CN104006638A - 适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，包括固定床主体、微波干燥装置以及热风干燥系统，在固定床内腔中设有一与分析天平相连接的料篮，内腔的顶部与干燥系统连通并布设有布风板，该干燥系统包括气源、水箱和加热器构成；在内腔的底部连接有排气管及冷凝水排水管，在内腔的中部开设有进/出料窗口。利用本发明不仅能在线分析物料干燥过程中质量变化过程，均匀分布的微波发生器还能使物料温度短时间内快速升温，受热均匀，提高微波能吸收的均匀性，而且设备自动化程度高、占地面积小、操作安全简便。微波干燥过程会产生特有的非热效应，对有效成分大多为苷类，萜类内酯和挥发油的物料有很好的保护作用，以保证干燥物料的品质。

Description

适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置

 

技术领域

本发明属于微波间歇式干燥装置，具体是一种适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，该装置特别适用于多孔介质中颗粒、片基或条状物料（如烟草类）的干燥实验。

背景技术

干燥作为基本的化工单元操作，在化学、食品、农业、制药和矿产等工业中均是必不可少的操作。但是由于干燥过程中大量的蒸发潜热和干燥介质的低效率导致干燥过程能耗很大。微波干燥作为一种新型的干燥方法，以其快速、高效的特点在干燥领域内更具有竞争性。

目前，微波干燥技术飞速发展，微波干燥装置也已经在生产中广为应用，但是在生产中会经常出现装置中微波分布不均匀而导致局部温度过高而影响物料品质的问题，为了解决这一问题出现了微波真空干燥、微波对流干燥等装置，虽然能较好的改善这一问题，但是在实际生产中由于装置生产成本和干燥成本高、生产能力有限，主要应用于一些如药品或生物制品等高附加值的产品。

微波干燥由于具有干燥速率快、热效率高、能源利用率高、无污染等优点在物料干燥领域得到了广泛应用。微波干燥与传统的热风干燥相比，能弥补热风干燥过程中干燥时间较长、脱水速率和能源利用率低、产品质量难以保证等缺点。但是在热风干燥过程中，产品内部温度较低且保持稳定，而微波干燥干燥室内电磁场分布不均匀，导致局部干燥不均匀，波动较大，对于干燥后成品的品质均一性也有重要影响。而微波干燥具有非热效应，可以最大程度的保持物料的颜色和品质。

因此，若能融合的将微波与热风干燥的优点，与现代控制技术相结合，不但能改变被处理物料位置以提高微波的均匀性，可实现对微波能量的有效控制，还能加快干燥速度，较好的保留被干燥物料原有的色香味和其他有效成分，以保证干燥物料的品质。 

发明内容

本发明的目的正是针对一些多孔介质中颗粒、片基或条状物料微波干燥过程中出现的一些如干燥效率低、易氧化等问题而专门设计的一种微波固定床热风联合干燥装置，不仅能在线分析物料干燥过程中质量变化过程，均匀分布在装置外侧的微波发生器还能使物料温度短时间内快速升温，受热均匀，提高微波能吸收的均匀性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，包括设有加热保温层的固定床主体、布置在固定床主体外壁上的微波干燥装置以及与固定床内腔相连接的热风干燥系统，在固定床主体内腔中心部位采用吊装方式设有一料篮，料篮通过吊绳与设置在固定床主体外上方的分析天平相连接，料篮上设有温度传感器；固定床主体内腔的顶部与热风干燥系统连通并布设有布风板，该热风干燥系统包括气源、水箱和加热器构成；在固定床主体内腔的底部连接有排气管及冷凝水排水管，在固定床主体内腔的中部开设有进/出料窗口。

在本发明中，加热层内可通过内置加热管来控制，保温层材料可以选用石棉或者陶瓷管，在加热保温层上还设有壁温控温器，该壁温控温器为PID控制器，以满足干燥过程中温度可控的要求。在保温层外加微波屏蔽涂料，以防止微波泄漏。

料篮上所设的温度传感器为光纤温度传感器即光纤布拉格光栅传感器，因为在微波加热过程中物料升温主要是由于内部水分子极性增大，高速的摩擦运动产生大量热量导致，物料表面温度与干燥环境温度有较大差异，而一般的热电偶并不能对物料表面温度做出快速灵敏的反应，所以为了提高测量精度，选用光纤温度传感器检测物料表面温度。同时，为了获得干燥过程中物料表面温度的变化规律，将光纤温度传感器连接到物料表面，将物料表面温度送到温度显示器以待后期的数据分析，本装置的光纤温度传感器用光纤布拉格光栅（FBG）来实现，物料表面的温度变化会导致FBG中心波长的偏移，通过检测偏移量大小就可以确定物料表面的温度。

微波干燥装置由三组微波发生器及微波控制器组成，三个微波发生器按120°均匀布置在固定床主体外壁上。在微波控制器中嵌入有变频组件，可实现干燥过程微波输出功率的程序实时变化，以满足不同干燥阶段干燥强度变化需求。干燥过程中微波能以其高速的分子振动激发极性分子不停地改变取向尤其是水分子的运动，使水分子快速的从物料内部扩散到物料表面，加速干燥过程。微波干燥过程会产生特有的非热效应，对有效成分大多为苷类，萜类内酯和挥发油的物料有很好的保护作用，以保证干燥物料的品。

