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    真空烘箱設備概述

    真空干燥箱設備選擇的基本原則
      每種烘箱機裝置都有其特定的適用范圍,而每種物料都可找到若干種能滿足基本要求的烘箱裝置,但最適合的只能有一種。如選型不當,用戶除了要承擔不必要的一次性高昂采購成本外,還要在整個使用期內付出沉重的代價,諸如效率低、耗能高、運行成本高、產品質量差、甚至裝置根本不能正常運行等等。
      以下是烘箱機選型的一般原則,很難說哪一項或哪幾項是最重要的,理想的選型必須根據自己的條件有所側重,有時折中是必要的。
      1.適用性-------烘箱裝置首先必須能適用于特定物料,且滿足物料烘箱的基本使用要求,包括能很好的處理物料(給進、輸送、流態化、分散、傳熱、排出等),并能滿足處理量、脫水量、產品質量等方面的基本要求。
      2.烘箱速率高---僅就烘箱速率看,對流烘箱時物料高度分散在熱空氣中,臨界含水率低,烘箱速度快,而且同是對流烘箱,烘箱方法不同臨界含水率也不同,因而烘箱速率也不同。
      3.耗能低-------不同烘箱方法耗能指標不同,一般傳導式烘箱的熱效率理論上可達100%,對流式烘箱只能70%左右。
      4.節省投資-----完成同樣功能的烘箱裝置,有時其造價相差懸殊,應擇其低者選用。
      5.運行成本低---設備折舊、耗能、人工費、維修費,備件費...等運行費用要盡量低廉。
      6.優先選擇結構簡單、備品備件供應充足、可靠性高、壽命長的烘箱裝置。
      7.符合環保要求,工作條件好,安全性高。
      8.選型前最好能做出物料的烘箱實驗,深入了解類似物料已經使用的烘箱裝置(優缺點),往往對恰當選型有幫助。
      9.不完全依賴過去的經驗,注重吸收新技術,多聽專家的意見。

    真空烘箱設備選型技術概述 
      同其他工業技術一樣,干燥技術在應用過程中也得到長足的進步。目前已開發出的烘箱機的種類已達400多種,而且有約200多種烘箱機已應用于工業化生產,其中出現了許多新型烘箱機,它們有的是對普通烘箱機進行結構上的改進,有的借鑒吸收了其他烘箱機的優點,有的完全是一種新想法。
      烘箱又是工業耗能相當大的一個單元操作,據資料記載,發達國家工業耗能的14%被用于烘箱,有些行業的烘箱耗能甚至占到生產總耗能的35%,而且這個數字在不斷地增大。同時,運用礦物燃料作為熱源進行烘箱操作產生大量的二氧化碳等氣體。烘箱設備的尾氣(這些氣體中夾帶一些粉塵)對大氣環境有不良的影響,這對于日益引起全球關注的“環境保護”是一個極大的挑戰。
      幾乎所有的工業都離不開烘箱操作,雖然正確地了解烘箱及烘箱設備的工作機理有助于成功地完成烘箱過程,但是仍然需要我們不斷地投人人力和物力去進一步進行干燥技術的研究和開發,以使其在生產高質量產品的同時,有效地利用能源,減少對環境的不利影響,并且更易于實現過程操作和控制。
      一、干燥技術的特點
