實用乾燥技術

第一章　緒章
人類早在穴居時代就知道利用太陽熱在晒乾魚獲或穀物來久存食物，也利用陽光的熱能來去除洗濯捏乾後留存在衣裳的水分，這時蒸發的水蒸氣就被風（流動的空氣）吹走。像這樣注入熱能以蒸發方式去除固體（或固粒）裡，或濃縮液中的水分，獲得低含水率產品的操作就是一般人所知的乾燥操作（Drying），隨著人類學會利用火，就更進一步把周遭的草木用天日晒乾後做燃料，來烘乾穀物來保存，或在調製草藥藥材等，圖1-1揭示三種古人利用天日晒乾食物之例。
1.1乾燥的定義
廣義的乾燥是指從物質去除水分（或溶劑）的操作，但這麼說，連沉降濃縮、過濾、壓搾或蒸發等固液分離和濃縮操作都可屬於乾燥了，因此，在化學工程裡的「乾燥」一詞就狹義很多，只指如圖1-2所示，利用對流或傳導或輻射熱傳注入熱能於被乾燥物再經由蒸發或昇華方式從溼潤物質去除相對少量的水分（或溶媒），讓它轉成低含水（液）率（或全乾）的乾燥產品的操作稱謂乾燥。因此，乾燥操作常被安排在整個製造程序的最後階段，完成乾燥就逕送至包裝成商品或儲存。一般而言，應用過濾、沉降、壓榨等利用機械手法分離去除水分所耗的能源比乾燥利用熱能去除水分的省能很多，只是平常這些機械脫水只能將其含液率降到20～40%，如目前家庭的洗衣機水洗洗好後的溼衣服都會借助離心脫水將其含水率只能降到15～20%，需再用熱風乾燥烘乾就是這個緣故。但如想藉乾燥來保存食品，就得把其含水率降到5%以下才可有效避免食材的酸敗，如要更低的含液率（如0.5%）就不得不借助乾燥操作來達才可。乾燥不像蒸發處理的對象只限於溶液，其要處理的對象溼潤時的材料物性，形態的多樣，包括木板、粉粒狀（particulates）、糊泥狀（pastes）、液狀（liquid）、薄片狀（flake）、長薄片（sheet），至如陶器成形固體狀，或未乾塗膜等多類，故要乾燥這些材料的乾燥方法及乾燥裝置機型也是千變萬化，圖1-3，表1-1舉例列示乾燥操作依被乾燥的溼潤材料的物性，形態的多樣性及可選用的各種乾燥裝置的機型例供參考。
從氣體去除水分雖有時也被包含在乾燥的範圍，但正確來分，它該屬於除溼（Dehumidification），或一種吸附操作（Adsorption）。
近年來在一些產業（如干漆、塗膜等）裡，把流動狀態的液體固體化成塗膜的操作也涵蓋在乾燥，在此固體化的過程除了蒸發某些液相物質的外也發生因氧化，聚合，或架橋等化學反應發生促成液狀物質的固化，除了被含在乾燥討論外，也有人稱此過程為硬化，另闢領域探討。
此外，於蒸發水分的目的除了除去原物質的水分外，尚有調節該物質的含水率亦被歸在廣義的乾燥操作。
1.2乾燥操作的目的
於化工程序裡，狹義的乾燥操作的目的常是為了：
1. 減少重量或將產品成為不含多餘的水分之固粒以減輕搬運和減少包裝費用。
2. 確保產品的商品品質，讓消費者易於使用或辨識商品品質，如洗衣粉（液狀洗衣劑很難辨識有效成分濃度）。
3. 可讓乾燥產品具有某些特性、機能，或容易使用，如牛奶乾燥成奶粉後可久存，食鹽結晶乾燥後將有良好的流動性，方便於添加時較能確實撑握添加量。
