幹燥工藝與技術

幹燥(drying)通常是指將熱（rè）量加於濕物料並排除揮發性濕分(大（dà）多數情況下是水)，而獲得一定濕含量固體產品的過程。例如幹燥固（gù）體時，水分(或溶劑)從固體內部擴散到表麵再從固體表麵氣化。幹燥可分為（wéi）自然（rán）幹燥（zào）和人工幹（gàn）燥兩種（zhǒng）。並有真空幹燥、冷凍（dòng）幹燥、氣流幹燥、微波幹燥、紅外線千燥和高頻率幹燥等方法。

幹燥工藝：當對濕物料進（jìn）行熱力幹燥時，以下兩種過程相繼發生（shēng），並（bìng）先後控製幹燥速率。

過（guò）程1：能量(大多數情況是熱量)從周圍環境傳（chuán）遞（dì）至（zhì）物料表麵，使表麵濕分蒸發，液體（tǐ）以蒸汽形式從物料表麵排除，此過程的速率取決於溫度、空氣溫度、濕度（dù）和空氣流速、暴露的表麵積和壓力（lì）等外部（bù）條件。此過程稱外部條件控製過程，也稱恒速幹燥過（guò）程。   

過程2：內部濕分傳遞到物料表麵，隨之再發生表麵（miàn）蒸發。物料（liào）內部（bù）濕分的遷移（yí）是物（wù）料性質、溫度和濕含量的函數（shù），此過程稱內部（bù）條件控製過程，也稱降速幹燥過程。   

幹燥速率由上述兩個過程中較慢的一個速率控製（zhì）。從周圍環境將熱能（néng）傳遞到濕物料的方式有對流、傳導（dǎo）或（huò）輻射。在某些（xiē）情況下可（kě）能是（shì）這些傳熱方式聯合作用，工業幹燥（zào）器在形式和設計上的差別與采用的主要傳熱方法有關。   在大多（duō）數情況下，熱量先傳到濕物料的表麵然後傳人物料內部。但是介（jiè）電，射頻或微波幹燥時供應的能量在物料內部(有濕分處（chù）)產生熱（rè）量，然後傳至（zhì）外表麵。

幹燥原理：

1、外部條件控（kòng）刺（cì）的幹燥過程(過程1)：在幹燥過程中基本的外部變量為溫度、濕度、空氣的流速和方向、物料的物理形態、攪動狀況，以及在幹燥操作時（shí）幹燥器的持料方法。外部（bù）幹燥條件在於（yú）燥的初始階段，即在排除非結合表麵濕分時特別重要，因為物料表麵的水（shuǐ）分（fèn）以蒸汽形式通過物料表麵的氣膜向周圍擴散，這種傳質過（guò）程（chéng）伴隨傳熱進（jìn）行，故強化傳熱便可加速幹（gàn）燥。但在某些（xiē）情況下（xià），應對幹燥速率加以控製（zhì），例如瓷器和原木類物料在自由濕分排除後，從內部到（dào）表麵產（chǎn）生很大的濕度梯度，過快的表麵蒸發將導致顯著的收縮（suō），即過（guò）度幹燥和過（guò）度收縮。這會在物料內部造成很高的（de）應力，致使物料皸裂或彎曲。在這種情況下，應采用相對（duì）濕度較高的空氣，既保持較（jiào）高的幹燥速率又防止出現質（zhì）量缺陷。此處，根（gēn）莖類（lèi）蔬菜和水果切片如在過程1中（zhōng）幹燥過快，會形成表麵結殼導致臨界含（hán）水量的提高而不利於（yú）幹燥全過程速（sù）率的提高。   

