熱空氣—微波耦合天然橡膠干燥機設計及其干燥動力學研究

高宏華　張新儒　王永洪　劉成岑　王俊文　?，F(xiàn)周　羅世巧

摘 要 為了解決天然橡膠加工中存在的干燥時間長、能耗高、環(huán)境污染和設備占地較大等問題，設計了一種熱空氣-微波耦合天然橡膠干燥機，以實現(xiàn)兩種干燥方式優(yōu)勢互補，提升天然橡膠加工干燥技術水平。以膠乳級顆粒膠為研究對象，采用該設備研究了微波干燥和熱空氣-微波耦合干燥特性，及耦合干燥動力學。研究發(fā)現(xiàn)：當天然橡膠初始含水率高時，采用微波干燥容易使橡膠受熱不均勻，從而發(fā)生內(nèi)部局部過熱，使膠粒發(fā)粘變壞，影響天然橡膠的性能；而采用熱空氣-微波耦合干燥，橡膠的干燥時間由單獨用熱空氣干燥的415.8 min降至耦合干燥的107 min，且干燥過程傳熱比較均勻，得到的橡膠品質(zhì)較好。根據(jù)天然橡膠的水分變化規(guī)律，建立了天然橡膠熱空氣-微波干燥動力學模型，其動力學模型為：MR=（1-a）exp（-0.0485t0.685）+（1-b）exp（-4.76×10-76t35.905）。

關鍵詞 熱空氣-微波干燥；天然橡膠；耦合干燥機；干燥特性；干燥動力學模型

中圖分類號 TK173 文獻標識碼 A

天然橡膠干燥是利用熱能除去橡膠中濕分（水分或其它溶劑）的單元操作，其本質(zhì)是濕分從物料表面向氣相轉(zhuǎn)移，得到固體生膠[1-3]。這是一個非常復雜的傳質(zhì)傳熱過程，這一過程不僅受到外部條件如空氣溫度、相對濕度、空氣流速等因素的影響，還受到物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理化學性質(zhì)等因素的影響[4]。而天然橡膠的干燥直接影響其性能和分子結(jié)構(gòu)，甚至影響到天然橡膠的應用性能和使用范圍，干燥條件控制不好，還有可能使橡膠失去使用價值[5-7]。因此，在天然橡膠加工生產(chǎn)中，為了不斷提高天然橡膠的性能，干燥技術創(chuàng)新一直是研究的重要課題之一[8]。目前，國內(nèi)天然橡膠顆粒膠的干燥方式主要以熱空氣干燥為主，雖然技術比較成熟，得到的固體干膠產(chǎn)品性能比較穩(wěn)定，在廣大天然橡膠加工廠中廣泛使用，但是，其干燥時間比較長，且需要消耗大量能源，嚴重限制了天然橡膠加工的進一步發(fā)展[9]。微波干燥存在干燥速度快、干燥時間短，干燥均勻、設備占地面積少、熱能利用率高，節(jié)省環(huán)保等優(yōu)點，廣泛應用于糧食、化工和藥品等行業(yè)[10-12]。近年來，微波干燥技術在天然橡膠加工中的應用引起了人們的注意，但是，微波干燥時間過長會對操作人員身體產(chǎn)生損傷，以及橡膠性能不佳等問題，未能在工業(yè)中進一步發(fā)展[13-18]。為了充分的利用這一技術，本研究設計了一種熱空氣-微波耦合天然橡膠干燥機，具體操作為先用熱空氣干燥除去大部分結(jié)合水分，然后，采用微波干燥除去剩余橡膠內(nèi)部比較難排除的自由水分和結(jié)合水分，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，系統(tǒng)的研究了熱空氣-微波耦合干燥特性和動力學，得到能夠描述其干燥過程的數(shù)學模型。通過本研究，可以深入的了解熱空氣-微波耦合干燥過程中膠粒內(nèi)部水分和干燥速率隨時間的變化規(guī)律，闡明干燥過程膠粒內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程，本研究對工程應用具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料

膠乳級顆粒膠：膠乳級顆粒膠為新鮮天然膠乳經(jīng)酸凝固后，在壓縐機上壓縐一次制得膠片，后經(jīng)造粒機造粒后，得到顆粒橡膠，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院試驗場橡膠加工廠提供。