4. 避免腐蝕、酸敗，如氯氣去除水分後可用鐵質容器；又如生技產品含水率低於10%，即可抑制其活性，或降低含水率以抑制其含有的酵素失去掀起化學反應的能力，故為防止生技產品不腐敗時，多將其含水率降低到5%以下。
1.3乾燥裝置
乾燥操作過程從化學工程科學的觀點來說，它和加冷水調溼一樣屬於同時涉及固液相之相變化，且同時進行熱質傳的複合輸送現象，而能依經濟條件下乾燥某些進料量的裝置就稱為乾燥裝置（或乾燥器），如實驗室常見的乾燥箱，裝置中較少有可動或小型機械部分的乾燥裝置就歸類稱為乾燥器，而裝置中有規模較大，或有較多可動機械部分的設備的乾燥裝置就稱為乾燥機或乾燥裝置。涉及如何設計、操作乾燥裝置的相關科技就屬於乾燥技術（工程）。
如上所述，乾燥是熱、質兩種輸送現象同時進行的複合輸送操作，無論以什麼手法，只要能注入熱能於溼潤被乾燥物，經過一段時間，總會把被乾燥物裡的水分乾燥到所要的低含水率，但如想以最低的建設費、最省的能量，且在不損傷環境可安全操作的乾燥裝置就不能不注意構成所使用的乾燥裝置的三樣要素：(1)物質與熱媒（熱風）氣流的接觸方式；(2)如何注入熱能於溼潤材料；(3)如何從乾燥裝置排除汽化後所生成的水蒸氣。至於乾燥方法和乾燥裝置的分類就容留在第六章另章討論。

第一章　緒章
人類早在穴居時代就知道利用太陽熱在晒乾魚獲或穀物來久存食物，也利用陽光的熱能來去除洗濯捏乾後留存在衣裳的水分，這時蒸發的水蒸氣就被風（流動的空氣）吹走。像這樣注入熱能以蒸發方式去除固體（或固粒）裡，或濃縮液中的水分，獲得低含水率產品的操作就是一般人所知的乾燥操作（Drying），隨著人類學會利用火，就更進一步把周遭的草木用天日晒乾後做燃料，來烘乾穀物來保存，或在調製草藥藥材等，圖1-1揭示三種古人利用天日晒乾食物之例。
1.1乾燥的定義
廣義的乾燥是指從物質去除水分（或溶劑）的操作，但這麼說，...

序
「乾燥」是個古老又普遍的單元操作之一，從穴居時代的曬衣及火烤魚獲等，至今日的農業、食品、中藥製劑、製紙、礦冶、石化工業、陶磁、木材、甚至電子工業光碟的生產上等眾多行業裡扮演極重要的角色。由於含溼材料在形態及物性上的各有所異，再加上裝置機制及構造的千變萬化，讓「乾燥」成了常用卻不易了解，也不容易用數學和輸送現象的理論來解析的單元操作之一，因此，乾燥至今仍屬於技藝、科學及經驗等共構的科技。有關「乾燥」操作的描述及探討，雖有一些著名學者為此著書，但因層次頗深且複雜，對從不曾接觸過「乾燥」的現埸技術人員實無法在短時間內了解。為解決此困難，在日本等外國就有專家為現場技術者進行評估建議，有時會用乾燥技術入門書來幫忙經驗較淺的現場技術員。在國內，臺大農學院生物產業機電工程系馮丁樹教授很用心在乾燥穀物和食品等留下很多好教材，但因缺少該領域的專家及專業書藉，幾無繁體中文的乾燥成書供國內現場技術員參考。有鑒於此，筆者不顧才疏識淺，憑藉早年曾設計過多段懸浮床乾燥機，再加上多年來對乾燥的偏愛，也研讀了不少乾燥相關書籍、資料等，於是發心編寫此乾燥技術入門書，祈此書能提供在國內的第一線技術同仁能在短時間內了解乾燥相關的基礎知識，應用於選擇、概估及設計所需的乾燥設備或合理改善既有的乾燥裝置的操作的參考。
