粉體幹燥-造粒-微波加熱幹燥新工藝路線的探討（1）
信息來源： | 發布日期：
2025-10-21 23:37:07
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劉傳義 奚天鵬 何士安
（南（nán）京工業大學造粒機械研究（jiū）所 江蘇 南京 210009）
摘 要（yào）：本文從討論粉體幹燥、粉（fěn）體造粒、顆粒幹燥等技術特性出（chū）發，試圖科學地建立一條新（xīn）的（de）粉體前期幹燥—造粒（lì）—微波加熱幹燥工（gōng）藝路線。即開始（shǐ）將物料（liào）進行恒速階段的幹燥，使物料除去大部分的（de）濕分，成為濕含量低於（yú）20%（濕基（jī））的物料（liào）。低濕（shī）含量的物料用壓力法造粒，此時不僅易於成粒，成粒率高，且顆粒粒度均勻，強（qiáng）度高。低濕（shī）含量的顆粒物料，用微波加熱進行幹燥。微（wēi）波加熱的特點使顆粒內部的濕分迅速排除，從而獲得合格濕分要求的產品。文章全麵地討論了新工藝（yì）路線的科學性、技術性、可靠性和經濟性。
關鍵詞（cí）：粉體幹燥；造粒（lì）；微波幹燥
1. 概述
隨著工業發展（zhǎn）的需要，在化工，食品，醫藥，電（diàn）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（lì）度越來越細。如超細碳酸鈣的（de）顆粒度為5μm，二氧化鈦3μm，食品黃、酒（jiǔ）石黃10μm，白雲石15μm，黃色（sè）氧化鐵5μm，矽酸（suān）鋁20μm，澱粉白碳黑45μm等等。現（xiàn）代快速發（fā）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汙（wū）染了（le）環境，其（qí）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（fěn）末的堆積密度小，不便運輸。微細的（de）化學肥（féi）料（liào）施於田裏易於流失，這樣就產生了不利（lì）的一麵，那麽就有了把細小粉末聚（jù）集成較大的實（shí）體——造粒的需求。造粒方法有滾動法和壓力（lì）法。滾動造粒是將鬆（sōng）散的濕物（wù）料（細粉和適量（liàng）的潤濕液）加入製粒裝置內，攪拌翻（fān）動，初始形成團粒核心。隨後，核心以團聚和包層兩種方式長大，團（tuán）聚的（de）顆粒球（qiú）形（xíng）不規則，表麵（miàn）粗糙。包層製粒表麵（miàn）光滑呈球形，斷麵為一層包（bāo）一層的“洋蔥皮”結構，可以（yǐ）控（kòng）製操作條件，使其中一種方式成（chéng）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鬆散濕物料或膏狀或（huò）熔融的物料、溶液、漿狀的物料。壓力法造粒是將濕含量較低的細（xì）粉物料在壓片機、滾壓機、輥壓機（jī）、螺旋擠壓機（jī）等（děng）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（kě）實現強（qiáng）壓造粒。壓力範（fàn）圍為2.5MPa~560MPa，可將粉末壓得（dé）很密實，使粉末間分子力起主導作用，使（shǐ）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（háng）強壓造粒實驗，均（jun1）獲得造粒成功的（de）數據。但對那些濕含量很低（如低於0.2%）、粒度很細（d97<45um）、堆積密度很小(<200kgm-3)、孔隙（xì）率大、內摩擦力小、流動性好的細粉（fěn）物料進行壓力法造粒是較困難的。不但（dàn）耗能（néng）大，且成粒率低，單機產量低。如果在上述特性的物（wù）料中加入（rù）相應的適（shì）量的濕（shī）潤（rùn）劑（jì），則造粒條件（jiàn）大為改善，如（rú）無需很強的造粒壓力就能實現成粒率高，單機產量大，環境無粉塵飛揚等目的。不過顆粒中會含有一定量的濕（shī）分。顆（kē）粒（lì）表麵沒有自由水分，內部濕分的遷移成為控製因素，此時外部可變條件（jiàn）無法改（gǎi）變強化（huà）幹燥（zào）速率（lǜ），即顆粒（lì）幹燥（zào）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（kē）粒（lì）成品。據此提出如下粉體前期恒速幹燥階（jiē）段（即將粉體幹至含水（shuǐ）量低於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（zào）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（liàng）控（kòng）製在（zài）10%~20%
