实验四固体乾燥.doc

固體乾燥 （Dried of Solid） 實驗目的： 1. 學習測定固體乾燥在乾燥器之乾燥操作。 2. 了解固體之乾燥機構：起始期、恆速期及減速期。 二、實驗原理： 為了解固體粒之乾燥機構及奠定乾燥裝置之設計基礎，吾 人須熟悉下列各要點： （1）乾燥條件 固體與液體在一定溫度下會產生一定之蒸氣壓，故底 部之乾燥同時受外在及內在因素之影響。外在因素為與固 體接觸之空氣溫度、溼度、風速、風量級風向等，內在因 素為固體本身之大小、形狀、所含成分、固體內部的結構 水分含量、固體之物理性質、化學性質以及乾燥程度等。 由於內在因素係因物質而異，而外在因素與物質之種類無 關，故通常皆以外在因素為乾燥條件。 （2）自由水分含量與平衡水分含量 將充份濕潤之試料，在一定溫度、溼度、風速、風量 級風向等乾燥條件下進行乾燥之，秤取試料之重量隨乾燥 時間的變化，到最後固體內保有一定量的水分，無人稱為 平衡水分含量Xe（Equilibrium Moisture Content）。式（8.1） 表之。 （8.1） 此處 we = 試料乾燥，平衡狀態之重量（kg）。 w0 = 試料完全乾燥，無含水之重量（kg）。 在一定的外在乾燥條件下所能去除之水分，為固體試 料之原有水分與平衡水分含量之差值，稱為自由含水率 Xi（free moisture content）。式﹙8.2﹚表之。 （8.2） 此處 wi = 固體放入乾燥室內，每經一定時間所測定之重量 （kg）。﹙其中 i = 3，6，9…n﹚ 圖一 乾燥曲線 圖二 乾燥曲線 圖二 乾燥速率曲線 （3）固體乾燥機構 以固定溫度、濕度的氣體﹙空氣﹚乾燥潮濕固體物的 過程中，如以固體之自由含水率與時間做圖，即可得如 圖一之乾燥曲線。又以固體之乾燥速率對自由含水率作 圖，即可得如圖二之乾燥速率曲線，在圖一及圖二之 AB 線段代表濕潤固體物和用以乾燥空氣接觸時，固體物的 溫度開始變化，當達到溫度不再變化且穩定狀態的情形 時，此期間稱材料之預熱期。BC線段是在乾燥期中穩定 狀態的情形，測定期溫度時，可發現固體表面的溫度等 於用於乾燥的空氣濕球溫度，此時固體物內部的溫度亦 接近氣體濕球的溫度，但因受質傳和熱傳之落後延遲， 亦會有少許偏差。但當此系統達到氣體的濕球溫度且不 再變化時，其乾燥速率也保持一定，此速率稱為恆速乾 燥期（constant-rate drying period）。在此 BC 線段，其 整個固體的暴露表面被水份所飽和，就好比液體進行蒸 發，而固體內在因素不影響到乾燥速率（因為固體表面 水份雖然在乾燥中損失，但固體內部水份能補充其損失） ，所以乾燥速率為外在因素所決定。 C 點代表固體含水量達到臨界值，當低於 C 點時 則無法再充份供應整個表面的水份蒸發，此點稱為臨界含 水率（critical moisture content），亦是恆速乾燥期終點。 乾燥進行超過C點之後，乾燥速率急速下降，如 AB 與 CD 線段，在此期間稱為減速乾燥期（falling-rate period） ，水分在固體內部即蒸發，水蒸汽在固體中移動而達表面。 減速乾燥期分為第一減速期（first falling-rate period）和第 二減速期（second failing- rate period） 1. 第一減速期： 由於固體表面蒸發的速率大於由固體內部供給至表面 的速率，所以蒸發速率降低。同時熱的供給仍未減少， 因此表面溫度升高，致使水分的蒸發移至表面以下。 2. 第二減速期： 經過第一減速乾燥期後，水份於固體表面以下蒸發， 直至物料達到平衡含水率為止，此時固體表面溫度等 於空氣的乾球溫度。 （4）乾燥速率及其熱傳係數 1. 恆速乾燥期 今考慮依立方體的恆速乾燥速率 Rc，自定義： （8.3） 因Rc，W0為常數，且乾燥面積 A 亦為一常數，則 （8.4） 積分式（8.4）得 （8.5） 其中A：乾燥面積（m2） tc ：乾燥至臨界含水率所需時間（h） Rc：恆速乾燥速率（kg/hm2） Xc：臨界含水率（kg/kg） 在恆速乾燥過程中就熱傳方式而言，固體接受空氣傳 入的熱能不斷自表面蒸發水分，所以熱傳係數 hy 可由 下式求得。 熱傳作用方式 （8.5 hy：熱傳係數（kJ/hm2K） A：水分蒸發面積即固體乾燥面積 T：空氣的乾球溫度