干燥工藝的原理
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2017-03-13
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關(guān)鍵詞：干燥工藝的原理
干燥是很多行業(yè)生產(chǎn)流程中重要的和不可少的一個環(huán)節(jié)，干燥設(shè)備的選型合理和使用好壞直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、能源消耗、人員勞動強度等指標，由于干燥方法和干燥設(shè)備多種多樣，同一種物料有多種干燥方式，可使用多種類型的干燥設(shè)備，同一種干燥設(shè)備又能干燥多種物料，因此，干燥設(shè)備的合理選型和正確使用是非常正要的。為了便于用戶選擇一種理想的干燥設(shè)備，在此對一些相關(guān)問題作個簡要說明。
一、干燥方法 干燥就是從各種物料中去除濕分的過程，各種物料可以是固體、液體或氣體，固體又可分大塊料、纖維料、顆粒料、細粉料等等，而濕分一般是物料中的水分，也可以是其它溶劑。在此以水分為對象。干燥方法有三類：
（1）機械脫水法 機械脫水法就是通過對物料加壓的方式，將其中一部分水分擠出。常用的有壓榨、沉降、過濾、離心分離等方法。機械脫水法只能除去物料中部分自由水分，結(jié)合水分仍殘留在物料中，因此，物料經(jīng)機械脫水后物料含水率仍然很高，一般為40～60％。但機械脫水法是一種*經(jīng)濟的方法。
（2）加熱干燥法 也就是我們常說的干燥，它利用熱能加熱物料，氣化物料中的水分。除去物料中的水分需要消耗一定的熱能。通常是利用空氣來干燥物料，空氣預先被加熱送入干燥器，將熱量傳遞給物料，氣化物料中的水分，形成水蒸汽，并隨空氣帶出干燥器。物料經(jīng)過加熱干燥，能夠除去物料中的結(jié)合水分，達到產(chǎn)品或原料所要求的含水率。（3） 化學除濕法 是利用吸濕劑除去氣體、液體、固體物料中的少量水分，由于吸濕劑的除濕能力有限，僅用于除去物料中的微量水分。因此生產(chǎn)中應用很少。在實際生產(chǎn)過程中，對于高濕物料一般均盡可能先用機械脫水法去除大量的自由水分，之后再采取其它干燥方式進行干燥。
二、物料與水分的結(jié)合方式 根據(jù)物料中所含水分去除的難易程度分為下列兩種：
（1）、非結(jié)合水分：非結(jié)合水分包括存在于物料表面的潤濕水、孔隙水等物料與水分直接接觸時，被物料吸收的水分。由于與物料的結(jié)合強度小，故易于去除。
（2）、結(jié)合水分：包括物料細胞或纖維管璧及毛細管中所含的水分。這種水分又可細分為化學結(jié)合水、物理化學結(jié)合水和機械結(jié)合水。其中，化學結(jié)合水主要包括結(jié)晶水，結(jié)合強度大，故難以去除，脫去結(jié)晶水的過程不屬于干燥過程；物理化學結(jié)合水包括吸附、滲透和結(jié)構(gòu)的水分，吸附水與物料的結(jié)合*強，水分既可被物料的外表面吸附，也可吸附于物料的內(nèi)部表面，在吸附水分結(jié)合時有熱量放出，脫去時則需吸收熱量，滲透水分與物料的結(jié)合是由于物料組織壁的內(nèi)外溶解物的濃度有差異而產(chǎn)生的滲透壓所造成，結(jié)合強度相對弱小，結(jié)構(gòu)水分存在于物料組織內(nèi)部，在膠體形成時將水結(jié)合在內(nèi)，此類水分的離解可由蒸發(fā)、外壓或組織的破壞；機械結(jié)合水分包括有毛細管水分等，毛細管水分存在于纖維或微小顆粒成團的濕物料中，它與物料的結(jié)合強度較弱。含結(jié)合水分的物料稱為吸水物料，如：木材、糧食、皮革、纖維及其織物、紙張、合成樹脂顆粒等。僅含有非結(jié)合水分的物料，稱為非吸水性物料，如鑄造用型砂、各種結(jié)晶顆粒等。就干燥的難易來說，非吸水性物料要比吸水性物料容易干燥得多。