干燥过程中的组合优化技术

运行与应用技术与应用饼撕EIF教OHS干燥过程中的组合优化技术浙江工业大学（浙江310032）杨阿三孙勤程榕郑燕萍合、传热方式组合和操作温度组合等组合优化技术。用多个实例阐明了各种组合技术的原理、特点及应用场合。并指出应根据物料特点和干燥设备特点等诸多因素，合理选择和应用这些组合技术。‘一、前言干燥是化工、医药、食品、农产品加工等行业中非常重要和通用的一种单元操作。干燥是一种高能耗的单元操作，调研表明，在美国、加拿大、法国、英国，工业干燥能耗占全国总能耗的1015 ，在丹麦和德国高达2025，而在我国由于总体上干燥技术和装备比较落后，估计其比例更高。近年来由于经济的繁荣，能源日趋紧张，人们对产品质量和环保要求也越来越高。因此如何在保证质量的前提下，提高干燥过程效率，降低能耗，是干燥技术发展的基本要求。现代干燥技术的发展主要有两个特点：①开发应用新型干燥设备，如撞击流干燥、超临界流体干燥、高压静电场干燥等。②对已工业应用的干燥技术进行组合优化，提篼干燥产品质量，降低能耗。从我国干燥行业的现状出发，后者由于技术成熟，风险较低，更具有现实意义。
从传统意义上讲，干燥技术的组合是指不同类型的干燥设备组合在一起，因此也称为多级干燥；而广义的组合优化还应包括传热方式的组合、温度组合等。本文就目前干燥过程中已应用的组合优化技术进行分析和总结。
二、干燥方式组合合在一起，因此也称为多级干燥；常见的是两级组合干燥，如所示。
湿料一级M二级干燥I*干料干燥方式组合示意根据物料特性和产品的具体要求，一级干燥和二级干燥可分别选择不同类型的干燥设备。
1.物料初湿含量较高而产品湿含量要求较低此类物料很多，其干燥过程包括恒速干燥和降速干燥两个阶段。
此时中所示的一级干燥干燥设备，主要用于恒速干燥阶段，可选择停留时间较短，而热质传递较快的干燥设备，如：气流干燥、喷雾干燥、旋转闪蒸干燥、冲击流干燥、撞击流干燥等。
而二级干燥干燥设备，主要用于降速干燥阶段，可选择停留时间较长，而热质传递不需很快的干燥设备，如：流化床干燥（振动流化床干燥）、旋风干燥、旋流干燥、盘式干燥等。
常见的有：气流干燥化床干燥、气流干燥一旋流干燥、喷雾干燥化床干燥、旋转闪蒸干燥一旋流干燥、气流干燥一旋风干燥组合等。
例：聚氯乙烯的干燥，目前较先进的干燥工艺是气流一旋流组合干燥（见），该工艺彻底解决了：①流化床干燥中物料初期不易流化、易结块的缺点，提高了产品质量。②气流干燥中聚氯乙烯气流一旋流组合干燥示意1.气流干燥设备2.旋流干燥设备3.除尘器技术与应用运行与应用。义：拓，。：弈厉以弈⑩痧设备庞大，能耗高的缺点。设备投资和能耗大幅度降低，取得了显著的经济效益。
许多农产品的干燥，产品除了湿含量的要求外，还要求有较好的外观色泽、复水性等，采用单级干燥往往难于达到要求（如采用热风干燥、微波干燥），或设备投资很大，能耗较高（如冷冻干燥）。此时也可将不同干燥方式进行组合，如微波一热风组合、热风一冷冻干燥组合等。
例：①菊花干燥，采用微波（隧道式）干燥一热风干燥（穿流带），微波干燥既能在短时间内脱除了大量水分，又能起到了杀青（钝化酶）的作用，与单纯的热风干燥（干燥前需蒸煮杀青）相比，不仅能耗大幅度降低，干燥时间从6h缩短为4h，而且产品质量（外观、复水性等）大大提高，产品售价提高了510倍。②蔬菜干燥采用热风干燥一冷冻干燥组合替代单一的冷冻干燥，产品质量基本相近，但设备投资和能耗大幅度降低。
传热方式组合是指在同一设备中将不同的传热方式进行组合。传热方式主要有：对流传热、传导传热、辐射传热和介电传热。传导传热、辐射传热和介电传热热效率高。而对流传热由于大量气体带走较多热量，热效率较低；但对流传热过程大的优点是物料温度低（恒速干燥阶段仅为气体的湿球温度），物料外部的质量传递快。因此将对流传热与其他传热方式组合，具有许多优点：大幅度减少对流传热所需的大量气体，很大程度上克服了对流传热干燥过程热效率低，动力消耗高的缺点。
物料温度明显低于单一的传导传热、辐射传热或介电传热干燥。
由于外部传质的加快，在一定程度上可以提高单一传导传热、辐射传热或介电传热干燥过程的干燥速率。
