真空干燥技術(shù)研究進(jìn)展與展望

王政文 張萬堯 崔建航

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司 國家干燥技術(shù)及裝備工程技術(shù)研究中心）

真空干燥技術(shù)［1，2］也被稱為解析干燥技術(shù)，工作時(shí)將物料置于真空負(fù)壓條件下，并通過適當(dāng)提高溫度的方式達(dá)到物料在負(fù)壓狀態(tài)下的沸點(diǎn)或者通過降低溫度的方式達(dá)到物料在負(fù)壓狀態(tài)下的熔點(diǎn)，以達(dá)到干燥物料的目的。例如，在一個(gè)大氣壓下水的沸點(diǎn)為100℃，將水置于真空負(fù)壓條件下，可以使水在80、60、40℃時(shí)便達(dá)到沸點(diǎn)開始蒸發(fā)。江陰名正機(jī)械有限公司最近新研制出的真空干燥技術(shù)可以在20、5、-5、-10℃時(shí)，便使水達(dá)到沸點(diǎn)并開始蒸發(fā)，為具有熱敏性的物料的烘干提供了可能。根據(jù)目前國內(nèi)外的發(fā)展情況來看，真空干燥技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，尤其在食品生產(chǎn)加工、制藥等領(lǐng)域。在保健品的生產(chǎn)加工過程中，因?yàn)樘烊惶崛∥镉行┏煞衷诟邷貭顟B(tài)下會(huì)失效，所以廣泛采用真空干燥技術(shù)；在塑料加工領(lǐng)域中，美國Maguire公司開發(fā)出來的真空干燥設(shè)備就已經(jīng)被應(yīng)用到塑料加工過程中；而在石油化工的合成工藝領(lǐng)域中，分離是一項(xiàng)重要的操作過程，在機(jī)械固液分離不徹底的情況下，還需要通過真空干燥技術(shù)來進(jìn)一步干燥實(shí)現(xiàn)固液徹底分離。目前，隨著真空干燥技術(shù)的不斷發(fā)展和各個(gè)領(lǐng)域機(jī)械設(shè)備的不斷更新，出現(xiàn)了形式多樣的真空干燥設(shè)備［3］，如雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)、真空耙式干燥機(jī)、真空帶式干燥機(jī)、真空盤式連續(xù)干燥機(jī)、低溫帶式連續(xù)真空干燥機(jī)及連續(xù)式真空干燥機(jī)等。

1 真空干燥的基本原理及特點(diǎn)

1.1 真空干燥的基本原理

干燥物料的方法有很多，采用真空干燥技術(shù)可以隔絕空氣，防止物料發(fā)生氧化等化學(xué)變化，避免物料失去原有的特性。真空干燥的方式各種各樣，但從根本上來講，主要是通過沸點(diǎn)和熔點(diǎn)兩種方式進(jìn)行干燥的［4］。

1.1.1 通過沸點(diǎn)干燥

在通過沸點(diǎn)干燥過程中，有兩種方式可讓液態(tài)水汽化，分別為蒸發(fā)和沸騰。液態(tài)水在沸騰時(shí)的汽化速度要比在蒸發(fā)時(shí)的汽化速度快得多。任何溫度下液態(tài)水都能通過蒸發(fā)汽化成水蒸氣，但是液態(tài)水必須在特定溫度下才能沸騰汽化成水蒸氣，這個(gè)特定溫度隨壓強(qiáng)的變化而改變，壓強(qiáng)降低，水的沸點(diǎn)也跟著降低。例如，在47.3kPa大氣壓下，液態(tài)水的沸點(diǎn)為80℃。

而真空干燥機(jī)的工作原理就是基于真空干燥的原理，在真空條件下，通過熱傳導(dǎo)、熱輻射等方式為物料提供足夠的熱量，使物料在真空干燥機(jī)內(nèi)部同時(shí)發(fā)生蒸發(fā)和沸騰現(xiàn)象，以達(dá)到物料中水分快速汽化的目的。同時(shí)，對(duì)物料進(jìn)行抽真空處理，使物料周圍形成真空負(fù)壓狀態(tài)，以便汽化形成的水蒸氣快速被真空泵抽出，這樣物料的內(nèi)外層之間、物料表面和周圍介質(zhì)之間會(huì)形成較大的濕度梯度，加快汽化速度，達(dá)到干燥的目的。

在真空干燥的過程中，受到供熱方式、加熱溫度、真空度、冷卻劑溫度、物料的種類、初始溫度及物料所受壓緊力大小等因素的影響，通常通過熱傳導(dǎo)、熱輻射或兩者結(jié)合的方式進(jìn)行供熱。