物料的結(jié)晶水為化學結(jié)合水，干燥過程一般是不能去除結(jié)晶水的。不同結(jié)構(gòu)的水分的結(jié)合能大約為100～3000J/mol。物料和水分的不同結(jié)合形式，使排除水分耗費的能量不同，這就說明干燥所需要的熱能也不一樣。根據(jù)物料在一定的干燥條件下，其水分能否用干燥方法除處可分為平衡水分和自由水分。在生活中，常會遇到一些物料在濕度較大的空氣中"返潮"的現(xiàn)象，而這些返潮的物料在干空氣中又會回復其"干燥"狀態(tài)。不管"返潮"或"干燥"過程，進行到一定限度后，物料中的含水量必將趨于一定值，此值即稱為在此空氣狀態(tài)下的平衡水分。物料中所含的大于平衡水分的那一部水分，可以在干燥過程中從濕物料中去除，稱之自由水分。
三、濕物料的干燥過程 1、濕物料的干燥過程 干燥的條件為干燥介質(zhì)（通常為熱空氣）的流動速度、濕度和溫度。當熱空氣從濕物料表面穩(wěn)定地流過時，由于空氣的溫度高，物料的溫度低，因此空氣與物料之間存在著傳熱推動力，空氣以對流的方式把熱量傳遞給物料，物料接受了這項熱量，用來氣化其中的水分，并不斷地被氣流帶走，而物料的濕含量不斷下降。當物料的濕含量下降到平衡水分時，干燥過程結(jié)束。物料干燥過程中，存在著傳熱和傳質(zhì)兩個相互的過程，所謂傳熱就是熱空氣將熱量傳遞給物料，用于氣化其中的水分并加熱物料，傳質(zhì)就是物料中的水分蒸發(fā)并遷移到熱空氣中，使物料水分逐漸降低，得到干燥。
2、干燥過程的特點 在干燥過程中，由于物料總是具有一定的幾何尺寸大小，即使是很細的粉料，從微觀也可看成是有一定尺寸的顆粒，實際上上述傳熱傳質(zhì)過程在熱氣流與物料顆粒之間和物料顆粒內(nèi)部的機理是不相同的，在干燥理論上就將傳熱傳質(zhì)過程分為熱氣流與物料表面的傳熱傳質(zhì)過程和物料內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程。由于這兩種過程的不同而影響了物料的干燥過程，兩者在不同干燥階段起著不同的主導和約束作用，這就導致了一般濕物料干燥時前一階段總是以較快且穩(wěn)定的速度進行，而后一階段則是以越來越慢的速度進行，所以我們就將干燥過程分為等速干燥階段和降速干燥階段。
（1）等速干燥階段 在等速干燥段內(nèi)，物料內(nèi)部水分擴散至表面的速度，可以使物料表面保持著充分的濕潤，即表面的濕含量大于干燥介質(zhì)的*大吸濕能力，所以干燥速度取決于表面氣化速度。換句話說，等速段是受氣化控制的階段。由于干燥條件（氣流溫度、濕度、速度）基本保持不變，所以干燥脫水速度也基本一致，故稱為等速干燥階段，此一階段熱氣流與物料表面之間的傳熱傳質(zhì)過程起著主導作用。因此，提高氣流速度和溫度，降低空氣濕度就都有利于提高等速階段的干燥速度。等速階段物料吸收的熱量幾乎全部都用于蒸發(fā)水分，物料很少升溫，故熱效率很高。可以說等速段內(nèi)的脫水是較容易的，所去除的水分，純屬非結(jié)合水分。
（2）降速干燥階段 隨著物料的水分含量不斷降低，物料內(nèi)部水分的遷移速度小于物料表面的氣化速度，干燥過程受物料內(nèi)部傳熱傳質(zhì)作用的制約，干燥的速度越來越慢，此階段稱為降速干燥階段，有以下幾個特點：降速段的干燥速率與物料的濕含量有關(guān)，濕含量越低，干燥速率越小。這是與等速段不同的第一個特點； 降速段的干燥速率與物料的厚度或直徑很有關(guān)系，厚度越厚，干燥速率越小。這是第二個特點；當降速階段開始以后，由于干燥速率逐漸減小，空氣傳給物料的熱量，除作為氣化水分用之外，尚有一部分將使物料的溫度升高，直至*后接近于空氣的溫度。這是第三個特點； 降速段的水分在物料內(nèi)部進行氣化，然后以蒸汽的形態(tài)擴散至表面，所以降速階段的干燥速率完全取決于水分和蒸汽在物料內(nèi)部的擴散速度。因此也把降速段稱作內(nèi)部擴散控制階段。這是第四個特點。