干燥速率与干燥时间

1、药品生产技术专业教学资源库-制药单元操作技术教学设计教 师 姓 名授课班级授课形式讲授授 课 日 期 授课时数2授课内容情景7 干燥过程及操作任务5 干燥速率与干燥时间教学目的知 识目 标1了解干燥时间及计算方法2理解两种曲线的表示方法和意义3掌握干燥速率的影响因素能 力目 标1能够根据干燥任务计算干燥时间。2能够根据干燥时间确定干燥速率的大小。3能够准确分析干燥过程的影响因素。思 想目 标1. 具有分析问题解决问题的能力；2. 具有一定组织协调能力；3. 具有搜索、整理材料及文字表达相关能力教 学 重 点干燥速率教 学 难 点干燥速率更新、补充、删 节 内 容使 用 教 具多媒体课 外 作

2、业课 后 体 会授课主要内容及课堂教学设计教学环节 课 程 内 容 设 计教学方法时间min组织复习引入新课小结通过干燥器的物料衡算及热量衡算可以计算出完成一定干燥任务所需的空气量及热量。但需要多大尺寸的干燥器以及干燥时间长短等问题，则必须通过干燥速率计算方可解决。对于物料的去湿过程经历了两步：首先水分从物料内部迁移至表面，然后再由表面汽化而进入空气主体。故干燥速率不仅取决于空气的性质及干燥操作条件，而且还与物料中所含水分性质有关。任务5干燥速率与干燥时间工程上,对某物料欲除去一定的水量,需要一定的时间.除去的水分一定,时间的长短取决于干燥速率,速率快,干燥时间短。干燥速率如何得知呢?首先要知

3、道干燥过程的速率,才能知道干燥的时间。干燥速率与干燥过程有关,而干燥过程又与干燥空气状态有关。干燥过程分为恒定干燥和非恒定干燥。恒定干燥:指干燥操作过程中空气的温度、湿度、流速及与物料接触方式不发生变化。如大量的空气对少量物料进行间歇干燥，可认为空气湿度不变，干燥温度取进、出口平均值。非恒定干燥（变动干燥）：是指干燥过程中空气的状态是不断变化的。 1.恒速干燥和降速干燥干燥速率是指单位时间内、单位干燥面积上汽化的水分质量。单位是kg水/（m2s）。用微分式表示，则为 U=dWSd （7-20）因为 dW=-GcdX故 U=-GcdXSd （7-21）式中 U干燥速率，单位为kg水蒸汽/（m2h

4、）；W水分气化量，kg； S 干燥面积，m2， 干燥时间，s； Gc 干物料量，kg; 负号物料含水量X随时间的增加而减少。 图7-23 恒定干燥阶段及其影响因素 图7-24 恒定干燥条件下的干燥速率曲由图7-23中X-曲线，求出不同X下的斜率dX/d，再将测得绝干物料Gc和物料的干燥面积A，带入（7-20）中求出干燥速率U，将U对X作图，便得到如图7-24所示曲线，称为干燥速率曲线。在图7-24中，AB段对应的时间很短，称为预热阶段，在干燥计算中可以忽略；在BC段，物料的干燥速率保持恒定，其值不随物料含水量而变，称为恒速干燥阶段；在CE段，干燥速率随物料含水量的减少而降低，称为降速干燥阶段。

5、图中C点为恒速与降速段的分界点，称为临界点，该点对应的含水量称为临界含水量，由Xc表示。实验表明，只要物料中含有非结合水分，总存在恒速与降速两个不同的阶段。在两个阶段内，物料的干燥机理和影响因素各不相同，总结如下：（1）恒速干燥阶段及其影响因素此阶段，物料表面与空气间的传热与传质过程类似于湿球温度的测定原理。在恒定干燥条件下，空气传给物料的热量等于水分汽化所需的热量，物料表面的温度始终保持为湿球温度。虽然物料水分不断汽化，含水率不断下降，但传热推动力（t-tw）与传热推动力（Hw-H）均维持恒定，干燥速率不随X的减少而变，故图7-23中BC段为一水平段，在该阶段除去了物料表面附着的非结合水分，

