干燥动力学知识

1、第三节第三节 干燥动力学干燥动力学 一、物料中所含水分的性质一、物料中所含水分的性质 二、干燥机理二、干燥机理 三、干燥时间的计算三、干燥时间的计算 物料衡算物料衡算热量衡算热量衡算干燥介质的消耗量干燥介质的消耗量水分的蒸发量水分的蒸发量消耗的热量消耗的热量完成一定干燥任务完成一定干燥任务需要的需要的干燥静力学干燥静力学干燥器的尺寸干燥器的尺寸干燥周期等干燥周期等完成一定干燥任务完成一定干燥任务需要的需要的干燥动力学干燥动力学通过通过干燥过程速率计算干燥过程速率计算称为称为1 1湿物料中的水分湿物料中的水分干藏就是通过对产品中水分的脱除，进而降低产品的水分干藏就是通过对产品中水分的脱除，进而降

2、低产品的水分活度，从而限制微生物生物活动以及化学反应的进行，达到长活度，从而限制微生物生物活动以及化学反应的进行，达到长期保藏的目的。期保藏的目的。水分活度是确定贮藏期限的一个重要因素。水分活度还决水分活度是确定贮藏期限的一个重要因素。水分活度还决定了产品（如食物）中酶和维生素的活度，并且对它们的颜色、定了产品（如食物）中酶和维生素的活度，并且对它们的颜色、口味和香味能起决定性的作用。口味和香味能起决定性的作用。食品的食品的水分活度水分活度直接关系到食品的直接关系到食品的保藏性保藏性，是干燥的重要，是干燥的重要因素。因素。 水分活度水分活度指湿物料中指湿物料中水汽分水汽分压压与同温下与同温下纯

3、水的蒸汽压纯水的蒸汽压之比。之比。物料的物料的水分活度与含水量及水分活度与含水量及温度有关温度有关。一定温度下水分的活。一定温度下水分的活度与含水量的关系称度与含水量的关系称吸着等温线。吸着等温线。（Moisture Sorption Isotherms） 吸着等温线吸着等温线与温度有密切与温度有密切的关系，的关系， 同一水分含量，温度同一水分含量，温度愈高，愈高，水分活度水分活度也愈大。亦即也愈大。亦即食品的食品的水分活度水分活度随温度的随温度的 提高而提高。提高而提高。 1 1）由于水的转移程度与）由于水的转移程度与水分活度水分活度有关有关, ,从从MSI图可以看出食图可以看出食品脱水的难

4、易程度品脱水的难易程度, ,也可以看出如何组合食品才能避免水也可以看出如何组合食品才能避免水分在不同物料间的转移。分在不同物料间的转移。2 2）据）据MSI可预测含水量对食品稳定性的影响。可预测含水量对食品稳定性的影响。3 3）从）从MSI还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱。还可看出食品中非水组分与水结合能力的强弱。水分活度较低，对食品的固形物不产生增塑效应，微生物不能水分活度较低，对食品的固形物不产生增塑效应，微生物不能利用，因此在低湿度的环境条件下，干燥食品是比较稳定的。利用，因此在低湿度的环境条件下，干燥食品是比较稳定的。 吸着等温线的应用：吸着等温线的应用： （1）平衡水分）平衡

5、水分 能否用干燥方法除去能否用干燥方法除去划分依据划分依据2 2平衡水分与自由水分平衡水分与自由水分 ( (举例说明举例说明) )绝干物料绝干物料含较多水含较多水分的物料分的物料固定空气固定空气状态下状态下 直到物料表面所产生的蒸汽压与空气中的水气分压相直到物料表面所产生的蒸汽压与空气中的水气分压相等，此时，物料中水分与空气达平衡并且不再因与空气接等，此时，物料中水分与空气达平衡并且不再因与空气接触时间延长而变化，物料中所含的水分称为该物料的触时间延长而变化，物料中所含的水分称为该物料的平衡平衡水分，水分，又称又称平衡湿含量平衡湿含量或或平衡含水量。平衡含水量。 吸收空气水分吸收空气水分向空气

6、中释放向空气中释放水分水分用用X*表示表示, 单位单位: kg水分水分/kg绝干物料绝干物料（1）对同一状态的空气，不同）对同一状态的空气，不同物料有不同的平衡含水量。物料有不同的平衡含水量。（2）同一物料的平衡水分随空同一物料的平衡水分随空气状态而定气状态而定。（3） j j =0时时, 各种物料的各种物料的X*均均为零为零,即湿物料只有与绝干空即湿物料只有与绝干空气相接触才能获得绝干物料气相接触才能获得绝干物料。 各种物料的平衡含水量由实验测得。各种物料的平衡含水量由实验测得。（2）自由水分）自由水分 在干燥过程中所能除去的超出平衡水分的那一部分水分。在干燥过程中所能除去的超出平衡水分的那