      干燥技術有很寬的應用領域,面對眾多的產業、理化性質各不相同的物料、產品質量及其他方面千差萬別的要求,干燥技術是一門跨行業、跨學科、具有實驗科學性質的技術。通常,在干燥技術的開發及應用中需要具備三個方面的知識和技術。第一是需要了解被烘箱物料的理化性質和產品的使用特點;第二是要熟悉傳遞工程的原理,即傳質、傳熱、流體力學和空氣動力學等能量傳遞的原理;第三要有實施的手段,即能夠進行烘箱流程、主要設備、電氣儀表控制等方面的工程設計。顯然,這三方面的知識和技術不屬于一個學科領域。而在實踐中,這三方面的知識和技術又缺一不可。所以干燥技術是一門跨行業、跨學科的技術。
      現代干燥技術雖已有一百多年的發展史,但至今還屬于實驗科學的范疇。大部分干燥技術目前還缺乏能夠精準指導實踐的科學理論和設計方法。實際應用中,依靠經驗和小規模實驗的數據來指導工業設計還是主要的方式,造成這一局面的原因有以下幾方面:
      原因之一是干燥技術所依托的一些基礎學科,(主要是隸屬于傳遞工程范疇的學科)本身就具有實驗科學的特點。例如,空氣動力學的研究發展還要靠“風洞”實驗來推動,就說明它還沒有脫離實驗科學的范疇,而這些基礎學科自身的發展水平直接影響和決定了干燥技術的發展水平。
      原因之二是很多烘箱過程是多種學科技術交匯進行的過程,牽涉面廣、變化因素多、機理復雜。例如在噴霧干燥技術領域里,被霧化的液滴在烘箱塔內的運行軌跡是工程設計的關鍵。液滴的軌跡與自身的體積、質量、初始速度和方向及周圍其他液滴和熱空氣的流向、流速有關。但這些參數由于傳質、傳熱過程的進行,無時無刻不在發生著變化、而且初始狀態時,無論是液滴的大小還是熱空氣的分布都不可能是均勻的。顯然,對于如此復雜、多變的過程只憑借理論計算來進行工程設計是不可靠的。
      原因之三是被烘箱物料的種類是多種多樣的,其理化性質也是各不相同。不同的物料即使在相同的烘箱條件下,其傳質、傳熱的速率也可能有較大的差異。如果不加以區別對待,就有可能造成不盡人意的后果。例如某些中草藥的烘箱,雖然同屬一種藥材,只因為藥材產地或收獲期存在區別就須改變烘箱條件,否則產品質量就會受到影響。
      以上三方面的原因決定了干燥技術的開發與應用要以實驗為基礎。但烘箱搜術的這些特點往往被人有意或無意地忽視。制造廠商由于實驗裝置缺乏或機型不全(這在我國是一個普遍存在的現象)經?;乇軕龅暮嫦鋵嶒?,而用戶由于不了解干燥技術的特點,也經常放棄進行必要實驗的要求。其結局是裝置使用效果不佳,甚至于造成方案設計失敗。在我國,這樣的事例屢見不鮮,曾有過一套價值2000萬元人民幣的工業烘箱裝置因達不到使用要求而被閑置的教訓。因此,建設工業烘箱裝置尤其是較大的裝置之前,一定要進行充分的、有說服力的實驗,并以實驗結果作為工業裝置設計的依據。這是干燥技術應用的顯著特點。
      此外,真空干燥箱設備種類繁多、各具用途也是干燥技術的一個特點。每一種技術都有自己適宜應用的領域。在工程實踐中,要根據具體情況選擇適用的干燥技術種類。這對投資費用、操作成本、產品質量、環保要求等方都會產生重大的影響。例如某一企業,在白炭黑濾餅烘箱上曾經分別選用過箱式烘箱、噴霧烘箱、旋轉氣流快速烘箱三種型式。最終結果證明這三種技術各有所長。箱式烘箱生產白炭黑雖然生產效率低、人員勞動強度大,但產品質量好。與橡膠混煉后所生成的制品扯斷強度值較高。旋轉氣流快速烘箱設備緊湊、投資少、生產效率高,但所生成的橡膠制品的強度指標卻是三者間最差的。噴霧烘箱生產白炭黑,產品各項指標在三者間居中,但具有產品流動性好、粉塵污染小,深受用戶及操作者歡迎的特點。在20世紀90年代,為白炭黑生產中采用哪種烘箱方式更為先進的問題,曾在我國烘箱界引發過爭論。其實,三種設備各有特點,選用哪種機型要看用戶自身的條件和產品要求。不存在哪種技術更為先進的結論。類似的例子有很多,都表明了烘箱設備種類繁多、各具用途的特點。所以在應用中要仔細比較、慎重選擇技術方案,而通過烘箱實驗來考核技術方案也是必不可少的步驟。
