干燥(drying)通常是指將熱量加于濕物料并排除揮發(fā)性濕分(大多數(shù)情況下是水)，而獲得一定濕含量固體產(chǎn)品的過程。例如干燥固體時，水分(或溶劑)從固體內(nèi)部擴(kuò)散到表面再從固體表面氣化。干燥可分為自然干燥和人工干燥兩種。并有真空干燥、冷凍干燥、氣流干燥、微波干燥、紅外線千燥和高頻率干燥等方法。

干燥工藝　
　當(dāng)對濕物料進(jìn)行熱力干燥時，以下兩種過程相繼發(fā)生，并先后控制干燥速率。 　　過程1：能量(大多數(shù)情況是熱量)從周圍環(huán)境傳遞至物料表面，使表面濕分蒸發(fā)，液體以蒸汽形式從物料表面排除，此過程的速率取決于溫度、空氣溫度、濕度和空氣流速、暴露的表面積和壓力等外部條件。此過程稱外部條件控制過程，也稱恒速干燥過程。 　

　過程2：內(nèi)部濕分傳遞到物料表面，隨之再發(fā)生表面蒸發(fā)。物料內(nèi)部濕分的遷移是物料性質(zhì)、溫度和濕含量的函數(shù)，此過程稱內(nèi)部條件控制過程，也稱降速干燥過程。 　　
干燥速率由上述兩個過程中較慢的一個速率控制。從周圍環(huán)境將熱能傳遞到濕物料的方式有對流、傳導(dǎo)或輻射。在某些情況下可能是這些傳熱方式聯(lián)合作用，工業(yè)干燥器在形式和設(shè)計(jì)上的差別與采用的主要傳熱方法有關(guān)。 　　在大多數(shù)情況下，熱量先傳到濕物料的表面然后傳人物料內(nèi)部。但是介電，射頻或微波干燥時供應(yīng)的能量在物料內(nèi)部(有濕分處)產(chǎn)生熱量，然后傳至外表面。 干燥原理　

