微波真空干燥技术（精选7篇）
微波真空干燥技术 篇1
中药生产一般均会涉及提取、消毒灭菌与干燥等多个工序, 相应的技术与设备也琳琅满目, 其各有特点与各自的应用领域, 能在众多提取、灭菌与干燥工艺中寻找到既高效又节能的技术及设备一直是人们所追求的目标。随着科学技术的进步, 超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥当属目前众多相关技术及设备中最为高效与节能的。本文以上海远跃轻工机械有限公司产品为例, 从超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥3方面阐述其技术及设备的特点, 目的是推进其在中药生产等领域的应用。
1 超声微波连续逆流提取技术及设备的特点
1.1 超声微波连续逆流提取所涉及的几个概念
1.1.1 连续逆流提取
连续逆流一般为多级提取, 操作时底流液 (药材) 与溢流液 (溶剂) 在提取单位中沿相反方向运动, 实现固—液二相连续接触性提取。此方式的特点: (1) 溶剂使用量少; (2) 提取效率高; (3) 提取液的浓度也相对较高; (4) 提取周期短; (5) 单位质量的提取液浓缩所消耗的能量少。
1.1.2 超声 (波) 提取
超声波是指频率在20~50 000 k Hz之间的机械波。其原理:超声波能产生机械效应、空化效应及热效应, 超声波发生器产生高于20 k Hz的超音频电信号, 通过浸入式换能器转成同频率的机械振荡而传播到提取液介质中, 并以超音频纵波的形式在提取液中疏密相间地向前辐射, 使提取液振荡而产生许多的微小气泡。由于超音频纵波传播的负压和正压区交替作用产生超过10 000个标准大气压的微小气泡并随即爆破, 形成了对物料表面的细微局部撞击, 使物料迅速击碎、分解。在这种被称作“空化”效应的过程中, 连续不断作用于溶质, 使中药材及其他天然物在溶液中产生“湍动”效应, 使边界层减薄, 产生的界面效应增大了固液两相的传质面积, 产生的聚能效应活化了分离物质。经超声处理的植物细胞壁被击破, 而形成空洞, 细胞周围轮廓不完整。
在超声波的空化、粉碎等特殊作用下, 细胞在溶媒中瞬时产生的空化泡崩溃而破裂, 以使溶媒渗透到细胞内部, 从而使细胞中的成分溶于溶剂之中, 以加速相互的渗透、溶解。细胞的破裂为成分向溶媒的扩散提供了条件, 提高了有效成分的提出率, 从而达到了加速提取有效成分的目的。
1.1.3 微波提取
微波 (辅助) 提取原理:微波是波长介于1~1 000 mm (频率介于3×106~3×109 Hz) 的电磁波, 具有反射、穿透、吸收等特性, 不同物质的介电常数、比热容、形状及含水量不同将导致各种物质吸收微波能的能力不同。微波能是一种能量形式, 它在传输过程中能对许多由极性分子组成的物质产生作用 (大部分有机物都是极性分子) , 微波电磁场使物质的分子产生瞬时极化。在微波场下, 极性分子以及极化分子以每秒数十亿次高频旋转而产生热效应 (例如, 当用频率为2 450 MHz的微波能作萃取时, 溶质或溶剂的分子以24.5亿次/s的速度做变换运动) 。与此同时, 高速运动的分子其溶解、扩散、迁移运动也相应加速, 上述在传统提取中依靠加热来推动的过程, 在微波推动下得以迅速完成, 从而达到加速提取的目的。
1.1.4 超声 (波) 与微波提取特点比较
1.1.4. 1 超声 (波) 提取的优缺点
优点: (1) 提取温度低, 一般在40~50℃水温下进行超声波强化萃取, 不会破坏中药材中某些具有热不稳定、易水解或氧化特性的药效成分。 (2) 常压提取, 安全性好, 操作简单易行, 维护保养方便。 (3) 提取效率高, 超声波强化萃取30~50 min即可获最佳提取率, 萃取时间仅为水煮、醇沉法的1/4或更少。 (4) 提取充分, 提取量是传统方法的2倍左右。 (5) 适用范围广, 绝大多数的中药材各类成分均可采用超声提取, 其与溶剂和目标萃取物的性质 (如极性) 关系不大。因此, 可供选择的萃取溶剂种类多、目标萃取物范围广。 (6) 减少能耗, 由于超声提取无需加热或加热温度低, 提取时间短, 因此低能耗, 工艺成本低。 (7) 原料处理量大, 成倍或数倍提高, 且杂质少, 有效成分易于分离、净化。
缺点: (1) 受超声波衰减因素的制约, 超声有效作用区域为一环形, 如果提取罐的直径太大, 在罐的周壁就会形成超声空白区。若将换能器振子粘接在罐的周壁上 (就做成多边形) , 则罐壁太厚, 超声波声能损失太大。 (2) 功率难以和罐的容积相匹配, 6 000 L的罐需要120~180 k W超声输出功率, 如此大的功率, 使超声波设备制造难度增大, 同时成本也无法使用户接受。
1.1.4. 2 微波 (辅助) 提取的优缺点
