干燥速率與干燥時間

1、藥品生產技術專業(yè)教學資源庫-制藥單元操作技術教學設計教 師 姓 名授課班級授課形式講授授 課 日 期 授課時數2授課內容情景7 干燥過程及操作任務5 干燥速率與干燥時間教學目的知 識目 標1了解干燥時間及計算方法2理解兩種曲線的表示方法和意義3掌握干燥速率的影響因素能 力目 標1能夠根據干燥任務計算干燥時間。2能夠根據干燥時間確定干燥速率的大小。3能夠準確分析干燥過程的影響因素。思 想目 標1. 具有分析問題解決問題的能力；2. 具有一定組織協(xié)調能力；3. 具有搜索、整理材料及文字表達相關能力教 學 重 點干燥速率教 學 難 點干燥速率更新、補充、刪 節(jié) 內 容使 用 教 具多媒體課 外 作

2、業(yè)課 后 體 會授課主要內容及課堂教學設計教學環(huán)節(jié) 課 程 內 容 設 計教學方法時間min組織復習引入新課小結通過干燥器的物料衡算及熱量衡算可以計算出完成一定干燥任務所需的空氣量及熱量。但需要多大尺寸的干燥器以及干燥時間長短等問題，則必須通過干燥速率計算方可解決。對于物料的去濕過程經歷了兩步：首先水分從物料內部遷移至表面，然后再由表面汽化而進入空氣主體。故干燥速率不僅取決于空氣的性質及干燥操作條件，而且還與物料中所含水分性質有關。任務5干燥速率與干燥時間工程上,對某物料欲除去一定的水量,需要一定的時間.除去的水分一定,時間的長短取決于干燥速率,速率快,干燥時間短。干燥速率如何得知呢?首先要知

3、道干燥過程的速率,才能知道干燥的時間。干燥速率與干燥過程有關,而干燥過程又與干燥空氣狀態(tài)有關。干燥過程分為恒定干燥和非恒定干燥。恒定干燥:指干燥操作過程中空氣的溫度、濕度、流速及與物料接觸方式不發(fā)生變化。如大量的空氣對少量物料進行間歇干燥，可認為空氣濕度不變，干燥溫度取進、出口平均值。非恒定干燥（變動干燥）：是指干燥過程中空氣的狀態(tài)是不斷變化的。 1.恒速干燥和降速干燥干燥速率是指單位時間內、單位干燥面積上汽化的水分質量。單位是kg水/（m2s）。用微分式表示，則為 U=dWSd （7-20）因為 dW=-GcdX故 U=-GcdXSd （7-21）式中 U干燥速率，單位為kg水蒸汽/（m2h

4、）；W水分氣化量，kg； S 干燥面積，m2， 干燥時間，s； Gc 干物料量，kg; 負號物料含水量X隨時間的增加而減少。 圖7-23 恒定干燥階段及其影響因素 圖7-24 恒定干燥條件下的干燥速率曲由圖7-23中X-曲線，求出不同X下的斜率dX/d，再將測得絕干物料Gc和物料的干燥面積A，帶入（7-20）中求出干燥速率U，將U對X作圖，便得到如圖7-24所示曲線，稱為干燥速率曲線。在圖7-24中，AB段對應的時間很短，稱為預熱階段，在干燥計算中可以忽略；在BC段，物料的干燥速率保持恒定，其值不隨物料含水量而變，稱為恒速干燥階段；在CE段，干燥速率隨物料含水量的減少而降低，稱為降速干燥階段。

5、圖中C點為恒速與降速段的分界點，稱為臨界點，該點對應的含水量稱為臨界含水量，由Xc表示。實驗表明，只要物料中含有非結合水分，總存在恒速與降速兩個不同的階段。在兩個階段內，物料的干燥機理和影響因素各不相同，總結如下：（1）恒速干燥階段及其影響因素此階段，物料表面與空氣間的傳熱與傳質過程類似于濕球溫度的測定原理。在恒定干燥條件下，空氣傳給物料的熱量等于水分汽化所需的熱量，物料表面的溫度始終保持為濕球溫度。雖然物料水分不斷汽化，含水率不斷下降，但傳熱推動力（t-tw）與傳熱推動力（Hw-H）均維持恒定，干燥速率不隨X的減少而變，故圖7-23中BC段為一水平段，在該階段除去了物料表面附著的非結合水分，

