一、 干燥原理    
干燥泛指從濕物料中除去水分（后面的干燥泛指水分）或其他濕分的各種操作。如在日常生活中將潮濕物料置于陽(yáng)光下曝曬以除去水分，工業(yè)上用硅膠、石灰、濃硫酸等除去空氣、工業(yè)氣體或有機(jī)液體中的水分(減濕)。在工業(yè)生產(chǎn)中，干燥通常指用熱空氣、煙道氣以及紅外線等加熱濕固體物料，使其中所含的水分或溶劑汽化而除去，是一種屬于熱質(zhì)傳遞過程的單元操作。干燥的目的是使物料便于貯存、運(yùn)輸和使用，或滿足進(jìn)一步加工的需要。例如谷物、蔬菜經(jīng)干燥后可長(zhǎng)期貯存；合成樹脂干燥后用于加工，可防止塑料制品中出現(xiàn)氣泡或云紋；紙張經(jīng)干燥后便于使用和貯存。干燥廣泛應(yīng)用于化工、食品、輕工、紡織、煤炭、農(nóng)林產(chǎn)品加工和建材等各部門。
原理:在一定溫度下，任何含水的濕物料都有一定的蒸氣壓,當(dāng)此蒸氣壓大于周圍氣體中的水汽分壓時(shí),水分將汽化。汽化所需熱量，或來自周圍熱氣體，或由其他熱源通過輻射、熱傳導(dǎo)提供。含水物料的蒸氣壓與水分在物料中存在的方式有關(guān)。物料所含的水分，通常分為非結(jié)合水和結(jié)合水。非結(jié)合水是附著在固體表面和孔隙中的水分，它的蒸氣壓與純水相同；結(jié)合水則與固體間存在某種物理的或化學(xué)的作用力，汽化時(shí)不但要克服水分子間的作用力，還需克服水分子與固體間結(jié)合的作用力，其蒸氣壓低于純水，且與水分含量有關(guān)。在一定溫度下，物料的水分蒸氣壓p同物料含水量x（每千克絕對(duì)干物料所含水分的千克數(shù)）間的關(guān)系曲線稱為平衡蒸氣壓曲線（圖1平衡蒸氣壓曲線），一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。當(dāng)濕物料與同溫度的氣流接觸時(shí)，物料的含水量和蒸氣壓下降，系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，物料所含的水分蒸氣壓與氣體中的水汽分壓相等，相應(yīng)的物料含水量x﹡稱為平衡水分。平衡水分取決于物料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及與之接觸的氣體的溫度和濕度。膠體和細(xì)胞質(zhì)物料的平衡水分一般較高，通過干燥操作能除去的水分，稱為自由水分（即物料初始含水量x1與x﹡之差）。
將濕物料置于溫度、濕度和氣速都恒定的氣流中，物料中的水分將逐漸降低。由實(shí)驗(yàn)可測(cè)得干燥速率 N與物料含水量x的關(guān)系曲線(圖1干燥速率曲線)，此曲線稱為干燥速率曲線。干燥速率為單位時(shí)間內(nèi)單位物料表面汽化的水量，即：
式中G為絕對(duì)干物料的質(zhì)量；A為暴露于氣流中的物料表面積；x為物料的含水量；τ為干燥時(shí)間。從圖示的干燥速率曲線可知：濕物料的干燥過程分為恒速干燥和降速干燥兩個(gè)階段，分界點(diǎn)的含水量稱為臨界含水量Xｃ。臨界含水量不僅取決于物料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，還與氣速、溫度和濕度以及干燥器的類型有關(guān)。在恒速干燥階段，物料的含水量大于臨界含水量，物料表面布滿非結(jié)合水分。若熱量的供應(yīng)僅來自熱氣體，則物料的表面溫度等于氣體的濕球溫度。此階段的干燥速率與物料的性質(zhì)和含水量無(wú)關(guān)，僅取決于干燥器的結(jié)構(gòu)以及氣體的流速和性質(zhì)。恒速干燥階段所汽化的水分，全部為非結(jié)合水分。在降速干燥階段，物料的含水量低于臨界含水量，干燥速率的變化規(guī)律與物料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)尤其是水分的存在方式有關(guān)。這時(shí)水分在固體物料內(nèi)部的擴(kuò)散起重要作用。減薄物料的厚度或減小其粒度，能夠有效地提高干燥速率。降速干燥階段汽化除去的水分包括剩余的非結(jié)合水分和部分結(jié)合水分。物料的溫度在干燥過程中逐漸升高。