在降速階段，提高干燥速度的關(guān)鍵不再是改善干燥介質(zhì)的條件，而是提高物料內(nèi)部濕份擴散速度的問題。提高物料的溫度，減小物料的厚度都是很有效的辦法。這是第五個特點。 相對等速干燥階段，降速段的干燥脫水要困難得多，能耗也要高得多。所以為了提高干燥速度，降低能耗，保證產(chǎn)品品質(zhì)，在生產(chǎn)工藝允許的情況下，應盡可能采取打散、破碎、切短等方法減小物料的幾何尺寸，以有利于干燥過程的進行。 四、干燥設(shè)備選型前需要確定的條件由于干燥過程中濕物料的種類很多，干燥特性又差別很大，所以需要不同類型的干燥方法和設(shè)備。這樣就帶來了干燥方法和設(shè)備的選型問題。如果選擇不當，就必然會帶來設(shè)備投資過大，或操作費用上升，或產(chǎn)品質(zhì)量不符合要求，在極端情況下乃至不能操作運行。所以，必須對選型問題給予足夠的重視。
1、 物料性能及干燥特性 （1） 物料的形態(tài) 大至成型的木材、陶瓷制品以及片狀、纖維狀、顆粒狀、細粉狀直至膏糊狀和液體物料，都是工業(yè)上需要干燥的物料。故選擇干燥機應首先依據(jù)物料的形態(tài)。（2）物料的各種物理特性 包括密度、堆密度、粒徑分布、熱容以及物料的粘附性能等。粘附性能的高低，對進出料和某些形式的干燥機的工作有很大的影響，粘附嚴重時干燥過程無法進行。（3）物料在干燥過程中的特性 包括受熱的熱敏性，有些物料在受熱后會變色和分解變質(zhì)。另外，干燥過程中物料的收縮將使成型制品開裂或變形，從而使產(chǎn)品品質(zhì)降低甚至報廢。（4）物料與水分結(jié)合的狀態(tài) 它決定了干燥的難易程度、能量消耗水平和在干燥機內(nèi)所需停留時間的長短，這與選型有很大的關(guān)系。例如，對難干燥的物料主要是給予較長的停留時間，而不是強化干燥的外部條件。
2、 對干燥產(chǎn)品的要求 （1） 對干燥產(chǎn)品形態(tài)的要求在某些情況下這一點顯得特別重要。如在食品干燥中，對產(chǎn)品幾何形狀的要求是能否使產(chǎn)品含水率達到干燥要求的關(guān)鍵。再如象洗衣粉、染料等為利于速溶并避免粉塵飛揚，選擇干燥機時必須應用噴霧造粒裝置。（2） 對干燥均勻性的要求 （3） 對產(chǎn)品的衛(wèi)生的要求 （4） 對產(chǎn)品的一些特殊要求 如對咖啡、香菇、蔬菜等物料的干燥，要求產(chǎn)品能保持其特有的香味，故不能采用高風溫的快速干燥。 3、 濕物料含水量的波動情況及干燥前的脫水 進入干燥機的物料含水率應盡可能避免較大的波動，若含水量變大，將使干燥機產(chǎn)量下降或干燥產(chǎn)品達不到含水率要求，若含水率變小，則出口排氣溫度上升，產(chǎn)品過度干燥，不單會使干燥機熱效率下降，有時還會使產(chǎn)品溫度上升，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。對于高濕物料（含水率60％以上），在干燥前應盡可能應用機械脫水（壓濾、離心脫水等）給予預脫水。機械脫水的設(shè)備費用雖較高，但其操作費用之低廉是熱風干燥無法相比的。
五、 干燥機選用需注意的問題 干燥機選擇一般會涉及這樣幾個問題：
1、 物料形態(tài) 干燥設(shè)備選型主要是根據(jù)被干燥物料的形態(tài)來確定，物料形態(tài)不僅決定其干燥方式，同時對干燥機的干燥效率、干燥質(zhì)量、干燥均勻性及進、出料裝置等都有很大的影響，所以如工藝允許，對被干燥的物料應盡可能采取粉碎、篩分、切短等預處理。因此干燥設(shè)備不僅僅是一個選型的問題，還應該制定科學的干燥工藝，才能達到滿意的效果。
2、 影響干燥機生產(chǎn)能力的因素 由于同種干燥方法，干燥脫水一公斤所消耗的熱能基本一致，而干燥機所配套熱源（熱風爐、蒸汽散熱器等）容量也是一定的，因此干燥機的主要技術(shù)指標--干燥能力往往以每小時的脫水量（或*大脫水量）為依據(jù)。此指標是在一定條件下測定的，如濕物料種類、初始含水率、*終含水率、熱風溫度、環(huán)境溫濕度等。