常见的组合方式可分为两大类：在典型的传导传热、辐射传热或介电传热干燥设备中辅助对流过程，即通入少量气体，将湿分带走。相对真空操作带湿，设备投资减少，干燥速率加大，操作费用降低。
在典型的对流型干燥设备辅助传导传热、辐射传热或介电传热，热量部分或全部由其他传热方式提供。以下是具有代表意义的。
（1）对流传热+传导传热使用广的是内置换热管或空心桨叶的流化床，由于在流化床中固体颗粒运动剧烈，因此与换热管间的传热系数很大，一般在200~350W/（m2K）之间，可以为干燥提供50以上的热量，使得流化床的干燥强度大幅度提高（见）。由于气体用量大幅减少，热效率可提高20 以上，动力消耗减少40以上，主体设备和辅助设备（旋风、布袋除尘器等）的规模大大减小，设备投资只有原来的1/3 ~1/2.现已广泛用于树脂、化肥、食盐、农药等产品的干燥。
组合加热流化床干燥示意。螺旋加料机2.流化床于燥机3.旋风分离器4.袋式除尘器5.引风机6.蝶阀7.换热器8.鼓风机其他如带换热夹套的旋流干燥、复式加热转筒干燥、带冲击气流的烘缸（用于纸幅干燥）等也有较多应用。
（2）对流传热+辐射传热红外辐射与热风结合的振动流化床用于稻谷、植物种子等物料干燥，取得了良好效果。
3、操作温度组￥温度差是传热的推动力，其大小直接关系传热速率的高低。在干燥过程中对操作温度进行合理组合，不仅可以降低能耗，还可以提高产品质运行技术与应用量。根据物料特性，常见的温度组合方式根据物料特点主要分为两种。
较大内部扩散阻力物料许多植物类物料，如：水稻、小麦、玉米、木材、中草药、水果、蔬菜等有较多的内部结合水，内部水分的扩散阻力较大。若采用较高温度的恒定温度干燥，容易出现因表面迅速脱水，而使表面毛细管堵塞，热质传递受阻，使干燥速率下降，物料温度上升，出现表面皱缩、龟裂、爆腰等现象，导致产品质量降低。故此类物料的干燥常采用变温操作，即高温-低温组合方，采用高温可以快速脱除表面层水分，采用低温（或缓苏）是为了使物料表面温度降低，形成内部到外部的温度梯度，有利于内部水分向表面迁移。这样既保证了产品质量，又提高了干燥速率。
例；①采用混流式谷物干燥机干燥粮食，谷粒以s形曲线向下流动，交替受到高温和低温气流的作用，相比其他类型的谷物干燥机，能耗降低，产品质量好，裂纹率和热损伤减少。②玉米的高一低温组合干燥工艺，谷物首先在一个高温干燥系统下（90~1201）进行干燥，使谷物水分降低到较短时间内不发生霉变的程度，随后具有一定温度和水分的谷物被排卸到低温通风干燥仓，用环境空气或低温空气（比环境空气温度高出1~10T）对其中的谷物进行缓慢干燥，把谷物的水分降到安全储藏水分。
固体物料在溶剂（湿分）中有较大溶解度许多通过溶液结晶得到的固体物料，若在干燥初期采用高温操作，就可能由于物料温度上升而使固体在溶剂中的溶解度上升，物料表面出现溶融现象，导致物料结块，严重时操作不能正常进行。因此可采用低温一高温组合方式，即在干燥初期采用低温操作，脱除部分溶剂，而后采用较高的操作温度，提高干燥速率。
例：在D-泛酸钙物料干燥中，采用真空双锥干燥机，在干燥初期需采用低温或不加温冷抽的方法防止物料结块，脱除一定量溶剂后，再升高温度。而采用卧式多室流化床进行干燥时，进料段进风温度需控制在80*以下，否则易出现结块现象；后几室进风温度则需在130*左右，以脱除结晶甲醇和结晶水。
五其他组合方式除了以上三种常见的组合方式外，还有如干燥介质的湿度组合、吸附干燥与与冷冻干燥组合等。湿度组合一般是指干燥前期采用普通空气（水分含量较高）作为干燥介质，而后期采用除湿后的干空气作为干燥介质，使产品达到较低的湿含量。既保证了产品质量，又大大降低了干燥介质的除湿量。笔者曾采用该方法，用流化床成功干燥了乙基香兰素、泛醇等采用一般方法难处理的物料，干燥成本明显低于非组合方法。
六、结束语\"综上所述，在干燥过程中有许多组合优化技术，如何具体应用这些组合技术，取决于物料的特点（如湿物料的形状、湿分结合形式、产品要求等）和干燥设备的特点等诸多因素。合理应用组合技术，可以改进许多物料的传统干燥方法，有效降低设备投资、降低能耗、提高产品质量，较之开发和应用新的干燥技术更易实现，而风险则要低的多。因此，重视和广泛应用组合优化技术对于在短时间内提高我国现有干燥技术水平具有重要的现实意义。