真空干燥箱應(yīng)用中存在的問題及解決方法

趙廣濱，吳相誠

（石家莊以嶺藥業(yè)股份有限公司，河北 石家莊 050035）

0 引 言

原有真空干燥箱型號(hào)為FZG15，蒸汽加熱，水環(huán)真空泵（2BV5121 0KC00-7P 最大排氣量為280 m3/h，功率為7.5 kW） 抽真空，真空度為0.06～0.08 MPa。干燥的物料主要是濃縮后的中藥浸膏，含水率為40%～60%。干燥一批浸膏（32 盤80 kg左右），需要3 天4 夜左右，既費(fèi)時(shí)又耗能。

1 真空干燥箱干燥過程中存在的問題

真空干燥箱干燥過程中，由于在真空狀態(tài)下，對流傳熱嚴(yán)重削弱，傳熱主要靠熱傳導(dǎo)及盤管和箱壁對物料的熱輻射。但因溫度低，故輻射傳熱占的比重不大。

熱傳導(dǎo)占的比重較大，但物料盤和盤管的接觸面積小，傳熱效果不好。

另一個(gè)原因，隨著物料的干燥，底面干燥硬化，形成熱阻層，降低了盤管和物料盤的傳熱量；上表面板結(jié)，致使內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽不易排出，影響了干燥速度，且當(dāng)氣泡壓力足夠大，沖破板結(jié)層時(shí)，物料崩出盤外，造成浪費(fèi)。

2 原因分析

2.1 傳熱效率低

傳熱主要靠熱傳導(dǎo)，輻射傳熱很少，對流傳熱嚴(yán)重削弱。物料盤和盤管的接觸面積小，傳熱效果不好。

根據(jù)傳熱學(xué)理論，熱傳導(dǎo)和熱輻射幾乎不受真空影響，而對流傳熱隨著真空度的增加而減少，各種傳熱方式和真空度的關(guān)系近似曲線如圖1 所示。

圖1 各種傳熱方式和真空度的關(guān)系近似曲線Fig.1 Approximate curve of relationship between various heat transfer modes and vacuum degree

2.2 物料上下兩層板結(jié)層影響干燥速度

非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)不足純鐵導(dǎo)熱系數(shù)的十分之一，板結(jié)層對傳熱的影響很大，上層的板結(jié)層影響水分蒸發(fā)的速度。

3 干燥過程的分析

3.1 物料干燥過程

根據(jù)實(shí)際情況將物料干燥過程大致分為水分快速蒸發(fā)、從液態(tài)到固態(tài)和物料固態(tài)干燥的過程3 個(gè)階段。

3.1.1 水分快速蒸發(fā)階段

物料狀態(tài)從粘稠到極粘稠。在真空狀態(tài)下，物料內(nèi)部對流傳熱強(qiáng)烈，水分快速蒸發(fā)，在這一階段，蒸發(fā)掉一半以上的水分，而耗時(shí)很少。

3.1.2 從液態(tài)到固態(tài)

物料狀態(tài)從極粘稠到全部固化。在這一階段，物料內(nèi)部對流傳熱逐漸減弱，過程緩慢，較早出現(xiàn)的上下兩層板結(jié)層，很大程度上影響了干燥速度。

3.1.3 物料固態(tài)干燥的過程

物料慢慢脫水至含水率達(dá)標(biāo)的塊狀物。這一階段蒸發(fā)的水分很少，干燥的速度要比第二階段稍快一些。

3.2 各階段和真空度的關(guān)系

第一階段，換熱過程比較理想，真空度越高，水分蒸發(fā)越快。

第二階段，隨著對流的減弱，以及熱阻的增大，含水量越來越少，如果還維持真空泵功率不變，真空度越來越大，對流越來越弱，干燥效率越來越低。使用波動(dòng)的真空度，合理調(diào)配真空度和對流傳熱至最佳結(jié)合點(diǎn)，干燥過程會(huì)更快。

第三階段，由于含水率很小，真空度小一些可能更合適。如果使用干燥的熱空氣加熱，干燥過程更快。

4 解決方案

4.1 改善對流換熱

根據(jù)各階段的特點(diǎn)，調(diào)整每一階段的真空度，盡可能的增大傳熱量。

真空度調(diào)整示意圖如圖2 所示。

圖2 真空度調(diào)整示意圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum adjustment

