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干燥的机理及过程

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发表于 2023-3-22 13:44:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
用加热蒸发的方法除去物料中部分水分的过程称为干燥。干燥的作用可归纳为制取符合水分要求的粉料,使生坯具有一定的强度便于运输和加工,提高坯体吸附釉层的能力,提高烧成窑的效率,缩短烧成周期。因此干燥是陶瓷生产的重要工序。
1、干燥机理
  干燥是脱水的过程,是一个消耗时间和能量的过程。研究干燥过程的目的,主要是为提高干燥速度,降低能量消耗。显然,它们都必须建立在保证干燥质量的前提下。
  物料中水分类型按坯体含水的结合特性,基本上可分为三类:自由水、吸附水和化学结合水。
  自由水:又叫机械结合水,分布在固体颗粒之间,是由物料直接与水接触而吸收的水分。自由水一般存在于物料直径>10-5cm的大毛细管中,与物料结合松弛,较易排除。自由水排除时,物料颗粒彼此靠拢,体积收缩,收缩值与自由水排出体积大致相等,故自由水也称收缩水。
  吸附水:将绝对干燥的物料置于大气中时,能从大气中吸附一定的水分,这种吸附在粒子表面上的水分叫吸附水。吸附水在物料颗粒周围受到分子引力的作用,其性质不同于普通水,其结合的牢固程度随分子力场的作用减弱而降低。在干燥过程中,物料表面的水蒸气分压逐渐下降到周围介质的水气汽分压时,水分不能继续排除,此时物料中所含水分也称平衡水。
  化学结合水:包含在物料的分子结构内的水分,如结晶水、结构水等。这种结合比较牢固,排除时需较大的能量。
  综上所述,干燥过程是排除物料水分的过程,其实质是排除自由水。平衡水的排除是没有实际意义的,而化学结合水的排除属于烧成范围内的问题。干燥时,首先排除自由水,一直排除到平衡水为止。
2、干燥过程
  在干燥过程中,坯体表面的水分以蒸汽形式从表面扩散到周围介质中去,称为表面蒸发或外扩散;当表面水分蒸发后,坯体内部和表面形成湿度梯度,使坯体内部水分沿着毛细管迁移至表面,称为内扩散。内、外扩散是传质过程,需要吸收能量。坯体在干燥过程中变化的主要特征是随干燥时间的延长,坯体温度升高,含水率降低,体积收缩;气孔率提高,强度增加。这些变化都与含水率降低相联系。因此,通常用干燥曲线来表征。
(1)升速阶段
  坯体受热后温度升高。当坯体表面温度达到干燥介质湿球温度时,坯体吸收热量与蒸发耗热达到平衡,此阶段含水量下降不多,达到A点后进入等速干燥阶段。
(2)等速干燥阶段
  在此阶段中坯体含水量较高,内扩散水分能满足外扩散水分的需要,坯体表面保持湿润。外界传给表面的热量等于水分气化所需之热量,故表面温度不变,等于介质湿球温度。物料表面水气分压等于纯水表面蒸气压,干燥速度恒定。当干燥进行到K点时,坯体内扩散速度小于外扩散速度,此时开始降速干燥阶段,K点称临界水分点。
  此阶段是排除自由水,故坯体产生体积收缩。若干燥速度过快,表面蒸发剧烈,外层很快收缩,甚至过早结成硬皮,使毛细管直径缩小,妨碍内部水分向外移动,增大了内外湿度差,使内层受压应力而外层受张应力,导致坯体出现裂纹或变形。因此本阶段对干燥速度应慎重控制。
(3)降速干燥阶段
  此时干燥速度逐渐降低,蒸发强度和热能消耗大大减少,当其它条件不变时,坯体表面温度逐渐升高,坯体上空的水蒸气分压小于同温度下的水的饱和蒸气压。坯体略有收缩,水分排除,形成气孔,使坯体气孔率上升。
(4)平衡阶段
  当坯体干燥到表面水分达到平衡水分时,干燥速度降为零。此时坯体与周围介质达到平衡状态。平衡水分的多少与周围介质的温度、相对湿度和坯料组成有关。坯体的干燥最终水分一般说来不应低于贮存时的平衡水分,否则干燥后将再吸收水分达到平衡水分。
3、影响干燥速度的因素
  在生产中,为提高干燥效率应加快干燥速度,但干燥速度的提高受干燥设备和干燥条件的限制,而这一切又必须在保证干燥质量的前提下进行。因此影响干燥速度的困素有以下几个方面:
(1)坯料的性质
  粘土的可塑性越强,加入量越多,颗粒越细,干燥速度就越难提高;瘠性物料越多,颗粒越粗,越有利于提高干燥速度。
(2)坯体形状、大小和厚度
  形状复杂,体大壁厚的坯体在干燥时易产生收缩应力,故其干燥速度应加以控制,不宜太快。
(3)坯体温度
  坯体温度高,水的粘度小,有利于水分向表面移动。
(4)干燥介质的性质
  干燥介质温度越高,湿度越小,则吸收水分的能力越大。增大干燥介质流速,减小边界层的厚度,增大对流传质系数,则可加快干燥速度。
(5)使热扩散与湿扩散的方向一致
  坯体中水分的内扩散包括湿扩散和热扩散。湿扩散是坯体内部由于存在湿度梯度引起的水分移动,其方向由坯体内部指向坯体外部;热扩散是坯体内部由于存在温度梯度而使水分移动,其方向由坯体表面指向坯体中心。当温度梯度与湿度梯度方向一致时会显著加快内扩散速度。如采用电热干燥、微波干燥、远红外干燥,可使坯体内外的水分同时受热,因而可加快内扩散过程,有助于提高干燥速度。
4、合理选择干燥器
  化工生产中需干燥的物料种类繁多,对产品质量的要求各不相同,因此,选择合适的干燥器非常重要。若选择不当,将导致热量利用率低,动力消耗高,浪费能源,甚至所生产的产品质量不达要求。对干燥器的选择,应该考虑以下几方面的问题。
(1)干燥器要能满足生产的工艺要求。工艺要求主要是指:达到规定的干燥程度,干燥均匀,保证产品具有一定的形状和大小等。由于不同物料的物理、化学性质(如黏附性、热敏性等)、外观形状以及含水量等差异很大,对于干燥设备的要求也就各不相同。所以干燥器必须根据物料的不同特征来选定。
(2)生产能力要适度。干燥器的生产能力取决于物料达到规定干燥程度所需的时间,干燥速率越快,所需干燥时间就越短,设备的生产能力就越大。一般来说,间歇式干燥器的生产能力小,连续操作的干燥器生产能力大。因此,物料的处理量小时,宜采用间歇式干燥器,物料的处理量大时,应采用连续操作的干燥器。
(3)热效率要高。干燥器的热效率是干燥设备的主要经济指标。不同类型的干燥器,其热效率也不同。选择干燥器时,在满足干燥基本要求的条件下,应尽量选择热能利用率高的干燥器。
(4)干燥系统的流动阻力要小,以降低动力消耗。
(5)附属设备要简单,操作控制方便,劳动强度低。

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