一文了解干燥的機(jī)理及過(guò)程

　　用加熱蒸發(fā)的方法除去物料中部分水分的過(guò)程稱(chēng)為干燥。干燥的作用可歸納為制取符合水分要求的粉料，使生坯具有一定的強(qiáng)度便于運(yùn)輸和加工，提高坯體吸附釉層的能力，提高燒成窯的效率，縮短燒成周期。因此干燥是陶瓷生產(chǎn)的重要工序。

1、干燥機(jī)理

　　干燥是脫水的過(guò)程，是一個(gè)消耗時(shí)間和能量的過(guò)程。研究干燥過(guò)程的目的，主要是為提高干燥速度，降低能量消耗。顯然，它們都必須建立在保證干燥質(zhì)量的前提下。

　　物料中水分類(lèi)型按坯體含水的結(jié)合特性，基本上可分為三類(lèi)：自由水、吸附水和化學(xué)結(jié)合水。

　　自由水：又叫機(jī)械結(jié)合水，分布在固體顆粒之間，是由物料直接與水接觸而吸收的水分。自由水一般存在于物料直徑>10-5cm的大毛細(xì)管中，與物料結(jié)合松弛，較易排除。自由水排除時(shí)，物料顆粒彼此靠攏，體積收縮，收縮值與自由水排出體積大致相等，故自由水也稱(chēng)收縮水。

　　吸附水：將絕對(duì)干燥的物料置于大氣中時(shí)，能從大氣中吸附一定的水分，這種吸附在粒子表面上的水分叫吸附水。吸附水在物料顆粒周?chē)艿椒肿右Φ淖饔茫湫再|(zhì)不同于普通水，其結(jié)合的牢固程度隨分子力場(chǎng)的作用減弱而降低。在干燥過(guò)程中，物料表面的水蒸氣分壓逐漸下降到周?chē)橘|(zhì)的水氣汽分壓時(shí)，水分不能繼續(xù)排除，此時(shí)物料中所含水分也稱(chēng)平衡水。

　　化學(xué)結(jié)合水：包含在物料的分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分，如結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水等。這種結(jié)合比較牢固，排除時(shí)需較大的能量。

　　綜上所述，干燥過(guò)程是排除物料水分的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是排除自由水。平衡水的排除是沒(méi)有實(shí)際意義的，而化學(xué)結(jié)合水的排除屬于燒成范圍內(nèi)的問(wèn)題。干燥時(shí)，首先排除自由水，一直排除到平衡水為止。

2、干燥過(guò)程

　　在干燥過(guò)程中，坯體表面的水分以蒸汽形式從表面擴(kuò)散到周?chē)橘|(zhì)中去，稱(chēng)為表面蒸發(fā)或外擴(kuò)散；當(dāng)表面水分蒸發(fā)后，坯體內(nèi)部和表面形成濕度梯度，使坯體內(nèi)部水分沿著毛細(xì)管遷移至表面，稱(chēng)為內(nèi)擴(kuò)散。內(nèi)、外擴(kuò)散是傳質(zhì)過(guò)程，需要吸收能量。坯體在干燥過(guò)程中變化的主要特征是隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，坯體溫度升高，含水率降低，體積收縮；氣孔率提高，強(qiáng)度增加。這些變化都與含水率降低相聯(lián)系。因此，通常用干燥曲線(xiàn)來(lái)表征。

（1）升速階段

　　坯體受熱后溫度升高。當(dāng)坯體表面溫度達(dá)到干燥介質(zhì)濕球溫度時(shí)，坯體吸收熱量與蒸發(fā)耗熱達(dá)到平衡，此階段含水量下降不多，達(dá)到A點(diǎn)后進(jìn)入等速干燥階段。

（2）等速干燥階段

　　在此階段中坯體含水量較高，內(nèi)擴(kuò)散水分能滿(mǎn)足外擴(kuò)散水分的需要，坯體表面保持濕潤(rùn)。外界傳給表面的熱量等于水分氣化所需之熱量，故表面溫度不變，等于介質(zhì)濕球溫度。物料表面水氣分壓等于純水表面蒸氣壓，干燥速度恒定。當(dāng)干燥進(jìn)行到K點(diǎn)時(shí)，坯體內(nèi)擴(kuò)散速度小于外擴(kuò)散速度，此時(shí)開(kāi)始降速干燥階段，K點(diǎn)稱(chēng)臨界水分點(diǎn)。

　　此階段是排除自由水，故坯體產(chǎn)生體積收縮。若干燥速度過(guò)快，表面蒸發(fā)劇烈，外層很快收縮，甚至過(guò)早結(jié)成硬皮，使毛細(xì)管直徑縮小，妨礙內(nèi)部水分向外移動(dòng)，增大了內(nèi)外濕度差，使內(nèi)層受壓應(yīng)力而外層受張應(yīng)力，導(dǎo)致坯體出現(xiàn)裂紋或變形。因此本階段對(duì)干燥速度應(yīng)慎重控制。