1.2 熱空氣-微波耦合干燥機設計

為了實現(xiàn)熱空氣和微波聯(lián)合干燥，設計了耦合干燥機，可實現(xiàn)熱空氣和微波干燥聯(lián)合或單獨使用，圖1為其示意圖，由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所與太原理工大學共同設計、組裝完成。裝置由微波干燥箱、熱空氣加熱爐和熱空氣抽提泵組成，它們之間由熱空氣管相連接，并配有熱空氣流量調(diào)節(jié)閥。微波干燥箱用于提供微波源，熱空氣干燥的氣源由一個加熱爐產(chǎn)生，加熱爐內(nèi)排列著電熱加熱管。當只需要熱空氣干燥時，把工廠造粒生產(chǎn)的膠乳級顆粒膠裝入微波干燥箱中，使微波干燥箱處于關閉狀態(tài)，而熱空氣加熱爐處于工作狀態(tài)，其產(chǎn)生的溫度和風速分別為80 ℃和1.4 m/s，此時，干燥時間為415.8 min。當橡膠達到干燥過程曲線的快速脫水和慢速脫水的分界點（即：干基含水率為5.92%）時，開啟微波干燥箱，而使熱空氣加熱爐停止工作，直至天然橡膠的含水率不變?yōu)橹?。分界點由單獨采用熱空氣干燥得到。

1.3 測試方法

1.3.1 脫水速率測定 微波干燥脫水速率的測定：把稱量好的濕物料放入微波干燥箱內(nèi)，開啟微波干燥箱，熱空氣加熱爐處于關閉狀態(tài)，干燥一定的時間，測定樣品質(zhì)量變化，直止物料恒重為止。

熱空氣-微波耦合干燥脫水速率的測定：先用熱空氣干燥把物料干燥至轉(zhuǎn)換點含水率的質(zhì)量，然后改用微波干燥，直至物料恒重為止。

含水率w=（mo-mg）/mg×100%（均以干基含水率計算）。

脫水速率v=△m/△t；

式中mg干物料質(zhì)量，g；mo物料某一時刻質(zhì)量，g；△m前后兩次測量的失水質(zhì)量，g；△t前后兩次測量的時間間隔，min。

1.3.2 熱空氣-微波耦合干燥轉(zhuǎn)換點的確定 對熱空氣干燥過程曲線兩端點作切線外推，兩條切線外推后得到的交點就干燥過程曲線的分界點，實驗以該分界點作為微波和熱空氣干燥的分界點。本實驗采用先用熱空氣干燥至該分界點，然后，再采用微波干燥至物料恒重為止。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波干燥天然橡膠干燥特性研究

圖2為不同微波功率下膠乳級顆粒膠干燥曲線。由圖2可知，干燥特性曲線一共分兩段，分別為快速脫水階段和緩慢脫水階段。陳美等[19]研究微波干燥天然橡膠也發(fā)現(xiàn)，干燥過程分為快速干燥和緩慢干燥兩個階段，且快速干燥階段為大量水分脫出過程，與熱空氣干燥相比，微波干燥時間大幅度縮短，認為微波干燥是一種具有發(fā)展前景的天然橡膠干燥方式。在快速脫水階段，隨著干燥時間的增加，天然橡膠的含水率快速降低，且呈先快后慢的趨勢，這一個階段主要是去除橡膠表面的自由水分；在緩慢脫水階段，含水率隨著干燥時間的增加，呈緩慢降低的趨勢，主要除去橡膠內(nèi)部的結(jié)合水分和毛細管水分。從圖2還可以看出，微波干燥功率越大，天然橡膠的含水率降低越快，微波功率為540 W時，物料達恒重，所需要的時間18 min；微波功率為900 W時，所需要的時間為10 min。因此，微波功率對天然橡膠的干燥影響比較顯著，增加微波功率對提高干燥效率比較有效。圖3為不同微波功率下膠乳顆粒膠脫水速率變化曲線，由圖可知，干燥過程分為兩個階段，即快速脫水階段和緩慢脫水階段。在相同含水率條件下，微波功率越大，物料的脫水速率越快。這是由于當微波輻射功率增加時，物料中的水分能吸收更多的能量，溫度升高，水分的蒸發(fā)速率加快；另外，物料內(nèi)部快速的水分蒸發(fā)使細胞腔內(nèi)形成更高的壓力，與外界形成更大的總靜壓力差，在總靜壓力差的作用下，物料內(nèi)部水分向表面遷移的速率大大加快。在這兩方面的共同作用下，物料的干燥速率隨著微波輻射功率的增加而增加[20]。

