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粉體幹燥-造粒-微波加熱幹燥新工藝路線的探讨(1)

信息來源:本站 | 發布日期: 2018-04-18 | 浏覽量:
關鍵詞:粉體幹燥-造粒-微波加熱幹燥新工藝路線的探讨(1)
1. 概述

  随着工業發展的需要,在化工,食品,醫藥,電子,塑料生物化工等工業部門應用粉體物料種類越來越多,且粒度越來越細。如超細碳酸鈣的顆粒度為5μm,二氧化钛3μm,食品黃、酒石黃10μm,白雲石15μm,黃色氧化鐵5μm,矽酸鋁20μm,澱粉白碳黑45μm等等。現代快速發展超細粉體——納米粉體。粒度很細的粉料其堆積密度很小,重量輕,在操作過程中易飛揚,不僅造成物料損失且污染了環境,其中有刺激有毒的細粉逸出,對環境會造成嚴重危害。因為細粉末的堆積密度小,不便運輸。微細的化學肥料施于田裡易于流失,這樣就産生了不利的一面,那麼就有了把細小粉末聚集成較大的實體——造粒的需求。造粒方法有滾動法和壓力法。滾動造粒是将松散的濕物料(細粉和适量的潤濕液)加入制粒裝置内,攪拌翻動,初始形成團粒核心。随後,核心以團聚和包層兩種方式長大,團聚的顆粒球形不規則,表面粗糙。包層制粒表面光滑呈球形,斷面為一層包一層的“洋蔥皮”結構,可以控制操作條件,使其中一種方式成為造粒的主導,形成光滑規則的強度高的球形顆粒。攪拌混合造粒、噴霧流化造粒等方法均是松散濕物料或膏狀或熔融的物料、溶液、漿狀的物料。壓力法造粒是将濕含量較低的細粉物料在壓片機、滾壓機、輥壓機、螺旋擠壓機等造粒機中受壓力或主要受剪切力被壓實成粒。其中輥壓機可實現強壓造粒。壓力範圍為2.5MPa~560MPa,可将粉末壓得很密實,使粉末間分子力起主導作用,使顆粒獲得較大的抗拉、抗壓、抗磨耗強度。近四十年來對上千種細粉幹物料進行強壓造粒實驗,均獲得造粒成功的數據。但對那些濕含量很低(如低于0.2%)、粒度很細(d97<45um)、堆積密度很小(<200kgm-3)、孔隙率大、内摩擦力小、流動性好的細粉物料進行壓力法造粒是較困難的。不但耗能大,且成粒率低,單機産量低。如果在上述特性的物料中加入相應的适量的濕潤劑,則造粒條件大為改善,如無需很強的造粒壓力就能實現成粒率高,單機産量大,環境無粉塵飛揚等目的。不過顆粒中會含有一定量的濕分。顆粒表面沒有自由水分,内部濕分的遷移成為控制因素,此時外部可變條件無法改變強化幹燥速率,即顆粒幹燥需要很長時間,耗費很多能量。如果采用微波加熱幹燥低濕含量的顆粒物料,可快速得到所需的幹度均勻的顆粒成品。據此提出如下粉體前期恒速幹燥階段(即将粉體幹至含水量低于20%)——對輥壓力法造粒——顆粒微波加熱幹燥的造粒幹燥路線。這樣的造粒幹燥路線科學合理、經濟效益高。


