CN101769671B - 用膜分离器脱除物料中湿份的干燥方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于物料干燥技术领域，具体为一种用膜分离器脱除物料中湿份的干燥方法及其装置。本发明在含有湿份、挥发份和工质的物料的干燥空间里安装膜分离器。使用真空泵通过膜分离器渗透侧不断抽取湿份、挥发份，抽出的少量工质和大量湿份经分离后所得的干燥工质返回干燥系统，而流经膜分离器滞留侧的干燥工质存留在干燥系统内。本发明解决了现有干燥过程中大量外排热工质而引起的能源消耗大、干燥效率低下、污染环境等问题。

Description

用膜分离器脱除物料中湿份的干燥方法及其装置

技术领域

本发明属于物料干燥技术领域，具体涉及一种脱除物料中含有的湿份的干燥方法，以及基于此方法的干燥装置。 

背景技术

干燥技术目前广泛应用于化工、食品、纺织、建材、冶金等行业，是常见的化工过程单元技术，干燥是作为工业生产中的重要过程之一，它直接影响到产品的性能、形态、质量以及干燥过程的能耗等。 

常规的干燥过程一般需要对物料加热到一定的较高温度，随着温度的上升过程，物料中将扩散出的湿份以及可能存在的挥发份，这些湿份或者溢出的挥发份存在于气相中通常具有一个饱和蒸汽压，本专业的技术人员会了解，这个蒸汽压的存在如果不能及时降低，将会降低湿份或者挥发份的溢出速率，因此，常规干燥过程的一个重要特征是将这些湿份以及挥发份及时的移出待干燥物料的干燥环境，一般的方法有采用强制对流通风或者比如减压蒸馏法，将气相中的饱和蒸汽压降低，而且，采取这些措施的同时，直接连同干燥工质(典型的如空气介质、氮气保护介质)被一起直接排到大气环境中，因此，这种简单的干燥过程存在着湿份、挥发份、工质没有回收的缺点，而且，因为排出的工质带走了大量的热能，工质与热能的大量浪费由此造成干燥效率低下、能耗高以及污染环境等问题。 

在食品、生物制品等特定组分物料，尤其是一些热敏及湿敏性物料脱水干燥过程中，非常需要一种接近常温的干燥方法，以使得干燥过程不损失这些特定组分，如营养成分、生物活性物质、有益细菌等等有效成分和理化性能不受到干燥加热过程的破坏； 

工业上有采用的一种接近常温的干燥过程，如真空冷冻干燥，减压蒸馏等等，对特定物料组分而言，尽管这种方式具有对物料组织无收缩、营养成分损失少、原色原味、复水性好等优点，但由于其系统结构复杂、投资大、冷冻工艺时间长、能耗高、费用高、操作复杂，致使产品成本过高而无法大规模推广； 

中国专利CN2424431Y披露了一种吸附式旋转干燥机，在其描述的接近常温的干燥过程中，综合运用吸附除湿与冷冻除湿技术，提供超低露点气流既可对热敏性物料低温脱水分离，又可应用于一切有湿度要求的领域，较好的解决了现有技术存在的不足，但是其对工质热能的回收利用以及回收挥发份缺乏有效的解决方法； 

中国专利CN1872991A披露了一种低温喷雾干燥方法，提供一种制造含活性物质的组 合物的低温喷雾干燥的方法，其在空气注入口注入温度为20℃至50℃的空气及空气湿度为5％至15％的喷雾干燥装置中，通过不断注入的较低温度的干燥的空气喷雾干燥物料，以获致干燥粉末，使干燥后可获得至少50％活性的活性物质，显然，该方法没有提出循环工质，更没有回收可能的挥发份，其能源消耗仍然在一个较高的水平； 

膜分离技术是20世纪中期发展起来的一种高新技术，工业化始于20世纪40年代，气体膜分离技术是利用渗透的原理，即分子通过膜向化学势降低的方向运动，首先运动至膜的外表面层上，并溶解于膜中，然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸，其推动力为膜两侧的该气体分压差，由于混合气体中不同组分的气体通过膜时的速度不同，从而达到气体分离\回收提纯气体的目的。 

