干燥工艺与技术

干燥(drying)通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分(大多数情况下是水)，而获得一定湿含量固体产品的过程。例如干燥固体时，水分(或溶剂)从固体内部扩散到表面再从固体表面气化。干燥可分为自然干燥和人工干燥两种。并有真空干燥、冷冻干燥、气流干燥、微波干燥、红外线千燥和高频率干燥等方法。

干燥工艺　
　当对湿物料进行热力干燥时，以下两种过程相继发生，并先后控制干燥速率。 　　过程1：能量(大多数情况是热量)从周围环境传递至物料表面，使表面湿分蒸发，液体以蒸汽形式从物料表面排除，此过程的速率取决于温度、空气温度、湿度和空气流速、暴露的表面积和压力等外部条件。此过程称外部条件控制过程，也称恒速干燥过程。 　

　过程2：内部湿分传递到物料表面，随之再发生表面蒸发。物料内部湿分的迁移是物料性质、温度和湿含量的函数，此过程称内部条件控制过程，也称降速干燥过程。 　　
干燥速率由上述两个过程中较慢的一个速率控制。从周围环境将热能传递到湿物料的方式有对流、传导或辐射。在某些情况下可能是这些传热方式联合作用，工业干燥器在形式和设计上的差别与采用的主要传热方法有关。 　　在大多数情况下，热量先传到湿物料的表面然后传人物料内部。但是介电，射频或微波干燥时供应的能量在物料内部(有湿分处)产生热量，然后传至外表面。 干燥原理　

　1、外部条件控刺的干燥过程(过程1) 　　在干燥过程中基本的外部变量为温度、湿度、空气的流速和方向、物料的物理形态、搅动状况，以及在干燥操作时干燥器的持料方法。 　　外部干燥条件在于燥的初始阶段，即在排除非结合表面湿分时特别重要，因为物料表面的水分以蒸汽形式通过物料表面的气膜向周围扩散，这种传质过程伴随传热进行，故强化传热便可加速干燥。 　　但在某些情况下，应对干燥速率加以控制，例如瓷器和原木类物料在自由湿分排除后，从内部到表面产生很大的湿度梯度，过快的表面蒸发将导致显著的收缩，即过度干燥和过度收缩。这会在物料内部造成很高的应力，致使物料皲裂或弯曲。在这种情况下，应采用相对湿度较高的空气，既保持较高的干燥速率又防止出现质量缺陷。此处，根茎类蔬菜和水果切片如在过程1中干燥过快，会形成表面结壳导致临界含水量的提高而不利于干燥全过程速率的提高。 　
　2、内部条件控制的干燥过程(过程2) 　　在物料表面没有充足的自由水分时，热量传至湿物料后，物料就开始升温并在其内部形成温度梯度，使热量从外部传人内部，而湿分从物料内部向表面迁移，这种过程的机理因物料结构特征而异。主要为扩散、毛细管流和由于干燥过程的收缩而产生的内部压力。在临界湿含量出现至物料干燥到很低的*终湿含量时，内部湿分迁移成为控制因素，了解湿分的这种内部迁移是很重要的。 　　一些外部可变量，如空气用量，通常会提高表面蒸发速率，此时则降低了重要性。如物料允许在较高的温度下停留较长的时间就有利此过程的进行。这可使物料内部温度较高从而造成蒸汽压梯度使湿分扩散到表面并会同时使液体湿分迁移。 　　对内部条件控制的干燥过程，其过程的强化手段是有限的，在允许的情况下，减小物料的尺寸，以降低湿分(或汽体)的扩散阻力是很有效的。施加振动、脉冲、超声波有利于内部水分的扩散。而由微波提供的能量则可有效地使内部水分汽化，此时如辅以对流或抽真空则有利于水蒸气的排除。 　
　3、物料的干燥特性 　　如上所述，物料中的湿分可能是非结合水或结合水。有两种排除非结合水的方法：蒸发和汽化。当物料表面水分的蒸汽压等于大气压时，发生蒸发。这种现象是在湿分的温度升高到沸点时发生的，在转筒干燥器中出现的即为此种现象。 　　如果被干燥的物料是热敏性的，那么出现蒸发的温度，即沸点，可由降低压力来降低(真空干燥)。如果压力降至三相点以下，则无液相存在，物料中的湿分被冻结，加热引起冰直接升华为水蒸气如冷冻干燥。 　　在汽化时，干燥是由对流进行的，即热空气掠过物料。将热量传给物料而空气被物料冷却，湿分由物料传人空气，并被带走。在这种情况下，物料表面上的温度低于沸点，故湿分蒸汽压低于大气压，且低于物料中的湿分对应温度的饱和蒸汽压。但大于空气中的蒸汽分压。 　　选择适宜的干燥器及设计干燥器尺寸，必须了解物料对所采用干燥方法的干燥特性(干燥动力学)、物料的平衡湿分及物料对温度的敏感性，以及由特定热源可获得的温度极限等。

