河南化工 2002年 第4期#1#
综述与述评
微波干燥技术的应用进展
郭胜利,张宝林
(郑州大学化工学院,河南郑州 450002)
摘 要:阐述了微波干燥的原理、特点以及微波技术在国内外的研究和应用现状,同时对该技术在复混肥料干燥中的应用进行了预测分析。关键词:微波;干燥;复混肥料
中图分类号:TQ028.677 文献标识码:A 文章编号:1003-3467(2002)04-0001-03
ApplicationandProgressoftheMicrowaveDryingTechnology
GUOSheng-li,ZHANGBao-lin
(InstituteofChemicalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou 450002,China)
Abstract:Thetheoryandcharacteristicsofmicrowavedryingandthecurrentsituationofresearchandapplica-tionofmicrowavetechnologyathomeandabroadarereviewed.Itisforcastedthatmicrowavedryingwillbeusedincompoundfertilizerdryingfordisplacementofconventionaldryingmethods.Keywords:microwave;drying;compoundfertilizer 微波技术首先应用于通信、广播、电视领域中,使用中发现微波会引起热效应,进而在世界范围内开始了对微波加热的应用研究。微波干燥起源于20世纪40年代,到60年代末,微波能已应用于加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗等工业项目上。由于微波干燥的独特优点使得其发展很快,微波技术及其应用作为一项高新技术被指定为我国/十五0计划重点研发项目。1 微波干燥原理
1.1 微波加热原理
微波是指波长范围为0.001~1m、频率范围为0.3~300GHz、具有穿透能力的电磁波。微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波,通过波导输送到微波加热器,需要加热的物料在微波场的作用下被加热。微波加热不同于一般的加热方式,后者是由外部热源通过热辐射由表及里的传导式加热;而微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热。这种加热是将电磁能转变成热能,其能量是通过空间或媒质以电磁波形式来传递的,对物质的加热过程与物质内部分子的极化有着密切的关系。介质对微波场的极化,表现为对电场电流密度的损耗,一般物质的介电常数不超过50,而水的介电常
收稿日期:2002-01-17
作者简介:郭胜利(1977-),男,郑州大学在读研究生,从事微波传热方向的研究,电话:(0371)3887310;
张宝林(1947-),男,教授,郑州大学磷复肥研究所副所长,电话:(0371)3888137。
数为78.54[1]。当含水物料被置于由微波发生器产生的电磁场中时,微波场以每秒几亿次的速度周期地改变外加电场的方向,使水分子迅速摆动,产生显著的热效应,从而使物料内部和表面温度同时迅速升高。因此微波可以在极短的时间内提高物料温度或在相同的温度下加快反应速率[2]。
1.2 微波干燥的特点
微波干燥有许多优点:¹干燥速度快,干燥时间短。由于微波特殊的加热方式使物料温度短时间内快速升高,而体加热使温度梯度同水分蒸发方向一致,提燥推动力致使干燥时间非常短,一般可缩短50%左右或更多。º利于药物、肥料等对温度敏感地物质的低温干燥以保持物料的性质。微波对物质的作用除有热效应以外,还以其高速的分子振荡激发极性分子不停地改变取向而产生非热效应,加速干燥过程。»产品质量高,微波加热温度均匀,表里一致干燥产品,可以做到水分分布均匀。¼微波还是节能环保无公害型能源。微波源可即开即用,功率连续可调,反应易于控制,能源利用率高,热能几乎全部作用在物料上,既不浪费又不污染环境[2]。2 微波干燥技术的应用现状
