CN104266933B - 一种在线检测真空干燥过程中物料含水率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种在线检测真空干燥过程中物料含水率的装置，特征是：包括一筒状真空干燥反应器，在该反应器上端通过下料阀连接一带有上料阀的料仓，反应器下端通过管路及真空连接阀与一真空压力平衡系统相连接，在真空连接阀的两侧分别通过真空阀并联一微压差传感器，在反应器与真空压力平衡系统之间的管路上连接有真空泵，在反应器的筒体中设有物料板及温湿度传感器，在反应器的筒壁上加设有加热系统及保温材料，反应器的温度由温控仪控制。通过装置中设置的微压差传感器压差的变化和物料含水率的关系，在线检测物料在真空干燥过程中的实时含水率变化，以期获得物料在真空干燥过程中含水率及质量特性方面数据，用于相关热物理参数、干燥动力学参数的分析。

Description

一种在线检测真空干燥过程中物料含水率的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在线检测真空干燥过程中物料含水率的装置及方法。具体指通过测量真空干燥过程中微压差的变化，在线检测物料含水率的变化。利用该装置和方法可以实现对粉状物料、块状物料、纤维状物料的真空干燥过程中含水率的变化。

背景技术

干燥技术广泛应用在食品、医药、化工等行业。随着工业技术的发展，对干燥产品的质量和干燥效率的要求越来越高，为了满足一些特殊物料的干燥，一种新型的干燥技术迅速发展。如：真空干燥、真空冷冻干燥、真空微波干燥、真空远红外干燥。

真空干燥具有以下优点：（1）真空干燥的干燥温度较低，可在一定程度上保留产品的色、香、味；（2）真空条件下干燥较常压干燥产品的复水性、色泽较好；（3）真空干燥时氧气含量少，避免了产品中色素褐变或其他氧化变质等；（4）热量利用率高、适应性强；（5）真空干燥可消除常压干燥下容易产生的表面硬化现象，提高干燥产品的耐加工特性；（6）真空缺氧条件下能够杀死细菌，抑制细菌生长。

由于真空干燥技术的本身所具有的优势，使这种干燥方式迅速在各行业中应用。但是由于实验设备及实验条件的限制，使得真空干燥条件下很难精确的实时测量物料含水率随干燥过程的变化，特别是在真空过程中，如果采用间断采样的方式测定物料含水率会对实验结果造成较大误差，这对真空干燥动力学研究产生了一定的阻碍。

发明内容

本发明的目的正是基于上述现有技术状况，而提供了一种在线测量真空干燥过程中物料含水率变化的装置及方法。该方法能够在一定温度、一定真空度条件下对物料进行干燥过程进行定量分析与评价，以期获得物料在干燥过程中含水率及质量特性方面的数据，用于相关热物理参数、干燥动力学参数的分析。

本发明的目的是通过以下技术措施实现的：一种在线检测真空干燥过程中物料含水率的装置，包括一筒状真空干燥反应器，在该反应器上端通过下料阀连接一带有上料阀的料仓，反应器下端通过管路及真空连接阀与一真空压力平衡系统相连接，在真空连接阀的两侧分别通过真空阀并联一微压差传感器，在反应器与真空压力平衡系统之间的管路上连接有真空泵，在真空干燥反应器的筒体中设有物料板及温湿度传感器，在反应器的筒壁上加设有加热系统及保温材料，真空干燥反应器的温度由温控仪控制，在真空干燥反应器和真空压力平衡系统中均设置有真空表。

在本发明中，所述真空压力平衡系统由2-4个并联的储气瓶组成，各储气瓶的容积之和大于干燥反应器体积的50倍。

在真空干燥反应器的下部管路上通过连接管加装一缓冲瓶，在缓冲瓶外壁设置有加热保温层。

所述下料阀和上料阀均为真空阀。

所述物料板为孔板，开孔率大于2%，孔径小于等于1mm。

利用上述装置可在线检测干燥过程中物料含水率，具体是通过测量装置中的微压差传感器的压差的变化，得到物料含水率的值，在线检测物料在真空干燥过程中的实时含水率变化，以期获得物料在真空干燥过程中含水率及质量特性方面数据，用于相关热物理参数、干燥动力学参数的分析。