      二、工業烘箱裝置的發展現狀
      烘箱在許多生產中是一個十分重要的單元操作,因為烘箱在這里不僅是簡單的固液分離過程,更重要的常常是生產過程的最后一道工序,產品的質量、劑型在很大程度上取決于干燥技術和設備的綜合運用情況。從經濟角度考慮,烘箱器價格昂貴,工程投資較大。另一方面,烘箱又是高耗能過程,熱效率在15%一80%這樣大的范圍內波動,而設備的運轉費用與烘箱器的設計選型有非常密切的關系,所以企業的決策者對此歷來都比較重視。被烘箱物料的品種有許多,它們的理化性質又有很大差異。甚至同一品種不同的生產工藝、同一品種不同的產品要求,導致烘箱條件可能都有區別,所以就決定了烘箱工程的復雜性。由此可見,烘箱過程較其他的單元操作具有更高的技術性。
      我國烘箱設備在解放前基本是空白,只有烘房、烘箱和滾筒烘箱機,干燥技術落后、生產設備原始。到1957年才出現了真空耙式烘箱機,1964年以后干燥技術有了較快的發展??v觀我國干燥技術及設備的發展史,在幾十年間經歷由簡到繁、由低級到高級的發展階段,現在常用于生產的烘箱設備有十余類三十多個系列,加上組合烘箱設備約有五十幾種,再加上專用烘箱設備就更難于統計,合理地選用這些烘箱設備也不是一件易事,選型的前提是了解這些設備的基本工作原理、結構特點以及適用物料范圍,這樣在選型時才避免走彎路。
      近些年來,由于干燥技術的發展,給篩選設備帶來了更多的復雜因素。即使是烘箱設備的設計、制造或使用者也常常弄不清如何去選擇合適的設備。由于烘箱設備的推銷者在市場上只是對他們推銷的烘箱機種類感興趣,而對其他種類則并不介紹,這樣,用戶就只得借助于有關的現代干燥技術參考資料決定對設備的最后選擇。毫無疑問,用戶很需要由推銷者提供的實驗室,實驗范圍及技術經濟方面的資料。因此,就必須熟悉大多數烘箱設備,才有可能選出合理的設備。應該強調的是,在特定的生產運行狀態中,很有可能有很多較適用的烘箱機,但也必須知道,在特定的工作狀態中,沒有一個嚴格的規則規定出極精確的最佳烘箱設備,每一種產品都有自己獨特的生產方式。影響最佳烘箱裝置選擇的因素很多,如選擇間歇烘箱還是連續烘箱、礦物燃料的消耗、電耗、地方環境法或噪音污染限制等。產品產量對烘箱機的選擇更是一個主要因素。
      三、烘箱設備使用概況
      前面提到,高溫真空烘箱是在許多工業生產中大量應用。多年來已有多種機型用于工業化生產中,如氣流烘箱器、流化床烘箱器、噴霧烘箱器、滾筒烘箱機、耙式烘箱器、冷凍烘箱機、紅外線烘箱及組合式烘箱等達幾十種之多。為什么烘箱設備類型很多呢?這主要是由于烘箱物料型態、性質各不相同,處理的物料有各種不同的具體要求所致。
      隨著我國各行業的生產技術的飛躍發展,國內干燥技術和設備也得到了迅速發展。在散粒狀物料的烘箱方面,近幾年來流態化技術獲得了更加廣泛的應用和新的發展。流態化烘箱充分改善了氣固相接觸條件(蒸發表面積增大),物料的劇烈攪動,大大減少了氣膜阻力,給傳熱介質創造了極為有利的條件。除了國內在干燥技術中使用較早的氣流烘箱獲得較迅速發展外,近年來流化烘箱設備發展得最快。主要表現在利用流態化技術結合各種被烘箱物料特性和要求創制了很多新型高效的流態化烘箱器,分述如下。
