浅析国际干燥技术最新研究动态和发展趋势

摘　要：论文主要介绍和分析了“Drying Technology ”主编、A.S. Mujumdar 教授关于“国际干燥技术近年来的发展概况和未来发展趋势”报告的内容，归纳了当前干燥学术研发活动的地位低下原因和存在的问题。举例介绍了在干燥模型、过热蒸汽干燥、联合干燥及超临界干燥等领域创新干燥技术的应用。分析了干燥技术的发展趋势，强调今后要力求开发有突破性的创新干燥技；及干燥的理论研究与工业应用相结合的重要性；也指出了的节能和环保问题将日益受到重视。 　　不同物料有不同的干燥特性和干燥设备，但各种物料的干燥理论、研究方法以及干燥技术的发展趋势等有一些共性的问题。笔者有幸于今年8月参加了在香港召开的第5届亚太地区干燥学术会议和在北京举行的全国第十一届干燥学术会议。笔者在香港聆听了国际著名杂志“Drying Technology ”主编、A.S. Mujumdar教授作了关于“国际干燥技术近年来的发展概况和未来发展趋势”的报告[1－3]；在北京听了黄立新研究员所作的“国外干燥技术最新研究进展和展望”的报告[4,5]。本文是在归纳这两个报告内容的基础上，介绍一些与木材干燥相关的国外干燥技术的研究动态和发展趋势。 　　1 概述 　　几乎所有工业领域都有热力干燥这一环节，超过6万种材料。物料干燥是高能耗作业，据不完全统计，全球10-25%的能源用于工业化的热力干燥，也是我国的耗能大户之一，所用能源占国民经济总能耗的12%左右。有的行业如造纸业所耗能约占企业总能耗的35％左右，木材干燥约占企业总能耗的40％－70％。干燥行业又普遍存在热效率低的状况，通常在30％－60％之间。如纸张干燥的热效率一般＜50％，木材干燥的热效率约在30％－40％之间。另外,干燥过程造成的污染又常常是我国环境污染的重要来源，以年干燥能力为1万立方米材的蒸汽干燥车间为例，它每小时排出的有害物质约为：烟尘量约40Kg、二氧化碳l900立方米、二氧化硫45立方米，还有少量的氧化氮，这些物质是造成大气温室效应、酸雨和臭氧破坏的主要因素。由于能源对环保的贡献率可达70％一80％，因此干燥技术的节能与环保问题十分重要。 　　A.S. Mujumdar在总结为何干燥学术研发活动的地位低下时指出： 　　(1)很多实际的干燥过程太复杂，有时几乎无法总结归纳结果，还没有明确的干燥原理。 　　(2)不少干燥的理论研究与工业应用脱节，进入了理论研究－发表论文－再研究－再发表论文－最终失去应用价值的怪圈。学院性质的研究及为研究而进行的研究不能存活。 　　(3)多数新概念在小型或中型实验室规模下进行了试验；只有少部分有活力的创新技术可以商业应用，因为高风险性和扩大生产的困难性。 　　(4)多数干燥设备的使用寿命太长，阻碍了创新的快速发展。 　　(5)多数干燥设备在优化设计方面无创新，目前尚无突破性的干燥技术可以取代现有技术。 　　(6)大多数工业干燥习惯于简单的无设计建造。 　　2 最新研究动态 　　2.1 近年“ Drying Technology”主题论文的统计 　　“Drying Technology”是国际上著名的，被SCI、EI、ISTP三大检索收录，专门刊登干燥技术研究成果的杂志。它创刊于1983年，迄今已25年。A.S. Mujumdar教授作为该杂志的主编统计分析了近几年刊登的论文内容，表1、表2所示为2005 -2006年发表在Drying Technology上的不同类型、不同国家的论文统计。在各种物料的干燥中：食品、农产品、和生物制品占58％；化工和矿物产品占3%；纺织品、纸张和木材占9％；陶瓷、泥土、建材和污泥占7%。在各种干燥技术中：喷雾干燥、微波干燥、、冷冻干燥、喷动床干燥、流化床干燥、过热蒸汽干燥、真空干燥及其它干燥技术分别占32％、12％、6％、6％、15％、6％、7％、16％。在表2所列出的国家中，巴西、波兰、中国、加拿大、日本等国的论文占多数。巴西论文最多的原因可能是IDS2004年国际干燥会议在巴西召开。木材干燥在这些论文中的比例相对较少。总的说来，过去的十年内，北美的干燥研发活动逐年下降；而南美干燥活动，特别在巴西，明显上升。另外关于干燥节能降耗的研究论文很少，每年维持在5篇以内，可见干燥过程的节能降耗是一个应该引起重视的研究课题。 　　