称为绝对干物料或称干料。以绝对干物料为基准的湿物料中含水量，称为干基含水量，亦即湿物料中水分质量与绝对干料的质量之比，单位为kg水分/kg绝干料。
两种含水量之间的换算关系为
2 干基含水量Ｘ：
新鲜空气L，H1
干燥产品G2，X2，w2
废气L，H2
湿物料G1，X1，w1
L——绝干空气的消耗量，kg绝干气/s；
H1，H2——分别为湿空气进出干燥器时的湿度，kg水气/kg绝干气；
X1，X2——分别为物料进出干燥器时的干基含水量，kg水气/kg绝干料；
w1 , w2——分别为物料进出干燥器时的湿基含水量，kg水气/kg湿物料；
G1，G2——分别为物料进出干燥器时的流量，kg湿物料/s；
G——绝干物料的流量，kg绝干料/s。
通过物料衡算可确定将湿物料干燥到规定的含水量所蒸发的水分量、空气消耗量、干燥产品的流量。
二、物料衡算
1 水分蒸发量(W)
对连续操作逆流干燥器作物料衡算，以单位时间s为衡算基准，设干燥器内无物料损失。则：
LH1+GX1=LH2+GX2 或L(H2-H1)=G(X1-X2)=W (干基含水量表示)
对间歇操作的干燥器作物料衡算，则以处理一批物料所需的时间及物料量为衡算基准。
用湿基含水量表示
2 干空气消耗量Ｌ
湿空气的消耗量为：
如果新鲜空气进入干燥器前先通过预热器加热，由于加热前后空气的湿度不变，以H0表示进入预热器时的空气湿度，则有
上式说明：比空气用量只与空气的最初和最终湿度有关，而与干燥过程所经历的途径无关。（选风机-夏季、冬季）
令l=L/W，称为比空气用量，其意义是从湿物料中气化1kg水分所需的干空气量。“单位空气消耗量”
3 干燥产品的流量G2
式中 w1、w2——物料进出干燥器时的湿基含水量
也可用X1，X2求出G2。
例：在一连续干燥器中，每小时处理湿物料1000kg，经干燥后物料的含水量有10%降至2%（湿基，重量比）。以热空气为干燥介质，初始湿度H1=水/kg绝干气，离开干燥器时湿度为H2= kg水/kg绝干气，假设干燥过程中无物料损失，试求：水分蒸发量、空气消耗量以及干燥产品量。
进入干燥器的绝干物料为 ：
G=G1（1-w1）=1000（）=900kg绝干料/h
解（1）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量：
水分蒸发量为 ：
W=G（X1-X2）=900（）=水/h
（2）空气消耗量
原湿空气的消耗量为：
L΄=L（1+H1）=1940（1+）=1955kg湿空气/h
（3）干燥产品量
单位空气消耗量（比空气用量）为：
W
Qp——预热器的传热速率，kw；
QD——向干燥器中补充热量的速率，kw；
QL——干燥器的热损失速率，kw
h ——湿空气的焓，kJ/kg干空气
h΄ ——湿物料的焓，kJ/kg干物料
θ ——湿物料的温度，K(℃)
L
H0，t0，h0
L
H1，t1，h1
Qp
QD
G2，X2，θ2，h΄2
L
H2，t2，h2
G1，X1，θ1，h΄1
QL
预热器
干燥器
通过干燥器的热量衡算可以确定物料干燥所消耗的热量或干燥器排出空气的状态(H2，t2，h2 )。
三、热量衡算
1 预热器的热量衡算
2 干燥器的热量衡算（包括系统热损失）
3 干燥系统消耗的总热量
若忽略预热器的热损失，则有
湿物料的焓：以干物料为基准的湿物料的焓。
简化计算：假设
（1）新鲜空气中水蒸气的焓等于离开干燥器时废空气中水蒸气的焓，即：hv0=hv2。
（2）进出干燥器的湿物料比热相等，即：Cm1=Cm2=Cm。
将h’ 代入总热量衡算式，即可求出Q(严格计算)
由于
由上式可以看出，向系统输入的热量用于： ①加热空气、 ②加热物料、 ③蒸发水分、 ④热损失等四个方面。
