干燥速率與干燥時(shí)間

1、藥品生產(chǎn)技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫-制藥單元操作技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)教 師 姓 名授課班級授課形式講授授 課 日 期 授課時(shí)數(shù)2授課內(nèi)容情景7 干燥過程及操作任務(wù)5 干燥速率與干燥時(shí)間教學(xué)目的知 識目 標(biāo)1了解干燥時(shí)間及計(jì)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(biāo)1能夠根據(jù)干燥任務(wù)計(jì)算干燥時(shí)間。2能夠根據(jù)干燥時(shí)間確定干燥速率的大小。3能夠準(zhǔn)確分析干燥過程的影響因素。思 想目 標(biāo)1. 具有分析問題解決問題的能力；2. 具有一定組織協(xié)調(diào)能力；3. 具有搜索、整理材料及文字表達(dá)相關(guān)能力教 學(xué) 重 點(diǎn)干燥速率教 學(xué) 難 點(diǎn)干燥速率更新、補(bǔ)充、刪 節(jié) 內(nèi) 容使 用 教 具多媒體課 外 作

2、業(yè)課 后 體 會授課主要內(nèi)容及課堂教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié) 課 程 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì)教學(xué)方法時(shí)間min組織復(fù)習(xí)引入新課小結(jié)通過干燥器的物料衡算及熱量衡算可以計(jì)算出完成一定干燥任務(wù)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(shí)間長短等問題，則必須通過干燥速率計(jì)算方可解決。對于物料的去濕過程經(jīng)歷了兩步：首先水分從物料內(nèi)部遷移至表面，然后再由表面汽化而進(jìn)入空氣主體。故干燥速率不僅取決于空氣的性質(zhì)及干燥操作條件，而且還與物料中所含水分性質(zhì)有關(guān)。任務(wù)5干燥速率與干燥時(shí)間工程上,對某物料欲除去一定的水量,需要一定的時(shí)間.除去的水分一定,時(shí)間的長短取決于干燥速率,速率快,干燥時(shí)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(shí)間。干燥速率與干燥過程有關(guān),而干燥過程又與干燥空氣狀態(tài)有關(guān)。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(jìn)行間歇干燥，可認(rèn)為空氣濕度不變，干燥溫度取進(jìn)、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(shí)間內(nèi)、單位干燥面積上汽化的水分質(zhì)量。單位是kg水/（m2s）。用微分式表示，則為 U=dWSd （7-20）因?yàn)?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(shí)間，s； Gc 干物料量，kg; 負(fù)號物料含水量X隨時(shí)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(yīng)的時(shí)間很短，稱為預(yù)熱階段，在干燥計(jì)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(diǎn)為恒速與降速段的分界點(diǎn)，稱為臨界點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的含水量稱為臨界含水量，由Xc表示。實(shí)驗(yàn)表明，只要物料中含有非結(jié)合水分，總存在恒速與降速兩個(gè)不同的階段。在兩個(gè)階段內(nèi)，物料的干燥機(jī)理和影響因素各不相同，總結(jié)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(zhì)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(jié)合水分，

6、此時(shí)物料內(nèi)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(jié)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(zhì)關(guān)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(dāng)物料的含水量降至臨界含水量Xc后，便進(jìn)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(jìn)行，物料含水量不斷減少，使其內(nèi)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(xiàn)“干區(qū)”，汽化面逐漸向物料內(nèi)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(shí)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(nèi)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(nèi)部遷移控制階段。此時(shí)影響干燥速率的因素主要是物料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部的幾何形狀。需指出，前述干燥過程的兩個(gè)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(zhuǎn)入降速階段，使其總干燥時(shí)間延長，

