奚天鹏 刘传义 何士安
(南京工业大学，南京，210009)
摘要:从讨论粉体干燥、粉体造粒、颗粒干燥等技术特，}生出发，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。先进行恒速阶段的物料干燥，使物料除湿，成为湿含量低于20％(湿基)的物料。低湿含量的物料用if-,2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，将这种颗粒物料用微波加热进行干燥，可以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。
关键词:粉体;干燥造粒;微波干燥
随着工业发展的需要，塑料添加剂、染料、化肥等行业及食品、医药、电子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51微米．二氧化钛31微米。食品黄、酒石黄10微米，白云石151微米，黄色氧化铁51微米，硅酸铝201微米，淀粉白炭黑45微米等。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。同时，因为细粉末的堆积密度小，不便运输。为了解决这些问题，可以把细小粉末聚集成较大的实体一造粒。对于湿度较小的物料常用的造粒方法有滚动法和压力法两种。
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；包层制出的颗粒表面光滑呈球形．断面为一层包一层的“洋葱皮”结构。在滚动造粒时，可以控制操作条件，使其中一种方式成为造粒的主导。形成表面光滑、形状规则、强度高的球形颗粒。
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2．5～560MPa)，将粉末压得极为密实，从而使粉末间分子力能起主导作用，赋予颗粒较大的抗拉、抗压、抗磨耗强度。近40年来对上千种细粉干物料进行强压造粒实验。均获得成功。不过，对于湿含量很低(如低于0.2％)、粒度很细(d97<45微米)、堆积密度很小(<200kg·m-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，不仅耗能大，且成粒率低，单机产量低。如果在物料中加入适量相应的湿润剂。则造粒条件大为改善。无需很强的造粒压力就能达到成粒率高、单机产量大、环境无粉尘飞扬等目的，但同时也会导致颗粒中含有一定量的湿分。由于颗粒表面没有自由水分。内部湿分的迁移成为控制干燥速率的因素，从外部改变条件无法强化干燥速率。即颗粒干燥需要很长时间。耗费很多能量。在这种情况下，采用可以加热颗粒内部的微波加热干燥低湿含量的颗粒物料。则可以快速得到所需的干度均匀的颗粒成品。因此。采用粉体前期恒速干燥(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。科学合理、经济效益高。
1 粉体造粒前期干燥
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100微米以下的干粉。如化肥、染料及其助剂、食品及其助剂、聚合物树脂等粉体，都是由初含湿量(30％～80％)的原料干燥成终含湿量为0.02％-9％ 、平均粒径为5~50微米的干粉。在前期干燥时，由于最后剩余的20％水分难以除去，除去这部分水分不仅要求干燥器具有很高的蒸发强度，而且产量也很低。例如，炭黑由膏状(含水92％）干燥至含水为2％的粉体，在强化沸腾干燥器中进行干燥，干燥直径为150mm，进气温度为300℃，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，在恒速干燥阶段，热空气的热量传至物料表面，使表面自由水分迅速蒸发，表面水分降低，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的期间，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、超声波等手段才能促进其内部湿分的扩散。由于一般物料在湿含量低于20％时干燥困难，故从湿含量低于20％干燥至最终湿含量的过程称为降速干燥阶段。在此阶段干燥时间长，能耗大。为降低一般干燥器的负荷并保有物料特定湿含量，以便于加工、成型或造粒的要求，在高湿含量的物料用对流、传导、辐射等方法对物料加热干燥时，完成恒速干燥阶段(即终含水量在10％-15％)后即终止干燥，将所得到的松散的湿物料进行造粒。这种湿物料在采用压力法造粒工艺时易于成粒，而且颗粒均匀，无粉尘飞扬，即物料损失小，对环境无污染。
2 粉料压力法造粒
笔者在20世纪70年代开始进行粉体的造粒研究，当时对这些物料不加任何粘结剂进行造粒。绝大部分干粉能制成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(350—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，而且在造粒过程中，筛分时粉尘飞扬，环境受到污染。后来在干粉中加入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，不但成粒率高，且粒度均匀、强度高，制粒过程无粉尘飞扬。这种加入液体粘剂的造粒方法称为湿法滚动造粒。
在湿法滚动造粒时，要求松散的湿物料含湿量在10％-20％，最高达30％，对粉料的粒度分布