　　在实践中，*初的原料可能具有很高的湿含量，而产品可能也要求较高的残留湿含量，那么整个干燥过程可能均处于等速阶段。然而在大多数情况下，两种阶段均存在。并对难干物料而言，大部分干燥是在降速阶段进行的。如物料的初始湿含量相当低且要求*终湿含量极低，则降速阶段就很重要，干燥时间就很长。 　　空气速度、温度、湿度、物料厚度及床层深度对传热速率(也即对等速干燥阶段)全都很重要。当扩散速率是控制因素时，即在降速阶段，干燥速率则随物料厚度的平方变化，特别当需要很长的干燥时间以获得低的湿含量时，用搅拌、振动等方法，使湿粉料颗粒化、降低切片厚度或在穿流干燥器中采用薄层将有利于降速干燥过程。 　

　了解采用一定干燥方法时物料的干燥性能在干燥器设计中是极重要的。通常需经试验才能获得这种干燥性能。
干燥原理　　1、外部条件控刺的干燥过程(过程1) 　　在干燥过程中基本的外部变量为温度、湿度、空气的流速和方向、物料的物理形态、搅动状况，以及在干燥操作时干燥器的持料方法。 　　外部干燥条件在于燥的初始阶段，即在排除非结合表面湿分时特别重要，因为物料表面的水分以蒸汽形式通过物料表面的气膜向周围扩散，这种传质过程伴随传热进行，故强化传热便可加速干燥。 　　但在某些情况下，应对干燥速率加以控制，例如瓷器和原木类物料在自由湿分排除后，从内部到表面产生很大的湿度梯度，过快的表面蒸发将导致显著的收缩，即过度干燥和过度收缩。这会在物料内部造成很高的应力，致使物料皲裂或弯曲。在这种情况下，应采用相对湿度较高的空气，既保持较高的干燥速率又防止出现质量缺陷。此处，根茎类蔬菜和水果切片如在过程1中干燥过快，会形成表面结壳导致临界含水量的提高而不利于干燥全过程速率的提高。 　


　2、内部条件控制的干燥过程(过程2) 　　在物料表面没有充足的自由水分时，热量传至湿物料后，物料就开始升温并在其内部形成温度梯度，使热量从外部传人内部，而湿分从物料内部向表面迁移，这种过程的机理因物料结构特征而异。主要为扩散、毛细管流和由于干燥过程的收缩而产生的内部压力。在临界湿含量出现至物料干燥到很低的*终湿含量时，内部湿分迁移成为控制因素，了解湿分的这种内部迁移是很重要的。 　　一些外部可变量，如空气用量，通常会提高表面蒸发速率，此时则降低了重要性。如物料允许在较高的温度下停留较长的时间就有利此过程的进行。这可使物料内部温度较高从而造成蒸汽压梯度使湿分扩散到表面并会同时使液体湿分迁移。 　　对内部条件控制的干燥过程，其过程的强化手段是有限的，在允许的情况下，减小物料的尺寸，以降低湿分(或汽体)的扩散阻力是很有效的。施加振动、脉冲、超声波有利于内部水分的扩散。而由微波提供的能量则可有效地使内部水分汽化，此时如辅以对流或抽真空则有利于水蒸气的排除。 　