2、內部條件控製的幹燥過程(過程2)：在物料表（biǎo）麵沒有充（chōng）足的自由水分時，熱量傳至濕物料後，物料（liào）就開始升溫（wēn）並（bìng）在其內部形成溫度梯度，使熱量從外（wài）部傳人內（nèi）部，而濕分從物料內部向表麵遷移，這種過（guò）程的機理因物料結構特征而（ér）異。主要為擴（kuò）散、毛細管流和（hé）由於幹燥過程的收縮而產生的內部壓（yā）力。在臨界（jiè）濕含量出現至物（wù）料幹燥到很低（dī）的*終濕含量時（shí），內（nèi）部濕分遷移成為控（kòng）製因素，了解濕分（fèn）的這種內（nèi）部遷（qiān）移是很重要的。一些外部可變量，如空氣用量，通常（cháng）會提高表麵（miàn）蒸（zhēng）發速率，此時則降低了重要性。如（rú）物料允（yǔn）許在較高的溫度下停留較長的時間就有利此過程的進行。這可（kě）使物料內部溫度（dù）較（jiào）高從而造成蒸（zhēng）汽（qì）壓（yā）梯度（dù）使（shǐ）濕分擴散到表（biǎo）麵並會同時使液體濕（shī）分遷移。對內部條件控（kòng）製的幹燥過程，其過（guò）程的強化（huà）手段是有限（xiàn）的，在允許的情況下，減小物料（liào）的尺（chǐ）寸，以降低濕分(或汽體)的擴散（sàn）阻力是很有效的。施加振動、脈衝、超聲波有利於內部水分的擴散。而由微波提供的能量則可有效地使內部水分汽（qì）化，此時如輔以對流或抽真空則有利於水蒸氣的排除。   

3、物料（liào）的（de）幹燥特（tè）性：如上所述（shù），物料中的濕分可能（néng）是非結合水或結合水。有兩種排除非結合水（shuǐ）的方法：蒸發和汽化。當物料表（biǎo）麵水分的（de）蒸（zhēng）汽壓等於大氣壓時，發生蒸（zhēng）發。這種現象（xiàng）是在濕分的溫度升高到沸點時發生的，在轉筒幹燥器中出現的即為此種現象（xiàng）。 如果被（bèi）幹燥的物料是熱敏性的，那麽出現蒸發的溫度，即沸點，可由降低壓力來降低(真空幹燥)。如果壓力降（jiàng）至三相點以下，則無液相存在，物料中（zhōng）的濕分被凍結，加（jiā）熱引（yǐn）起冰直接（jiē）升華為水（shuǐ）蒸氣如冷凍幹燥。在（zài）汽化（huà）時，幹燥是由對流進行的，即熱空氣掠過物（wù）料。將熱量（liàng）傳給物料而空（kōng）氣被物（wù）料冷卻（què），濕分由物料傳人空氣，並被帶走。在這種情況（kuàng）下，物料表麵上（shàng）的溫度低於沸點，故濕分蒸汽壓低於（yú）大氣壓，且低於物（wù）料中的（de）濕分對應溫度的飽和蒸汽壓。但大於空氣中的蒸（zhēng）汽分壓。選擇適（shì）宜的幹燥器及設計幹燥器（qì）尺寸，必須了解物（wù）料對所采用（yòng）幹燥方法的幹燥特性(幹燥動力學)、物料的平衡濕分及物料對溫度的敏感性，以及由特定熱源可獲得的溫度極限等。在實踐（jiàn）中，*初的原料（liào）可能具有很高的濕含量，而產品可能也要求較高的殘（cán）留濕含量，那麽整個幹（gàn）燥過程可（kě）能均處於等（děng）速階段。然而在大多數情況下，兩種階段均存在。並對難幹物料而言，大部分幹燥是在降速階段進行的（de）。如物料的初始濕含量相當低且要求*終濕含（hán）量極低，則降（jiàng）速階段就（jiù）很重（chóng）要（yào），幹燥時間就很長。空氣速度、溫度、濕度、物料厚度及床層深度對傳熱速率(也即對等速幹燥階段)全都很重要。當擴（kuò）散速率是控製因素時，即在降（jiàng）速階段，幹燥速率則隨物料厚度（dù）的（de）平方（fāng）變化，特別當需（xū）要很長的幹燥（zào）時間以獲（huò）得低的濕含量時，用攪拌、振（zhèn）動等方法，使濕粉料顆粒化、降（jiàng）低切片厚度或在穿流幹燥器中采用薄（báo）層將有利於降速幹燥過程。了解采用一定幹（gàn）燥方法時物料的幹燥性能在幹燥（zào）器設計中（zhōng）是極重要的。通常需（xū）經試驗（yàn）才（cái）能獲得這種幹燥性能。

