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粉體干燥-造粒-微波加熱干燥新工藝路線的探討(1)

2015-11-25 | 瀏覽量: 2215 常州市干燥設備廠有限公司
文章標簽:粉體干燥新工藝

劉傳義 奚天鵬 何士安
(南京工業大學造粒機械研究所 江蘇 南京 210009)
摘 要:本文從討論粉體干燥、粉體造粒、顆粒干燥等技術特性出發,試圖科學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,此時不僅易于成粒,成粒率高,且顆粒粒度均勻,強度高。低濕含量的顆粒物料,用微波加熱進行干燥。微波加熱的特點使顆粒內部的濕分迅速排除,從而獲得合格濕分要求的產品。文章全面地討論了新工藝路線的科學性、技術性、可靠性和經濟性。
關鍵詞:粉體干燥;造粒;微波干燥
1. 概述
  隨著工業發展的需要,在化工,食品,醫藥,電子,塑料生物化工等工業部門應用粉體物料種類越來越多,且粒度越來越細。如超細碳酸鈣的顆粒度為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。現代快速發展超細粉體——納米粉體。粒度很細的粉料其堆積密度很小,重量輕,在操作過程中易飛揚,不僅造成物料損失且污染了環境,其中有刺激有毒的細粉逸出,對環境會造成嚴重危害。因為細粉末的堆積密度小,不便運輸。微細的化學肥料施于田里易于流失,這樣就產生了不利的一面,那么就有了把細小粉末聚集成較大的實體——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(細粉和適量的潤濕液)加入制粒裝置內,攪拌翻動,初始形成團粒核心。隨后,核心以團聚和包層兩種方式長大,團聚的顆粒球形不規則,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”結構,可以控制操作條件,使其中一種方式成為造粒的主導,形成光滑規則的強度高的球形顆粒。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粉物料在壓片機、滾壓機、輥壓機、螺旋擠壓機等造粒機中受壓力或主要受剪切力被壓實成粒。其中輥壓機可實現強壓造粒。壓力范圍為2.5MPa~560MPa,可將粉末壓得很密實,使粉末間分子力起主導作用,使顆粒獲得較大的抗拉、抗壓、抗磨耗強度。近四十年來對上千種細粉干物料進行強壓造粒實驗,均獲得造粒成功的數據。但對那些濕含量很低(如低于0.2%)、粒度很細(d97<45um)、堆積密度很小(<200kgm-3)、孔隙率大、內摩擦力小、流動性好的細粉物料進行壓力法造粒是較困難的。不但耗能大,且成粒率低,單機產量低。如果在上述特性的物料中加入相應的適量的濕潤劑,則造粒條件大為改善,如無需很強的造粒壓力就能實現成粒率高,單機產量大,環境無粉塵飛揚等目的。不過顆粒中會含有一定量的濕分。顆粒表面沒有自由水分,內部濕分的遷移成為控制因素,此時外部可變條件無法改變強化干燥速率,即顆粒干燥需要很長時間,耗費很多能量。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%)——對輥壓力法造粒——顆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合理、經濟效益高。
2. 粉體造粒前期干燥——終濕含量控制在10%~20%
  多數粉體是由固體物料的溶液、濾餅、膏狀原料經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,要求干燥器蒸發強度很高。大部分時間是花費干燥^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,在強化沸騰干燥器中進行干燥,干燥器直徑為150mm,進氣溫度為300oC,每小時產量為5kg。黑炭黑由膏狀含水92%干燥至含水為2%的粉體,在強化沸騰干燥器進行干燥,干燥直徑為150mm,進氣溫度為300oC,每小時僅能獲得1.3kg的干粉。根據干燥機理和實驗干燥曲線分析可知,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,表皮水分降低,物料開始升溫,并在其內部形成溫度梯度,熱量由外部傳至內部,濕分從物料內部向表面遷移,濕分遷移的動力主要靠擴散、毛細流和由于干燥過程物料體積收縮而產生的內部壓力。所以在臨界濕含量出現至物料干燥到很低的^終濕含量時,內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,溫度無法強化其濕分遷移速率,只有施加振動、脈沖、超聲波等手段促進其內部濕分的擴散。所以一般物料在濕含量低于20%時,干燥是困難的,稱為降速干燥階段。在此階段干燥時間長,消耗能源多。為降低一般干燥器的負荷,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境的污染,要求將粉體原料進行造粒,粒度在20目至8mm范圍內。當粉體物料含濕量在10%~20%^有利于壓力法造粒。對高濕含量的物料用對流、傳導、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行造粒。此種物料易于成粒,而且顆粒均勻,無粉塵飛揚,即物料損失小,環境^。
3. 粉料壓力法造粒
  20世紀70年代開始進行粉體的造粒研究,上千家客戶送來幾千種干粉物料進行造粒實驗,當時對這些物料不加任何粘結劑進行造粒實驗,稱為強壓干法造粒,取得了可喜成果。絕大部分干粉能制強度合格的各種不同尺寸的顆粒,但成粒率不是很高,有些干粉在強壓下(350MPa~560MPa)進行造粒,其成粒率不到70%,返料在30%以上,因此單機造粒產量受到影響,而且在造粒工程中,篩分時粉塵飛揚,環境受到污染。如果在干粉中加入10%左右的液體粘結劑(如水、有機溶劑等),用對輥壓力機連續輥壓造粒過程^順利,不但成粒率高,且粒度均勻、強度高,制粒過程無粉塵飛揚。
  另外濕法滾動造粒時,要求松散的濕物料含濕量在10%到20%,^多達30%,粉料的粒度分布有嚴格的要求,如^大粒徑為30~50目,至少要有25%細粉粒徑小于200目。鐵礦石造粒的給料中,小于325目細粉應占40%~80%。而濕含量為10%左右細粉用輥壓力機連續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)用輥壓連續造粒不僅科學合理且具有很明顯的經濟效益。
4. 微波加熱對顆粒物料進行^終干燥
  微波加熱人們已不陌生,家用微波爐,城市居民應用得非常熟練。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,會對上述食品先在水中浸一下,再放在微波爐加熱,這樣不但加熱時間短,而且包子、饅頭松軟不會變硬。在微波爐內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,應了解微波與物料相互關系及微波加熱的特點。
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。物質與電磁波間有下列相互關系:
(1)導體:這類物質反射電磁波,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:這類物質不同程度吸收微波能轉換為熱能,其中水的介電參數^大,即^易吸收微波能轉換為熱能。
(4)鐵氧體:這類物質也吸收、反射、穿透電磁波,同電磁波的磁場分量發生作用,產生熱量。
  一般的粉體物料均為介電體,其濕分多為水或有機溶劑,如乙醇等,濕分的介電參數遠遠大于固體的介電參數,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。可認為微波加熱干燥時,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,根據量子理論,電磁輻射的能量不是連續的,而是一個個的“能量子”所組成,每個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。這種能量在介電體可以轉為熱能。能量轉化的機理有許多種,如離子傳導、偶極子轉動、界面磁化、磁滯、壓電、電致伸縮、核磁共振等。其中離子傳導和偶極子轉動是介電加熱主導原因。
離子傳導: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動,在宏觀上表現為傳導電流,這些離子在運動過程會與其周圍的其它粒子相碰撞,同時將動能傳給這些粒子,使其運動加劇。如果是在高頻交變電場中,物料中的粒子就會發生反復的變向運動,致使碰撞加劇,產生耗散熱而發生能量轉化,單位體積所產生的功率為:
hg (2)