（3）降速干燥階段

　　此時(shí)干燥速度逐漸降低，蒸發(fā)強(qiáng)度和熱能消耗大大減少，當(dāng)其它條件不變時(shí)，坯體表面溫度逐漸升高，坯體上空的水蒸氣分壓小于同溫度下的水的飽和蒸氣壓。坯體略有收縮，水分排除，形成氣孔，使坯體氣孔率上升。

（4）平衡階段

　　當(dāng)坯體干燥到表面水分達(dá)到平衡水分時(shí)，干燥速度降為零。此時(shí)坯體與周?chē)橘|(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài)。平衡水分的多少與周?chē)橘|(zhì)的溫度、相對(duì)濕度和坯料組成有關(guān)。坯體的干燥最終水分一般說(shuō)來(lái)不應(yīng)低于貯存時(shí)的平衡水分，否則干燥后將再吸收水分達(dá)到平衡水分。

3、影響干燥速度的因素

　　在生產(chǎn)中，為提高干燥效率應(yīng)加快干燥速度，但干燥速度的提高受干燥設(shè)備和干燥條件的限制，而這一切又必須在保證干燥質(zhì)量的前提下進(jìn)行。因此影響干燥速度的困素有以下幾個(gè)方面：

（1）坯料的性質(zhì)

　　粘土的可塑性越強(qiáng)，加入量越多，顆粒越細(xì)，干燥速度就越難提高；瘠性物料越多，顆粒越粗，越有利于提高干燥速度。

（2）坯體形狀、大小和厚度

　　形狀復(fù)雜，體大壁厚的坯體在干燥時(shí)易產(chǎn)生收縮應(yīng)力，故其干燥速度應(yīng)加以控制，不宜太快。

（3）坯體溫度

　　坯體溫度高，水的粘度小，有利于水分向表面移動(dòng)。

（4）干燥介質(zhì)的性質(zhì)

　　干燥介質(zhì)溫度越高，濕度越小，則吸收水分的能力越大。增大干燥介質(zhì)流速，減小邊界層的厚度，增大對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，則可加快干燥速度。

（5）使熱擴(kuò)散與濕擴(kuò)散的方向一致

　　坯體中水分的內(nèi)擴(kuò)散包括濕擴(kuò)散和熱擴(kuò)散。濕擴(kuò)散是坯體內(nèi)部由于存在濕度梯度引起的水分移動(dòng)，其方向由坯體內(nèi)部指向坯體外部；熱擴(kuò)散是坯體內(nèi)部由于存在溫度梯度而使水分移動(dòng)，其方向由坯體表面指向坯體中心。當(dāng)溫度梯度與濕度梯度方向一致時(shí)會(huì)顯著加快內(nèi)擴(kuò)散速度。如采用電熱干燥、微波干燥、遠(yuǎn)紅外干燥，可使坯體內(nèi)外的水分同時(shí)受熱，因而可加快內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程，有助于提高干燥速度。

4、合理選擇干燥器

　　化工生產(chǎn)中需干燥的物料種類(lèi)繁多，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求各不相同，因此，選擇合適的干燥器非常重要。若選擇不當(dāng)，將導(dǎo)致熱量利用率低，動(dòng)力消耗高，浪費(fèi)能源，甚至所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)要求。對(duì)干燥器的選擇，應(yīng)該考慮以下幾方面的問(wèn)題。

      （1）干燥器要能滿(mǎn)足生產(chǎn)的工藝要求。工藝要求主要是指：達(dá)到規(guī)定的干燥程度，干燥均勻，保證產(chǎn)品具有一定的形狀和大小等。由于不同物料的物理、化學(xué)性質(zhì)(如黏附性、熱敏性等)、外觀(guān)形狀以及含水量等差異很大，對(duì)于干燥設(shè)備的要求也就各不相同。所以干燥器必須根據(jù)物料的不同特征來(lái)選定。

      （2）生產(chǎn)能力要適度。干燥器的生產(chǎn)能力取決于物料達(dá)到規(guī)定干燥程度所需的時(shí)間，干燥速率越快，所需干燥時(shí)間就越短，設(shè)備的生產(chǎn)能力就越大。一般來(lái)說(shuō)，間歇式干燥器的生產(chǎn)能力小，連續(xù)操作的干燥器生產(chǎn)能力大。因此，物料的處理量小時(shí)，宜采用間歇式干燥器，物料的處理量大時(shí)，應(yīng)采用連續(xù)操作的干燥器。

     （3）熱效率要高。干燥器的熱效率是干燥設(shè)備的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。不同類(lèi)型的干燥器，其熱效率也不同。選擇干燥器時(shí)，在滿(mǎn)足干燥基本要求的條件下，應(yīng)盡量選擇熱能利用率高的干燥器。

     （4）干燥系統(tǒng)的流動(dòng)阻力要小，以降低動(dòng)力消耗。

     （5）附屬設(shè)備要簡(jiǎn)單，操作控制方便，勞動(dòng)強(qiáng)度低。