优点: (1) 传统热提取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行, 而微波介电加热是里外同时加热, 没有高温热源, 消除了热梯度, 提取效率大大提高, 有效地保护中药材中的有效成分。 (2) 微波加热量是以穿透方式, 热量又产自于分子的高频旋转、磨擦, 无热阻。因此, 提取的时间短、速度快, 时间仅常规提取的1/4~1/10, 而且没有热惯性, 可用编程控制。 (3) 微波能有超常的提取能力, 同样的原料用常规方法需两三次提净, 在微波场下可一次性提净, 简化工艺流程。 (4) 溶媒耗量少, 仅常规量的50%~10%, 所加溶媒可一次提净, 既节省溶媒又大大减少下道浓缩工序的蒸发量, 节能省时。 (5) 微波提取的能源为电能所产生的电磁波, 可联动生产线, 既卫生又符合GMP。 (6) 微波的良好选择性, 提取又在高于或略高于室温的条件下进行, 从而提高产品纯度, 质量大大改善, 又能适于提取热不稳定物质。 (7) 可水提、醇提、脂提, 适用广泛。
缺点: (1) 微波有效穿透深度有限, 其有效作用范围也集中在微波馈口附近。对大容积罐体, 形成弱功率区效果不显著。 (2) 罐式微波提取设备:微波装机功率较大、制造难度高, 提取生产只能分批次作业, 加料、进液、出液、出渣等辅助时间较长, 降低了整机利用率。 (3) 微波效果与起始温度有关, 一般来说, 起始温度高, 对比较提取有利。
1.2 超声微波连续逆流提取技术及设备的特点
超声微波连续逆流提取技术是综合超声波及微波提取的优点于一体, 在“有所为, 有所不为”的思路下, 在连续逆流提取机组上有机地整合超声波及微波技术, 并克服其相应不足之处, 目前上海远跃轻工机械有限公司开发了超声微波连续逆流提取设备。
1.2.1 超声微波连续逆流提取设备原理
待提取的固体物料从送料器上部料斗加入, 通过螺旋定量控制加料速度, 并将物料不断地送至浸出舱顶端;在浸出舱中, 一套特制的螺旋推进器将物料平稳均匀地由一端推向另一端, 在此过程中有效成分被逆向流动的溶媒连续地浸出, 残渣由出渣口排渣器排出。同时, 在浸出舱内底部置有超声波换能器, 并在另一部分置有微波发生器, 其功率相对单一机型而言功率低。
溶媒从浸出舱进液口定量加入, 在重力的作用下, 并通过机械波与电磁波的双重作用, 溶媒渗透固体物料并在流向出液口的过程中浓度不断加大。固液两相始终保持逆流相对运动和理想的料液浓度差 (梯度) , 并不断更新接触界面, 提取液经浸出舱一端的固液分离机构导出。
同时, 浸出舱具有加热夹套, 可通过蒸汽、热水等热媒对系统进行加热、保温。
超声微波连续逆流提取设备外形如图1所示。
1.2.2 超声微波连续逆流提取技术及设备的特点
(1) 适合于形体较大的原料, 不需将原料粉碎。
(2) 没有高温热源, 消除热梯度, 提取纯度高。同时, 温度低, 有利于热敏性药物成分的提取, 减少杂质含量。与常规提取相比, 超声微波连续逆流提取可降低提取温度10~30℃, 提取时间相应缩短。
(3) 与常规提取相比, 超声微波连续逆流提取可提高得率5%~10%。
(4) 空化效应及穿透式加热, 若常规提取完成时间需8 h的话, 超声微波连续逆流提取只需时间30~50min。另外, 常规2~3次提取, 超声微波连续逆流提取只需1次。
(5) 与常规提取相比, 超声微波连续逆流提取可减少溶剂量、减少提取液总量达40%, 相应其浓缩能耗降低40%。
(6) 超声微波连续逆流提取设备单机处理能力200~600 kg/h, 并可连续化生产。其机理和特点非常适合需要大批量处理的原料。
(7) 超声微波连续逆流提取设备占地面积小, 约为相同产量常规提取设备的20%。
(8) 操作过程仅需2人, 劳动强度低, 操作环境好。
(9) 一般来说, 常规提取平均消耗蒸汽量为10~80kg/t原料 (根据提取温度) 。而超声微波连续逆流提取设备消耗超声波和微波电能折合约为30~50 k W·h/t原料 (同时消耗少量蒸汽) 。
超声微波连续逆流提取与常规提取两种方式对比参见图2、图3。
2 微波管式灭菌技术及设备的特点
2.1 微波灭菌机理探讨
2.1.1 微波灭菌机理
通常介质材料由极性分子和非极性分子组成, 在微波电磁场的作用下, 介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向。例如, 采用的微波频率为2 450 MHz, 就会出现24.5亿次/s交变, 电场正负频繁交换变化, 极性介质也随电场磁性变化而变更, 相互激烈的摩擦产生高热, 其蛋白质、核糖核酸和酶失活而达到灭菌的效果。
微波灭菌的原理是两方面的, 它既有热效应灭菌, 又有非热效应灭菌, 因此它具有双重杀菌功能。微波加热时, 细菌体内的蛋白质、核酸成分等分子极性, 在微波场下高速旋转、振动, 一方面加热使细菌蛋白质凝固而死亡;另一方面也可以使蛋白质、核酸变性而死亡。
水是微波的强吸收介质, 微波可让微生物中的水分子形成电偶极性并随电场改变而高速转动, 导致细胞膜结构破裂、细胞分子间氢键松弛性破坏。温度的升高, 使细胞中的蛋白质凝固而造成微生物的死亡, 从而达到灭菌的目的。
2.1.2 影响微波灭菌的因素
(1) 穿透深度。微波在液体中的穿透深度有限。2 450 MHz的微波在水中穿透深度仅为20 mm, 超过这一深度, 微波作用极为微弱 (主要表现为热效应) 。
(2) 功率密度。微波的功率密度直接影响灭菌效率, 功率密度高, 非热效应显著, 灭菌效果随之提升;功率密度低, 灭菌效果不显著, 以热效应为主。
2.1.3 微波灭菌机理探讨