1.1.2 通過熔點(diǎn)干燥

在通過熔點(diǎn)干燥過程中，首先將液體形態(tài)的物料在低溫下（-50～-10℃）凍結(jié)成固體形態(tài)，然后在高度真空下，直接將物料中的固態(tài)水分升華為氣態(tài)而除去，以達(dá)到干燥的目的，這個(gè)過程也稱為升華干燥或者真空冷凍干燥。

為了使熔點(diǎn)干燥順利進(jìn)行，必要條件是熔點(diǎn)干燥過程中操作溫度下的壓力應(yīng)該低于冰的飽和蒸氣壓。通常壓力控制在相應(yīng)溫度下冰的飽和蒸氣壓的25%～50%。當(dāng)干燥溫度為-40℃時(shí)，壓力應(yīng)該為2.7～6.7Pa。

液體形態(tài)的物料也可以不進(jìn)行預(yù)凍處理，而是利用高度真空時(shí)水汽化吸熱的原理，使物料自行凍結(jié)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能量消耗少，缺點(diǎn)是容易使液體形態(tài)的物料飛濺或產(chǎn)生泡沫，造成損失。同時(shí)，這種凍結(jié)方式也不易于使干燥物獲得多孔性和均勻性。

通常情況下，通過熱傳導(dǎo)的方式，由干燥機(jī)的間壁給液態(tài)物料供給能量，此時(shí)，既要保證液態(tài)物料的干燥速率，又要確保被凍結(jié)的固態(tài)物料中的冰不被融化。

在熔點(diǎn)干燥過程中，升華溫度一般為-35～-5℃，升華出來的氣態(tài)水在冷凝管上液化后，順著冷凝管排出或者直接由真空泵排出。在升華過程中，若是熱量來自于被干燥的固態(tài)物料，則會(huì)導(dǎo)致物料的溫度快速降低，從而使冰的蒸氣壓變低，以至于升華速率變慢。

1.1.3 克拉珀瓏-克勞修斯公式

真空干燥的基本原理也可以由克拉珀瓏-克勞修斯公式［5］表示：

式中 C——常數(shù)；

L——汽化潛熱，kJ/kg；

ps——在溫度T時(shí)的飽和蒸氣壓，MPa；

T——絕對(duì)溫度，K；

V′、V″——?dú)怏w和液體的比容，m3/kg。

由上式可以看出：當(dāng)ps不變時(shí)，加熱物料，升高T，液體的汽化量變多，干燥速度加快；當(dāng)T不變時(shí)，降低ps，同樣會(huì)使液體的汽化量變多，加快干燥的速度。

1.2 真空干燥的特點(diǎn)

真空干燥的特點(diǎn)具體如下：

a.真空干燥技術(shù)比其他干燥技術(shù)更適用于易氧化物料、熱敏性材料、易發(fā)生化學(xué)變化的物料，可以有效防止有毒有害物質(zhì)的排放等；

b.干燥過程中所需要的溫度低，受熱面積大，受熱均勻，水分容易蒸發(fā)，干燥所需時(shí)間短等；

c.干燥過程中使物料隔絕空氣，有效避免了物料被氧化的可能性，干燥后使物料保持了原有的特性；

d.干燥過程中對(duì)物料內(nèi)外同時(shí)加熱且加熱均勻，避免了內(nèi)外受熱不一致導(dǎo)致的膨化現(xiàn)象，這樣會(huì)大幅提高物料的干燥質(zhì)量；

e.對(duì)于干燥后所蒸發(fā)出來然后遇冷液化的液體，可以回收利用，但是由于真空干燥速度快，對(duì)這種液體的回收能力小，如果想提高其回收率，需要對(duì)干燥過程實(shí)行間歇性操作；

f.真空干燥效率高，干燥周期短，生產(chǎn)加工速率方面要遠(yuǎn)高于其他干燥技術(shù)；

g.真空干燥設(shè)備體積小，便于安裝維修；

h.真空干燥更容易控制，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)。

2 真空干燥設(shè)備的研究進(jìn)展

真空干燥設(shè)備［6～8］按加工和出料方式不同可分為間歇式和連續(xù)式。間歇式真空干燥設(shè)備以雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)和真空耙式干燥機(jī)最為典型；連續(xù)式干燥機(jī)以真空帶式干燥機(jī)為典型代表。

2.1 雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)

雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)［9，10］是間歇式真空干燥機(jī)的典型代表之一，具有高效性［5］和節(jié)能性［11］，因此廣泛應(yīng)用在化工、食品等行業(yè)［12］。雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)由進(jìn)熱源、旋轉(zhuǎn)接頭、機(jī)架、罐體、真空過濾器、密封座及真空壓力表等組成（圖1）。干燥機(jī)罐體為雙錐形，罐內(nèi)為真空狀態(tài)，當(dāng)物料通過進(jìn)料口進(jìn)入干燥機(jī)罐體后，通過蒸汽或熱水的熱交換原理對(duì)罐內(nèi)物料進(jìn)行加熱，使?jié)裎锪侠锏乃治鼰崞?，然后被真空泵抽走，以達(dá)到干燥的目的。在真空狀態(tài)下，由于罐體處于回轉(zhuǎn)狀態(tài)，這樣會(huì)使物料在罐內(nèi)不斷被攪動(dòng)，受熱均勻，提高了干燥效率，達(dá)到了加快干燥的目的。

圖1 雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有很多，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

a.在干燥過程中，罐體內(nèi)大氣壓小于外界大氣壓，氧氣含量低，因此能干燥易氧化的物料［13］；

b.由于物料的沸點(diǎn)與所受氣壓成正比，在真空高壓下，溫度很低時(shí)就可達(dá)到沸點(diǎn)，因此廣泛適用于不耐高溫的物料的干燥；

c.可以達(dá)到很高的真空度，且雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，易于清理與維修；

d.罐內(nèi)壁面光滑，不易堆積物料，有益于傳熱；

e.干燥過程中，攪拌所引起的物料磨損不嚴(yán)重，不易產(chǎn)生殘?jiān)?/p>

f.雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)也可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)［5］。

近幾年，雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)作為一種“綠色環(huán)保型”干燥設(shè)備，有著很廣闊的市場前景。

2.2 真空耙式干燥機(jī)

真空耙式干燥機(jī)也是間歇式真空干燥機(jī)的典型代表之一，由軸承座、進(jìn)料體、出料體、耙齒、敲擊棒、密封件、減速機(jī)及電動(dòng)機(jī)等組成（圖2）。在干燥過程中，由真空耙式干燥機(jī)的耙齒和蒸汽夾套對(duì)物料進(jìn)行間接加熱。濕物料從進(jìn)料體加入，在真空高壓下，通過耙齒的不斷攪動(dòng)，濕物料受熱汽化，汽化出的水蒸氣及時(shí)被真空泵抽走，被干燥后的物料又從出料體排出。由于真空耙式干燥機(jī)獨(dú)特的加熱方式，使物料、耙齒和筒壁之間有很大的接觸面積，這樣會(huì)大幅提高干燥過程中物料的受熱面積，以達(dá)到提高干燥效率、縮短干燥周期的目的。真空耙式干燥機(jī)特別適合對(duì)易氧化、易產(chǎn)生粉末的物料進(jìn)行干燥。真空耙式干燥機(jī)對(duì)物料的含水量要求很寬，被干燥物料的含水量范圍為15%～90%，干燥效果也很好，干燥后物料含水量范圍為0.05%～0.10%。

圖2 真空耙式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

真空耙式干燥機(jī)與雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)的主要區(qū)別是：

a.結(jié)構(gòu)不同。真空耙式干燥機(jī)對(duì)物料的干燥是用耙齒進(jìn)行攪拌的，而雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)是靠自身回轉(zhuǎn)來對(duì)物料進(jìn)行攪拌的。

b.對(duì)物料的要求不同。真空耙式干燥機(jī)適用的物料更廣泛，可以對(duì)膏狀、漿糊狀［14］及粉粒狀等物料進(jìn)行干燥作業(yè)。

c.真空耙式干燥機(jī)的造價(jià)要高于雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)，兩種干燥機(jī)的工作原理基本相同，在實(shí)際生產(chǎn)中，要考量所面臨的實(shí)際問題，來選擇最適合的干燥機(jī)。

真空耙式干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有很多，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

a.真空耙式干燥機(jī)由耙齒和蒸汽夾套對(duì)物料提供熱量，所以對(duì)不同性質(zhì)、不同狀態(tài)的物料都有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，而且真空耙式干燥機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

b.干燥效果好。由于耙齒不斷攪拌物料，避免了物料受熱不均勻的現(xiàn)象，這樣干燥過后會(huì)得到含水量低、顆粒度細(xì)的物料，屬于精細(xì)化工［15］生產(chǎn)領(lǐng)域的設(shè)備。

c.真空耙式干燥機(jī)干燥過程中密封性好、壽命長、易于操作、維修方便，對(duì)環(huán)境的污染小，屬于“綠色環(huán)保型”干燥設(shè)備。

