CN102080922A - 一种固体物料干燥方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效节能环保的固体物料干燥方法及系统，通过结合膜法分离湿空气技术和真空机械式蒸汽再压缩技术建立了一种新型的固体物料干燥方法及系统。系统由干燥室、湿空气分离装置、加热加压装置、空气加热器、水箱、补充蒸汽管道及其他管道组成干燥循环，其在常压下对物料进行干燥，干燥介质为高温干燥空气，系统完全回收蒸发水蒸气潜热，大大降低了能耗。整个蒸发干燥过程为全封闭式循环，系统运行稳定，较传统干燥方法能有效提高产品质量，从而提高经济效益。并且其传热性能大大优于真空干燥，加速了干燥速度，缩短了干燥周期。本发明的特点为设备简单，产品质量高，系统运行高效，无废气物排放，尤其能耗低。

Description

一种固体物料干燥方法及系统

技术领域

本发明涉及一种物料干燥方法及系统，如食品干燥，包括水产品、水果、蔬菜或粮食等，以及木材干燥，废物垃圾干燥等固体物料的蒸发干燥。

背景技术

目前，对于食品、木材等固体物料的干燥所采用的方法，大体包括自然通风干燥、日光干燥、热风干燥、热泵干燥、真空冷冻干燥、和微波干燥等，也有采用两种或多种干燥方法相结合的联合干燥方法。上述这些方法都有各自的优点和缺陷。下面介绍近年来应用较多且比较有发展前景的几种干燥方法。

热风干燥：热风干燥是用加热后的空气做媒介，将物料进行加热促进水的蒸发，同时将物料表面水分去除的干燥方法。热风干燥设备投资少，适应性强，操作控制简单，卫生条件较好。由于热风干燥是由外向内逐渐将水产品加热，必须建立和保持一定的温度梯度才能保证水分由内向外的扩散。所以热风温度是影响水产品热风干燥速度的主要因素。但如果采取高温热风急速干燥，会产生表面干燥效应，使物料内部水分更难以扩散出来。因此，热风干燥法所需的干燥时间一般较长。

冷冻干燥：以食品为例，真空冷冻干燥是使食品在冻结状态下脱水，可以最大限度地保留食品原有的营养、味道和芳香，保持食品原来的形状和颜色，并抑制酶和细菌的生长。利用真空冷冻干燥技术可获得良好品质的食品干品。然而，由于真空冷冻干燥设备一次性投资大，干燥时间长，能耗大，因而加工成本高使得真空冷冻干燥技术在食品加工中的应用受到很大限制。

热泵干燥：除了节能的优点外，热泵的干燥温度易于控制在此温度范围内进行干燥，避免了水产品中不饱和脂肪酸的氧化和表面发黄，减少了蛋白质受热变性，物料变形，变色和呈味类物质的损失。因此，利用热泵干燥可获得品质良好的水产干制品。另外，因干燥物料在低温度的封闭系统内干燥，与外界没有气体交换，干燥过程中不受周围环境条件和大气温度的影响，减少了污染，有效避免了细菌的滋生，能获得符合食品卫生要求的水产干品。

微波干燥：微波干燥具有加热快且均匀，选择性好，含水率较高的区域加热较快，反应灵敏，便于控制和能源利用率高。以微波作为最终干燥手段缩短了干燥周期，同时提高了产品质量，然而单纯利用微波干燥容易出现边缘或尖角部分焦化现象。同时微波干燥时干燥终点不易判别，容易产生干燥过度。

近年来，国际上开发出来的一种新型高效蒸发设备——MVR蒸发器。MVR即机械式蒸汽再压缩热泵(Mechanical VaporRecompression)。其工作原理是蒸发器产生的二次蒸汽经机械式热能压缩机作用后，温度提升5～8℃，返回用于蒸发器的加热热源，新鲜蒸汽仅用于补充热损失和补充进出料热焓，从而大幅度减低蒸发器对外来新鲜蒸汽的消耗。MVR技术由于其节能效果显著，在国外迅速发展，现已广泛使用，应用于工业废水处理及乳品、制糖、淀粉、海水淡化、盐化工等很多生产领域。MVR技术主要用于液体的蒸发浓缩，而很少用于固体物料的干燥。