4.2 改善熱傳導(dǎo)

由于物料盤難于避免物理撞擊，盤底有很多突起，如果在盤管上鋪一塊平的薄鋼板，接觸面積不會(huì)很大。

建議使用多孔金屬板，改善熱傳導(dǎo)。

改善熱傳導(dǎo)示意圖如圖3 所示。

圖3 改善熱傳導(dǎo)示意圖Fig.3 Schematic diagram of improving heat conduction

4.3 破壞板結(jié)面和機(jī)械振動(dòng)

物料板結(jié)面的形成對熱量的傳遞和水分的蒸發(fā)影響最大，解決這個(gè)問題是重中之重。方法有人工破壞和機(jī)械振動(dòng)等。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以先使用人工的方法測試多大的振動(dòng)合適，實(shí)際生產(chǎn)中需要在干燥箱內(nèi)設(shè)計(jì)相應(yīng)的構(gòu)件，達(dá)到這一目的。

5 小批樣實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)圖

現(xiàn)有真空干燥箱箱內(nèi)尺寸為1 500×1 400×1 220 mm，烘盤32 個(gè)，尺寸為460×640×45 mm，8 層，每層 4 個(gè)。

實(shí)驗(yàn)用干燥箱，尺寸500×450×300 mm，1層，每層放2 個(gè)烘盤。烘盤尺寸為100×150×40 mm，真空泵 1 臺(tái)，2BV2061－0NC02-1P，功率1.45 kW，排氣量50 m3/h，熱源為蒸汽，人工振動(dòng)方法破壞板結(jié)面。

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖如4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)Fig.4 System diagram of experimental device

5.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1） 實(shí)驗(yàn)總結(jié)每一階段的特性。

（2） 實(shí)驗(yàn)得到每一階段最佳的真空度。

（3） 實(shí)驗(yàn)得到第二階段最合適的振動(dòng)強(qiáng)度，如振動(dòng)法不合適，實(shí)驗(yàn)其他方法。

（4） 改進(jìn)前后，干燥同量物量所耗時(shí)間的差異，要求不低于20%。

5.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將物料裝入2 個(gè)盤內(nèi)，放入箱內(nèi)加熱，每30 min 觀察一次物料的干燥狀況，觀察物料慢慢變稠的過程，注意觀察板結(jié)面的出現(xiàn)，記錄這一時(shí)間。板結(jié)后，因?yàn)殡y以觀察第二階段的結(jié)束，每次觀察時(shí)，敲擊干燥箱，觀察物料液面是否晃動(dòng)，不動(dòng)時(shí)記錄這一時(shí)間。重復(fù)3 次，記錄起始、每階段、結(jié)束時(shí)間、蒸汽的壓力、溫度、流量和物量干燥前后的重量。

每次裝一個(gè)盤，記錄真空度在0.04、0.05、0.06、0.07、0.08 和0.09 MPa 時(shí)，每一階段完成的時(shí)間和耗汽量?？偨Y(jié)得出每一階段耗汽最少時(shí)對應(yīng)的真空度。

對于第二階段的最佳真空度，在±0.01 MPa內(nèi)，使用PLC 控制，分別設(shè)30 min 和1 h 為一個(gè)波長，使真空度波動(dòng)，記錄完成的時(shí)間和耗汽量。

第一階段結(jié)束時(shí)，手持金屬物品，使用不同的力度敲擊物料盤的側(cè)壁。如果效果明顯，設(shè)計(jì)機(jī)械振動(dòng)機(jī)構(gòu)，記錄第二階段的耗時(shí)和蒸汽耗量。

比較沒有真空度變化，沒有振動(dòng)和變化真空度，增加振動(dòng)的耗時(shí)和蒸汽耗量。

6 結(jié) 語

真空干燥箱在干燥粘性物料的過程中，換熱過程緩慢的原因在于物料本身的特性，及實(shí)際操作的復(fù)雜性。如板結(jié)面的破壞和物料的脫盤，操作工作量大，清理難度大。解決方案應(yīng)該朝能夠快速脫盤和粉碎后再進(jìn)行干燥的方向發(fā)展，才能徹底解決這個(gè)問題。