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干燥技术的革新及未来发展趋势 作者：A.S.Mujumdar
第2章干燥技术发展现状由于干燥是一项起源于史前的操作，人们一般不会把它和创新联系起来。因为各种需要干燥的产品都可以利用现有技术进行干燥，所以对于行业外人士来说，很难理解对干燥及脱水技术进行创新及研发的必要性。据报道，干燥能够吸引的研发资源相当低，与其他生物分离技术相比，在经济规模上大约要低一个数量级。然而，有趣的是美国专利局每年有250余项标题中含有干燥机、干燥技术等专利公布。而诸如膜分离、结晶、吸附、蒸馏等单元操作每年公布的专利数量仅有干燥操作的1/10或更少。显然，以目前已发所表的文献数量衡量，工业上对干燥技术的兴趣与学术研究活动联系不大。本文定义了创新及其类型，论证了对干燥技术进行创新的必要性，阐述了典型的干燥技术所共有的特征。对于新技术来说，仅仅形 叫掠笔遣还坏模剐枰诩际跎峡尚校⒈认钟?的干燥技术更经济。212创新的类型及共有特征韦伯斯特（webster）字典中对创新的定义如下：① 新事物的引出；② 新思想、新方法、新设备。注意，这里没有使用更好的、高级的、先进的、经济的、高质量的等诸如此类的形容词来限定创新。然而在一般的概念中，我们并不因为某种创新观念的新颖或具有创意而对其产生兴趣，我们感兴趣的是这种创新所具有的经济性。因此用Howard和Guile的定义来代替上述定义更为合适：“以一个发明为开端的过程，伴随着该发明的发展，最终在市场上形成一种产品、方法或服务。”为了使其能够打入市场，创新必须具有经济性。创新的推动因素是什么？对于干燥技术，我想提出以下几点，其中至少一点以上的属性可以导致创新代替原有的产品、操作或方法：① 此前没有的制造、发明的产品或方法；② 比现在技术具有更高的生产率；③ 品质更好或品质控制更加可行，效果更好；④ 减少设备占用的环境空间；⑤ 操作更安全；⑥ 效率更好（使成本降低）；⑦ 总成本降低。对于生存周期比较短的工业产品或技术（例如一些电子或计算机产品，其半衰期往往小于一年），创新是至关重要的。而对于半衰期比较长的工业技术（例如10～20年，较典型的是干燥技术），创新出现的很缓慢，且不容易被接受。创新的管理依赖于其所处的阶段，其中包括：① 初期，价值来源于迅速的商业化；② 发展期，价值来自提高产量、技术及服务；③ 成熟期，价值来自逐步停止该技术及接纳更新的技术。需注意的是，为了公司的长远利益，当一项目前可行的技术在性能上达到其极限时，生产管理者必须适时地缩减直至停止生产。该规律适用于所有技术。文献中出现过大量有关创新过程基本面貌的研究。其中一种模型假定创新过程呈线性规律，从（a）自然规律的发现；（b）发明；直到（c）具有革命性及划时代意义的技术在所依赖的物理或化学规律发现之前就已经有了很好的发展。我相信真正的创新是非线性的，甚至是混乱、无序的，反复试验，甚至还包括偶然发现的过程。因此尽管可以鼓励创造或试图克服创造中遇到的障碍，但从逻辑意义上讲创新是困难的。可以说创新的事物各具不同的特性，以下列出了创新通常具有的品质特性：① 创新建立一种全新的产品类型；② 创新是现存的产品种类的第一种；③ 创新代表现存技术的重大改进；④ 创新是现在产品、工艺的适度改进。创新激发革命性或进化性的技术变革，从经验看来，后者更为常见。它们通常具有合理的设计，酝酿期短，能迅速进入市场，并且最典型的是市场推动的结果。它们通常符合创新过程的线性模型（例如占有统治地位的设计的合理改进）。