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| 低温真空连续干燥技术及其塔形设备研制初步探讨 | |
| 何翔 王军 | |
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摘要：减少干燥加工过程中物料内的热敏物质损失，降低干燥加工的能耗及设备运行成本,较低的设备制造成本,是干燥技术及设备的研究发展方向。低温真空连续干燥塔式设备成功使用了真空干燥技术,高气密性旋转阀进排物料，高换热面积与容积之比的干燥筒仓, 筒仓中物料靠重力在换热管件之间形成的合理开口容腔内自上而下混合流动被加热,从而实现了高质量,大产量，低能耗，低运行成本的干燥加工。
关键词：低温真空、连续干燥、塔形设备、高气密性旋转阀
引言 ：作者在2002～2005年期间有幸参加了东北玉米、及四川天府花生的低温真空连续干燥技术研讨及其塔形干燥设备的研制安装、调试设备、干燥试验工作。现就低温真空连续干燥技术（以下简称真空干燥）及其塔形干燥设备研发试制工作中的一些心得体会和大家共同讨论。
中国是一个农业大国，全国各地气候条件土壤条件千差万别，农林果蔬产品十分丰富、产量巨大，随着国力的增长，人民的生活水平日益提高，高产量、高品质、低成本、快速及时的用机械设备干燥农林果蔬产品，以满足工业原料加工和高品质的、人们食品需求的紧迫性，摆在了从事干燥事业工作者的面前。目前国内用于干燥农林果蔬产品，谷物、林果、茶叶、中草药、蔬菜的设备绝大多数是常压热风塔形干燥设备，该种设备由于经几十年的研制、生产使用，其技术、工艺业已十分成熟，该类设备具有结构相对简单，制造工艺、干燥工艺参数可靠，干燥加工脱水成本较低等突出的特点。目前在国内南北方各地使用十分普遍，各种型号估计在用量万台以上。
机遇与挑战：
由于常压热风干燥技术本身的技术特点；被干燥物是利用常压热空气供热，而物料和内部的水分脱干、是依靠热空气中、温度条件下不饱和蒸汽压力与饱和蒸汽压力差蒸发出颗粒内部，随着热空气排出干燥仓外。那么供热温度越高、空气内水蒸汽越少、干燥效率就越高。高温热风干燥谷物类物料时如快速干燥、则造成谷物爆腰、种皮裂纹甚至破裂，降低了品质。即使降低温度也必须多段缓苏以减少破碎。高温热风干燥谷物等物料时，物料在高温富氧条件下容易氧化、酸解、变质、失去食用价值，淀粉容易变性。高温 ≥83℃时蛋白质变性，≥64℃时淀粉变性，≥55℃时活性酶失活，维生素С在≥40℃时分解失效，种子对温度更敏感。稻谷类种子≥35℃时细胞组织等生理活性将随温度提高而降低、直至丧失发芽能力。采用低温干燥具有热敏性物质的物料时，对热空气温度及空气湿度有严格条件限制。例如在南方高温湿热天气环境，空气已处于高温水蒸汽饱和状态，很难利用环境空气加热低温热风干燥；在北方即使用低温空气作为热介质，但由于低温空气热焓低、低温下空气中水蒸汽分压、力差小，和高温空气相比同质量时蒸发量大大降低，因而供风动力消耗增大，干燥效率低、时间长、干燥成本大幅提高。另外要指出的是对热风干燥物料后的高温热空气必须排出仓外。空气当中排出仓外的热空气除了蒸发出的水蒸汽带汽化潜热外，其中出仓空气带出的热量约占进仓前热量的30～60％，进热风炉空气温度越低、空气湿度越大、物料允许热风温度越低其干燥热能利用率越低，低温热风干燥热敏性物料，热能综合利用率仅在20％左右。资料报道，干燥设备能耗占国民经济总能耗12％左右，而农林类原料干燥及其成品干燥在工农业生产中占有重要地位，且又是大宗产品。其耗能在国民经济生产中占有一定比重，是耗能“大户”之一。目前全世界性的能源紧缺，中国在石化类特别是油、气资源均占有量上处于极低水平，国家因而制定了建设节约型经济科技发展道路的方向。再加上人们对高品质生活的需求，就给我们提供了研制高效、节能、低成本高质量干燥物料的新型设备提供了良好机遇。