粉體干燥-造粒-微波加熱干燥新工藝路線的探討（1）
信息來源： | 發(fā)布日期：
2024-12-29 06:45:41
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劉傳義 奚天鵬 何士安
（南京工業(yè)大學(xué)造粒機(jī)械研究所 江蘇 南京 210009）
摘 要：本文從討論粉體干燥、粉體造粒、顆粒干燥等技術(shù)特性出發(fā)，試圖科學(xué)地建立一條新的粉體前期干燥—造粒—微波加熱干燥工藝路線。即開始將物料進(jìn)行恒速階段的干燥，使物料除去大部分的濕分，成為濕含量低于20%（濕基）的物料。低濕含量的物料用壓力法造粒，此時(shí)不僅易于成粒，成粒率高，且顆粒粒度均勻，強(qiáng)度高。低濕含量的顆粒物料，用微波加熱進(jìn)行干燥。微波加熱的特點(diǎn)使顆粒內(nèi)部的濕分迅速排除，從而獲得合格濕分要求的產(chǎn)品。文章全面地討論了新工藝路線的科學(xué)性、技術(shù)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞：粉體干燥；造粒；微波干燥
1. 概述
隨著工業(yè)發(fā)展的需要，在化工，食品，醫(yī)藥，電子，塑料生物化工等工業(yè)部門應(yīng)用粉體物料種類越來越多，且粒度越來越細(xì)。如超細(xì)碳酸鈣的顆粒度為5μm，二氧化鈦3μm，食品黃、酒石黃10μm，白云石15μm，黃色氧化鐵5μm，硅酸鋁20μm，淀粉白碳黑45μm等等?，F(xiàn)代快速發(fā)展超細(xì)粉體——納米粉體。粒度很細(xì)的粉料其堆積密度很小，重量輕，在操作過程中易飛揚(yáng)，不僅造成物料損失且污染了環(huán)境，其中有刺激有毒的細(xì)粉逸出，對環(huán)境會造成嚴(yán)重危害。因?yàn)榧?xì)粉末的堆積密度小，不便運(yùn)輸。微細(xì)的化學(xué)肥料施于田里易于流失，這樣就產(chǎn)生了不利的一面，那么就有了把細(xì)小粉末聚集成較大的實(shí)體——造粒的需求。造粒方法有滾動法和壓力法。滾動造粒是將松散的濕物料（細(xì)粉和適量的潤濕液）加入制粒裝置內(nèi)，攪拌翻動，初始形成團(tuán)粒核心。隨后，核心以團(tuán)聚和包層兩種方式長大，團(tuán)聚的顆粒球形不規(guī)則，表面粗糙。包層制粒表面光滑呈球形，斷面為一層包一層的“洋蔥皮”結(jié)構(gòu)，可以控制操作條件，使其中一種方式成為造粒的主導(dǎo)，形成光滑規(guī)則的強(qiáng)度高的球形顆粒。攪拌混合造粒、噴霧流化造粒等方法均是松散濕物料或膏狀或熔融的物料、溶液、漿狀的物料。壓力法造粒是將濕含量較低的細(xì)粉物料在壓片機(jī)、滾壓機(jī)、輥壓機(jī)、螺旋擠壓機(jī)等造粒機(jī)中受壓力或主要受剪切力被壓實(shí)成粒。其中輥壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)壓造粒。壓力范圍為2.5MPa~560MPa，可將粉末壓得很密實(shí)，使粉末間分子力起主導(dǎo)作用，使顆粒獲得較大的抗拉、抗壓、抗磨耗強(qiáng)度。近四十年來對上千種細(xì)粉干物料進(jìn)行強(qiáng)壓造粒實(shí)驗(yàn)，均獲得造粒成功的數(shù)據(jù)。但對那些濕含量很低（如低于0.2%）、粒度很細(xì)（d97<45um）、堆積密度很小(<200kgm-3)、孔隙率大、內(nèi)摩擦力小、流動性好的細(xì)粉物料進(jìn)行壓力法造粒是較困難的。不但耗能大，且成粒率低，單機(jī)產(chǎn)量低。