在应用于气体干燥的膜分离方法中，典型的有应用有天然气脱湿、压缩空气干燥，针对物料干燥过程鲜有描述，如中国专利CN 1714917A公开了一种中空纤维隔膜空气干燥器，它利用中空纤维膜分离空气与水蒸气，并设置了可切换的真空抽取除湿单元和水蒸气清除除湿单元来保证系统工作的持续性。但是，本专业的技术人员会了解，自该方法提及的装置中，空气通过膜丝内进入，显然，针对压缩空气的处理比较合适，因为，中空纤维膜具有通常超过30KPa(表压)的气流阻力，针对规模化的需要大量工质循环的工业化常压操作的干燥过程此方案很难得以应用，此外，方法并没有说明抽出气体的处理方法，湿份与可能的少量挥发份的回收，以及工质带走的热能的回收也未加提及。 

发明内容

鉴于以上情况，本发明的目的在于提出一种在接近常温下操作的可有效分离物料中湿份、挥发份的基于膜分离的干燥方法。 

本发明的目的还在于利用低品位热能，并且，最大限度回收干燥过程中工质带走热能的节能型膜分离干燥方法。 

本发明的目的还在于利用一个有效的装置分离工质与湿份、挥发份，以减少干燥过程对环境的污染或者回收可利用的湿份、挥发份。 

本发明中，所谓湿分、挥发份所指为水蒸汽或其它较易渗透的挥发性物质； 

本发明中，所谓工质，为工作介质的简称，所指为：空气、氮气或其它干燥过程中无相变的气体； 

本发明中，膜分离进行干燥的核心是薄膜分离器，通常，一个典型的膜分离器内安装有膜分离材料，拥有巨大的分离面积，形式有中空纤维膜、板式膜、螺旋式膜分离器。对绝大部分有机膜来说，气态水是最快速透过的介质之一，其次有各种有机蒸汽、二氧化碳等等。本发明应用于湿份分离的有机膜分离材料其分离的α(阿尔法)值一般在50～5000 之间，α即所谓工质与气态水之间的选择性，也即是膜分离材料对气态水/工质(典型的如空气、氮气)的渗透量之比，这些膜分离材料的使用温度，通常一个能维持长期性能的工作温度大部分在0～65℃。在一个完整的膜分离过程中，气体进入膜分离器后被分成了两种介质，一个是滞留侧输出的混合气，一个是渗透侧输出的混合气，对于一个含有湿份的工质为空气的干燥系统而言，进入膜分离器进行干燥的是湿份+空气，而在通过膜分离器后，自渗透侧输出富含湿份的空气，而在滞留侧输出带有少量湿份的空气，显然，对于空气干燥过程很容易选择一种合适的膜分离材料用于膜分离方法对物料在接近常温下干燥。 

本发明利用不同类型的膜材料对水份、挥发份与工质如空气组分之间“溶解-扩散”的差异，实现干燥过程中不同气体在一定条件下的有效分离；通常，膜分离器分成正压侧与负压侧，如果不断的将膜分离材料表面的正压侧循环通过水份、挥发份与工质的混合气，而在膜的另外一侧也即负压侧加载真空抽吸动力，不断的将通过膜分离器形成的渗透气抽走，典型的是富含湿份与挥发份的混合物，这一过程基本接近于常温下进行，典型的如0～65℃之间； 

本发明的膜分离干燥系统的实质是采用相应的膜材料实现物料中湿分、挥发份与工质，典型的如空气、氮气以10～3000∶1的比例排出，而且，基本完全回收工质以及其附带的能量与湿分加以循环利用。 

本发明以空气或氮气或其他干燥过程无相变的气体为工质，以排除水蒸汽或其它较易渗透的挥发性物质为目的常规干燥。利用湿份和工质透过膜的速率的差异，在快速排除系统内湿份的同时，尽可能少的排出热工质，而热工质在系统内的滞留，不仅起到了节约能源的目的，也减少了热空气的外排对周围环境的影响。 

