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干燥工艺的原理

信息来源: | 发布日期: 2012-05-02 | 浏览量:
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      干燥是很多行业生产流程中重要的和不可少的一个环节,干燥设备的选型合理和使用好坏直接影响到产品质量、生产效率、生产成本、能源消耗、人员劳动强度等指标,由于干燥方法和干燥设备多种多样,同一种物料有多种干燥方式,可使用多种类型的干燥设备,同一种干燥设备又能干燥多种物料,因此,干燥设备的合理选型和正确使用是非常正要的。为了便于用户选择一种理想的干燥设备,在此对一些相关问题作个简要说明。
     一、干燥方法 干燥就是从各种物料中去除湿分的过程,各种物料可以是固体、液体或气体,固体又可分大块料、纤维料、颗粒料、细粉料等等,而湿分一般是物料中的水分,也可以是其它溶剂。在此以水分为对象。干燥方法有三类:      
    (1)机械脱水法 机械脱水法就是通过对物料加压的方式,将其中一部分水分挤出。常用的有压榨、沉降、过滤、离心分离等方法。机械脱水法只能除去物料中部分自由水分,结合水分仍残留在物料中,因此,物料经机械脱水后物料含水率仍然很高,一般为40~60%。但机械脱水法是一种最经济的方法。 
    (2)加热干燥法 也就是我们常说的干燥,它利用热能加热物料,气化物料中的水分。除去物料中的水分需要消耗一定的热能。通常是利用空气来干燥物料,空气预先被加热送入干燥器,将热量传递给物料,气化物料中的水分,形成水蒸汽,并随空气带出干燥器。物料经过加热干燥,能够除去物料中的结合水分,达到产品或原料所要求的含水率。(3) 化学除湿法 是利用吸湿剂除去气体、液体、固体物料中的少量水分,由于吸湿剂的除湿能力有限,仅用于除去物料中的微量水分。因此生产中应用很少。在实际生产过程中,对于高湿物料一般均尽可能先用机械脱水法去除大量的自由水分,之后再采取其它干燥方式进行干燥。
     二、物料与水分的结合方式 根据物料中所含水分去除的难易程度分为下列两种: 
    (1)、非结合水分:非结合水分包括存在于物料表面的润湿水、孔隙水等物料与水分直接接触时,被物料吸收的水分。由于与物料的结合强度小,故易于去除。 
    (2)、结合水分:包括物料细胞或纤维管璧及毛细管中所含的水分。这种水分又可细分为化学结合水、物理化学结合水和机械结合水。其中,化学结合水主要包括结晶水,结合强度大,故难以去除,脱去结晶水的过程不属于干燥过程;物理化学结合水包括吸附、渗透和结构的水分,吸附水与物料的结合最强,水分既可被物料的外表面吸附,也可吸附于物料的内部表面,在吸附水分结合时有热量放出,脱去时则需吸收热量,渗透水分与物料的结合是由于物料组织壁的内外溶解物的浓度有差异而产生的渗透压所造成,结合强度相对弱小,结构水分存在于物料组织内部,在胶体形成时将水结合在内,此类水分的离解可由蒸发、外压或组织的破坏;机械结合水分包括有毛细管水分等,毛细管水分存在于纤维或微小颗粒成团的湿物料中,它与物料的结合强度较弱。含结合水分的物料称为吸水物料,如:木材、粮食、皮革、纤维及其织物、纸张、合成树脂颗粒等。仅含有非结合水分的物料,称为非吸水性物料,如铸造用型砂、各种结晶颗粒等。就干燥的难易来说,非吸水性物料要比吸水性物料容易干燥得多。物料的结晶水为化学结合水,干燥过程一般是不能去除结晶水的。不同结构的水分的结合能大约为100~3000J/mol。物料和水分的不同结合形式,使排除水分耗费的能量不同,这就说明干燥所需要的热能也不一样。根据物料在一定的干燥条件下,其水分能否用干燥方法除处可分为平衡水分和自由水分。在生活中,常会遇到一些物料在湿度较大的空气中"返潮"的现象,而这些返潮的物料在干空气中又会回复其"干燥"状态。不管"返潮"或"干燥"过程,进行到一定限度后,物料中的含水量必将趋于一定值,此值即称为在此空气状态下的平衡水分。物料中所含的大于平衡水分的那一部水分,可以在干燥过程中从湿物料中去除,称之自由水分。