W
W
4、干燥系统的热效率ηh,干燥效率η（或ηD）和蒸发效率ηe
（1）干燥器的热效率ηh：空气在干燥室内放出的显热量与空气在预热器中获得的热量之比。
因为干燥过程中湿空气的比热近似不变
(2)干燥器的干燥效率η（或ηD）:多数认为是指用于蒸发水分所需之热与空气在干燥室内空气放出之显热的百分比。
Q
或者定义为:
(3)干燥器蒸发效率ηe：干燥室内的实际蒸发能力与排气完全被水汽饱和的理想蒸发能力之比。
可近似用下式计算:
式中Ts为进干燥室空气的绝热饱和温度。
提高预热温度(T1 ↑) （注意热敏性物料） ，降低干燥器空气出口温度(T2↓) ，湿度增加（注意吸湿性物料）；
废气回收，利用其预热冷空气或对湿物料预干燥；
注意干燥设备和管路的保温隔热，减少干燥系统的热损失。
提高传热效率（K ↑ ）
提高热效率的措施
例：某糖厂的回转干燥器的生产能力为4030kg/h（产品），湿糖含水量为%，于310C进入干燥器，离开干燥器时的温度为360C ，含水量为%，此时糖的比热为 。干燥用空气的初始状况为：干球温度200C ，湿球温度170C ，预热至970C后进入干燥室。空气自干燥室排出时，干球温度为400C ，湿球温度为320C ，试求： （1）蒸发的水分量；（2）新鲜空气用量；（3）预热器蒸气用量，加热蒸气压为200kPa（绝压）；（4）干燥器的热损失，QD=0；（5）热效率。
t0=200C
tw0=170C
t1=970C
Qp
QD=0
G2=4030kg/h
w2=%
θ2=360C
t2=400C
tw2=320C
θ1=310C
w1=%
QL
预热器
干燥器
解：
进入干燥器的绝干物料为：
G=G2（1-w2）=4030（%）=绝干料/h
水分蒸发量为：
W=G（X1-X2）=（）=水/h
（1）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量，即
（2）新鲜空气用量：首先计算绝干空气消耗量。
绝干空气消耗量为：
新鲜空气消耗量为：
L΄=L（1+H0）=（1+）=2909kg新鲜空气/h
由图查得：当t0=200C，tw0=170C时，H0=水/kg绝干料；
当t2=400C，tw2=320C时，H2=水/kg绝干料。
W
查H-I图，得
（3）预热器中的蒸气用量
查饱和蒸气压表得：200kPa（绝压）的饱和水蒸气的潜热为 kJ /kg，
Qp=L(h1-h0)=（127-48）=× 105kJ /h
故蒸气消耗量为： × 105/=103kg/h
h0=48kJ/kg干空气；
h1= 127kJ/kg干空气；
h2= 110kJ/kg干空气
（4）干燥器的热损失
（5）热效率
W
第四节 湿物料的性质及干燥机理
待干燥物料通常是由各种类型的干骨架（绝干物料）和液状湿分组成的湿物料。
不同的湿物料具有不同的物理，化学，结构力学，生物化学等性质。
虽然所有参数都会对干燥过程产生影响，但重要的因素是湿分的类型及其与骨架的结合方式。
aw
含水量
水分活度aw ：水蒸汽分压pv与同温度下纯水的饱和蒸气压ps之比。
物料的水分活度与其含水量和温度有关。一定温度下水分活度与含水量的关系曲线称为吸附等温线。
水分活度不仅与物料的贮藏性有关，而且决定了干燥进行的方向。
aw<φ时，吸附水分
aw=φ时，达到平衡
aw>φ时，解吸水分（干燥）
一、湿物料的水分活度
划分依据：物料所含水分能否用干燥方法除去。
物料中的水分与一定温度t、相对湿度φ的不饱和湿空气达到平衡状态，此时物料所含水分称为该空气条件(t、φ )下物料的平衡水分。
