干燥

这是一篇关于干燥的思维导图，下图着重描述干燥的速率与干燥时间以及湿空气的性质。

干燥

• 干燥速率与干燥时间
  • • 平衡水分和自由水分
      • 划分依据：物料所含水分能否用干燥方法除去。
      • 平衡水分：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。
        • 1、物料的平衡水分随物料种类而异。
        • 2、物料的平衡水分取决于空气的相对湿度。
        • 3、物料的平衡水分为一定条件下物料可以干燥的极限
        • 4、只有使湿物料与绝干空气接触，理论上才可能获得绝干物料。
      • • 自由水分：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。
      • 平衡水分与自由水分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。
  • • 结合水分与非结合水分
      • 划分依据：根据物料与水分结合力的状况
      • 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
      • • 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
      • 物料的结合水分和非结合水分的划分取决于物料本身的性质，而与干燥介质的状态无关；
  • 干燥过程的传质机理
    • 内部扩散传质（内部传质控制）
      • • 湿度梯度：湿物料表面水分的汽化，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。
      • • 温度梯度：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，方向是从高温到低温。
      • 概念：当物料中水分表面汽化的速率大于内部扩散的速率时，内部水分来不及扩散到物料表面以供汽化，此时的干燥受内部扩散控制。
      • 传质推动力
    • • 表面汽化传质（外部传质控制）
        • 传质推动力：水分由物料内部扩散到表面后，在表面气化，在表面附近存在一层气膜，在气膜内水蒸气分压等于该温度下的水的饱和蒸气压，水分在气相中的传质推动力为饱和蒸气压与气流主体中水蒸气分压之差
        • 概念：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，此时的干燥主要由表面汽化传质所控制。
  • 两种传质控制及强化干燥过程
    • • 内部扩散控制
        • • 强化思路：从改善内部扩散着手
        • • 强化措施：减少料层厚度、使物料堆积疏松； 采用搅拌或翻动物料； 采用接触干燥或微波干燥等。
    • • 表面汽化控制
        • • 强化思路：强化外部的传质和传热。
        • • 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。
  • 干燥速率曲线（间歇、恒定干燥条件下）
    • • 干燥曲线
    • • 干燥速率曲线
  • 干燥时间的计算
    • 恒速阶段（从X1到XC）：
    • • 降速阶段
• 干燥设备
  • • 按操作压强分：常压干燥器、真空干燥器；
  • • 按操作方式分：连续式、间歇式；
  • • 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；
  • • 按介质和物料的相对运动方向分：并流、逆流、错流干燥器；
• 干燥过程的衡算
  • • 湿物料含水量的表示方法
      • • 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。
      • • 干基含水量Ｘ：以绝对干物料为基准的湿物料中含水量，称为干基含水量，单位为kg水分/kg绝干料。
      • 两种含水量之间的换算关系为
  • • 物料衡算
      • 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； 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。
        • 水分蒸发量 W
        • • 干空气消耗量 L
        • • 干燥产品的流量G2
  • • 热量衡算
      • 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
        • • 预热器的热量衡算（忽略预热器的热损失）
        • • 干燥器的热量衡算
        • • 整个干燥系统的热量衡算
          • 干燥系统的总热量
          • 干燥系统的热效率
    • 提高干燥系统热效率的途径：
      • • ①提高热空气的入口温度；
      • • ②提高废气的出口湿度，降低其出口温度；
      • • ③利用中间加热、分级干燥、内置换热器等；
      • • ④用废气预热空气或者物料；
      • • ⑤加强设备的保温，减少热损失。
• 湿空气的性质
  • 湿空气的状态参数求算——计算法
    • • 水蒸气分压p：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
    • • 相对湿度 φ：在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压p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φ 当p=0时，φ=0，表示湿空气不含水分，即为绝干空气。 当p=ps时，φ=1，表示湿空气为饱和湿空气。
      • 湿空气的比热容CH： 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，称为比热容，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
      • 湿空气的比焓 I：湿空气中1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和，称为湿空气的比焓，用符号I表示，单位是kJ/kg干空气。 式中Ｉ——湿空气的焓，kJ/kg绝干气； Ia ——绝干空气的焓，kJ/kg绝干气； Iv——水气的焓，kJ/kg水气。
      • 湿空气的比容vH：在湿空气中，1kg绝干气体积和相应的H kg水气体积之和，称为湿空气的比容，亦称湿容积，或湿比体积，用符号vH表示，单位为：m3湿空气/kg绝干气。
    • 湿空气的温度
      • • 干球温度 t
          • • 用普通温度计直接测得的湿空气温度，称为湿空气的干球温度简称温度，他是湿空气的真实温度
      • • 湿球温度 tw
          • 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。
          • ①湿度H越小，湿纱布中水分气化越多，则气化所需热量越大，湿球温度也就越低。 ②对于某一定干球温度的湿空气，相对湿度越低，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。
      • • 绝热饱和温度 tas
          • 对于某一定干球温度的湿空气，相对湿度越低，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。
      • • 露点温度 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,用符号td表示。
      • 对空气－水蒸气系统 ，干球温度、绝热饱和温度（或湿球温度）及露点之间的关系为： 对于不饱和湿空气： t>tas（或tw）>td 对于饱和的湿空气： t＝ tas（或tw） ＝td
  • • 湿空气的状态参数求算——焓湿图
      • 等湿度线(等H线)： 等焓线(等I线)： 等温线(等t线)： 等相对温度线（等φ线） 水蒸汽分压线：
      • 间壁式加热和冷却：若空气的温度变化范围在露点以上，则空气中的含水量始终保持不变，且为不饱和状态，为等湿过程，过程线为垂直线
      • • 间壁式冷却减湿：间壁式冷却过程当进行至露点时，空气即达到饱和状态，继续冷却时，水蒸气就在冷却壁面上凝结出来，而且温度不断降低，但空气始终在饱和状态。
      • • 不同状态空气的混合：设有状态不同的空气1和2，对应的干空气的量为G1和G2，对应的状态为（H1，I1），（H2，I2）。两空气混合后，由物料衡算和热量衡算，可求得
      • • 绝热冷却增湿过程：空气和水直接接触时，空气的状态变化可视为空气和液态水表面边界层内的饱和空气不断混合的过程。
• 相对湿度和绝对湿度的关系
  • • 相对湿度：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值与越小，则吸湿能力越大。
  • 湿度：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。