　1、外部條件控刺的干燥過程(過程1) 　　在干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(tài)、攪動狀況，以及在干燥操作時干燥器的持料方法。 　　外部干燥條件在于燥的初始階段，即在排除非結(jié)合表面濕分時特別重要，因?yàn)槲锪媳砻娴乃忠哉羝问酵ㄟ^物料表面的氣膜向周圍擴(kuò)散，這種傳質(zhì)過程伴隨傳熱進(jìn)行，故強(qiáng)化傳熱便可加速干燥。 　　但在某些情況下，應(yīng)對干燥速率加以控制，例如瓷器和原木類物料在自由濕分排除后，從內(nèi)部到表面產(chǎn)生很大的濕度梯度，過快的表面蒸發(fā)將導(dǎo)致顯著的收縮，即過度干燥和過度收縮。這會在物料內(nèi)部造成很高的應(yīng)力，致使物料皸裂或彎曲。在這種情況下，應(yīng)采用相對濕度較高的空氣，既保持較高的干燥速率又防止出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。此處，根莖類蔬菜和水果切片如在過程1中干燥過快，會形成表面結(jié)殼導(dǎo)致臨界含水量的提高而不利于干燥全過程速率的提高。 　
　2、內(nèi)部條件控制的干燥過程(過程2) 　　在物料表面沒有充足的自由水分時，熱量傳至濕物料后，物料就開始升溫并在其內(nèi)部形成溫度梯度，使熱量從外部傳人內(nèi)部，而濕分從物料內(nèi)部向表面遷移，這種過程的機(jī)理因物料結(jié)構(gòu)特征而異。主要為擴(kuò)散、毛細(xì)管流和由于干燥過程的收縮而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力。在臨界濕含量出現(xiàn)至物料干燥到很低的*終濕含量時，內(nèi)部濕分遷移成為控制因素，了解濕分的這種內(nèi)部遷移是很重要的。 　　一些外部可變量，如空氣用量，通常會提高表面蒸發(fā)速率，此時則降低了重要性。如物料允許在較高的溫度下停留較長的時間就有利此過程的進(jìn)行。這可使物料內(nèi)部溫度較高從而造成蒸汽壓梯度使?jié)穹謹(jǐn)U散到表面并會同時使液體濕分遷移。 　　對內(nèi)部條件控制的干燥過程，其過程的強(qiáng)化手段是有限的，在允許的情況下，減小物料的尺寸，以降低濕分(或汽體)的擴(kuò)散阻力是很有效的。施加振動、脈沖、超聲波有利于內(nèi)部水分的擴(kuò)散。而由微波提供的能量則可有效地使內(nèi)部水分汽化，此時如輔以對流或抽真空則有利于水蒸氣的排除。 　
　3、物料的干燥特性 　　如上所述，物料中的濕分可能是非結(jié)合水或結(jié)合水。有兩種排除非結(jié)合水的方法：蒸發(fā)和汽化。當(dāng)物料表面水分的蒸汽壓等于大氣壓時，發(fā)生蒸發(fā)。這種現(xiàn)象是在濕分的溫度升高到沸點(diǎn)時發(fā)生的，在轉(zhuǎn)筒干燥器中出現(xiàn)的即為此種現(xiàn)象。 　　如果被干燥的物料是熱敏性的，那么出現(xiàn)蒸發(fā)的溫度，即沸點(diǎn)，可由降低壓力來降低(真空干燥)。如果壓力降至三相點(diǎn)以下，則無液相存在，物料中的濕分被凍結(jié)，加熱引起冰直接升華為水蒸氣如冷凍干燥。 　　在汽化時，干燥是由對流進(jìn)行的，即熱空氣掠過物料。將熱量傳給物料而空氣被物料冷卻，濕分由物料傳人空氣，并被帶走。在這種情況下，物料表面上的溫度低于沸點(diǎn)，故濕分蒸汽壓低于大氣壓，且低于物料中的濕分對應(yīng)溫度的飽和蒸汽壓。但大于空氣中的蒸汽分壓。 　　選擇適宜的干燥器及設(shè)計(jì)干燥器尺寸，必須了解物料對所采用干燥方法的干燥特性(干燥動力學(xué))、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(shí)踐中，*初的原料可能具有很高的濕含量，而產(chǎn)品可能也要求較高的殘留濕含量，那么整個干燥過程可能均處于等速階段。然而在大多數(shù)情況下，兩種階段均存在。并對難干物料而言，大部分干燥是在降速階段進(jìn)行的。如物料的初始濕含量相當(dāng)?shù)颓乙?終濕含量極低，則降速階段就很重要，干燥時間就很長。 　　空氣速度、溫度、濕度、物料厚度及床層深度對傳熱速率(也即對等速干燥階段)全都很重要。當(dāng)擴(kuò)散速率是控制因素時，即在降速階段，干燥速率則隨物料厚度的平方變化，特別當(dāng)需要很長的干燥時間以獲得低的濕含量時，用攪拌、振動等方法，使?jié)穹哿项w?；?、降低切片厚度或在穿流干燥器中采用薄層將有利于降速干燥過程。 　

　了解采用一定干燥方法時物料的干燥性能在干燥器設(shè)計(jì)中是極重要的。通常需經(jīng)試驗(yàn)才能獲得這種干燥性能。
干燥原理　　1、外部條件控刺的干燥過程(過程1) 　　在干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(tài)、攪動狀況，以及在干燥操作時干燥器的持料方法。 　　外部干燥條件在于燥的初始階段，即在排除非結(jié)合表面濕分時特別重要，因?yàn)槲锪媳砻娴乃忠哉羝问酵ㄟ^物料表面的氣膜向周圍擴(kuò)散，這種傳質(zhì)過程伴隨傳熱進(jìn)行，故強(qiáng)化傳熱便可加速干燥。 　　但在某些情況下，應(yīng)對干燥速率加以控制，例如瓷器和原木類物料在自由濕分排除后，從內(nèi)部到表面產(chǎn)生很大的濕度梯度，過快的表面蒸發(fā)將導(dǎo)致顯著的收縮，即過度干燥和過度收縮。這會在物料內(nèi)部造成很高的應(yīng)力，致使物料皸裂或彎曲。在這種情況下，應(yīng)采用相對濕度較高的空氣，既保持較高的干燥速率又防止出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。此處，根莖類蔬菜和水果切片如在過程1中干燥過快，會形成表面結(jié)殼導(dǎo)致臨界含水量的提高而不利于干燥全過程速率的提高。 　


