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粉体干燥-造粒-微波加热干燥新工艺路线的探讨(1)

粉体干燥-造粒-微波加热干燥新工艺路线的探讨(1)

发布时间:2013-06-06
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刘传义  奚天鹏  何士安
       (南京工业大学造粒机械研究所  江苏  南京 210009)
      摘  要:本文从讨论粉体干燥、粉体造粒、颗粒干燥等技术特性出发,试图科学地建立一条新的粉体前期干燥—造粒—微波加热干燥工艺路线。即开始将物料进行恒速阶段的干燥,使物料除去大部分的湿分,成为湿含量低于20%(湿基)的物料。低湿含量的物料用压力法造粒,此时不仅易于成粒,成粒率高,且颗粒粒度均匀,强度高。低湿含量的颗粒物料,用微波加热进行干燥。微波加热的特点使颗粒内部的湿分迅速排除,从而获得合格湿分要求的产品。文章全面地讨论了新工艺路线的科学性、技术性、可靠性和经济性。
       关键词:粉体干燥;造粒;微波干燥
1.  概述
      随着工业发展的需要,在化工,食品,医药,电子,塑料生物化工等工业部门应用粉体物料种类越来越多,且粒度越来越细。如超细碳酸钙的颗粒度为5μm,二氧化钛3μm,食品黄、酒石黄10μm,白云石15μm,黄色氧化铁5μm,硅酸铝20μm,淀粉白碳黑45μm等等。现代快速发展超细粉体——纳米粉体。粒度很细的粉料其堆积密度很小,重量轻,在操作过程中易飞扬,不仅造成物料损失且污染了环境,其中有刺激有毒的细粉逸出,对环境会造成严重危害。因为细粉末的堆积密度小,不便运输。微细的化学肥料施于田里易于流失,这样就产生了不利的一面,那么就有了把细小粉末聚集成较大的实体——造粒的需求。造粒方法有滚动法和压力法。滚动造粒是将松散的湿物料(细粉和适量的润湿液)加入制粒装置内,搅拌翻动,初始形成团粒核心。随后,核心以团聚和包层两种方式长大,团聚的颗粒球形不规则,表面粗糙。包层制粒表面光滑呈球形,断面为一层包一层的“洋葱皮”结构,可以控制操作条件,使其中一种方式成为造粒的主导,形成光滑规则的强度高的球形颗粒。搅拌混合造粒、喷雾流化造粒等方法均是松散湿物料或膏状或熔融的物料、溶液、浆状的物料。压力法造粒是将湿含量较低的细粉物料在压片机、滚压机、辊压机、螺旋挤压机等造粒机中受压力或主要受剪切力被压实成粒。其中辊压机可实现强压造粒。压力范围为2.5MPa~560MPa,可将粉末压得很密实,使粉末间分子力起主导作用,使颗粒获得较大的抗拉、抗压、抗磨耗强度。近四十年来对上千种细粉干物料进行强压造粒实验,均获得造粒成功的数据。但对那些湿含量很低(如低于0.2%)、粒度很细(d97<45um)、堆积密度很小(<200kgm-3)、孔隙率大、内摩擦力小、流动性好的细粉物料进行压力法造粒是较困难的。不但耗能大,且成粒率低,单机产量低。如果在上述特性的物料中加入相应的适量的湿润剂,则造粒条件大为改善,如无需很强的造粒压力就能实现成粒率高,单机产量大,环境无粉尘飞扬等目的。不过颗粒中会含有一定量的湿分。颗粒表面没有自由水分,内部湿分的迁移成为控制因素,此时外部可变条件无法改变强化干燥速率,即颗粒干燥需要很长时间,耗费很多能量。如果采用微波加热干燥低湿含量的颗粒物料,可快速得到所需的干度均匀的颗粒成品。据此提出如下粉体前期恒速干燥阶段(即将粉体干至含水量低于20%)——对辊压力法造粒——颗粒微波加热干燥的造粒干燥路线。这样的造粒干燥路线科学合理、经济效益高。
2.  粉体造粒前期干燥——终湿含量控制在10%~20%
