（化学工艺专业论文）复合肥料的微波干燥研究.pdf

复合肥料的微波干燥研究 摘要 我国是一个人口大国，粮食问题一直是各个时期备受政府关心的重要问题。 提高粮食产量的根本办法是提高单位面积粮食产率。在提高作物单产的诸多因素 中肥料的贡献率大约为4 0 一7 0 。可见化肥在这方面的作用是举足轻重的。在今年 举行的十届全国人大一次会议上，朱镕基总理的报告中提到将来的五年内需要解 决的中心问题之一就是“三农”问题，即农业、农村、农民的发展问题。作为与 农业和农民有着密切关系的化肥行业无疑将会迎来更大的发展机遇。 干燥是复混肥料生产中的一个重要工序，往往成为产品产量和质量的制约因 素。干燥过程的特点是传热和传质并存，相互影响又相互制约。复肥干燥过程存 在着许多不利因素和问题。针对这些问题不少专家学者提出了很多解决办法。本 论文研究了复合肥料微波干燥的特点和工艺条件，在降低相对干燥温度的同时降 低干燥成本，简化操作过程。 微波加热不同于一般的常规加热方式，后者是由外部热源通过热辐射由表及 里的传导式加热。微波加热是物料在电磁场中由介质损耗引起的体加热。由于复 肥中的水分介质损耗较大，能大量吸收微波能并转化成热能，因此肥料的升温和 蒸发是在整个肥料中同对进行的。肥料在微波场中的温升情况与其有效介电常数 有关，尽管大多肥料的介电常数都比水要小的多，也要防止出现热失控现象。常 用基本肥料( 如尿素、磷酸一铵、磷酸二铵、过磷酸钙和氯化钾等) 在微波场中 的温升曲线表明，在5 1 0 w 的微波功率下受热2 5 r a i n 其温度将达到或超过8 0 ( 氯 化钾除外) 。过磷酸钙因含水量高温升速度显著提高，这给干燥过程的控温带来不 便。这表明利用微波干燥复肥时应慎重选择微波功率和干燥时间。 复合肥料微波干燥的影响因素很多，除物料本身的特性对干燥的影响以外， 有空气温度、带走水份的空气速度，物料形状、大小、料层的厚度、微波功率等 因素对干燥速度的影响。实验对其主要因素进行考察，这些因素有：风温、干燥 物料量、微波功率、微波作用区间和物料在微波炉中的停留时间。对这些因素分 别在四个水平上进行试验。结果表明：各因素对干燥过程影响大小的顺序为：微 波作用区间、风温、微波功率、物料量和停留时间，重复实验结果与此相同。其 中前三种因素对平均干燥速率有显著影响。进行复肥微波干燥进一步实验的最优 条件为：强制对流空气的温度为4 0 ( 2 左右，干燥过程中使用微波，微波功率为i o o w 郑州大学硕士论文 2 i ： 2 ：i 2 j 誊：! 生坚兰! i ：2 譬：彗：l 三：g 垫：望：i ：罂 业 到2 0 0 w ，间歇干燥时物料处理量为l o o g ( 约1 0 e , c m 2 ) ，干燥时间在l o m i n 左右。 对分布在高、中、低三个不同的品位上兼顾高氮、高磷和高钾三种营养元素 的三种复肥进行微波干燥实验。实验表明：复肥的微波干燥因其水分存在形式及 移出形式的不同而经历三个阶段一一表面蒸发和分子扩散阶段、分子扩散与内部 蒸发同时进行阶段( 称为热湿扩散阶段) 和微速干燥阶段。复合肥料的微波干燥 温度可控制在6 0 以下。实验使用的微波功率为7 5 w ，可在1 5 m i n - 2 0 m i n 内将复 合肥初始含水量在5 一8 之间的半成品干燥至含水量在2 以下。尽管在干燥过程 中养分有损失，但养分最大损失率不超过5 。与其相比，常压烘箱干燥要达到同 样的干燥要求需要2 h 。复肥的微波干燥表现出快速、保质、节能和环保等特点。 最适用于复肥微波干燥的回归曲线的方程列于式( 1 ) 。 m r ：a 2 + 兰嘻 ( 1 ) f h 、 1 + p t t o 是曲线的拐点，也即最大干燥速率时间点。最大干燥速率计算式为式( 2 ) 。 ( 宁d m r 一等 ( 2 ) 从式( 2 ) 可以看出，最大干燥速率由a 2 与a i 的差和b 的比值决定。a 2 是干燥 所能达到的极限水分，a 2 的大小决定了干燥所能进行的程度，a 2 越小干燥进行的 越彻底。达到干燥要求妒所需要的时间t 一：由式( 3 ) 计算。 咄川。鲁 在时间区间【o ，t ：】内平均干燥速率用式( 4 ) 计算。 d m r l ；一丝竺i f 4 ) d t i a v e r a g e 2 t o 2 t o 。+ 1 ” 干燥过程中微波的作用越突出，曲线的拟合程度越好。 由于复肥的微波干燥过程中存在水分直接蒸发即热湿扩散作用，因此用式( 5 ) 描述其水分传递过程。 警叫c 等+ 詈警+ 占亭弓和 式( 5 ) 右边第二个圆括号内的量表示由温度差引起的水分传递。水分边界条件 i i 复合肥料的微波干燥研究 = ! ! ! ! = 尘些些垒垒鎏些娄型鎏尘些尘当垒些当! ! = 一 列于式( 6 1 。 h m ( m , - m 扣d 剽 ( 6 ) 咖f ，；r 、7 微波的特定加热方式相当于复肥内部有内热源，并且复肥吸收的热除用于升 温外还用于水分直接蒸发。复肥微波干燥的热传递过程用式( 7 ) 描述。 8 r ，8 2 f 28 f 、l0 m 只 写_ 2 口( ；= f + 了石) + 万a + j j ：(7)t a i 、a r 2r 钟cc d 、j 温度边界条件列于式( 8 ) 。 h r ( l t o ) = k 等l ( 8 ) 卯i ，； 利用显式有限差分对以上复肥微波干燥的质热传递方程组进行求解。求解结 果与实验值进行比较，温度平均相对偏差不超过7 ，最大相对偏差不超过1 4 ； 水分平均相对偏差不超过1 0 ，最大相对偏差不超过2 0 。鉴于微波作用下质热 传递的复杂性本文所作的模型与其它模型相比更接近其真实情况，可以用于复肥 的微波干燥过程的模拟。对以上求解结果进行曲线回归，得出温度曲线的方程列 于式( 9 ) 。 t = a + b l t + b 2 t 2 + b 3 t 3 ( 9 ) 水分曲线的方程同式( 1 ) 。这与实验数据的回归结果相一致。 