如果在上述特性的物料中加入相應(yīng)的適量的濕潤劑，則造粒條件大為改善，如無需很強(qiáng)的造粒壓力就能實(shí)現(xiàn)成粒率高，單機(jī)產(chǎn)量大，環(huán)境無粉塵飛揚(yáng)等目的。不過顆粒中會含有一定量的濕分。顆粒表面沒有自由水分，內(nèi)部濕分的遷移成為控制因素，此時(shí)外部可變條件無法改變強(qiáng)化干燥速率，即顆粒干燥需要很長時(shí)間，耗費(fèi)很多能量。如果采用微波加熱干燥低濕含量的顆粒物料，可快速得到所需的干度均勻的顆粒成品。據(jù)此提出如下粉體前期恒速干燥階段（即將粉體干至含水量低于20%）——對輥壓力法造?！w粒微波加熱干燥的造粒干燥路線。這樣的造粒干燥路線科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)效益高。
2. 粉體造粒前期干燥——終濕含量控制在10%~20%
多數(shù)粉體是由固體物料的溶液、濾餅、膏狀原料經(jīng)干燥后得到的平均粒徑小于100μm以下的干粉。如化肥、染料及其助劑、食品及其助劑、聚合物樹脂等粉體，它們都由初含濕量（30%~80%）干燥為終含濕量0.02%~9%的干粉，其平均粒徑在5μm~50μm范圍內(nèi)，要求干燥器蒸發(fā)強(qiáng)度很高。大部分時(shí)間是花費(fèi)干燥^后的20%水分。如白炭黑粉，由膏狀含水80%，干燥至含水為6%的粉體，其粒徑為45μm，堆積密度為240kgm-3，在強(qiáng)化沸騰干燥器中進(jìn)行干燥，干燥器直徑為150mm，進(jìn)氣溫度為300oC，每小時(shí)產(chǎn)量為5kg。黑炭黑由膏狀含水92%干燥至含水為2%的粉體，在強(qiáng)化沸騰干燥器進(jìn)行干燥，干燥直徑為150mm，進(jìn)氣溫度為300oC，每小時(shí)僅能獲得1.3kg的干粉。根據(jù)干燥機(jī)理和實(shí)驗(yàn)干燥曲線分析可知，恒速干燥階段，熱空氣的熱量傳至物料表面，使表面自由水分迅速蒸發(fā)，表皮水分降低，物料開始升溫，并在其內(nèi)部形成溫度梯度，熱量由外部傳至內(nèi)部，濕分從物料內(nèi)部向表面遷移，濕分遷移的動力主要靠擴(kuò)散、毛細(xì)流和由于干燥過程物料體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力。所以在臨界濕含量出現(xiàn)至物料干燥到很低的^終濕含量時(shí)，內(nèi)部濕分遷移成為控制因素。一些外部可變量如熱空氣的用量，溫度無法強(qiáng)化其濕分遷移速率，只有施加振動、脈沖、超聲波等手段促進(jìn)其內(nèi)部濕分的擴(kuò)散。所以一般物料在濕含量低于20%時(shí)，干燥是困難的，稱為降速干燥階段。在此階段干燥時(shí)間長，消耗能源多。為降低一般干燥器的負(fù)荷，另一方面為保有物料特定濕含量要求，已便于加工、成型或造粒。目前世界各國為減少原材料的損失和粉塵對環(huán)境的污染，要求將粉體原料進(jìn)行造粒，粒度在20目至8mm范圍內(nèi)。當(dāng)粉體物料含濕量在10%~20%^有利于壓力法造粒。對高濕含量的物料用對流、傳導(dǎo)、輻射對物料加熱干燥，完成恒速干燥階段（即終含水量在10%~20%間）即終止，得到的松散的濕物料進(jìn)行造粒。此種物料易于成粒，而且顆粒均勻，無粉塵飛揚(yáng)，即物料損失小，環(huán)境^。
3. 粉料壓力法造粒
