膜蒸餾與溶液除濕集成型食品低能耗干燥裝置研究

桂大李 - 陳 東 樊佳琪 - 謝繼紅 -

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

干燥是食品加工的基本方式[1-2]，同時也是一種高耗能操作[3-4]。食品中很多熱敏物料需采用60 ℃以下的低溫空氣干燥[5-7]，由于低溫空氣的吸濕能力相對較弱，導致熱敏物料的干燥能耗較高[低溫空氣從物料中帶走的水分與消耗的能量之比，即除濕能耗比(SMER)[8-9]通常<1.0 kg/(kW·h)]，制約了熱敏性食品的干燥深加工。造成低溫熱風干燥能耗大的主要原因是干燥器排出廢氣中所蘊含熱能的回收難度較大。徐俊等[10]利用對水蒸氣有強烈吸收作用的除濕溶液將干燥器排出的廢氣進行除濕再循環(huán)利用，提高了空氣的吸濕能力并回收了廢氣蘊含的熱能。但除濕溶液在除濕干燥過程中，溶液的濃度逐漸降低，吸濕能力減弱，需采取合理的方式對除濕溶液進行及時再生[11-12]。

膜蒸餾是利用疏水微孔膜只允許蒸汽通過而不允許溶液通過的特性，將溶液中的水分與溶質(zhì)分離的新技術[13-14]，用于再生除濕溶液時具有能耗低、分離效率高、可處理中高濃度除濕溶液等優(yōu)勢。因此，將膜蒸餾與溶液除濕干燥相集成，可實現(xiàn)熱敏性食品的低能耗干燥。

1 工作原理

膜蒸餾與溶液除濕集成型干燥裝置主要包括兩個核心單元和兩個輔助單元，核心單元為除濕干燥單元和除濕溶液再生單元，輔助單元為冷卻液循環(huán)單元和熱泵單元，裝置流程如圖1所示。

圖1 裝置流程圖

由圖1可知，除濕干燥單元主要由干燥器、風機和除濕器組成，用于物料干燥；除濕溶液再生單元主要由溶液罐、溶液泵、除濕器、加熱器和膜蒸餾組件組成，用于再生除濕溶液；冷卻液循環(huán)單元主要由冷卻液罐、冷卻液泵、膜蒸餾組件和冷卻器組成，用于為膜蒸餾組件提供冷能；熱泵單元主要由壓縮機、加熱器、膨脹閥和冷卻器組成，用于為冷卻液循環(huán)單元補充冷能，同時為除濕溶液再生單元提供熱能。

該裝置的工作過程為：壓縮機、風機、溶液泵和冷卻液泵運行，溫度較高、濕度較低的熱干空氣進入干燥器中與熱敏物料進行熱質(zhì)交換，并帶走物料中的水分，流出干燥器時循環(huán)空氣變?yōu)闇囟容^低、濕度較高的冷濕空氣進入除濕器；在除濕器中，除濕溶液與冷濕空氣進行熱質(zhì)交換，除濕溶液吸收冷濕空氣中的水分，同時也吸收水蒸氣中的潛熱而溫度升高；冷濕空氣被除濕溶液吸濕加熱，流出除濕器時又變成熱干空氣并再次進入干燥器繼續(xù)循環(huán)；除濕溶液在除濕器中吸收了來自循環(huán)空氣的水分后濃度降低，成為稀溶液返回溶液罐。

當除濕溶液濃度降低時，其從循環(huán)空氣中吸收水分的能力下降，因此需對其進行再生；除濕溶液再生可與除濕溶液在除濕器中吸收循環(huán)空氣中的水分同時進行，使裝置中除濕溶液濃度保持恒定；也可采用間歇方式對除濕溶液進行再生，即除濕溶液再生單元和除濕干燥單元不同時工作，待除濕干燥單元工作一段時間導致除濕溶液濃度降低至一定程度后，再啟動除濕溶液再生單元，對除濕溶液進行濃縮再生，使除濕溶液濃度變?yōu)槌凉窀稍飭卧ぷ鏖_始時的濃度；從保持裝置運行參數(shù)穩(wěn)定的角度而言，除濕溶液再生單元和除濕干燥單元同時工作，更便于裝置的運行管理。

當除濕溶液再生單元和除濕干燥單元同時工作時，另一部分除濕溶液先進入加熱器被加熱器內(nèi)的熱泵工質(zhì)加熱升溫，再進入膜蒸餾組件；在膜蒸餾組件中，除濕溶液中的水分在膜表面汽化為水蒸氣，水蒸氣不斷地穿過膜孔和氣隙到達冷卻板被凝結(jié)成冷凝水排出膜蒸餾組件(利用疏水微孔膜只允許水蒸氣通過而不允許溶液通過的特性，除濕溶液的其他組分被截留)，流出膜蒸餾組件的除濕溶液則變?yōu)闈馊芤悍祷厝芤汗?；濃溶液與稀溶液在溶液罐中混合，維持溶液罐中除濕溶液濃度的穩(wěn)定。