6、此時物料內部水分向表面移動的速率大于表面水分汽化的速率，使物料表面始終有充盈的非結合水分，干燥速度由水在物料表面汽化的速率所控制。故該階段又稱為表面汽化控制階段。由于該階段的干燥速率取決于物料表面水分的汽化速率，亦即取決于物料外部的空氣條件，與物料本身性質關系很小。故影響該階段干燥速率的因素主要是濕空氣的溫度、濕度、流速及與濕物料的接觸方式等。一般而言，提高空氣溫度、降低濕度、提高空氣流速，均可提高此階段的干燥速率。（2）降速干燥階段及其影響因素當物料的含水量降至臨界含水量Xc后，便進入降速干燥階段。從圖7-20和7-23可知，該階段含水量X的減少越來越慢，且隨含水量X的減少干燥速率U也逐漸降

7、低，這是由于隨著干燥過程的進行，物料含水量不斷減少，使其內部水分向表面的移動速率低于表面水分的汽化速率，物料表面逐漸出現“干區(qū)”，汽化面逐漸向物料內部移動，故水分的遷出越來越困難，干燥速率也越來越低。與恒速階段相比，降速階段從物料中除去的水分少，但所需的干燥時間卻長。由此可知，在此階段，干燥速率的大小主要取決于水分在物料內部的遷移速率，受濕空氣的狀態(tài)的影響小，故該階段又稱為物料內部遷移控制階段。此時影響干燥速率的因素主要是物料的內部結構和外部的幾何形狀。需指出，前述干燥過程的兩個階段是以物料的臨界含水量Xc來區(qū)分的。若臨界含水量Xc越大，干燥過程很快由恒速階段轉入降速階段，使其總干燥時間延長，

8、無論從經濟的角度還是從產品的品質來看，都不利。臨界含水量不僅與物料的結構、性質和尺寸大小有關，還和干燥介質的狀態(tài)，如溫度、濕度、流速等有關。恒速階段干燥速率的會因物料不同而異，通常吸水性物料的臨界含水量比非吸水性物料的大；同一物料，恒速階段干燥速率越大，臨界含水量越高；物料越厚，臨界含水量越大。臨界含水量通常由實驗測定，表7-4給出了某些物料臨界含水量數值范圍。表7-4 不同物料的臨界含水量有機物料無機物料臨界含水量（干基）/% 特征實例特征實例很粗的纖維未染過的羊毛粗粒無孔的物料大于50目 石英35晶體的、粒狀的、孔隙較少的物料，粒度為50325目食鹽，海沙，礦石515晶體的、粒狀的、孔隙較

9、小的物料麩酸結晶細晶體有孔物料硝石，細砂，黏土料，細泥1525粗纖維細粉粗毛線、醋酸纖維、印刷紙、碳素顏料細沉淀物，無定形和膠體狀態(tài)的物料，無機顏料碳酸鈣，細陶土，鋪魯士藍2550細纖維，無定形的和均勻狀態(tài)的壓緊物料淀粉、亞硫酸、紙漿、厚皮革漿狀，有機物的無機鹽碳酸鈣，碳酸鎂，二氧化鈦，硬脂酸鈣50100分散的壓緊物料，膠體狀態(tài)和凝膠狀態(tài)的物料鞣制皮革，糊墻紙，東物膠有機物的無機鹽，催化劑，吸附劑硬脂酸鋅，四氯化錫，硅膠，氫氧化鋁10030002.影響干燥速率的因素 影響干燥速率的因素主要有濕物料、干燥介質和干燥設備等，這些因素相互關聯(lián)，下面就其中較為重要的方面討論。物料的性質和形狀 濕物料的

