通过跟踪干燥机内干固体、水和干空气的流动，物料衡算可以评估连续回转干燥机的性能。在稳态下，干燥聚合物或固体从湿进料到干燥产品的过程中保持守恒，而从固体中去除的水分则进入湿排气。比较这些组分的流量，可以确定水分蒸发量、排气含湿量、干燥效率，以及所选气固比是否充足。
关键在于使用不挥发性干固体作为联系组分。其质量流量在干燥机内保持不变，因此即使难以直接测量蒸发水分或排气湿度，也可以计算产品流量和去除的水量。
建立干燥机物料衡算
定义系统边界
围绕完整的回转干燥机绘制衡算边界，包括湿固体进料、加热干空气入口、干燥固体产品和湿排气出口。
对于连续稳态操作，一般衡算为：
[ \text{总质量输入}=\text{总质量输出} ]
当进料速率、温度和出口条件保持恒定时，干燥机内部不存在积累。
确定衡算组分
主要组分包括：
- 干固体或聚合物
- 水
- 干空气
干固体通常随产品离开。水随湿进料进入，并分为产品中的残余水分和随排气带走的蒸发水分。
干空气随热空气流进入，并随排气离开。通常将其视为不可冷凝组分，并认为其在干燥机内守恒。
使用干固体作为联系组分
应用干固体衡算
设：
- (\dot m_F) = 湿进料质量流量
- (x_{s,F}) = 进料中的干固体质量分数
- (\dot m_P) = 产品质量流量
- (x_{s,P}) = 产品中的干固体质量分数
干固体衡算为：
[ \dot m_F x_{s,F}=\dot m_P x_{s,P} ]
因此，产品流量为：
[ \dot m_P=\frac{\dot m_F x_{s,F}}{x_{s,P}} ]
这一计算很有用，因为干固体不会蒸发进入空气流。即使排气流量难以准确测量，其流量仍可提供稳定的参考。
计算去除的水量
随进料进入的水量为：
[ \dot m_{w,F}=\dot m_F(1-x_{s,F}) ]
随产品离开的残余水量为：
[ \dot m_{w,P}=\dot m_P(1-x_{s,P}) ]
因此，蒸发速率为：
[ \dot m_{w,\text{evap}}=\dot m_{w,F}-\dot m_{w,P} ]
在不存在泄漏、冷凝液出口或其他含水物流的前提下，该速率代表从固体转移至排气中的水分。
确定排气含湿量
应用干空气衡算
设：
- (\dot m_{da}) = 干空气质量流量
- (Y_{\text{out}}) = 排气中水蒸气与干空气的质量比
干空气组分衡算为：
[ \dot m_{da,\text{in}}=\dot m_{da,\text{out}} ]
如果空气系统没有旁路或泄漏，则进入干燥机的干空气流量等于离开干燥机的干空气流量。
计算排气含湿比
气流中的水衡算为：
[ \dot m_{w,\text{evap}}
\dot m_{da}Y_{\text{out}}
\dot m_{da}Y_{\text{in}} ]
求解排气含湿比可得：
[ Y_{\text{out}}
Y_{\text{in}} + \frac{\dot m_{w,\text{evap}}}{\dot m_{da}} ]
对于足够干燥的入口空气，(Y_{\text{in}}) 可能较小，但当入口空气湿度对结果具有实质影响时，不应忽略该项。
排气中的水质量分数为：
[ w_{w,\text{out}}
\frac{Y_{\text{out}}}{1+Y_{\text{out}}} ]
这是湿排气流中水分的质量分数。可以将其与测得的湿度、湿球温度、露点或湿空气图数据进行比较。
评估除湿性能
测量固体中的水分降低量
进料和产品的含水量体现了干燥机降低固体水分的效果：
[ \text{水分降低量}
x_{w,F}-x_{w,P} ]
其中，(x_{w,F}) 和 (x_{w,P}) 分别为进料和产品中的水质量分数。
更有用的过程指标是进入系统的水分中被去除的比例：
[ \text{除水效率}
\frac{\dot m_{w,\text{evap}}}{\dot m_{w,F}} ]
该指标可以区分实际蒸发的水量与随进料进入的总水量。
比较计算值和测量值
应将计算得到的排气含湿量与中试装置的直接测量结果进行核对。相关观测数据包括：
- 干球温度和湿球温度
- 露点
- 空气流量
- 进料和产品质量流量
- 进料和产品含水量
- 入口和出口空气压力
