干燥机理

重点：干燥机理、干燥曲线、干燥时间的计算，干空气状态变化；难点：干燥机理、干空气状态变化分析；第八章干燥去湿：除去物料中的水分和或其它溶剂（统称为湿分）的过程。去湿的方法：机械去湿法：即通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除去湿分。物理化学去湿法：用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸收水分。该法费用高，操作麻烦，只适用于小批量固体物料的去湿，或用于除去气体中的水分。热能去湿法：如蒸发、干燥等用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，并将产生的蒸气排除，藉此来除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥。第一节概述干燥过程的分类按操作压力：常压干燥、真空干燥按操作方式：连续式、间歇式按传热方式：传导干燥、对流干燥、辐射干燥和介电加热干燥，以及由其中两种或三种方式组成的联合干燥。在工业上应用最普遍的是对流干燥。通常使用的干燥介质是空气，被除去的湿分是水分。空气既是载热体又是载湿体。物料的干燥过程是属于传热和传质相结合的过程。干燥过程进行的条件：被干燥物料表面所产生水汽（或其它蒸汽）的压力大于干燥介质中水汽（或其它蒸汽）的分压，压差越大，干燥过程进行越快。所以干燥介质须及时将汽化的水汽带走，以保持一定的汽化水的推动力。第二节干燥的基本原理第三节干燥过程的物料衡算和热量衡算一、物料含水量的表示方法8-1干燥的目的和方法1.物料的去湿从物料中去除湿分的操作（1）机械去湿；（2）化学去湿；（3）热量去湿2.干燥的目的（1）延长食品货架期；（2）便于贮运；（3）加工工艺的需要3.干燥方法（1）对流干燥；（2）传导干燥；（3）辐射干燥8-2湿物料中的水分干燥过程的计算中应通过干燥器的物料衡算和热量衡算计算出湿物料中水分蒸发、空气用量和所需热量，再依此选择适宜型号的鼓风机、设计或选择换热器等。8.2A含水量（1）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。wswwmmmmm不含水分的物料通常称为绝对干物料或称干料。以绝对干物料为基准的湿物料中含水量，称为干基含水量，亦即湿物料中水分质量与绝对干料的质量之比，单位为kg水分/kg绝干料。wwswmmmmmx两种含水量之间的换算关系为xx11x注：工业上常采用湿基含水量。2干基含水量x：8.2B水分活度物料的含水量只是表明物料中含水的多少，不足以说明水的功能，特别是水的生物化学可利用性和在物料变质机制中水的作用大小。水分活度aw是物料中水分的热力学能量状态高低的标志。一般把湿物料表面附近的水蒸汽压，与同温度下纯水饱和蒸汽压之比作为湿物料水分活度的定义。aw的大小与食品中的含水量、所含各种溶质的类型和浓度以及食品的结构和物理特性都有关系。aw反映了食品中水分的热力学状态，它直接揭示食品中的水参与微生物繁殖生长和各种酶反应等的活动性程度，标志在干燥食品中水分的发挥性的大小。0/ppawaw含水量物料的水分活度与其含水量和温度有关。一定温度下水分活度与含水量的关系曲线称为吸着等温线。水分活度不仅与物料的贮藏性有关，而且决定了干燥进行的方向。awφ时，吸湿（moisturesorption）；aw=φ时，达到平衡；awφ时，解湿（moisturedesorption）；8.2C吸湿和解湿svpp/0/ppaw1.按物料与水分的结合方式分：（1）化学结合水；（2）物理化学结合水；（3）机械结合水。2.按水分去除的难易程度分：（1）结合水（boundwater)；（2）非结合水(unboundwater)。3.按水分能否用干燥方法去除分类:(1)自由水分(freewater);(2)平衡水分(equilibriumwater)。平衡水分随物料的种类及空气的状态(t，φ)不同而异。平衡水分代表物料在一定空气状况下可以干燥的限度。8.2D物料中水分的分类划分依据：根据物料与水分结合力的状况(1).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。特点：籍化学力或物理化学力与物料相结合的，由于结合力强，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，致使干燥过程的传质推动力降低，故除去结合水分较困难。2.结合水分(boundwater)与非结合水分(unboundwater)(2)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。特点：物料中非结合水分与物料的结合力弱，其蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，干燥过程中除去非结合水分较容易。物料的结合水分和非结合水分的划分只取决于物料本身的性质，而与干燥介质的状态无关；平衡水分与自由水分则还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。强调：物料的总水分、平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分之间的关系见图示。总水分自由水分平衡水分非结合水分结合水分x*x0x1空气相对湿度φ100%物料的含水量0L——绝干空气流量，kg绝干气/s；H1，H2——为湿空气进出干燥器时的湿度；T1，T2——分别为环境温度和空气出口温度；m1，m2——分别为物料进出干燥器时的流量；θ1θ2——湿物料和干物料的温度。通过物料衡算可确定将湿物料干燥到规定的含水量所蒸发的水分量、空气消耗量、干燥产品的流量。8-3干燥静力学新鲜空气T0H0h0L干物料m2w2θ2干燥空气出口状态T2H2h2L湿物料m1w1θ1T1H1=H0h1L干燥空气进口状态加热器W1水分蒸发量W)1()1(221121wmwmmWmms2干空气用量LWxxmHHLs)()(211212HHWL对上图所示的连续干燥器作水分的物料衡算，以1s为基准。