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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)

信息来源:本站 | 发布日期: 2018-04-18 | 浏览量:
关键词:粉体干燥-造粒-微波加热干燥新工艺路线的探讨(1)
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。

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