本发明的在线测量真空干燥过程中物料含水率的装置，具体包括干燥反应器主体、抽真空系统、真空压力平衡系统、微压差检测系统、加料系统以及加热保温系统等部分组成。干燥反应器是由一段不锈钢管（材质也可以是能够密封的石英玻璃管）构成，反应器的中部固定装有可以承载物料的不锈钢材质的烧结板（或具有多个小孔组成的分布板，分布板孔面积占分布板面积小于2％，小孔孔径不大于1mm），反应器上端连接加料系统，下端连接抽真空系统和压力平衡系统，反应器部分装有温度传感器和真空度检测装置（即真空表），温度传感器测温点位于承担物料的烧结板（或分布板）下方5～10mm处，真空表可根据系统操作的需要，安装于干燥器上端或下端，加热系统设置干燥反应器的周围，加热系统的温度控制信号采集于设置于反应器内部的温度传感器，以实现在干燥反应器中部烧结板（或分布板）上下100mm区间内具有恒定的温度（即恒温区至少大于200mm），温度精度范围为±1℃，加热系统采用PID控制反应器温度。抽真空系统是由一台真空泵和多个管路及球形阀构成，抽真空系统通过不锈钢管连接干燥反应器和压力平衡系统，其作用是使干燥反应器和压力平衡系统具有初始设定的真空度。真空压力平衡系统是由若干个并联式的储气罐组成，使用储气罐的数量与干燥反应器的体积设置相关，即真空压力平衡系统的总体积不小于50倍的干燥反应器（真空度的误差范围即可控制在2％以下，高于多数真空度检测仪表的精度），真空压力平衡系统与干燥反应器之间通过一个球阀连接,可以实现真空压力平衡系统与干燥反应器之间气体的通断。微压差系统是在干燥反应器与真空压力平衡系统间设置可实时检测两者间的压差变化的微压差传感器，微压差传感器的两端通过连接两个球阀（真空阀）后分别与干燥反应器和真空压力平衡系统连接。加料系统由料仓通过两端连接两个球阀（上料阀和下料阀）组成，上端球阀直接连接大气，下端球阀连接干燥反应器上端。在干燥反应器出口与真空压力平衡系统之间的连接管路上也设有保温层。

该发明所涉及的方法可以描述为：首先将干燥反应器与真空压力平衡系统间连通，关闭加料系统下端与干燥反应器连接阀，开启加热系统，并将干燥反应器加热至设定温度；利用抽真空系统，将干燥反应器与真空压力平衡系统组成的空间达到设定真空度，断开抽真空系统；开启加料系统上端阀门，将被测湿物料加入料仓，关闭加料系统上端阀门；开启料仓下端阀门，将湿物料加入至干燥反应器中，此时断开干燥反应器与真空压力平衡系统间的连通，开启连接两者的微压差传感器，由于物料干燥中伴随着水的挥发，水的挥发会带来系统压力的变化，通过样品量的控制，可以将整个过程的微压差的变化小于500pa，由于真空干燥中绝对压力一般在10000pa以上，所以，微压差变化范围只能造成系统压力5%的变化。通过这种微压差与物料含水率的关系，可以得到物料含水率随时间的变化。若需要增加样品量，在整个干燥过程中微压差的变化可能会超过系统压力的5％，可以通过实验过程中开启干燥反应器与真空压力平衡系统间的连通阀，此刻在2s内即可平衡掉干燥过程中的微压差，使得微压差传感器归为0pa，并记录该时刻，此时关闭干燥反应器与真空压力平衡系统间的连通，继续记录微压差的变化，根据实验过程可多次重复该操作，实验结束后，仍可以通过叠加获得的微压差与物料含水率的关系，从而获得物料含水率随时间的变化规律。实验结束后，可直接断开微压差传感器与干燥反应器和真空压力平衡系统的连接。通过泄压阀进行泄压操作，待内外压力平衡后，可开启干燥反应器，将被测物料卸出