(1) 微波是否会破坏有效成分?基于有效物质的破坏是分子内化学键的断裂或重组, 有效物质的破坏取决于加热达到的温度。然而, 微波是一种加热方式, 是否破坏有效物质取决于加热达到何种温度。笔者认为:低于物质能承受的上限温度, 微波能不足以破坏分子内化学键, 因此不会影响其有效成分。
(2) 能否在更低温度灭菌?目前的微波灭菌是建立在连续波基础上, 热效应与非热效应共同作用, 还不能脱离热效应单独作用。而低于65℃, 微波灭菌效果不显著。此外, 更新的微波形式和灭菌机理正在建立中。
2.2 微波管式灭菌技术的特点
微波管式灭菌设备扬长避短, 充分提升了微波的杀菌效应, 又避免了其局限性。该机组具有以下特点:
(1) 时间短、速度快。微波则利用其透射作用, 以热效应和非热效应的共同作用, 使物品内外均匀地、迅速升温杀灭细菌。其处理时间大大缩短, 在强功率密度强度下, 甚至只要几秒至数十秒即达到满意效果。
(2) 低温灭菌、保持药品成分。相比常规热力灭菌, 在比较低的温度、较短的时间内就能获得灭虫杀菌效果, 一般灭菌温度在70~80℃, 处理时间3~5 min。同时, 微波特有加工方式能保留更多的有效成分, 保持原有的色、香、味、形等风味。
(3) 节约能源。微波电磁转换率高, 一般在70%以上, 优于电加热的热效率。加之, 微波是直接对药品进行磁热能量转换, 微波加热器本身不会被加热, 因而不存在额外的热功耗, 所以节能省电, 相比节电30%~50%。
(4) 灭菌均匀彻底。常规热力灭菌是从物料表面开始的, 由表及里地渐次加热, 内外存在温差梯度, 造成内外灭菌效果不一致。而微波的穿透性, 使表面与内部同时受热, 保证内外均匀杀菌。这一特点尤其适用于粘稠物料。
(5) 易自动化生产。微波设备操作简便, 没有热惯性, 能根据生产工艺要求实时调控。整条生产线只需1~2名操作工。在改善劳动条件同时, 工作环境和卫生条件符合GMP。
(6) 工艺先进。微波杀菌设备不需要锅炉、复杂的管道系统等, 只需水、电基本条件即可, 对厂房无特殊要求。投资少、见效快。
(7) 节省占地面积。微波设备无高温余热, 不产生热辐射, 能改善工作环境。而且设备结构紧凑、节省厂房面积。
(8) 灭菌功能广泛。既可杀灭细菌、酵母、霉菌, 还能灭酶。
2.3 微波灭菌设备
上海远跃轻工机械有限公司开发的最新微波管式灭菌设备 (如图4所示) , 是在以往管式微波灭菌基础上创新发展的。它采用了具有专利的盒形微波处理器, 在微波热效应的基础上, 最大限度强化了微波的非热效应, 达到低温短时灭菌的效果。
上海远跃轻工机械有限公司的微波灭菌设备的灭菌流程如图5所示, 其内部结构呈管式结构 (如图6所示) , 并在图6结构内采用串联方式配置若干个具有专利的盒形微波处理器, 如图7所示。
其特点: (1) 在管道中经过的物料, 全部落在微波穿透深度以内, 不存在微波照射不到的死角, 呈均匀有效的场分布; (2) 在加热器内, 具有极高的功率密度, 强大的非热效应造成细胞膜在短时间内穿孔; (3) 物料连续流过处理器停留时间只需10~30 s, 停留时间短, 最大程度减少热损害, 保证产品品质, 即便对于粘稠物料, 也不会产生结垢、结焦等问题; (4) 可连续生产, 提高整体效率, 终温仅70~80℃, 达到杀菌性灭菌效果; (5) 热能回用, 消耗少, 运行经济; (6) 可CIP, 系统耐6×105Pa压力, 生产后可SIP; (7) 占地小, 操作简便, 自动化程度高; (8) 极高的通用性和可靠性。
其灭菌应用范围:各种粘度的液态物料, 热敏性物料, 易结垢、易结焦的液态物料, 含悬浮颗粒的物料。不适应灭菌范围:已灌装的物料、难以流动物料、受热凝结或沉淀的物料。
3 真空带式干燥技术及设备的特点
3.1 真空干燥的原理
真空干燥的过程就是被干燥物料置放在密封的腔体内, 用真空系统抽真空的同时对被干燥物料不断加热, 使物料内部的水分通过压力差或浓度差扩散到表面, 水分子在物料表面获得足够的动能, 在克服分子间的相互吸引力后, 逃逸到真空室的低压空间, 从而被真空泵抽走的过程。
3.2 真空带式干燥设备的组成与特点
3.2.1 真空带式干燥设备的组成
上海远跃轻工机械有限公司开发的YTLD系列真空带式干燥机的外形与内部结构如图8所示。主要有:干燥机筒体、布料机构、喷嘴、履带输送装置、螺旋输送器、PTFE输送带、张紧装置、纠偏装置、破碎机构、滚轮机架、刮料机构、出料机构、气动刀闸阀、旋转清洗球、测试仪表、电控柜等。
真空带式干燥机干燥流程如图9所示。干燥是借助于热能加热物料, 气化物料中水分。其热源来自履带下面传导热量, 由于真空条件水分气化温度低, 一般在30~90℃之间时浸膏或其他物料就沸腾发泡 (图10是当归浸膏沸腾发泡) , 物料中的水分很快就被真空抽走而闪蒸。同时, 其进料、干燥、粉碎、收粉在密闭系统进行。
3.2.2 真空带式干燥设备的特点
(1) 全程真空状态完成连续干燥工艺, 符合GMP。
(2) 在40~130℃之间干燥都能实现。在40~90℃干燥时, 热敏性药物不变性。
(3) 干燥机加热源多样化:可采用蒸汽直接加热、过热水加热, 电加热转换导热油加热等, 自动温控容易实现。
(4) 干燥过程物料温度60~80℃之间, 45~60 min后开始连续出颗粒直至批量完成, 并直接在真空状况下在干燥机内完成粉碎制颗粒。