全書共23章，可分六部分。第1部分，第1章至第5章，涵蓋簡介和乾燥有密切關係的溼度以及乾燥用詞、基礎知識等，如什麼是乾燥？為什麼會乾？乾燥的過程、機制？如何在溼材料中注入熱能乾燥？這部分對略通乾燥的技術人員也有相當助益。
在第2部分，第6章至第7章，簡介各式各樣的乾燥方法及乾燥器的分類，第8章藉材料靜置為例，解說乾燥器的基本設計方法。第3部分，第9章至第19章，共十一章，包含具代表性乾燥器的概要、特性、基本理論、設計方法及適用性，並用實例介紹常見的乾燥裝置，讓當事人可依自己處理的材料找出合適的機種與操作條件。
第4部分，第20章，全章討論乾燥裝置系統的熱效率，解折不同操作方式熱效率高低的現象，並舉例解說如何提昇乾燥操作系統的熱率進而達成省能的目標。第21章則用全章詳介乾燥裝置必備的熱源、熱交換器、流體體輸送機及供料器等輔助設備。
第5部分，第22章，分別解說乾燥操作常遇到的塵爆、靜電、火災等災害的原因現象，並介紹防止對策，在此章後半則詳解防塵及噪音汙染的現象和防止對策。
最後第6部分，蒐集在乾燥操作中常出現的問題，舉例說明發生的原因及解決困擾的對策。
編撰此書筆者首先得感謝1957年大學剛畢業時，在工作上受命改善既有的滾筒迴轉乾燥機及另設計新乾燥器以應倍增產量時，承蒙京都大學桐榮良三教授親切地惠寄他們剛研究完成以多段多孔板式流體化床烤小麥機的報告和指教，和臺大化工系陳成慶教授多方指教，讓一個剛大學畢業的筆者能經設計、試驗、改善，完成多段多孔板式流體化床乾燥MSG的新乾燥裝置，加入現場生產，亦從此與乾燥結了緣。撰此書過程亦借重了不少有關之乾燥相關的入門書籍，如：桐榮良三，乾燥裝置、乾燥裝置マニュル；亀井三郎，新版化學機械の理論と計算；國井大藏所編著的，熱的單位操作 Vol, II、乾燥技術ハンドブック；中村正秋、立元雄治，初步から學ぶ乾燥技術；田門 肇，乾燥技術入門；高橋敢一，Ch14，乾燥裝置、化學裝置ハンドブック與此領域諸先進所發表之論文或著書。沒有前人們精闢的貢獻，筆者也難以完成編撰，在此特別再對諸位先進之貢獻表示由衷的感謝和敬佩。另外，筆者也藉此感謝摯友日本東工大小川浩平教授費心地從日本古書店購贈國井大藏教授所編，已絕版的《乾燥技術便覽》一書的厚誼。
完成此稿之際，筆者擔心找不著有意願出版的書商，倖有五南圖書公司仗義允印這本乾燥的入門書。在此筆者對五南出版公司對國內科技圖書的支持與愛心伸表敬佩與萬分的感謝。編者也藉此機會對臺大化工系多年來在工作上賦予已退休多年的筆者照顧與支持深表衷心的感謝。

序
「乾燥」是個古老又普遍的單元操作之一，從穴居時代的曬衣及火烤魚獲等，至今日的農業、食品、中藥製劑、製紙、礦冶、石化工業、陶磁、木材、甚至電子工業光碟的生產上等眾多行業裡扮演極重要的角色。由於含溼材料在形態及物性上的各有所異，再加上裝置機制及構造的千變萬化，讓「乾燥」成了常用卻不易了解，也不容易用數學和輸送現象的理論來解析的單元操作之一，因此，乾燥至今仍屬於技藝、科學及經驗等共構的科技。有關「乾燥」操作的描述及探討，雖有一些著名學者為此著書，但因層次頗深且複雜，對從不曾接觸過「乾燥」的現埸技術...