热风干燥系统以及排湿系统工作时：热风干燥系统由水箱、热风加热器组成。进入腔体内部的热风可有多种选择，一种是绝干空气；一种是含湿空气，即绝干空气经由水箱后进入腔体内部；另一种是针对易氧化物料干燥可选氮气作为干燥介质。通过调节流量计和加热器参数调控热风温湿度。热风干燥系统的作用一是可以通过气体流动保持容器内温湿度稳定；二是可以防止水蒸气在顶部冷凝，影响分析天平测量的精度。排湿系统主要由排水管和排气管组成。在干燥过程中由顶部气流带到容器底部的气体可能由于温度偏低而发生冷凝现象，通过设置排水管和排气管可以将容器内水汽快速排除。排湿系统将会及时排出腔体内水蒸气维持干燥所需的环境，保证干燥速率。

所述料篮规格为内径8-10cm，高度5-8cm，料篮用PP（聚丙烯）材料制作而成，PP材料作为在微波环境中的安全物质，即使在高温状态下也不会产生有害物质，可以保证物料的干燥品质和操作人员的安全。

在实际使用时，利用本发明的装置可分别研究微波热风联合干燥、微波干燥和热风干燥三种干燥方式。在微波热风联合干燥模式下，该装置工作过程及方法如下：

1.    启动热风干燥装置。将压缩空气经由恒温水箱通过空气加热器送入固定床腔体顶部，热风加热器中控制热风温度、风量到设定水平，通过固定床顶部的布风板可以使进入固定床腔体的气流均匀分布，保持固定床腔体内部稳定的干燥环境，同时，在热风流量稳定的情况下校准分析天平，并校准光纤温度传感器待用，保证实验数据测量精度。

2.    启动固定床壁温控制系统。壁温控制系统由温控器、壁温加热器、加热层和保温层组成。通过温度控制器可以设定干燥过程中物料所需的温度值，通过壁温加热器可以设定壁温的阶段升温速率。

3.    放料。取0—10g含水率一定的物料通过进料窗口加入到与分析天平连接的料篮内进行干燥。当需要微波热风联合干燥方式中单一干燥方式时，可以通过开启不同的装置系统来完成。

4.    启动微波发生装置。在固定床腔体内温湿度稳定以后，开启微波发生器，通过调节微波控制器，在不同干燥阶段设定不同的微波频率，使用微波变频控制组件对微波进行调控，控制微波频率0—2kw，以提高微波能吸收的均匀性，保证物料的干燥后的颜色和品质。

5.    物料干燥过程中的排潮。干燥过程取决于物料的干燥特性、干燥强度及脱水量要求。干燥过程中由于水分快速从物料内部挥发到表面，进而扩散到腔体空间内部，经顶部的气流携带至容器底部后会出现冷凝现象。为了避免冷凝对物料干燥造成的影响，通过排气管和排冷凝水管进行冷凝水和废气的排放。

6.    干燥数据采集。通过计算机采集物料不断变化的表面温度和质量数据进行分析处理。

7.    出料。物料干燥后由出料窗口取出。

在微波干燥方式下，将热风干燥系统关闭，将含水率一定的物料通过进料窗口放置于载料篮，启动微波发生器，控制微波发生器频率和干燥时间，光纤温度传感器和质量传感器将把物料干燥过程中的表面温度和质量变化传送到显示器，通过计算机分析处理。

在热风干燥方式下，将微波发生器关闭，依次开启温控器、热风加热器和光纤温度传感器，待容器内气流稳定以后校准分析天平。将含水率一定的物料通过进料口放置于载料篮，通过调整操作参数，使物料能够在稳定的环境中干燥，干燥过程中采集物料不断变化的表面温度和质量数据，通过计算机分析处理。

该发明具有以下优点：

1、微波发生装置均匀分布于固定床外侧，由于其非热效应，不但可以保证热敏性物料及富含挥发油类物料的干燥品质，还可较大程度的降低由于微波场分布不均匀的问题影响物料的干燥过程，从而能保证干燥物料品质的均一性。

2、本发明可以用作多功能复合干燥设备，通过控制不同系统线路，可以进行热风干燥，微波干燥和微波热风联合干燥，为实验研究不同干燥方式对物料的影响提供干燥平台。

3、装置中特别设计的在线分析天平和光纤温度传感器可以实时的检测干燥过程中物料的质量和表面温度的变化，能够保证在微波环境和热风环境中保证测量精度，为更加系统的了解物料的干燥过程提供了条件。

4、设备占地小、自动化程度高、操作安全、简便。

附图说明

图1是微波固定床热风联合干燥装置结构图。

图2是微波发生器布局图

图中：1、温度显示器， 2、分析天平，3、空气加热器，4、 恒温水箱，5、温控器，6、 壁温加热器，7、进/出料窗口，8、排气管，9、冷凝水排水管，10、料篮，11、光纤温度传感器，12、微波发生器，13、涂料层，14、加热层，15、保温层，16、布风板，17、固定床主体。