常見的幹燥技術（shù）：

1、機（jī）械脫水：為了減少幹燥器的熱負荷，減少濕（shī）物料中的水分含量是很重要的。通常（cháng）都是利用真（zhēn）空或壓力（lì）過濾器、滲析器、離心機等。對於膠（jiāo）體（tǐ）狀物料，例如（rú），來（lái）自各種（zhǒng）加工過程的廢液、食品加工（gōng）的（de）廢（fèi）物、煤礦或油砂的殘渣，因為其中含有小（xiǎo）顆粒(<5μm)，所以對其進行脫水（shuǐ）處理很困難。近年來，下（xià）列新過程的發展很成功，是（shì）“技術推動”和（hé）“市場牽引（yǐn）”的結果。 電滲析（xī）脫水(EOD)一一直流電場運用於膠體懸浮（fú）液的脫水。間斷式電滲析脫水一（yī）一通過使電極短路以實現周期性斷電（diàn）。這個過程（chéng）理論上較連續（xù）式操作有效。   真（zhēn）空過濾與電滲析（xī）脫水的聯合（hé）使用——可連續或間斷性操作。 組合場能（néng）脫水——電滲析脫水（shuǐ）與超聲場組合（hé）。 輔以振動的微濾（lǜ）——優於錯流過濾。 雖然上麵的一些新（xīn）想法已成功地付諸於商業化應用（yòng），但它們仍有進一步改進和開拓的潛力。其中一些過程可與間歇幹燥操作相結合，類似於傳（chuán）統的（de）Nutsch過濾器或組合過濾-幹燥器。過濾-幹燥器是一個間歇操作單元，它避免了物料從一個單元傳送到另一個（gè）單元，因此避（bì）免了可（kě）能造成的汙染，對於醫藥工業，尤其具有吸引力。新型（xíng）脫（tuō）水技術（shù）可與幹燥結合，使之產生總體（tǐ）效益。  

2、流化床幹燥器(FBD)：流（liú）化床幹燥器因其對可流化顆粒的幹燥具有許多優（yōu）良特性而在近（jìn）30年中*流行。流化床幹燥（zào）器有（yǒu）許多形式，目前它（tā）們被（bèi）用於幹燥大量不同物料，不僅僅是顆粒(*初的（de）想（xiǎng）法（fǎ）)，而（ér）且有漿料、膏糊狀物料、連（lián）續網（wǎng）狀和片狀物料。不（bú）能自身達到流化的大塊物料（liào）可以在（zài）惰性小顆粒流化床中進行幹燥。一次隻讓床層的某些部分流化（huà）(如所謂的脈衝流化床)，可以節約能耗。在間（jiān）歇（xiē）式流化床幹燥器中可通過調節熱量（liàng）輸（shū）入來保持床層顆粒（lì）物料溫度恒定;此控製（zhì）方法不但節能，而且還可（kě）提高熱敏（mǐn）性產品的質量。建立在模糊邏輯（jí）控製基礎上的此類幹燥器已經進入市（shì）場。 

3、噴動床幹燥器(SBD)：這（zhè）種幹燥器實質上（shàng）是流化床的改型，適宜（yí）於幹燥屬於Geldart分類“D”組的大（dà）顆粒物料(如穀粒、豆類等)，它們的（de）特點是具有內（nèi）部循環運動和在頂層自由表麵的（de）噴動(或稱噴泉)。顆粒的運動（dòng）較在（zài）流化床中的混亂(或隨機)運動更有規律。   噴動床幹燥（zào）器不僅可以幹燥大（dà）顆粒物料，而且可以幹燥漿狀和糊狀物料。利用內部通氣管（guǎn）、二維（wéi）設計或（huò）一種機械噴動作用，有可能消除或降低傳統的（de）軸（zhóu）對稱噴動床幹燥器的一（yī）些弱點。這些很簡單的裝（zhuāng）置目前尚未被完（wán）全開發利（lì）用。值得注意的是，對於主要由（yóu）內部熱質傳遞控製的顆粒(如穀粒)采（cǎi）用間歇噴動（dòng）或對（duì）噴動的熱空氣進行間歇（xiē）加（jiā）熱的方法可以顯著節省能量，並提高（gāo）產（chǎn）品（pǐn）質（zhì）量。這一結果已在旋轉噴（pēn）管(移動)式（shì）噴動床中得以實現。   