目錄
第一章　緒章
1.1 乾燥的定義
1.2 乾燥操作的目的
1.3 乾燥裝置
1.4 乾燥操作的特異性
1.5 溼潤材料的含水（液）率的表示方式
1.6 存在於溼潤材料裡的水分外觀形態
1.7 乾燥條件
1.8 平衡含水率
1.9 結合水、非結合水與自由含水率
1.10 煆燒、風化和潮解
1.11 乾燥操作的加熱方式
參考文獻
第二章　溼潤氣體的物性與溼度表
2.1 溼空氣的各種性質
2.2 溼空氣物性圖
2.3 非空氣—水系的溼度
參考文獻
第三章　乾燥的過程、機制與與乾燥特性曲線
3.1 乾燥的過程與機制
3.2 乾燥速率
3.3 溼潤材料內水分的狀態與移動機制
3.4 乾燥方法對材料的乾燥特性的影響
參考文獻
第四章　恆率乾燥階段與臨界含水率
4.1 恆率乾燥階段及其生成
4.2 加熱方法與恆率乾燥速率
4.3 影響恆率乾燥速率的操作變數—都屬於外部因素
4.4 臨界含水率
4.5 溼潤材料內水分的移動與臨界含水率的關係
4.6 溼潤材料內部水分的擴散係數
參考文獻
第五章　減率乾燥階段
5.1 減率乾燥階段—減率乾燥速率的估算
5.2 減率乾燥階段材料內水分的移動機制
5.3 穿流式乾燥的減率乾燥速率
5.4 縮短乾燥時間的方法
參考文獻
第六章　乾燥方法與乾燥裝置的分類
6.1 乾燥溼潤材料的方法
6.2 乾燥裝置的分類
參考文獻
第七章　選擇乾燥裝置流程與需檢討事項
7.1 溼潤材料的特性
7.2 選擇乾燥裝置需考慮的背景
7.3 了解乾燥裝置的構造與能力
7.4 考慮能源效率或環境保護，安全來選擇
7.5 初選合適的乾燥方法和機型
7.6 進行基礎乾燥試驗
7.7 中間工廠試驗
7.8 釐訂乾燥裝置的規格
7.9 裝置的代表尺寸的概估
參考文獻
第八章　材料靜置與搬送型乾燥裝置
8.1 批式材料靜置型乾燥器
8.2 連續式乾燥器的種類與其設計基本式
8.3 用Enthalpy-Humidity Chart描述乾燥程序
8.4 衝擊流（或噴射流）型乾燥器—捲狀長薄片的連續對流乾燥
參考文獻
第九章　穿流型乾燥器
9.1 批式穿流通氣乾燥（Batch Type Through Circulation Drying）
9.2 連續式穿流乾燥裝置
9.3 迴轉型連續式穿流乾燥裝置
9.4 穿流型傳導熱傳攪拌乾燥器
9.4.1 裝置概介
9.4.2 穿流型傳導熱傳攪拌乾燥器特點
9.4.4 適應材料
9.5 連續式豎型移動床穿流（十字流）乾燥器
參考文獻
第十章　機械攪拌乾燥器
10.1 圓筒型及溝槽型機械攪拌乾燥器
10.2 機械攪拌式真空乾燥器
10.3 多段迴轉圓盤乾
參考文獻
第十一章　流體化床乾燥器
11.1 流體化
11.2 流體化床乾燥器
11.3 流體化床乾燥器的適用範圍
11.4 乾燥操作時需注意事項—流體化床乾燥裝置的問題點與對策
參考文獻
第十二章　迴轉圓筒乾燥器
12.1 迴轉滾筒乾燥器
12.2 蒸氣管滾筒乾燥器
參考文獻
第十三章　氣流乾燥器
13.1 分類與特點
13.2 氣流乾燥器的適用範圍
13.3 設計氣流乾燥器的主要基準
13.4 氣流乾燥器的設計
13.5 氣流乾燥器的概估設計與經濟評估
參考文獻
第十四章　噴霧乾燥機