10、化學組成、物理結構、形狀和大小、物料層的厚薄以及與物料的結合方式等，都會影響干燥速率。干燥的第一階段，盡管物料的性質對干燥速率影響很小，但物料的形狀、大小、物料層的厚薄等將影響物料的臨界含水量。干燥的第二階段，物料的性質和形狀對干燥速率有決定性影響。物料的溫度 物料的溫度越高，干燥速率越大。但干燥過程中，物料的溫度與干燥介質的溫度和濕度有關。 物料的含水量 物料的最初、最終和臨界含水量決定干燥各階段所需時間的長短。干燥介質的溫度與濕度 干燥介質溫度越高、濕度越低，則干燥第一階段的干燥速率越大，但應以不損壞物料為原則，特別是對熱敏性物料，更應注意控制干燥介質的溫度。有些干燥設備采用分段中間加熱方

11、式，可避免介質溫度過高。干燥介質的流速與流向 干燥的第一階段，提高氣速可提高干燥速率。介質的流動方向垂直于物料表面時的干燥速率比平行時要大。干燥的第二階段，氣速和流向對干燥速率影響很小。干燥器的構造 上述各項因素很多都與干燥器的構造有關。許多新型干燥器就是針對于某些因素而設計的。由于影響干燥速率的因素很復雜，目前還沒有統(tǒng)準確的計算方法來求取干燥速率和確定干燥器的尺寸大小，通常是在小型實驗裝置中測定有關數據作為設計和生產的依據。3.恒定干燥條件下干燥時間的計算由于恒速干燥階段與降速干燥階段的特點不同，下面分別討論兩個干燥階段的計算過程。（1）恒速干燥階段該階段的干燥時間為物料從最初含水量X1降至

12、臨界含水量Xc所需的時間1。此階段的干燥速率等于臨界點的干燥速率Uc，根據式（7-20）有：d1=-GcdXSUc分離變量積分 01d1=-GcSUcX1XcdX得 1=Gc(X1-Xc)SUc （7-22）由上式可知，計算該階段干燥時間1需知道臨界含水量Xc和干燥速率Uc的實驗數據。（2）降速干燥階段此階段的干燥時間為物料從臨界含水量Xc降至最終含水量X2所需的時間2。根據式（7-14）積分有：2=-GcSXcX2dXU=GcAX2XcdXU （7-23）由于降速干燥階段U不是常數，所以上式積分內的值可以使用以下兩種方法求解。圖解積分法此法是以X為橫坐標、1/U為縱坐標，將不同的1/U對應的

13、X表示出來繪制成曲線。如圖7-23所示。圖中由縱線X=Xc、X=X2與橫坐標軸及曲線所包圍的面積即為積分內的值。若已知從實驗獲得的與生產條件相仿的干燥速率曲線時，采用此種方法計算比較準確。圖7-23 圖解積分法求干燥時間解析計算法 當缺乏實驗數據時，可采用此法近似計算。即假設降速干燥階段速率U與物料含水量X呈線性關系，相當于圖7-22中用直線CE代替曲線CDE，則任意一瞬間U與對應的X可滿足下列關系U=K(X-X*) （7-24）式中 K比例系數，即直線CE的斜率，kg干料/（m2h）。將式（7-17）帶入式（7-16）積分，得：1=GcSKX2XcdXX-X*=GcSKlnXc-X*X2-X

14、* （7-25）物料在整個干燥過程所需的時間為恒速階段與降速階段的時間之和，即：=1+2 （7-26）練習 干燥時間計算用間歇干燥器干燥一批濕物料，濕物料的質量為800kg，要求其含水量由0.5kg水/kg絕干料降至0.2kg水/kg絕干料，干燥面積為0.035m2/kg絕干料，裝卸時間為1h，試確定該批物料的干燥總時間。從該物料的干燥曲線可知Xc=0.29kg水/kg絕干料，Uc=1.52kg水/kg絕干料，X*=0.1kg水/kg絕干料，設降速階段U與X呈線性。分析：計算恒速干燥階段所需時間1=Gc(X1-Xc)SUc式中：絕干物料量Gc=G1/(1+X1)=800/(1+0.5)=533.33（kg干料/h）干燥總面積S=533.330.035=18.67（m2）將數據代入，得1=533.3318.6×1.52（0.5-0.29）=3.95h計算降速干燥階段所需時間2=GcSKl