從微波干燥膠乳級顆粒膠的實驗中，還可以觀察到，微波干燥對膠粒質(zhì)量有較大的影響。當微波功率為900 W時，物料達干燥恒重后，有部分白點難以除去，繼續(xù)干燥，橡膠粒子比較容易燒焦發(fā)粘，使得天然橡膠的質(zhì)量變壞。當微波功率為540 W時，干燥時間稍長，達干燥平衡時，仍有部分白點難以除去，繼續(xù)干燥，依舊出現(xiàn)加熱不均產(chǎn)生局部燒焦發(fā)粘現(xiàn)象。如果微波功率更低時，干燥時間相對較長，干燥后的膠粒質(zhì)量比高功率和中功率好，但仍有局部燒焦發(fā)粘現(xiàn)象。因此，在本試驗條件下，與熱空氣干燥相比，干燥時間雖然很短，但是干燥后產(chǎn)品質(zhì)量欠佳。

2.2 熱空氣-微波耦合干燥天然橡膠干燥特性

針對微波干燥過程中存在高功率容易發(fā)粘、低功率干燥不完全等問題，為了有效提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，設計了熱空氣-微波耦合干燥機，設備示意圖如圖1所示。實驗先把100 g膠乳級顆粒膠在溫度80 ℃，風速1.4 m/s條件下進行熱空氣干燥，分別干燥至干燥過程曲線的快速脫水和慢速脫水的分界點（即：干基含水率為5.92%），然后，以該分界點作為熱空氣與微波干燥的轉(zhuǎn)換點，改用微波進行微波干燥，微波功率為900 W。圖4為熱空氣-微波耦合干燥過程曲線。從圖4可見，干燥過程曲線由兩條比較平滑曲線組成，前半段熱空氣干燥部分呈緩慢降低的趨勢，后半段微波干燥部分呈急劇降低的趨勢，整個干燥過程含水率隨干燥時間的增加而降低，干燥達到質(zhì)量恒重時，干燥所需要的時間為130.6 min，與完全用熱空氣干燥相比，減少了285.2 min，縮短了68.6%的干燥時間。這說明采用微波參與干燥后，干燥效率得到了極大的提高。另外，采用此法得到的天然橡膠產(chǎn)品質(zhì)量比較好，不存在發(fā)粘和白點，這是因為熱空氣干燥除去大量自由水分之后，換用微波干燥，不容易出現(xiàn)內(nèi)部過熱而使天然橡膠發(fā)粘。

圖5為熱空氣-微波耦合干燥速率曲線。從圖5可以看到，整個干燥過程分為3個階段，分別為脫水速率緩慢降低階段、快速增加階段和快速降低階段。在熱空氣干燥階段，膠乳級顆粒膠的含水率比較高，脫水速率隨水分含量的降低緩慢下降，除去了大量的自由水分和部分結(jié)合水分，干燥至熱空氣與微波干燥轉(zhuǎn)換點時，膠乳級顆粒膠的脫水速率為0.036 7 g/min；轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ǜ稍锖?，脫水速率急劇升高；脫水速率升至最高點2.0 g/min后，脫水速率再次急劇下降，最后脫水速率降至0.6 g/min，這兩個階段主要去除難以排除的毛細管水分。

2.3 熱空氣-微波耦合干燥動力學模型

天然橡膠干燥受干燥介質(zhì)溫度、濕度、物料本身物理化學結(jié)構(gòu)、外部形狀等的影響，是一個復雜的傳熱、傳質(zhì)過程。構(gòu)建天然橡膠干燥模型對研究干燥規(guī)律、預測干燥工藝參數(shù)有重要作用。目前，用來描述農(nóng)業(yè)物料整個薄層干燥過程的模型一般有3種[21]：

單項擴散MR=Aexp（-rt） （1）

指數(shù)模型MR=exp（-rt） （2）

Page方程MR=exp（-rtN） （3）

式中MR=（Mt-Me）/（Mo-Me）（MR稱為水分比）；t干燥時間；Mt t時刻物料干基含水率；Me平衡干基含水率；Mo初始干基含水率；A、r、N待定系數(shù)。因為微波干燥物料的平衡含水率Me資料很少，且實驗獲得很難，故把上述的水分比簡化為： MR=Mt /Mo[22]。