2.2 近几年创新干燥技术举例 　　2.2.1 干燥模型　　通常用能量平衡分析方法、有限元分析法。近年来有学者了建立黏性流体和考虑物料收缩的孔道网络等温干燥模型。此外还有计算流体动力学模型（配有CFD商用计算软件）、 神经网络模型等。干燥过程没有一个通用的数学模型，而且通常大部分模型不会预测质量参数。 　　2.2.2 过热蒸汽干燥　　用过热蒸汽干燥纸张与热空气相比，可使纸张强度和刚度增加23-37％，亮度不变但拉伸指数提高23％。猪肉过热蒸汽干燥和热空气干燥的研究比较，猪肉的干燥速度更快，返潮现象延迟 ，颜色更均匀更具光泽。真空过热蒸汽干燥木材，可比热空气干燥快3－7倍，而且干燥质量很好，在加拿大等国的工业应用效果良好。 　　2.2.3 联合干燥　　微波流化床联合干燥机对胡萝卜粒的干燥，其干燥时间比流化床干燥机要短2-5倍。蒸米的过热蒸汽与流化床联合干燥机进行中型规模试验，一等米的产量超过了60％。微波真空与常规真空联合，对浓缩灵芝的干燥脱水，与冷冻干燥达到一样的干燥产品质量，而且干燥时间更短。 　　2.2.4 生物干燥技术　　它是利用有机物氧化分解得到的生物热量，采用生物干燥技术干燥纸浆混和物。这项干燥技术在技术上、经济上来说都是可行的，投资回收期小于等于两年。 　　2.2.5 热泵干燥　　改进后的热泵干燥与热空气干燥相比，营养成分的和口感保持得更好，它适用于干燥敏感性及挥发性产品。 　　2.2.6 超临界干燥　　超临界流体是一种温度和压力处于临界点以上，无汽液相界面区别而兼有液体性质和气体性质的物质相态。超临界干燥过程实际上就是利用超临界流体超强的溶解能力，使被干燥液体达到超临界状态并溶解在超临界流体中。超临界流体干燥技术主要是针对某些化工产品生产过程中的特殊要求而提出的，如最新的超临界流体喷雾干燥。超临界干燥技术可用于木材干燥的预处理或木材改性，它可以改善木材的渗透性，扩展木材内部的水分迁移通道，使气液界面消失，从而消除表面张力，减少或避免木材发生内裂、皱缩等干燥缺陷。 　　3 发展趋势 　　今后干燥技术的发展总体目标和趋势大致有以下几个方面：在同等能耗下提高产品的产量和质量；在同等产品产量和质量下降低能耗；各种干燥技术组合，综合利用各自的优点，而避其缺点，达到优化效果；降低干燥对环境危害并力争可持续发展。 　　3.1 创新干燥技术的应用 　　A.S. Mujumdar教授在谈到创新干燥技术时指出： 　　⑴今后应该考虑如何将积压的创新技术变为可持续发展的创新技术，争取实现研究和开发应用相结合，不然研发没有意义。 　　⑵干燥模型必须预测转递现象和质量参数，干燥机的模型更具有普遍性及实用性；干燥模型用于基础控制、设计、扩大规模、优化等更具价值；不需要更为复杂的模型，需要更精确或更实用的模型。 　　⑶提高干燥效率不是单纯的热质传递问题。实际上，热质传递的优化仅是干燥优化的一个方面。干燥技术的创新要考虑整个干燥系统的优化，联合干燥技术也属于整体优化。 　　⑷真空过热蒸汽干燥是具有相当发展潜力的干燥技术，它不仅可以明显提高干燥速度，而且可以改善干燥质量。 　　⑸对撞流与喷射干燥机与脉冲燃烧干燥机都属于高效干燥设备，脉冲燃烧干燥虽然仍然在研究中，但对于某些碎物料(包括木片)以及纸张干燥方面，可能有一定的应用前景。 　　⑹今后对创新技术还应该进行技术经济的分析。 　　3.2 发展“绿色”干燥技术 　　“绿色”干燥技术是指尽量减少干燥过程排放物对大气环境的污染，可以从两个方面实施： 　　3.2.1 尽量利用太阳能与电能等清洁能源 　　⑴太阳能是可再生的清洁能源，太阳能干燥属于可持续发展干燥技术。但太阳能是间歇性能源，能源密度低、不连续、不稳定；单独使用太阳能时，干燥室温度低、波动大、干燥周期长。因此太阳能干燥常需要与其它能源联合，如太阳能－热泵，太阳能－蒸汽，及太阳能－炉气等形式，使干燥设备的总投资增加。 　　⑵热泵除湿干燥由于节能效果显著、干燥质量好、用电作能源不污染环境、技术比较成熟，目前已成为常规干燥之后处于第二位的干燥技术。但热泵除湿干燥也存在一些问题，影响它的推广，如一般的除湿干燥温度低，干燥周期长；另外单纯的除湿干燥一般用电加热作辅助热源，干燥室的升温依靠电加热器，电耗高。故除湿干燥在电力紧张电价高的地区节能不节钱。 　　