國內(nèi)外對(duì)于真空耙式干燥機(jī)的研究都比較早。我國在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)研發(fā)了部分真空耙式干燥機(jī)系列產(chǎn)品，但是干燥效率很低，不能滿足大型化生產(chǎn)的要求，所以仍然要從國外大量引進(jìn)。而當(dāng)時(shí)日本對(duì)于真空耙式干燥機(jī)的研究就已經(jīng)走在了世界前列。目前，天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司一直致力于新型真空耙式干燥機(jī)的研究，何德強(qiáng)等對(duì)真空耙式干燥機(jī)采用折流型夾套、設(shè)計(jì)特殊的熱介質(zhì)流道及在端蓋和熱軸之間開發(fā)新型雙密封結(jié)構(gòu)等進(jìn)行改造，研制出的新型真空耙式干燥機(jī)，不僅可以完全替代國外產(chǎn)品，而且還為各大企業(yè)節(jié)省了近60%的投資費(fèi)用［14］。

2.3 真空帶式干燥機(jī)

真空帶式干燥機(jī)［5，16］是連續(xù)式真空干燥機(jī)中的典型代表之一。真空帶式干燥機(jī)耗能低、可以連續(xù)運(yùn)行，特別適用于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)的化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域。如圖3所示，真空帶式干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，干燥時(shí)操作也比較簡單靈活。在干燥過程中，濕物料經(jīng)過進(jìn)料口由噴嘴均勻地散布在真空帶式干燥機(jī)的傳送帶上，在真空高壓下，傳送帶攜帶物料依次連續(xù)經(jīng)過各加熱區(qū)，加熱區(qū)的加熱板通熱水或者蒸汽對(duì)物料進(jìn)行加熱，濕物料中的水分遇熱汽化，以達(dá)到干燥的目的；同時(shí)為了防止物料過熱導(dǎo)致失去原有的特性，在加熱區(qū)后設(shè)立一個(gè)冷卻區(qū)，冷卻區(qū)的加熱板通冷水；物料經(jīng)冷卻后，從傳送帶上脫離，從出料口排出。

圖3 真空帶式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

真空帶式干燥機(jī)是一種“綠色環(huán)保型”干燥技術(shù)，特別適合對(duì)高濃度、高粘度［5，17］且易氧化的物料進(jìn)行干燥，可連續(xù)化、大規(guī)模生產(chǎn)。

近二十年來，真空帶式干燥機(jī)的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍，從1985年日本首次展示了真空帶式干燥機(jī)樣機(jī)［18］開始，國內(nèi)外對(duì)它的研制與開發(fā)就一直在不斷進(jìn)行。瑞士的布赫-蓋德公司、德國的易恩公司等相繼開發(fā)出了工業(yè)應(yīng)用中大型真空帶式干燥機(jī)。而我國對(duì)于真空帶式干燥機(jī)的研發(fā)比較晚，自2004年廣東農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研發(fā)出中國第一臺(tái)真空帶式干燥機(jī)后，各大科技型企業(yè)，如上海朗脈科技有限公司、溫州金榜輕工機(jī)械有限公司等也相繼開發(fā)出不同功能的新型真空帶式干燥機(jī)，填補(bǔ)了我國在真空帶式干燥機(jī)領(lǐng)域的空白。

3 結(jié)束語

在真空干燥技術(shù)這個(gè)領(lǐng)域中，經(jīng)過了將近二十年的發(fā)展，國內(nèi)的真空干燥技術(shù)也逐漸趨于成熟，可以更好地滿足客戶的實(shí)際需求。但是相對(duì)于國外，國內(nèi)的真空干燥技術(shù)發(fā)展較慢，對(duì)于大型的真空干燥設(shè)備，國外僅用十天左右就可以完成抽真空工作，而國內(nèi)最快也要用一個(gè)多月的時(shí)間，并且國外真空干燥設(shè)備系列產(chǎn)品的壽命和效率也高于國內(nèi)的真空干燥設(shè)備，很明顯在這個(gè)領(lǐng)域還需要不斷地創(chuàng)新與發(fā)展，以縮小與國外真空干燥技術(shù)方面的差距。如今，面對(duì)世界倡導(dǎo)“綠色環(huán)保型”設(shè)備的大環(huán)境下，真空干燥設(shè)備在世界范圍內(nèi)的需求也必將逐年增加，市場前景非常廣闊。