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干燥器

干燥器 [1] 是指一种通过加热使物料中的湿分(一般指水分或其他可挥发性液体成分)汽化逸出,以获得规定湿含量的固体物料的机械设备,是一种实现物料干燥过程的机械设备。

近代干燥器开始使用的是间歇操作的固定床式干燥器。19世纪中叶,洞道式干燥器的使用,标志着干燥器由间歇操作向连续操作方向的发展。大多数工业产品均在某个生产阶段需要干燥处理,物料需要有特定的湿含量以便加工、成型或造粒 。干燥器可按操作过程、操作压力、加热方式湿物料运动方式或结构等不同特征分类。

远古以来,人类就习惯于用天然热源和自然通风来干燥物料,完全受自然条件制约,生产能力低下。随生产的发展,它们逐渐为人工可控制的热源和机械通风除湿手段所代替。

近代干燥器开始使用的是间歇操作的固定床式干燥器。19世纪中叶,洞道式干燥器的使用,标志着干燥器由间歇操作向连续操作方向的发展。回转圆筒干燥器则较好地实现了颗粒物料的搅动,干燥能力和强度得以提高。一些行业则分别发展了适应本行业要求的连续操作干燥器,如纺织、造纸行业的滚筒干燥器。

20世纪初期,乳品生产开始应用喷雾干燥器,为大规模干燥液态物料提供了有力的工具。40年代开始,随着流化技术的发展,高强度、高生产率的沸腾床和气流式干燥器相继出现。而冷冻升华、辐射和介电式干燥器则为满足特殊要求提供了新的手段。60年代开始发展了远红外和微波干燥器。

被干燥物料的特点

形状 [2] :有板状、块状、片状、针状、纤维状、粒状、粉 状,膏糊状甚至液状等

结构:多孔疏松型,紧密型

耐热性:热敏性

结块:易粘结成块的湿物料在干燥过程中能逐步分散,散粒性很好的湿物料在干燥过程中可能会严重结块

对产品的要求

干燥程度:脱除表面水分,结合水分甚至结晶水分。要求的平均湿含量和干燥均匀性。对粉尘及产品的回收要求,允许的最高干燥温度。

外观:产品的粒度分布,一定的晶型和光泽,不开裂变形等。

干燥时间: 几秒 几小时 几天

干燥器的选型

干燥器的选型应考虑以下因素:

(1) 保证物料的干燥质量,干燥均匀,不发生变质,保持晶形完整,不发生龟裂变形;

(2) 干燥速率快,干燥时间短,单位体积干燥器汽化水分量大,能做到小设备大生产;

(3) 能量消耗低,热效率高,动力消耗低;

(4) 干燥工艺简单,设备投资小,操作稳定,控制灵活,劳动条件好,污染环境小。

干燥器可按操作过程、操作压力、加热方式湿物料运动方式或结构等不同特征分类。

按操作过程分类

按操作过程,干燥器分为间歇式(分批操作)和连续式两类。

按操作压力分类

按操作压力,干燥器分为常压干燥器和真空干燥器两类,在真空下操作可降低空间的湿分蒸汽分压而加速干燥过程,且可降低湿分沸点和物料干燥温度,蒸汽不易外泄,所以,真空干燥器适用于干燥热敏性、易氧化、易爆和有毒物料以及湿分蒸汽需要回收的场合。

按加热方式分类

按加热方式,干燥器分为对流式、传导式、辐射式、介电式等类型。对流式干燥器又称直接干燥器,是利用热的干燥介质与湿物料直接接触,以对流方式传递热量,并将生成的蒸汽带走;传导式干燥器又称间接式干燥器,它利用传导方式由热源通过金属间壁向湿物料传递热量,生成的湿分蒸汽可用减压抽吸、通入少量吹扫气或在单独设置的低温冷凝器表面冷凝等方法移去。这类干燥器不使用干燥介质,热效率较高,产品不受污染,但干燥能力受金属壁传热面积的限制,结构也较复杂,常在真空下操作;辐射式干燥器是利用各种辐射器发射出一定波长范围的电磁波,被湿物料表面有选择地吸收后转变为热量进行干燥;介电式干燥器是利用高频电场作用,使湿物料内部发生热效应进行干燥。

