一种膜法微波干燥系统的制作方法

本实用新型属于干燥设备，具体为一种膜法微波干燥系统。

背景技术：

干燥是利用热能除去固体物料中湿分(水分或者其它液体)的单元操作，其广泛应用于化工、食品、纺织、建材、冶金等行业，是工业生产中不可缺少的工艺过程；干燥是能源消耗大户，资料显示，英国6个工业联合企业用于干燥的能源消耗(折合标煤)，1978年是485万吨，美国每年用于干燥的能源消耗大约是1600万吨，约占其总能量消耗的12％，前苏联用于干燥的能量消耗大约占其总燃料消耗量的15％，全球每年用于工业和居民干燥用的能源消耗占各种能源消耗量的10％以上，而不合理的干燥形式造成的能源消耗却占总干燥能耗的30％以上。各国每年消耗在干燥工艺上的能源占总燃料消耗的10～20％不等；迄今已装备工业过程的干燥工艺中，均普遍存在热效率低下的问题，以普遍使用的连续对流干燥为例，英国能源审计署的资料显示，其连续对流干燥器热效率为50％左右，而我国同类型的干燥器热效率仅为30％，与发达国家相比，有很大的差距，也因此，节能潜力巨大，在能源紧缺的今天，开发节能型干燥工艺具有现实意义。

进入21世纪，能源危机一直是困绕全人类的核心问题，全球节能是当今世界的主旋律，尽管新技术、新材料的采用在一定程度上缓解了能源的消耗速度，但没有从根本上解决各种能源正面临枯竭的现实，不断开发和利用新的能源也没有真正从根本上解决能源危机，实际上，目前来说，有效的节能才是真正缓解能源危机的直接途径。

在能耗最大的建材、化工、冶金等行业中，干燥能耗所占的比重很大，有关资料显示：在这几个行业，干燥能耗占总能耗的到20％以上。干燥效能的高低，是制约行业发展的主要因素之一，在传统的几大能耗较大的行业中，干燥方式大部分仍然采用的均为常规的干燥形式，干燥周期长，能效较低，干燥的设施庞大、干燥费用高，与国外发达国家相比干燥过程中的热量利用率不足发达国家的75％，干燥速度不到发达国家的50％，干燥技术没有大的更新和突破，大部分企业对干燥新技术的认识几乎是一片空白，还停留在二十世纪九十年代的水平，效率低下的干燥过程已经严重影响了企业的发展。2005年，咸阳陶瓷研究设计院对我国的陶瓷行业的能耗情况做了广泛的调查，在陶瓷行业整个生产过程的各个环节上，物料和半成品的干燥以及产品的烧成占企业总能耗的90％左右，其中用于干燥的能耗占25～30％左右，从理论上计算，产品烧成的窑尾余热已足够用作物料和半成品的干燥，但实际上缺口很大，尤其冬季在北方地区，所有的生产单位都采用不同的方式补充干燥用热量，如锅炉、燃气和燃煤热风炉等。冶金和化工行业也存在着类似的情况。有关专家提示：能否有效解决这几个行业生产过程中的干燥问题，是这些行业在国际竞争中的生死存亡的大事。

我国是世界上庞大的能源消耗国，每年用于干燥方面的能量消耗虽然没有精确统计，但估计也在15～20％之间，建材、冶金、化工等几大能源消耗行业中，用于干燥的消耗占总消耗量的20％左右，干燥消耗所占总成本在5％以上，而干燥消耗中能源利用率却不到50％，几乎50％的能量得不到有效利用，干燥效率低下，为了维持生产平衡构建的庞大的干燥系统既增加了投资，也增加了设备维修费用和运行成本，降低了企业竞争力，同时，大量的干燥工质废气的排放对周围环境还容易造成严重的污染。可以说，低能效干燥在很大程度上影响和制约着这些行业的发展。因此，采用一种既快速又节能的干燥技术对于降低这些高耗能企业的能源消耗、改善环境具有极其重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种膜法微波干燥系统，解决现有干燥设备中能源消耗大等问题。