其中只要有一個條件發(fā)生變化，對干燥機生產(chǎn)能力就都有影響，有時影響還較大。下面分別說明。（1） 濕物料種類 濕物料種類這里是指物料與水分的結(jié)合形式。濕物料可以分為①毛細管多孔物料，水分主要靠毛細管力而結(jié)合在物料中，如砂子、二氧化硅、活性炭、素燒陶瓷等，水分與物料的結(jié)合強度較小，干燥較容易；②膠體物料，水分與物料的滲透結(jié)合形式占主導地位，如膠、面粉團等，這種物料一般表現(xiàn)粘度大，水分與物料的結(jié)合強度較大，干燥較困難；③毛細管多孔膠體物料，則具有以上兩類物質(zhì)的性質(zhì)，如泥煤、粘土、木材、織物、谷物、皮革等這類物料種類*多，但此類物料之間的水分結(jié)合形式也有差別，決定了在同等條件下脫水的難易也不相同。物料的形態(tài)對干燥也有很大的影響，如顆粒物料，顆粒大比顆粒小難干燥，而大塊料，厚度小比厚度大容易干燥。
（2）濕物料含水率 含水率（濕含量）是水分在濕物料總重中所占的百分率。
W×100 W×100 m = ———————— ＝ ———————— （％） G Go＋W 式中：W--水分重量； G--濕物料重量； G0--絕干物料重量。 初始含水率是指進入干燥機之前濕物料的含水量，通常是濕物料只要能在干燥機內(nèi)工作，初始含水率越高，干燥機所表現(xiàn)出來的脫水能力就發(fā)揮得越充分。反過來說，初始含水率越高，*終含水率一定時，干燥機越能達到*大脫水能力，但出干料量反而下降。例如：某臺干燥機設(shè)計脫水能力為100kg/h，當初始含水率為40％左右時，干料產(chǎn)量為200 kg/h。假定干燥脫水能力保持100kg/h和干料含水率12％不變，根據(jù)：干燥前濕物料中絕干物質(zhì)重量＝干燥后干物料中絕干物質(zhì)重量，可計算出不同濕物料含水率情況下的相應干燥產(chǎn)量，列表如下：干燥脫水能力初始含水率干料含水率濕物料產(chǎn)量干料產(chǎn)量 100 kg（水）/h35％↑ 12％382.6 kg/h282.6 kg/h ↓ 40％314.3 kg/h214.3 kg/h 45％266.7 kg/h166.7 kg/h 50％231.6 kg/h131.6 kg/h 55％204.7 kg/h104.7 kg/h 60％183.3 kg/h83.3 kg/h 說明：上表為某干燥機干燥脫水能力為100 kg/h時，在不同初始含水率情況下的干料產(chǎn)量從上表可以看出,濕料含水率增加，干燥機干燥能力（脫水能力）保持不變時,實際生產(chǎn)干料產(chǎn)量會相應下降很多，這是干燥機選型和使用時應特別注意的。 （3）*終含水率 一般干燥后段均處于降速干燥階段，要求*終含水率越低，干燥難度就越大，所需干燥時間越長、熱效率也越低，因此也影響產(chǎn)量。 （4） 熱風溫度 熱風溫度或稱干燥介質(zhì)溫度，是干燥中*敏感的一個條件。熱風溫度越高，則所含熱能越多，同時熱風的相對濕度也越低，吸收水分、攜帶水分的能力也越強，非常有利于干燥，而且干燥熱效率也很高。在許多干燥設(shè)備中，當其它條件不變，干燥機的脫水能力基本與熱風溫度的變化成正比。在選擇干燥設(shè)備時，一定要對破壞物料的極限溫度有充分的數(shù)據(jù)，在物料允許的情況下，盡量選擇高溫介質(zhì)。特別應注意的是，許多種干燥方法，特別是快速干燥，干燥后的物料溫度大大低于干燥介質(zhì)溫度，例如氣流干燥機熱風溫度雖然高達250℃以上，而出料溫度一般均在60℃以下。 （5） 環(huán)境溫濕度 這里主要是指天氣的變化對干燥的影響，一般干燥機都是以大氣加熱作干燥介質(zhì)的，大氣的溫度越高，濕度越低，就越有利于干燥，而南方春夏季，天雨潮濕，空氣濕度很大，就不利于干燥機能力的發(fā)揮，影響產(chǎn)量。