真空干燥技术设备在技术上提供了良好支持，但原有的真空干燥设备由于技术上、原材料配套设备上的原因，不能满足设备低价位、运行低成本、大产量需要；因而研发生产出较低售价、大产量、低成本干燥、易操作的低温真空连续干燥技术设备向我们提出了要克服一个个难以逾越的困难的严峻挑战。由于国家的改革开放，新技术、新材料不断出现就又给我们提供了解决一个个技术难题的可能性。历经四年的研发已初步实现了低温真空连续干燥技术设备生产的可能性。今已研制出20吨∕天、60吨∕天、300吨∕天、真空干燥加工东北玉米样机。干燥加工水分36％干燥至4％四川天府花生样机。经试用该设备干燥后的物料品质优良，节能效果显著。该技术已通过专家评审，现就有关问题提出供大家批评指正。
低温真空连续干燥技术特性及其设备特征：
干燥技术设备分类方法很多，如按方法干燥物料周围所处压力条件划分可以划分为常压干燥和真空干燥两大类 。热风干燥即属于常压干燥。热风干燥物料时必须用适当压力把热空气加压送到干燥仓内，向物料周围传递热量后靠剩余压力出仓排入大气.。干燥仓内物料周围压力要高于仓外环境大气压力数百～数千Pa，增加了物料中水份蒸发难度。真空干燥是物料在密封的真空干燥内部环境压力通常处于5000～15000Pa的低压缺氧状态条件下，它的物料环境压力及氧分压只有热风干燥的5.5～14.8％。物料干燥温度在35～54℃之间低温区域，仓内物料实际温度只要在物料中有自由水和大毛细管有机械自由水（水份大于8％）可供沸腾汽化，则只和仓内饱和蒸汽压力相关联，和真空压力一一对应。真空干燥可以方便实现供热介质不和物料接触，加热介质实现封闭循环加热，无外排热能。上述 基本技术特征针对东北气温低、玉米产量大、水份高、能耗高，必须用大型机械设备干燥情况。在经过小型试验基础上大胆提出了低温43℃（玉米种子级干燥温度）真空8600Pa连续干燥这一全新技术研发课题。作者分别参加了20㎡小型冻干机，真空度6600 Pa物料温度1℃，干燥玉米种子20 T/D，真空度5300 Pa温度35℃，干燥东北玉米60 T/D，真空度8000～10000 Pa温度43～47℃，干燥东北玉米300 T/D，真空度8600 Pa，温度43℃，干燥东北玉米，真空度15000 Pa，干燥温度54℃，干燥四川天府花生等设备的研发试制、安装、调试、干燥试验工作，心得体会经验教训颇多，提出下列问题以供大家讨论。
1：真空干燥时设备工作时的真空度干燥温度并非越低越好，应该不高于物料允许受热温度上限，略低为准。建议如表列所示：2：供热温度：为减少干燥时间以便降低干燥成本，应适当提高传热介质温度，因为在真空干燥仓内物料颗粒内部的温度只要有可供快速沸腾、汽化的水分时和仓内气体压力关联恒定。建议供温上限为110～160℃，进仓供热管路应安装节流阀，使仓内供热干燥段温度形成自上而下的连续温度梯度。其温差20～30℃以免物料水分差异太大的情况下个别物料温升超过上限，所以应控制进仓物料水分差异不要太大，应为≤3％。此项用一句通俗的话表达，用高温火焰烧菜做饭时只要锅内有水时，锅内食物都不会超过100℃。在西藏海拔7～8千米高山上沸腾温度70～80℃，不用高压锅吃不上熟饭。
3：真空干燥仓、干燥段结构：进料、出料段，排料机构可沿用热风干燥塔原结构，排料机构应加真空密封。其他普通真空干燥设备由于结构所致，单位体积内加热面积小，供热管抽真空管路在旋转运动状态下密封困难，所以设备造价高。我们根据“固体颗粒物料流动理论”，设计了类似列管换热器排列结构，物料靠自重在管子排列开口、斜向开口合适的尺寸形成的空间S形流动，自上而下均匀混合流动过程中和加热管子接触受热。经大批量干燥玉米、花生试验证明“固体颗粒物料流动理论”提供数据准确即D≥4d ,上述物料在干燥异形加热管之间S形混合流动顺畅，加热均匀，干燥后水分一至。采用特殊形状结构的加热管组件，干燥仓内每立方米容积换热面积可达15～30㎡，供热管组件外壁涂有高发射率的远红外耐磨涂层，频谱和物料吸收频谱趋近一致，长波远红外线穿透能力强，经测试可穿透7～12毫米玉米、花生颗粒料层，上述技术措施可以快速高效率向物料供热，并使换热部件大幅度减少金属用量。
