实验基本原理：探索科学奥秘

在设计干燥器的尺寸或确定干燥器的生产能力时，被干燥物料在给定干燥条件下的干燥速率、临界湿含量和平衡湿含量等干燥特性数据是最基本的技术依据参数。由于实际生产中被干燥物料的性质千变万化，因此对于大多数具体的被干燥物料而言，其干燥特性数据通常需要通过实验测定而取得。

按干燥过程中空气状态参数是否变化，可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两大类。若用大量空气干燥少量物料，则可以认为湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变，再加上气流速度以及气流与物料的接触方式不变，则称这种操作为恒定干燥条件下的干燥操作。

1）干燥速率的定义

干燥速率定义为单位干燥面积（提供湿份汽化的面积）、单位时间内所除去的湿份质量，即：

式中　U——干燥速率，又称干燥通量，kg/（m2·s）；

A——干燥表面积，m2；

W——汽化的湿分量，kg；

——干燥时间，s；

Gc——绝干物料的质量，kg；

X——物料湿含量，kg湿份/kg干物料，负号表示X随干燥时间的增加而减少。

2）干燥速率的测定方法

（1）方法一

①开启电子天平，待用。

②开启快速水分测定仪，待用。

③将0.5~1kg的湿物料（如取0.5~1kg的绿豆放入60~70℃的热水中泡30min，取出，并用干毛巾吸干表面水分），待用。

④开启风机，调节风量至40~60m3/h，打开加热器加热。待热风温度恒定后（通常可设定在70~80℃），将湿物料加入流化床中，开始计时，每过4min取出10g左右的物料，同时读取床层温度。将取出的湿物料在快速水分测定仪中测定，得初始质量Gi和终了质量Gic。则物料中瞬间含水率Xi为：

（2）方法二

利用床层的压降来测定干燥过程的失水量，数字化实验设备可用此法。

①将0.5~1kg的湿物料（如取0.5~1kg的绿豆放入60~70℃的热水中泡30min，取出，并用干毛巾吸干表面水分），待用。(www.xing528.com)

②开启风机，调节风量至40~60m3/h，打开加热器加热。待热风温度恒定后（通常可设定在70~80℃），将湿物料加入流化床中，开始计时，此时床层的压差将随时间减小，实验至床层压差（ΔPe）恒定为止。则物料中瞬间含水率Xi为：

式中　ΔP——时刻时床层的压差。

计算出每一时刻的瞬间含水率Xi，然后将Xi对干燥时间i作图，如图5.14，即为干燥曲线。

图5.14　恒定干燥条件下的干燥曲线

图5.14中干燥曲线还可以变换得到干燥速率曲线。由已测得的干燥曲线求出不同Xi下的斜率dXi/di，再由式（5.55）计算得到干燥速率U，将U对X作图，就是干燥速率曲线，如图5.15所示。

图5.15　恒定干燥条件下的干燥速率曲线

将床层的温度对时间作图，可得床层的温度与干燥时间的关系曲线。

3）干燥过程分析

（1）预热段

见图5.14和图5.15中的AB段或AB′段。物料在预热段中，含水率略有下降，温度则升至湿球温度tw，干燥速率可能呈上升趋势，也可能呈下降趋势。预热段经历的时间很短，通常在干燥计算中可忽略不计，有些干燥过程甚至没有预热段。

（2）恒速干燥阶段

见图5.14和图5.15中的BC段。该段物料水分不断汽化，含水率不断下降。但由于这一阶段去除的是物料表面附着的非结合水分，水分去除的机理与纯水的相同，故在恒定干燥条件下，物料表面始终保持为湿球温度tw，传质推动力保持不变，因而干燥速率也不变。于是，在图5.15中，BC段为水平线。

只要物料表面保持足够湿润，物料的干燥过程总处于恒速阶段。而该段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率，亦即决定于物料外部的空气干燥条件，故该阶段又称为表面汽化控制阶段。

（3）降速干燥阶段

随着干燥过程的进行，物料内部水分移动到表面的速度赶不上表面水分的汽化速率，物料表面局部出现“干区”，尽管这时物料其余表面的平衡蒸汽压仍与纯水的饱和蒸汽压相同，但以物料全部外表面计算的干燥速率因“干区”的出现而降低，此时物料中的含水率称为临界含水率，用Xc表示，对应图5.15中的C点，称为临界点。过C点以后，干燥速率逐渐降低至D点，C至D阶段称为降速第一阶段。

干燥到点D时，物料全部表面都成为干区，汽化面逐渐向物料内部移动，汽化所需的热量必须通过已被干燥的固体层才能传递到汽化面；从物料中汽化的水分也必须通过这一干燥层才能传递到空气主流中。干燥速率因热、质传递的途径加长而下降。此外，在D点以后，物料中的非结合水分已被除尽。接下去所汽化的是各种形式的结合水，因而，平衡蒸汽压将逐渐下降，传质推动力减小，干燥速率也随之较快降低，直至到达点E时，速率降为零。这一阶段称为降速第二阶段。

降速阶段干燥速率曲线的形状随物料内部的结构而异，不一定都呈现前面所述的曲线CDE形状。对某些多孔性物料，可能降速两个阶段的界限不是很明显，曲线好像只有CD段；对某些无孔性吸水物料，汽化只在表面进行，干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率，故降速阶段只有类似DE段的曲线。

与恒速阶段相比，降速阶段从物料中除去的水分量相对少许多，但所需的干燥时间却长得多。总之，降速阶段的干燥速率取决于物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大，故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。