     三、湿物料的干燥过程 1、湿物料的干燥过程 干燥的条件为干燥介质(通常为热空气)的流动速度、湿度和温度。当热空气从湿物料表面稳定地流过时,由于空气的温度高,物料的温度低,因此空气与物料之间存在着传热推动力,空气以对流的方式把热量传递给物料,物料接受了这项热量,用来气化其中的水分,并不断地被气流带走,而物料的湿含量不断下降。当物料的湿含量下降到平衡水分时,干燥过程结束。物料干燥过程中,存在着传热和传质两个相互的过程,所谓传热就是热空气将热量传递给物料,用于气化其中的水分并加热物料,传质就是物料中的水分蒸发并迁移到热空气中,使物料水分逐渐降低,得到干燥。
     2、干燥过程的特点 在干燥过程中,由于物料总是具有一定的几何尺寸大小,即使是很细的粉料,从微观也可看成是有一定尺寸的颗粒,实际上上述传热传质过程在热气流与物料颗粒之间和物料颗粒内部的机理是不相同的,在干燥理论上就将传热传质过程分为热气流与物料表面的传热传质过程和物料内部的传热传质过程。由于这两种过程的不同而影响了物料的干燥过程,两者在不同干燥阶段起着不同的主导和约束作用,这就导致了一般湿物料干燥时前一阶段总是以较快且稳定的速度进行,而后一阶段则是以越来越慢的速度进行,所以我们就将干燥过程分为等速干燥阶段和降速干燥阶段。 
    (1)等速干燥阶段 在等速干燥段内,物料内部水分扩散至表面的速度,可以使物料表面保持着充分的湿润,即表面的湿含量大于干燥介质的最大吸湿能力,所以干燥速度取决于表面气化速度。换句话说,等速段是受气化控制的阶段。由于干燥条件(气流温度、湿度、速度)基本保持不变,所以干燥脱水速度也基本一致,故称为等速干燥阶段,此一阶段热气流与物料表面之间的传热传质过程起着主导作用。因此,提高气流速度和温度,降低空气湿度就都有利于提高等速阶段的干燥速度。等速阶段物料吸收的热量几乎全部都用于蒸发水分,物料很少升温,故热效率很高。可以说等速段内的脱水是较容易的,所去除的水分,纯属非结合水分。 
    (2)降速干燥阶段 随着物料的水分含量不断降低,物料内部水分的迁移速度小于物料表面的气化速度,干燥过程受物料内部传热传质作用的制约,干燥的速度越来越慢,此阶段称为降速干燥阶段,有以下几个特点:降速段的干燥速率与物料的湿含量有关,湿含量越低,干燥速率越小。这是与等速段不同的第一个特点; 降速段的干燥速率与物料的厚度或直径很有关系,厚度越厚,干燥速率越小。这是第二个特点;当降速阶段开始以后,由于干燥速率逐渐减小,空气传给物料的热量,除作为气化水分用之外,尚有一部分将使物料的温度升高,直至最后接近于空气的温度。这是第三个特点; 降速段的水分在物料内部进行气化,然后以蒸汽的形态扩散至表面,所以降速阶段的干燥速率完全取决于水分和蒸汽在物料内部的扩散速度。因此也把降速段称作内部扩散控制阶段。这是第四个特点。在降速阶段,提高干燥速度的关键不再是改善干燥介质的条件,而是提高物料内部湿份扩散速度的问题。提高物料的温度,减小物料的厚度都是很有效的办法。这是第五个特点。 相对等速干燥阶段,降速段的干燥脱水要困难得多,能耗也要高得多。所以为了提高干燥速度,降低能耗,保证产品品质,在生产工艺允许的情况下,应尽可能采取打散、破碎、切短等方法减小物料的几何尺寸,以有利于干燥过程的进行。 四、干燥设备选型前需要确定的条件由于干燥过程中湿物料的种类很多,干燥特性又差别很大,所以需要不同类型的干燥方法和设备。这样就带来了干燥方法和设备的选型问题。如果选择不当,就必然会带来设备投资过大,或操作费用上升,或产品质量不符合要求,在极端情况下乃至不能操作运行。所以,必须对选型问题给予足够的重视。
     1、 物料性能及干燥特性 (1) 物料的形态 大至成型的木材、陶瓷制品以及片状、纤维状、颗粒状、细粉状直至膏糊状和液体物料,都是工业上需要干燥的物料。故选择干燥机应首先依据物料的形态。(2)物料的各种物理特性 包括密度、堆密度、粒径分布、热容以及物料的粘附性能等。粘附性能的高低,对进出料和某些形式的干燥机的工作有很大的影响,粘附严重时干燥过程无法进行。(3)物料在干燥过程中的特性 包括受热的热敏性,有些物料在受热后会变色和分解变质。另外,干燥过程中物料的收缩将使成型制品开裂或变形,从而使产品品质降低甚至报废。(4)物料与水分结合的状态 它决定了干燥的难易程度、能量消耗水平和在干燥机内所需停留时间的长短,这与选型有很大的关系。例如,对难干燥的物料主要是给予较长的停留时间,而不是强化干燥的外部条件。 