(5) 节约用电, 节约蒸汽, 能耗小、无“三废”、低噪音。
(6) 有CIP功能, 可自动清洗、快速方便, 完成干燥机内腔清理工作。
3.3 真空带式干燥技术特点
表1为不同干燥方法性能比较, 从表1中可看到: (1) 离心喷雾干燥连续生产, 产量大。但温度高, 热敏性物易被破坏, 容易粘壁, 物损大, 能耗较高; (2) 真空烘箱干燥周期长, 效率低, 能耗高, 间断操作, 容易染菌和吸潮, 产品损失大; (3) 冷冻干燥能够得到出色的产品溶解性和高质量的产品, 但产量低, 成本太高。
真空带式干燥是综合各种干燥优点于一体的干燥设备。这是由于: (1) 与其他真空干燥相比, 带式干燥过程中被干燥物料随同传送带移动时, 物料颗粒间的相对位置固定, 具有相同的干燥时间。 (2) 当湿物料进料后, 在传送带上完成预热、恒速干燥、降温干燥、降温冷却及干品下线等过程。因此, 对进料量及含湿量、传送带走速、干燥温度及工作真空度等操作参数可独立控制, 从而保证设备工作的可靠性和操作条件的优化。
4 结语
本文以上海远跃轻工机械有限公司产品为例, 由概念或机理入手, 从超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥3方面阐述了其技术及设备的特点。从实践情况来看, 超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥3个设备既可单机使用, 也可联线使用。也可以说:超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥设备是目前高效节能、连续高产与符合GMP的设备之一。
摘要：由概念或机理入手, 从超声微波连续逆流提取、微波灭菌、真空带式干燥3方面阐述其技术及设备的特点。
关键词：超声微波连续逆流提取,微波灭菌,真空带式干燥,技术及设备,特点
参考文献
[1]邓修.中药制药工程与技术[M].上海:华东理工大学出版社, 2005 (5)
[2]郭维图.辐射灭菌工艺及其设备在药品生产中的应用.机电信息, 2007 (5) :11
[3]徐成海等.真空干燥[M].北京:化学工业出版社, 2004
微波干燥技术的专利分析 篇2
本文数据来源于国家知识产权局专利局的专利检索与服务系统 (Patent Search and Service System, 简称“S系统”) 中的中国专利文摘数据库 (China Patent Abstract Database, 简称“CNABS”) 和外文数据库 (Virtual or Logical Database, 简称VEN) 。
微波干燥技术涉及的IPC分类号有F26B3/347 ( · · ·电磁加热, 例如感应加热或用微波能加热) 和F26B23/08 ( · ·感应加热;电容加热;微波加热) 。因微波干燥只为上述两个分类号下的一个下位概念, 所以本文采用分类号加关键词进行检索, 在以IPC分类号为入口进行检索后, 再以“微波 (Microwave) ”为关键词, 以BI (联合索引, 复合索引了所有的AB、TI、KW和CLMS字段) 为入口进行检索, 再将上述两个检索结果进行“与”运算。检索的结果为: CNABS数据库中为856 件, VEN数据库中为2275 件, 包括发明专利申请和实用新型专利申请, 上述数据的来源更新于2016 年3 月16 日。
2 微波干燥技术的专利申请情况
2.1 专利年份分布
本文对专利申请的年代进行了统计与分析, 数据来源于VEN数据库, 通过统计可知, 1963 年申请了第一项与微波干燥技术相关的专利, 为公开号为DE1237886B的国外申请。图1 列出了近十年来微波干燥相关专利的申请量情况, 由图可知, 近十年来的年申请量总体有一个递增的趋势, 在2012 和2013 年达到了峰值, 所以2012 年以后的相关数据, 更能有效把握微波干燥技术的发展动态, 通过对其进行统计分析将有助于后续微波干燥技术的改革创新。 2014 ~ 2015 年的数据出现了递减的趋势, 实际上, 由于数据库收录时间略有滞后, 这两年的数据可能存在收录不全的情况。2014 年我国首次提出了“努力建设知识产权强国”新目标, 相信2014 ~ 2015 年的实际数据不会低于2012 年和2013 年的年申请量。
2.2 专利申请人情况分析
本文还对专利文献的国别进行了统计和排序, 数据来源于VEN数据库。图2 示出了微波干燥技术相关专利申请量排名前十位的国家, 由图2 可知, 中国微波干燥技术相关专利的申请量排在首位, 摇摇领先于第二名的日本, 说明中国微波干燥技术的市场是不容小觑的。
本文还对CNABS数据库中微波干燥技术相关专利的申请人的情况进行了统计, 如图3所示。图3 示出了排名前二十的主要申请人, 由图3 可知, 微波干燥技术相关专利申请人主要为企业, 且涉及各个行业, 说明微波干燥技术的应用非常广泛。前20 名中高校、研究所、研究中心占了9 个名额, 说明微波干燥技术作为一个高新产业得到了很好的重视。
2.3 微波干燥技术的研究方向分析