本发明的优点在于：能够在一定温度、真空度条件下对物料进行干燥过程方面的定量分析与评价，以期获得物料在干燥过程中含水率及质量特性方面的数据，用于相关热物理参数、干燥动力学参数的分析。

附图说明

图1为本发明装置一种结构的示意图。

图2为本发明装置另一种结构的示意图（加有缓冲瓶）。

图3为选择1g初始含水率为25%的烟丝作为实验对象时其含水率随时间变化的曲线图。

图4为选择2g初始含水率为25%的烟丝作为实验对象时其含水率随时间变化的曲线图。

图1、2中：1、真空表，2、真空阀，3、储气瓶，4、真空泵，5、微压差传感器，6、加热系统，7-1、上料阀，7-2、下料阀，8、料仓，9、反应器，10、物料板，11、温湿度传感器，12、温控仪，13、真空连接阀，14、缓冲瓶。

具体实施方式

以下结合附图将本发明的具体结构及测试方法具体描述如下：

如图1所示：一种在线检测真空干燥过程中物料含水率的装置，包括一筒状真空干燥反应器9，在该反应器上端通过下料阀7-2连接一带有上料阀7-1的料仓8，反应器9下端通过管路及真空连接阀13与一真空压力平衡系统相连接，在真空连接阀13的两侧分别通过真空阀并联一微压差传感器5，在反应器与真空压力平衡系统之间的管路上连接有真空泵4，在真空干燥反应器的筒体中设有物料板10及温湿度传感器11，在反应器的筒壁上加设有加热系统6及保温材料，真空干燥反应器9的温度由温控仪12控制，在真空干燥反应器和真空压力平衡系统中均设置有真空表1。真空压力平衡系统由三个并联的储气瓶3组成。

以下结合附图将利用本发明装置进行真空干燥过程描述如下：

当物料干燥过程排出水分较少时采用如附图1所示实验装置时，首先将干燥反应器9与真空压力平衡系统间连通，关闭加料系统下端与干燥反应器9连接的下料阀7-2，开启加热系统6，并将干燥反应器加热至设定温度；利用抽真空系统，将干燥反应器与真空压力平衡系统组成的空间达到设定真空度，断开抽真空系统；开启加料系统上料阀7-1，将被测湿物料加入料仓8，关闭加料系统上料阀7-1；开启料仓下端的下料阀7-2，将湿物料加入至干燥反应器中，此时断开干燥反应器9与真空压力平衡系统之间的真空连接阀13，开启连接反应器9和微压差传感器5间的球阀，由于物料干燥中伴随着水的挥发，水的挥发会带来系统压力的变化，通过样品量的控制，可以将整个过程的微压差的变化小于500pa，由于真空干燥中绝对压力一般在10000pa以上，所以，微压差变化范围只能造成系统压力5%的变化。通过这种微压差与物料含水率的关系，可以得到物料含水率随时间的变化规律。实验结束后，可直接断开微压差传感器5与干燥反应器和真空压力平衡系统的连接。通过上料阀7-1进行泄压操作，待内外压力平衡后，可开启干燥反应器，将被测物料卸出。设定，真空干燥初始真空度P₀、干燥过程中反应器内瞬时真空度P_T、反应器体积为V、干燥温度T、物料初始质量M₀、物料初始含水率W₀(湿基)、干燥过程中物料含水率W_T、R为理想气体常数。在干燥过程反应器内压强升高的数值ΔP=P_T- P₀即为中微压差传感器记录的数据。根据以上假设数据可以推算出物料任意时刻含水率W_T= M₀W₀RT/( M₀RT-18ΔPV)- 18ΔPV/( M₀RT-18ΔPV)。选择1g初始湿基含水率为25%的烟丝作为实验对象，加热温度70度、真空度0.03MPa,根据实验装置记录的压差计示数ΔP，由上述公式换算得到烟丝含水率W_T随时间(s)变化规律。