7、一部分水分。 水分除去的难易程度水分除去的难易程度划分依据划分依据3 3结合水分和非结合水分结合水分和非结合水分 水分与物料的结合方式：水分与物料的结合方式：（1 1）化学结合：如结晶水，不能用干燥方法除去。）化学结合：如结晶水，不能用干燥方法除去。 （2 2）物化结合：如吸附水、渗透水分和结构水分。）物化结合：如吸附水、渗透水分和结构水分。 （3 3）机械结合（毛细管水、润湿水、孔隙水）机械结合（毛细管水、润湿水、孔隙水） 结合水分：结合水分：与物料之间有物理化学作用，结合力强，因而产生的与物料之间有物理化学作用，结合力强，因而产生的蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，干燥中水气至空蒸汽压低

8、于同温度下纯水的饱和蒸汽压，干燥中水气至空气主体扩散推动力（气主体扩散推动力（P-P水水）下降，故较纯水难以除去。）下降，故较纯水难以除去。包包括物化结合水分和小毛细管中的水分，水分活度小于括物化结合水分和小毛细管中的水分，水分活度小于1 。 非结合水分非结合水分 ：机械地附着在物料表面，与物料的结合力弱，其水分机械地附着在物料表面，与物料的结合力弱，其水分的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压，故非结合水气蒸汽压，故非结合水气化与纯水相同，较易除去。化与纯水相同，较易除去。包括物料中的吸附水分和大孔包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。隙中的水分。 如何确定物料中

9、的结合水分与非结合水分？如何确定物料中的结合水分与非结合水分？ 物料表面物料表面水气的分水气的分压压p p等于等于同温度下同温度下纯水的纯水的p ps sB平衡曲线平衡曲线: : 即即X*=f(j j)曲线曲线； X0X1X* 结合水分结合水分:B点以下点以下 pwps； 如如: :细跑壁内的水分及小毛细管内的水分细跑壁内的水分及小毛细管内的水分 非结合水分非结合水分: B点以上点以上 汽化与纯水相同汽化与纯水相同, ,较易除去。较易除去。如：吸附水分和孔隙中的水分。如：吸附水分和孔隙中的水分。 平衡水分平衡水分: X*自由水分自由水分: 物料中超出物料中超出X*的水分；的水分； B点点:曲线

10、与曲线与j j=100%交点交点 由以上分析可知：由以上分析可知：（1 1）结合水分和非结合水）结合水分和非结合水分只与物料的性质有关，分只与物料的性质有关，而与空气的状态无关。这而与空气的状态无关。这是与平衡、自由水分划分是与平衡、自由水分划分的主要差别。的主要差别。（2 2）平衡水分一定是结合）平衡水分一定是结合水分；自由水分包括了全水分；自由水分包括了全部非结合水分和一部分结部非结合水分和一部分结合水分合水分。 物料表面物料表面水气的分水气的分压压p p等于等于同温度下同温度下纯水的纯水的p ps sBX0X1X*湿湿 物物 料料热热 空空 气气气膜气膜pWp水汽分压水汽分压W水分汽化量

11、水分汽化量Qt1 1 干燥介质（热空气）将热量传给干燥介质（热空气）将热量传给湿物料；湿物料；2 2 物料表面湿分汽化，并通过表面物料表面湿分汽化，并通过表面处气膜向气流主体扩散；处气膜向气流主体扩散；3 3 由于表面湿分汽化，使物料内部由于表面湿分汽化，使物料内部与表面间产生湿分差，湿分以气态或与表面间产生湿分差，湿分以气态或液态由固体内部向表面扩散。液态由固体内部向表面扩散。 物料表面湿分分压物料表面湿分分压pW 空气空气中湿分的分压中湿分的分压p干燥过程的必要条件干燥过程的必要条件 推动力推动力干燥速率由传热速率和传质速率共同支配。干燥速率由传热速率和传质速率共同支配。二、干燥机理二、干