20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行粉體的造粒研究，上千家客戶送來幾千種干粉物料進(jìn)行造粒實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)對這些物料不加任何粘結(jié)劑進(jìn)行造粒實(shí)驗(yàn)，稱為強(qiáng)壓干法造粒，取得了可喜成果。絕大部分干粉能制強(qiáng)度合格的各種不同尺寸的顆粒，但成粒率不是很高，有些干粉在強(qiáng)壓下（350MPa~560MPa）進(jìn)行造粒，其成粒率不到70%，返料在30%以上，因此單機(jī)造粒產(chǎn)量受到影響，而且在造粒工程中，篩分時(shí)粉塵飛揚(yáng)，環(huán)境受到污染。如果在干粉中加入10%左右的液體粘結(jié)劑（如水、有機(jī)溶劑等），用對輥壓力機(jī)連續(xù)輥壓造粒過程^順利，不但成粒率高，且粒度均勻、強(qiáng)度高，制粒過程無粉塵飛揚(yáng)。
另外濕法滾動造粒時(shí)，要求松散的濕物料含濕量在10%到20%，^多達(dá)30%，粉料的粒度分布有嚴(yán)格的要求，如^大粒徑為30~50目，至少要有25%細(xì)粉粒徑小于200目。鐵礦石造粒的給料中，小于325目細(xì)粉應(yīng)占40%~80%。而濕含量為10%左右細(xì)粉用輥壓力機(jī)連續(xù)造粒就沒有這方面的要求。壓力范圍在2.5~140MPa，即可成粒，能耗大大降低，耗能量為（2~4）kw/ht。如果不在造粒前另加粘結(jié)劑、潤滑劑、增塑劑、潤濕劑、殺菌劑等，而直接用未干透的濕物料（濕量在10%~20%間）用輥壓連續(xù)造粒不僅科學(xué)合理且具有很明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
4. 微波加熱對顆粒物料進(jìn)行^終干燥
微波加熱人們已不陌生，家用微波爐，城市居民應(yīng)用得非常熟練。尤其對熟食品的再加熱，大家都體會到微波加熱速度快，如加熱饅頭、面包、包子時(shí)，會對上述食品先在水中浸一下，再放在微波爐加熱，這樣不但加熱時(shí)間短，而且包子、饅頭松軟不會變硬。在微波爐內(nèi)為什么濕饅頭比干饅頭熱及快？為什么松軟而不變硬？要回答這些問題，應(yīng)了解微波與物料相互關(guān)系及微波加熱的特點(diǎn)。
所謂微波就是頻率范圍在3×108Hz~3×1011Hz間，波長在1m~1mm間的電磁波。物質(zhì)與電磁波間有下列相互關(guān)系：
（1）導(dǎo)體：這類物質(zhì)反射電磁波，如微波爐的金屬殼體，貯存微波能，使微波不泄露。
（2）絕緣體：這類物質(zhì)不反射也不吸收微波，對微波是透明的，如微波碗、盒，都用絕緣體如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯樹脂等做成的。
（3）介電體：這類物質(zhì)不同程度吸收微波能轉(zhuǎn)換為熱能，其中水的介電參數(shù)^大，即^易吸收微波能轉(zhuǎn)換為熱能。
（4）鐵氧體：這類物質(zhì)也吸收、反射、穿透電磁波，同電磁波的磁場分量發(fā)生作用，產(chǎn)生熱量。
一般的粉體物料均為介電體，其濕分多為水或有機(jī)溶劑，如乙醇等，濕分的介電參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體的介電參數(shù)，如水在80左右而干砂只有2.55，可以簡單地說，水吸收微波能的能力比干砂高30多倍。可認(rèn)為微波加熱干燥時(shí)，微波能大部分消耗在欲除去的濕分中。
微波具有波粒二象性，根據(jù)量子理論，電磁輻射的能量不是連續(xù)的，而是一個(gè)個(gè)的“能量子”所組成，每個(gè)量子具有與其頻率成正比能量。
E=hf (1)