　2、內(nèi)部條件控制的干燥過程(過程2) 　　在物料表面沒有充足的自由水分時，熱量傳至濕物料后，物料就開始升溫并在其內(nèi)部形成溫度梯度，使熱量從外部傳人內(nèi)部，而濕分從物料內(nèi)部向表面遷移，這種過程的機(jī)理因物料結(jié)構(gòu)特征而異。主要為擴(kuò)散、毛細(xì)管流和由于干燥過程的收縮而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力。在臨界濕含量出現(xiàn)至物料干燥到很低的*終濕含量時，內(nèi)部濕分遷移成為控制因素，了解濕分的這種內(nèi)部遷移是很重要的。 　　一些外部可變量，如空氣用量，通常會提高表面蒸發(fā)速率，此時則降低了重要性。如物料允許在較高的溫度下停留較長的時間就有利此過程的進(jìn)行。這可使物料內(nèi)部溫度較高從而造成蒸汽壓梯度使?jié)穹謹(jǐn)U散到表面并會同時使液體濕分遷移。 　　對內(nèi)部條件控制的干燥過程，其過程的強(qiáng)化手段是有限的，在允許的情況下，減小物料的尺寸，以降低濕分(或汽體)的擴(kuò)散阻力是很有效的。施加振動、脈沖、超聲波有利于內(nèi)部水分的擴(kuò)散。而由微波提供的能量則可有效地使內(nèi)部水分汽化，此時如輔以對流或抽真空則有利于水蒸氣的排除。 　


　3、物料的干燥特性 　　如上所述，物料中的濕分可能是非結(jié)合水或結(jié)合水。有兩種排除非結(jié)合水的方法：蒸發(fā)和汽化。當(dāng)物料表面水分的蒸汽壓等于大氣壓時，發(fā)生蒸發(fā)。這種現(xiàn)象是在濕分的溫度升高到沸點(diǎn)時發(fā)生的，在轉(zhuǎn)筒干燥器中出現(xiàn)的即為此種現(xiàn)象。 　　如果被干燥的物料是熱敏性的，那么出現(xiàn)蒸發(fā)的溫度，即沸點(diǎn)，可由降低壓力來降低(真空干燥)。如果壓力降至三相點(diǎn)以下，則無液相存在，物料中的濕分被凍結(jié)，加熱引起冰直接升華為水蒸氣如冷凍干燥。 　　在汽化時，干燥是由對流進(jìn)行的，即熱空氣掠過物料。將熱量傳給物料而空氣被物料冷卻，濕分由物料傳人空氣，并被帶走。在這種情況下，物料表面上的溫度低于沸點(diǎn)，故濕分蒸汽壓低于大氣壓，且低于物料中的濕分對應(yīng)溫度的飽和蒸汽壓。但大于空氣中的蒸汽分壓。 　　選擇適宜的干燥器及設(shè)計(jì)干燥器尺寸，必須了解物料對所采用干燥方法的干燥特性(干燥動力學(xué))、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(shí)踐中，*初的原料可能具有很高的濕含量，而產(chǎn)品可能也要求較高的殘留濕含量，那么整個干燥過程可能均處于等速階段。然而在大多數(shù)情況下，兩種階段均存在。并對難干物料而言，大部分干燥是在降速階段進(jìn)行的。如物料的初始濕含量相當(dāng)?shù)颓乙?終濕含量極低，則降速階段就很重要，干燥時間就很長。 　　空氣速度、溫度、濕度、物料厚度及床層深度對傳熱速率(也即對等速干燥階段)全都很重要。當(dāng)擴(kuò)散速率是控制因素時，即在降速階段，干燥速率則隨物料厚度的平方變化，特別當(dāng)需要很長的干燥時間以獲得低的濕含量時，用攪拌、振動等方法，使?jié)穹哿项w粒化、降低切片厚度或在穿流干燥器中采用薄層將有利于降速干燥過程。 　　了解采用一定干燥方法時物料的干燥性能在干燥器設(shè)計(jì)中是極重要的。通常需經(jīng)試驗(yàn)才能獲得這種干燥性能。 常見的干燥技術(shù)　