相反地，革命性的创新很少，而且与其相差很远，具有较长的酝酿期，并且可能具有更大的市场潜力，通常是技术推动导致的结果。即新技术的发展导致新产品的出现，其市场有待开拓。这种创新更具风险性，并且需要大量的研发经费及市场拓展投入。一些新技术从观念的形成到进入市场需要很长一段时间，众所周知直升机的概念形成于第一架直升机问世500多年之前。利用过热蒸汽作为干燥介质的想法在100多年前就已广为宣传，其在商业领域的真正应用仅仅是50多年前的事。事实上，人们直到现在也不能完全理解该技术。具有长期酝酿阶段的最近的例子是Jukka Lehinen博士为芬兰Valmet Oy提出并发展的用于高湿度纸板的condebeit干燥技术，该技术在首次成功投入使用之前经过了整整20多年的努力及大量的研究设计，这就要求组织经营者具有长远的眼光。很自然的，要预计一项创新技术是否可行，甚至估计市场需求的最佳时期及成熟技术替代需要的时间。著名的Foster S-曲线给出了产品或技术的性能与发展有关技术所投入的资源之间的关系，它是完成上文提到任务的有效工具。当一项技术达到成熟时，无论投入多少力量进行研发都不能使得该技术得到提高，此时就应该寻找替代技术。所谓替代技术，不是对原有的占统治地位技术的改进提高，而是确确实实的新观念。该技术一旦发挥出所具有的潜力，就会产生高于现有技术的性能水平。当一项技术被另一项替代时，性能资源曲线成对出现，这代表着技术替代的间断性以及工业上从一条曲线向另一条的转移，这一点已由Foster用实例进行了证明，见图2-1。213干燥技术创新实例因为要将干燥系统（包括预干燥操作例如脱水）当成整体考虑，本文也包括一些脱水技术的创新。由于篇幅有限，本节不可能包括所有提到的干燥机的结构简图。这里只介绍其创新的方面，应该指出，本节的重点是创新而不是具体的干燥机。表2-1 为经过技术推动与市场牵引而出现的干燥技术实例。图2-1Foster的S-曲线表2-1经过技术推动与市场牵引而出现的干燥技术实例推动技术①市场牵引②微波、射频、感应、超声波干燥 过热蒸汽干燥——提高热效率、提高产品品质、减少设备占地面积、安全可靠脉动燃烧干燥——最初用来产生推进力，用在燃烧领域的脉动燃烧技术 冲击流干燥——纸张的Condebelt干燥之后（也需要技术推动）振动干燥机——最初用于固体输送 喷雾——流化床组合干燥机，提高喷雾干燥的经济性冲击流干燥——最初用于混合、燃烧领域 间歇式干燥——提高效率① 起初为其他应用而发展的技术应用于干燥领域；② 为了迎合现有的或未来的市场需求而发展的技术。2131机械脱水为了降低干燥机的热负荷，减少湿物料的湿含量是很重要的。通常该操作是由真空或压力过滤器、澄清池或离心分离器等进行的。对于胶质物料，例如纸厂的废液、食品加工过程中的废弃物、煤矿或油田中的残渣等，由于所包含的分子直径较小（≤5μm），脱水比较困难。近年来，由于技术的推动和市场的拉动，下述新型工艺得到了成功的发展。① 电渗透脱水（EOD）——将直流电场用于胶质悬浮液中；② 间断式电渗透脱水——通过将电极短路，周期性地中断能量供给。原理上该方法比持续式更有效；③ 真空过滤与电渗透脱水相结合——包括连续式与间断式；④ 组合脱水——电渗透加超声；⑤ 辅助振动式微过滤脱水技术——比交叉流过滤技术更好。2132干燥方法脱水当上述一些创新观念被成功地推向市场时，依然存在改进与进一步开发的潜力。这些方法中有的可以与间歇式干燥机组合，类似于常规的Nastch过滤器或组合式的过滤干燥机。过滤干燥机为间歇式操作单元，不需要将所处理物料从一处移向另一处，可以避免潜在的污染——这一点对医药工业尤其具有吸引力。能与干燥过程组合的新的脱水技术可以产生整体的综合效益。