本实用新型的技术方案是：

一种膜法微波干燥系统，该系统设有微波干燥箱、膜组件、真空泵、气水分离装置，微波干燥箱内的膜组件通过管路与真空泵连接，真空泵通过管路与气水分离装置连接，气水分离装置通过管路连至微波干燥箱。

所述的膜法微波干燥系统，微波干燥箱设有干燥箱体，干燥箱体内通过水平设置的多孔不锈钢板ⅲ隔成上下两部分，上部分干燥箱体内的侧板上设置膜组件，下部分干燥箱体底部两侧安装微波加热器ⅰ、微波加热器ⅱ，微波加热器ⅰ以多孔不锈钢板ⅰ加以隔离，微波加热器ⅱ以多孔不锈钢板ⅱ加以隔离，干燥箱体底部安装搅拌风扇，干燥箱体顶板安装温度计，干燥箱体侧板安装湿度控制器、温度控制器，微波加热器通过控制线路与湿度控制器、温度控制器相连接。

所述的膜法微波干燥系统，膜组件的膜组件混合气体出口通过混合气体进入管连至真空泵的出气口，真空泵的排气口通过混合气体进入管道连至气水分离装置的混合气体进口，气水分离装置的循环热气体出口通过循环热空气进入管连至微波干燥箱内。

所述的膜法微波干燥系统，气水分离装置设有循环热气体出口、混合气体进口、冷凝水排出口，真空泵通过混合气体进入管道连至气水分离装置的混合气体进口，气水分离装置的循环热气体出口通过循环热空气进入管连至微波干燥箱内，冷凝水排出口设置于气水分离装置底部。

众所周知，常规的加热干燥的过程就是将水分从水吸附体排出的过程，这一过程可以大致分为四个大的阶段：

第一阶段：水分吸附体从环境中吸收热量，提高自身的温度，使吸附体内的水分子活动加剧；

第二阶段：吸附体内部的水分子向吸附体表面扩散和转移；

第三阶段：吸附体表面的水分子从液态向气态(水蒸汽)的转化而脱离吸附体；

第四阶段：水蒸汽排出。

一般情况下，这四个阶段不是孤立脱节进行的，是在相互制约的不同条件下同时存在的，不同的条件对各个阶段的影响是完全不同的。

从干燥机理上来说，最好的干燥过程就是在最短的时间内以最少的能量消耗将水分从水吸附体内排出的过程，而加载了膜分离技术的干燥过程更有效的降低了工质热能损失。

常规的加热干燥，其本质就是持续向吸附体提供热量，长时间维持吸附体本身的温度，不断满足吸附体内部水分向吸附体表面转移所需要的热动力，促进水吸附体内部的水分向吸附体外表面的转移，同时满足转移到吸附体外表面的水分转变成水蒸汽所需要的热能，使水转变成水蒸汽而脱离吸附体。在这个过程中，一定时间段内提供的热量越多，吸附体本身的温度升高的速度越快，越有利于干燥的快速进行，为促使这一过程的实现，加速干燥的进程，同时也需要加强干燥器中的气体流动，更有效的实现吸附体对能量的吸收，在有效加热吸附体本身的温度的同时，促使水蒸汽快速从吸附体表面向干燥环境中的转移，促进吸附体表面的水分快速转化成水蒸汽。

这些都是理想干燥过程必备的基本条件，其目的是使干燥热源的热能得到充分有效的利用，快速提高水分吸附体本身的温度，促进水分从吸附体内部向吸附体表面的转移以及吸附体表面的水分向水蒸汽的转化，然后在一定条件下将水蒸汽与空气的混合气体一同排出，从而达到干燥的目的。

国内外众多的已知干燥工艺大部分均在这四个阶段中进行相应的改进，尤其是：常规干燥系统排出的具有高温、高湿的水蒸汽与空气的混合气体，直接排到大气将带走大量的显热与潜在热能，所损失的热能只能通过干燥热源进一步加以补充，如果能将这部分的热能加以回收利用，无疑是极具价值的，针对这项能源的回收工艺改良，一直是众多学者研究开发的新课题。