2. 粉體造粒前期幹燥——終濕含量控制在10%~20%

  多數粉體是由固體物料的溶液、濾餅、膏狀原料經幹燥後得到的平均粒徑小于100μm以下的幹粉。如化肥、染料及其助劑、食品及其助劑、聚合物樹脂等粉體,它們都由初含濕量(30%~80%)幹燥為終含濕量0.02%~9%的幹粉,其平均粒徑在5μm~50μm範圍内,要求幹燥器蒸發強度很高。大部分時間是花費幹燥^後的20%水分。如白炭黑粉,由膏狀含水80%,幹燥至含水為6%的粉體,其粒徑為45μm,堆積密度為240kgm-3,在強化沸騰幹燥器中進行幹燥,幹燥器直徑為150mm,進氣溫度為300oC,每小時産量為5kg。黑炭黑由膏狀含水92%幹燥至含水為2%的粉體,在強化沸騰幹燥器進行幹燥,幹燥直徑為150mm,進氣溫度為300oC,每小時僅能獲得1.3kg的幹粉。根據幹燥機理和實驗幹燥曲線分析可知,恒速幹燥階段,熱空氣的熱量傳至物料表面,使表面自由水分迅速蒸發,表皮水分降低,物料開始升溫,并在其内部形成溫度梯度,熱量由外部傳至内部,濕分從物料内部向表面遷移,濕分遷移的動力主要靠擴散、毛細流和由于幹燥過程物料體積收縮而産生的内部壓力。所以在臨界濕含量出現至物料幹燥到很低的^終濕含量時,内部濕分遷移成為控制因素。一些外部可變量如熱空氣的用量,溫度無法強化其濕分遷移速率,隻有施加振動、脈沖、超聲波等手段促進其内部濕分的擴散。所以一般物料在濕含量低于20%時,幹燥是困難的,稱為降速幹燥階段。在此階段幹燥時間長,消耗能源多。為降低一般幹燥器的負荷,另一方面為保有物料特定濕含量要求,已便于加工、成型或造粒。目前世界各國為減少原材料的損失和粉塵對環境的污染,要求将粉體原料進行造粒,粒度在20目至8mm範圍内。當粉體物料含濕量在10%~20%^有利于壓力法造粒。對高濕含量的物料用對流、傳導、輻射對物料加熱幹燥,完成恒速幹燥階段(即終含水量在10%~20%間)即終止,得到的松散的濕物料進行造粒。此種物料易于成粒,而且顆粒均勻,無粉塵飛揚,即物料損失小,環境^。


3. 粉料壓力法造粒
  20世紀70年代開始進行粉體的造粒研究,上千家客戶送來幾千種幹粉物料進行造粒實驗,當時對這些物料不加任何粘結劑進行造粒實驗,稱為強壓幹法造粒,取得了可喜成果。絕大部分幹粉能制強度合格的各種不同尺寸的顆粒,但成粒率不是很高,有些幹粉在強壓下(350MPa~560MPa)進行造粒,其成粒率不到70%,返料在30%以上,因此單機造粒産量受到影響,而且在造粒工程中,篩分時粉塵飛揚,環境受到污染。如果在幹粉中加入10%左右的液體粘結劑(如水、有機溶劑等),用對輥壓力機連續輥壓造粒過程^順利,不但成粒率高,且粒度均勻、強度高,制粒過程無粉塵飛揚。

  另外濕法滾動造粒時,要求松散的濕物料含濕量在10%到20%,^多達30%,粉料的粒度分布有嚴格的要求,如^大粒徑為30~50目,至少要有25%細粉粒徑小于200目。鐵礦石造粒的給料中,小于325目細粉應占40%~80%。而濕含量為10%左右細粉用輥壓力機連續造粒就沒有這方面的要求。壓力範圍在2.5~140MPa,即可成粒,能耗大大降低,耗能量為(2~4)kw/ht。如果不在造粒前另加粘結劑、潤滑劑、增塑劑、潤濕劑、殺菌劑等,而直接用未幹透的濕物料(濕量在10%~20%間)用輥壓連續造粒不僅科學合理且具有很明顯的經濟效益。


4. 微波加熱對顆粒物料進行^終幹燥
  微波加熱人們已不陌生,家用微波爐,城市居民應用得非常熟練。尤其對熟食品的再加熱,大家都體會到微波加熱速度快,如加熱饅頭、面包、包子時,會對上述食品先在水中浸一下,再放在微波爐加熱,這樣不但加熱時間短,而且包子、饅頭松軟不會變硬。在微波爐内為什麼濕饅頭比幹饅頭熱及快?為什麼松軟而不變硬?要回答這些問題,應了解微波與物料相互關系及微波加熱的特點。
所謂微波就是頻率範圍在3×108Hz~3×1011Hz間,波長在1m~1mm間的電磁波。物質與電磁波間有下列相互關系:
(1)導體:這類物質反射電磁波,如微波爐的金屬殼體,貯存微波能,使微波不洩露。
(2)絕緣體:這類物質不反射也不吸收微波,對微波是透明的,如微波碗、盒,都用絕緣體如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯樹脂等做成的。
(3)介電體:這類物質不同程度吸收微波能轉換為熱能,其中水的介電參數^大,即^易吸收微波能轉換為熱能。
(4)鐵氧體:這類物質也吸收、反射、穿透電磁波,同電磁波的磁場分量發生作用,産生熱量。
  一般的粉體物料均為介電體,其濕分多為水或有機溶劑,如乙醇等,濕分的介電參數遠遠大于固體的介電參數,如水在80左右而幹砂隻有2.55,可以簡單地說,水吸收微波能的能力比幹砂高30多倍。可認為微波加熱幹燥時,微波能大部分消耗在欲除去的濕分中。

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