通过对检索结果的分析可以发现, 微波干燥技术一般会和其它技术相结合一起使用, 将微波与真空相结合就是制药领域较常采用的一种技术手段, 例如发明专利申请“带有双干燥室的微波真空连续干燥机及其使用方法” (申请公开号: CN1908560A) , 申请人为天水华圆制药设备科技有限责任公司, 该发明专利申请已于2008 年获得专利授权。将微波干燥与热风干燥相结合也是一种常见的组合干燥形式, 例如发明专利申请“农副产品微波热风脱水干燥设备” (申请公布号: CN103075872A) , 申请人为岳阳钟鼎热工电磁科技有限公司, 该发明专利申请已于2014 年获得专利授权。微波干燥还有其它结合形式, 例如发明专利申请“一种热泵- 微波联合干燥设备” (申请公布号:CN103900355A) , 申请人为中国农业机械化科学研究院。
3 结束语
通过对国内外专利数据的统计分析, 可以看出各国对知识产权的保护意识不断加强;同时, 通过对微波干燥技术相关专利研究方向的分析, 可知在不断完善各种干燥技术自身方法和设备的同时, 根据物料的特点, 将两种或两种以上的干燥方法互补, 分阶段或同时进行联合干燥已经成为一大趋势, 对于以后干燥技术的发展具有指导意义。
摘要：微波应用于干燥领域起源于20世纪40年代, 微波干燥不同于传统干燥方式, 其热传导方向与水分扩散方向相同。本文从专利分析的角度出发, 统计了微波干燥技术在国内外的专利申请情况, 并进一步分析了微波干燥技术在国内的研究方向, 以期为相关科研人员对微波干燥技术进行深入研究提供有益参考。
关键词：微波,干燥,应用,专利
参考文献
[1]天水华圆制药设备科技有限责任公司.带有双干燥室的微波真空连续干燥机及其使用方法[P].中国专利, 200510043078.2, 2007-02-07.
[2]岳阳钟鼎热工电磁科技有限公司.农副产品微波热风脱水干燥设备[P].中国专利, 201310060396.4, 2013-05-01.
微波真空干燥技术 篇3
污泥是污水生化处理过程中产生的泥状沉淀物质, 与污水相伴而生的污泥, 污泥受到的关注度远不如污水, 实际的处理情况也不如污水理想。
2015年9月11日, 在上海举办的第七届水业热点论坛上, 主办方之一的E20环境平台发布了一组数据称, 中国的污泥无害化处置率低于30%。根据《节能减排十二五规划》, 到2015年, 城市污泥无害化处置率应达到70%, 与E20环境平台的调研结果相比, 两者差距甚大。以2014年城镇污泥产生量3600万吨计算, 约有2520万吨的污泥被粗放处理, 其含有的重金属、高浓度有机质等, 必将对环境造成二次污染。
目前, 污泥处理主要有填埋、土地利用、堆肥、焚烧等方法[1]。《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》 (CJ 248-2007) 要求污泥园林绿化利用时, 其含水率应低于40%;《城镇污水处理厂污泥处理土地改良用泥质》 (CJ/T291-2008) 要求污泥用于土地改良时, 其含水率应低于65%;《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋泥质》 (CJ/T249-2007) 要求用作垃圾填埋场覆盖图的污泥含水率应低于45%。由于污泥自身特性, 污泥经机械脱水后含水率仍高于80%, 无法满足上述处置方法的泥质要求, 需进一步干化处理[2]。
污泥干化可分为自然干化、石灰干化和热干化[3]。自然干化占地大、人工劳动强度大、卫生条件差, 适合应用于地广人稀, 经济较为落后的地区;石灰干化效能低, 含水率只能降至50%, 体积不能减量, 运输成本高, 仅适用于小污水处理站的临时性污泥处理措施;热干化可高效干化污泥, 但设备投资和运行成本高, 适用于经济水平较高的地区[4]。
微波干燥是一项新型、清洁的高效干燥技术, 目前已成功应用于冶金、化工、食品等行业[5]。微波干燥具有加热速度快、干燥时间短、清洁卫生等特点, 具备应用于污泥干化领域的潜力[6]。本文以北京清河污水处理厂机械脱水后污泥进行微波干燥实验, 研究微波干燥污泥特性, 通过能耗计算分析微波技术干燥污泥应用的可行性。
1 实验部分
1.1 实验设备
实验采用微波高温材料处理系统进行污泥干燥实验, 实验设备如图1所示。
1.2 实验步骤
1.2.1 污泥含水率测定
①将100ml烧杯置于天平托盘内, 重量W1;
②取约20g污泥至烧杯中, 达到衡中后记下重量W2, 则污泥重量W=W2-W1;
③将烧杯放入烘箱里105℃下烘2小时, 放入干燥器内30分钟冷却至室温, 称重;
④重复步骤③, 至重量不变, 得到W3。污泥含水率= (W2-W3) /W*100%。
1.2.2 微波功率对污泥微波干燥效果的影响
取100g污泥置于500ml烧杯中, 称重W0, 温度计T0;将污泥置于微波干燥设备中加热干燥5min;取出污泥称重W1, 同时记录温度T1, 蒸发水量=W0-W1;调节微波功率重复上述实验得到不同功率下的水分蒸发量。
1.2.3 辐射时间对污泥微波干燥效果的影响
方法同1.2.2实验, 微波功率保持不变, 改变辐射时间。
2 结果与分析
2.1 污泥含水率测定结果
本次试验污泥选用北京清河污水处理厂机械脱水后泥饼, 经实验测定污泥含水率为82%。