空气作为常用的友好干燥工质，其与水分的分离一直是研究者关心的课题，在相同干燥条件下，及时将转化的水蒸汽与空气分离而脱出，在降低干燥器内工作介质相对湿度同时，也降低干燥器内的水蒸汽的相对压力，也在很大程度上加强了吸附体表面的水分向水蒸汽的转化。常规的干燥过程可以做到将水蒸汽与空气的混合气体利用强抽风的方法同时快速排出，但由于在排出混合气体的同时也排出了大量的高温空气，势必浪费了大量的热能，同时也相对延长了干燥的时间。因而采取一定的措施，在干燥过程中，及时排除水蒸汽的同时，不排出热空气或者少排出热空气，既能减少干燥器中的相对湿度降低干燥环境的压力，加快水分的排出与水分向水蒸汽转化的速度，又尽量减少由于热空气的排出而带走的热量损失，当然是一种理想的干燥方式。

在干燥过程的四个阶段中，对干燥能耗和速度起瓶颈制约的环节是干燥的最后一个阶段，一种情况是大量的水蒸汽得不到及时的排除而严重影响吸附体内部的水分向吸附体表面的析出和扩散，另一种情况是大量的混合气体的排出带走大量的热量，从而增加热源的加热负荷，延缓加热的速度。

随着气体膜分离技术在上个世纪80年代的飞跃发展，能够解决干燥技术的瓶颈问题的膜材料的开发成功使得这项技术实施成为可能。“膜法节能新型干燥技术”就是利用在常规干燥过程中加载膜分离系统，实施这一个理想的干燥过程，达到节能、快速、环保的效果。膜技术是一种被广泛应用于“气---气”、“气---液”“液---液”分离的技术，利用不同的膜对不同物质选择通过的特点，实现不同物质的有效分离。“膜法节能新型干燥技术”是在常规干燥过程的第四阶段加载“空气----水蒸汽”或者“工质---水蒸汽”膜分离系统取代原有的自然正压排汽和机械强制排汽方式，利用真空将热空气与水蒸汽的混合气体强制送入膜组件，利用膜对水蒸汽优先通过的特性，将水蒸汽排出干燥器，在这一个过程中，水蒸汽透过膜的速率是工质的50～500倍，大量的水蒸汽透过的同时，只有很少一部分热工质气体被排放到干燥器外部，之后，通过气水分离装置将水蒸汽与热工质冷凝分离，水蒸汽变成水加以收集，小部分空气排放到大气。针对不同工质气体，采用不同的膜材料对蒸汽与工质气体分离，在水蒸汽排除带出的部分工质也可以回收利用，比如，循环进入干燥工质，或者收集，从而实现严格的环境保护或者依赖回收昂贵工质创造附加效益。

本实用新型膜法微波干燥系统的工作原理是：

膜技术是一种广泛应用于气相-气相、气相-液相、液相-液相分离与提纯的成熟技术。本实用新型膜法微波干燥系统是利用同环境条件下，空气与水蒸汽在一定压差下对选择性膜不同的渗透速率(同条件下水的透过速率是空气200倍以上)实现水蒸汽与空气的分离，实施对物品在短时间内的有效干燥。为实现物品的快速干燥，首先实现水分向水蒸汽的快速转化，本实用新型配备较小功率、自动可调的微波加热器对被干燥物品按照设定的程序进行间接加热，始终满足膜在最高效率下工作。膜在真空泵的抽力作用下进行工作，所排出的气体是热空气与水蒸汽的混合物，混合气体经泵排出后进入脱水装置，水被收集，热空气被送入微波干燥箱循环使用，从而达到节能的效果。

本实用新型的优点及有益效果是：

1、本实用新型适合于各种常规干燥，随着各种膜材料的开发与应用，膜法微波干燥系统适用干燥工质的种类越来越宽，作为一种节能型膜法干燥新技术，与较先进的热泵干燥、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，可广泛应用于建材、化工、食品、纺织、冶金等行业，对我国一些干燥过程高能耗的行业显示出巨大的经济效益。

