干燥

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干燥是一种传热传质过程，透过蒸发从固体、半固体或液体中去除水或其他溶剂。在制造工业中，此过程属单元操作，通常作为销售或包装产品之前的最后生产步骤。要被视为“干燥”，最终产品必须是固体，呈连续的片状（例如纸）、长片（例如木头）、颗粒（例如谷物或玉米片）或粉末（例如沙、盐、洗衣粉、奶粉）。通常需要用到热源和干燥剂以去除过程中产生的蒸汽。在食品、谷物等生物产品和疫苗等药品生产中，需要去除的溶剂几乎总是水。

最常见的情况是，气流（例如空气）会透过对流产生热量，并将蒸气带走。其他可能性是真空干燥，其中热量由传导或辐射（如微波）提供，而产生的蒸汽则由真空系统去除。另一种间接技术是滚筒干燥（例如用于制造马铃薯片），其中使用加热表面提供能量，并且抽吸器将蒸汽抽出房间。相反，透过过滤或离心对溶剂（例如水）进行机械提取不被视为“干燥”而是“排水”。

有时单纯的物理干燥也叫做脱水，如食物脱水以便贮藏，防止微生物繁殖引起食物腐败等。

## 干燥机制

在一些具有相对较高的初始水分含量的产品中，若在干燥初段时间内观察到平均产品水分含量随时间线性减少，该时期通常称为“恒定干燥速率期”。通常，在此期间，被去除的是单个颗粒外部的表面水分。此期间的干燥速度主要取决于热传递至被干燥材料的速度。因此，最大可达到的干燥速率被认为是受热传递限制的。如果继续干燥，干燥速率会逐渐下降（下降速率期），并最终在很长的时间内趋于接近水平。产品水分含量则恒定在“平衡水分含量”，实际上，它与脱水介质保持平衡。在降速期内，水分从产品内部向表面的迁移主要是透过分子扩散的方式，即水通量与水分含量梯度成正比。这意味着水从水分含量较高的区域移动到水分含量较低的区域，这现象可以用热力学第二定律来解释。如果除水量很大，产品通常会发生收缩和变形，除非采用精心设计的冷冻干燥过程。降速阶段的干燥速率由被干燥固体内部水分或溶剂的去除速率控制，称为“质传限制”。这在水果和蔬菜等吸湿性产品中很常见，这些产品的干燥发生在下降速率期，而恒定干燥速率期可以忽略不计。

## 对象

干燥的对象有三种：

- 固体：一般加热，用热空气或其他热气体将固体中的水分或溶剂汽化带走，对于加热后容易分解或氧化的物料，必须用减压的方式使水分或溶剂汽化，叫做真空干燥或低温干燥。
- 液体：对含有水分的液体，一般用氧化钙、氢氧化钠或硅胶等物质进行干燥，这物质能吸水并能和水结合产生不溶不易分解的新物质。对于低沸点的液体如酒精溶液也可以用蒸馏的方法去除水分。
- 气体：可以用浓硫酸等吸收水分又不和待除水的气体反应的物质进行干燥，如对含水的氯气、二氧化硫气体进行干燥等。

## 方法

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以下是一些常见的干燥方法：

### 使用热空气（对流或直接干燥）

空气加热增加了热传递的干燥力，加速了干燥。它还降低了空气相对湿度，进一步增加了干燥的驱动力。随着水分含量下降，固体升温，较高的温度加速了水从固体内部向表面的扩散。然而，为顾及产品品质，适用的空气温度并非愈高愈好，而是有所限制。过热的空气会使固体表面几乎完全脱水，从而使其孔隙收缩并几乎闭合，导致结壳或“表面硬化”，这通常是不希望看到的。例如在木材干燥过程中，为了避免木材从中心到表面的湿度梯度过高而导致表面过度脱水和产品变形，会在空气加热（这会加速干燥）时加入一些蒸气（这会在一定程度上阻碍干燥速度）。喷雾干燥属于这一类。

#### 喷雾干燥

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喷雾干燥是一种透过使用热气体快速干燥将液体或浆液制成干粉的方法。这是干燥许多热敏感材料（如食品和药品）或需要极其一致、细小颗粒大小的材料的首选方法。空气是最常用的加热干燥介质；然而，如果液体易燃（如乙醇）或产品对氧气敏感，则可以使用氮气。喷雾干燥被广泛应用于制造食品（例如奶粉、咖啡、茶、鸡蛋、谷类、香辛料、调味品、血液、淀粉和淀粉衍生物、维生素、酵素、甜菊糖、营养保健品、色素、动物饲料等）、制药（例如抗生素、药物成分及添加剂）及工业（如涂料颜料、陶瓷材料、催化剂载体及微藻等）。