关键词复合肥料；微波；干燥；模型 i l i 郑州大学硕士论文 二竺苎! = = 樊鬯些些尘些望些些筌垫些些些竺= = 一 a b s t r a c t t h e r ei sag r e a t p o p u l a t i o n i no u rc o u n t r y o u r g o v e r n m e n tp a y sm u c ha t t e n t i o no n s o l v i n gf o o dp r o b l e m t h ef i m d a m e n t a lm e t h o dt oi m p r o v ef o o dy i e l di st or a i s et h e o u t p u to n u n i ta r e a f e r t i l i z e r sa c c o u n tf o r4 0 - 7 0 i ni m p r o v i n gt h ef o o du n i to u t p u t a n dp l a yag r e a tr o l ei ns u c hr e s p e c t r e p o r to fp r i m e rz h uo nt h et e n t hn a t i o n a l c o m m i t t e et h i sy e a rd e c l a r e st h a td i s s o l v i n g “s a n - n o n g p r o b l e mi st h ec e n t e rt a s ki n t h en e x tf i v ey e a r s f e r t i l i z e r i n d u s t r y , w h i c hc l o s e l yr e l a t e st oa g d c u l t u r ea n dp e a s a n t s ， f a c e san e w o p p o r t u n i t y a sa n i m p o r t a n tp r o c e s s i n p r o d u c i n gc o m p o u n df e r t i l i z e r s ( c f ) d r y i n g d e t e r m i n e st h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo ft h ep r o d u c t s m a s sa n dh e a tt r a n s f e rb o t he x i s t a n da f f e c tw i t he a c ho t h e ri n d r y i n gp r o c e d u r e p r o b l e m s a n d d i s a d v a n t a g e s i n t r a d i t i o n a lp r o c e s so f d r y i n gc f a t t r a c ta t t e n t i o no f e x p e r t sa n ds c h o l a r s t h u sv a r i o u s d i s s o l u t i o n sa r ep u tf o r w a r d 1 1 地c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o c e s sc o n d i t i o n so f d r y i n gc f b ym i c r o w a v ea r es t u d i e di nt h i st h e s i s m i c r o w a v ed r y i n gc a nr e d u c et h et e m p e r a t u r e a n dt h ec o s ta tt h es a m et i m e m i c r o w a v eh e a t i n go c c u r si nt h ew h o l eb o d yo ft h em a t e r i a l ，w h i c hd i f f e r sf r o m t h ec o n d u c t i o nh e a tt r a n s f e ri nt r a d i t i o n a lh e a t i n gs y s t e m s i n c ew a t e ra b s o r b ss t r o n g l y t h ee n e r g yo f m i c r o w a v e t e m p e r a t u r er i s ea n dv a p o r i z i n g o c c u ri nt h ew h o l e b o d y o f t h e f e r t i l i z e r s a l t h o u g ht h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fc f i s m u c hl e s st h a nt h a to fw a t e r c e r t a i nm e a s u r e ss h o u l db et a k e nt oa v o i dt h e r m o - r u n a w a y b e h a v i o r si nm i c r o w a v e r a d i a t i o no ff u n d a m e n t a lf e r t i l i z e r s ( s u c ha su r e a , m a p , d a p , s s pa n dk c l ) a r es t u d i e d t h e i rt e m p e r a t u r e sr e a c ho rs u r p a s s8 0 ca f t e rb e i n gh e a t e df o r2 5m i n u t e si n m i c r o w a v eo v e ne x c e p tk c l t h em i c r o w a v ep o w e ra n dt h ed r y i n gt i m es h o u l db e c a r e f u l l yc h o s e n t oc o n t r o lt h e t e m p e r a t u r e 。 m a n y f a c t o r sa f f e c tt h ep r o c e s so f d r y i n gc eb ym i c r o w a v e e x c e p tt h en a t u r eo f t h e m a t e r i a l i t s e l f a m o n g t h e s e f a c t o r s a r ea i r t e m p e r a t u r e ，a i r v e l o c i t y o f f l o w , t h es h o e ， t h i c k n e s sa n dq u a n t i t yo ft h em a t e r i a la n dm i c r o w a v ep o w e r w es t u d i e dt h em a i n f a c t o r st h r o u g h e x p e r i m e n t s t h e y a l ea i rt e m p e r a