4、衝擊流於燥（zào）器(IJ)：衝擊流幹燥器是對流熱（rè）質傳遞（dì）到表麵的（de）*好結構。為達到*優化設計，選（xuǎn）擇正確的噴（pēn）嘴幾何尺寸和操作（zuò）條件是很重要的。衝擊流幹燥器可以用於紙、膠片、紡織品、塗層、薄板等廣泛的工（gōng）業領域——有時可在衝擊噴嘴（zuǐ）組件之間（jiān）連接紅外熱源。在某（mǒu）些情況下（xià）(如幹燥紡織品、雙麵銅版紙、紙板等)，織物（wù）由（yóu）射（shè）流支持，織物的兩表麵受到熱氣流撞擊（jī）以達到（dào）無接觸幹燥。通過對輸送（sòng）帶上料層的假液化，衝擊（jī）流也可以用於幹燥顆粒或碎片物料。為（wéi）了進（jìn）一步提高幹燥速度，尋找可（kě）提高傳（chuán）統衝擊流熱傳遞速度的方（fāng）法是很重要的。一種方（fāng）法是（shì）在管狀噴嘴上（shàng）附一個套環，使噴射出的氣流產生（shēng）振（zhèn）蕩和旋流，即所謂（wèi）的SOJIN(自振蕩式（shì）噴嘴，由得克薩斯農業和機械大學幹燥研究中心Page教授研製)，它能顯著提高（gāo）傳熱速率。雖然這（zhè）是“技術推動”導致的真正革新成果，但迄今為止在幹燥方麵的應用還未見報道。   

5、紙的幹燥（zào）：普通的造紙過程需要大量的脫水。多級烘缸的（de）幹燥速率一般為10～25kg/(m2·h)，現代楊（yáng）克式幹燥器可高至150kg/(m2·h)。像新聞紙機，需要直徑（jìng）為1.6m的60個蒸汽加熱烘缸，且蒸（zhēng）發1kg水（shuǐ）需要1.5kg的（de）蒸汽，因此其占用空間（jiān）及投資費用（yòng）相當大。這就需要開始新型高強度幹燥係統。但在需要一種改進（jìn）的紙幹燥技術以取代有一個世紀之久的多級（jí）烘缸幹燥器時，卻沒有發現適當的替代幹燥器。由芬蘭（lán）Jampella-Valme公司的Lehtinen研製（zhì）的冷凝帶式幹燥器，即濕紙網放置在（zài）兩條柔軟透氣（qì）的鋼帶(一條被加熱，而另（lìng）一條被冷卻)之（zhī）間承受連續的壓力作用，*終達到幹（gàn）燥要求。這種幹燥方法在處理像薄（báo）紙板這樣厚等級的紙方麵已（yǐ）引起重視，*有可能（néng）取得市場上的成功應用。因（yīn）為紙機具有投資巨大的（de）特性（xìng），很難在大型紙機中引入全（quán）套的新型幹燥技術。在初始階段，工廠規模的實驗通常都是在小型紙（zhǐ）機上進（jìn）行的，一旦推廣應用取得成功。其潛在利益是巨大的。引進新技（jì）術的窘（jiǒng）境在於風險（xiǎn）很大，沒人願意第一個試用它。   

6、轉筒幹（gàn）燥器（qì） ：*近，日（rì）本東京的Yamato Sankyo製造公司為一個簡單設計的轉筒幹燥器申請了（le）專利——幹燥空氣從中心管（guǎn）穿過多條（tiáo）分支管而噴射（shè）到旋轉圓筒殼壁的料層上，它（tā）不僅熱質（zhì）傳遞速率幾乎翻倍提高且具有尺寸小、簡單、低成本等優點。