2.1 微波干燥技术在国外的研究和应用
#2#河南化工 2002年 第4期
目前,国外微波干燥技术已在轻工业、食品工业、化学工业、农业和农产品加工等领域得到应用。具体在造纸、陶瓷、木材、食品、沥青、污水处理、表面活性剂、香料、矿石、药物、混凝土、涂料、油漆等方面进行研究和应用。
德国的J.Suhm[3]对微波干燥陶瓷等材料进行了研究。他认为由于被干燥物料能量吸入各不相同,干燥过程各异。物料湿度大于15%时则没有实质性的不同,在这种情况下,水分决定着干燥过程;湿度在5%~15%之间时,被干燥物质起着重要的作用,如果物料本身能够吸收微波能,则其温度可以升高,此时介电常数的温度相关性起着决定性作用,对某些化学品来说,可以脱去化学结合水,进行必要的材料试验可以确定能够达到所需温度;湿度低于5%干燥过程趋于缓和。他得出确定微波干燥所需功率的一条经验规律:微波输入功率每增加1kW可在1h内多蒸发掉1kg的水分,只要开始水分含量充分,这条经验规律就可行。德国的Schleusener进行了微波干燥大量水体的油漆试验,将几块薄木片涂上一层漆在微波中干燥,在1.5h内进行了20个不同的干燥系列。得出结论:磁电管功率由低到中、干燥时间从6~8min缓慢增加能够得到最佳效果。
英国的Mcloughlin[5]研究了微波干燥药物粉的情况,认为尽管微波干燥技术在多种工业应用中都证明是成功的,但药物对微波的吸收率仍然很低。作者利用一种特殊的空气微波干燥系统测定了几种常见的药物纯物质和两种组分系统的介电损耗因数。结果表明含有氨基和醋酸基的药物有高介电损耗,而含有阿斯匹林基的药物都有低的介电损耗,但它们都比试验用的溶剂水的介电损耗要明显地低。
南非Stellenbosch大学化工系的Bradshaw[6]研究了微波加热在矿物处理中的应用,认为许多矿石都吸收微波,而脉石则不吸收微波。
法国的Ledion[7]对微波加热大量水溶液时表现出的系列性能进行了研究,指出微波加热可在瞬时改变碳酸钙的平衡,并研究了控温和进行选择性加热的方法。
Nischer等[8]进行了微波干燥混凝土的试验,测定新混混凝土中水分含量,并对微波干燥和常规干燥作了对比,结果表明,混凝土混合后利用1000W的微波源照射90min后可完全除去其中的水分。
微波干燥技术在国外发展非常迅速,该技术在以上领域大都达到了工业应用的程度。2.2 微波干燥技术在国内的研究和应用[4]
我国微波干燥技术的应用始于20世纪70年代初期,已应用于轻工业、化学工业及农产品加工等方面。最近,中山大学的李源英等[9]研究了微波加热方法分散浓缩合成荧光粉并申请专利,在微波场的作用下驱使掺杂离子扩散进入荧光粉基质晶格中而合成荧光粉。南京大学的郭学峰博士等[10]制造纳米级催化剂FePO4的过程中就利用微波进行了处理。
杭州电子工业学院的胡建人等[11]研究了微波快速烘干硅胶的生产工艺。将微波干燥过程分为三个阶段:快速驱除硅胶内部水分、逐步蒸发硅胶表面水分和高温驱湿脱去化合水。经过这三个阶段的处理,硅胶呈强烈的深蓝色,可立即封闭保存。整个过程大约需要90~120min,远低于热力驱湿的24~48h,节省时间15~30倍。
太原工业大学的赵庆玲等[12]对微波干燥煤的情况进行了总结,认为随着煤等级的上升,其介电常数和介电损耗下降,这是由于煤中固有的水分随着煤等级的下降而增加的结果。对于同等级的煤来说,随着湿度的提高,其介电常数和介电损耗增加,则干燥的速度也就越快。对微波干燥褐煤的研究结果表明:微波干燥比对流干燥快1~2个数量级。
