干燥工藝的原理
信息來源：本站 | 發布日期：
2017-03-13
| 瀏覽量：2657
關鍵詞：干燥工藝的原理
干燥是很多行業生產流程中重要的和不可少的一個環節，干燥設備的選型合理和使用好壞直接影響到產品質量、生產效率、生產成本、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備，同一種干燥設備又能干燥多種物料，因此，干燥設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備，在此對一些相關問題作個簡要說明。
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，結合水分仍殘留在物料中，因此，物料經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。物料經過加熱干燥，能夠除去物料中的結合水分，達到產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。因此生產中應用很少。在實際生產過程中，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、物料與水分的結合方式 根據物料中所含水分去除的難易程度分為下列兩種：
（1）、非結合水分：非結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。由于與物料的結合強度小，故易于去除。
（2）、結合水分：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合水、物理化學結合水和機械結合水。其中，化學結合水主要包括結晶水，結合強度大，故難以去除，脫去結晶水的過程不屬于干燥過程；物理化學結合水包括吸附、滲透和結構的水分，吸附水與物料的結合*強，水分既可被物料的外表面吸附，也可吸附于物料的內部表面，在吸附水分結合時有熱量放出，脫去時則需吸收熱量，滲透水分與物料的結合是由于物料組織壁的內外溶解物的濃度有差異而產生的滲透壓所造成，結合強度相對弱小，結構水分存在于物料組織內部，在膠體形成時將水結合在內，此類水分的離解可由蒸發、外壓或組織的破壞；機械結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，它與物料的結合強度較弱。含結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。僅含有非結合水分的物料，稱為非吸水性物料，如鑄造用型砂、各種結晶顆粒等。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。物料的結晶水為化學結合水，干燥過程一般是不能去除結晶水的。不同結構的水分的結合能大約為100～3000J/mol。物料和水分的不同結合形式，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"的現象，而這些返潮的物料在干空氣中又會回復其"干燥"狀態。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（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，干燥過程結束。物料干燥過程中，存在著傳熱和傳質兩個相互的過程，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，傳質就是物料中的水分蒸發并遷移到熱空氣中，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過程在熱氣流與物料顆粒之間和物料顆粒內部的機理是不相同的，在干燥理論上就將傳熱傳質過程分為熱氣流與物料表面的傳熱傳質過程和物料內部的傳熱傳質過程。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，物料內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水分，物料很少升溫，故熱效率很高。可以說等速段內的脫水是較容易的，所去除的水分，純屬非結合水分。
（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，干燥過程受物料內部傳熱傳質作用的制約，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，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部進行氣化，然后以蒸汽的形態擴散至表面，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部的擴散速度。因此也把降速段稱作內部擴散控制階段。這是第四個特點。在降速階段，提高干燥速度的關鍵不再是改善干燥介質的條件，而是提高物料內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，保證產品品質，在生產工藝允許的情況下，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備。這樣就帶來了干燥方法和設備的選型問題。如果選擇不當，就必然會帶來設備投資過大，或操作費用上升，或產品質量不符合要求，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 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，都是工業上需要干燥的物料。故選擇干燥機應首先依據物料的形態。（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。另外，干燥過程中物料的收縮將使成型制品開裂或變形，從而使產品品質降低甚至報廢。（4）物料與水分結合的狀態 它決定了干燥的難易程度、能量消耗水平和在干燥機內所需停留時間的長短，這與選型有很大的關系。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、 對干燥產品的要求 （1） 對干燥產品形態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，對產品幾何形狀的要求是能否使產品含水率達到干燥要求的關鍵。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） 對產品的衛生的要求 （4） 對產品的一些特殊要求 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，將使干燥機產量下降或干燥產品達不到含水率要求，若含水率變小，則出口排氣溫度上升，產品過度干燥，不單會使干燥機熱效率下降，有時還會使產品溫度上升，從而影響產品質量。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 干燥設備選型主要是根據被干燥物料的形態來確定，物料形態不僅決定其干燥方式，同時對干燥機的干燥效率、干燥質量、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指標--干燥能力往往以每小時的脫水量（或*大脫水量）為依據。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、環境溫濕度等。
其中只要有一個條件發生變化，對干燥機生產能力就都有影響，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，水分與物料的結合強度較小，干燥較容易；②膠體物料，水分與物料的滲透結合形式占主導地位，如膠、面粉團等，這種物料一般表現粘度大，水分與物料的結合強度較大，干燥較困難；③毛細管多孔膠體物料，則具有以上兩類物質的性質，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工作，初始含水率越高，干燥機所表現出來的脫水能力就發揮得越充分。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：某臺干燥機設計脫水能力為100kg/h，當初始含水率為40％左右時，干料產量為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：干燥前濕物料中絕干物質重量＝干燥后干物料中絕干物質重量，可計算出不同濕物料含水率情況下的相應干燥產量，列表如下：干燥脫水能力初始含水率干料含水率濕物料產量干料產量 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,實際生產干料產量會相應下降很多，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，因此也影響產量。 （4） 熱風溫度 熱風溫度或稱干燥介質溫度，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。在選擇干燥設備時，一定要對破壞物料的極限溫度有充分的數據，在物料允許的情況下，盡量選擇高溫介質。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揮，影響產量。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量下降，在某些情況下會使產量下降50％以上。 3、熱源的選擇 作為干燥設備配套的熱源設備很多，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，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品質量，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、溫度穩定、控制方便的優點，且使用成本較低。熱源選擇合理與否影響很大，涉及到設備的投資費用、熱風溫度、物料的干燥質量、干燥成本、環境保護、人員勞動強度、自動控制水平等。 4、關于干燥設備的保溫 干燥設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，物料的回收顯得格外重要。物料的回收有專門的裝置，在干燥系統中，對干燥機的工作參數有影響，在設備選型時要一并考慮。干燥設備選型前的計算
（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重量＝干燥后干物料中絕干物質重量，即： G1×（1－m1）＝ G2×（1－m2） 式中：G1--濕物料產量，kg/h； G2--干燥后物料產量，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，干燥機的生產能力受物料種類、形狀、初始含水率變動、熱風溫度、環境空氣溫濕度等很多因素的影響，為了確保干燥生產能力穩定正常，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能力達不到預計的產量，而影響全生產線的正常生產。 干燥設備選型時，首先應按濕物料的形態對干燥機機型進行初選，而后根據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條件、投資大小、工人素質、衛生要求等，選擇操作方式（連續或間接）、熱源（蒸汽散熱器、熱風爐、油燃燒等）、設備材質（普通碳鋼、鋁材、不銹鋼）等。