為了便于分析，將式（1）、（2）、（3）取對數(shù)化成線性，分別為：

ln（MR）=lnA-rt （4）

ln（MR）=-rt （5）

ln[-ln（MR）]=lnr+N lnt （6）

根據(jù)熱空氣-微波干燥實驗數(shù)據(jù)（條件為：溫度為80 ℃，風速為1.4 m/s，膠乳級顆粒膠轉(zhuǎn)換點含水率5.92%，微波干燥功率為900 W），分別作熱空氣-微波耦合干燥下的t--ln（MR）曲線（圖6）和 lnt-ln[-ln（MR）]曲線（圖7）。

由圖6和圖7可見，熱空氣-微波耦合干燥過程曲線分為熱空氣干燥和微波干燥兩段，-ln（MR）與t呈非曲線性，ln（-lnMR）與lnt呈線性，這表明天然橡膠的熱空氣-微波耦合干燥動力學模型滿足：Page方程 MR=exp（-rtN）。分別對熱干燥部分和微波干燥部分別進行線回歸分析，得到熱干燥時的動學方程為：MR=exp（-0.048 5t0.685）；微波干燥時的動學方程為：MR=exp（-4.76×10-76t35.905）；得出最適用于熱空氣-微波耦合干燥天然橡膠的動力學方程為。

MR=（1-a）exp（-0.048 5t0.685）+（1-b）exp（-4.76×10-76t35.905）

式中a定義為熱空氣干燥轉(zhuǎn)換系數(shù)，b微波干燥轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為0、1，熱空氣干燥階段a取0，b取1，微波干燥階段a取1，b取0。

2.4 動力學模型的驗證

為了驗證模型值與實驗值是否一致，對預測值和實驗值進行了比較，進一步說明數(shù)據(jù)模型的準確度。圖8為由天然橡膠熱空氣-微波耦合干燥數(shù)學模型所計算的預測值與實驗值比較結(jié)果圖。從圖8可知，在整個實驗過程中，實驗值和預測值重合性比較好。因此，在本實驗范圍內(nèi)，模型MR=（1-a）exp（-0.048 5t0.685）+（1-b）exp（-4.76×10-76t35.905）可以用來描述天然橡膠的熱空氣-微波耦合干燥過程。

3 討論與結(jié)論

傳統(tǒng)熱空氣干燥天然橡膠容易造成膠料表層先干燥，互相粘結(jié)熔融，而膠粒中心部分出現(xiàn)白心，表面出現(xiàn)大量白點，未干透現(xiàn)象，致使橡膠質(zhì)量不穩(wěn)定，因而引起很多學者和專業(yè)人士的關注[23]。微波干燥盡管干燥時間段、傳熱比較均勻，但水分含量高時容易出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象[18]。針對現(xiàn)有天然橡膠加工干燥技術存在的問題，結(jié)合熱空氣干燥和微波干燥的優(yōu)缺點，本研究設計了熱空氣-微波耦合干燥機，其具有生產(chǎn)效率高、占地小、環(huán)境友好和生產(chǎn)出的天然橡膠質(zhì)量比較好等優(yōu)點，有望在各大天然橡膠加工廠中推廣使用。

研究發(fā)現(xiàn)，采用自行設計的熱空氣-微波耦合干燥機時，整個干燥過程分為脫水速率緩慢降低階段、快速增加階段和快速降低階段，前一個階段主要除去表面的自由水分，后兩個階段去除難以排除的自由水分和結(jié)合水分。干燥得到橡膠色澤和品質(zhì)比較好，生產(chǎn)效率也比較高。通過對熱空氣-微波耦合干燥天然橡膠傳熱過程研究，發(fā)現(xiàn)熱空氣-微波耦合干燥動力學模型滿足Page方程MR=exp（-rtN）方程。在本實驗范圍內(nèi)，模型為MR=（1-a）exp（-0.048 5t0.685）+（1-b）exp（-4.76×10-76t35.905）。

參考文獻

[1] Chen M， Wang Y Z， Lu G， et al. Effects of different drying methods on the microstructure and thermal oxidative aging resistance of natural rubber[J]. J App Poly Sci， 2012， 126（6）： 1 808-1 813.