在本发明完成之前，尚未见到采用与本发明相同的干燥方法应用于工业生产及生活中，也未见到与本发明相同的干燥方法及采用本发明相同的干燥方法加工干燥物料在文献中有记载。

发明内容

鉴于上述情况，本发明人综合了上述几种干燥方法的缺陷，经过长期研究建立了结合膜法分离湿空气技术和机械蒸汽再压缩技术的一种新型的固体物料干燥方法，该方法较上面几种干燥方法具有其独特的优势，提供了一种在常压下对物料进行干燥的方法，完全回收蒸发水蒸气潜热。该方法设备简单，产品质量高，尤其大大降低了能耗，节能减排，高效，虽然建设初期基础设备投入较大，但适合长远发展，符合国家“节能减排”政策。此外，该方法对环境友好，无废气废物的排放，唯一排放出来的即冷凝水。整个蒸发干燥过程为全封闭式循环，系统运行稳定，较传统干燥方法能有效提高产品质量，从而有效提高经济效益。此外，该方法中干燥室内采用常压干燥空气干燥，较真空干燥对干燥室的结构无特殊要求，且传热性能大大优于真空干燥，加速了干燥速度，缩短了干燥周期。

本发明的固体物料干燥方法的特征在于，对从干燥室出来的湿空气进行湿空气分离处理，分离为水蒸气和干燥空气，对被分离的水蒸气进行加热加压处理后作为热源加热干燥室内的循环空气，而将被分离的干空气直接送入干燥室，加入干燥室内的空气循环。

其中，所述湿空气分离处理优选为膜分离处理，并由真空泵抽出渗透侧的水蒸气。

所述加热加压处理为水蒸汽再压缩处理，优选真空机械式蒸汽再压缩处理。

所述干燥室内的空气循环中，进入干燥室内用于物料干燥介质的新风为干燥低湿空气。

根据本发明的固体物料干燥方法，对从干燥室出来的湿空气被分离为水蒸气和干燥空气，对被分离的水蒸气进行蒸汽再压缩处理后作为热源加热干燥室内的循环空气，自身冷却为冷凝水排出。而将被分离的干空气直接送入干燥室，所以完全回收利用了水蒸气的潜热。并且，根据本发明的方法，只需在干燥初始阶段对干燥室的循环空气进行预热，进入干燥期后则不需要外界热量的补充，系统唯一的动力消耗为机械蒸汽再压缩处理，且最后排放物为冷凝水，无其他废气物排放，极为环保。

另外，根据本发明的方法，可通过控制所述作为空气加热器热源的水蒸气参数，控制干燥温度和干燥速度。在此，所述水蒸气参数是指水蒸气的温度、压力以及流量等影响对干燥室内的循环空气进行加热的参数。控制这些水蒸气参数的方法可采用公知方法，如补充高温高压蒸汽、通过调节阀控制流量等。根据需要还可以使用辅助加热手段对干燥室进行预热，同时控制所述作为热源的水蒸气参数，有效控制干燥各阶段最佳干燥速度和干燥温度。

本发明的固体物料干燥系统，包括：干燥室，用于放置和干燥固体物料，内设辅助加热器；湿空气分离装置，用于对从所述干燥室出来的湿空气进行湿空气分离，分离为水蒸气和干空气；加热加压装置，用于加热加压从所述湿空气分离装置分离出的水蒸气；空气加热器，其利用经所述蒸汽再压缩装置加热加压的水蒸气，加热所述干燥室内的循环空气。