裝置穩(wěn)定運行時，干燥器內(nèi)物料中水分的去除速率、除濕器內(nèi)除濕溶液對循環(huán)空氣中水蒸氣的吸收速率和膜蒸餾組件內(nèi)除濕溶液中水分在膜表面汽化且穿過膜孔的速率(即冷凝水排出速率)相同；循環(huán)空氣在干燥器中放出的熱能近似等于除濕器中吸收的熱能；除濕溶液在加熱器中獲得的熱能近似等于膜蒸餾組件中放出的熱能；冷卻液在冷卻器中獲得的冷能近似等于膜蒸餾組件中提供給水蒸氣凝結(jié)所需的冷能。

膜蒸餾與溶液除濕集成型干燥裝置的除濕能耗比(干燥器內(nèi)物料除去的水分質(zhì)量與壓縮機耗電量之比)近似為：

(1)

式中：

SMER——除濕能耗比，kg/(kW·h)；

Cd——除濕干燥單元的熱效率；

Cm——膜蒸餾組件的熱效率；

Chp——熱泵單元的熱力學完善度；

Tc——熱泵工質(zhì)在加熱器中的放熱溫度，K；

Te——熱泵工質(zhì)在冷卻器中的吸熱溫度，K。

取除濕干燥單元的熱效率0.9，膜蒸餾組件的熱效率0.9，熱泵單元的熱力學完善度0.55，熱泵工質(zhì)在加熱器中的放熱溫度60 ℃(333 K)，熱泵工質(zhì)在冷卻器中的吸熱溫度25 ℃(298 K)時，膜蒸餾與溶液除濕集成型干燥裝置的SMER為6.36 kg/(kW·h)。

膜蒸餾與溶液除濕集成型干燥裝置中最關鍵的兩個單元是除濕干燥單元和除濕溶液再生單元(冷卻液循環(huán)單元和熱泵單元相對較簡單、也較成熟)。因此對除濕干燥單元和除濕溶液再生單元分別建立試驗裝置，并對其運行特性進行驗證研究。

2 除濕干燥單元的實驗驗證

2.1 試驗材料與裝置

試驗材料(被干燥物料)為表面經(jīng)親水化處理的熱敏性棉纖維，除濕溶液為質(zhì)量分數(shù)為50%的LiBr溶液，試驗裝置具體結(jié)構如圖2所示。

圖2中，干燥器內(nèi)直徑150 mm、高1 000 mm，干燥器內(nèi)布置熱敏性棉纖維，除濕器內(nèi)直徑107 mm、高500 mm，除濕器內(nèi)部填充聚丙烯材質(zhì)的多面空心球填料，填充高度330 mm。

圖2 除濕干燥單元試驗裝置

Figure 2 Experimental device of dehumidifying-drying unit

測量儀表有高精度數(shù)顯溫度計、DT-321S溫濕度計、ZRQF智能風速計，用來測量除濕溶液進出除濕器溫度、熱干空氣進干燥器溫度和濕度、冷濕空氣流出干燥器溫度和濕度、循環(huán)空氣風速等。

2.2 試驗步驟

首先打開溶液泵和風機，將除濕溶液的流量和循環(huán)空氣的風量調(diào)整至設定值；將除濕溶液預熱至設定溫度，用除濕溶液對循環(huán)空氣進行加熱，循環(huán)空氣對干燥器內(nèi)熱敏性棉纖維進行預熱，當循環(huán)空氣溫度穩(wěn)定后，物料預熱完畢，裝置開始穩(wěn)定運行。除濕干燥單元穩(wěn)定運行后，記錄試驗裝置的關鍵運行參數(shù)。

2.3 結(jié)果與分析

裝置預熱階段，循環(huán)空氣進出干燥器溫度隨時間變化如圖3所示。

圖3 循環(huán)空氣進出干燥器溫度隨時間的變化規(guī)律

Figure 3 Temperature variation of circulating air into and out of dryer with time

由圖3可知，裝置預熱階段，循環(huán)空氣進入干燥器溫度先上升后趨于穩(wěn)定；循環(huán)空氣流出干燥器溫度先迅速下降后上升再趨于穩(wěn)定。這是由于預熱階段初期，進入除濕器的循環(huán)空氣溫度較低，且循環(huán)空氣與除濕溶液間尚未形成充分的傳熱傳質(zhì)，所以流出除濕器(進入干燥器)溫度隨預熱的進行逐漸升高；同時干燥器內(nèi)物料的溫度較低，對循環(huán)空氣的吸熱較多，導致2 min前循環(huán)空氣流出干燥器溫度迅速下降，隨著物料溫度的逐漸上升，物料對循環(huán)空氣的吸熱逐漸減小，循環(huán)空氣流出干燥器溫度逐漸上升并趨于穩(wěn)定，裝置預熱完成。