    2、 对干燥产品的要求 (1) 对干燥产品形态的要求在某些情况下这一点显得特别重要。如在食品干燥中,对产品几何形状的要求是能否使产品含水率达到干燥要求的关键。再如象洗衣粉、染料等为利于速溶并避免粉尘飞扬,选择干燥机时必须应用喷雾造粒装置。(2) 对干燥均匀性的要求 (3) 对产品的卫生的要求 (4) 对产品的一些特殊要求 如对咖啡、香菇、蔬菜等物料的干燥,要求产品能保持其特有的香味,故不能采用高风温的快速干燥。 3、 湿物料含水量的波动情况及干燥前的脱水 进入干燥机的物料含水率应尽可能避免较大的波动,若含水量变大,将使干燥机产量下降或干燥产品达不到含水率要求,若含水率变小,则出口排气温度上升,产品过度干燥,不单会使干燥机热效率下降,有时还会使产品温度上升,从而影响产品质量。对于高湿物料(含水率60%以上),在干燥前应尽可能应用机械脱水(压滤、离心脱水等)给予预脱水。机械脱水的设备费用虽较高,但其操作费用之低廉是热风干燥无法相比的。 
    五、 干燥机选用需注意的问题 干燥机选择一般会涉及这样几个问题:
     1、 物料形态 干燥设备选型主要是根据被干燥物料的形态来确定,物料形态不仅决定其干燥方式,同时对干燥机的干燥效率、干燥质量、干燥均匀性及进、出料装置等都有很大的影响,所以如工艺允许,对被干燥的物料应尽可能采取粉碎、筛分、切短等预处理。因此干燥设备不仅仅是一个选型的问题,还应该制定科学的干燥工艺,才能达到满意的效果。
    2、 影响干燥机生产能力的因素 由于同种干燥方法,干燥脱水一公斤所消耗的热能基本一致,而干燥机所配套热源(热风炉、蒸汽散热器等)容量也是一定的,因此干燥机的主要技术指标--干燥能力往往以每小时的脱水量(或最大脱水量)为依据。此指标是在一定条件下测定的,如湿物料种类、初始含水率、最终含水率、热风温度、环境温湿度等。
    其中只要有一个条件发生变化,对干燥机生产能力就都有影响,有时影响还较大。下面分别说明。(1) 湿物料种类 湿物料种类这里是指物料与水分的结合形式。湿物料可以分为①毛细管多孔物料,水分主要靠毛细管力而结合在物料中,如砂子、二氧化硅、活性炭、素烧陶瓷等,水分与物料的结合强度较小,干燥较容易;②胶体物料,水分与物料的渗透结合形式占主导地位,如胶、面粉团等,这种物料一般表现粘度大,水分与物料的结合强度较大,干燥较困难;③毛细管多孔胶体物料,则具有以上两类物质的性质,如泥煤、粘土、木材、织物、谷物、皮革等这类物料种类最多,但此类物料之间的水分结合形式也有差别,决定了在同等条件下脱水的难易也不相同。物料的形态对干燥也有很大的影响,如颗粒物料,颗粒大比颗粒小难干燥,而大块料,厚度小比厚度大容易干燥。 
    (2)湿物料含水率 含水率(湿含量)是水分在湿物料总重中所占的百分率。
     W×100 W×100 m = ———————— = ———————— (%) G Go+W 式中:W--水分重量; G--湿物料重量; G0--绝干物料重量。 初始含水率是指进入干燥机之前湿物料的含水量,通常是湿物料只要能在干燥机内工作,初始含水率越高,干燥机所表现出来的脱水能力就发挥得越充分。反过来说,初始含水率越高,最终含水率一定时,干燥机越能达到最大脱水能力,但出干料量反而下降。例如:某台干燥机设计脱水能力为100kg/h,当初始含水率为40%左右时,干料产量为200 kg/h。假定干燥脱水能力保持100kg/h和干料含水率12%不变,根据:干燥前湿物料中绝干物质重量=干燥后干物料中绝干物质重量,可计算出不同湿物料含水率情况下的相应干燥产量,列表如下:干燥脱水能力初始含水率干料含水率湿物料产量干料产量 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 说明:上表为某干燥机干燥脱水能力为100 kg/h时,在不同初始含水率情况下的干料产量从上表可以看出,湿料含水率增加,干燥机干燥能力(脱水能力)保持不变时,实际生产干料产量会相应下降很多,这是干燥机选型和使用时应特别注意的。 (3)最终含水率 一般干燥后段均处于降速干燥阶段,要求最终含水率越低,干燥难度就越大,所需干燥时间越长、热效率也越低,因此也影响产量。 (4) 热风温度 热风温度或称干燥介质温度,是干燥中最敏感的一个条件。