      直管氣流烘箱器是國內使用較早的流化烘箱設備,經數年來的生產實踐認為氣流烘箱對散粒狀物料,特別是熱敏性物料的烘箱,還是比較理想的烘箱設備。它無論生產量,占地面積等方面均比烘箱烘箱優越,因此目前在制藥、塑料、食品、化肥等工業中使用的更加廣泛。但氣流烘箱還存在熱利用率較低、設備高、氣固兩相相對速度較低等缺點。近年來創制了脈沖氣流烘箱器、旋風氣流烘箱器、粉碎氣流烘箱器等新型氣流設備,克服了直管氣流烘箱的缺點。粉碎氣流除降低高度外,還擴大了氣流烘箱器的使用范圍,使易氧化的物料能用空氣作為烘箱介質,既降低了烘箱動力消耗,又提高了產品的產量和質量,此外還采用了多級氣流烘箱流程和組合氣流烘箱流程,在氣流烘箱器的應用上,許多工程采用了二級串聯方式,在有些物料的烘箱上更加合理,也提高了熱效率。直管氣流烘箱在生產操作方面已很成熟。脈沖氣流、旋風氣流烘箱已工業化多年,操作已較成熟,但理論設計方面還很缺少。在今后的實踐發展中還需進一步完善。
      大部分熱敏性較強和易氧化的物料,均采用氣流烘箱。一般能將初濕為10%一25%的物料烘箱至1%-0.05%,被烘箱的物料粒度一般在60-100目,產量一般在100 - 200kg/h。目前國內在制藥、食品、塑料等工業中廣泛使用。隨著我國生產技術的飛速發展,氣流烘箱在今后的工業生產中必定應用得更加廣泛。
      流化烘箱是最近年發展起來的又一干燥技術。經過生產實踐證明它有很多優越性,能實現小設備大生產,由于熱容系數較大和停留時間可任意調節,故對含表面水和需經過降速烘箱階段的物料均適用,特別適用于散粒物料的烘箱。最近發展起來并已工業化的有下列幾種型式:單層圓筒型、多層圓管型、振動流化床、臥式多室流化床烘箱器、攪拌流化床以及內藏熱管流化床等,其中以后者發展得較迅速。目前已在制藥、化肥、食品、塑料、石油化工等工業中廣泛使用。經過幾年的實踐,國內流化烘箱無論在操作、設備結構等方面均已發展到較成熟階段。從使用情況看,臥式多室流化烘箱器由于結構簡單、操作方便而穩定、物料適應性廣,既能獲得含水均勻的產品,動力消耗又少,是流態化烘箱散粒狀物料較理想的設備,今后值得推廣與發展。內藏熱管是流化床對流傳熱和傳導傳熱相結合的產物,具有較高的熱效率,烘箱效果也效好,是近年來很受推薦的新機型。
      國內錐形流化床按操作分有三種型式:一種是濃相溢流出料,近年來國內較多在流化造粒方面使用;另一種即噴動床烘箱,是由床頂出料,產品在旋風分離器內收集或間歇操作床底出料。這種結構比流化床結構簡單,設備小,產量大,烘箱強度高、床層等溫性強、不發生局部過熱。過去僅適用于大顆粒物料(聚氯乙烯),近年來已發展至能應用于細粒物料的烘箱。目前在塑料、谷物、制藥等部門使用。但因動力消耗較大,使用受到一定限制。
      在溶液狀或漿狀物料的烘箱方面也獲得了較新的發展,除使用得較多的噴霧烘箱有了新的發展外,近年來已成功地采用了錐形流化床進行噴霧造粒生產并已逐步在發展和完善中。噴霧流化造粒烘箱器首先在化肥上采用,目前已在醫藥、食品等工業中采用。噴霧烘箱在國內使用已有二十幾年,在設計和操作等方面都已較成熟。近年來噴霧烘箱有以下幾方面的進展:
      (1)烘箱室除向大型化發展外,噴頭霧化器性能方面有關單位也作較多的實驗研究工作,并取得了顯著效果;