2、本实用新型膜法微波干燥系统采用的膜分离技术是先进的气体分离技术，膜法干燥的实质是采用膜来实现循环工质中水气的快速分离，避免为降低工质露点排除部分工质而造成工质热能的大量浪费，进而取得可观的节能效果。

3、本实用新型膜法微波干燥系统的膜分离干燥技术几乎适用各种传统的干燥工艺改造，与热再生工质以及可再生能源应用于干燥过程方面将显示出其强大的应用前景，因为膜分离技术有更小的体积，更简单的操作方式，而真正装备常规传统的物料干燥工艺的则未见报道。

4、本实用新型采用膜分离技术构建干燥系统，结合干燥各个阶段的特点，以先进的膜分离技术对物料水分脱除取得了突破性进展，与传统干燥技术比较，可实现50％以上的节能以及更节省一倍的干燥时间。

(1)填补膜法干燥技术的空白

采用膜分离技术，可高效分离干燥工质中的水分，降低工质露点，促进干燥的进行。而且，工质水分以及部分工质组分气体能更有效的回收。

采用膜分离干燥技术，可与友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)节能效果

节能型膜法干燥技术可带来可观的节能效果，根据目前的测试结果，可节约能源＞50％。该项技术的应用，可缓解我国石油资源紧张形式，为中国的长期能源政策起到积极的作用。

(3)高效的利用资源

与传统的干燥技术比较，本系统具有更高的热效率，更好的经济性。

针对干燥工质，可做到工质回收，环保。

(4)市场广阔、前景乐观

节能型膜法干燥技术可应用并装备传统干燥工艺的改造，成本低廉，效益可观，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本实用新型工作流程图。

图2为本实用新型工作流程示意图。

图3为本实用新型膜法微波干燥系统一侧的结构示意图。

图4为本实用新型膜法微波干燥系统另一侧的结构示意图。

图5为本实用新型膜组件外型示意图。

图6为本实用新型气水分离装置结构示意图。

图7为本实用新型真空泵外型示意图。

图中，1微波干燥箱；2膜组件；3真空泵；4气水分离装置；5微波加热器ⅰ；6风扇；7微波加热器ⅱ；8干燥箱体；9温度计；10混合气体进入管道；11湿度控制器；12混合气体进入管；13循环热空气进入管；14温度控制器；15膜组件混合气体进口；16膜组件混合气体出口；17循环热气体出口；18混合气体进口；19冷凝水排出口；20排气口；21出气口；22多孔不锈钢板ⅰ；23多孔不锈钢板ⅱ；24多孔不锈钢板ⅲ。

具体实施方式

如图3-图4所示，本实用新型膜法微波干燥系统，主要包括微波干燥箱1、膜组件2、真空泵3、气水分离装置4，微波干燥箱1设有干燥箱体8，干燥箱体8采用绝热阻燃材料制作，膜组件2经硅橡胶软管与设置在干燥箱体8外部的真空泵3连接，水蒸汽、热空气混合气体经膜组件2从干燥箱体8的后面板通过硅橡胶软管引出，循环热空气从干燥箱体8的后面板引入。

多孔不锈钢板ⅲ24水平设置于干燥箱体8内，干燥箱体8内部通过多孔不锈钢板ⅲ24隔成上下两部分，上部分干燥箱体8内的侧板上设置膜组件2，下部分干燥箱体8底部两侧安装微波加热器ⅰ5、微波加热器ⅱ7，微波加热器ⅰ5以多孔不锈钢板ⅰ22加以隔离，微波加热器ⅱ7以多孔不锈钢板ⅱ23加以隔离，干燥箱体8底部安装搅拌风扇6，干燥箱体8顶板安装温度计9，干燥箱体8侧板安装湿度控制器11、温度控制器14，微波加热器通过控制线路与湿度控制器11和温度控制器14相连接。膜组件2通过混合气体进入管12连至真空泵3，真空泵3通过混合气体进入管道10连至气水分离装置4，气水分离装置4通过循环热空气进入管13连至微波干燥箱1内。

