東北高水分玉米真空低溫干燥新技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)是“十五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目——“糧油產(chǎn)品儲(chǔ)藏及品質(zhì)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目的專(zhuān)題之一,是根據(jù)谷物水分汽化蒸發(fā)溫度的高低隨環(huán)境壓力大小而變化的原理,利用干燥塔及真空泵等形成具有一定真空的空間,在真空低溫狀態(tài)下連續(xù)對(duì)高水分玉米進(jìn)行脫水干燥。按照“高質(zhì)量、高營(yíng)養(yǎng)、益、低損耗、低污染、低成本”的綠色環(huán)保干燥理念,通過(guò)生產(chǎn)性試驗(yàn)研究相關(guān)的干燥工藝技術(shù)及裝備。
到目前為止,國(guó)內(nèi)外對(duì)于高水分玉米的真空低溫干燥技術(shù)和工藝所進(jìn)行的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究不多。本文針對(duì)高水分玉米降水幅度大、干燥周期短的特點(diǎn),進(jìn)行真空低溫干燥工藝生產(chǎn)性試驗(yàn),并對(duì)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和討論,為完善高水分玉米的干燥技術(shù)和研究開(kāi)發(fā)高性?xún)r(jià)比的干燥裝置提供實(shí)用參考依據(jù)。
1 試驗(yàn)?zāi)康?、原理和?nèi)容
1.1 試驗(yàn)?zāi)康?
試驗(yàn)和驗(yàn)證真空低溫干燥裝置系統(tǒng)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、連續(xù)性、可靠性,使之達(dá)到節(jié)能、綠色環(huán)保,并保證干燥產(chǎn)品質(zhì)量的目的。解決實(shí)際生產(chǎn)性試驗(yàn)中遇到的一系列問(wèn)題,為建設(shè)工業(yè)自動(dòng)化示范性生產(chǎn)線(xiàn)成套裝備的設(shè)計(jì)與研究提供參考依據(jù)。
1.2 真空干燥原理
可知,水在汽化過(guò)程中,汽化溫度跟所受的壓強(qiáng)成對(duì)數(shù)關(guān)系,就是說(shuō),水的汽化溫度隨其所承受的壓強(qiáng)的增加而升高,隨其減低而降低,在真空條件下實(shí)現(xiàn)低溫汽化;在壓力ps不變的情況下,對(duì)系統(tǒng)加熱,為保持公式平衡,必須有更多的液體汽化,使干燥速度加快;如果維持T不變,降低ps,同樣會(huì)有更多的液體轉(zhuǎn)化為蒸汽,這也是加快真空干燥速度的方法之一。
1.3 測(cè)定內(nèi)容
真空干燥室內(nèi)的真空度和汽化蒸發(fā)溫度;入機(jī)玉米的含水率和溫度;出機(jī)玉米的含水率和溫度;供熱溫度;玉米破碎率、裂紋率增值;水分不均勻度等。
2 試驗(yàn)用糧和方法
2.1 試驗(yàn)用糧
2005年自然收獲的高水分玉米,連續(xù)處理量15t/h,產(chǎn)地吉林。平均含水率為24%~30%,含水率不均勻度小于3%,雜質(zhì)低于0.9%,無(wú)霉變。
2.2 試驗(yàn)方法
在玉米真空低溫干燥裝置進(jìn)糧口和排糧段的全斷面隨機(jī)抽取原糧或干燥過(guò)程中的試樣,每60min取一次,每次取5kg,共100次,然后混合均勻。利用取樣法、稱(chēng)重法、壓升法、溫度對(duì)比法等判斷干燥是否達(dá)到要求。試樣含水率、水分不均勻度、裂紋率、破碎率等測(cè)定按GB6970方法進(jìn)行。
2.3 試驗(yàn)設(shè)備和地點(diǎn)
采用國(guó)家糧食儲(chǔ)備局鄭州科學(xué)研究設(shè)計(jì)院制造的5ZHCY15型玉米真空低溫干燥裝置及清理篩、
斗式提升機(jī)、
皮帶輸送機(jī)、抽真空系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣溫控系統(tǒng)等設(shè)備。電腦水分測(cè)定儀0%~40%、YSG-3型真空壓力表、XMT-102型數(shù)顯溫度
