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干燥工藝與技術

發布時間:2019年9月16日  閱讀次數:113
 
  干燥(drying)通常是指將熱量加于濕物料并排除揮發性濕分(大多數情況下是水),而獲得一定濕含量固體產品的過程。例如干燥固體時,水分(或溶劑)從固體內部擴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  當對濕物料進行熱力干燥時,以下兩種過程相繼發生,并先后控制干燥速率。   過程1:能量(大多數情況是熱量)從周圍環境傳遞至物料表面,使表面濕分蒸發,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:內部濕分傳遞到物料表面,隨之再發生表面蒸發。物料內部濕分的遷移是物料性質、溫度和濕含量的函數,此過程稱內部條件控制過程,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。從周圍環境將熱能傳遞到濕物料的方式有對流、傳導或輻射。在某些情況下可能是這些傳熱方式聯合作用,工業干燥器在形式和設計上的差別與采用的主要傳熱方法有關。   在大多數情況下,熱量先傳到濕物料的表面然后傳人物料內部。但是介電,射頻或微波干燥時供應的能量在物料內部(有濕分處)產生熱量,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、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,即在排除非結合表面濕分時特別重要,因為物料表面的水分以蒸汽形式通過物料表面的氣膜向周圍擴散,這種傳質過程伴隨傳熱進行,故強化傳熱便可加速干燥。   但在某些情況下,應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,從內部到表面產生很大的濕度梯度,過快的表面蒸發將導致顯著的收縮,即過度干燥和過度收縮。這會在物料內部造成很高的應力,致使物料皸裂或彎曲。在這種情況下,應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質量缺陷。此處,根莖類蔬菜和水果切片如在過程1中干燥過快,會形成表面結殼導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部形成溫度梯度,使熱量從外部傳人內部,而濕分從物料內部向表面遷移,這種過程的機理因物料結構特征而異。主要為擴散、毛細管流和由于干燥過程的收縮而產生的內部壓力。在臨界濕含量出現至物料干燥到很低的*終濕含量時,內部濕分遷移成為控制因素,了解濕分的這種內部遷移是很重要的。   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行。這可使物料內部溫度較高從而造成蒸汽壓梯度使濕分擴散到表面并會同時使液體濕分遷移。   對內部條件控制的干燥過程,其過程的強化手段是有限的,在允許的情況下,減小物料的尺寸,以降低濕分(或汽體)的擴散阻力是很有效的。施加振動、脈沖、超聲波有利于內部水分的擴散。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合水或結合水。有兩種排除非結合水的方法:蒸發和汽化。當物料表面水分的蒸汽壓等于大氣壓時,發生蒸發。這種現象是在濕分的溫度升高到沸點時發生的,在轉筒干燥器中出現的即為此種現象。   如果被干燥的物料是熱敏性的,那么出現蒸發的溫度,即沸點,可由降低壓力來降低(真空干燥)。如果壓力降至三相點以下,則無液相存在,物料中的濕分被凍結,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,故濕分蒸汽壓低于大氣壓,且低于物料中的濕分對應溫度的飽和蒸汽壓。但大于空氣中的蒸汽分壓。   選擇適宜的干燥器及設計干燥器尺寸,必須了解物料對所采用干燥方法的干燥特性(干燥動力學)、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。   在實踐中,*初的原料可能具有很高的濕含量,而產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行的。如物料的初始濕含量相當低且要求*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。當擴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,使濕粉料顆粒化、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計中是極重要的。通常需經試驗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、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,即在排除非結合表面濕分時特別重要,因為物料表面的水分以蒸汽形式通過物料表面的氣膜向周圍擴散,這種傳質過程伴隨傳熱進行,故強化傳熱便可加速干燥。   但在某些情況下,應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,從內部到表面產生很大的濕度梯度,過快的表面蒸發將導致顯著的收縮,即過度干燥和過度收縮。這會在物料內部造成很高的應力,致使物料皸裂或彎曲。在這種情況下,應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質量缺陷。此處,根莖類蔬菜和水果切片如在過程1中干燥過快,會形成表面結殼導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部形成溫度梯度,使熱量從外部傳人內部,而濕分從物料內部向表面遷移,這種過程的機理因物料結構特征而異。主要為擴散、毛細管流和由于干燥過程的收縮而產生的內部壓力。在臨界濕含量出現至物料干燥到很低的*終濕含量時,內部濕分遷移成為控制因素,了解濕分的這種內部遷移是很重要的。   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行。這可使物料內部溫度較高從而造成蒸汽壓梯度使濕分擴散到表面并會同時使液體濕分遷移。   對內部條件控制的干燥過程,其過程的強化手段是有限的,在允許的情況下,減小物料的尺寸,以降低濕分(或汽體)的擴散阻力是很有效的。施加振動、脈沖、超聲波有利于內部水分的擴散。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合水或結合水。有兩種排除非結合水的方法:蒸發和汽化。當物料表面水分的蒸汽壓等于大氣壓時,發生蒸發。這種現象是在濕分的溫度升高到沸點時發生的,在轉筒干燥器中出現的即為此種現象。   如果被干燥的物料是熱敏性的,那么出現蒸發的溫度,即沸點,可由降低壓力來降低(真空干燥)。如果壓力降至三相點以下,則無液相存在,物料中的濕分被凍結,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,故濕分蒸汽壓低于大氣壓,且低于物料中的濕分對應溫度的飽和蒸汽壓。但大于空氣中的蒸汽分壓。   選擇適宜的干燥器及設計干燥器尺寸,必須了解物料對所采用干燥方法的干燥特性(干燥動力學)、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。   在實踐中,*初的原料可能具有很高的濕含量,而產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行的。如物料的初始濕含量相當低且要求*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。