　3、物料的干燥特性 　　如上所述，物料中的湿分可能是非结合水或结合水。有两种排除非结合水的方法：蒸发和汽化。当物料表面水分的蒸汽压等于大气压时，发生蒸发。这种现象是在湿分的温度升高到沸点时发生的，在转筒干燥器中出现的即为此种现象。 　　如果被干燥的物料是热敏性的，那么出现蒸发的温度，即沸点，可由降低压力来降低(真空干燥)。如果压力降至三相点以下，则无液相存在，物料中的湿分被冻结，加热引起冰直接升华为水蒸气如冷冻干燥。 　　在汽化时，干燥是由对流进行的，即热空气掠过物料。将热量传给物料而空气被物料冷却，湿分由物料传人空气，并被带走。在这种情况下，物料表面上的温度低于沸点，故湿分蒸汽压低于大气压，且低于物料中的湿分对应温度的饱和蒸汽压。但大于空气中的蒸汽分压。 　　选择适宜的干燥器及设计干燥器尺寸，必须了解物料对所采用干燥方法的干燥特性(干燥动力学)、物料的平衡湿分及物料对温度的敏感性，以及由特定热源可获得的温度极限等。 　　在实践中，*初的原料可能具有很高的湿含量，而产品可能也要求较高的残留湿含量，那么整个干燥过程可能均处于等速阶段。然而在大多数情况下，两种阶段均存在。并对难干物料而言，大部分干燥是在降速阶段进行的。如物料的初始湿含量相当低且要求*终湿含量极低，则降速阶段就很重要，干燥时间就很长。 　　空气速度、温度、湿度、物料厚度及床层深度对传热速率(也即对等速干燥阶段)全都很重要。当扩散速率是控制因素时，即在降速阶段，干燥速率则随物料厚度的平方变化，特别当需要很长的干燥时间以获得低的湿含量时，用搅拌、振动等方法，使湿粉料颗粒化、降低切片厚度或在穿流干燥器中采用薄层将有利于降速干燥过程。 　　了解采用一定干燥方法时物料的干燥性能在干燥器设计中是极重要的。通常需经试验才能获得这种干燥性能。 常见的干燥技术　


　1、机械脱水 　　为了减少干燥器的热负荷，减少湿物料中的水分含量是很重要的。通常都是利用真空或压力过滤器、渗析器、离心机等。对于胶体状物料，例如，来自各种加工过程的废液、食品加工的废物、煤矿或油砂的残渣，因为其中含有小颗粒(<5μm)，所以对其进行脱水处理很困难。近年来，下列新过程的发展很成功，是“技术推动”和“市场牵引”的结果。 　　电渗析脱水(EOD)一一直流电场运用于胶体悬浮液的脱水。 　　间断式电渗析脱水一一通过使电极短路以实现周期性断电。这个过程理论上较连续式操作有效。 　　真空过滤与电渗析脱水的联合使用——可连续或间断性操作。 　　组合场能脱水——电渗析脱水与超声场组合。 　　辅以振动的微滤——优于错流过滤。 　　虽然上面的一些新想法已成功地付诸于商业化应用，但它们仍有进一步改进和开拓的潜力。其中一些过程可与间歇干燥操作相结合，类似于传统的Nutsch过滤器或组合过滤-干燥器。过滤-干燥器是一个间歇操作单元，它避免了物料从一个单元传送到另一个单元，因此避免了可能造成的污染，对于医药工业，尤其具有吸引力。新型脱水技术可与干燥结合，使之产生总体效益。