      (2)除熱敏性溶液更加廣泛采用噴霧烘箱外,近年漿液也成功地采用了噴霧烘箱;
      (3)噴霧烘箱與其他干燥技術結合以達到烘箱或烘箱造粒同時進行的目的,這也是我國干燥技術水平進一步發展的體現;
      (4)目前正在進行低溫噴霧烘箱的實驗,它是將含濕量極低而溫度不高的空氣作載體,空氣經過預先脫水烘箱,在烘箱過程中產品溫度不超過35’C,因此適用于熱敏性物料的烘箱,如醫藥、食品脫水等。
    真空干燥箱的工作原理 
      烘箱過程需要消耗大量熱能,為了節省能量,某些濕含量高的物料、含有固體物質的懸浮液或溶液一般先經機械脫水或加熱蒸發,再在烘箱機內烘箱,以得到干的固體。在烘箱過程中需要同時完成熱量和質量(濕分)的傳遞,保證物料表面濕分蒸汽分壓(濃度)高于外部空間中的濕分蒸汽分壓,保證熱源溫度高于物料溫度。
      熱量從高溫熱源以各種方式傳遞給濕物料,使物料表面濕分汽化并逸散到外部空間,從而在物料表面和內部出現濕含量的差別。內部濕分向表面擴散并汽化,使物料濕含量不斷降低,逐步完成物料整體的烘箱。
      物料的烘箱速率取決于表面汽化速率和內部濕分的擴散速率。通常烘箱前期的烘箱速率受表面汽化速率控制;而后,只要烘箱的外部條件不變,物料的烘箱速率和表面溫度即保持穩定,這個階段稱為恒速烘箱階段;當物料濕含量降低到某一程度,內部濕分向表面的擴散速率降低,并小于表面汽化速率時,烘箱速率即主要由內部擴散速率決定,并隨濕含量的降低而不斷降低,這個階段稱為降速烘箱階段。
    高溫真空烘箱設備分類  
      用于進行烘箱操作的設備。類型很多。根據操作壓力可分為常壓和減壓(減壓烘箱器也稱真空烘箱器)。根據操作方法可分為間歇式和連續式。根據烘箱介質可分為空氣、煙道氣或其他烘箱介質。根據運動(物料移動和烘箱介質流動)方式可分為并流,逆流和錯流。按操作壓力
      按操作壓力,烘箱器分為常壓烘箱器和真空烘箱器兩類,在真空下操作可降低空間的濕分蒸汽分壓而加速烘箱過程,且可降低濕分沸點和物料烘箱溫度,蒸汽不易外泄,所以,真空烘箱器適用于烘箱熱敏性、易氧化、易爆和有毒物料以及濕分蒸汽需要回收的場合。
      按加熱方式,烘箱器分為對流式、傳導式、輻射式、介電式等類型。對流式烘箱器又稱直接烘箱器,是利用熱的烘箱介質與濕物料直接接觸,以對流方式傳遞熱量,并將生成的蒸汽帶走;傳導式烘箱器又稱間接式烘箱器,它利用傳導方式由熱源通過金屬間壁向濕物料傳遞熱量,生成的濕分蒸汽可用減壓抽吸、通入少量吹掃氣或在單獨設置的低溫冷凝器表面冷凝等方法移去。這類烘箱器不使用烘箱介質,熱效率較高,產品不受污染,但烘箱能力受金屬壁傳熱面積的限制,結構也較復雜,常在真空下操作;輻射式烘箱器是利用各種輻射器發射出一定波長范圍的電磁波,被濕物料表面有選擇地吸收后轉變為熱量進行烘箱;介電式烘箱器是利用高頻電場作用,使濕物料內部發生熱效應進行烘箱。按濕物料的運動方式
      按濕物料的運動方式,烘箱器可分為固定床式、攪動式、噴霧式和組合式;按結構,烘箱器可分為廂式烘箱器、輸送機式烘箱器、滾筒式烘箱器、立式烘箱器、機械攪拌式烘箱器、回轉式烘箱器、流化床式烘箱器、氣流式烘箱器、振動式烘箱器、噴霧式烘箱器以及組合式烘箱器等多種。

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