如图5所示，本实用新型膜组件2设有膜组件混合气体进口15和膜组件混合气体出口16，膜组件混合气体出口16通过混合气体进入管12连到真空泵3。本实用新型膜组件采用膜组件作为水蒸汽与热空气的分离基体，同样条件下，水蒸汽通过膜的速率是空气的200倍以上，饱和水蒸汽在真空泵的抽力作用下通过膜组件有选择性的渗透送入汽气分离装置。

如图6所示，本实用新型气水分离装置4设有循环热气体出口17、混合气体进口18、冷凝水排出口19，真空泵3通过混合气体进入管道10连至气水分离装置4的混合气体进口18，气水分离装置4的循环热气体出口17通过循环热空气进入管13连至微波干燥箱1内，冷凝水排出口19设置于气水分离装置4底部。本实用新型气水分离装置采用冷凝脱水和吸附脱水相结合的形式对水蒸汽和热空气的混合气体进行脱水处理，脱水效率可达90％以上，热气体重新被引入微波干燥箱1对干燥物品加热。

如图7所示，本实用新型真空泵3设有排气口20和出气口21，膜组件2的膜组件混合气体出口16通过混合气体进入管12连至真空泵3的出气口21，真空泵3的排气口20通过混合气体进入管道10连至气水分离装置4的混合气体进口18。真空泵3为本实用新型唯一的动力设施，为膜组件提供4：1压力分离比，实现最大限度的空气-蒸汽的分离效果。

如图1-图2所示，本实用新型膜法微波干燥系统一般的工艺流程如下：微波干燥箱------膜组件------真空泵------气水分离装置。其干燥过程如下：热源的热能在循环风的带动下，均匀加热被干燥的制品到一定的温度，其中的水分在持续加热的同时，一方面从吸附体内部向表面转移，另一方面，吸附体表面的水分进一步转化为水蒸汽到工质中。众所周知，吸附体本身温度越高，水分的排出与蒸发速度越快，为了实现此目的，需要提高加热功率或者加强工质的循环对流。同时，快速降低干燥工质本身的湿度，也有利于达到干燥的目的。为此，一般均需将湿度较高而带有较高温度的工质排向大气，这显然浪费了大量的能源。另外，外部环境大气本身的湿度较高时也不利于干燥过程的实施，利用膜对空气中水蒸汽的显著的分离效果，在真空泵抽力的作用下，空气中绝大部分水蒸汽通过膜而被分离到外界环境，水蒸汽冷凝后自然排除，而大部分热空气则再次被循环利用，显著而有效的回收了工质热能，更为重要的是，干燥工质在膜分离系统的作用下，快速的排除了水分，降低了本身的露点温度，从而实现了快速干燥以及节能的目的。

对于大部分行业来说，一般均采用空气作为工作介质，利用动力将干燥器中的工作介质搅动对流，不仅可以起到工作介质与干燥物充分的热交换和干燥物均匀受热的作用。而且起到均化干燥器内部湿度的作用，是有效利用有限热能、加速吸附体内部水分向表面转移以及水分汽化的有效措施。

将水蒸汽与热空气混合气体在收集并输送到膜组件加以分离，有效降低并维持工作介质较低相对湿度是加速干燥速度的保证。不同的干燥物的种类，以及干燥过程中的状态变化，特别是干燥物在干燥过程中扬尘，在一定的情况下会对膜表面的微孔造成堵塞，严重影响水蒸汽与热空气的分离效果。所以，必须在混合气体进入膜组件前对混合气进行有效的过滤，以保证膜持续、高效的分离效果。同时，一些行业在物料、半成品制作过程中需要加入一定量的有机物结合剂，一部分结合剂再干燥过程中会随着干燥的进行挥发到混合气体中，某些有机物结合剂对膜有溶解作用，需要在进入膜组件以前将其排除；或者，直接选择可以承受该组分腐蚀的膜材料。

本实用新型通过膜组件和真空泵的混合气体经过气水分离装置时，水蒸汽冷凝成液态水集中排放，或者回收利用，分离出来的热空气或者有价值工质回送到干燥器中。虽然通过膜分离系统后，混合气体中热空气的量或者有价值工质已大大减少，但对于大系统其热空气的总量还很大，其中有相当的显热可以利用，通过对热空气的回收不仅可以最大限度的利用热能，同时也避免了热空气的外排对环境产生的污染。