当物料干燥过程排出水分较多，反应容器内压强上升较大时采用如附图2所示实验装置，首先将干燥反应器9与真空压力平衡系统间连通，关闭加料系统下端与干燥反应器连接的下料阀7-2，开启加热系统6并将干燥反应器9和缓冲瓶14加热至设定温度；利用抽真空系统，将干燥反应器、缓冲瓶与真空压力平衡系统组成的空间达到设定真空度，断开抽真空系统；开启加料系统上料阀7-1，将被测湿物料加入料仓8，关闭加料系统上料阀；开启料仓下端的下料阀，将湿物料加入至干燥反应器中，此时断开干燥反应器与真空压力平衡系统间的真空连接阀13，开启连接两者的微压差传感器5，由于物料干燥中伴随着水的挥发，水的挥发会带来系统压力的变化，在整个干燥过程中微压差的变化可能会超过系统压力的5％，通过实验过程中开启干燥反应器9与真空压力平衡系统间的真空连接阀13，此刻在2s内即可平衡掉干燥过程中的微压差，使得微压差传感器5归为0pa，并记录该时刻，此时关闭干燥反应器与真空压力平衡系统间的连通，继续记录微压差的变化，根据实验过程可多次重复该操作，实验结束后，仍可以通过叠加获得的微压差与物料含水率的关系，从而获得物料含水率随时间的变化规律。实验结束后，可直接断开微压差传感器与干燥反应器和真空压力平衡系统的连接。通过上料阀7-1进行泄压操作，待内外压力平衡后，可开启干燥反应器，将被测物料卸出设定，真空干燥初始真空度P₀、干燥过程中反应器内瞬时真空度P_T、反应器体积为V、干燥温度T、物料初始质量M₀、物料初始含水率W₀(湿基)、干燥过程中物料含水率W_T、R为理想气体常数。在干燥过程反应器内压强升高的数值ΔP=P_T- P₀即为中微压差传感器记录的数据。根据以上假设数据可以推算出物料任意时刻含水率W_T= M₀W₀RT/( M₀RT-18ΔPV)- 18ΔPV/( M₀RT-18ΔPV)。选择2g初始湿基含水率为25%的烟丝作为实验对象，加热温度60度、真空度0.03MPa, 根据实验装置记录的压差计示数ΔP，由上述公式换算得到烟丝含水率W_T随时间(s)变化规律，如图4所示。

Claims (5)

1.一种在线检测真空干燥过程中物料含水率的装置，其特征在于：包括一筒状真空干燥反应器，在该反应器上端通过下料阀连接一带有上料阀的料仓，所述下料阀和上料阀均为真空阀，反应器下端通过管路及真空连接阀与一真空压力平衡系统相连接，在真空连接阀的两侧分别通过真空阀并联一微压差传感器，在反应器与真空压力平衡系统之间的管路上连接有真空泵，在真空干燥反应器的筒体中设有物料板及温湿度传感器，所述物料板为孔板，开孔率大于2%，孔径小于等于1mm；在反应器的筒壁上设有加热系统及保温材料，真空干燥反应器的温度由温控仪控制，在真空干燥反应器和真空压力平衡系统中均设置有真空表。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述真空压力平衡系统由2-4个并联的储气瓶组成，各储气瓶的容积之和大于干燥反应器体积的50倍。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在真空干燥反应器的下部管路上通过连接管加装一缓冲瓶。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：在缓冲瓶外壁设置有加热保温层。

5.一种利用权利要求1所述装置进行在线检测干燥过程中物料含水率的方法，其特征在于：通过装置中设置的微压差传感器的压差的变化和物料含水率的关系，在线检测物料在真空干燥过程中的实时含水率变化，以期获得物料在真空干燥过程中含水率及质量特性方面数据，用于相关热物理参数、干燥动力学参数的分析。