① 流化床干燥机由于在干燥能够流化的颗粒物料时具有很多优点，流化床干燥机在过去30年中得到了广泛发展。如今已开发出大量流化床干燥机的衍化形式，不仅可以用于颗粒物料，也可以用于浆状或膏糊状物料、连续织物和片状物料。不能流化的大型薄片物料可以浸在由小的可流化的微粒形成的流化床层中进行干燥，很多用户对流化床干燥机的这些创新与改进似乎还没有足够的认识。有趣的是，在一段时间内只使一部分颗粒流化可以节省大量能耗，例如脉动流化床。在间歇式流化干燥中，通过调整热量输入以保持床层温度恒定的控制过程，可以提出高热敏性产品的质量并节约能量与时间，这样一种基于模糊控制的干燥机已进入市场。② 喷动床干燥机喷动床干燥机本质上是流化床干燥机用于大颗粒物料（例如谷物、豆类等）的改进形式，其特征是具有内部再循环运动及顶部自由表面的喷动。颗粒运动是有规则的，而不像流化床中的杂乱无章（自由的）。有些专著中介绍过不同的喷动床干燥机，它们不仅可以用来干燥大颗粒物料，也可以用于浆状及膏糊状物料。使用内部管道、二维设计和机械喷动，有可能消除或避免传统的轴向喷动床干燥机的一些缺点。这是一些还没有被充分利用的简单设备。值得一提的是，对于热质传递主要由内部阻力控制的颗粒物料，利用间歇加热的喷动气流或间歇喷动可以降低能耗，并有可能提高质量。这在旋转喷动床中已经实现。③ 射流冲击干燥机射流冲击干燥机是提供表面热、质对流传递最佳的结构。选择合适的喷嘴几何参数（结构参数）及操作条件（工艺参数）对实现最优化设计是很重要的。射流冲击干燥可用于纸张、照相胶片、纺织品、衣料、胶合板等广泛的工业领域，有时射流冲击干燥可与红外热源相结合。对于某些物料（如纺织品、双面铜版纸、纸浆薄片等），物料两面都能承受喷射冲击气流，实现无接触干燥。射流冲击干燥也可用于在传输带上借流化床层以干燥颗粒状或碎片状物料。为了进一步提高干燥速率，寻找新的途径提高传统射流冲击的传热速率是很重要的。其中一种方法是附加一个圈以使流向管状喷嘴的喷射气流在出口处产生振动及涡流，这样一种所谓的半振动射流冲击喷嘴（SOJIN）已被证明能显著提高传热速率。尽管确实是技术推动的创新产物，此概念在干燥上的应用还未见报道。使用气体——颗粒射流冲击也被证明能显著增强冲击传热。④ 纸张的干燥纸张干燥技术，其中包括传统型的与替代型的。然而现在仍然需要先进的纸张干燥技术来代替已有百年历史的多级滚筒干燥机。芬兰Tampella-Valmet研制的用于纸板干燥的Condebelt干燥机已在芬兰和韩国成功实现商业化。过热蒸汽干燥纸张的想法最初提出于1981年，并由作者进行了初步验证，然而直到目前，该技术用于工业化生产的可行性仍需要验证。在射流冲击的过热蒸汽中，干燥的纸张能生产较好的力学特性，特别是对于机械纸浆（也就是具有较低的木质素）。机械纸浆就是所谓的高产量纸浆，因为每吨木材生产该纸浆的产量较高。化学纸浆产量低，并且污染严重，也就是说对环境影响严重。因此，通过利用过热蒸汽干燥，只需少量的化学纸浆就可以生产出机械强度很高的新闻用纸。蒸汽干燥纸张不仅可以节约能源，而且可以节约资源，但是这将使干燥机的结构设计与操作复杂化。由于造纸机械需要大量的资金，很难将一种全新的干燥技术用于大规模的生产。新型干燥技术工业化的最初试验可以在生产特殊用途纸张的机器上进行，而不是生产诸如新闻用纸、棉纸等日用品的设备上，尽管它们成功配置的潜在收益是极大的。因为应用新技术存在着很高的风险，没有人愿意做第一次尝试，这是一个两难的问题。⑤ 回转圆筒干燥机回转圆筒干燥机是很多工业生产中用于大处理量的大负荷设备。这种设备投入大，效益低，但弹性大。