8、無論從經(jīng)濟(jì)的角度還是從產(chǎn)品的品質(zhì)來看，都不利。臨界含水量不僅與物料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和尺寸大小有關(guān)，還和干燥介質(zhì)的狀態(tài)，如溫度、濕度、流速等有關(guān)。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(shí)驗(yàn)測定，表7-4給出了某些物料臨界含水量數(shù)值范圍。表7-4 不同物料的臨界含水量有機(jī)物料無機(jī)物料臨界含水量（干基）/% 特征實(shí)例特征實(shí)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(jié)晶細(xì)晶體有孔物料硝石，細(xì)砂，黏土料，細(xì)泥1525粗纖維細(xì)粉粗毛線、醋酸纖維、印刷紙、碳素顏料細(xì)沉淀物，無定形和膠體狀態(tài)的物料，無機(jī)顏料碳酸鈣，細(xì)陶土，鋪魯士藍(lán)2550細(xì)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(jī)物的無機(jī)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(jī)物的無機(jī)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(zhì)和干燥設(shè)備等，這些因素相互關(guān)聯(lián)，下面就其中較為重要的方面討論。物料的性質(zhì)和形狀 濕物料的

10、化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)、形狀和大小、物料層的厚薄以及與物料的結(jié)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的溫度和濕度有關(guān)。 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(shí)間的長短。干燥介質(zhì)的溫度與濕度 干燥介質(zhì)溫度越高、濕度越低，則干燥第一階段的干燥速率越大，但應(yīng)以不損壞物料為原則，特別是對熱敏性物料，更應(yīng)注意控制干燥介質(zhì)的溫度。有些干燥設(shè)備采用分段中間加熱方

11、式，可避免介質(zhì)溫度過高。干燥介質(zhì)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(zhì)的流動方向垂直于物料表面時(shí)的干燥速率比平行時(shí)要大。干燥的第二階段，氣速和流向?qū)Ω稍锼俾视绊懞苄?。干燥器的?gòu)造 上述各項(xiàng)因素很多都與干燥器的構(gòu)造有關(guān)。許多新型干燥器就是針對于某些因素而設(shè)計(jì)的。由于影響干燥速率的因素很復(fù)雜，目前還沒有統(tǒng)準(zhǔn)確的計(jì)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(shí)驗(yàn)裝置中測定有關(guān)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的依據(jù)。3.恒定干燥條件下干燥時(shí)間的計(jì)算由于恒速干燥階段與降速干燥階段的特點(diǎn)不同，下面分別討論兩個(gè)干燥階段的計(jì)算過程。（1）恒速干燥階段該階段的干燥時(shí)間為物料從最初含水量X1降至

12、臨界含水量Xc所需的時(shí)間1。此階段的干燥速率等于臨界點(diǎn)的干燥速率Uc，根據(jù)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(jì)算該階段干燥時(shí)間1需知道臨界含水量Xc和干燥速率Uc的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（2）降速干燥階段此階段的干燥時(shí)間為物料從臨界含水量Xc降至最終含水量X2所需的時(shí)間2。根據(jù)式（7-14）積分有：2=-GcSXcX2dXU=GcAX2XcdXU （7-23）由于降速干燥階段U不是常數(shù)，所以上式積分內(nèi)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(biāo)、1/U為縱坐標(biāo)，將不同的1/U對應(yīng)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(biāo)軸及曲線所包圍的面積即為積分內(nèi)的值。若已知從實(shí)驗(yàn)獲得的與生產(chǎn)條件相仿的干燥速率曲線時(shí)，采用此種方法計(jì)算比較準(zhǔn)確。圖7-23 圖解積分法求干燥時(shí)間解析計(jì)算法 當(dāng)缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可采用此法近似計(jì)算。即假設(shè)降速干燥階段速率U與物料含水量X呈線性關(guān)系，相當(dāng)于圖7-22中用直線CE代替曲線CDE，則任意一瞬間U與對應(yīng)的X可滿足下列關(guān)系U=K(X-X*) （7-24）式中 K比例系數(shù)，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(gè)干燥過程所需的時(shí)間為恒速階段與降速階段的時(shí)間之和，即：=1+2 （7-26）練習(xí) 干燥時(shí)間計(jì)算用間歇干燥器干燥一批濕物料，濕物料的質(zhì)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(shí)間為1h，試確定該批物料的干燥總時(shí)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(shè)降速階段U與X呈線性。分析：計(jì)算恒速干燥階段所需時(shí)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(shù)據(jù)代入，得1=533.3318.6×1.52（0.5-0.29）=3.95h計(jì)算降速干燥階段所需時(shí)間2=GcSKl