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。与湿法滚动造粒法相比，将湿含量为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 ·h。如果将未干透的湿物料(湿量在10％一15％)直接用辊压连续造粒不仅科学合理且具有很明显的经济效益。
3 微波加热对颗粒物料进行最终干燥
3．1 微波与物质问的相互关系
所谓微波就是频率范围在3x108~3x1011Hz，波长在1m-1mm间的电磁波。根据物质与电磁波间的相互关系可以将其分为以下4类：
(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8O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。在微波加热干燥时，微波能大部分消耗在除去湿分。
3．2 微波加热的机理
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的能量。
E=hf (1)
式中：E=能量／J;
f=量子的振动频率／s-1；
h=6.626~10-34(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。
(1)离子传导：带电荷的粒子[如氯化钠溶液中含有Na+、Cl-、(H3O)+、OH-四种离子]在外电场作用下会被加速，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中会与其周围的其他粒子相碰撞，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，产生消耗散热而发生能量转化，由于离子传导单位体积所产生的功率为：
(2)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。
由于偶极子转动在单位体积内的功率为：
水是极性分子，它的相对介电常数远远高于其他介电质的介电常数，水的损耗因子与其他的介电质的损耗因子相近，所以水的tan＆值最大，其他液体(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。
3.3用微波进行最终干燥的优点
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、均无法强化干燥，但采用微波干燥技术则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，产生高强度蒸发，由于物料的质构阻碍水分流动，故在物料内部形成压力梯度，同时，由于“内外同热”而表面热量易散失，在物料内部和外表面形成正的温度梯度和湿度梯度，这三种因素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，提高产品质量。
4 微波加热干燥器
微波加热干燥器，主要由微波源控制柜、谐振腔(干燥室)、传动装置、排湿风机等组成。可以间歇或连续对各种形态的物料进行加热干燥。微波源可用大功率调速管，磁控管(5kW、10kW、20kW)或小功率微波管(1kW、2kW)。采用多源馈能的方式，不论是大功率还是小功率的微波管都
能设计制造出大功率的微波干燥器，如用2只20kW 磁控管从两个耦合孔向干燥室馈送微波能，则得到40kW 的干燥器。如20只2kW 的微波管分20个耦合孔向干燥室馈能，也可以得40kW的微波加热干燥器，这两种方法获得大功率干燥器，各有优点缺点，但采用小功率管多口馈能有如下优势：价格低，易于维修，单管受损可以不停机更换。
微波加热干燥器的干燥室(或称微波谐振腔)可做成各种形式，主要有多模微波炉(矩形，圆型驻波腔)、单模谐振腔、行波型等三种。视被加热干燥物料的形状可设计不同形式干燥室。传动装置在微波加热干燥器中的作用，主要输送物料进出干燥室，如传送带，介质筒等，都需用绝缘体材料制作，如，聚四氟乙烯、石英玻璃、95瓷等。
微波加热干燥器在物料进入和排出干燥室的进出口处设置轭流器防止微波泄露，泄露量要低于2mW／cm2。
微波加热干燥装置有体积小、结构简单、效率高、操作维护方便等优点。但微波加热干燥器一次性投资较高，主要是微波源投资大，如5kW的微波源及控制柜需3～5万元，10kW 的需5～7万元。
随着电子工业的发展。小功率微波源会实现产量大，制作工艺先进。价格降低且效率高、寿命长的目的。用小功率微波管多源馈能的微波加热干燥器价格会合理下降。
5 结论
对粉体处理提出了新的工艺路线，即：粉体前期预干燥，终湿含量控制在10％～15％—再对这
种松散湿物料进行辊压造粒— —对颗粒物料用微波加热方法进行干燥。这条工艺路线有如下特点：
(1)整个工艺过程没有严重的粉尘飞扬和污染环境。
(2)干燥速率高。前期干燥除去的湿分是自由水，干燥处于恒速干燥阶段，即外部因素控制的干燥阶段。故只需改变外部可变量，如热空气用量，介质温度，强传热等便可加速干燥(当然要防止物料出现缺陷)。后期颗粒干燥用微波加热方法，微波加热的特点改变了传热传质动力学条件， 即物料内部液体在压力梯度和正的温度梯度、湿度梯度共同推动下，迅速向表面迁移，并向空气中传递，被排湿风机排出。
(3)节能。松散的湿物料用辊压机造粒，易成粒，颗粒均匀，强度高，耗能低。将前期干燥和后期干燥方法科学合理结合可以使能量得到高效利用。
(4)干燥-造粒-干燥可安排一条龙生产，便于实现自动化生产和管理。 |