随着各种膜材料的开发与应用，膜法分离脱除干燥技术适用干燥工质的种类越来越宽，针对挥发份的回收或者降低污染正被人们所重视，对于一些工质不宜外排和严格控制排放的行业，选用不同种类的膜对系统组分加以分离与回收，此特点显然在化工、医药、农药等行业具有优越性。 

本发明所需设施设备少，体积小、结构简便、适用范围宽，几乎适用对各种传统的干燥工艺过程改造，只需要在原干燥系统的基础上加载一套相应的膜系统即可。 

本发明以膜分离技术为基础，结合不同个行业的特性，结合干燥各个阶段的特点，以先进的膜分离技术对物料中湿分与工质分离获取快速节能干燥过程，与传统干燥技术比较，可实现50％以上的节能以及节省一倍的干燥时间。 

本发明提出的干燥方法，是在物料干燥环境中工质与湿份、挥发份之间有效分离的膜 分离方法，具体的，是利用具有选择性透过的膜组件，优选如中国专利CN2813581Y结构形式的板式膜分离器，所不同的是将富氧膜换成具有工质与湿份、挥发份之间有效分离的膜分离材料，根据工质与湿份、挥发份在膜组件上的透过性能的不同，本发明采用下述方法来分离工质、湿份、挥发份等多组分混合流体，从而实现物料干燥： 

1)膜分离器直接安装在充满湿份、挥发份和工质的物料干燥箱或者一个基本封闭的干燥环境内部，在其中，湿份、挥发份因待干燥的物料经过加热系统被加热而不断扩散到工质中，进而形成充满富含湿份、挥发份的高湿蒸汽；这里，加热可利用余热、废热、太阳能等低品味热能；加热温度可以从冰点以上，95℃以下； 

2)优选但非必要以强制通风手段将湿份、挥发份和工质的混合气体不断的通过膜分离器膜分离材料的表面，也即膜分离材料的“正压侧”； 

3)对膜分离器膜分离材料的低压侧施加真空抽吸力，因膜分离器中膜分离材料两侧不同的压力差或压力比，湿份、挥发份在此作用下不断的选择性透过膜材料进入负压侧被移出，物料干燥的基本过程(降低了气相的蒸汽压)得以维系； 

4)与此同时，至少脱除了部分湿份、挥发份的工质的气体混合物继续循环留在干燥环境内部继续参与干燥，经优选但非必要的强制通风手段将此至少已经脱除了部分湿份、挥发份的工质的混合气体继续不断的通过膜分离器膜分离材料的表面进行循环分离； 

5)经上述连续的分离过程，工质与其附带的大部分热能被保留在干燥环境内部循环流动经过膜分离材料表面，而富集了湿份、挥发份以及少量的工质的混合气则连续通过真空泵被输出到后续的气液分离器或者其它形式的分离器被收集或回收，典型的，如分离水份为目的的冷凝器，分离挥发份为目的的压缩冷凝器，经此分离后的工质可以根据需要经非必要的加热后返回物料干燥环境内； 

6)重复上述步骤。 

作为一个非优选的方法，膜分离器也可以安装在基本封闭的干燥环境外部，以强制对流风扇引导干燥环境内部的富含湿份、挥发份和工质的混合气进入膜分离器的原料气入口，干燥后的空气自膜分离器的滞留侧出口返回基本封闭的干燥环境内，其中，为了回收工质附带的能量(热能)，以公知技术的保温措施等对输送过程进行保温； 