多（duō）數粉體是由固體物料的溶液、濾餅、膏狀原料經幹燥後（hòu）得到（dào）的平均粒徑小於（yú）100μm以下的幹粉。如化肥、染料（liào）及其助劑、食品及其助劑、聚（jù）合物樹脂等粉體，它們都由初含濕量（30%~80%）幹燥為終含濕量（liàng）0.02%~9%的幹粉，其平均粒徑在（zài）5μm~50μm範圍內，要求幹燥器蒸發強度很高。大部分（fèn）時間是花（huā）費（fèi）幹（gàn）燥^後的20%水分。如白炭黑粉，由膏狀含水80%，幹燥（zào）至（zhì）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（zào）器中進行幹燥，幹燥器直徑為150mm，進氣溫度為300oC，每小時產量為5kg。黑炭黑（hēi）由膏狀含（hán）水92%幹燥至含（hán）水為2%的粉體，在強化沸（fèi）騰幹燥器進行幹燥，幹燥直徑為150mm，進氣溫度（dù）為300oC，每小時僅能（néng）獲得1.3kg的幹粉。根據幹（gàn）燥機理和實驗幹燥曲線分析可知，恒速幹燥階段（duàn），熱空氣的熱量（liàng）傳至物料表麵（miàn），使表麵自由水分迅速蒸發（fā），表皮水分降低，物料開始升溫，並在（zài）其內部形（xíng）成溫（wēn）度梯度，熱量由外部傳至內（nèi）部，濕分從物（wù）料內（nèi）部向表麵（miàn）遷移，濕分遷移的動力主要靠擴散、毛細流和由於幹燥過程物料體積收縮（suō）而產（chǎn）生的內（nèi）部壓力。所以在臨界濕含量出現至物料幹燥到（dào）很低的（de）^終濕含量時，內部濕分遷移（yí）成為控製因（yīn）素。一些外部可變（biàn）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、脈衝、超聲波等手段促（cù）進其內部濕分的擴散（sàn）。所以一般物料在濕含量低於20%時，幹燥是（shì）困難（nán）的，稱為降速幹燥階段。在此階段幹燥時間長，消耗能（néng）源（yuán）多。為降低（dī）一般幹燥器的負荷，另一方（fāng）麵為保有物料特定濕含量要（yào）求，已便於加工、成型或（huò）造粒。目前世界各國（guó）為減少原材料的損失和粉（fěn）塵（chén）對環境的汙染，要求將粉體原料進（jìn）行造粒，粒度在20目（mù）至8mm範圍內。當粉體物料含濕量在10%~20%^有利於壓力法（fǎ）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（gàn）燥階段（即終含水量在10%~20%間）即終止，得到的（de）鬆（sōng）散的濕物料進行造粒。此（cǐ）種物料易於成粒，而（ér）且顆粒均勻（yún），無粉塵飛揚，即（jí）物料損失小，環境^。
3. 粉料壓（yā）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（jìn）行造粒實驗，當時對這些物料不加任何粘（zhān）結劑進行造粒實驗，稱為強壓幹法造粒，取得（dé）了可喜成果。絕大部分幹粉能製強度合格的各種不同尺寸（cùn）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（lì），其成粒率不到70%，返料在（zài）30%以上，因此（cǐ）單機造粒產（chǎn）量受到影響，而且在（zài）造粒工程中，篩分時粉塵飛揚，環境受到汙染（rǎn）。如果在幹粉中（zhōng）加入10%左右的液（yè）體粘結劑（如（rú）水、有機溶（róng）劑（jì）等），用（yòng）對輥壓力機連續輥壓造粒過（guò）程^順（shùn）利，不但成粒率高，且粒度均勻（yún）、強度高（gāo），製粒過程無粉塵飛揚。
另外濕法滾動造粒時，要求鬆散（sàn）的濕（shī）物料含（hán）濕量（liàng）在10%到（dào）20%，^多達30%，粉（fěn）料的粒度（dù）分布有嚴格的要求，如^大（dà）粒徑為30~50目，至少要有（yǒu）25%細粉粒徑（jìng）小於200目。鐵礦石造粒的給料中（zhōng），小於325目（mù）細粉應占40%~80%。而濕含量為10%左右細（xì）粉（fěn）用輥壓力機連續造粒就（jiù）沒有這方麵的要求（qiú）。壓力範圍在（zài）2.5~140MPa，即可成粒，能耗大大（dà）降低，耗能量為（2~4）kw/ht。如果不在造粒（lì）前另加粘結劑、潤（rùn）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（hé）理且具有很明顯（xiǎn）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（mò）生，家用微波爐，城市居民應用得非常熟練。尤（yóu）其對熟食品的再加熱，大家（jiā）都體會到微波加熱速度快，如加熱（rè）饅頭、麵（miàn）包、包子時，會對上述食品先在水中浸一下，再放在（zài）微波爐加熱，這（zhè）樣（yàng）不但加熱時間短，而（ér）且包子、饅頭鬆軟不會變硬。在微波爐內為什麽濕饅頭比幹饅頭熱及快？為（wéi）什麽鬆軟（ruǎn）而不變硬？要回答這些問題，應（yīng）了解微（wēi）波與（yǔ）物料相互關係及微波加熱的特點。