其中，所述湿空气分离装置优选为膜分离装置，其包括用于抽出渗透侧的水蒸气的真空泵。

所述加热加压装置优选为真空机械式蒸汽再压缩装置。

本发明的固体物料干燥系统，优选，还包括补充蒸汽管道，用于控制经所述空气加热器热端的水蒸气参数，以便控制干燥温度和干燥速度。

根据本发明的固体物料干燥系统，在干燥阶段，热湿空气从干燥室出口出来进入湿空气分离装置，湿空气被分离为干燥低湿空气和水蒸气两股流体。水蒸气进入蒸汽再压缩装置被压缩，使其压力、温度升高，热焓增加。水蒸气被加压升温后进入空气加热器，作为热源加热干燥室内空气，使干燥介质空气温度升高，焓值增加，以维持干燥室内恒定的干燥的温度。而对于空气加热器中作为热端的水蒸气则发生相变冷却为冷凝水并排出干燥室到水箱。从湿空气分离装置出来的另一股干空气流体则直接送入干燥室入口，加入干燥室内的空气循环过程。干燥室内空气不断吸收水分，并不断通过空气加热器从高温水蒸气补充热量，继续吸收水分，当空气达到一定湿度则排出干燥室，并重新回到空气分离装置被分离为干燥空气和水蒸气，开始新一次的干燥循环。本系统流程中，从湿空气分离装置中分离出来的水蒸气经压缩升温后作为热源加热干燥物料介质，完全回收利用了水蒸气的潜热。该干燥系统只需在干燥初始阶段对其进行预热，进入干燥期后则不需要外界热量的补充，系统唯一的动力消耗即为真空蒸汽再压缩装置。

另外，在本系统运行的初始阶段，需要开启干燥室内辅助加热器对干燥室进行预热，同时也可以打开补充蒸汽通路，对系统进行加热。系统进入稳定干燥期间，也需实时监控干燥室内的温度及物料含水率，通过控制干燥室内加热器，调节补充蒸汽开关及流量，有效控制最佳干燥速度和干燥温度。

湿空气分离装置优选采用了膜分离技术，湿空气分离膜是膜分离技术的核心，气体膜分离技术主要根据混合气体中各组分在膜中的渗透速率的差异来实现分离过程。该分离装置的水蒸气渗透侧为负压，出来后接真空蒸汽压缩装置。湿空气进入分离膜的一侧，另一侧为渗透过去的低压水蒸气，剩余气体则为干空气。从而达到把湿空气分离的目的。

真空蒸汽再压缩装置是本发明流程的运动核心。本系统中被压工质为水蒸气，由于其性质的特殊性，对于蒸汽压缩装置的选取至关重要。本系统中压缩机的要求有：工质为水蒸汽；压比较低，约在1.5-3.0之间。

对空气加热器无特殊要求，任意一种空气与水蒸气的换热器装置均可，可根据不同需求进行换热器的选型设计。空气加热器安装于干燥室内部，通常为干燥室新风入口附近且有干燥室内大部流体经过的位置。空气加热器中管内为高温水蒸气，管外为需要被加热的循环空气干燥介质。此外，优选该空气加热器内部蒸汽管道入口处接有从锅炉或其他方式来的高温补充蒸汽。

干燥室为带电加热装置的普通常压干燥装置，并且在需要的地方安装有风扇，以驱动室内空气的循环。在本发明中，所述干燥室加热的空气的温度优选在40-120℃之间。还可以根据需要在干燥室内安装辅助加热器，其可以是电加热器、热油加热器或锅炉蒸汽加热器等。

在本发明中，所述的被干燥物料可以是任何固体物料，如食品干燥，包括水产品、水果、蔬菜、肉类、粮食、药品等，以及木材，废物垃圾等。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统流程及各部件连接示意图。

图2为本发明实施例1的湿空气分离装置的结构示意图。

图中：1、干燥室；2、湿空气分离装置；3、真空蒸汽再压缩装置；4、空气加热器；5、水箱。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