具体实施方式

本发明以下结合附图对本发明装置的组成及连接关系作进一步说明：

一种适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，包括设有加热保温层的筒状固定床主体（17）、布置在固定床主体外壁上的微波干燥装置以及与固定床内腔相连接的热风干燥系统，在固定床主体内腔中心部位采用吊装方式设有一料篮（10），料篮通过吊绳与设置在固定床主体外上方的分析天平（2）相连接，料篮上设有温度传感器（11）；固定床主体内腔的顶部与热风干燥系统连通并布设有布风板（16），该热风干燥系统包括气源、水箱（4）和加热器（3）构成；在固定床主体内腔的漏斗形底部连接有排气管（8）及冷凝水排水管（9），在固定床主体内腔的中部开设有进/出料窗口（7）。

在本发明中，加热层（14）内可通过内置加热管由壁温加热器（6）来控制，保温层（15）材料可以选用石棉或者陶瓷管，在加热保温层上还设有壁温控温器（5），该壁温控温器为PID控制器，以满足干燥过程中温度可控的要求。在保温层外加微波屏蔽涂料层（13），以防止微波泄漏。

微波干燥装置由三组微波发生器（12）及微波控制器组成，三个微波发生器按120°均匀布置在固定床主体（17）外壁上。在微波控制器中嵌入有变频组件，可实现干燥过程微波输出功率的程序实时变化，以满足不同干燥阶段干燥强度变化需求。

本发明以下将结合附图对测定过程及方法做进一步说明：

1、启动热风干燥装置：将压缩空气经由恒温水箱（4）通过空气加热器（3）送入固定床腔体顶部，热风加热器（3）中控制热风温度0～200^oC，风量0-20m³/min，通过固定床顶部的布风板（16）可以使进入固定床腔体的气流均匀分布，保持固定床腔体内部稳定的干燥环境，同时，在热风流量稳定的情况下校准分析天平（2），并校准光纤温度传感器（11）待用，保证实验数据测量精度。

2、启动固定床壁温控制系统：壁温控制系统由温控器（5）、壁温加热器（6）、加热层（14）和保温层（15）组成。通过温度控制器（5）可以设定干燥过程中物料所需的温度值，通过壁温加热器（6）可以设定壁温的阶段升温速率。

3、放料：取0—10g含水率一定的物料通过进/出料窗口（7）加入到与分析天平（2）连接的料篮（10）内进行干燥。当需要微波热风联合干燥方式中单一干燥方式时，可以通过开启不同的装置系统来完成。

4、启动微波发生装置：在固定床腔体内温湿度稳定以后，开启微波发生器（12），通过调节微波控制器，在不同干燥阶段设定不同的微波频率，使用微波变频控制组件对微波进行调控，控制微波频率0—2kw，以提高微波能吸收的均匀性，保证物料的干燥后的颜色和品质。

5、物料干燥过程中的排潮：干燥过程取决于物料的干燥特性、干燥强度及脱水量要求。干燥过程中由于水分快速从物料内部挥发到表面，进而扩散到腔体空间内部，经顶部的气流携带至容器底部后会出现冷凝现象。为了避免冷凝对物料干燥造成的影响，通过排气管（8）和冷凝水排水管（9）进行冷凝水和废气的排放。

6、干燥数据采集：通过计算机采集物料不断变化的表面温度和质量数据进行分析处理。

7、出料：物料干燥后由进/出料窗口（7）取出。

Claims (8)

1.一种适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，其特征在于：包括设有加热保温层的固定床主体、布置在固定床主体外壁上的微波干燥装置以及与固定床内腔相连接的热风干燥系统，在固定床主体内腔中心部位采用吊装方式设有一料篮，料篮通过吊绳与设置在固定床主体外上方的分析天平相连接，料篮上设有温度传感器；固定床主体内腔的顶部与热风干燥系统连通并布设有布风板，该热风干燥系统包括气源、水箱和加热器构成；在固定床主体内腔的底部连接有排气管及冷凝水排水管，在固定床主体内腔的中部开设有进/出料窗口。

2.根据权利要求1所述的适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，其特征在于：在加热保温层上设有壁温控温器。

3.根据权利要求1所述的适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，其特征在于：料篮上所设的温度传感器为光纤温度传感器即光纤布拉格光栅传感器。

4.根据权利要求1所述的适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，其特征在于：微波干燥装置由三组微波发生器及微波控制器组成，三个微波发生器按120°均匀布置在固定床主体外壁上。

5.根据权利要求4所述的适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，其特征在于：在微波控制器中嵌入有变频组件，以实现干燥过程微波输出功率的程序实时变化，满足不同干燥阶段干燥强度变化需求。

6.根据权利要求1所述的适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，其特征在于：所述料篮规格为内径8-10cm，高度5-8cm。

7.根据权利要求1所述的适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，其特征在于：所述料篮用PP（聚丙烯）材料制作而成。

8.根据权利要求1所述的适用于在线分析的微波固定床热风联合干燥实验装置，其特征在于：在保温层外加微波屏蔽涂料，以防止微波泄漏。