式中h=6.626×10-34J.S 普朗克常數(shù)。這種能量在介電體可以轉(zhuǎn)為熱能。能量轉(zhuǎn)化的機(jī)理有許多種，如離子傳導(dǎo)、偶極子轉(zhuǎn)動、界面磁化、磁滯、壓電、電致伸縮、核磁共振等。其中離子傳導(dǎo)和偶極子轉(zhuǎn)動是介電加熱主導(dǎo)原因。
離子傳導(dǎo)：帶電荷的粒子（如氯化鈉溶液中含有Na+、Cl-1 、(H3O)+、OH-1四種離子）在外電場作用下不會被加速，沿與它極性相反的方向運(yùn)動，在宏觀上表現(xiàn)為傳導(dǎo)電流，這些離子在運(yùn)動過程會與其周圍的其它粒子相碰撞，同時(shí)將動能傳給這些粒子，使其運(yùn)動加劇。如果是在高頻交變電場中，物料中的粒子就會發(fā)生反復(fù)的變向運(yùn)動，致使碰撞加劇，產(chǎn)生耗散熱而發(fā)生能量轉(zhuǎn)化，單位體積所產(chǎn)生的功率為：
(2)
式中：PV：單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的功率，W/m3；E：為電磁場強(qiáng)度矢量，V/m；σ：為導(dǎo)電率，S/m；
偶極子轉(zhuǎn)動：介電質(zhì)在外電場的作用下會產(chǎn)生位移極化（無極分子介電質(zhì)）和轉(zhuǎn)向極化（有極分子介電質(zhì)），如果在交變的外電場中，介電質(zhì)被反復(fù)極化，偶極子不斷地發(fā)生“取向”和“弛豫”，如此，由于分子的原有的熱運(yùn)動和相鄰分子間的相互作用，使分子隨外電場的規(guī)則運(yùn)動受到干擾和阻礙，產(chǎn)生“摩擦效應(yīng)”，結(jié)果一部分能量轉(zhuǎn)化為分子熱運(yùn)動的動能，以熱的形式表現(xiàn)出來，使物料溫度升高。
單位體積變化的功率為：
水是極性分子，它的相對介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它介電質(zhì)的相對介電常數(shù)，水的損耗因子與其它的介電質(zhì)的損耗因子相近，所以水的tanδ值^大，其它液體（如乙醇等一些有機(jī)溶劑）也呈較強(qiáng)介電特性。故含水和溶劑的濕物料均適合微波加熱干燥。這類濕物料在微波場中能“就地發(fā)熱，內(nèi)外同熱”濕物料中水分的溫度迅速升高，汽化。而固體粉料只消耗少量的微波能。
前文敘述的用輥壓法對濕含量為10%~20%的松散濕物料進(jìn)行連續(xù)制粒，既科學(xué)又經(jīng)濟(jì)，但顆粒中所含的濕分用什么加熱方法對其進(jìn)行干燥呢？據(jù)本文第二部論述已知，當(dāng)物料干燥恒速階段結(jié)束時(shí)，就進(jìn)入降速干燥階段，用對流、傳導(dǎo)、輻射加熱，無法強(qiáng)化干燥，只有微波能可有效地使內(nèi)部水分汽化。因?yàn)槲锪显谖⒉▓鲋小皟?nèi)外同熱”，物料內(nèi)部的水分很快達(dá)到沸點(diǎn)，發(fā)生高強(qiáng)度蒸發(fā)，物料的質(zhì)構(gòu)阻礙水分流動，故在物料內(nèi)部形成壓力梯度，由于“內(nèi)外同熱”表面熱量易散失，物料內(nèi)部形成正的溫度梯度和濕度梯度，三種狀態(tài)均能促使水分以液態(tài)、汽態(tài)或分子流的形式向物料表面移動。大大提高降速干燥階段的干燥速度，使很難干燥的物料能快速得到均勻的干燥。
微波加熱對顆粒狀、低濕含量的物料進(jìn)行干燥具有很多優(yōu)點(diǎn)，如干燥速度快，干燥均勻，節(jié)能，濕含量控制^。改善品質(zhì)（食品，藥品不會發(fā)生二次污染，且能滅菌）。那么微波干燥在國內(nèi)的發(fā)展情況如何呢？
