粉体干燥-造粒-微波加热干燥新工艺路线的探讨（1）
信息来源： | 发布日期：
2024-10-30 08:26:37
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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^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^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%^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^。
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^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%，^多达30%，粉料的粒度分布有严格的要求，如^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^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^大，即^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：
(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：
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^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^。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？
