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。
一、干燥工藝
當(dāng)對濕物料進行熱力干燥時,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。
二、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(zhì)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(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,這種過程的機理因物料結(jié)構(gòu)特征而異。主要為擴散、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(nèi)部水分的擴散。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,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(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(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。在實踐中,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行的。如物料的初始濕含量相當(dāng)?shù)颓乙蠼K濕含量極低,則降速階段就很重要,干燥時間就很長??諝馑俣?、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?;⒔档颓衅穸然蛟诖┝鞲稍锲髦胁捎帽訉⒂欣诮邓俑稍镞^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)計中是極重要的。通常需經(jīng)試驗才能獲得這種干燥性能。