　2、流化床干燥器(FBD) 　　流化床干燥器因其对可流化颗粒的干燥具有许多优良特性而在近30年中*流行。流化床干燥器有许多形式，目前它们被用于干燥大量不同物料，不仅仅是颗粒(*初的想法)，而且有浆料、膏糊状物料、连续网状和片状物料。不能自身达到流化的大块物料可以在惰性小颗粒流化床中进行干燥。 　　一次只让床层的某些部分流化(如所谓的脉冲流化床)，可以节约能耗。在间歇式流化床干燥器中可通过调节热量输入来保持床层颗粒物料温度恒定;此控制方法不但节能，而且还可提高热敏性产品的质量。建立在模糊逻辑控制基础上的此类干燥器已经进入市场。　


3、喷动床干燥器(SBD) 　　这种干燥器实质上是流化床的改型，适宜于干燥属于Geldart分类“D”组的大颗粒物料(如谷粒、豆类等)，它们的特点是具有内部循环运动和在顶层自由表面的喷动(或称喷泉)。颗粒的运动较在流化床中的混乱(或随机)运动更有规律。 　　喷动床干燥器不仅可以干燥大颗粒物料，而且可以干燥浆状和糊状物料。利用内部通气管、二维设计或一种机械喷动作用，有可能消除或降低传统的轴对称喷动床干燥器的一些弱点。这些很简单的装置目前尚未被完全开发利用。 　　值得注意的是，对于主要由内部热质传递控制的颗粒(如谷粒)采用间歇喷动或对喷动的热空气进行间歇加热的方法可以显著节省能量，并提高产品质量。这一结果已在旋转喷管(移动)式喷动床中得以实现。 　


　4、冲击流于燥器(IJ) 　　冲击流干燥器是对流热质传递到表面的*好结构。为达到*优化设计，选择正确的喷嘴几何尺寸和操作条件是很重要的。 　　冲击流干燥器可以用于纸、胶片、纺织品、涂层、薄板等广泛的工业领域——有时可在冲击喷嘴组件之间连接红外热源。在某些情况下(如干燥纺织品、双面铜版纸、纸板等)，织物由射流支持，织物的两表面受到热气流撞击以达到无接触干燥。通过对输送带上料层的假液化，冲击流也可以用于干燥颗粒或碎片物料。 　　为了进一步提高干燥速度，寻找可提高传统冲击流热传递速度的方法是很重要的。一种方法是在管状喷嘴上附一个套环，使喷射出的气流产生振荡和旋流，即所谓的SOJIN(自振荡式喷嘴，由得克萨斯农业和机械大学干燥研究中心Page教授研制)，它能显著提高传热速率。虽然这是“技术推动”导致的真正革新成果，但迄今为止在干燥方面的应用还未见报道。 　


　5、纸的干燥 　　普通的造纸过程需要大量的脱水。多级烘缸的干燥速率一般为10～25kg/(m2·h)，现代杨克式干燥器可高至150kg/(m2·h)。像新闻纸机，需要直径为1.6m的60个蒸汽加热烘缸，且蒸发1kg水需要1.5kg的蒸汽，因此其占用空间及投资费用相当大。这就需要开始新型高强度干燥系统。但在需要一种改进的纸干燥技术以取代有一个世纪之久的多级烘缸干燥器时，却没有发现适当的替代干燥器。 　　由芬兰Jampella-Valme公司的Lehtinen研制的冷凝带式干燥器，即湿纸网放置在两条柔软透气的钢带(一条被加热，而另一条被冷却)之间承受连续的压力作用，*终达到干燥要求。这种干燥方法在处理像薄纸板这样厚等级的纸方面已引起重视，*有可能取得市场上的成功应用。 　　因为纸机具有投资巨大的特性，很难在大型纸机中引入全套的新型干燥技术。在初始阶段，工厂规模的实验通常都是在小型纸机上进行的，一旦推广应用取得成功。其潜在利益是巨大的。引进新技术的窘境在于风险很大，没人愿意第一个试用它。

　　6、转筒干燥器 　　*近，日本东京的Yamato Sankyo制造公司为一个简单设计的转筒干燥器申请了专利——干燥空气从中心管穿过多条分支管而喷射到旋转圆筒壳壁的料层上，它不仅热质传递速率几乎翻倍提高且具有尺寸小、简单、低成本等优点。