　1、機(jī)械脫水 　　為了減少干燥器的熱負(fù)荷，減少濕物料中的水分含量是很重要的。通常都是利用真空或壓力過濾器、滲析器、離心機(jī)等。對于膠體狀物料，例如，來自各種加工過程的廢液、食品加工的廢物、煤礦或油砂的殘?jiān)?，因?yàn)槠渲泻行☆w粒(<5μm)，所以對其進(jìn)行脫水處理很困難。近年來，下列新過程的發(fā)展很成功，是“技術(shù)推動”和“市場牽引”的結(jié)果。 　　電滲析脫水(EOD)一一直流電場運(yùn)用于膠體懸浮液的脫水。 　　間斷式電滲析脫水一一通過使電極短路以實(shí)現(xiàn)周期性斷電。這個過程理論上較連續(xù)式操作有效。 　　真空過濾與電滲析脫水的聯(lián)合使用——可連續(xù)或間斷性操作。 　　組合場能脫水——電滲析脫水與超聲場組合。 　　輔以振動的微濾——優(yōu)于錯流過濾。 　　雖然上面的一些新想法已成功地付諸于商業(yè)化應(yīng)用，但它們?nèi)杂羞M(jìn)一步改進(jìn)和開拓的潛力。其中一些過程可與間歇干燥操作相結(jié)合，類似于傳統(tǒng)的Nutsch過濾器或組合過濾-干燥器。過濾-干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單元，因此避免了可能造成的污染，對于醫(yī)藥工業(yè)，尤其具有吸引力。新型脫水技術(shù)可與干燥結(jié)合，使之產(chǎn)生總體效益。


　2、流化床干燥器(FBD) 　　流化床干燥器因其對可流化顆粒的干燥具有許多優(yōu)良特性而在近30年中*流行。流化床干燥器有許多形式，目前它們被用于干燥大量不同物料，不僅僅是顆粒(*初的想法)，而且有漿料、膏糊狀物料、連續(xù)網(wǎng)狀和片狀物料。不能自身達(dá)到流化的大塊物料可以在惰性小顆粒流化床中進(jìn)行干燥。 　　一次只讓床層的某些部分流化(如所謂的脈沖流化床)，可以節(jié)約能耗。在間歇式流化床干燥器中可通過調(diào)節(jié)熱量輸入來保持床層顆粒物料溫度恒定;此控制方法不但節(jié)能，而且還可提高熱敏性產(chǎn)品的質(zhì)量。建立在模糊邏輯控制基礎(chǔ)上的此類干燥器已經(jīng)進(jìn)入市場。　


3、噴動床干燥器(SBD) 　　這種干燥器實(shí)質(zhì)上是流化床的改型，適宜于干燥屬于Geldart分類“D”組的大顆粒物料(如谷粒、豆類等)，它們的特點(diǎn)是具有內(nèi)部循環(huán)運(yùn)動和在頂層自由表面的噴動(或稱噴泉)。顆粒的運(yùn)動較在流化床中的混亂(或隨機(jī))運(yùn)動更有規(guī)律。 　　噴動床干燥器不僅可以干燥大顆粒物料，而且可以干燥漿狀和糊狀物料。利用內(nèi)部通氣管、二維設(shè)計(jì)或一種機(jī)械噴動作用，有可能消除或降低傳統(tǒng)的軸對稱噴動床干燥器的一些弱點(diǎn)。這些很簡單的裝置目前尚未被完全開發(fā)利用。 　　值得注意的是，對于主要由內(nèi)部熱質(zhì)傳遞控制的顆粒(如谷粒)采用間歇噴動或?qū)妱拥臒峥諝膺M(jìn)行間歇加熱的方法可以顯著節(jié)省能量，并提高產(chǎn)品質(zhì)量。這一結(jié)果已在旋轉(zhuǎn)噴管(移動)式噴動床中得以實(shí)現(xiàn)。 　