在干燥过程中能除去的水分只是物料中超出平衡水分的那一部分，称为自由水分。
平衡水分随物料的种类及空气的状态(t，φ)不同而异。
平衡水分代表物料在一定空气状况下可以干燥的限度。
二、平衡水分和自由水分
图【10-9】
陶土
烟叶
羊毛
空气状态恒定时，不同物料的平衡水分数值差异很大，同一物料的平衡水分随空气状态而变。
当空气φ=62%时,陶土的X*=1kg/kg绝干料;
烟叶的X*≈23kg/kg绝干料。
对同一种物料，如羊毛，φ=20%时，X*=
划分依据：根据物料与水分结合力的状况
1 结合水分 包括物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分、及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等。
特点：籍化学力或物理化学力与物料相结合的，由于结合力强，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，致使干燥过程的传质推动力降低，故除去结合水分较困难。
三、结合水分与非结合水分
2 非结合水分 包括机械地附着于固体表面的水分，如物料表面的吸附水分、较大孔隙中的水分等。
特点：物料中非结合水分与物料的结合力弱，其蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，干燥过程中除去非结合水分较容易。
物料的结合水分和非结合水分的划分只取决于物料本身的性质，而与干燥介质的状态无关；
平衡水分与自由水分则还取决于干燥介质的状态。干燥介质状态改变时，平衡水分和自由水分的数值将随之改变。
强调：
物料的总水分、平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分之间的关系见图示。
总水分
自由水分
平衡水分
非结合水分
结合水分
x*
x0
x1
空气相对湿度φ
100%
物料的含水量
0
平衡水分与自由水分，结合水分与非结合水分是两种概念不同的区分方法。
自由水分在干燥中可以除去，而平衡水分是不能除去的 。
非结合水分是在干燥中容易除去 ，而结合水分较难除去 。
平衡水分一定是结合水，非结合水分一定是自由水。
在干燥过程中物料内外的温度不一致，温度梯度促使水分传递（称为热导湿），方向是从高温到低温。
1 、湿度梯度的形成
以上两种梯度导致的水分传递称为内部扩散。
湿物料表面水分的汽化，遂形成物料内部与表面的湿度差，促使物料内部的水分向表面移动。
2、 温度梯度的形成
四、干燥机理
造成该分压的原因是：
3 、外部的传质推动力：
水分由物料内部扩散到表面后，便在表面气化，可认为在表面附近存在一层气膜，在气膜内水蒸气分压等于物料中水分的蒸气压，水分在气相中的传质推动力为此蒸气压与气相主体中水蒸气分压之差。
对对流干燥，由于介质的不断流动，带走气化的水分；
对真空干燥而言，则是气化的水分被真空泵抽走。
水分的内部扩散和表面汽化是同时进行的，但在干燥过程的不同阶段其速率不同，从而控制干燥速率的机理也不相同。原因在于受到物料的结构、性质、湿度等条件和干燥介质的影响。
强化措施（对对流干燥而言） ：提高空气的温度，降低相对湿度，改善空气与物料的接触和流动情况，均有助于提高干燥速率。
在干燥过程中，当物料中水分表面汽化的速率小于内部扩散的速率时，称为表面汽化控制；
当物料中水分表面汽化的速率大于内部扩散的速率，称为内部扩散控制。
强化措施：从改善内部扩散着手，如：减少物料厚度、使物料堆积疏松、搅拌或翻动物料、采用微波干燥等。
1、干燥速率：单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量W。