式中:PV:單位體積內所產生的功率,W/m3;E:為電磁場強度矢量,V/m;σ:為導電率,S/m;
偶極子轉動:介電質在外電場的作用下會產生位移極化(無極分子介電質)和轉向極化(有極分子介電質),如果在交變的外電場中,介電質被反復極化,偶極子不斷地發生“取向”和“弛豫”,如此,由于分子的原有的熱運動和相鄰分子間的相互作用,使分子隨外電場的規則運動受到干擾和阻礙,產生“摩擦效應”,結果一部分能量轉化為分子熱運動的動能,以熱的形式表現出來,使物料溫度升高。
單位體積變化的功率為:
dg
水是極性分子,它的相對介電常數遠遠高于其它介電質的相對介電常數,水的損耗因子與其它的介電質的損耗因子相近,所以水的tanδ值^大,其它液體(如乙醇等一些有機溶劑)也呈較強介電特性。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“就地發熱,內外同熱”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%的松散濕物料進行連續制粒,既科學又經濟,但顆粒中所含的濕分用什么加熱方法對其進行干燥呢?據本文第二部論述已知,當物料干燥恒速階段結束時,就進入降速干燥階段,用對流、傳導、輻射加熱,無法強化干燥,只有微波能可有效地使內部水分汽化。因為物料在微波場中“內外同熱”,物料內部的水分很快達到沸點,發生高強度蒸發,物料的質構阻礙水分流動,故在物料內部形成壓力梯度,由于“內外同熱”表面熱量易散失,物料內部形成正的溫度梯度和濕度梯度,三種狀態均能促使水分以液態、汽態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、低濕含量的物料進行干燥具有很多優點,如干燥速度快,干燥均勻,節能,濕含量控制^。改善品質(食品,藥品不會發生二次污染,且能滅菌)。那么微波干燥在國內的發展情況如何呢?

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