二、 干燥種類  
根據(jù)熱量的供應(yīng)方式，有多種干燥類型：①對(duì)流干燥。使熱空氣或煙道氣與濕物料直接接觸，依靠對(duì)流傳熱向物料供熱，水汽則由氣流帶走。對(duì)流干燥在生產(chǎn)中應(yīng)用較廣，它包括氣流干燥、噴霧干燥、流化干燥、回轉(zhuǎn)圓筒干燥和廂式干燥等。②傳導(dǎo)干燥。濕物料與加熱壁面直接接觸，熱量靠熱傳導(dǎo)由壁面?zhèn)鹘o濕物料，水汽靠抽氣裝置排出。它包括滾筒干燥、真空耙式干燥等。③輻射干燥。熱量以輻射傳熱方式投射到濕物料表面，被吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，水汽靠抽氣裝置排出，如紅外線干燥。④介電加熱干燥。將濕物料置于高頻電場(chǎng)內(nèi)，依靠電能加熱而使水分汽化，包括高頻干燥、微波干燥。在傳導(dǎo)、輻射和介電加熱這三類干燥方法中，物料受熱與帶走水汽的氣流無(wú)關(guān)，必要時(shí)物料可不與空氣接觸。
根據(jù)干燥物料所處環(huán)境壓強(qiáng)可分為：①常壓干燥。干燥操作在常壓條件下進(jìn)行，此方式較為多見，大多數(shù)干燥裝置都為常壓干燥。②加壓干燥。干燥操作在高于大壓力下進(jìn)行，此法較為少見。③真空干燥。為更好地保護(hù)干燥物料，必須降低加熱溫度。但當(dāng)溫度低于沸點(diǎn)時(shí)，干燥進(jìn)展很慢。恰當(dāng)降低壓力可使水沸點(diǎn)溫度降低，有利于縮短干燥時(shí)間。
根據(jù)物料的加熱溫度可分為：①高溫干燥。加熱溫度大于等于大氣壓力下水的沸點(diǎn)，此法物料干燥速度較快，但較易引起物料特性的變化。②常溫干燥。在常溫條件下對(duì)物料進(jìn)行干燥，例如：風(fēng)干、陰干等，此法可以較好地保護(hù)物料原有的特性。③冷凍干燥。對(duì)物料進(jìn)行冷凍，使物料凍結(jié)，在物料不解凍的條件下進(jìn)行干燥。此法可以較大程度地保持物料原有特性，干燥前后的物料無(wú)化學(xué)變化。
三、 壓強(qiáng)與沸點(diǎn)溫度的關(guān)系
物質(zhì)從液相變?yōu)闅庀嗟倪^程叫做汽化。由液相變?yōu)闅庀嗟霓D(zhuǎn)折點(diǎn)溫度叫沸點(diǎn)。按照物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)，氣體中的分子平均距離比液體中的大得多。液態(tài)時(shí)，物質(zhì)分子之間有較強(qiáng)的吸引力，物質(zhì)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵仨毧朔肿娱g的引力而做功，這種功稱為內(nèi)功。另外，當(dāng)物質(zhì)從液相變?yōu)闅庀鄷r(shí),體積將增大許多倍,因此還必須反抗大氣壓力而做功，這種功稱為外功。做功需要消耗一定的能量。當(dāng)液體蒸發(fā)或沸騰時(shí)，保持溫度不變，都必須從外界輸入能量，這就是液體汽化時(shí)需要汽化熱的原因。如果液體在絕熱下蒸發(fā)，則液體的溫度將降低，這一現(xiàn)象被用來獲得低溫。例如,利用液氦的絕熱蒸發(fā),可獲得約為0.7K的低溫。