与其他干燥方法相比，喷雾干燥可以非常快速地干燥产品，并一步将溶液（或浆液）转化为干粉，从而简化流程并提高利润率。喷雾干燥与其他替代方法的比较：

- 冷冻干燥：适用于会在喷雾干燥过程中降解的产品，为较昂贵的批量处理程序。干燥产品不能自由流动。
- 滚筒干燥：一种用于生产低价值产品的低成本连续制程；产生的是薄片而不是自由流动的粉末。
- 脉冲燃烧干燥：一种成本较低的连续工艺，比喷雾干燥可以处理更高的黏度和固体负荷，有时可产生自由流动的粉末（质量可媲美冷冻干燥）。

所有喷雾干燥机都使用某种类型的雾化器或喷嘴将液体或浆液分散成可控液滴大小的喷雾。其中最常见的是旋转盘和单流体高压旋流喷嘴。众所周知，雾化器轮可提供更广泛的粒径分布，但这两种方法都能实现一致的粒径分布。另外，在某些应用中，也可以使用双流体喷嘴或超音波喷嘴。根据制程要求，透过适当的选择可以实现 10 至 500 μm 的液滴尺寸。最常见的应用是直径 100 至 200 μm 的范围。干粉通常是自由流动的。

喷雾干燥机采用液体流，将溶质或悬浮液分离为固体，将溶剂分离为蒸气。固体通常被收集在滚筒或旋风分离器中。液体输入流经由喷嘴喷入热蒸汽流并蒸发。水分迅速脱离液滴，形成固体。通常使用喷嘴使液滴尽可能小，从而最大限度地增加表面积，提高热传递和水的蒸发率。根据喷嘴的不同，液滴尺寸范围从 20 到 180 μm。喷嘴主要有两种：高压单流体喷嘴（50 至 300 巴）和双流体喷嘴：一种流体是需要干燥的液体，另一种流体是压缩气体（通常为 1 至 7 巴的空气）。最常见的喷雾干燥机类型是单效喷雾干燥机。腔室顶部有一个干燥空气源。大多数情况下，空气吹向与喷洒液体相同的方向（并流）。虽然可以产生细粉末，但流动性差并且会产生大量粉尘。为了克服灰尘问题和粉末流动性差的问题，已经开发出一种称为多效喷雾干燥器的新一代喷雾干燥器。液体的干燥不是一次性完成的，而是分两个步骤进行：第一步在顶部（按照单效），第二步在腔室底部使用整合的静态床。床层提供潮湿的环境，使较小的颗粒聚集在一起，产生更均匀的粒径（通常在 100 至 300 μm 范围内）。

第一阶段干燥产生的细粉可以在腔室顶部（喷洒液体周围）或底部（整合流化床内部）以连续流动的方式回收。粉末的干燥可以在外部振动流化床上完成。

热干燥气体可以并流方式（与喷雾液体雾化器同向）或逆流方式（热空气与雾化器流向相反）进入。采用并流流动时，颗粒在系统和颗粒分离器（通常是旋风装置）中停留的时间较少。采用逆流流动时，颗粒在系统中停留的时间较长，通常与流化床系统配对使用。并流通常可以使系统更有效地运作。

在制药过程中，喷雾干燥技术将活性药物成分均匀分散到聚合物基质中，从而制造无定形固体分散体。这种状态将使活性化合物（药物）处于更高的能量状态，从而促进药物种类在患者体内的扩散。

喷雾干燥经常被食品和其他行业用于微囊化。将要封装的物质（负载）和两亲载体（通常是某种化制淀粉）于水中同质化为悬浊液（浆料）。然后将浆料送入喷雾干燥器（通常有一个加热到高于水沸点温度的塔）。浆料进入塔内时就会被雾化。水的高表面张力，以及两亲性载体、水和负载物之间的疏水/亲水相互作用，会使雾化后的浆料形成胶束。由于液滴尺寸较小（平均直径为 100微米），因此表面面积相对较大，干燥速度很快。当水分干涸后，载体会在负载周围形成一个坚硬的外壳。

负载损失通常与分子量有关。也就是说，在加工温度下，较轻的分子往往会大量沸腾。透过喷入更高的塔，工业上可以最大限度地减少损失。随着过程的进行，空气量越大，平均湿度越低。根据渗透原理，水会因为气相和液相的逸度差异而离开胶束进入空气中。因此，如果使用较大的塔，则可以在较低的温度下从颗粒中干燥出相同比例的水。或者，可以将浆料喷入部分真空中。由于溶剂的沸点是溶剂的蒸气压等于环境压力时的温度，因此降低塔内压力可以降低溶剂的沸点。

喷雾干燥微囊化技术亦应用于制备不含任何水分的物质的“脱水”粉末。例如，即溶饮料粉末含有各种化学物质的喷雾干燥物。该技术亦曾被用来去除食品中的水分。其中一个例子就是脱水牛奶的制备。由于牛奶未封装且喷雾干燥会引起热降解，牛奶脱水和类似过程已被其他干燥技术所取代。脱脂奶粉仍广泛采用喷雾干燥技术生产，通常以高固体浓度生产，以达到最大干燥效率。为了避免产品在干燥过程中热降解，工厂会透过降低操作温度、增加腔室尺寸来增加停留时间。