恒定干燥条件：干燥介质的温度、湿度、流速及与物料的接触方式，在整个干燥过程中均保持恒定。
U=dW/Adτ
式中 u—干燥速率,kg/m2·h ； W—汽化水分量,kg
A—干燥面积,m2 ； τ—干燥所需时间,h
第五节 干燥速率和干燥时间
一、恒定干燥条件下的干燥速率
dW= - GdX
U=dW/Adτ=-GdX/Adτ
式中 Ｇ—湿物料中绝对干料的量,kg ；
X—湿物料中干基的含水量,kg水/kg干物料；
负号表示物料含水随着干燥时间的增加而减少。
U=dW/Adτ
2、影响干燥速率的因素（对对流干燥而言）
湿物料的性质与形状：包括物理结构、化学组成、形状大小、料层厚薄及水分结合方式。
物料的湿度：物料的水分活度与湿度有关，因而影响干燥速率。
物料的温度：温度与水分的蒸气压和扩散系数有关。
干燥介质的状态：温度越高，相对湿度越低，干燥速率越大。
干燥介质的流速：由边界层理论可知，流速越大，气膜越薄，干燥速率越大。
介质与物料的接触状况：主要是指介质的流动方向。流动方向垂直于物料表面时，干燥速率最快。
A
B
C
D
E
X
U
1、干燥曲线：干燥过程中物料含水量X与干燥时间t、物料表面温度θ与干燥时间t 的关系曲线。
2、 干燥速率曲线：物料干燥速率u与物料含水量X的关系曲线。
二、干燥曲线与干燥速率曲线
3、曲线分析：
三（或四）个阶段：
（1）预热阶段(AB)：A点代表时间为零时的情况, AB为湿物料不稳定的加热过程。一般该过程的时间很短, 在分析干燥过程中常可忽略，将其作为恒速干燥的一部分。
不稳定的加热过程：在该过程中, 物料的含水量及其表面温度均随时间而变化。物料含水量由初始含水量降至与B点相应的含水量，而温度则由初始温度升高(或降低)至与空气的湿球温度相等的温度。
（2）恒速阶段（BC）：在BC段内干燥速率保持恒定。
此阶段特点：
除去的水分是非结合水；
属于表面汽化控制阶段；
物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度；
干燥速率的大小，主要取决于空气的性质，而与湿物料的性质关系很小。
恒速阶段的干燥速率：
在恒速阶段，空气传给物料的热量等于水分汽化所需的汽化热，即：
在干燥过程中，传热速率为
传质速率为：
所以，恒速干燥阶段的干燥速率为：
(3) 降速干燥阶段
CDE段：随物料含水量减少，干燥速率下降。当湿物料的含水量降到临界含水量Xc时，便转入降速干燥阶段，即CDE段称为降速干燥阶段。
不同类型物料结构不同，降速阶段速率曲线的形状也不同。
某些湿物料干燥时，干燥曲线的降速段中有一转折点D，把降速段分为第一降速阶段和第二降速阶段。D点称为第二临界点，如图。
第一降速阶段（CD段）：物料内部水分扩散速率小于表面水分在湿球温度下的汽化速率，这时物料表面不能维持全面湿润而形成“干区”，导致干燥速率下降。
有一些湿物料在干燥时不出现转折点，整个降速阶段形成了一个平滑曲线，如图所示。
第二降速阶段（DE段）：水分的汽化面逐渐向物料内部移动，从而使热、质传递途径加长，阻力增大，造成干燥速率下降。
E点：E点的干燥速率为零，即为操作条件下的平衡含水量。
需要指出的是，干燥曲线或干燥速率曲线是在恒定的空气条件下获得的，对指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同。
降速干燥阶段特点:
a: 干燥速率主要取决于水分在物料内部的迁移速率；
b: 干燥速率主要与物料本身的性质、结构、形状、尺寸和堆放厚度有关，而与空气的性质关系很小；
c: 物料表面的温度不断上升，而最后接近于空气的温度。