　4、沖擊流于燥器(IJ) 　　沖擊流干燥器是對流熱質(zhì)傳遞到表面的*好結(jié)構(gòu)。為達(dá)到*優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇正確的噴嘴幾何尺寸和操作條件是很重要的。 　　沖擊流干燥器可以用于紙、膠片、紡織品、涂層、薄板等廣泛的工業(yè)領(lǐng)域——有時可在沖擊噴嘴組件之間連接紅外熱源。在某些情況下(如干燥紡織品、雙面銅版紙、紙板等)，織物由射流支持，織物的兩表面受到熱氣流撞擊以達(dá)到無接觸干燥。通過對輸送帶上料層的假液化，沖擊流也可以用于干燥顆粒或碎片物料。 　　為了進(jìn)一步提高干燥速度，尋找可提高傳統(tǒng)沖擊流熱傳遞速度的方法是很重要的。一種方法是在管狀噴嘴上附一個套環(huán)，使噴射出的氣流產(chǎn)生振蕩和旋流，即所謂的SOJIN(自振蕩式噴嘴，由得克薩斯農(nóng)業(yè)和機(jī)械大學(xué)干燥研究中心Page教授研制)，它能顯著提高傳熱速率。雖然這是“技術(shù)推動”導(dǎo)致的真正革新成果，但迄今為止在干燥方面的應(yīng)用還未見報道。 　


　5、紙的干燥 　　普通的造紙過程需要大量的脫水。多級烘缸的干燥速率一般為10～25kg/(m2·h)，現(xiàn)代楊克式干燥器可高至150kg/(m2·h)。像新聞紙機(jī)，需要直徑為1.6m的60個蒸汽加熱烘缸，且蒸發(fā)1kg水需要1.5kg的蒸汽，因此其占用空間及投資費(fèi)用相當(dāng)大。這就需要開始新型高強(qiáng)度干燥系統(tǒng)。但在需要一種改進(jìn)的紙干燥技術(shù)以取代有一個世紀(jì)之久的多級烘缸干燥器時，卻沒有發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)奶娲稍锲鳌?　　由芬蘭Jampella-Valme公司的Lehtinen研制的冷凝帶式干燥器，即濕紙網(wǎng)放置在兩條柔軟透氣的鋼帶(一條被加熱，而另一條被冷卻)之間承受連續(xù)的壓力作用，*終達(dá)到干燥要求。這種干燥方法在處理像薄紙板這樣厚等級的紙方面已引起重視，*有可能取得市場上的成功應(yīng)用。 　　因?yàn)榧垯C(jī)具有投資巨大的特性，很難在大型紙機(jī)中引入全套的新型干燥技術(shù)。在初始階段，工廠規(guī)模的實(shí)驗(yàn)通常都是在小型紙機(jī)上進(jìn)行的，一旦推廣應(yīng)用取得成功。其潛在利益是巨大的。引進(jìn)新技術(shù)的窘境在于風(fēng)險很大，沒人愿意第一個試用它。

　　6、轉(zhuǎn)筒干燥器 　　*近，日本東京的Yamato Sankyo制造公司為一個簡單設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)筒干燥器申請了專利——干燥空氣從中心管穿過多條分支管而噴射到旋轉(zhuǎn)圓筒殼壁的料層上，它不僅熱質(zhì)傳遞速率幾乎翻倍提高且具有尺寸小、簡單、低成本等優(yōu)點(diǎn)。