2.2 微波功率对污泥干燥效果的影响
污泥分别在1000W、650W和400W微波功率下进行干燥, 不同功率的微波辐射后, 污泥重量和含水率变化情况如图2、图3、图4所示, 污泥温度变化情况如图5。
实验结果表明, 污泥经过微波辐射后, 重量显著降低, 含水率由82%降至30%以下。由图可知, 污泥微波干化分三个阶段:加速干燥、恒速干燥和减速干燥。
微波辐射功率越大, 污泥减量速度越快, 污泥干化所需时间越短[7]。10分钟时, 功率1000W微波干燥下的污泥含水率降至30%, 功率650W微波干燥下的污泥含水率降至50%, 功率为400W微波干燥下的污泥含水率降至65%。
由污泥温度变化曲线图可知, 污泥在微波辐射下, 温度迅速升高至100℃, 污泥中的水分子优先吸收微波, 产生热能使污泥升温;此后污泥温度恒定在100℃, 此阶段污泥中的水分迅速蒸发, 微波能转化为水蒸发所需的热能, 因此污泥温度保持不变;随着污泥含水率的下降, 污泥中的固体开始吸收微波, 污泥固体温度迅速上升 (系统设定污泥温度为120℃时, 停止微波辐射) 。
2.3 微波干燥效能分析
不同功率下微波干燥污泥能耗变化如图6所示。
由图可知, 实验开始的4分钟内, 微波能主要转化为污泥升温的热能, 水分蒸发量较小, 因此污泥干燥效能较高。此时, 高功率微波使污泥快速升温, 干燥效能降低。随着实验的进行, 污泥温度达到水的沸点100℃, 大量水分子从污泥内部扩散到污泥表面, 再从表面逸出, 微波能转化为水分子蒸发焓, 污泥干燥效能降低。当污泥温度均达到100℃时, 微波功率越低, 污泥干燥效能越低, 其中400W时, 干燥效能为1.47k Wh/kg水。微波辐射10分钟后, 污泥含水率较低, 干燥效能缓慢升高。这主要是因为污泥水分蒸干后, 固体组分吸收微波, 使微波干燥效能升高。
图6污泥干燥能耗变化曲线
2.4 微波干燥经济性分析
2.4.1 污泥干燥理论能耗及成本计算
设污泥起始温度20℃, 常压下汽化温度为100℃, 微波能量转化率η取80%, 水比热4.2k J/kg℃, 100℃时水的蒸发焓Δvap Hm (100℃) =40.63k J·mol-1 (即2257k J/kg) , 电价按0.7元/k Wh (1k Wh=3600k J) 。
①1kg含水率80%污泥处理至含水率50%所需能量W总:
1) 污泥升温所需能量:
2) 水分蒸发所需要的能量:
4) 将1kg含水率80%的污泥处理至含水率50%的成本N:
②1kg含水率80%污泥处理至含水率30%所需能量W总:
1) 污泥升温所需能量:
2) 水分蒸发所需要的能量:
(3) 1kg含水率80%污泥处理至含水率10%所需能量W总:
1) 污泥升温所需能量:
2) 水分蒸发所需要的能量:
污泥干化后热值约为1500大卡/kg, 即6300k J/kg, 3吨干燥污泥相当于1吨4500大卡燃煤[8]。1kg含水率80%污泥含0.2kg干污泥, 热值约为1260k J。
理论计算结果:含水率80%的污泥处理至50%时, 成本为394元/t污泥;处理至30%时, 能耗为650k Wh/t污泥, 成本为457元/t污泥;处理至10%时, 能耗为910k Wh/t污泥, 成本为492元/t污泥。
2.4.2 经验公式计算污泥干燥能耗及成本技术
工业微波干燥固体的能耗经验值约为1.3k Wh/kg水, 含水率80%的污泥处理至50%时, 能耗为780k Wh/t污泥 (按80%含水率算) , 成本为546元/t污泥 (每度电0.7元) ;处理至30%时, 能耗为929k Wh/t污泥, 成本为650元/t污泥;处理至10%时, 能耗为1011k Wh/t污泥, 成本为707元/t污泥。
2.4.3 微波干燥污泥实验能耗及成本计算
含水率82%污泥进行微波干化实验, 处理至含水率为50%时, 干燥污泥能耗为867k Wh/t污泥 (以每度电0.7元算, 约607元/t污泥) ;处理至含水率为30%时, 干燥污泥能耗为1133k Wh/t污泥 (793元/t污泥) ;处理直含水率10%时, 干燥污泥能耗为1300k Wh/t污泥 (910元/t污泥) 。污泥干燥成本比较如表1所示。由表1可知, 实验干燥污泥成本远高于理论成本及经验成本, 推测原因, 微波加热产生的水蒸气不能及时排走, 消耗微波能。
3 结论
微波干燥技术可高效降低污泥含水率, 含水率82%的机械脱水污泥通过微波干燥后含水率降至10%以下。微波功率越高, 污泥干燥速度越快, 干燥能耗越大。微波法干燥污泥减量效果明显, 处理速度快, 但运行成本较高。
摘要：污泥处理与处置难已成为世界性难题, 脱水干化是污泥处理处置的必要前提。微波具有高效加热的特点, 将其应用到污泥处理处置技术上, 可有效实现污泥的减量化、稳定化。本文采用微波干燥技术处理市政污泥, 研究结果表明, 微波可高效快速干燥污泥, 污泥含水率由82%降至10%, 微波处理能耗约为1300k Wh/t污泥。
关键词：污泥,干燥,微波,能耗
参考文献
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[7]许晓萍.我国市政污泥处理现状与发展探析[J].江西化工, 2010 (3) .