(4) 临界点和临界含水量
临界点(C点)：由恒速阶段转为降速阶段的点，即恒速与降速阶段的转折点为临界点。所对应湿物料的含水量称为临界含水量，用Xc表示。
临界点表明一个界限：
表面汽化控制与内部扩散控制。
不同的干燥物料，临界点不同。临界含水量随物料的性质、厚度及干燥速率不同而异。
临界含水量与湿物料的性质及干燥条件有关。表 和表给出了不同物料临界含水量的范围。
三、恒定干燥条件下干燥时间的计算
积分边界条件为：开始时τ=0，X=X1； 终了时τ= τ1 ，X=Xc；
1、 恒速干燥阶段
设恒速干燥阶段的干燥速率为Uc，根据干燥速率定义，有
临界处的干燥速率Uc可从干燥速率曲线查得，也可用下式进行估算：
对流传热系数a可用以下几种经验公式计算：
式中 L΄——湿空气的质量流速，kg/m2·h
适用条件： L΄=3900~19500 kg/m2·h（~
（1）空气的流动方向与物料表面平行时
适用条件： L΄=2450~29300 kg/m2·h（~8m/s），
空气的平均温度t=45~1500C
（2）空气垂直于物料表面流动
单位：W/(m2K)
2、 降速干燥阶段
式中U——降速阶段的瞬时干燥速率，kg/m2·s
X2
Xc
X
1/U
F1
F2
F3
积分边界条件：降速开始时τ=0，X=Xc；
终了时τ= τ2 ，X=X2；
在降速干燥阶段，U是变量，可采用以下两种方法进行计算：
图解积分法：将1/U对各相应的X进行标绘，量出介于所得曲线与横轴两界限X2-Xc间的面积，其数值即为所求的积分值。
近似计算法
式中 Xe——平衡含水量
kX——系数，直线CE的斜率
连接临界点C与平衡含水量E的直线来代替降速阶段的干燥速率，该近似方法认为在降速干燥阶段，干燥速率与物料中的自由水分成正比，即
A
B
C
D
E
X
U
3、干燥总时间（有效时间）
例：将不溶于水 的固体晶体装在 ×的盘中干燥，物料层厚度为25mm，盘的侧面和底面可假定为绝热的，干燥所需热量由流动方向与物料平行的热空气以对流方式传到物料表面，空气流速为6m/s，温度为700C，湿度为水/kg 绝干料，试估算恒速干燥阶段的干燥速率和蒸发量。
湿空气的密度为
解：由湿度图查得H=水/kg 绝干料，t= 700C的空气 tw=300C
空气的湿比容为
湿空气的质量流速
L΄=uρ=6 =
当tw=300C时，rtw=2424kJ/kg，则有
蒸发量为Uc ×A= （ ×）=水/h
对流传热系数
【例】 某批物料的干燥速率曲线如图所示。将该物料由含水量25%干燥至6%（均为湿基）。湿物料的初质量为 ，干燥表面积为 绝干料，设装卸料时间为 ，试确定每批物料的干燥时间。
解：
由图查得，
，
，
每批物料干燥周期为
1 干燥器的分类
按操作压强分：常压干燥器、真空干燥器；
按供热方式分：对流干燥器、传导干燥器、辐射干燥器、介电加热干燥器；
按操作方式分：连续式、间歇式；
按介质和物料的相对运动方向分：并流、逆流、错流干燥器；
第六节 干燥设备
并流、逆流、错流干燥器的特点
并流：含水量高的物料与温度最高而湿度最低的介质相接触，在进口端的干燥推动力大，在出口端的推动力小。
适用情况：
（1）干物料不耐高温而湿物料允许快速干燥；
在干燥第一阶段，物料温度始终维持在湿球温度，到第二阶段，物料温度才逐渐上升，但此时介质温度已下降，物料不致于过热。
（2）物料的吸湿性小或最终水分要求不很低；
物料在出口处与温度最低、湿度最高（即相对湿度最大）的介质接触，其平衡水分高。
逆流：物料与干燥介质的运动方向相反，干燥推动力在干燥器中分布较均匀。
适用情况：
（1）湿物料不宜快干而干物料能耐高温；