試驗裝置穩(wěn)定運行的典型工況參數(shù)為：除濕溶液質(zhì)量流量16.8 g/s，除濕溶液進入除濕器溫度46.6 ℃，除濕溶液流出除濕器溫度46.3 ℃；循環(huán)空氣質(zhì)量流量10.3 g/s，循環(huán)空氣進入干燥器(流出除濕器)溫度42.7 ℃、含濕量23.2 g水蒸氣/kg干空氣，循環(huán)空氣流出干燥器(進除濕器)溫度29.0 ℃、含濕量25.7 g水蒸氣/kg干空氣；循環(huán)空氣對物料的干燥速率0.093 kg/h。

除濕干燥試驗裝置的運行試驗表明，除濕干燥單元具有如下特性：① 自穩(wěn)定特性。即設定好除濕溶液的溫度、流量和循環(huán)空氣流量后除濕干燥單元會自動達到一個穩(wěn)定運行狀態(tài)。② 能量自平衡特性。即除濕干燥單元達到穩(wěn)定運行狀態(tài)后，除濕溶液進出除濕器的溫度變化較小，基本不需再額外輸入能量即可實現(xiàn)物料中水分向除濕溶液中轉(zhuǎn)移。

3 除濕溶液再生單元的實驗驗證

3.1 試驗材料與裝置

試驗料液為質(zhì)量分數(shù)為50%的LiBr水溶液。基于膜蒸餾的除濕溶液再生單元中，膜蒸餾組件是核心部件。試驗采用的膜蒸餾組件為中空纖維束—套管型氣隙式膜蒸餾組件，如圖4所示。

由圖4可知，膜蒸餾組件的基本結(jié)構為殼體內(nèi)布置多根金屬套管，套管內(nèi)布置多根中空纖維疏水膜管；料液從膜蒸餾組件上方進入，流入中空纖維疏水膜管內(nèi)；在流經(jīng)中空纖維疏水膜管過程，料液中的水分在膜管內(nèi)表面汽化，水蒸氣穿過膜孔到達膜管外，再穿過膜管與套管內(nèi)壁間的空氣間隙到達套管內(nèi)壁，并在套管內(nèi)壁被凝結(jié)成冷凝水，從膜蒸餾組件的左下方排出；水蒸氣在套管內(nèi)壁冷凝放出的熱量被套管外流動的冷卻液帶走。膜蒸餾組件的材料和具體參數(shù)見表1。

圖4 試驗用膜蒸餾組件

表1 膜蒸餾組件參數(shù)表

3.2 試驗步驟

檢測膜蒸餾組件有無滲漏、親水化等缺陷，確認完好后連接加熱器、膜蒸餾組件、冷卻器等部件；調(diào)節(jié)加熱器和冷卻器使進膜蒸餾組件的溶液溫度和進膜蒸餾組件的冷卻液溫度達到設定值，待裝置進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時測量膜蒸餾組件再生除濕溶液的運行數(shù)據(jù)。

3.3 結(jié)果與分析

膜蒸餾組件再生除濕溶液的典型運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 除濕溶液再生試驗數(shù)據(jù)

由表2可知，膜蒸餾組件可有效地將水分從除濕溶液中分離出來，并且膜蒸餾組件再生除濕溶液得到的冷凝水的電導率很低，表明膜蒸餾組件再生除濕溶液具有很高的分離效率。

4 結(jié)論

膜蒸餾與溶液除濕集成型干燥裝置可實現(xiàn)熱敏物料的低溫、低能耗干燥；利用除濕干燥試驗裝置對表面經(jīng)親水化處理的熱敏性棉纖維的低溫干燥試驗表明，不但成功地實現(xiàn)了物料中水分向除濕溶液中的轉(zhuǎn)移，且試驗裝置具有自穩(wěn)定和能量自平衡等特性；通過中空纖維束—套管型氣隙式膜蒸餾組件對除濕溶液的再生試驗表明，膜蒸餾技術可實現(xiàn)除濕溶液中水分的分離，且具有很高的分離效率。給出了膜蒸餾與溶液除濕集成型干燥裝置的除濕能耗比SMER的估算公式，通過典型工況參數(shù)計算表明，其SMER可達6.36 kg/(kW·h)，為普通低溫熱風干燥裝置降低能耗的6倍以上，具有很好的產(chǎn)業(yè)化應用優(yōu)勢。后續(xù)可建立集成裝置的數(shù)學模型，掌握集成裝置性能指標隨關鍵要素的變化規(guī)律，為集成裝置的設計與優(yōu)化提供參考。