對(duì)于水來說，其沸點(diǎn)溫度與壓強(qiáng)關(guān)系有著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，壓強(qiáng)低其沸點(diǎn)溫度也低。表1為不同的壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)。

            表 1  壓強(qiáng)與水的沸點(diǎn)溫度 
當(dāng)壓強(qiáng)為610.5Pa時(shí)，對(duì)應(yīng)沸點(diǎn)溫度為0℃，由于此溫度又是水的冰點(diǎn)，在此點(diǎn)水的汽、液、固三態(tài)并存，我們把此點(diǎn)叫做水的三相點(diǎn)。
四、 汽化與升華
物質(zhì)從液相變?yōu)闅庀嗟倪^程叫做汽化。在圖2中，對(duì)于水來說，如環(huán)境溫度大于0℃、水汽分壓P水汽小于水的飽和蒸汽壓P飽和，則汽化能順利進(jìn)行。目前大多數(shù)干燥方法都是照此原理進(jìn)行工作。
物質(zhì)從固相變?yōu)闅庀嗟倪^程叫做升華。在圖2中，如果環(huán)境溫度小于0℃，水以固態(tài)冰的形式存在，環(huán)境中水汽分壓P水汽小于冰表面的水飽和蒸汽壓P飽和，則升華能順利進(jìn)行。如此時(shí)環(huán)境中水汽分壓P水汽大于冰表面的水飽和蒸汽壓P飽和，則水汽凝結(jié)成冰或霜，我們稱此為凝華，它是升華的相反過程。
五、 凍干現(xiàn)象
人們普遍的概念，清洗衣料后，衣料干燥應(yīng)在較高的溫度、通風(fēng)干燥的環(huán)境下進(jìn)行，環(huán)境溫度越高、空氣干燥度越高，則衣料干得越快。可在嚴(yán)寒地區(qū)，人們發(fā)現(xiàn)洗過的衣料，涼在始終冰雪不化的背陽(yáng)處，凍成硬梆梆的衣料也會(huì)干燥。另外人們也發(fā)現(xiàn)放在冷庫(kù)、冰箱冷凍室中未包裝的食品，雖然凍得很硬，但表面已經(jīng)干燥，這些就是凍干現(xiàn)象。
六、 凍干原理及定義
從圖2中我們可以看出，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，水剛好處于冰點(diǎn)，此時(shí)水處于液、氣、固三態(tài)并存，我們把此點(diǎn)叫做水的三相點(diǎn)。溫度向上，水以汽、液二相出現(xiàn)；溫度向下、水以汽、固二相形態(tài)出現(xiàn)。
當(dāng)水凍結(jié)成冰后，從前面的學(xué)習(xí)中我們知道，只要環(huán)境中的水汽分壓P水汽小于對(duì)應(yīng)溫度冰的飽和蒸汽壓P飽和，則冰直接從固態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)而進(jìn)行干燥過程，我們把這一過程叫做升華干燥，冰直接從固態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的現(xiàn)象叫升華。
我們把物料在凍結(jié)的情況下進(jìn)行干燥，在干燥過程中冰不溶化，冰從固態(tài)直接汽化而干燥的過程叫冷凍干燥（簡(jiǎn)稱凍干）。
七、 凍干物料的特點(diǎn)
1. 含水量、吸濕性及存貯性能
    凍干脫水比較徹底，凍干物料含水量在5%以下。由于升華干燥前的凍結(jié)，使物料形成了一個(gè)穩(wěn)定的固體骨架，冰晶升華后，固體骨架基本不變，凍干物料具有多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，因此具有較大的表面積。如暴露在空氣中，它的吸濕性能很強(qiáng)，也較易與空氣發(fā)生各種反應(yīng)。凍干物料含水量很低，只要包裝恰當(dāng)，不加任何防腐劑、在室溫條件下也可以存貯較長(zhǎng)時(shí)間。
2. 形狀和質(zhì)地
