6 生产过程原理 第五章 脱水与干燥1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 脱水与干燥,第一节 概 述,原料或半成品中含有高于工艺要求的水分，需要脱去的部分水分，以满足生产工艺的要求。,脱水：,(1),重力脱水；,(2),机械脱水；,(3),加热水分蒸发。,干燥：,也称为烘干,用加热的方法除去物料中部分物理水分的过程。,干燥过程被广泛地应用于无机非金属材料的生产过程当中,。,干燥作用：,（,1,）提高粉磨效率；,（,2,）满足成型需要；,（,3,）防止产品开裂或变形。,分为：,自然干燥和人工干燥（机械干燥）。,自然干燥特点,：不消耗动力和燃料，操作简便，但是干燥速度慢，产量低，劳动强度高，受气候条件的影响大，不适合于工业规模的生产,。,人工干燥特点,：干燥速度快，产量大，不受气候条件的限制，便于实现自动化，适合于工业规模的生产。,人工干燥的加热方式：,（,1,）外热源法；,（,2,）内热源法。,外热源法：,是指在物料的外部对物料表面加热使物料受热，蒸发水分，而得以干燥。外热源法的加热方式：,（,a,）对流加热,;,（,b,）辐射加热,;,（,c,）对流,-,辐射加热。,内热源法：,是将湿物料放在高频交变的电磁场中或微波场中，使物料本身的分子产生剧烈的热运动发热或使交变电流通过物料而产生热量，物料中水分蒸发，得以干燥。,最为广泛的还是外热源法中的对流加热，加热物料的介质为干燥介质，干燥介质通常是热空气或热烟气。,浆体,的脱水是用重力或机械脱水的方法或喷雾干燥的方法来进行。,粉状物料,或,坯体,的脱水则通常是用干燥的方法来完成。,普通粉状物料,的干燥通常采用回转式、流态化式、悬浮式等类型的烘干设备。,坯体,则通常采用烘房、隧道式、链式、转盘式、推板式等烘干设备。,不同的物料因具体的工艺要求不同，对其干燥温度还有一定的要求。,第二节 干燥的物理过程,一、物料中水分的性质,（一）化学结合水,以结晶水的形态存在于物料的矿物分子中，如高岭土,(Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,）中的结晶水。结合最为牢固，干燥工艺中一般不予考虑。,（二）物理化学结合水,吸附水（通过物料表面吸附形成的水膜以及水与物料颗粒形成的多分子和单分子吸附层水膜）、渗透水（依靠物料组织壁内外间的水分浓度差渗透形成的水）、微孔水（半径小于,10,-8,m,）、毛细管水（半径介于,10,-8,10,-6,m,）以及结构水（存在于物料组织内部的水分，如胶体中水或层间水）。,吸附水与物料的结合为最强。,在物理化学结合水的排除阶段，物料基本上不产生收缩，用较高的干燥速度也不会使制品产生变形或开裂。,物理化学结合水又称为,大气吸附水,，与物料的结合较化学结合水要弱，可以部分排除。,（三）机械结合水,润湿水、大孔隙水及粗毛细管水（半径大于,10,-5,m,）。与物料的结合最弱，干燥过程中被排除。也称为,自由水。,注意收缩。,按干燥过程中水分排除的限度来分，可以将物料中的水分为平衡水分和可排除水分。,平衡水分,:,湿物料在干燥过程中其表面水蒸气分压与干燥介质中水蒸气分压达到动态平稳时，物料中的水分就不会继续减少，此时物料中的水分就称为平衡水分，,可排除水分,:,高于平衡水分的水分称为可排除水分。温度越高，湿度越低，物料中的平衡水分越低。,二、物料干燥过程,物料干燥：加热、外扩散和内扩散。,外扩散,：物料表面的水分就要向干燥介质中扩散（蒸发）的过程。,内扩散,过程（湿扩散）：物料内部的水分就要向物料表面迁移的过程。