12、燥机理 当湿物料（其含水量大于平衡含水量）与干燥介质当湿物料（其含水量大于平衡含水量）与干燥介质（不饱和空气）接触，其表面水分汽化，形成表面与内部（不饱和空气）接触，其表面水分汽化，形成表面与内部的湿度差，水分由内部向表面扩散。在干燥的不同时期，的湿度差，水分由内部向表面扩散。在干燥的不同时期，其控制机理不同：其控制机理不同：（1 1）表面汽化控制：表面汽化速率）表面汽化控制：表面汽化速率 内部扩散速率内部扩散速率 内部水分能迅速到达表面，物料表面足够湿润，其表内部水分能迅速到达表面，物料表面足够湿润，其表面温度可取面温度可取t tW，干燥速率受表面汽化速率控制，此类干燥干燥速率受表面汽化速率

13、控制，此类干燥操作完全受干燥介质性质而定。操作完全受干燥介质性质而定。如：如：纸、皮革的干燥。纸、皮革的干燥。强化干燥的措施：强化干燥的措施：增加空气的温度、降低空气的相对湿度、提高空气的流速。增加空气的温度、降低空气的相对湿度、提高空气的流速。（2 2）内部扩散控制：表面汽化速率）内部扩散控制：表面汽化速率 内部扩散速率内部扩散速率 内部水分不能迅速到达表面，物料表面不能完全湿润，内部水分不能迅速到达表面，物料表面不能完全湿润，蒸发面向物料内部移动。这种情况必须想法增加内部扩散蒸发面向物料内部移动。这种情况必须想法增加内部扩散速率，或降低表面汽化速率。速率，或降低表面汽化速率。如：如：木材常

14、用湿空气干燥，否则表面干燥，内部潮湿，木材常用湿空气干燥，否则表面干燥，内部潮湿，将引起表面干燥收缩而发生绕曲。将引起表面干燥收缩而发生绕曲。 强化干燥的措施：强化干燥的措施： 增加物料的温度、减小物料的几何尺寸增加物料的温度、减小物料的几何尺寸。三、干燥时间的计算三、干燥时间的计算 1 1恒定干燥条件下干燥时间的计算恒定干燥条件下干燥时间的计算（1 1）干燥实验和干燥曲线）干燥实验和干燥曲线在湿空气状态不变的条件下进行干燥实验，测物料在湿空气状态不变的条件下进行干燥实验，测物料的含水量和表面温度，得到干燥曲线。的含水量和表面温度，得到干燥曲线。 按空气状态变化情况，干燥过程分为：按空气状态变

15、化情况，干燥过程分为：恒定干燥：恒定干燥：空气速度及与物料的接触方式不变；空气速度及与物料的接触方式不变； 空气湿度与温度不变。空气湿度与温度不变。非恒定干燥：非恒定干燥：变动干燥。变动干燥。天平天平毫伏表毫伏表湿物料湿物料干燥介质干燥介质热电热电偶偶 空气流的空气流的t、u、j j保持不变。观察到，随干保持不变。观察到，随干燥时间燥时间 的延的延续，水分不断汽化，湿料的质续，水分不断汽化，湿料的质量不断下降，直至恒值。此时量不断下降，直至恒值。此时为为动态平衡动态平衡，含水量为平衡含水量。，含水量为平衡含水量。 记录：记录：时间物料质量物料温度。时间物料质量物料温度。 将物料放入电烘箱宏干到

16、恒重，称重，即为物料的绝干将物料放入电烘箱宏干到恒重，称重，即为物料的绝干质量，以此可计算出质量，以此可计算出X kg水水/kg干物料干物料。X - 线线 - 线线ABCDEX1XcX*00 1tW 2干燥时间干燥时间 物 料物 料表 面表 面温 度温 度 物料物料含水含水量量 X预热开始，传热推动预热开始，传热推动力（力（t- ），使物料表面），使物料表面温度升高至温度升高至tW。传热推动力（传热推动力（t-tW），），物料表面温度物料表面温度保持保持tW，物料表面湿润。物料表面湿润。图中图中BC为直线，为直线，斜率为常数。斜率为常数。此阶段的此阶段的干燥速率决定于物料表面的水分汽化速率干燥

17、速率决定于物料表面的水分汽化速率，故又称为，故又称为表面汽化控制阶段表面汽化控制阶段。（1 1）预热阶段）预热阶段AB（2 2）恒速干燥阶段）恒速干燥阶段BC干燥过程分三个阶段干燥过程分三个阶段X - 线线 - 线线ABCDEX1XcX*00 1tW 2干燥时间干燥时间 物 料物 料表 面表 面温 度温 度 物料物料含水含水量量 X 物料即开始升温，热空物料即开始升温，热空气中部分热量用于加热物料气中部分热量用于加热物料使其由使其由tw升高到升高到2，另一部分另一部分用于汽化水分，所以用于汽化水分，所以在降速在降速阶段阶段斜率逐渐减小斜率逐渐减小，直到点，直到点E，斜率为零，表示水分汽化速斜率