待干燥物料是固体、液体、气体中的任意1种或几种的混合物； 

干燥过程中被脱除的湿份可以是水蒸汽或其它较易渗透的挥发性物质。 

相应上述干燥方法的装置如下： 

1)至少一个相对封闭的干燥空间，该干燥空间内用于储存待干燥物料； 

2)至少一种加热、换热系统，优选利用低品位热能的加热系统； 

3)至少一个膜分离器，它具有滞留侧出口与渗透侧出口，用于分离物料干燥空间中的湿份和工质； 

4)至少一个真空泵，以及连接膜分离器渗透侧与真空泵入口的管线，用于提供膜分离器渗透侧的真空动力； 

5)至少一个气液分离器，以及连接真空泵与气液分离器入口的管线，用于分离真空泵抽出的湿份和工质； 

6)一个湿份收集器，以及连接气液分离器液相出口的管线，用于收集分离出来的湿份； 

7)气液分离器至干燥空间的工质循环返回管线； 

8)强制通风风扇，用于推进气体循环流动。 

附图说明

图1是一个膜分离方法干燥装置示意图。 

图2是一个膜分离器结构示意图。 

图3是一个非必要的强制对流风扇示意图。 

图4是一个真空泵示意图。 

图5是一个气液分离器示意图。 

图中标号：1干燥空间，2待干燥物料，3湿份、挥发份，4工质，5膜分离器，6真空泵，7分离器，8收集装置，5-1膜正压侧，5-2膜负压侧，6-1，7-1，7-2管线，9湿份和工质进入口，10富湿份气体出口，11膜分离器，12强制通风风扇，13富湿份气体入口，14富湿份气体出口，15湿份和工质入口，16工质出口，17冷凝湿份出口，18冷凝水入口，19冷凝水出口。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的上述内容作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以下的实例，凡基于本发明以上的内容所实现的技术均属于本发明的范围。 

本实施例以图1中描述的实施方案更详细地说明了本发明的新型膜分离方法干燥系统： 

在如图1的干燥系统中，1是相对封闭的干燥空间，2是待干燥的物料，3是自物料中逸出的湿份、挥发份，4是充满在干燥环境中的工质，5是安装在相对封闭的干燥环境中的膜分离器，6是一个连接到膜分离器5渗透侧出口的真空泵，7是一个可以分离工质与湿份、挥发份的分离器，典型的如汽水分离器，8是经冷凝或压缩后成液态的湿份、挥发份的收集装置。

一个典型的物料干燥过程如下： 

1、待干燥物料2经加热到如典型的30～60℃，湿份与挥发份因受热不断的逸出到空间1，加热过程通常可利用工业余热、废热、太阳能、沼气等低品位热能； 

2、在空间1，因不断逸出的湿份与挥发份充满整个空间，与工质(典型的，如空气或者氮气)混合成为一种多元组分的混合气体，在强制对流风扇AB01的作用下进入膜分离器5的原料气入口A0，在膜分离器内，湿份、挥发份在膜分离材料的正压侧5-1流过，因较工质(典型的，如空气或者氮气)较容易透过膜分离材料，不断的溶解、渗透、扩散到膜分离材料的负压侧5-2富集到膜分离器的渗透侧出口A1，经与真空泵6连接的管线5-3以及真空泵出口到分离器7的管线6-1送入分离器7，其中，该富集的气体是富集的湿份、挥发份以及少量工质4-2；与此同时，流经膜分离材料的正压侧的少量湿份、挥发份3-1与大量工质4-1因未曾透过膜分离材料而在膜分离器5的滞留侧出口A2排出，继续返回到空间1。 

3、自真空泵抽出的湿份、挥发份以及少量工质进入分离器7后被分成两路，一路是因冷凝或者压缩后冷凝变成液态的湿份、挥发份进入收集装置8收集；另一路是与湿份、挥发份分离了的有价值的工质(典型的，如果工质是氮气等较为昂贵的气体或者，大量工质附带有可观的热能，则被认为是有价值的工质)，根据需要，则可选择性的以管线7-1送回到空间1，如果附带有热能，则可优选以比如保温管线送回； 

4、就这样，连续进行的膜分离过程，不断的将富集的湿份与挥发份经过膜分离分离并排出空间1，加速了物料2中湿份与挥发份的逸出而被干燥； 

综上，通过本发明所述方法，加载膜分离方法的干燥装置使得接近常温的物料干燥过程得以实现具有重大意义； 

更值得特别提出的是，利用膜对干燥系统内气体组分有选择性的透过，以最少的设备和设施、最简洁的工艺，实现干燥过程要求的物料湿份以最低能耗的快速脱除，同时可完全回收湿份与循环利用工质，避免了因工质和湿份排放而导致的能源消耗和环境污染，作为一种环保、快速节能的干燥新技术，与现阶段比较先进的热泵干燥、循环固定床、流化床干燥技术比较，由于其显著的节能效果和快速的干燥速度，可广泛应用于多个行业，必将在国内外高能耗行业中显示出巨大的经济效益。 