下面以木材干燥为具体实施例，对本发明的内容作进一步的说明：

该干燥处理主要采用下述步骤：

步骤1：建立本发明实施例1的固体物料干燥系统：如附图1所示干燥室1、湿空气分离装置2、真空蒸汽再压缩装置3、空气加热器4和水箱5以及补充蒸汽管道及其他管道组成的可以互通的密闭的系统，将木材置于干燥室内物料架上。图2为湿空气分离装置的结构示意图。

步骤2：开启干燥室1内的辅助加热器，对干燥室内的木材进行预热，直到所有木材基本达到所需的预热温度50℃。

步骤3：开启湿空气分离装置2，开启真空蒸汽再压缩装置3，干燥循环开始进行，经过干燥室流出的湿空气经湿空气分离装置2被分离为干燥低湿空气和水蒸气，水蒸气经再压缩升温升压，热焓提高，作为热源进入空气加热器4加热干燥室内空气，以维持干燥室内恒定的干燥温度。空气加热器4中作为热端的水蒸气自身则发生相变冷却为冷凝水并从干燥室排出流入水箱5。从湿空气分离装置出来的另一股干燥空气流体则直接送入干燥室入口，加入干燥室内的空气循环过程。干燥室内空气不断吸收木材中的水分，并不断通过空气加热器4从高温水蒸气补充热量，继续吸收水分，当空气达到一定湿度则排出干燥室，并重新回到空气分离装置2被分离为干空气和水蒸气，开始新一次的干燥循环。每次循环中，进入干燥室的为干空气，干空气吸收木材水分变成湿空气并排出干燥室，不断降低干燥室内木材及系统中水分的含量，从而使木材变干燥。干燥过程需实时监控干燥室内的温度及木材含水率，通过控制干燥室内的辅助加热器，调节补充蒸汽开关及流量，有效控制最佳干燥速度和干燥温度。

步骤4：当干燥室内木材达到所要求含水率，则可停止干燥。

上述实施例仅是对实施本发明的方式的示例性说明。本领域的普通技术人员应该理解，在不超出权利要求书限定的要旨和范围内，可采用不同于上述本发明实施例的各种方案。

Claims (9)

1.一种固体物料干燥方法，其特征在于，对从干燥室出来的湿空气进行湿空气分离处理，分离为水蒸气和干燥空气，对被分离的水蒸气进行加热加压处理后作为热源加热干燥室内的循环空气，而将被分离的干空气直接送入干燥室，加入干燥室内的空气循环。

2.根据权利要求1所述的固体物料干燥方法，其特征在于，所述湿空气分离处理为膜分离处理，并由真空泵抽出渗透侧的水蒸气。

3.根据权利要求1所述的固体物料干燥方法，其特征在于，所述加热加压处理为水蒸气再压缩处理。

4.根据权利要求1所述的固体物料干燥方法，其特征在于，所述干燥室内的空气循环中，进入干燥室内用于物料干燥介质的新风为干燥低湿空气。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的固体物料干燥方法，其特征在于，通过控制所述作为热源的水蒸气参数，控制干燥温度和干燥速度。

6.一种固体物料干燥系统，包括：

干燥室，用于放置和干燥固体物料，内设辅助加热器；

湿空气分离装置，用于对从所述干燥室出来的湿空气进行湿空气分离，分离为水蒸气和干空气；

加热加压装置，用于加热加压从所述湿空气分离装置分离出的水蒸气；

空气加热器，其利用经所述真空蒸汽再压缩装置加热加压的水蒸气，加热所述干燥室内的循环空气。

7.根据权利要求6所述的固体物料干燥系统，其特征在于，所述湿空气分离装置为膜分离装置，其包括用于抽出渗透侧的水蒸气的真空泵。

8.根据权利要求6所述的固体物料干燥系统，其特征在于，所述加热加压装置为真空蒸汽再压缩装置。

9.根据权利要求6～8中任意一项所述的固体物料干燥系统，还包括补充蒸汽管道，用于辅助调节干燥室内加热器热端作为热源的的水蒸气参数，以便控制干燥温度和干燥速度。

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