微波真空干燥技术 篇4
关键词：微波干燥,黏土制品,干燥时间
众所周知,黏土建筑制品如砖瓦生产过程中通常将含水率为20%～25%的黏土成型成一定形状的砖坯,利用热风炉和窑的余热干燥砖坯至5%的含水率后入窑烧结,干燥时间长,干燥效率低,产量受制于砖坯干燥。为了缩短干燥时间,推出了微波干燥技术。以往应用情况表明,用微波干燥块状的厚型黏土制品时,因受热坯体内水分汽化会急剧膨胀,致使坯体开裂。即使水分不急剧膨胀,由于黏土制品内部与外部的温差大,也引起坯体开裂和变形。所以,以往微波加热干燥技术只限用于薄型黏土制品。为此,通过技术摸索,改进工艺,对微波干燥用于厚型黏土制品进行了技术尝试,获得了理想的应用效果。
1 微波干燥工艺的改进
微波加热干燥具有速度快、热量损失小、操作方便等优点,但要有效应用于干燥厚型黏土制品还有待完善。因此进行了如下技术改进。
1.1 设置室内空气流动系统
在建微波干燥室时,设置室内空气流动系统,边从室外引入空气,边由室内排出空气到室外,使其内空气流动循环。
1.2 安装微波控制装置
安装微波控制装置,从开始干燥至一定时间用弱微波照射砖坯,然后用强微波照射或在初始阶段用弱微波照射,此后用强微波照射。
1.3 干燥室内设置部分空气循环装置
在干燥室内设置使部分空气循环的装置。干燥系统设计有两种,一种设计结构较为简单,干燥系统主要由黏土坯体的微波干燥室与连接于微波振荡器的微波天线组成。干燥室装有进出坯体的门,其内设置转盘,由电动机驱动旋转。室内还设有进气口,通入空气,并设有脉动金属质的微波屏蔽板,以隔断微波,干燥室还设有将室内空气排出到外的出气口,也同样设有脉动金属质的微波遮蔽板。
干燥系统另一种结构如图1所示,在圆筒出气口处设置气闸,控制空气排出量;并设置连接于进气口的空气循环装置,便于干燥室内的部分空气循环,其他构成与第一种设计结构相同。循环装置构造由连接于进气口的筒体构成。在筒体口附近设置气闸,以调节供气量。筒体口与干燥室出气口连接,使供入与排出的空气混合,并由鼓风机供入混合空气,同时经加热器加热,由进气口供入干燥室内,使室内的空气循环。在出气口同样设有金属质的微波屏蔽板。由此构成的干燥系统不仅使干燥室内的空气循环,而且有效调节由进气口供入空气的温度,从而控制室内的湿度,使室内的水蒸气处于不饱和状态,高效率地进行干燥,还避免过度干燥,防止坯体表面裂纹的产生。加温供入空气的目的是利用廉价的能源如微波能供入蒸发坯体表面水分所需的潜热。转盘的构件上还可安装传感器或坯体表面温度测定传感器,根据传感器探测信号间歇或连续控制微波,亦可根据传感信号控制气闸的开关。干燥时以黏土坯体不产生裂纹和变形为前提设定微波照射功率和时间。
2 微波干燥实验
实验中,在微波干燥系统的转盘上放置厚度为25 mm、重约2 kg、含水率为20%的黏土平瓦坯体,照射微波。按以下不同条件进行四组微波干燥实验。
2.1 实验1
最初4 h不通风,用129 W微波照射,测出瓦坯的出水量;然后通风3 h,用250 W微波照射,测出坯体的出水量。实验表明,在无通风条件下,照射1.9 MJ的微波,出水量为35 g;若通风,在0.6 MJ(1.9 MJ的1/3条件下,其出水量就能达到35 g,即可推定干燥室内通风时出水量提高2倍。实验结果见表1,由此可见,微波干燥时干燥室内的通风很重要。实验中,坯体未出现裂纹和变形,也未产生爆裂,出水量约为150 g。若再持续微波干燥,瓦坯可干燥至所定的5%含水率。该干燥实验获得的干燥特性曲线见图2。
2.2 实验2
实验中,干燥室通风,用250 W微波照射10 h,坯体未出现裂纹或爆裂,出水量为259 g,微波照射能为9 MJ。实验结果见表2。
2.3 实验3
实验中,干燥室通风用250 W微波照射2 h,测出的出水量为219 g;然后直接用1 kW微波照射15 min,再放出49 g水。微波照射能与坯体出水量的干燥特性关系曲线图见图3。可以看出照射能约4.5 WJ,出水量为268 g,其能耗仅为实验2的1/2,就达到约等量的出水量。微波总照射时间为2.15 h,实现了短时间干燥。若加快干燥,照射强微波,还可缩短干燥时间。这意味着随着干燥的进行,逐步增大照射微波功率,可进一步缩短干燥时间。确认干燥程度的方法是测定坯体的质量变化和表面温度。实验结果见表3。
2.4 实验4