最近的研究表明，使用喷雾干燥技术可能是干燥过程中非晶态粉末结晶的替代方法，因为温度对非晶态粉末的影响可能很大，具体取决于干燥停留时间。

### 间接或接触干燥（透过热壁加热）

此方法例子有滚筒干燥、真空干燥。同样，较高的壁温会加速干燥，但会受到产品降解或表面硬化的限制。使用回转烘干机的滚筒干燥属于此类。

### 介电干燥

介电干燥（射频或微波在材料内部被吸收）是当今热切研究的重点。它可用于辅助空气干燥或真空干燥。研究人员发现，微波精细干燥可以加快传统干燥方法结束时非常低的干燥速度。真空微波干燥技术曾被用于实验性制造美国陆军近战突击口粮。

### 冷冻干燥

在冷冻干燥中，溶剂在干燥之前被冷冻，然后升华，即在溶剂熔点以下直接从固相传递到气相。它越来越多地应用于干燥食品，超越了其传统的制药或医疗应用。它保持了蛋白质的生物特性，并保留了维生素和生物活性化合物。可以透过高真空帮助降低压力（尽管在干燥空气中可以在大气压力下进行冷冻干燥）。如果使用真空泵，升华产生的蒸气会在冷冻干燥室外以极低温度运作的冷凝器中转化为冰，从而从系统中移除。

### 超临界干燥（过热蒸汽干燥）

也称为临界点干燥，是一种以精确且可控的方式去除液体的过程，涉及含水产品的蒸汽干燥。它可用于生产微机电系统、香料干燥、气凝胶生产、咖啡脱咖啡因处理以及生物样本制备。在该过程，产品中的水被煮沸，并与干燥介质结合，增加了其流动性。它通常用于闭式回路，并允许透过再压缩回收一定比例的潜热，而这项功能是传统空气干燥无法实现的。

当液体中的物质跨越液体到气体的边界时（见相图中的绿色箭头），液体以有限的速率转变为气体，而液体的量则减少。当这种情况发生在异质环境中时，液体中的表面张力会拉动液体可能接触的任何固体结构。当液-气-固体连接处移动时，诸如细胞壁、硅胶中的树枝状晶体以及微机电设备的微型机械等精密结构往往会因这种表面张力而断裂。冷冻干燥和超临界干燥则可将液体间接变为气体，避免样品因直接跨越气液平衡而受上述破坏。其中冷冻干燥使用了低温、低压（即相图中的蓝色箭头），然而有些结构亦会被升华过程（即经过固气边界时）破坏。而超临界干燥则透过使用高温、高压（即相图中的红色箭头），使液体经过超临界流体的状态后才变为气体。这种路径不跨越任何相边界，而是经过超临界区域，此时气体和液体之间的差异不再适用。在干燥的临界点，液相和气相的密度变得相等。

### 自然风干

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自然风干是指用未加热的空气流对具自然干燥潜力的材料进行干燥。过程缓慢且依赖天气，空气温度、相对湿度、以及被干燥材料的水分含量和温度均会影响干燥的速度。谷物干燥就常使用此方法，总时间可能持续一周到数月在寒冷地区，若干燥过程因冬季而暂时中止，总干燥需时则可达数月）。

## 应用

### 制造薄膜

在涂料和黏合剂产业中，干燥用于固化溶剂型薄膜。在某些情况下，可以产生高度结构化的薄膜。例如，含有螺旋聚合物的溶液中的溶剂蒸发会形成高度有序的压扁环形结构阵列。

### 食材

对食物进行干燥可抑制微生物的生长和避免品质下降。然而，干燥的程度取决于产品的最终用途。谷物和油籽收获后要进行干燥，以确保其在储存期间微生物的稳定性。蔬菜在干燥前要进行焯水，以避免其快速变黑，干燥不仅是为了抑制微生物的生长，也是为了避免在储存过程中变褐。对于干果来说，水分的减少与其酸和糖的含量结合，可以防止微生物的生长。奶粉等产品必须干燥至非常低的水分含量，以确保流动性并避免结块。此湿度低于确保抑制微生物生长所需的湿度。其他产品（如饼干）的干燥程度超过了微生物生长阈值，从而赋予了其酥脆的质地。

### 非食材产品

在非食品产品中，需要干燥的产品包括木材（作为木材加工的一部分）、纸张、亚麻和洗衣粉。前两种由于其来源是有机物，如果干燥不充分，可能会发霉。干燥的另一个好处是减少体积和重量。

### 卫生处理

在卫生领域，对污水处理厂产生的污泥、尿液分集干式厕所（UDDT）收集的粪便污泥或粪便进行干燥是杀死病原体的常用方法，因为病原体只能忍受一定的干燥程度。此外，如果要焚烧排泄物材料，干燥也是必要的制程步骤。