4：真空干燥仓仓壁、供热容腔结构：真空干燥仓工作时是受压容器，圆筒形仓壁、球面形仓顶、底是合理的结构形状。但在圆仓壁面上密封连接供热管件，加装供热容腔在工艺上难以实现的，因而从满足供热管组件排列、并用合理的工艺手段加工连接，采用方形、长方形剖面的仓壁结构是合理的，对方形结构进行受压容器强度计算时应按工作压力≥0.1Mpa进行方形结构强度计算，采用合适尺寸的加强筋或类网状结构以增加结构刚性，在保证仓内物料顺畅混合流动，供热介质容腔内热介质流动不受阻前提下可以使用支撑件、拉杆件加强，可以大幅度减少增强刚性结构的金属用量，减少了设备制造成本。
5：真空干燥仓内物料干燥应进行薄层干燥：在其他类型真空干燥设备中物料均不充满干燥仓内容腔，堆积层较薄。当堆积层较厚时，物料在仓内被不断的翻、搅动，干燥仓内水蒸汽等气体移出仓外阻力很小。本设备真空干燥段数米至十数米高度内充满了物料，气体穿过物料移出仓外阻力很大，势必消耗较大真空动力，，物料干燥层厚度实行比热风干燥物料层厚度略薄的结构设计，试用效果良好，真空表显示仓内外压力差较小。
6：真空干燥设备选用配套高气密性旋转阀：真空干燥设备只有配套使用高气密旋转阀对干燥仓进行连续进排料才能实现大产量、低成本真空干燥作业，真空干燥设备制造的高成本、使用的高成本的瓶颈才能得到良好解决。国内外各类可以使用的旋转阀结构复杂、制造工艺水平要求高，气密性较低且售价昂贵、难以在真空干燥设备上使用配套。在四川天府花生干燥设备上我们使用了自行研究制造的旋转阀结构简单，制造工艺水平要求不太高且制造成本价格较低，符合真空干燥要求的旋转阀。经使用效果良好，达到了设备运转允许漏气量的要求。经实测压力差为0.1Mpa的漏气量约为50升∕分。使用旋转阀进、排物料比不使用可以降低设备高度5～8米，可以降低造价5～8万元。综合上述3、4、5、6、项命名该类设备为低温真空连续干燥塔形设备。
7：真空干燥物料供热热源、及供热设备选用：在真空干燥时物料不和热介质接触，因而可以选择用户所在地价廉易得的热源供热。例如发电厂废热水汽、大型锅炉、水泥厂、陶瓷厂、等窑炉高温废气，集中供热热源、导热油等。当用户必须自购供热设备时，建议选用≤0.1Mpa的微压蒸汽锅炉，使用供热压力≤0.1Mpa。一是制造真空干燥设备和安装设备、铺设供热管道时，可以不受压力容器制造安装使用的强制性限制，和地方部门的严格管理。二是实现无动力供热，减少了电能用量。
8：真空干燥设备应正确选用真空泵：在真空干燥物料过程中有大量的真空状态体积巨大的水蒸汽要用真空泵产生的真空动力移出仓外，在类型选择上建议如下表所示：选用规格时要计算真空泵抽速时，要计算真空干燥仓的工作压力漏气量，物料进出仓，物料带进出的气体量，以及连接进出仓各阀门的漏气量。还应计算真空状态要移出仓外气体总量所需真空动力等因素。并考虑合理备用系数，选用合适的规格。要注意的是制造厂家制造干燥设备各零部件的工艺水平，密封材料种类。选用安装时零部件、装配工艺水平决定了真空泵型号规格、选用的规格大小直接影响了真空泵的电机容量、及电耗的多少。
9：真空干燥时出仓冷凝水回收利用：在进行真空干燥物料时，有大量的出仓水蒸汽冷凝排放，以干燥300吨∕天、玉米降水10％估算，用非接触式冷凝器可回收冷凝软水含有物料芳香气味软质饮用水30余吨。每吨水价值50～100元、水桶装水1～2元∕桶，每天可增收1500～3000元，东北地区100个工作日计增收15000～30000元。缺饮用水地区可考虑用回收装置，另外如不回收可直接排放锅炉设备用水箱内。