对含水率高的坯体进行干燥实验。干燥室通风的同时用400 W微波照射1 h,接着升至500 W照射30 min,测定坯体质量,确定出水量为32 g,然后直接升至1 kW,照射10 min,测得出水量为33 g。即便在这样的实验中,坯体也不会出现裂纹和爆裂。该实验获得的干燥特性曲线图见图4,其结果证实了实验3的结论。实验4结果见表4。
除上述各试验外还进行了微波与坯体裂纹的相关性试验。试验中使用含水率接近上限的22%～25%的坯体,照射500 W微波20 min,出现裂纹。图5为该实验获得的微波与坯体裂纹形成的曲线图。图5表明,初始阶段照射微波为400 W,干燥良好,未出现裂纹。与实验3比较,照射约500 W微波,坯体在黏土成型含水率变动范围内时也顺利干燥,也不会产生裂纹。
3 结语
除用微波照射干燥黏土制品外,同时给干燥室内供入空气,并排出室内空气,将坯体蒸发的水蒸气排出室外,则可大幅缩短干燥时间。
在干燥初始阶段使用弱微波,此后使用强微波,可进一步缩短干燥时间。干燥后期即使使用强微波,也不会产生裂纹和变形,从而进一步提高微波干燥系统的干燥效率。
使干燥室内部分空气循环,可减小室内空气温度变化,减轻微波加热对黏土坯体表面状态的影响。
WHZ系列微波回转真空干燥机 篇5
(1) 快速干燥:采用了微波加热对物料产生“体积加热”和“选择性加热”的效应, 使温度梯度、热传递与蒸汽压力方向一致, 干燥过程中湿分蒸汽的扩散阻力小。与常规干燥相比较, 干燥速度提高若干倍。
(2) 干燥均匀:微波加热是对物料整体的加热, 不至于产生局部过热而干燥不均匀, 再加上干燥过程中物料是不断运动着的, 使其接受到的微波能量比较均匀, 所以大大提高了物料的干燥质量。
(3) 低温干燥:一方面在真空状态下对物料干燥, 大大降低了溶媒的汽化温度;另一方面物料本身并不吸收微波能量 (即物料本身不被加热) , 所以在干燥过程中, 物料的温度不高, 并且可以控制, 对热敏性物料非常适用。
(4) 运用先进电子技术:物料温度的红外遥测和控制、物料在干燥过程中的动态显示、微波泄漏检测以及PLC控制等, 大大提高了该设备的性能。
(5) 收率高:干燥过程中, 物料不会散失, 其回收率极高, 几乎达100%, 特别对一些贵重的物料显得更为
(6) 安全可靠:装有特殊的微波扼流装置和动密封结构。微波泄漏能严格控制在国家标准以下, 保证操
(7) 易清洗与占地小:内部结构无死角, 易清洗;同样产量相比, 其占地面积约为喷雾干燥器的1/10或
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WHZ系列微波回转真空干燥机 篇6
(1)采用特制模压馈能波导,确保微波能的最佳输送;
(2)认真计算和制作,最合理地分布波导,确保最佳匹配,微波输入驻波比P<1.5;(3)采用军工单位制作和精密检测仪器,使达到驻波比P<1.5有了科学保证;
(4)应用微波谐振技术,科学设计干燥腔,使“回轰”率近于零,保证磁控管长久、稳定工作;
(5)为避免微波对其他元器件的干扰和损害,设计和制作了不同的抑止器,既保证了其他元器件的正常工作,也减少了微波能损失;
(6)巧妙设计控制电路,使用PLC控制,触摸屏操作,使智能控制技术在微波干燥的温度控制中,有“用武之地”(一般只能做到时间比例调节),使温度控制平稳、准确、超调量小;
(7)用多种微波抑止方法,使微波能泄露远低于国家标准的5 mu/cm2,(本公司企标为1 mu/cm2)实际做到<0.1mu/cm2,保证操作人员的安全健康;
(8)磁控管循环水冷却,变压器油冷却,增加了所有电器元件的使用寿命,为节约水资源,设计了自然冷却,循环用水方法,绝对用水量为水环真空泵的用水量,相当于冷却用水为零;
(9)按GMP理念制作,内腔精心抛光,圆弧过渡,无死角,外形美观大方,操作方便;
(10)带动挂篮转动的电机是变频调速的,不仅可任意调节挂兰转速,更重要的是由于变频器的平稳起动,保证了减速机在内的传动机稳定长寿。
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(1)正面大开门，全盘物料可整体装、卸，节省时间;
(2) 清洗方便, 托架可全部脱离干燥箱体, 可彻底清洗箱体内表面;
(3) 干燥均匀, 转盘可变频调速。
技术参数：
(1) 干燥能力为5～30 kg水/h;
(2) 托盘数量为4～10个;
(3)微波功率为5～40 k W。
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