在旋转外壳内插入蒸汽管可以提高多级回转圆筒干燥机的热效率。然而一段时间以来，这种干燥技术没有什么真正的创新。最近，日本东京Yamoto Sankyo Mfg公司取得了一项回转圆筒干燥机专利，设计较为简单：干燥气流由许多从中心管分出的支管注入旋转回转圆筒携带的物料层中。其热质传递速率提高了近两倍，并且具有尺寸小、结构简单、成本低等优点。然而这种干燥机并不能适用于通常由多级回转圆筒干燥机处理的所有物料。但在可行的情况下，相似的操作条件，Yamoto的设计可以减少一半设备容积。这是该回转圆筒干燥机创新思维的一个主要优点。⑥ 冲击流干燥机由两股湍动的空气或空气——粒子流相互冲击流动形成的冲击区域，非常有利于提高热质传递速率。这也是粉碎、雾化或使颗粒物料分散的区域。大颗粒物料由于惯性较大，可以在气流冲击区停留较长的时间。冲击流是用于微粒状、糊状或浆状物料的闪蒸干燥的理想介质。冲击区可以分成几个阶段以达到要求的最终湿含量。通过计算流体力学模型和Monte Carlo仿真技术，验证了一种利用过热蒸汽作为干燥介质的新型二维冲击流干燥机。在假设降速段干燥动力学能量定律模型下，在数值上验证了过热度、操作压力和喷射雷诺数的影响。制定了用于描述分散式干燥机特点的新标准。尽管从物理上，计算结果似乎是合理的，但仍需要进行试验确认。模型预测了颗粒湿含量与停留时间的分布函 Ｓ捎谛枰罅考扑慊诵惺?间，假设物料毕渥数很小，且Eulerian-Lagrangian仿真追踪的最大物料颗粒数限制在2000以内。由于在该领域，大部分实验室及中试工作是在前苏联进行的，世界上其他国家与地区还没有商业化的冲击流干燥机供应商。一旦规模化问题得到解决，冲击流干燥机具有极大的潜力取代传统的闪蒸干燥机。⑦ 纺织品的Rermaflam干燥到目前为止，这是最奇异、最创新的干燥方法，通过使燃料和可蒸发的液体（水）混合，在需要能量处以可控方式燃烧，干燥高效迅速。这种干燥机是一种高效的燃烧室（600℃），织物在其中停留的时间恰好等于完全干燥所需的时间。34%的甲醇水溶液是理想的能够完成符合干燥要求的用于燃烧的燃料——水混合物。遗憾的是，这种技术并不能适用于其他许多产品。使用乙醇作为燃料还具有无污染燃烧、有利于环境的优点。制造商指出的其他优点是：a减少占地空间（约1m长）；b易于清理和维护；c没有过干燥引起的能量损耗；d能耗不受织物宽度的影响；e全自动控制，操作安全。该技术主要受甲醇价格的浮动、特殊的运行维护、甲醇的处理和储藏、不适于干燥编织物料以及织物速度受限、可能生产噪声和熔边等问题的限制。然而，只在需要蒸发水分的地方生成热量的想法还没有被广泛应用。⑧ 喷雾干燥机如今大约有20000多套喷雾干燥设备用于世界各地。因此该技术通常被认为是一项成熟的技术。但仍然有很大的改进余地，尤其是在以下方面：a更高的生产率（利用多级设计）；b颗粒大小分布更均匀——由喷雾器的设计决定；c粉末的收集——在干燥室内更可取；d减少或消除粘壁现象，因为粘壁会导致火灾、增加停机时间、提高维护费用；e利用现代计算流体动力学进行优化设计。有人比较了用于干燥乳状聚氯乙烯，生产能力为1600kg/h，分别使用转盘式、常规双流体喷嘴和新型音速双流体喷嘴（Shah和Arora，1996年）的喷雾干燥机的特性。显而易见，音速喷嘴较优越，因为它可以减小干燥室，降低雾化能耗和颗粒均匀等优点。最近，超声波喷嘴被尝试用于低压喷雾室中以处理价格较高、低产量的产品（如药剂、生物制剂）。生产率较高时，使用二级或三级喷雾干燥机最经济。在最后一级（流化床或振动床）也可以使产品造粒或结块，使之易于处理，提高复水性等。