按湿物料的运动方式分类

按湿物料的运动方式,干燥器可分为固定床式、搅动式、喷雾式和组合式;按结构,干燥器可分为厢式干燥器、输送机式干燥器、滚筒式干燥器、立式干燥器、机械搅拌式干燥器、回转式干燥器、流化床式干燥器、气流式干燥器、振动式干燥器、喷雾式干燥器以及组合式干燥器等多种。

根据供热方式分类

对湿物料进行干燥的设备。各种生产过程需经干燥处理的物料是多种多样的,对干燥的要求也各不相同,因此干燥器种类繁多,根据供热方式,有以下四类:

1 对流干燥器

应用最广的一类干燥器,包括流化干燥器、气流干燥器、厢式干燥器、喷雾干燥器、隧道式干燥器等。此类干燥器的主要特点是:①热气流和固体直接接触,热量以对流传热方式由热气流传给湿固体,所产生的水汽由气流带走;②热气流温度可提高到普通金属材料所能耐受的最高温度(约730℃),在高温下辐射传热将成为主要的传热方式,并可达到很高的热量利用率;③气流的湿度对干燥速率和产品的最终含水量有影响;④使用低温气流时,通常需对气流先作减湿处理;⑤汽化单位质量水分的能耗较传导式干燥器高,最终产品含水量较低时尤甚;⑥需要大量热气流以保证水分汽化所需的热量,如果被干燥物料的粒径很小,则除尘装置庞大而耗资较多;⑦宜在接近常压条件下操作。

2 传导干燥器

包括螺旋输送干燥器、滚筒干燥器、真空耙式干燥器、冷冻干燥器等,这一类干燥器的主要特点是:①热量通过器壁(通常是金属壁),以热传导方式传给湿物料;②物料的表面温度可以从低于冰点(冷冻干燥时)到330℃;③便于在减压和惰性气氛下操作,挥发的溶剂可回收。常用于易氧化、易分解物料的干燥,亦适用于处理粉状物料。

3 辐射干燥器

通过辐射传热,将湿物料加热进行干燥。电加热辐射干燥器用红外线灯泡照射被干燥物料,使物料温度升高而干燥。煤气加热干燥器则燃烧煤气将金属或陶瓷辐射板加热到400~500℃,使之产生红外线,用以加热被干燥的物料。辐射干燥器生产强度大,设备紧凑,使用灵活,但能量消耗较大。适用于干燥表面大而薄的物料,如塑料、布匹、木材、涂漆制品等。

4 介电干燥器

将被干燥物料置于高频电场内,利用高频电场的交变作用将物体加热进行干燥。这种加热的特点是物料中含水量越高的部位,获得的热量越多。由于物料内部的含水量比表面高,因此物料内部获得的能量较多,物料内部温度高于表面温度,从而使温度梯度和水分扩散方向一致,可以加快水的汽化,缩短干燥时间,这种干燥器特别适用于干燥过程中容易结壳以及内部的水分难以去尽的物料(如皮革)。介电加热干燥的电能消耗很大,目前主要应用于食品及轻工生产。进行干燥器的设计计算,首先必须选择合适的干燥器类型。目前干燥器的选型还带有很大的经验性,主要应当考虑以下几个方面:①物料和产品的特点,例如物料的形态(如浆状、糊状、粉末、块粒、薄片等),固体颗粒的粒度和强度,初始含水量和水分的存在形式,物料是否有毒、易燃、易氧化,产品要求的最终含水量,产品是否允许稍有污染,形体是否允许稍有改变,产品的最高允许温度和产品的价格等。②与生产过程有关的条件,例如处理的物料量,干燥的前处理与后处理情况,挥发的溶剂,是否回收等。③干燥器的操作性能和经济指标。经过上述几方面的综合考虑,对各类干燥器进行比较筛选后,一般只剩下为数不多的几种干燥器,然后进行小试,寻找最适宜的操作参数及结构参数,最后根据设备价格和小试情况,决定采用何种干燥器。

小型的称为烘箱,大型的称为烘房 [3]