,干燥过程可以分为三个阶段,：,（,1,）加热阶段；,（,2,）等速干燥阶段；,（,3,）降速干燥阶段。,平衡阶段,（一）加热阶段,在干燥的初期阶段，干燥介质传给物料的热量大于物料中水分蒸发所需热量，物料温度升高，水分蒸发量升高，达到一种动态平衡。,（二）等速干燥阶段,在等速干燥阶段，干燥介质传给物料的热量等于物料中水分蒸发所需热量，所以物料温度保持不变。内扩散速率大于外扩散速率，又称为外扩散控制阶段。,主要是机械水的排除，燥速率过大会发生因物料体积收缩而引起的制品变形或开裂事故，应加以注意。,（三）降速干燥阶段,内扩散速率小于外扩散速率，物料表面不再保持湿润，称为内扩散控制阶段。,当物料的水分达到平衡水分时，干燥速率降到零，这时干燥过程终止。,三、干燥速率的影响因素,（一）外扩散速率,干燥介质及生坯表面的蒸气分压、干燥介质及生坯表面的温度，干燥介质的流速和方向，生坯表面粘滞气膜的厚度、热量的供给方式、干燥方法。,1,、干燥介质的温度,干燥介质的温度,t,，物料与介质的温度差,t,，传热速度，传热量,Q,，干燥速度,v,2,、干燥介质的湿度,介质的相对湿度,，水分汽化速度，干燥速度,w,。,3,、干燥介质的流速,介质的流速,w,，,q,对流，干燥速度,v,；流体与物料表面的层流底层厚度,层，对传热、传质都有利。,w,，物料飞扬损失，介质热利用率，流体阻力，能耗。,一般出口风速：,1.5,3.0m/s,。,4,、干燥介质与物料的接触面,干燥介质与物料的接触面,F,，干燥速度,v,。,增加接触面的方法：将固体物料破碎,使物料悬浮在干燥介质中干燥,在回转烘干机内增加扬料板,5,、物料的性质、结构,物料的性质、结构不同，它的化学组成与水的结合方式不同，有的物料以非结合水为主，有的物料以结合水为主。,物料中结合水，干燥时间，干燥速度。,6,、物料的水分量,物料的初水分、终水分、临界水分决定着等速阶段、降速阶段的长短，影响干燥时间，即影响干燥速度。,7,、干燥机的构造,合理的尺寸、结构型式，良好的密封和操作情况，以及适当地提高回转烘干机的转速，将有利于提高干燥速度速度，缩短干燥时间。,（二）内扩散速率,内因：含水率、生坯的组成与结构等。,外因：生坯温度,内扩散：湿扩散、热扩散。,湿扩散,是指在水分浓度差的作用下，水分从物料内浓度高的的地方向浓度低的地方的迁移过程。湿扩散速率与物料制品的厚度有关，因此减薄制品的厚度可以提高干燥速率。,热扩散,是指在温度差的作用下，水分从物料内温度高的地方向温度低的地方的迁移过程。用,内部,加热方式，物料内部温度高于表面温度，热扩散成为干燥的动力。应尽可能采用内部加热方式或其它使热扩散能够成为干燥动力的加热方式。,四、制品在干燥过程中的收缩与变形,自由水排除阶段，水分的排除，颗粒相互靠拢，产生收缩使制品产生变形。自由水排除完毕，进入降速干燥阶段时，收缩即停止。,对于,薄壁,制品，内部水分浓度梯度不大，实验表明，其线收缩系数与干燥条件无关。,厚壁,制品、内部水分不均匀、制品各向厚簿不均，收缩不一致，进而造成收缩应力的不均匀。表面和棱角处比内部干燥得快，壁薄处比壁厚处干燥得快。制品表面部位的收缩受到内部的限制，从而使内部受到压应力而表面受到张应力，当张应力超过材料的极限抗拉强度时，制品表面就会产生开裂。,最大安全干燥速率,：,为了防止制品在干燥过程中变形和开裂，应限制制品中心与表面的水分差，并且严格控制干燥速率。在最大允许水分差条件下的干燥速率称为最大安全干燥速率。