傳感器、半導(dǎo)體點(diǎn)溫度計(jì)0~100℃、SL-401型聲級(jí)計(jì)、FSF型粉碎機(jī)、TQ3288(分度值0.1mg)分析天平、溫度計(jì)0~100℃等儀器作為試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備,該真空干燥裝置為連續(xù)式機(jī)型。在重力作用下,物料下落過(guò)程中不斷翻滾有利于被干燥物料內(nèi)部濕分的遷移及水分子的運(yùn)動(dòng),從而使物料達(dá)到干燥的目的。物料從頂部進(jìn)入至底部排出為一個(gè)干燥周期,一次降水滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。試驗(yàn)地點(diǎn)東北吉林省,時(shí)間2005年11月至2006年3月。
3 結(jié)果與分析
3.1 試驗(yàn)結(jié)果
該真空低溫干燥自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)線(xiàn)已在吉林省德惠國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)投入使用,應(yīng)用效果良好。十幾天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明,該機(jī)組的實(shí)際生產(chǎn)能力可達(dá)360t/d,合計(jì)干燥玉米6000t以上。經(jīng)黑龍江省農(nóng)業(yè)部干燥機(jī)械設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心現(xiàn)場(chǎng)對(duì)真空低溫干燥機(jī)測(cè)試,裝機(jī)功率小于200kW,工作真空度-0.096MPa,汽化蒸發(fā)溫度小于45℃,裂紋增加率低于5%,破碎增加率低于1%,干燥不均勻度低于1%,粉塵濃度為3.2mg/m3;初始水分24%,糧食平均溫度-10℃,降水幅度10%時(shí),單位熱耗低于5000kJ/kg•H2O;而當(dāng)?shù)?5臺(tái)玉米熱風(fēng)烘干機(jī)的平均單位熱耗為7380 kJ/kg•H2O,在相同初始條件下遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)責(zé)犸L(fēng)干燥機(jī)熱耗指標(biāo),節(jié)能30%左右,噪聲低于85dB(A),環(huán)保性能高。出機(jī)玉米品質(zhì)優(yōu)良,能夠保證玉米品質(zhì)的色、香、味、形及營(yíng)養(yǎng)成份。在整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi),物料進(jìn)出干燥機(jī)流暢,無(wú)堵料現(xiàn)象發(fā)生,各測(cè)試溫度、真空度和壓力均無(wú)異常波動(dòng)現(xiàn)象,說(shuō)明真空低溫干燥系統(tǒng)氣密性良好,抽真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)及電氣溫控系統(tǒng)等均工作正常。真空低溫干燥裝置系統(tǒng)的連續(xù)性、適應(yīng)性和穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。
3.2 干燥介質(zhì)溫度與玉米水分
該經(jīng)驗(yàn)公式適用于各種谷物,谷物水分在3.2%~35%(濕基)之間;干燥時(shí)間在0.02~2h之間。當(dāng)谷物品種不同時(shí),系數(shù)a、b、c有所變化。對(duì)于同一種品種,兩種臨界溫度有不同的系數(shù)a,但系數(shù)b和c相同。其中玉米的初始水分和干燥時(shí)間是決定玉米熱敏感性的主要因素。為了獲得玉米安全干燥溫度和提高干燥速度,采取真空低溫干燥方式。由于真空干燥塔內(nèi)物料溫度的可控性、一致性不受加熱介質(zhì)溫度影響,只受真空度決定。以t=95~100℃的熱水作為載熱體循環(huán)加熱,合理設(shè)計(jì)的加熱系統(tǒng)及真空干燥室可使干燥溫度達(dá)到40~43℃。這正是玉米合適的干燥溫度范圍。熱水的熱含量高,溫度穩(wěn)定,工藝過(guò)程易控制,干燥質(zhì)量有保證。高溫?zé)崴仩t造價(jià)低,安全可靠,操作容易。熱水循環(huán)加熱,既節(jié)約用水又全部回收熱水余熱,并可簡(jiǎn)化軟水處理設(shè)備。高溫水循環(huán)加熱采用高溫?zé)崴仩t,熱水循環(huán)系統(tǒng)在表壓P=0.3MPa 的壓力下運(yùn)行,并控制水溫t≤115℃。該法的關(guān)鍵在于系統(tǒng)的保壓措施,必須確保熱水的飽和溫度比實(shí)際溫度大30℃左右,以免循環(huán)熱水泵發(fā)生汽蝕。
3.3 真空度、干燥速度與含水率的關(guān)系