所謂微波就（jiù）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（hù）關係：
（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，使微波不泄（xiè）露。
（2）絕緣體：這類物質不反射（shè）也不吸收微波，對微波是透明的（de），如微波（bō）碗、盒，都（dōu）用絕緣體如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯樹脂等做（zuò）成的。
（3）介電體：這類物質不同程度吸收微波能轉（zhuǎn）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（liàng）發生作用，產生熱量。
一般的粉（fěn）體物料均為（wéi）介電體，其濕分（fèn）多為水或有機溶劑，如乙醇等，濕分的介電參數遠遠大於固體的介電參數，如水在80左（zuǒ）右而幹砂隻有（yǒu）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（wéi）微波加熱幹燥時，微波能大部（bù）分消耗在欲（yù）除去的（de）濕分中。
微（wēi）波具有波粒二象性，根據量子理論，電磁輻射的能（néng）量（liàng）不是連續的，而是一個個的“能量（liàng）子”所組成，每個量子具有（yǒu）與其頻率成正比能量。
E=hf (1)
式中h=6.626×10-34J.S 普朗（lǎng）克常數。這種能量在介電體可以（yǐ）轉為熱能。能量轉化的機理有許多種（zhǒng），如離子傳導、偶極子轉動、界麵（miàn）磁化、磁滯、壓電、電致伸（shēn）縮、核磁共振等。其中離子傳導和偶極（jí）子轉動（dòng）是介電（diàn）加熱主導原因。
離子傳（chuán）導：帶電荷的粒子（如氯化鈉溶液中含有Na+、Cl-1 、(H3O)+、OH-1四種離子）在外電場作用下不會被加（jiā）速（sù），沿與它極性相反的方向運（yùn）動，在宏觀上表（biǎo）現為傳導電流，這些離子在運動過程會與其周圍的其它粒子相碰撞，同時將動能傳給這些粒子，使（shǐ）其運動加劇。如果是在高頻（pín）交變電（diàn）場中，物料中的粒子就會發生反複的變向運動，致使碰撞加劇，產生耗散（sàn）熱而發（fā）生能量（liàng）轉化，單位體積所產生的功率為（wéi）：
(2)
式中：PV：單位（wèi）體積內所產生的功率，W/m3；E：為電磁場（chǎng）強度矢量，V/m；σ：為導電（diàn）率，S/m；
偶極子轉動：介電質在外電場的作用下會產生位移極化（無極分子介電質）和轉向極化（有極分子介電質），如果在交變的外電場中，介電質被反複極化（huà），偶極子不斷地發生“取向”和“弛豫”，如（rú）此，由於分子的原有的（de）熱運動和相鄰（lín）分子間的相互作用，使分子隨外電場的規則（zé）運動受到幹擾和（hé）阻礙，產生“摩（mó）擦效應”，結果一部分能量轉化為分子熱運動的（de）動能，以熱的形式表（biǎo）現出來，使物料溫（wēn）度（dù）升高（gāo）。
單位體積變化的功（gōng）率為：
水是（shì）極性分（fèn）子，它的相對介電常（cháng）數遠遠高於其（qí）它介電質（zhì）的相對（duì）介電常數，水的損耗因子與其它（tā）的介電質的損耗因子相近，所以水的tanδ值^大，其它液體（如乙醇等一些有機溶劑（jì））也呈較強介電特性。故含水（shuǐ）和溶劑的濕物料均適（shì）合微波加熱幹（gàn）燥。這類濕物料在微波場中能“就地發熱，內外同熱”濕物料中水分的溫度迅速升高，汽化。而固（gù）體粉料隻消耗少量的微波能。
前文（wén）敘述的用輥壓法對濕含量為10%~20%的鬆散濕（shī）物料進行連續製粒，既科學又經濟，但顆（kē）粒中所含的濕分用什麽加熱方法對（duì）其進行幹燥呢（ne）？據本文第二部論述已知，當物料幹燥恒速階段結束時，就進入降速幹燥階段，用對流、傳導、輻射加熱，無（wú）法強化幹燥，隻有微波能（néng）可有效地使內部水分汽化。因為物料（liào）在微波場中“內（nèi）外同（tóng）熱”，物料內部的水分很快（kuài）達到（dào）沸點，發生高強度蒸發，物料（liào）的質構阻礙（ài）水分流動，故在物料內部形成壓力梯（tī）度，由於“內外同熱”表麵（miàn）熱量易散失，物料內部形成正的溫（wēn）度梯度和濕度（dù）梯度，三種狀態均能促使水分以液態、汽態（tài）或分子流的形式向物（wù）料表麵移動。大大提高降速幹燥階段的幹（gàn）燥速度，使很難幹燥（zào）的物料能（néng）快速得到均勻的幹燥。
微波加熱對顆（kē）粒狀、低濕含（hán）量的物（wù）料進行幹燥具有很多優（yōu）點，如幹燥速度快，幹燥均勻，節能，濕含（hán）量控製^。改善品質（食品，藥品不會發生二次（cì）汙染，且能滅菌）。那麽微波幹燥在（zài）國內的發（fā）展情況（kuàng）如何呢？