[2] Yang L， Zhong J P， Li S D， et al. Impact of drying process on the structure and properties of chlorinated natural rubber from latex[J]. J Polym Mater， 2011， 28（3）： 421-429.

[3] 鐘浩文， 胡明輔， 王 佳. 天然橡膠干燥氣流分布的均勻性研究[J]. 化工進展， 2013， 32（5）： 978-984.

[4] Chen J， Yang L， Zhong J P， et al. Drying kinetics and cross-linking of sulfur prevulcanized thick natural rubbuer latex film[J]. Rubber Chem Technol， 2013， 86（1）： 57-67.

[5] 楊 磊， 鐘杰平， 陳 靜， 等. “膠乳法”氯化天然橡膠干燥過程水分傳遞特性的研究[J]. 熱帶作物學報， 2002， 23（1）： 1-5.

[6] 何蘭珍， 鐘杰平， 楊 丹. 膠乳法氯化天然橡膠干燥歷程中脫氯化氫反應動力學[J]. 化學工程， 2012， 40（5）： 50-53.

[7] 王永周， 陳 美， 鄧維用. 2種方式干燥的天然橡膠干燥特性之研究[J]. 世界橡膠工業(yè)， 2009， 36（10）： 32-35.

[8] 張 飛， 沈家鋒， 王益慶， 等. 干燥方式對天然橡膠性能的影響[J]. 橡膠工業(yè)， 2016， 63（2）： 93-97.

[9] 王偉民， 胡明輔， 馬福華， 等. 天然橡膠干燥中的能耗效率分析[J]. 石油化工設備， 2011， 40（6）： 20-23.

[10] 王永周， 陳 美， 鄧維用. 我國微波干燥技術應用研究進展[J]. 干燥技術與設備， 2008， 6（5）： 219-224.

[11] Talens C， Castro-Giraldez M， Fito P J. A thermodynamic model for hot air microwave drying of orange peel[J]. J Food Eng， 2016， 175： 33-42.

[12] Song Z， Yao L， Jing C， et al. Elucidation of the pumping effect during microwave drying of lignite[J]. Ind Eng Chem Res， 2016， 55（11）： 3 167-3 176.

[13] 陳 美， 鄧維用， 王永周， 等. 不同干燥方式所得干天然橡膠的形態(tài)結(jié)構(gòu)與性能[J]. 熱帶作物學報， 2008， 29（5）： 659-662.

[14] 王永周， 陳 美， 鄧維用， 等. 微波干燥天然橡膠含水量與干燥速率關系研究[J]. 世界橡膠工業(yè)， 2009， 36（8）： 17-18.

[15] 王永周， 陳 美， 劉 欣， 等. 天然橡膠微波干燥動力學模型研究[J]. 熱帶作物學報， 2009， 30（3）： 377-381.

[16] 張福全， 陳 美， 王永周， 等. 微波干燥對天然橡膠硫化膠熱氧老化性能的影響[J]. 熱帶作物學報， 2011， 32（9）： 1760-1 764.

[17] 王永洪， 陳旭國， 趙海波， 等. 微波技術在橡膠加工中的應用研究進展[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學， 2007， 27（6）： 59-63.

[18] 王永洪， 何映平. 微波干燥膠清橡膠試驗研究[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科技， 2008， 31（1）： 6-8.

[19] 王永周， 陳 美， 鄧維用， 等. 微生物凝固濕天然橡膠微波干燥特性研究[J]. 材料導報， 2008， 22（S3）： 296-300.

[20] 馬林強， 慕 松， 李明濱， 等.枸杞的微波干燥特性及其對品質(zhì)的影響[J].農(nóng)機化研究， 2015， 36（5）： 108-112.

[21] Srikiatden J， Roberts J S. Measuring moisture diffusivity of potato and carrot（core and cortex）during convective hot air and isothermal drying[J]. J Food Eng， 2006， 74（1）： 143-152.

[22] 王金雙， 王 俊， 熊永森， 等. 土豆片的微波干燥規(guī)律研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學報， 2002， 14（1）： 44-47.

[23] Bateman L， Sekhar B C. Significance of PRI in raw and vulcanized natural rubber[J]. Rubber Chem Technol， 1966， 39（5）： 1 608-1 616.