3.2.2 推广常规干燥的节能和排气热能回收技术 　　目前在世界各国的干燥设备中常规干燥仍占主导地位，在我国木材的常规蒸汽干燥占80%以上[6、7]。常规干燥能耗高的主要原因之一是排气热损失大。设法回收排气的热能，减少能耗就可以减少烟尘对大气的污染，因此它是从另一个方面实施“绿色”干燥技术。 　　回收排气热能的方法很多，比较成熟的有用除湿机和热管换热器回收。除湿干燥与常规蒸汽干燥联合可以取二者的优点而避其缺点，与蒸汽干燥相比,其节能率在40%以上[8]。 　　热管换热器回收排气热能，其热能回收率略低于除湿机，但它没有运动部件，本身不消耗能量，且易于操作管理，因此有较好的推广应用前景[9]。 　　4 结束语 　　纵观A.S. Mujumdar 教授和黄立新研究员所作的有关“国际干燥技术的最新研究动态和未来发展趋势”可以看出，他们都强调今后要力求开发有突破性的创新干燥技；同时强调了干燥的理论研究与工业应用相结合的重要性；也指出了的节能和环保问题将日益受到重视。 　　总之，从事干燥理论研究和相关工厂企业的从业人员，任重而道运，需要加强联系，联合攻关，还希望得到相关主管部门的支持，使我国干燥技术的发展有一个新的飞跃。 · 行业聚焦：  　　随着我国人民生活水平不断提高，尤其是人民收入的增加，对食品的需求逐渐走向多样化、多层次化，为食品工业的发展提供了广阔的市场。作为提供食品工业装备的行业，食品机械和包装机械行业将提供多品种、高质量的产品以满足食品工业发展的需求。面对这样广阔的市场，各大门类的食品机械应该如何去把握呢？记者前不久就这个问题采访了有关专家。 　　一 粮油加工设备关键在于提高档次 　　1997年，全国粮食部门所属粮油加工企业有11297个（其中大米加工企业5777个，面粉加工企业4104个、植物油加工企业1416个），产值为752亿元。 　　有关专家认为，碾米设备应有重点地发展。我国是锥形混合机工作原理 　　DSH系列混合机筒内两只非对称螺旋自转将物料向上提升，转臂慢速公转运动；使螺旋外的物料，不同程度进入螺柱，从而达到全圆周方位物料的不断更新扩散，被提到上部的两股物料再向中心凹穴汇合，形成一股向下的物料流，补充了底部的空缺，从而形成对流循环的三重混合效果。 　　锥形混合机适用范围 　　DSH锥形混合机广泛用于化工、农药、染料、食品、饲料、建材、稀土等粉体与粉体（固—液）的混合。该机对混合物料适应性广，对热敏性物料不会产生过热，对颗粒物料不会压馈和磨碎，对比重悬殊和粒度不同的物料混合不会产生分屑离析现象。 　　锥形混微波干燥设备干燥是用微波照射湿坯体，电磁场方向和大小随时间作周期性变化使坯体内极性水分子随着交变的高频电场变化，使分子产生剧烈的转动，发生摩擦转化为热能，达到坯体整体均匀升温达到干燥的目的。微波的穿透能力比远红外线大得多，而且频率越小，微波的半功率深度越大。 　　在一些特殊的行业中需要用到微波干燥设备干燥技术，首先我们来分析一下微波产生的原理及使用微波干燥技术的特点。 　　何为微波？<1、隧道式灭菌干燥机的灭菌原理 　　在抗生素瓶类小容量注射剂药品生产线中，抗生素玻璃瓶是与药粉或药液直接接触的包材，相应无菌生产工艺要求其瓶子需经干燥和去热原灭菌，隧道式灭菌干燥机通常采用干热灭菌方式，干热常有热空气平行流与远红外加热二种。整体隧道式结构，分为预热段、高温灭菌段、冷却段三个部分，灭菌后抗生素玻璃瓶的微粒达到100级洁净度要求、细菌内毒素大降3个对数单位以及微生物不得检出。 　　2、隧道式灭菌干燥机的种类 　　隧道式灭菌干燥机也称隧烘箱，主要对抗生素瓶进行灭菌、干燥和去热原，一般隧道式加热灭菌形式有二种，一是热的吸收和疗效会大相径庭。     另外，通过超微粉碎技术制得的药物粉末不添加任何辅料即可直接造粒，因为药材中的纤维达到超细程度，具有药用辅料中成形剂的作用，所以易于成形。       随着现代科学的进步和GMP的广泛实施，粉体技术受到人们越来越多的重视，为现代给药系统的研究提供了新的方法和途径；同时，制药工业的不断发展也对粉体技术提出了更高、更新的要求。伴随着当前中药现代化和纳米技术的发展高潮，粉体技术也有了更广阔的发展空间，必将得到更完善的发展和提高，从而促进制药工业的发展。

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