干燥的机理及过程

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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。