固体物料干燥的平衡状态优化

干燥过程是水分从固体物料向气相中传递的过程，其推动力和极限与水分在气-固两相间的平衡有关。

一、物料中水分含量的表示方法

湿物料中含水量是水分在湿物料中的浓度，依据不同的计算基准，通常有以下两种表示方法。

（一）湿基含水量

湿基含水量是指以湿物料为基准时湿物料中水的质量分率或质量分数，以ω 表示，即

（二）干基含水量

干基含水量是指以绝干物料为基准时湿物料中水分的质量，以X 表示，单位为kg水/kg绝干料，即

两种含水量的关系为

在工业生产中，通常用湿基含水量表示物料中水分的含量，但在干燥过程中湿物料的总量会因失去水分而逐渐减少，故用湿基含水量表示时，计算不方便，但绝干物料的质量是不变的，故干燥计算中多采用干基含水量。

二、水分在气-固两相间的平衡

（一）平衡水分和自由水分

（1）平衡水分。将某种物料与一定温度和相对湿度的空气相接触，当湿物料表面的水蒸气压与空气中的水汽分压不等时，物料将脱除水分或吸收水分，直至二者相等。只要空气的状态不变，物料中所含水分不再因与空气接触时间的延长而变化，物料中水分与空气达到平衡，此时物料中所含的水分称为此空气状态下该物料的平衡水分，平衡水分的含量（平衡含水量）用X*表示。物料的平衡含水量是一定空气状态下物料被干燥的极限。

物料的平衡含水量与物料的种类及湿空气的性质有关，图7-10为某些物料在25℃的平衡含水量X*与空气相对湿度φ 的关系曲线（又称平衡曲线）。平衡含水量随物料种类的不同而有较大差异。非吸水性的物料（如陶土、玻璃棉等）的平衡含水量接近于零；而吸水性物料（如烟叶、皮革等）则平衡含水量较高。对于同一物料，平衡含水量又因所接触的空气状态不同而变化，温度一定时，空气的相对湿度越高，其平衡含水量越大；相对湿度一定时，温度越高，平衡含水量越小，但变化不大，由于缺乏不同温度下平衡含水量的数据，一般温度变化不大时，可忽略温度对平衡含水量的影响。

图7-10 25℃时某些物料的平衡含水量X*与空气相对湿度φ 的关系

1-新闻纸；2-羊毛，毛织物；3-硝化纤维；4-丝；5-皮革；6-陶土；7-烟叶；8-肥皂；7-牛皮胶；10-木材；11-玻璃棉；12-棉花

（2）自由水分。物料中所含大于平衡水分的那一部分水分，它可在该空气状态下用干燥方法去除，称为自由水分。

物料中所含总水分为自由水分与平衡水分之和。(www.xing528.com)

（二）结合水分和非结合水分

根据水与物料结合方式，还可将物料中的水分分为结合水分和非结合水分。

（1）结合水分。包括物料细胞壁内的水分、物料内可溶固体物溶液中的水分及物料内毛细管中的水分等。这种水分是凭借化学力和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，致使干燥过程传质推动力下降，故难以去除。

（2）非结合水分。包括存在于物料表面的附着水分及大孔隙中的水分。这种水分与物料的结合较弱，其蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压，因此，非结合水分比结合水分容易去除。

（三）平衡曲线的应用

（1）判断过程进行的方向。当干基含水量为X 的湿物料与一定温度及相对湿度φ 的湿空气相接触时，可在干燥平衡曲线上找到与该湿空气相应的平衡含水量X*，比较湿物料的含水量X 与平衡含水量X*的大小，可判断过程进行的方向。

若物料含水量X 高于平衡含水量X*，则物料脱水而被干燥；若物料的含水量X 低于平衡含水量X*，则物料将吸水而增湿。

（2）确定过程进行的极限。前已指出，平衡含水量是物料在一定空气条件下被干燥的极限，利用平衡曲线，可确定一定含水量的物料与指定状态空气相接触时平衡含水量与自由含水量的大小。

图7-11为一定温度下某种物料（丝）的平衡曲线。当将干基含水量为X=0.30kg水/kg绝干料的物料与相对湿度为50%的空气相接触时，由平衡曲线可查得平衡含水量为X*=0.084kg水/kg绝干料，相应自由含水量为（X-X*）=0.216kg水/kg绝干料。

图7-11 某种物料（丝）的平衡曲线

（3）判断水分去除的难易程度。利用平衡曲线可确定结合水分含量与非结合水分含量的大小。如将平衡曲线延长，使之与φ=100%相交，在交点以下的水分为物料的结合水分，因其所产生的蒸汽压是与φ＜100%的空气平衡的，即其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压；交点之上的水分则为非结合水分。图7-11中，平衡曲线与φ=100%相交于S 点，查得结合水分含量为0.24kg水/kg绝干料，此部分水较难去除，相应非结合水分含量为0.06kg水/kg绝干料，此部分水较易去除。

应予指出，平衡水分与自由水分是依据物料在一定干燥条件下其水分能否用干燥方法去除而划分的，既与物料的种类有关，也与空气的状态有关；而结合水分与非结合水分是依据物料与水分的结合方式（或物料中所含水分去除的难易）而划分的，仅与物料的性质有关，而与空气的状态无关。