18、为零，表示水分汽化速率等于零，干燥结束。此时率等于零，干燥结束。此时物料达到平衡含水量物料达到平衡含水量X*，物，物料温度将等于空气温度。降料温度将等于空气温度。降速阶段的干燥速率主要决定速阶段的干燥速率主要决定于水汽在物料内部的传递速于水汽在物料内部的传递速率，故又称为率，故又称为内部扩散控制内部扩散控制阶段阶段。（3）降速阶段）降速阶段CDE干燥速率定义：干燥速率定义： ddSWu 在在X 线上作各点的切线，换算成线上作各点的切线，换算成uX曲线，称干燥速率曲线。曲线，称干燥速率曲线。 2 2干燥速率曲线干燥速率曲线干燥速率干燥速率Kg/(m2s)汽化水分量汽化水分量，kg干燥面积干燥面积

19、 m2干燥时间干燥时间，sdXGW d绝干物料的质量绝干物料的质量， kg ddXSGu 可以区分出：可以区分出：a）ABC等速段等速段 干燥速度为常数，物干燥速度为常数，物料表面温度恒定，且等于料表面温度恒定，且等于湿空气的湿球温度。湿空气的湿球温度。干燥第一阶段干燥第一阶段 机理：机理：表面气化控制表面气化控制b）CD和和DE降速段降速段 干燥速度下降，物料干燥速度下降，物料表面温度上升，曲线可以表面温度上升，曲线可以呈各种形状，物料表面出呈各种形状，物料表面出现现“干斑干斑”。干燥第二阶段干燥第二阶段机理：机理：内部扩散控制内部扩散控制c）C点称临界点，用点称临界点，用XC 表示。表示。

20、E点为干燥过点为干燥过程的极限，即平衡点，对应的干燥速率为程的极限，即平衡点，对应的干燥速率为0。特点特点: 物料表面温度保持物料表面温度保持 tW，物料表面的空气湿含量，物料表面的空气湿含量Hw也也为定值为定值. 物料表面和空气间的传热和传质过程与物料表面和空气间的传热和传质过程与测湿球温度测湿球温度时的情况基本相同时的情况基本相同.)(ddwttSQ )(ddws,HHkSWutH )()(ddws,wwttrHHkSWuttH 传热：传热：传质：传质：WrQddtw 在恒速干燥阶段，空气传给湿物料的显热等于水分气化所需在恒速干燥阶段，空气传给湿物料的显热等于水分气化所需要的气化热，即要的

21、气化热，即b) 降速干燥阶段降速干燥阶段 临界含水量临界含水量Xc以后，以后，降速阶段的干燥速率取决于物料的本身结构、降速阶段的干燥速率取决于物料的本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质的状态参数关系不大。形状和尺寸，而与干燥介质的状态参数关系不大。c) 临界含水量临界含水量 物料在干燥过程中，一般经历预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥物料在干燥过程中，一般经历预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段，而其中阶段，而其中恒速干燥阶段和降速干燥阶段是以湿物料中的临界含水量恒速干燥阶段和降速干燥阶段是以湿物料中的临界含水量来区分的来区分的。若临界含水量。若临界含水量Xc越大便会较早地转入降速阶段，使在相同的

22、越大便会较早地转入降速阶段，使在相同的干燥任务下所需的干燥时间加长，无论从经济角度还是从产品质量来看，干燥任务下所需的干燥时间加长，无论从经济角度还是从产品质量来看，都是不利的。都是不利的。 不同物料的临界含水量见教材。不同物料的临界含水量见教材。 3 3、恒定干燥条件下干燥时间的计算、恒定干燥条件下干燥时间的计算 恒速段干燥时间的计算恒速段干燥时间的计算 ddSXGu )(c1c1XXSuG 且且 u=uc为常数，可以由图查出。为常数，可以由图查出。 积分：积分：SuXGdd 211d0XXudXSG 临界干燥速率临界干燥速率由干燥速率曲线计算由干燥速率曲线计算: : 由于恒定干燥，空气由于恒定干燥，空气t 、H 、流速、与物料的接触方式均保持、流速、与物料的接触方式均保持不变，所以随空气条件而定的不变，所以随空气条件而定的、kH也保持不变，也保持不变，tW一定时，一定时，Hs,tW、 r tW也不变，所以也不变，所以)()(ws,wwttrHHkuttH HHXXSkGttXXrSGXXSuGWWstt c1HWC1c1c1)( 应用于临界点处应用于临界点处)()(ws,cwwttrHHkuttH得不不变变及及)()(ws,