7、过热蒸汽干燥器 　　虽然以过热蒸汽代替热空气或燃气作为干燥介质的想法已经有100多年的历史，而且它的一些应用也有60年的历史了(例如在德国进行煤的干燥)，但过热蒸汽干燥器在市场上的大规模应用却只有30年左右。 　　市场上主要应用为：用于间接加热浆料的气流(或称为闪急)干燥器(瑞士);用于煤的干燥的流化床干燥器(常压)(南非，澳大利亚，德国);木材的低压蒸汽干燥(丹麦，德国，法国);用于干燥甜菜浆的高压流化床干燥器(丹麦尼鲁公司);用于干燥甜菜浆的高压传送带干燥器(德国);用于干燥泥煤的高压气流干燥器(芬兰);用于织物干燥的蒸汽干燥器(印度)。 　　其他几种应用在小规模实验上已获成功，例如纸的干燥、丝茧的干燥、乳清和食品的喷雾干燥等。低压蒸汽干燥看起来有无限的潜力。值得注意的是，大体上任何一种直接式(或对流)干燥器均可转化为使用过热蒸汽作为干燥介质。 　　蒸汽干燥的优点众所周知，例如无氧化和燃烧的可能性、操作安全、快速干燥、高效(如果尾气可以被再利用的话)、产品具有更好的质量等。不利的一面是，投资高且整个过程适合于排出尾气可再利用的大规模生产;同时，有些物料不能承受高温。 　


　8、对撞流干燥器(ISD) 　　由两股高速气流，其中至少有一股气流为两相流(气流与湿颗粒/液滴的混合流)迎面碰撞产生的对撞区可获得很高的传热、传质速率。在这个区域中还可以消除颗粒的结团、进行液滴雾化和颗粒分散。由于惯性作用大，大颗粒物料在限定的反向流中具有较长的停留时间。 　　因此，对撞流就形成了一个气流干燥颗粒、糊状物和浆液的理想气流。经几段对撞区后，物料可达到所需的*终含水量。虽然目前只有很少几种得到研究，Kudra和Mujumdar已把各种对撞流干燥器进行了分类。 　　前苏联在这方面做了大量的工作(如干燥赖氨酸、排水污泥、药物及微生物产品等)，但在世界其他地方仍没有工业化对撞流干燥器的应用者。一旦模拟放大问题得以解决，对撞流干燥器在一些应用领域有替代传统的气流干燥器的潜力。 　


　9、纺织品的Remaflam干燥(或称为表面燃烧干燥) 　　这是一种*新奇和富有创新的干燥方法。通过把燃料与将要蒸发的液体(水)混合，在控制条件下使其燃烧以提供能量，干燥可以进行得既快速又有效。 　　此干燥器实际上是一个燃烧室(600℃)，织物的停留时间正好等于全部干燥所需时间。含34%甲醇的水溶液是满足干燥需要的理想混合液。遗憾的是这种想法对其他产品不适用。若利用酒精作为燃料，一个附加的优点是不产生污染性燃烧产物，对环境有利。 　


　10、声干燥 　　70多年前，已有关于高强度声场强化热质传递的报道。前苏联、日本、美国等国家已经设计、并在实验室规模或小规模范围内试验了声增强转筒、隧道及流化床干燥，但由于声能利用率低，还不适合于工业规模的应用。 　　一般在第一干燥速率阶段，对表面水分的排出声干燥的效果较好。由于声发射器的效率低(约25%)，因此只对某些难干、贵重和小吨位的物料，声干燥才值得考虑。 　　另外，将声干燥与其他干燥方法(对流、介电等)组合使用也是可行的。如红外与声辐射组合使用，在干燥石棉、瓷片等材料时已显示出优点。若保持相同的*终表面温度，在声场(7Hz，150dB)作用下，干燥速率为单独使用红外干燥的3倍。