10：提高热能综合利用率：更进一步提高节能效率。真空干燥相比热风干燥，由于无外排热能，热源受气候影响极小，有着显著的节能优势。当在寒冷地区有自备蒸汽锅炉时还可以大幅提高节能效率。一是使用蒸汽工作压力较低，出炉蒸汽温度≤119℃锅炉外排烟道气温度可以降低，可以提高锅炉热效率1～3％。二是充分利用锅炉外排高温200℃左右的废气，安装高效换热器对物料进行入仓前加热，升温到真空干燥温度。这是因为在东北寒冷季节玉米等物料中的水分是以冰的形式存在，由于东北地区玉米干燥时处于低温季节，例如1月平均温度：黑龙江－20℃；吉林－16℃；辽宁－10℃；内蒙－16℃，玉米平均水分从22～32％不等，但玉米中的水分均以冰的形式存在。当进入干燥仓后升温过程即需要消耗大量的热能。从－10℃升温至40℃，温差50℃以1000Kg水分25％计算能耗如下：升温50℃水分25％，即250Kg冰溶解水，335KJ∕Kg×250＝83750KJ，1000Kg玉米升温50℃、2.2KJ／Kg×1000Kg×50℃＝110000KJ，干燥至14％水份需脱水120Kg ，能耗2968KJ／Kg×120Kg＝356160KJ升温总能耗83750KJ＋110000KJ＝193750KJ；干燥1000Kg玉米能耗 193750KJ＋356160KJ＝549910KJ；升温能耗占总能耗比例：193750÷549910＝35.2％，因而设计了利用热风炉余热和出仓空气对玉米进行入仓干燥前进行预热可节能35％以上。另外本设计还可将湿空气中的水蒸汽冷凝干燥层送入热风炉换热器，还可再节能20～30％。总节能（煤）可达50％。以300吨／天干燥塔计算，平均每天可节约7～8吨×400元≈3000元，以工作日100天计算，每干燥季节可节约的资金达30万元以上。
初步结论探讨
1：适用真空干燥物料范围，适用于干燥批量大，单台套真空干燥能力脱水10％时5～1000T／D。颗粒物料平均尺寸≤30mm的任意含水份物料。例如各类谷物，及其种子、林果产品、大枣、银杏、油茶籽、可可豆、咖啡豆，各类水果、山楂、草莓、苹果、各类蔬菜、山珍、蔬菜、中草药原片、切片、颗粒，化工颗粒产品、花生、瓜子等多种颗粒。颗粒饲料、膨化饲料，制粒膨化后添加剂再干燥，大米类颗粒食品营养强化添加后干燥特别适用于各类的种子的低温要求干燥后水份≤8％，保存时间长、保持高发芽率。
2：优势；
a 真空干燥后产品品质优于热风干燥。
b 节能效果显著比热风节约30～60％
c 绿色环保、安全、无易燃易爆的危险
d 高水份物料一次快速干燥时间短
3：采用必要的技术手段生产出市场售价和热风干燥相比价位相当或略高5～15％的低干燥成本，大产量、高效节能的低温真空连续干燥塔形设备已成为现实。
4：是干燥技术设备领域中一项技术性重大突破。
后记：由于笔者个人水平有限，我们从事真空干燥设备的科学研究，研制生产试验，时间较短，对真空干燥技术未知的很多。有些虽已知但未求甚解的更多，对真空干燥技术理论认识浅显。上述讨论意见定多有谬误之处敬请各位专家学者、业界同仁批评指正。
在上述研究试验中得到了许多朋友的关爱与之持，得到吉粮集团公主岭粮库、河南吉迪公司、郑州三荣真空公司、四川德阳金府王食品公司有关同志具体指导，帮助在此一併致谢。干燥仓加热段示意图工艺流程示意图参考书目：
潘永康 王喜忠 《 现代干燥技术 》 化学工业出版社
徐成海 张世伟 关奎之 主编 《 真空干燥 》 化学工业出版社
1/26/2007 | |
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郑州飞航真空干燥技术公司 (点击访问) 电话：86-0371-65100207 地址：郑州市1084信箱3号楼102号 | |
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