7、過熱蒸汽幹燥器雖然以過熱蒸（zhēng）汽代替熱空氣或燃氣作為幹燥介質的（de）想法已經有（yǒu）100多年的曆史，而且它的一些應用也有60年的曆史了(例如在德國進行（háng）煤的幹燥)，但過熱蒸汽幹燥器在（zài）市場上的（de）大規（guī）模應用卻隻有30年左右。市場上主（zhǔ）要（yào）應用為：用於間接加熱漿料的氣流(或（huò）稱為閃急)幹燥器(瑞士);用於煤的（de）幹燥的（de）流化床幹燥器(常壓)(南非（fēi），澳大利亞，德國);木材的（de）低壓（yā）蒸汽幹燥(丹麥，德國，法國);用於幹燥甜菜漿（jiāng）的高壓（yā）流化床幹燥器(丹麥尼魯公（gōng）司);用於幹燥（zào）甜菜漿的高壓傳送帶幹燥器(德國);用於幹燥泥煤的高壓氣流幹燥器（qì）(芬蘭);用於織物幹燥的蒸汽幹燥器(印度)。其他（tā）幾種應用在小規（guī）模（mó）實驗上已獲成功，例（lì）如（rú）紙的幹燥、絲繭的幹燥、乳（rǔ）清和食品的噴霧幹燥等（děng）。低壓蒸汽幹燥看起（qǐ）來有無（wú）限（xiàn）的潛力。值得注意的（de）是，大體上任何一種直接式(或對流)幹燥器均可轉化為使用過熱蒸汽作為幹燥介質。蒸汽幹燥的優點眾（zhòng）所周知，例如（rú）無氧化和燃燒的可能性（xìng）、操作安全、快速幹燥、高效(如果尾氣可以被再利用的（de）話)、產品（pǐn）具有更好的質量等。不利的一麵（miàn）是，投資高且整個過程適合於排出尾氣可再利用的大規模生產;同時，有些物料不（bú）能承（chéng）受高溫。   

8、對撞流幹燥器(ISD) 由（yóu）兩（liǎng）股高（gāo）速氣流，其中至少有（yǒu）一股氣流為兩相流（liú）(氣流與（yǔ）濕顆粒/液滴的混合流)迎麵碰撞產生的對撞區可獲得很高的傳熱、傳質速率。在這個（gè）區域中還可以消除顆粒的結團、進行液滴霧化和顆粒分散。由於（yú）慣性作用大，大顆粒物料在限定的反向流中具有（yǒu）較長的停留（liú）時間。因此，對撞流就形（xíng）成了一個氣流幹燥顆粒、糊狀物和漿液的（de）理想氣流。經幾段對撞區後，物料可達到所（suǒ）需的*終含水（shuǐ）量。雖然目前（qián）隻有很少幾種得到研究，Kudra和Mujumdar已把各種對撞流幹燥器進（jìn）行了分類。   前蘇（sū）聯在這方（fāng）麵做了大（dà）量的工作(如幹燥賴氨（ān）酸、排（pái）水汙泥、藥物及微生（shēng）物產品等)，但在世界其他（tā）地方仍沒有工（gōng）業化對撞流幹燥器的應用者。一旦模擬放大問題得以解（jiě）決，對撞流幹燥器在一些應用領域有替代傳（chuán）統的氣流幹燥器的潛力。   

9、紡織品的Remaflam幹燥(或稱（chēng）為表麵燃燒幹（gàn）燥)：這是一種*新奇和（hé）富有創（chuàng）新的幹燥方法。通過把燃料（liào）與將要（yào）蒸發（fā）的液體(水)混合，在控製條件下使其燃燒以提供能量，幹燥（zào）可以進行得既快速又（yòu）有效。此幹燥器實際上是一個燃燒室(600℃)，織物的（de）停留時間正好等於全部幹燥所需（xū）時間（jiān）。含34%甲醇的水溶液是滿足幹燥需要的理想混合液。遺憾的是這種（zhǒng）想法對其他產品不（bú）適用。若利用（yòng）酒精作為燃料（liào），一個附加的優點是不產生汙染性燃燒產物，對環境有利。   

10、聲幹燥 ：70多（duō）年前，已（yǐ）有關於高（gāo）強度聲（shēng）場強化熱質傳遞的報道（dào）。前蘇聯、日本（běn）、美國等國家已經設計、並在實（shí）驗室規（guī）模或小規模範圍內試驗了聲增強轉筒、隧道（dào）及流化床幹燥，但由於聲（shēng）能利用率低，還不適合於（yú）工業規模（mó）的應用。   一般（bān）在第一幹燥速率階段，對表麵水分的排出聲幹燥的（de）效果較好。由於聲發（fā）射器（qì）的效率低(約25%)，因（yīn）此隻對某些難幹、貴重和小噸位的物料，聲幹燥才值得考慮。另（lìng）外，將聲幹（gàn）燥與其他（tā）幹燥方法（fǎ）(對流、介電等)組合使用也是可行的。如紅（hóng）外與聲輻射組合使用，在幹燥石棉（mián）、瓷（cí）片等材（cái）料時已顯示出優點。若保持相同的*終（zhōng）表麵溫度，在聲場(7Hz，150dB)作用下，幹燥速率為（wéi）單（dān）獨使用紅外幹燥（zào）的3倍。