热风温度越高,则所含热能越多,同时热风的相对湿度也越低,吸收水分、携带水分的能力也越强,非常有利于干燥,而且干燥热效率也很高。在许多干燥设备中,当其它条件不变,干燥机的脱水能力基本与热风温度的变化成正比。在选择干燥设备时,一定要对破坏物料的极限温度有充分的数据,在物料允许的情况下,尽量选择高温介质。特别应注意的是,许多种干燥方法,特别是快速干燥,干燥后的物料温度大大低于干燥介质温度,例如气流干燥机热风温度虽然高达250℃以上,而出料温度一般均在60℃以下。 (5) 环境温湿度 这里主要是指天气的变化对干燥的影响,一般干燥机都是以大气加热作干燥介质的,大气的温度越高,湿度越低,就越有利于干燥,而南方春夏季,天雨潮湿,空气湿度很大,就不利于干燥机能力的发挥,影响产量。我国幅员辽阔,南北方空气湿度相差很大。在南方某些地方,冬季的湿度仅为0.008 kg水/kg绝干空气,而到春夏季,其大气湿度却高达0.025 kg水/kg绝干空气,是前者的三倍多,因此,在较低排气温度(<90℃)下操作的热风干燥,在春夏季时大气湿度增高,其干燥速率必然下降,而所需的时间将上升。由于大气湿度的增高,物料的平衡水含量亦必然上升,这些因素均将使干燥产量下降,在某些情况下会使产量下降50%以上。 3、热源的选择 作为干燥设备配套的热源设备很多,通常是按消耗的燃料来分类,有燃煤、燃油、燃气、电力等,按换热情况又可分为干燥介质直接加热和间接加热。譬如锅炉加热水形成水蒸汽,水蒸汽再通过散热器加热干燥介质,这就是两次间接加热,这种方式总的热效率很低,仅40%左右,在某些工厂生产中有多处用热点,为便于集中供热和管理,采用较多。燃煤热风炉有间接加热的和直接用燃烧烟气作干燥介质的(直火炉),间接加热的热空气清洁干净,热效率60~70%。而直接加热的因受烟尘的污染而影响产品质量,但热能利用很充分,热效率很高,对干燥时物料中混入少量烟尘而无影响时,可优先采用。油燃烧器目前也使用越来越多,具有操作简便、升温迅速、温度稳定、控制方便的优点,且使用成本较低。热源选择合理与否影响很大,涉及到设备的投资费用、热风温度、物料的干燥质量、干燥成本、环境保护、人员劳动强度、自动控制水平等。 4、关于干燥设备的保温 干燥设备的保温投入的费用不高,但干燥机的热效率一般可以提高10-30%,所以应引起足够的重视。 排出物料的回收 所有的干燥设备都有排湿口,特别是采用热风干燥方式,排湿口或多或少总会夹带一些超细粉末物料。对一些价值较高或排放量有限制的物质,物料的回收显得格外重要。物料的回收有专门的装置,在干燥系统中,对干燥机的工作参数有影响,在设备选型时要一并考虑。干燥设备选型前的计算 
    (1)、 物料含水率 W×100 W×100 m = —————— = —————— (%) G Go+W 式中:W--水分重量,kg; G--湿物料重量,kg; Go--绝干物料重量,kg。(2)、 干燥脱水量 不计干燥中物料的损耗(一般仅有尾气中带有很微量的超细粉末,可以忽略不计),则: 干燥前湿物料中绝干物质重量=干燥后干物料中绝干物质重量,即: G1×(1-m1)= G2×(1-m2) 式中:G1--湿物料产量,kg/h; G2--干燥后物料产量,kg/h; m1--湿物料含水率; m2--干燥后物料含水率; 上式中,G2、m1、m2均为已知,可计算得出G1,那么: 干燥脱水量 W0 = G1 - G2 (kg/h) 前面已介绍,干燥机的生产能力受物料种类、形状、初始含水率变动、热风温度、环境空气温湿度等很多因素的影响,为了确保干燥生产能力稳定正常,一般应该将计算的干燥脱水量放大20~30%来进行干燥机选型,即: 选用干燥机脱水量 =W0 (计算干燥脱水量)× ( 1.2 ~ 1.3 ) 否则,因受前述因素的影响,就可能造成有时生产能力达不到预计的产量,而影响全生产线的正常生产。 干燥设备选型时,首先应按湿物料的形态对干燥机机型进行初选,而后根据处理量的大小计算出所需小时脱水量并放大20~30%来确定干燥机脱水量,另外还须考虑自身生产条件、投资大小、工人素质、卫生要求等,选择操作方式(连续或间接)、热源(蒸汽散热器、热风炉、油燃烧等)、设备材质(普通碳钢、铝材、不锈钢)等。
 
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