8.3A干燥过程的物料衡算211211wwmm22111令l=L/W，称为单位空气用量，其意义是从湿物料中汽化1kg水分所需的干空气量。121HHWLl如果新鲜空气进入干燥器前先通过预热器加热，由于加热前后空气的湿度不变，以H0表示进入预热器时的空气湿度，则有021211HHHHl上式说明：单位空气用量只与空气的最初和最终湿度有关，而与干燥过程所经历的途径无关。例8-2P2643.干燥产品的流量m2)1()1(1122wmwmms21121)1(wwmm式中w1、w2——物料进出干燥器时的湿基含水量湿空气的消耗量为：)1()1(01HLHLL例：在一连续干燥器中，每小时处理湿物料1000kg，经干燥后物料的含水量有10%降至2%（wb）。以热空气为干燥介质，初始湿度H1=0.008kg水/kg绝干气，离开干燥器时湿度为H2=0.05kg水/kg绝干气，假设干燥过程中无物料损失，试求：水分蒸发量、空气消耗量以及干燥产品量。绝干料水绝干料水kgkgwwxkgkgwwx/0204.002.0102.01/111.01.011.01222111进入干燥器的绝干物料为ms=m1（1-w1）=1000（1-0.1）=900kg绝干料/h解：（1）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量，即水分蒸发量为W=ms（X1-X2）=900（0.111-0.0204）=81.5kg水/h例题（2）空气消耗量hkgHHWL/1940008.005.05.8112绝干气原湿空气的消耗量为：L΄=L（1+H1）=1940（1+0.008）=1960kg湿空气/h水绝干气kgkgHHl/8.23008.005.01112（3）干燥产品量hkgWmmhkgwwmm/5.9185.811000/4.91802.011.01100011122112单位空气消耗量（比空气用量）为：1.耗热量输入系统的热量有（1）加热器加入的热量Q；（2）空气带入的热量Lh0；(3)湿物料带入的热量（m2cs+Wcw）θ1。输出系统的热量有：(1)干燥器的散热损失QL;(2)空气带出的热量Lh2；（3）产品带出的热量m2csθ2通过干燥器的热量衡算可以确定物料干燥所消耗的热量或干燥器排出空气的状态。8.3B干燥过程的热量衡算新鲜空气T0H0h0L干物料m2w2θ2干燥空气出口状态T2H2h2L湿物料m1w1θ1T1H1=H0h1L干燥空气进口状态加热器W因为输入热量等于输出热量，热量衡算式为：式中：h0,h2—新鲜空气与废气的比焓，J/kgd;θ1θ2—原料和产品物料的温度，℃；cs,cw—干物料和水的比热容，J/(kg.K).112202222120)()()(wLssLwsWcQcmhhLQcmLhQWccmLhQ则将上式两端除以W，可得：102)(wLscqqhhlq2干燥系统的热效率%100量向干燥系统输入的总热蒸发水分所需的热量)(01hhlhqhQhwVVV定义：式中：△vh—水的汽化热（J/kg)，可取热空气湿球温度对应值。η＜1，（1）水汽化；（2）物料加热；（3）物料中水被加热到蒸发温度；（4）废气中焓增加；（5）散热损失等。热效率是干燥器的重要性能指标之一。使离开干燥器的空气温度降低，湿度增加（注意吸湿性物料）；提高热空气进口温度（注意热敏性物料）；废气回收，利用其预热冷空气或冷物料；注意干燥设备和管路的保温隔热，减少干燥系统的热损失。提高热效率的措施例：某糖厂的回转干燥器的生产能力为4030kg/h（产品），湿糖含水量为1.27%，于310C进入干燥器，离开干燥器时的温度为360C，含水量为0.18%，此时糖的比热为1.26kJ/kg绝干料•0C。干燥用空气的初始状况为：干球温度200C，湿球温度170C，预热至970C后进入干燥室。空气自干燥室排出时，干球温度为400C，湿球温度为320C，试求：（1）蒸发的水分量；（2）新鲜空气用量；（3）预热器蒸气用量，加热蒸气压为200kPa（绝压）；（4）干燥器的热损失，QL；（5）热效率。T0=200CTw0=170CT1=970CQQD=0m2=4030kg/hw2=0.18%θ2=360CT2=400CTw2=320Cθ1=310Cw1=1.27%QL预热器干燥器例题解：绝干料水绝干料水kgkgwwXkgkgwwX/0018.0%18.01%18.01/0129.0%27.11%27.11222111进入干燥器的绝干物料为ms=m2（1-w2）=4030（1-0.18%）=4022.7kg绝干料/h水分蒸发量为W=ms（X1-X2）=4022.7（0.0129-0.0018）=44.6kg水/h（1）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量，即（2）新鲜空气用量：首先计算绝干空气消耗量。hkgHHwLd/4.2877011.00265.06.4412绝干空气消耗量为：新鲜空气消耗量为：L΄=L（1+H0）=2877.4（1+0.011）=2909kg/h由图查得：当T0=200C，Tw0=170C时，H0=0.011kg水/kg绝干料；当T2=400C，Tw2=320C时，H2=0.0265kg水/kg绝干料。查H-h图，得（3）预热器中的蒸气用量查饱和蒸气压表得：200kPa（绝压）的饱和水蒸气的潜热为2204.6kJ/kg，Q=L(h1-h0)=2877.4（127-48）=2.27×105kJ/h故蒸气消耗量为：S=Q/△vh=2.27×105/2204.6=103kg/hh0=48kJ/kg干空气；h1=127kJ/kg干空气；h2=110kJ/kg干空气（4）干燥器的热损失hkJWccmhhLQQwsL/109.23117.46.44)3136(26.17.4022)2040(4.28771027.2)()(45112202（5）热效率%4.50%1001027.2)4088.12490(6.44%100)88.12490(52