干燥过程中自由水分与平衡水分的区别及干燥速度曲线分析

6.1.1　干燥的基本原理

1.物料中所含水分的性质

（1）结晶水：结晶水是化学结合水，一般用风化方法去除，通常不视为干燥过程。如芒硝（Na₂ SO₄・10H₂ O）经风化，失去结晶水而成玄明粉（Na₂ SO₄）。

（2）结合水：是指存在于细小毛细管中的水分和渗透到物料细胞中的水分。此种水分难以从物料中去除，这是因为毛细管内水分所产生的蒸气压较同温度时水的蒸气压低；物料细胞中的水分被细胞膜包围和封闭，如不扩散到膜外，则不易蒸发去除。

（3）非结合水：是指存在于物料表面润湿水分、粗大毛细管中水分和物料孔隙中水分。此种水分与物料结合力弱，易于去除，因为它所产生的蒸气压等于同温度时水的蒸气压。

（4）平衡水分与自由水分：某物料与一定湿度、温度的空气相接触时，将会发生排除水分或吸收水分的过程，直到物料表面所产生的蒸气压与空气中的水蒸气压相等为止，物料中的水分与空气中水分处于动态平衡状态，此时物料中所含的水分称为该空气状态下物料的平衡水分。平衡水分与物料的种类、空气的状态有关。物料不同，在同一空气状态下的平衡水分不同；同一种物料，在不同的空气状态下的平衡水分也不同。物料中所含的总水分为自由水分与平衡水分之和，在干燥过程中可以去除的水分只能是自由水分（包括全部非结合水和部分结合水），不能去除平衡水分，如图6-1所示。干燥效率不仅与物料中所含水分的性质有关，而且还决定于干燥速度。

图6-1　固体物料中所含水分相互关系示意图

2.干燥速度与干燥速度曲线(www.xing528.com)

干燥速度是指在单位时间内，在单位干燥面积上被干燥物料中水分的气化量，可用微分形式表示：

式中：u—干燥速度，kg/（m²・s）；S—干燥面积；w′—气化水分量；t—干燥时间，s。

干燥过程是被气化的水分连续进行内部扩散和表面气化的过程。所以，干燥速度取决于内部扩散和表面气化速度，可以用干燥速度曲线来说明。图6-2为干燥介质状态恒定时典型的干燥速度曲线，其横坐标为物料的湿含量C，纵坐标为干燥速度u。从干燥曲线可以看出，干燥过程明显地分成两个阶段，即等速阶段和降速阶段。在等速阶段，干燥速度与物料湿含量有关。在降速阶段，干燥速度近似地与物料湿含量成正比。干燥曲线的折点所示的物料湿含量是临界湿含量C _o，与横轴交点所示的物料湿含量是平衡水平量C平，因此，当物料湿含量大于C _o时，干燥过程属于等速阶段；当物料湿含量小于C _o时，干燥过程属于降速阶段。

图6-2　干燥速度曲线

干燥过程出现两个阶段的原因为：在干燥的初期，由于水分从物料内部扩散速度大于表面气化速度，物料表面停留有一层非结合水。此时水分的蒸气压恒定，表面气化的推动力保持不变，因而干燥速度主要取决于表面气化速度，所以出现等速阶段，此阶段又称为表面气化控制阶段。当干燥进行到一定程度（C _o），由于物料内部水分的扩散速度小于表面气化速度，物料表面没有足够的水分满足表面气化的需要，所以干燥速度逐渐降低了，出现降速阶段，此阶段又称为内部迁移控制阶段。

在等速阶段，凡能影响表面气化速度的因素都可以影响等速阶段的干燥，例如，干燥介质的温度、湿度、空气流动情况等。试验证明，空气流速增大，则干燥速度加快。在降速阶段，干燥速度主要与内部扩散有关，因此，物料的厚度、干燥的温度等可能影响降速阶段的干燥。此时热空气的流速、相对湿度等已不是主要因素。某些物料在降速阶段，由于内部扩散速度太小，物料表面就会迅速干燥，从而引起表面呈现假干现象或龟裂现象，不利于继续干燥。为了防止此种现象的发生，必须采取降低表面气化速度的措施。如利用“废气循环”，使部分潮湿空气回到干燥室中。