在常压或真空下间歇操作热风通过湿物料表面,达到干燥的目的。

常用废气部分循环法。 多层长方形浅盘叠置在框架上,湿物料在浅盘中厚度常为10-100mm。

优点:对物料适应性强, 适用于小规模多品种、干燥条件变动大的场合。

缺点:热效率较低,产品质量不易均匀。

热风的速度、风机的风量:加大热风的速度可提高传热系数α,但风速应小于物料带出速度。

转筒干燥器 [2] (回转式干燥器,Rotary dryer)

主体是沿轴向装有若干抄板的略带倾斜并能回转的圆筒。

优点:①生产能力大,可连续操作;②结构简单,操作方便;③故障少,维修费用低;④适用范围广(如滤饼干燥);⑤操作弹性大;⑥清扫容易 。

缺点:①设备庞大;②安装、拆卸困难;③热容量系数小,热效率低;④物料在干燥器内停留时间长,且物料颗粒之间的停留时间差异较大。

采用雾化器将稀的料液分散为雾滴,在热气流(空气、氮气或过热水蒸气)中自由沉降并迅速蒸发,最后被干燥为固体颗粒与气流分离。雾滴直径为10~ 60um,每升溶液具有100~600m2的蒸发面积。干燥时间一般为3~ 10 S [4]

优点: 物料停留时间短,适于热敏性物料;所得产品为空心颗粒,操作稳定;能连续、自动化生产;由料液直接获得粉末产品,省去了蒸发、结晶、分离和粉碎操作。

缺点:传热系数低;设备体积庞大;操作弹性较小,热利用率低、能耗大。

喷嘴:离心喷雾器(圆周速度90~160m/s) 、压力喷雾器、气流喷雾器(压缩空气或蒸汽 ≥300m/s) 。

使热介质和待干燥固体颗粒直接接触,并使待干燥固颗粒悬浮于流体中,因而两相接触面积大,强化了传热传质过程,广泛应用于散状物料的干燥。是固体流态化中稀相输送在干燥方面的应用 [5]

优点:

(1) 干燥速度快,主要用于干燥晶体和小颗粒,物料分散悬浮在气流中,传热传质面积大。热气体进口速度高(10-40m/s),气固两相间(尤其是加速段)相对速度很大,平均传热系数比其它类型干燥器高几倍至几十倍,体积小

(2) 气固并流操作,符合干燥基本规律,可使用高温气体作为干燥介质而不会烧坏物料。一根 10m 长的气流管,80-的水分量是在长约 2m 左右的加速段汽化干燥的。

(3) 干燥时间短(秒级),整个干燥过程不超过2秒,特别适合热敏性、易氧化、不宜粉碎的物料的干燥,

(4) 产品的湿含量均匀一致。

(5) 结构简单,设备投资少,占地面积小,操作方便,性能稳定,维修量小。

流化床干燥,是流态化技术在干燥作业上的应用 [6]

特点:

(1)颗粒的停留时间比气流干燥器内长,颗粒在干燥器内的停留时间可任意调节。

(2)操作气速低,磨损轻,压降小

(3)适宜处理粒径6-30mm粉状料。设备紧凑。

单层流化床干燥器的缺点: 物料在流化床中停留时间分布不均匀,所以干燥后得到的产品湿度不均匀。

选择注意事项

(1)在处理液态物料时,所选择的设备通常限于喷雾干燥器、转鼓干燥器和搅拌间歇真空干燥器 [1]

(2)在溶剂回收、易燃、有致毒危险或需要限制温度时,真空操作更可取。

(3)对于吸湿性物料或临界含水量高的难于干燥的物料,应选择干燥时间长的干燥器,而临界含水量低的易于干燥的物料及对温度比较敏感的热敏性物料,则可选用干燥时间短的干燥器,如气流干燥器、喷雾干燥器。

(4)处理量小,宜选用厢式干燥器等间歇操作的干燥器,处理量大的,连续干燥器更适宜些。

干燥器选择步骤

首先是根据湿物料的形态、干燥特性、产品的要求、处理量和以及所采用的热源为出发点,进行干燥实验。 确定干燥动力学和传递特性,确定干燥设备的工艺尺寸。

结合环境要求,选择出适宜的干燥器型式。

若几种干燥器同时适用时,要进行成本核算及方案比较,选择其中最佳者。

干燥温度,热量是打开水分子和吸湿聚合物之间合力的关键。当高于某一温度时,水分子和聚合物链间的引力会大大降低,水汽就被干燥的空气带走 [7]