7、過熱蒸汽干燥器 　　雖然以過熱蒸汽代替熱空氣或燃?xì)庾鳛楦稍锝橘|(zhì)的想法已經(jīng)有100多年的歷史，而且它的一些應(yīng)用也有60年的歷史了(例如在德國進(jìn)行煤的干燥)，但過熱蒸汽干燥器在市場上的大規(guī)模應(yīng)用卻只有30年左右。 　　市場上主要應(yīng)用為：用于間接加熱漿料的氣流(或稱為閃急)干燥器(瑞士);用于煤的干燥的流化床干燥器(常壓)(南非，澳大利亞，德國);木材的低壓蒸汽干燥(丹麥，德國，法國);用于干燥甜菜漿的高壓流化床干燥器(丹麥尼魯公司);用于干燥甜菜漿的高壓傳送帶干燥器(德國);用于干燥泥煤的高壓氣流干燥器(芬蘭);用于織物干燥的蒸汽干燥器(印度)。 　　其他幾種應(yīng)用在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)上已獲成功，例如紙的干燥、絲繭的干燥、乳清和食品的噴霧干燥等。低壓蒸汽干燥看起來有無限的潛力。值得注意的是，大體上任何一種直接式(或?qū)α?干燥器均可轉(zhuǎn)化為使用過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)。 　　蒸汽干燥的優(yōu)點(diǎn)眾所周知，例如無氧化和燃燒的可能性、操作安全、快速干燥、高效(如果尾氣可以被再利用的話)、產(chǎn)品具有更好的質(zhì)量等。不利的一面是，投資高且整個過程適合于排出尾氣可再利用的大規(guī)模生產(chǎn);同時，有些物料不能承受高溫。 　


　8、對撞流干燥器(ISD) 　　由兩股高速氣流，其中至少有一股氣流為兩相流(氣流與濕顆粒/液滴的混合流)迎面碰撞產(chǎn)生的對撞區(qū)可獲得很高的傳熱、傳質(zhì)速率。在這個區(qū)域中還可以消除顆粒的結(jié)團(tuán)、進(jìn)行液滴霧化和顆粒分散。由于慣性作用大，大顆粒物料在限定的反向流中具有較長的停留時間。 　　因此，對撞流就形成了一個氣流干燥顆粒、糊狀物和漿液的理想氣流。經(jīng)幾段對撞區(qū)后，物料可達(dá)到所需的*終含水量。雖然目前只有很少幾種得到研究，Kudra和Mujumdar已把各種對撞流干燥器進(jìn)行了分類。 　　前蘇聯(lián)在這方面做了大量的工作(如干燥賴氨酸、排水污泥、藥物及微生物產(chǎn)品等)，但在世界其他地方仍沒有工業(yè)化對撞流干燥器的應(yīng)用者。一旦模擬放大問題得以解決，對撞流干燥器在一些應(yīng)用領(lǐng)域有替代傳統(tǒng)的氣流干燥器的潛力。 　


　9、紡織品的Remaflam干燥(或稱為表面燃燒干燥) 　　這是一種*新奇和富有創(chuàng)新的干燥方法。通過把燃料與將要蒸發(fā)的液體(水)混合，在控制條件下使其燃燒以提供能量，干燥可以進(jìn)行得既快速又有效。 　　此干燥器實(shí)際上是一個燃燒室(600℃)，織物的停留時間正好等于全部干燥所需時間。含34%甲醇的水溶液是滿足干燥需要的理想混合液。遺憾的是這種想法對其他產(chǎn)品不適用。若利用酒精作為燃料，一個附加的優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生污染性燃燒產(chǎn)物，對環(huán)境有利。 　


　10、聲干燥 　　70多年前，已有關(guān)于高強(qiáng)度聲場強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞的報道。前蘇聯(lián)、日本、美國等國家已經(jīng)設(shè)計(jì)、并在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模或小規(guī)模范圍內(nèi)試驗(yàn)了聲增強(qiáng)轉(zhuǎn)筒、隧道及流化床干燥，但由于聲能利用率低，還不適合于工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用。 　　一般在第一干燥速率階段，對表面水分的排出聲干燥的效果較好。由于聲發(fā)射器的效率低(約25%)，因此只對某些難干、貴重和小噸位的物料，聲干燥才值得考慮。 　　另外，將聲干燥與其他干燥方法(對流、介電等)組合使用也是可行的。如紅外與聲輻射組合使用，在干燥石棉、瓷片等材料時已顯示出優(yōu)點(diǎn)。若保持相同的*終表面溫度，在聲場(7Hz，150dB)作用下，干燥速率為單獨(dú)使用紅外干燥的3倍。