      多数粉体是由固体物料的溶液、滤饼、膏状原料经干燥后得到的平均粒径小于100μm以下的干粉。如化肥、染料及其助剂、食品及其助剂、聚合物树脂等粉体,它们都由初含湿量(30%~80%)干燥为终含湿量0.02%~9%的干粉,其平均粒径在5μm~50μm范围内,要求干燥器蒸发强度很高。大部分时间是花费干燥最后的20%水分。如白炭黑粉,由膏状含水80%,干燥至含水为6%的粉体,其粒径为45μm,堆积密度为240kgm-3,在强化沸腾干燥器中进行干燥,干燥器直径为150mm,进气温度为300oC,每小时产量为5kg。黑炭黑由膏状含水92%干燥至含水为2%的粉体,在强化沸腾干燥器进行干燥,干燥直径为150mm,进气温度为300oC,每小时仅能获得1.3kg的干粉。根据干燥机理和实验干燥曲线分析可知,恒速干燥阶段,热空气的热量传至物料表面,使表面自由水分迅速蒸发,表皮水分降低,物料开始升温,并在其内部形成温度梯度,热量由外部传至内部,湿分从物料内部向表面迁移,湿分迁移的动力主要靠扩散、毛细流和由于干燥过程物料体积收缩而产生的内部压力。所以在临界湿含量出现至物料干燥到很低的最终湿含量时,内部湿分迁移成为控制因素。一些外部可变量如热空气的用量,温度无法强化其湿分迁移速率,只有施加振动、脉冲、超声波等手段促进其内部湿分的扩散。所以一般物料在湿含量低于20%时,干燥是困难的,称为降速干燥阶段。在此阶段干燥时间长,消耗能源多。为降低一般干燥器的负荷,另一方面为保有物料特定湿含量要求,已便于加工、成型或造粒。目前世界各国为减少原材料的损失和粉尘对环境的污染,要求将粉体原料进行造粒,粒度在20目至8mm范围内。当粉体物料含湿量在10%~20%最有利于压力法造粒。对高湿含量的物料用对流、传导、辐射对物料加热干燥,完成恒速干燥阶段(即终含水量在10%~20%间)即终止,得到的松散的湿物料进行造粒。此种物料易于成粒,而且颗粒均匀,无粉尘飞扬,即物料损失小,环境无污染。
3.  粉料压力法造粒
      20世纪70年代开始进行粉体的造粒研究,上千家客户送来几千种干粉物料进行造粒实验,当时对这些物料不加任何粘结剂进行造粒实验,称为强压干法造粒,取得了可喜成果。绝大部分干粉能制强度合格的各种不同尺寸的颗粒,但成粒率不是很高,有些干粉在强压下(350MPa~560MPa)进行造粒,其成粒率不到70%,返料在30%以上,因此单机造粒产量受到影响,而且在造粒工程中,筛分时粉尘飞扬,环境受到污染。如果在干粉中加入10%左右的液体粘结剂(如水、有机溶剂等),用对辊压力机连续辊压造粒过程十分顺利,不但成粒率高,且粒度均匀、强度高,制粒过程无粉尘飞扬。
      另外湿法滚动造粒时,要求松散的湿物料含湿量在10%到20%,最多达30%,粉料的粒度分布有严格的要求,如最大粒径为30~50目,至少要有25%细粉粒径小于200目。铁矿石造粒的给料中,小于325目细粉应占40%~80%。而湿含量为10%左右细粉用辊压力机连续造粒就没有这方面的要求。压力范围在2.5~140MPa,即可成粒,能耗大大降低,耗能量为(2~4)kw/ht。如果不在造粒前另加粘结剂、润滑剂、增塑剂、润湿剂、杀菌剂等,而直接用未干透的湿物料(湿量在10%~20%间)用辊压连续造粒不仅科学合理且具有很明显的经济效益。
4.  微波加热对颗粒物料进行最终干燥
      微波加热人们已不陌生,家用微波炉,城市居民应用得非常熟练。尤其对熟食品的再加热,大家都体会到微波加热速度快,如加热馒头、面包、包子时,会对上述食品先在水中浸一下,再放在微波炉加热,这样不但加热时间短,而且包子、馒头松软不会变硬。在微波炉内为什么湿馒头比干馒头热及快?为什么松软而不变硬?要回答这些问题,应了解微波与物料相互关系及微波加热的特点。
      所谓微波就是频率范围在3×108Hz~3×1011Hz间,波长在1m~1mm间的电磁波。物质与电磁波间有下列相互关系:
      (1)导体:这类物质反射电磁波,如微波炉的金属壳体,贮存微波能,使微波不泄露。