在干燥器中,首先除去湿空气,使之含有很低的残留水分(露点)。然后,通过加热空气来降低它的相对湿度。这时,干空气的蒸汽压力较低。通过加热,颗粒内部的水分子摆脱了键合力束缚,向颗粒周围的空气扩散。

在颗粒周围的空气中,热量的吸收和水分子向颗粒表面扩散需要一定的时间。因此,树脂供应商应详细说明一种物料在适当的温度和露点下得到有效干燥所必须花费的时间。

干燥的热空气将热量传递给干燥料仓中的颗粒,除去颗粒表面的湿气,然后把湿气送回干燥器里。因此,必须有足够的气流将树脂加热到干燥温度,并且将这个温度维持一定的时间。

(1)干燥剂不可放得太多,以免沾污坩埚底部。

(2)搬移干燥器时,要用双手拿着,用大拇指紧紧按住盖子。

(3)打开干燥器时,不能往上掀盖,应用左手按住干燥器,右手小心地把盖子稍微推开,等冷空气徐徐进入后,才能完全推开,盖子必须仰放在桌子上。

(4)不可将太热的物体放入干燥器中。

(5)有时较热的物体放入干燥器中后,空气受热膨胀会把盖子顶起来,为了防止盖子被打翻,应当用手按住,不时把盖子稍微推开。

(6)灼烧或烘干后的坩埚和沉淀,在干燥器内不宜放置过久,否则会因吸收一些水分而使质量略有增加。

(7)变色硅胶干燥时为蓝色,受潮后变粉红色。可以在120℃烘受潮的硅胶待其变蓝后反复使用,直至破碎不能用为止。 [7]

干燥过程需要消耗大量热能,为了节省能量,某些湿含量高的物料、含有固体物质的悬浮液或溶液一般先经机械脱水或加热蒸发,再在干燥器内干燥,以得到干的固体 [8]

干燥的目的是为了物料使用或进一步加工的需要。如木材在制作木模、木器前的干燥可以防止制品变形,陶瓷坯料在煅烧前的干燥可以防止成品龟裂。另外干燥后的物料也便于运输和贮存,如将收获的粮食干燥到一定湿含量以下,以防霉变。由于自然干燥远不能满足生产发展的需要,各种机械化干燥器越来越广泛地得到应用。

在干燥过程中需要同时完成热量和质量(湿分)的传递,保证物料表面湿分蒸汽分压(浓度)高于外部空间中的湿分蒸汽分压,保证热源温度高于物料温度。

热量从高温热源以各种方式传递给湿物料,使物料表面湿分汽化并逸散到外部空间,从而在物料表面和内部出现湿含量的差别。内部湿分向表面扩散并汽化,使物料湿含量不断降低,逐步完成物料整体的干燥。

物料的干燥速率取决于表面汽化速率和内部湿分的扩散速率。通常干燥前期的干燥速率受表面汽化速率控制;而后,只要干燥的外部条件不变,物料的干燥速率和表面温度即保持稳定,这个阶段称为恒速干燥阶段;当物料湿含量降低到某一程度,内部湿分向表面的扩散速率降低,并小于表面汽化速率时,干燥速率即主要由内部扩散速率决定,并随湿含量的降低而不断降低,这个阶段称为降速干燥阶段。

干燥器的未来发展将在深入研究干燥机理和物料干燥特性,掌握对不同物料的最优操作条件下,开发和改进干燥器;另外,大型化、高强度、高经济性,以及改进对原料的适应性和产品质量,是干燥器发展的基本趋势;同时进一步研究和开发新型高效和适应特殊要求的干燥器,如组合式干燥器、微波干燥器和远红外干燥器等。

干燥器的发展还要重视节能和能量综合利用,如采用各种联合加热方式,移植热泵和热管技术,开发太阳能干燥器等;还要发展干燥器的自动控制技术、以保证最优操作条件的实现;另外,随着人类对环保的重视,改进干燥器的环境保护措施以减少粉尘和废气的外泄等,也将是需要深入研究的方向。

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