14.1 噴霧乾燥法
14.2 乾燥粉粒的性狀
14.3 乾燥室的大小
14.4 噴霧乾燥裝置的問題點
14.5 適用範圍
14.6 噴霧乾燥器大小的估計例
參考文獻
第十五章　傳導熱傳式滾筒連續乾燥裝置
15.1 滾筒乾燥
15.2 連續多段滾筒乾燥器
參考文獻
第十六章　凍結、真空乾燥
16.1 凍結乾燥
16.2 程序系統、乾燥操作程序
16.3 凍結乾燥的特點
16.4 乾燥速率
16.5 裝置的規劃和操作時的注意事項
16.6 冷凍乾燥器的分類與操作費
16.7 真空（減壓）乾燥
參考文獻
第十七章　微波與高週波乾燥
17.1 高週波加熱乾燥分類
17.2 介電加熱
17.3 高週波加熱
17.4 感應加熱（Induction Heating, IH）
17.4.1 原理簡介
17.4.2 感應加熱的特點
參考文獻
第十八章　過熱蒸氣、高溫高溼乾燥
18.1 過熱蒸氣乾燥與高溫高溼乾燥
18.2 過熱蒸氣乾燥的特點
18.3 過熱蒸氣的加熱方式
18.3 過熱蒸氣乾燥過程熱傳的特性
18.4 系統各部的構造
18.5 適用範圍
參考文獻
第十九章　輻射熱傳乾燥
19.1 遠紅外線乾燥
19.2 遠紅外線加熱／乾燥裝置的用途
19.3 紅外線燈源構造
19.4 設計紅外線爐的設計要項
19.4.1 爐體效率
19.4.2 材料利用率
19.5 紅外線加熱／乾燥裝置所需電力與燈泡的估計
19.6 凍結乾燥操作中的輻射加熱
參考文獻
第二十章　乾燥裝置的熱效率與省能對策
20.1 乾燥所需的熱量與熱效率
20.2 乾燥裝置的省能對策
20.3 選用、回收熱能（熱泵、熱交換），另覓低廉的熱能
20.4 尋覓替代熱源來乾燥
參考文獻
第二十一章　熱源與輔助設備
21.1 熱源
21.2 間接熱風產生裝置
21.3 粉粒體供料器
21.4 氣體輸送裝置
參考文獻
第二十二章　乾燥操作安全與防治環境汙染的對策
22.1 乾燥操作發生的爆炸、火災的統計例
22.2 爆炸性及可燃性物質
22.3 粉塵爆炸
22.4 靜電災害
22.5 粉塵對健康的影響
22.6 乾燥操作環境的除塵
22.7 含有害氣體的排氣的處理
22.8 其他
參考文獻
第二十三章　乾燥操作常見的一些困擾問題與對策
23.1 乾燥產品含水率或品質不均勻
23.2 乾燥機制與品質變質．變色
23.3 熱風對流乾燥裝置常見的問題與對策
23.4 傳導熱傳乾燥裝置常見的問題與對策
23.5 乾燥裝置的腐蝕，或磨耗與堵塞
參考文獻
附錄
參考文獻
主要共通符號
索引

目錄
第一章　緒章
1.1 乾燥的定義
1.2 乾燥操作的目的
1.3 乾燥裝置
1.4 乾燥操作的特異性
1.5 溼潤材料的含水（液）率的表示方式
1.6 存在於溼潤材料裡的水分外觀形態
1.7 乾燥條件
1.8 平衡含水率
1.9 結合水、非結合水與自由含水率
1.10 煆燒、風化和潮解
1.11 乾燥操作的加熱方式
參考文獻
第二章　溼潤氣體的物性與溼度表
2.1 溼空氣的各種性質
2.2 溼空氣物性圖
2.3 非空氣—水系的溼度
參考文獻
第三章　乾燥的過程、機制與與乾燥特性曲線
3.1 乾燥的過程與機制
3.2 乾燥速率
3.3 溼潤材料內水分的狀態與移...