（2）物料的吸湿性强或最终含水量要求低；
注：在逆流时，湿物料进入的温度不应低于干燥介质在此处的露点，否则湿度高的干燥介质中有一部分水蒸气会冷凝在湿物料上，从而增加干燥时间。
错流：高温介质与物料运动方向相垂直，如果物料表面都与湿度小、温度高的介质接触，可获得较高的推动力，但介质的用量和热量的消耗也较大。
适用情况：
（1）物料在干燥的始、终都允许快速干燥和高温；
（2）要求设备紧凑（过程速度大）而允许较多的介质和能耗。
2 干燥器类型 厢式干燥器（盘式干燥器）
适用于干燥粒状、片状和膏状物料，批量小、干燥程度要求高、不允许粉碎的脆性物料，以及随时需要改变风量、温度和湿度等干燥条件的情况。
优点：构造简单、制造容易、适应性强。
缺点：干燥不均匀，干燥时间长，劳动强度大，操作
条件差。
湿物料进口
干燥产品
热空气
废气
带式干燥器是使用环带作为输送物料的干燥器。运输带通常用帆布、橡胶、金属丝网制成，以金属丝网居多。
带式干燥器
湿物料
气流式干燥系统
干燥管
干物料
旋风分离器
蒸汽
冷凝水
冷空气
热空气
板式换热器
废气
风机
气流干燥器
优点：对流传热系数和传热温度差大，干燥器的体积小，干燥速率快，物料停留时间短，可在高温下干燥；热利用率高；设备紧凑，结构简单；可以完全自动控制。
缺点：气流在系统中压降较大；干燥管长；在干燥过程中存在摩擦，易将产品磨碎；分离器的负荷大。
适用于在潮湿状态下仍能在气体中自由流动的颗粒物料，可利用高速的热气流使粉、粒状的物料悬浮于其中，在气力输送过程中进行干燥。
沸腾床干燥器（流化床干燥）
HUA GONG YUAN LI
优点：颗粒在干燥器内的停留时间可任意调节；气流速度小，物料与设备的磨损较轻，压降小；传热面大，物料的最终含水量低；结构简单、紧凑。
缺点：因颗粒在床层中高度混合，则可引起物料的短路和返混，物料在干燥器内的停留时间不均匀。
原理：用喷雾器将稀料液喷成细雾滴分散于热气流中，使水分迅速蒸发而达到干燥的目的。通常雾滴直径为10~60um，每升溶液具有100~600m2的蒸发面积。
喷雾器的类型：离心喷雾器、压力喷雾器、气流喷雾器。
优点：干燥时间短，适于热敏性物料；所得产品为空心颗粒，溶解性好，质量高；操作稳定；能连续、自动化生产；由料液直接获得粉末产品，省去了蒸发、结晶、分离和粉碎操作。
缺点：体积传热系数低；设备体积庞大；操作弹性较小，热利用律低、能耗大。
喷雾干燥器（spray dryer）
废气
干物料
旋风分离器
蒸汽
冷凝水
冷空气
热空气
板式换热器
离心式喷雾器
压力式喷雾器
气流式喷雾器
主要部件：
优点：处理量大，适应性强，生产能力大，操作控制方便，干燥时间可藉调节转筒的转速来控制，产品质量均匀。
缺点：设备笨重，热利用率低，结构复杂，占地面积大。
转筒：呈倾斜状，在旋转时，借助重力的作用使物料向低端输送。
抄板：将物料抄起后再洒下，增大干燥面积，提高干燥速率；同时促进物料向前运动。
转筒干燥器（回转式干燥器）
一、转简干燥器的工作原理
转筒干燥器的主体是略带倾斜并能回转的圆筒体。湿物料从左端上部加入，经过圆筒内部时，与通过筒内的热风接触而被干燥。物料借助于圆筒的缓慢转动在重力的作用下从较高一端向较低一端移动。筒体内壁上装有顺向抄板(或类似装置)，它不断地把物料抄起又洒下，便物料的热接触表面增大，以提高干燥速率并促使物料向前移动。
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根据物料在一定的干燥条件下，其中所含水分能否用干燥方法除去来划分，可分为平衡水分（equilibrium water）与自由水分（free water）。