真空度高,有利于水分在較低的溫度下汽化,但真空度過(guò)高不利于熱的傳導(dǎo),影響對(duì)物料的加熱效果。干燥速度是反映玉米中水分遷移速度的主要指標(biāo),在保證干燥質(zhì)量的前提下,應(yīng)盡量提高干燥速度。干燥初始階段,物料含水率高,換熱過(guò)程比較理想,真空度越高,水分蒸發(fā)越快;隨著對(duì)流的減弱,以及熱阻的增大,玉米含水率越來(lái)越少,如果維持真空泵抽速不變,真空度越來(lái)越大,對(duì)流越來(lái)越弱,干燥效率越來(lái)越低。采用脈動(dòng)的真空度,合理調(diào)配真空度和對(duì)流傳熱至*結(jié)合點(diǎn),效率更高。
真空度高時(shí),首先將物料微毛細(xì)孔中的水分抽出,此時(shí),微毛細(xì)孔從充盈逐漸變癟,即微毛細(xì)孔變得不通暢,深部的水分不易排出,而再隨著真空度的降低微毛細(xì)孔再逐漸變得充盈、通暢。在提高真空度時(shí),內(nèi)層的水分又易排出。反復(fù)進(jìn)行,水分能較快排出。比抽真空一直抽下去,*效果要好得多,而真空度降低的過(guò)程,又是一個(gè)摻氣過(guò)程,摻進(jìn)去的氣體使干燥室內(nèi)空氣增多,提高了對(duì)流效果,使得物料本身升溫速度加快,所以說(shuō)真空脈動(dòng)法干燥較好的兼顧利用了快速提高溫度和降低壓力這兩個(gè)有利于干燥的條件。接下來(lái)隨著物料深層溫度的不斷提高,物料水分氣化加快,內(nèi)部壓力增大,而外部真空度逐漸提高,壓力逐漸降低,內(nèi)外壓差逐漸增大,深層水分進(jìn)一步擴(kuò)散、溢出,隨時(shí)間的延長(zhǎng)使物料中水分愈來(lái)愈少,達(dá)到較*干燥的目的。
3.4 真空度與蒸發(fā)溫度的關(guān)系
水在汽化過(guò)程中其溫度與蒸汽壓是成正比的,飽和水蒸汽的壓力與溫度為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了讓物料中的水分較快排出使其干燥,通常所采用的方法一是提高真空度,二是提高溫度。提高真空度目的主要是降低物料周?chē)h(huán)境的壓力,這樣有利于物料其微毛細(xì)孔中的水分變成水蒸氣擴(kuò)散遷移排出。提高溫度的目的,主要是提高物料的水蒸氣分壓,在含水量相同的情況下,溫度越高,擴(kuò)散效果越好,從而提高了物料的干燥速度。提高真空度降低物料周?chē)臻g壓力的目的,也是為了降低水分的飽和蒸汽分壓,真空度愈高,水分的飽和蒸汽分壓愈低,水分愈易蒸發(fā),物料干燥的愈快。可見(jiàn),提高溫度和提高真空度都是為了加快物料的干燥,提高干燥效率。
根據(jù)物料的特性,*超過(guò)40℃就分解,改變了原有性能;蛋白質(zhì)在高溫下變性,改變了物料的營(yíng)養(yǎng)成分,蒸發(fā)溫度應(yīng)低于淀粉的糊化溫度43℃,綜合考慮蒸發(fā)溫度及真空度的影響。真空干燥物料的溫度梯度小,物料內(nèi)和表面之間壓力梯度大,水分很快移向表面,可消除常壓干燥情況下容易產(chǎn)生的溶質(zhì)失散及表面硬化現(xiàn)象,同時(shí)能提高干燥速率,縮短干燥時(shí)間,降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。
4 結(jié)論
通過(guò)生產(chǎn)性試驗(yàn)證明:
(1)該干燥工藝及生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)合理,滿(mǎn)足高水分玉米工業(yè)自動(dòng)化300t/d生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求。
(2)真空干燥品質(zhì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熱風(fēng)烘干品質(zhì),較好地保證了玉米原有品質(zhì)。
(3)同當(dāng)?shù)?5臺(tái)玉米熱風(fēng)烘干機(jī)相比,煤耗明顯低于同氣溫工作的常壓熱風(fēng)干燥,節(jié)能30%左右。
(4)干燥溫度低、干燥速度快,明顯快于常規(guī)熱風(fēng)干燥,顯示出強(qiáng)大的生命力。
本文真空低溫干燥技術(shù),為類(lèi)似性能產(chǎn)品的干燥以及研制500t/d以上大型真空低溫干燥生產(chǎn)線(xiàn)提供了經(jīng)驗(yàn),具有一機(jī)多用途及*的環(huán)保節(jié)能功效與創(chuàng)新性。在同類(lèi)谷物產(chǎn)品干燥設(shè)備中居地位。真空低溫干燥裝置的研制成功,受到國(guó)家糧食、飼料、食品、化工、環(huán)保等相關(guān)行業(yè)的高度重視,具有較大的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)價(jià)值。