还有，针对已建设完成的干燥装置进行改造往往需要耗费大量的资金，这种新的干燥燥 方法，既能够满足目前的使用要求，又能够实现对已有装置经济有效的改造。 

因此，本发明： 

1)拓展了膜法干燥技术在不同行业的应用 

采用膜分离技术，可高效分离工质中的湿分，降低工作介质露点，促进干燥的进行。采用膜分离脱除干燥技术，可与良好干燥工质以及可再生能源结合应用于干燥过程，构建生态干燥体系，使加载了此项技术的传统干燥过程更简单、更容易操作。 

2)极大的节能效果 

膜分离方法干燥技术可带来可观的节能效果，比较常规的干燥技术可节约能源20～50％以上，该项技术的应用，可缓解我国能源紧张形式，为中国的长期能源政策起到积极的作用； 

3)高效利用资源 

与传统的干燥技术比较，本发明在整个干燥过程中，对系统湿份的及时排出和和对全部热工质的回收，使得干燥系统具有更高的热效率和更好的经济性。针对不同行业的特点和相关的行业要求，采用低品位热能进行干燥变得简单； 

4)市场广阔、适应性强、前景乐观 

本发明投资费用小、运行费用低，传统干燥工艺过程相比，成本低廉，效益可观，具有广阔的市场前景，可广泛应用于化工、冶金建材、粮食、医药等行业。 

Claims (6)

1.一种用膜分离器脱除物料中湿份的干燥方法，其特征在于具体步骤如下：

1)膜分离器直接安装在充满工质的一个基本封闭的物料干燥空间内部，在该干燥空间中，湿份、挥发份因待干燥的物料经过加热系统加热而不断扩散到工质中，进而形成充满富含湿份、挥发份的高湿蒸汽；

2)以强制通风风扇将湿份、挥发份与工质的混合气送入膜分离器中膜分离材料的正压侧；

3)对膜分离器膜分离材料的负压侧施加真空抽吸力，正压侧的湿份、挥发份在此作用下不断的选择性透过膜分离材料进入负压侧；

4)正压侧至少脱除了部分湿份、挥发份的工质的气体混合物循环至干燥空间内部，与干燥空间内的气体混合后，经强制通风风扇，再次送入膜分离器中膜分离材料正压侧；

5)负压侧富集了湿份、挥发份以及少量的工质的混合气则通过真空泵被输出到后续的气液分离器或者其它形式的分离器被收集或回收，经此分离后的工质根据需要经加热后返回物料干燥环境内；

6)重复上述2-5中的过程。

2.按照权利要求1所述的干燥方法，其特征在于：干燥过程中循环的工质是空气、氮气或其它干燥过程中无相变的气体。

3.按照权利要求1所述的干燥方法，具体特征在于所述膜分离器的α为50～5000。

4.按照权利要求1所述的干燥方法，其特征在于干燥过程的温度为0～65℃。

5.一种用于权利要求1所述干燥方法的装置，其特征在于该装置包括：

1)至少一个相对封闭的干燥空间，该干燥空间内用于储存待干燥物料；

2)至少一种加热或换热系统；

3)至少一个膜分离器，它具有滞留侧出口与渗透侧出口，用于分离物料干燥空间中的湿份和工质；

4)至少一个真空泵，以及连接膜分离器渗透侧与真空泵入口的管线，用于提供膜分离器渗透侧的真空动力；

5)至少一个气液分离器，以及连接真空泵与气液分离器入口的管线，用于分离真空泵抽出的湿份和工质；

6)一个湿份收集器，以及连接气液分离器液相出口的管线，用于收集分离出来的湿份；

7)气液分离器至干燥空间的工质循环返回管线；

8)强制通风风扇，用于推进气体循环流动。

6.按照权利要求5所述地干燥装置，其特征在于所述加热系统将物料加热到冰点以上，95℃以下。

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