,五、干燥方法,、对流（辐射）,、电干燥,、微波干燥,、红外干燥,是利用热气（烟气或热空气）的对流传热作用，将热传给坯体，使坯体内的水分蒸发而干燥的方法。,对流（辐射）,对流干燥，设备简单，热源易于获得，温度和流速易于控制调节，但总的来说，热扩散方向与湿扩散方向相反，不利于干燥速度提高。,工频干燥,加在生坯端面电极上的工频交变电压，在坯内产生电流而发热，属于内热式干燥。含水率高的部位电阻小、通过的电流大，产生的热量也大。,电热干燥效率较高，如电瓷生坯一般,10-15,天阴干，电热干燥仅要,4,小时；含水率,13,的泥浆注浆成型的玻璃池窑大砖,(,单重,300kg,以上,),，脱模后若要把水分降到,6,，采取自然阴干需几十天，采用电干约需,15,天。,特点：,（,1,）能实现均匀干燥,（,2,）热扩散、湿扩散方向一致，干燥速度快，单位热耗小。,以高频或相应频率的电磁波辐射使生坯内产生松弛极化，转化为干燥的热能。,这种方法干燥很快，生坯温度,60,时，汽化量可能超过蒸汽逸出量使坯内压强增高，甚至鼓胀开裂，应控制生坯温度。,当以含水率,6.9,的,1521525mm,的面砖生坯单片通过这种干燥器，由进到出仅,5,分钟，含水率降到,0.55,。目前仅用来快速干燥电子陶瓷生坯。,电耗一般高达,2.5-3.0kWh,kg,水，不经济。,高频干燥,微波干燥,1.,是以微波辐射使生坯内极性强的分子，主要是水分子运动随交变电场的变化而加剧，发生摩擦而转化为热能使生坯干燥的方法。,坯体单位时间、单位体积内产生的热量与频率、电场强度及坯体的介质损耗有关。,2.,主要特点：,（,1,）均匀快速。,热、湿传导方向一致,（,2,）具有选择性,（,3,）热效率高,（,4,）干燥设备体小、轻巧，便于自控,（,5,）具有微波辐射，需进行特殊防护。,（,6,）设备费用高，耗电量大。,近红外与远红外干燥,1.,原理,是利用红外辐射元件发出的红外线为被加热物体所吸收，直接转变为热能而达到加热干燥的方法。,水是红外敏感物质，在红外线的作用下水分子的键长和键角振动，偶极矩反复改变，吸收的能量与偶极矩变化的平方成正比，干燥过程主要是由水分子大量吸收辐射能，因此效率很高。,2,红外辐射器,管,状、灯状、板状等。均由三部分组成：,（,1,）基体,（,2,）基体表面能辐射红外线的,涂层,（,3,）热源及保温装置,金属基体或陶瓷基体：耐火材料、,SiC,、锆,英石、不锈钢、铝合金等。,金属氧化物和碳化物等。,热源：电加热、煤气加热或燃油加热等。,3,红外干燥的优点,（,1,）干燥速度快，生产效率高,辐射与干燥几乎同时开始，无明显的预热阶段。,实际的例子很多，如：原用80热风干燥要,2 h,时的生坯，改用远红外干燥，生坯温度约80，仅需10,min,。又如卫生器生坯在通风的厂房里要干燥18天，改用近红外干燥仅用1天，再改用远红外干燥，时间和能量消耗又都减少1/2左右。,（,2,）节约能源消耗,（,3,）设备规模小，建设费用低,（,4,）干燥质量好,红外线具有一定的穿透能力，表面、内部同时吸收能量，热扩散、湿扩散方向一致，加热均匀。,综合干燥,生产中根据生坯不同干燥阶段特点，将几种方法综合起来以达到快速干燥的目的的方法。,又如英国带式快速干燥器也属于联合干燥器的类型。生坯用带式运输、红外与热风交替干燥。当用红外线辐射生坯时显著提高水分温度，加速内扩散；然后移动位置改用热风喷吹，加速外扩散。当生坯湿度梯度偏大时又转入下一次红外辐射，达到临界水分全以热风喷吹，也不会产生缺陷了。,例如大型注浆坯先在原地用电热干燥，达到降速阶段移入干燥器，施釉之后再用红外辐射干燥，并准备烧成。,