清华大学同方研究中心的马国远和西安交通大学的郁永章[13]共同研究了热泵微波联合干燥系统。他们先建立了一个数学模型得出各干燥参数的预测值,再利用设计系统对泡沫橡胶进行干燥试验,通过试验值与预测值进行比较,从而得出结论:与热泵干燥相比,热泵微波联合干燥可以提高产量,但单位能耗除湿量降低;通过精心设计,热泵微波联合干燥在能量消耗方面可以做到与传统对流干燥相当。
2001年李成义[14]发明了一种药用蔗糖的生产方法。因原料甘蔗和甜菜的化学组成相当复杂,除水分和糖分外就有十几种非糖分,传统的药用蔗糖生产都要经过二次加工。该发明包括从种植到制剂的全部连续性过程,其中的干燥过程是利用微波干燥技术,保证了产品的质量和卫生条件。
可用微波进行干燥的其它产品类型很多,像瓜果、蔬菜、肉类、海产品、中药材、动植物标本等。研究表明微波干燥能够最大程度地保留物料中原有的营养成分。例如,晒干青菜的维生素、叶绿素等营养成分只能保留原有的3%,阴干可以保留17%,热片快速干燥可保留40%,FD真空冷冻干燥可以保留到70%以上,微波升华干燥的有效成分可以保留到97%,因此被称为不变性脱水。河南化工 2002年 第4期#3#
3 微波干燥的应用前景
干燥过程几乎涉及到国民经济的所有部门,广泛应用于生产和生活中。干燥的目的是除去某些原料、半成品及成品中的水分或溶剂,以便于加工、使用、运输和贮藏等。一般的干燥方法有机械法、化学法和加热(冷冻)法。这些方法要么设备庞大,干燥费用高,要么干燥速率慢,处理量小。随着科学技术的发展,如生物制品、新型材料(多相复合材料、纳米材料、智能材料和生物医学材料等)、高级陶瓷、新型高级食品和新型药物制品等新产品的出现,传统的干燥技术和干燥器已不适用。微波干燥技术和微波干燥器已在轻工业、建筑业、食品、农产品加工业等行业得到广泛的应用并表现出了强大的优越性。微波干燥无疑是适应新产品要求的一项新技术。
微波的体加热方式使得其干燥曲线是逆温曲线,这非常有利于干燥过程的快速平衡均匀进行。国外已有关于使用微波干燥器进行木材和陶瓷等材料的连续不间断干燥的报道。报道指出,在干燥期间,可通过红外相机拍摄任一时刻材料中水分分布情况的图片,并可利用CT扫描检测水分含量
[15]
置的充分合理利用,将使肥料生产的干燥过程面貌为之一新。4 结束语
综上所述,微波干燥作为一项高新技术,将以其独特的加热特点和干燥机理为化肥特别是复混肥的干燥开辟一条新的途径,应用前景十分广阔。微波技术将在完善自身技术方法和设备的同时,不断与其它干燥技术结合,向着更广更深的方向发展;新兴的微波真空干燥技术、微波冷冻干燥技术以及微波膨化技术都将在理论的建立、完善和应用中不断发展。
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。
但目前尚无关于微波干燥技术用于化肥生产过程的
报道。
化肥工业是国民经济的支柱产业之一,化肥生产工艺日趋成熟;但化肥干燥特别是复混肥干燥过程存在着许多不利因素和问题:¹干燥温度不能太高,因而干燥推动力小、干燥时间长;º干燥装置庞大,生产率低;»投资费用大,生产成本高。微波场同时存在的热效应和非热效应,利用微波技术和装置可以解决以上问题,在不太高的温度下快速干燥,缩短干燥时间,提燥速率和生产能力。四川大学的汤建伟[16]做了微波作用下酸解磷矿生产普钙的实验,研究表明微波能够提高磷矿矿浆的温度,改变结晶形态,促进反应进行,提高转化率。笔者正从事微波用于化肥干燥过程的研究,拟通过实验找出微波对高氮复混肥料造粒性能的影响关系,并确定出微波干燥复混肥的最佳工艺条件及其质热传递机理。初步实验表明,肥料在微波的作用下温度升高很慢,在微波炉中加热40min温度不超过50e;而相同条件下水在微波炉中加热5min温度可达80e,质量减少70%。这是由于一般肥料的介电常数都远比水要小,例如尿素为3.5,氯化钾为5.03,氯化铵为7.0。微波对肥料和水的不同作用特性是微波干燥复肥的理论基础。可以预见,微波干燥技术和装
