粉体干燥-造粒-微波加热干燥新工艺路线的探讨（1）

时间：2016-03-10

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**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**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*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最后的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较终湿含量时，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**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%较有利于压力法造粒。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，环境无污染。

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、**溶剂等），用对辊压力机连续辊压造粒过程十分顺利，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%，较多达30%，粉料的粒度分布有严格的要求，如较大粒径为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较终干燥

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，其中水的介电参数较大，即较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**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**理论，电磁辐射的能量不是连续的，而是一个个的“能**”所组成，每个**具有与其频率成正比能量。

词条
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