      (2)绝缘体:这类物质不反射也不吸收微波,对微波是透明的,如微波碗、盒,都用绝缘体如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯树脂等做成的。
      (3)介电体:这类物质不同程度吸收微波能转换为热能,其中水的介电参数最大,即最易吸收微波能转换为热能。
      (4)铁氧体:这类物质也吸收、反射、穿透电磁波,同电磁波的磁场分量发生作用,产生热量。
一般的粉体物料均为介电体,其湿分多为水或有机溶剂,如乙醇等,湿分的介电参数远远大于固体的介电参数,如水在80左右而干砂只有2.55,可以简单地说,水吸收微波能的能力比干砂高30多倍。可认为微波加热干燥时,微波能大部分消耗在欲除去的湿分中。
      微波具有波粒二象性,根据量子理论,电磁辐射的能量不是连续的,而是一个个的“能量子”所组成,每个量子具有与其频率成正比能量。
                   E=hf                           (1)
      式中h=6.626×10-34J.S 普朗克常数。这种能量在介电体可以转为热能。能量转化的机理有许多种,如离子传导、偶极子转动、界面磁化、磁滞、压电、电致伸缩、核磁共振等。其中离子传导和偶极子转动是介电加热主导原因。
      离子传导:带电荷的粒子(如氯化钠溶液中含有Na+、Cl-1 、(H3O)+、OH-1四种离子)在外电场作用下不会被加速,沿与它极性相反的方向运动,在宏观上表现为传导电流,这些离子在运动过程会与其周围的其它粒子相碰撞,同时将动能传给这些粒子,使其运动加剧。如果是在高频交变电场中,物料中的粒子就会发生反复的变向运动,致使碰撞加剧,产生耗散热而发生能量转化,单位体积所产生的功率为:
hg                                          (2)
 

      式中:PV:单位体积内所产生的功率,W/m3;E:为电磁场强度矢量,V/m;σ:为导电率,S/m;
      偶极子转动:介电质在外电场的作用下会产生位移极化(无极分子介电质)和转向极化(有极分子介电质),如果在交变的外电场中,介电质被反复极化,偶极子不断地发生“取向”和“弛豫”,如此,由于分子的原有的热运动和相邻分子间的相互作用,使分子随外电场的规则运动受到干扰和阻碍,产生“摩擦效应”,结果一部分能量转化为分子热运动的动能,以热的形式表现出来,使物料温度升高。
    单位体积变化的功率为:
dg
      水是极性分子,它的相对介电常数远远高于其它介电质的相对介电常数,水的损耗因子与其它的介电质的损耗因子相近,所以水的tanδ值最大,其它液体(如乙醇等一些有机溶剂)也呈较强介电特性。故含水和溶剂的湿物料均适合微波加热干燥。这类湿物料在微波场中能“就地发热,内外同热”湿物料中水分的温度迅速升高,汽化。而固体粉料只消耗少量的微波能。
      前文叙述的用辊压法对湿含量为10%~20%的松散湿物料进行连续制粒,既科学又经济,但颗粒中所含的湿分用什么加热方法对其进行干燥呢?据本文第二部论述已知,当物料干燥恒速阶段结束时,就进入降速干燥阶段,用对流、传导、辐射加热,无法强化干燥,只有微波能可有效地使内部水分汽化。因为物料在微波场中“内外同热”,物料内部的水分很快达到沸点,发生高强度蒸发,物料的质构阻碍水分流动,故在物料内部形成压力梯度,由于“内外同热”表面热量易散失,物料内部形成正的温度梯度和湿度梯度,三种状态均能促使水分以液态、汽态或分子流的形式向物料表面移动。大大提高降速干燥阶段的干燥速度,使很难干燥的物料能快速得到均匀的干燥。
      微波加热对颗粒状、低湿含量的物料进行干燥具有很多优点,如干燥速度快,干燥均匀,节能,湿含量控制精确。改善品质(食品,药品不会发生二次污染,且能灭菌)。那么微波干燥在国内的发展情况如何呢?