6、此时物料内部水分向表面移动的速率大于表面水分汽化的速率，使物料表面始终有充盈的非结合水分，干燥速度由水在物料表面汽化的速率所控制。故该阶段又称为表面汽化控制阶段。由于该阶段的干燥速率取决于物料表面水分的汽化速率，亦即取决于物料外部的空气条件，与物料本身性质关系很小。故影响该阶段干燥速率的因素主要是湿空气的温度、湿度、流速及与湿物料的接触方式等。一般而言，提高空气温度、降低湿度、提高空气流速，均可提高此阶段的干燥速率。（2）降速干燥阶段及其影响因素当物料的含水量降至临界含水量Xc后，便进入降速干燥阶段。从图7-20和7-23可知，该阶段含水量X的减少越来越慢，且随含水量X的减少干燥速率U也逐渐降

7、低，这是由于随着干燥过程的进行，物料含水量不断减少，使其内部水分向表面的移动速率低于表面水分的汽化速率，物料表面逐渐出现“干区”，汽化面逐渐向物料内部移动，故水分的迁出越来越困难，干燥速率也越来越低。与恒速阶段相比，降速阶段从物料中除去的水分少，但所需的干燥时间却长。由此可知，在此阶段，干燥速率的大小主要取决于水分在物料内部的迁移速率，受湿空气的状态的影响小，故该阶段又称为物料内部迁移控制阶段。此时影响干燥速率的因素主要是物料的内部结构和外部的几何形状。需指出，前述干燥过程的两个阶段是以物料的临界含水量Xc来区分的。若临界含水量Xc越大，干燥过程很快由恒速阶段转入降速阶段，使其总干燥时间延长，

8、无论从经济的角度还是从产品的品质来看，都不利。临界含水量不仅与物料的结构、性质和尺寸大小有关，还和干燥介质的状态，如温度、湿度、流速等有关。恒速阶段干燥速率的会因物料不同而异，通常吸水性物料的临界含水量比非吸水性物料的大；同一物料，恒速阶段干燥速率越大，临界含水量越高；物料越厚，临界含水量越大。临界含水量通常由实验测定，表7-4给出了某些物料临界含水量数值范围。表7-4 不同物料的临界含水量有机物料无机物料临界含水量（干基）/% 特征实例特征实例很粗的纤维未染过的羊毛粗粒无孔的物料大于50目 石英35晶体的、粒状的、孔隙较少的物料，粒度为50325目食盐，海沙，矿石515晶体的、粒状的、孔隙较

9、小的物料麸酸结晶细晶体有孔物料硝石，细砂，黏土料，细泥1525粗纤维细粉粗毛线、醋酸纤维、印刷纸、碳素颜料细沉淀物，无定形和胶体状态的物料，无机颜料碳酸钙，细陶土，铺鲁士蓝2550细纤维，无定形的和均匀状态的压紧物料淀粉、亚硫酸、纸浆、厚皮革浆状，有机物的无机盐碳酸钙，碳酸镁，二氧化钛，硬脂酸钙50100分散的压紧物料，胶体状态和凝胶状态的物料鞣制皮革，糊墙纸，东物胶有机物的无机盐，催化剂，吸附剂硬脂酸锌，四氯化锡，硅胶，氢氧化铝10030002.影响干燥速率的因素 影响干燥速率的因素主要有湿物料、干燥介质和干燥设备等，这些因素相互关联，下面就其中较为重要的方面讨论。物料的性质和形状 湿物料的