膜法微波干燥系统的膜分离技术是整个膜法微波干燥系统的核心技术，一般干燥理论认为，常规的干燥物料在干燥过程中大体上可以分为以下几个过程：

低温低湿过程：这个阶段水分吸附体本身的温度很低，热量通过吸附体本身从外部表面向内部传导，吸附体本身的温度逐渐升高，同时一部分水分通过吸附体本身的毛细孔和导管向外表面扩散，而逐步使吸附体外表面达到完全湿润状态。这个过程只有很少的水分由水分转化为水蒸汽，工作介质的湿度相对较低，在间歇式干燥器的常规正压自然排潮过程中有很少水蒸汽排出，同时也是膜分离效果较差的阶段。

低温高湿阶段：随着热源对吸附体的持续加热，大量的水分从吸附体内部扩散到表面吸附体体表面始终处于湿润状态，工作介质中相对湿度逐步增加而达到饱和状态，此时吸附体温度相对处于一个稳定的状态，热源持续提供的热能和水分转化成水蒸汽所需要的热能相对平衡，大量的水分转化为水蒸汽。常规干燥过程中，此阶段将有大量的水蒸汽排出，此阶段也是最有利于膜对热空气和水蒸汽分离的阶段。

高温低湿阶段：随着吸附体内部水分的逐步扩散，到一定的程度后，吸附体内部水分向表面扩散的速度低于表面水分转化成水蒸汽的速度，这个时期的外来部分热能将用于提高吸附体本身的温度，内部残余的水分将完全扩散到外表面，此时的外表面仍然处于完全湿润状态，水分向水蒸汽的转化依然继续，但水蒸汽量在逐步减少，仍然有水蒸汽持续外排，此时的膜分离效能将逐步降低。

高温干燥阶段：随着水蒸汽的的不断排出与分离，吸附体内部已几乎没有吸附的自由水分，表面的水分向水蒸汽的转化也基本结束，吸附体表面逐步由湿润状态变成干燥状态，工作介质中的水蒸汽已经排出殆尽，膜对水蒸汽与空气的分离已没有实际意义，持续的加热只是提高吸附体本身的温度，干燥过程结束。

从以上过程几个阶段的时间进程看：低温高湿阶段和高温低湿阶段持续时间较长，尤其对于含水率较高的干燥物，持续的时间更长。

膜法高效能干燥的特点就是在低能耗运行的过程中尽量缩短干燥时间。由于膜分离效能的最佳阶段就是低温高湿阶段和高温低湿阶段，那么进一步优化和完善此技术的关键点就是提高膜分离的性能。当然可以采用更有效的加热手段促使干燥过程尽早进入低温高湿阶段，但只有有效的分离技术才能提前结束高温低湿阶段，也是此技术效能最大化的体现。

以下就膜法干燥应用于粮食与木材干燥方面的市场情况简单分析如下：

粮食干燥推广方面，我国幅员辽阔，不同地区、不同作物的粮食产地干燥机械化存在较大差异性，目前我国现有粮食干燥机械生产企业约为300家，5万多台(套)干燥机械大部分效率低下，随着农业经济的发展，发展小型高效节能的小型膜法微波干燥系统具有良好的市场前景，年需求量在3000套以上。

木材干燥推广方面，木材干燥能耗占木材加工总能耗的50％～70％。注重干燥节能技术的开发，不仅有利于企业节约成本，而且符合国家创建节约型社会的规划要求，我国常规采用干燥窑的方法，产量小、效率低，能源利用率低下，发展膜法微波干燥系统以改良目前正在服役的干燥窑以及部分热泵干燥技术具有良好的市场前景，年需求量在3000套以上。

本实用新型节能型膜法微波干燥系统节能效果显著，设备回收期短，在煤炭、矿山、食品、化工、建材等高能耗企业具有广阔的市场以及良好的市场前景。