當擴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,使濕粉料顆粒化、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計中是極重要的。通常需經試驗才能獲得這種干燥性能。 常見的干燥技術  1、機械脫水   為了減少干燥器的熱負荷,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、煤礦或油砂的殘渣,因為其中含有小顆粒(<5μm),所以對其進行脫水處理很困難。近年來,下列新過程的發展很成功,是“技術推動”和“市場牽引”的結果。   電滲析脫水(EOD)一一直流電場運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現周期性斷電。這個過程理論上較連續式操作有效。   真空過濾與電滲析脫水的聯合使用——可連續或間斷性操作。   組合場能脫水——電滲析脫水與超聲場組合。   輔以振動的微濾——優于錯流過濾。   雖然上面的一些新想法已成功地付諸于商業化應用,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干燥操作相結合,類似于傳統的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,對于醫藥工業,尤其具有吸引力。新型脫水技術可與干燥結合,使之產生總體效益。  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、連續網狀和片狀物料。不能自身達到流化的大塊物料可以在惰性小顆粒流化床中進行干燥。   一次只讓床層的某些部分流化(如所謂的脈沖流化床),可以節約能耗。在間歇式流化床干燥器中可通過調節熱量輸入來保持床層顆粒物料溫度恒定;此控制方法不但節能,而且還可提高熱敏性產品的質量。建立在模糊邏輯控制基礎上的此類干燥器已經進入市場。  3、噴動床干燥器(SBD)   這種干燥器實質上是流化床的改型,適宜于干燥屬于Geldart分類“D”組的大顆粒物料(如谷粒、豆類等),它們的特點是具有內部循環運動和在頂層自由表面的噴動(或稱噴泉)。顆粒的運動較在流化床中的混亂(或隨機)運動更有規律。   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。利用內部通氣管、二維設計或一種機械噴動作用,有可能消除或降低傳統的軸對稱噴動床干燥器的一些弱點。這些很簡單的裝置目前尚未被完全開發利用。   值得注意的是,對于主要由內部熱質傳遞控制的顆粒(如谷粒)采用間歇噴動或對噴動的熱空氣進行間歇加熱的方法可以顯著節省能量,并提高產品質量。這一結果已在旋轉噴管(移動)式噴動床中得以實現。   4、沖擊流于燥器(IJ)   沖擊流干燥器是對流熱質傳遞到表面的*好結構。為達到*優化設計,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、薄板等廣泛的工業領域——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。   為了進一步提高干燥速度,尋找可提高傳統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,使噴射出的氣流產生振蕩和旋流,即所謂的SOJIN(自振蕩式噴嘴,由得克薩斯農業和機械大學干燥研究中心Page教授研制),它能顯著提高傳熱速率。雖然這是“技術推動”導致的真正革新成果,但迄今為止在干燥方面的應用還未見報道。   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),現代楊克式干燥器可高至150kg/(m2·h)。像新聞紙機,需要直徑為1.6m的60個蒸汽加熱烘缸,且蒸發1kg水需要1.5kg的蒸汽,因此其占用空間及投資費用相當大。這就需要開始新型高強度干燥系統。但在需要一種改進的紙干燥技術以取代有一個世紀之久的多級烘缸干燥器時,卻沒有發現適當的替代干燥器。   由芬蘭Jampella-Valme公司的Lehtinen研制的冷凝帶式干燥器,即濕紙網放置在兩條柔軟透氣的鋼帶(一條被加熱,而另一條被冷卻)之間承受連續的壓力作用,*終達到干燥要求。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用。   因為紙機具有投資巨大的特性,很難在大型紙機中引入全套的新型干燥技術。在初始階段,工廠規模的實驗通常都是在小型紙機上進行的,一旦推廣應用取得成功。其潛在利益是巨大的。引進新技術的窘境在于風險很大,沒人愿意第一個試用它。   6、轉筒干燥器   *近,日本東京的Yamato Sankyo制造公司為一個簡單設計的轉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圓筒殼壁的料層上,它不僅熱質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、過熱蒸汽干燥器   雖然以過熱蒸汽代替熱空氣或燃氣作為干燥介質的想法已經有100多年的歷史,而且它的一些應用也有60年的歷史了(例如在德國進行煤的干燥),但過熱蒸汽干燥器在市場上的大規模應用卻只有30年左右。   市場上主要應用為: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)。   其他幾種應用在小規模實驗上已獲成功,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(或對流)干燥器均可轉化為使用過熱蒸汽作為干燥介質。   蒸汽干燥的優點眾所周知,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)、產品具有更好的質量等。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模生產;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)迎面碰撞產生的對撞區可獲得很高的傳熱、傳質速率。在這個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。經幾段對撞區后,物料可達到所需的*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行了分類。   前蘇聯在這方面做了大量的工作(如干燥賴氨酸、排水污泥、藥物及微生物產品等),但在世界其他地方仍沒有工業化對撞流干燥器的應用者。一旦模擬放大問題得以解決,對撞流干燥器在一些應用領域有替代傳統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*新奇和富有創新的干燥方法。通過把燃料與將要蒸發的液體(水)混合,在控制條件下使其燃燒以提供能量,干燥可以進行得既快速又有效。   此干燥器實際上是一個燃燒室(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品不適用。若利用酒精作為燃料,一個附加的優點是不產生污染性燃燒產物,對環境有利。   10、聲干燥   70多年前,已有關于高強度聲場強化熱質傳遞的報道。前蘇聯、日本、美國等國家已經設計、并在實驗室規模或小規模范圍內試驗了聲增強轉筒、隧道及流化床干燥,但由于聲能利用率低,還不適合于工業規模的應用。   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點。若保持相同的*終表面溫度,在聲場(7Hz,150dB)作用下,干燥速率為單獨使用紅外干燥的3倍。
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