我國幅員遼闊,南北方空氣濕度相差很大。在南方某些地方，冬季的濕度僅為0.008 kg水/kg絕干空氣，而到春夏季，其大氣濕度卻高達0.025 kg水/kg絕干空氣，是前者的三倍多，因此，在較低排氣溫度（＜90℃）下操作的熱風干燥，在春夏季時大氣濕度增高，其干燥速率必然下降，而所需的時間將上升。由于大氣濕度的增高，物料的平衡水含量亦必然上升，這些因素均將使干燥產(chǎn)量下降，在某些情況下會使產(chǎn)量下降50％以上。 3、熱源的選擇 作為干燥設(shè)備配套的熱源設(shè)備很多，通常是按消耗的燃料來分類，有燃煤、燃油、燃氣、電力等，按換熱情況又可分為干燥介質(zhì)直接加熱和間接加熱。譬如鍋爐加熱水形成水蒸汽，水蒸汽再通過散熱器加熱干燥介質(zhì)，這就是兩次間接加熱，這種方式總的熱效率很低，僅40％左右，在某些工廠生產(chǎn)中有多處用熱點，為便于集中供熱和管理，采用較多。燃煤熱風爐有間接加熱的和直接用燃燒煙氣作干燥介質(zhì)的（直火爐），間接加熱的熱空氣清潔干凈，熱效率60～70％。而直接加熱的因受煙塵的污染而影響產(chǎn)品質(zhì)量，但熱能利用很充分，熱效率很高，對干燥時物料中混入少量煙塵而無影響時，可優(yōu)先采用。油燃燒器目前也使用越來越多，具有操作簡便、升溫迅速、溫度穩(wěn)定、控制方便的優(yōu)點，且使用成本較低。熱源選擇合理與否影響很大，涉及到設(shè)備的投資費用、熱風溫度、物料的干燥質(zhì)量、干燥成本、環(huán)境保護、人員勞動強度、自動控制水平等。 4、關(guān)于干燥設(shè)備的保溫 干燥設(shè)備的保溫投入的費用不高，但干燥機的熱效率一般可以提高10－30％，所以應引起足夠的重視。 排出物料的回收 所有的干燥設(shè)備都有排濕口，特別是采用熱風干燥方式，排濕口或多或少總會夾帶一些超細粉末物料。對一些價值較高或排放量有限制的物質(zhì)，物料的回收顯得格外重要。物料的回收有專門的裝置，在干燥系統(tǒng)中，對干燥機的工作參數(shù)有影響，在設(shè)備選型時要一并考慮。干燥設(shè)備選型前的計算
（1）、 物料含水率 W×100 W×100 m = —————— ＝ —————— （％） G Go＋W 式中：W--水分重量，kg； G--濕物料重量，kg； Go--絕干物料重量，kg。（2）、 干燥脫水量 不計干燥中物料的損耗（一般僅有尾氣中帶有很微量的超細粉末，可以忽略不計），則： 干燥前濕物料中絕干物質(zhì)重量＝干燥后干物料中絕干物質(zhì)重量，即： G1×（1－m1）＝ G2×（1－m2） 式中：G1--濕物料產(chǎn)量，kg/h； G2--干燥后物料產(chǎn)量，kg/h； m1--濕物料含水率； m2--干燥后物料含水率； 上式中，G2、m1、m2均為已知，可計算得出G1，那么： 干燥脫水量 W0 ＝ G1 － G2 （kg/h） 前面已介紹，干燥機的生產(chǎn)能力受物料種類、形狀、初始含水率變動、熱風溫度、環(huán)境空氣溫濕度等很多因素的影響，為了確保干燥生產(chǎn)能力穩(wěn)定正常，一般應該將計算的干燥脫水量放大20～30％來進行干燥機選型，即： 選用干燥機脫水量 ＝W0 (計算干燥脫水量)× （ 1.2 ～ 1.3 ） 否則，因受前述因素的影響，就可能造成有時生產(chǎn)能力達不到預計的產(chǎn)量，而影響全生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。 干燥設(shè)備選型時，首先應按濕物料的形態(tài)對干燥機機型進行初選，而后根據(jù)處理量的大小計算出所需小時脫水量并放大20～30％來確定干燥機脫水量，另外還須考慮自身生產(chǎn)條件、投資大小、工人素質(zhì)、衛(wèi)生要求等，選擇操作方式（連續(xù)或間接）、熱源（蒸汽散熱器、熱風爐、油燃燒等）、設(shè)備材質(zhì)（普通碳鋼、鋁材、不銹鋼）等。