10、化学组成、物理结构、形状和大小、物料层的厚薄以及与物料的结合方式等，都会影响干燥速率。干燥的第一阶段，尽管物料的性质对干燥速率影响很小，但物料的形状、大小、物料层的厚薄等将影响物料的临界含水量。干燥的第二阶段，物料的性质和形状对干燥速率有决定性影响。物料的温度 物料的温度越高，干燥速率越大。但干燥过程中，物料的温度与干燥介质的温度和湿度有关。 物料的含水量 物料的最初、最终和临界含水量决定干燥各阶段所需时间的长短。干燥介质的温度与湿度 干燥介质温度越高、湿度越低，则干燥第一阶段的干燥速率越大，但应以不损坏物料为原则，特别是对热敏性物料，更应注意控制干燥介质的温度。有些干燥设备采用分段中间加热方

11、式，可避免介质温度过高。干燥介质的流速与流向 干燥的第一阶段，提高气速可提高干燥速率。介质的流动方向垂直于物料表面时的干燥速率比平行时要大。干燥的第二阶段，气速和流向对干燥速率影响很小。干燥器的构造 上述各项因素很多都与干燥器的构造有关。许多新型干燥器就是针对于某些因素而设计的。由于影响干燥速率的因素很复杂，目前还没有统准确的计算方法来求取干燥速率和确定干燥器的尺寸大小，通常是在小型实验装置中测定有关数据作为设计和生产的依据。3.恒定干燥条件下干燥时间的计算由于恒速干燥阶段与降速干燥阶段的特点不同，下面分别讨论两个干燥阶段的计算过程。（1）恒速干燥阶段该阶段的干燥时间为物料从最初含水量X1降至

12、临界含水量Xc所需的时间1。此阶段的干燥速率等于临界点的干燥速率Uc，根据式（7-20）有：d1=-GcdXSUc分离变量积分 01d1=-GcSUcX1XcdX得 1=Gc(X1-Xc)SUc （7-22）由上式可知，计算该阶段干燥时间1需知道临界含水量Xc和干燥速率Uc的实验数据。（2）降速干燥阶段此阶段的干燥时间为物料从临界含水量Xc降至最终含水量X2所需的时间2。根据式（7-14）积分有：2=-GcSXcX2dXU=GcAX2XcdXU （7-23）由于降速干燥阶段U不是常数，所以上式积分内的值可以使用以下两种方法求解。图解积分法此法是以X为横坐标、1/U为纵坐标，将不同的1/U对应的

13、X表示出来绘制成曲线。如图7-23所示。图中由纵线X=Xc、X=X2与横坐标轴及曲线所包围的面积即为积分内的值。若已知从实验获得的与生产条件相仿的干燥速率曲线时，采用此种方法计算比较准确。图7-23 图解积分法求干燥时间解析计算法 当缺乏实验数据时，可采用此法近似计算。即假设降速干燥阶段速率U与物料含水量X呈线性关系，相当于图7-22中用直线CE代替曲线CDE，则任意一瞬间U与对应的X可满足下列关系U=K(X-X*) （7-24）式中 K比例系数，即直线CE的斜率，kg干料/（m2h）。将式（7-17）带入式（7-16）积分，得：1=GcSKX2XcdXX-X*=GcSKlnXc-X*X2-X

14、* （7-25）物料在整个干燥过程所需的时间为恒速阶段与降速阶段的时间之和，即：=1+2 （7-26）练习 干燥时间计算用间歇干燥器干燥一批湿物料，湿物料的质量为800kg，要求其含水量由0.5kg水/kg绝干料降至0.2kg水/kg绝干料，干燥面积为0.035m2/kg绝干料，装卸时间为1h，试确定该批物料的干燥总时间。从该物料的干燥曲线可知Xc=0.29kg水/kg绝干料，Uc=1.52kg水/kg绝干料，X*=0.1kg水/kg绝干料，设降速阶段U与X呈线性。分析：计算恒速干燥阶段所需时间1=Gc(X1-Xc)SUc式中：绝干物料量Gc=G1/(1+X1)=800/(1+0.5)=533.33（kg干料/h）干燥总面积S=533.330.035=18.67（m2）将数据代入，得1=533.3318.6×1.52（0.5-0.29）=3.95h计算降速干燥阶段所需时间2=GcSKl