为了减少干燥系统的占地面积并尽量将粉尘全部收集在喷雾室内，Niro A/S公司在干燥室内接近干燥机顶部处引入了整体式的微机的喷雾干燥机，顶部装有过滤器。对传统与装有整体过滤器的新型系统的结构设计进行了比较。设计新的能够降低能耗（例如低转速的盘式雾化器）或能使液滴更均匀（例如音速或超音速喷嘴）的雾化器对提高喷雾干燥技术是很重要的。由于在真空下操作或使用热蒸汽能使产品具有一些独特的特性，这些技术在喷雾干燥中也能被适当应用。最终，以喷雾干燥作为第一级来去除表面水分和颗粒表面粘性以及控制产品的大小与形状，后接低成本的干燥机如流化床、振动床等进行循环输送干燥的多级操作无疑将逐步普及起来。⑨ 间歇式干燥机间歇式干燥机通常用于干燥小批量或干燥时间很长的情况（几个小时、几天甚至几个月，例如在某些木材的干燥中）。它们应用在医药工业中，通常就属于上面的第一种情况；而用于木材工业以及医药和生物技术工业中的超热敏性物料的冷冻干燥，则属于第二种情况。一些干燥机既能间歇操作，也能连续操作，例如流化床。另一方面，大多数连续式干燥机不能以间歇方式运行，例如喷雾干燥机、回转圆筒干燥机、闪蒸干燥机等,可用于间歇干燥的干燥机很有限。最近发展的间歇式干燥技术有：① 将过滤与干燥组合在一个单元中，例如，Nutsch干燥机用于医药工作，可减小湿物料在从过滤器向干燥机输送过程中被污染的可能。② 使用间歇式和/或适时控制的干燥技术，例如改变干燥气流的温度或速度随时间的变化以符合瞬时干燥动力学的要求。在恒速干燥段，干燥气流的温度要以取较高的初始值，而当表面水分被除去达到临界水分时，应适当降低气流的温度。对于热敏性物料，随着湿含量的降低逐步减少热量输入，可以确保在干燥过程中产品温度不会超过特定的允许值。关于利用可变气流温度、气流速度、干燥室压力以及周期性供给其他的能源，例如微波或远红外辐射的间歇干燥方面的大量研究有以文献中有报道。发展的可能性是无限的，惟一的限制是设计者的想象力。2133结束语上面本节概述了一些新型干燥工艺以及干燥技术的发展趋势。本文仅是例证性地列出了部分干燥技术，并不包括全部。明确了创新的一些共有特征。需要对新设想做更进一步的研发和评估。学术界和工业界的合作最有可能导致未来干燥和脱水技术的提高。大部分创新都是进步的，并由市场牵引力驱动。由技术推动的革命性创新将越来越少，因为这种创新的市场渗透较困难且难以预测。由于很多传统的干燥技术已经达到或接近成熟，在这些领域的进一步研发投入不会产生重大效益。应在对现在技术的理解之上，遵循新技术发展要求进行研发投资，这样，才有信心使投资规模化和最优化。这里虽然没有提到基础研究对提高干燥和干燥机基本理解的作用，但事实上它是确定和检验新的干燥设想以及干燥机设计的关键因素。如果能够建立既考虑传递现象，又能预测产品品质的数学模型，它将成为对开发新型干燥机很有价值的工程设计工具。同时，在实验室进行试验，如果成功，还要进行中试试验以验证新的干燥设想是很有必要的。工业界愿意承担一定的风险，这对未来十年新型干燥技术的发展是非常必要的。
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| • 全球干燥技术的研究与进展 A.S.Mujumdar |
| • CPE干燥工艺与技术的研究 |
| • 组合干燥的特点和优越性 |
| • 粉煤流化床气化炉的开发应用 |
| • 木材干燥的国内外现状与发展趋势（2） |
| • 加入WTO对我国干燥行业的影响 作者：刘广文 |
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