    物料中冰晶升華后，固體骨架基本不變，因此凍干物料形狀變化較少，物料（包括液體）基本保持原有形狀不變。物料中的水分以冰晶形式存在，原溶于水中的無(wú)機(jī)鹽等溶解物被均勻地分配在物料中，冰晶升華后，溶于水中的溶解物就地析出，留下多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，避免了無(wú)機(jī)鹽等成分的表面析出而引起的表面硬化現(xiàn)象，由于含水量很低，因此凍干物料質(zhì)地酥松，它極易破碎和粉末化。
3. 色、香、味及活性
    冷凍干燥是在低溫、真空條件下進(jìn)行的操作。在此種條件下，物料中熱敏和易氧化成分不易受到破壞，物料的活性較大程度地得到保存；物料中各種色素不易分解，酶和氨基酸幾乎不發(fā)生褐變，因此物料的顏色也幾乎不變；低溫下芳香成分的揮發(fā)性較低，也無(wú)氧化等劣變反應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生異味，相反因水分的脫去使芳香成分濃度相對(duì)增加，香氣更加濃郁；因低溫和無(wú)氧化等各種化學(xué)反應(yīng)，所以物料的各種成分得到較有效的保存，其風(fēng)味也基本不流失，味道由于脫水而變得更濃。
4. 復(fù)水性能和溶化性能
    由于凍干物料為多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，沒有無(wú)機(jī)鹽等成分的表面析出而引起的表面硬化現(xiàn)象，水分能很容易滲入內(nèi)部與干物料充分接觸，因此凍干物料與其他方式干燥的物料相比，有著優(yōu)異的復(fù)水性。如凍干前物料是水溶性液體，那凍干后放入水中就能很快溶化。
八、 升華的基本條件
當(dāng)水蒸氣壓大于610.5Pa時(shí)，冰只能先融化為水，然后再由水轉(zhuǎn)化為水蒸氣；而冰周圍的蒸汽壓低于610.5Pa時(shí)，冰可以直接升華為水蒸氣，這就是升華干燥的理論基礎(chǔ)。
冰升華時(shí)其狀態(tài)點(diǎn)應(yīng)在圖2的升華區(qū)內(nèi)。比如：溫度為-10℃的冰如果周圍的水蒸氣壓為400Pa，則必須將蒸汽壓降到低于286Pa（-10℃冰的飽和蒸汽壓）時(shí)，冰才能開始升華。蒸汽壓為286Pa（-10℃冰的飽和蒸汽壓值），如果冰溫為-20℃（對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓125Pa），升華雖然在進(jìn)行，但升華速度太慢，我們可以提高冰溫，使溫度接近-10℃（低于它），以加快升華速度；當(dāng)冰溫大約為-50℃時(shí)，由于此時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸汽壓接近于0Pa，因此再這么降低周圍的蒸汽壓也無(wú)法使冰升華，此時(shí)必須提高冰溫以便升華得以進(jìn)行。
九、 升華干燥的必要條件
隨著升華的進(jìn)行，不斷地吸收熱量，致使冰失去熱量而溫度降低。如冰得不到熱量補(bǔ)充，則會(huì)使冰溫繼續(xù)降低，當(dāng)冰溫大約為-50℃時(shí)，由于此時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸汽壓接近于0Pa，并停止升華。所以，升華干燥時(shí)，要不停地向冰晶傳熱，以提供升華所需的熱量。但如果所提供的熱量大于冰升華所需的熱量，多余的熱量就會(huì)被冰作為顯熱吸收，導(dǎo)致冰溫上升。當(dāng)冰溫上升到冰點(diǎn)時(shí)，冰就會(huì)融化。
假如冰表面的水蒸氣壓低于冰的飽和蒸汽壓，則一部分冰升華為水蒸氣，使水蒸氣壓升高。當(dāng)水蒸氣壓增高到等于此溫度下冰的飽和蒸汽壓時(shí)，冰與水蒸氣達(dá)到平衡，表現(xiàn)為冰停止升華。