物料衡算结果与测得的出口湿度相一致，说明稳态假设和仪器读数具有可靠性。
评估气固比
单位干固体所需的干空气流量为：
[ \text{气固比}
\frac{\dot m_{da}}{\dot m_F x_{s,F}} ]
该比值有助于确定是否有足够的干空气带走蒸发的水分。
较低的气固比可能导致排气高度湿化，并限制干燥能力。较高的气固比可能提高携湿能力，但会增加加热、风机和排气损失。
解读稳态中试装置数据
选择一致的计算基准
衡算可以基于：
- 规定的操作时间，例如一小时
- 测得的湿进料质量流量
- 固定的干固体处理量
- 用于不同运行批次比较的批量等效量
必须对每股物流一致地应用计算基准。未将组成基准进行换算，就混用湿进料速率和干固体速率，会导致结果错误。
确认稳态条件
干燥机达到稳定运行后，衡算结果最为可靠。在使用数据进行性能计算前，操作人员应使系统充分接近稳态。
在测量时间间隔内，进料速率、空气流量、出口含水量和温度应保持相对稳定。在启动或工况变化期间，必须将干燥机内部的积累纳入衡算：
[ \text{输入}-\text{输出}
\text{积累} ]
利用衡算诊断设备
物料衡算不匹配可能表明：
- 进料或产品称量不正确
- 水分样品缺乏代表性
- 排气泄漏或旁路
- 下游发生冷凝
- 排气中夹带固体
- 回转滚筒内部持料量发生变化
- 操作条件不稳定
因此，物料衡算不仅可以计算蒸发量，也可以作为中试装置的诊断测试。
理解其中的权衡关系
联系组分假设存在局限
只有当干固体不发生蒸发、不发生反应、不溶解到其他物流中，且不通过未测量出口离开时，才能将其作为有效的联系组分。
随排气带出的细颗粒会使产品侧干固体衡算看起来不一致。如果旋风分离器或过滤器的损失较大，则必须将其纳入衡算。
排气湿度取决于空气流量的准确性
计算得到的含湿比直接取决于干空气流量：
[ Y_{\text{out}}
Y_{\text{in}} + \frac{\dot m_{w,\text{evap}}}{\dot m_{da}} ]
因此，空气流量误差会改变推算出的排气含湿量。空气泄漏、流量计不准确，以及温度或压力变化引起的空气密度变化，都可能影响结果。
仅凭质量衡算不能证明干燥效果良好
衡算可以显示水分的去向，但不能完全解释干燥性能为何发生变化。温度、停留时间、颗粒尺寸、固体混合、平衡含水量和空气湿度也会影响最终产品含水量。
产品可能达到含水量目标，但同时消耗过多能量或使用了过量空气。因此，应结合能量数据和操作数据解读物料衡算结果。
必须区分不同的湿度定义
含湿比 (Y) 是单位质量干空气所含水蒸气的质量。水质量分数 (w_w) 是水的质量除以湿空气总质量。
二者关系为：
[ w_w=\frac{Y}{1+Y} ]
在干燥机实验中，混淆这两个量是报告错误的常见来源。
如何将其应用于中试装置
首先获取测得的进料组成、产品组成、干空气流量和入口空气湿度，然后在统一的时间基准上求解各组分衡算。
- 如果您的主要关注点是除湿：使用干固体衡算计算产品流量，并比较进料水量与产品残余水量，以确定蒸发速率。
- 如果您的主要关注点是排气特性：将蒸发速率与干空气衡算结合起来，计算出口含湿比和排气中水的质量分数。
- 如果您的主要关注点是空气使用优化：将干空气流量与干固体处理量关联起来，并将所得气固比与出口湿度和产品含水量进行比较。
- 如果您的主要关注点是中试装置验证：比较计算值和测量值，然后将任何不平衡视为泄漏、夹带、冷凝、取样误差或非稳态运行的证据并进行调查。
正确建立的物料衡算可以将常规的中试装置测量数据转化为对回转干燥机除湿性能的可靠评估。
总结表：
| 关键要素 | 对干燥机评估的支持作用 |
|---|---|
| 干固体衡算 | 使用不挥发性固体作为联系组分来计算产品流量。 |
| 水衡算 | 确定进料水分、产品残余水分和蒸发速率。 |
| 干空气衡算 | 确认干空气在干燥机内保持守恒。 |
| 排气湿度 | 计算出口含湿比和湿空气中的水分分数。 |
| 除水效率 | 测量进料水分中被蒸发的比例。 |
| 气固比 | 评估空气供应是否能够带走蒸发的水分。 |
| 衡算不匹配 | 帮助识别泄漏、夹带、冷凝、取样误差或非稳态运行。 |
| 操作限制 | 突出停留时间、温度、颗粒尺寸和平衡含水量的影响。 |
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