t u r e ，q u a n t i t yo fm a t e r i a l ，m i c r o w a v e p o w e r , i n t e r v a l so f m i c r o w a v ea n dd r y i n gt i m e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e d a m o n gt h e s ef a c t o r so nf o u rd i f f e r e n ti e v e l s n l er e s u l ts b o w s t h a tt h es e q u e n c ef r o m b i g t os m a l lo ft h ed e g r e et h e ya f f e c tt h ea v e r a g ed r y i n gr a t ei sa sf o l l o w s ：i n t e r v a l so f m i c r o w a v e ，a i rt e m p e r a t u r e ，m i c r o w a v ep o w e r , q u a n t i t yo f m a t e r i a la n dd r y i n gt i m e i v 复台肥料的微波干燥研究 i 坐璺2 ：! 12 9 ：g ! ：罂2 ：坚! ：! ! 罂2 坠坚 暨! ：竺：圣2 璺 苎i ： r e p e a t i n ge x p e r i m e n t sg a i nt h es a m er e s u l t 1 1 1 ea n t e r i o rt h r e ef a c t o r sa f f e c tg r e a t l yo n t h e a v e r a g ed r y i n gr a t e t h eb e s t c o n d i t i o n st om a k ef u r t h e r e x p e r i m e n t s a r ea i r t e m p e r a t u r eo f4 0 c ，m i c r o w a v ep o w e ro fi o o w t o2 0 0 w ，h a n d l i n gc a p a c i t yo f1 0 0 9 ( a b o u t1 o g c m 2 ) p e rb a t c ha n dd r y i n gt i m eo f 10m i n u t e s t h r e ee x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt od r yc f _ o f h i g h i n t e r m e d i a t ea n dl o wg r a d e s w i t ht h e i rn u t r i e n t so fl a j l g hn ，h i g hp 2 0 5a n dh i 曲k 2 0 m i c r o w a v ei su s e di ne a c h e x p e r i m e n t n l ed r y i n gp r o c e s s h a st h r e e s t a g e s o fm o l e c u l ed i f f u s i o n p h a s e t h e r m a l - m o i s t u r ed i f f u s i o np h a s ea n dm i c r o r a t e d r y i n gp h a s e 1 1 1 et e m p e r a t u r eo f d r y i n gc f b ym i c r o w a v e c a nb ec o n t r o l l e du n d e r6 0 c am o i s t u r ec o n t e n to f5 - 8 c a nb er e d u c e dt ob e l o w2 w i t h i n1 5 m i nt o2 0 m i n b ym i c r o w a v e o f7 5 w t h el o s e r a t eo fn u t r i e n t si sb e l o w5 c o m p a r a b i l i v yt e s t so nd r y i n gt h es a m es a m p l e si n a t m o s p h e r i cd r y i n g o v e ns h o wt h a ti tt a k e s2h o u r st or e a c ht h es a m e r e q u i r e m e n t s 1 1 1 e m e r i t so f d r y i n g c f b ym i c r o w a v e i n c l u d ef a s td r y i n g ，h o l d i n gt h eq u a l i t y , s a v ee n e r g y a n dn o p o l l u t i o n t oe n v i r o n m e n t t h e p r o p e rr e g r e s s i o n c n r v ei ss h o w ni ne q u a t i o n ( 1 ) 脚：正+ 蝉( 1 ) 一t - - 1 0 1 + eb t 0i st h ei n f l e c t i o np o i n to f t h ec u i n ea sw e l l 觞t h ep o i n t o f t h em a x i m a ld r y i n gr a t e e q u a t i o n ( 2 ) t e l l s h o wt oc a l c u l a t et h em a x i m a ld r y i n gr a t e ：生2 = 鱼 4 b ( 2 ) a si ss h o w ni ne q u a t i o n ( 2 ) ( a 2 a t ) sd e t e r m i n e st h em a x i m a ld r y i n gr a t e a 2i s t h el i m i to f t h el o w e s tm o i s t u r ec o n t e n t t h ef i n a ld e g r e eo f d r y i n g i sd e t e r m i n e db ya 2 pi so u rd r y i n gt a r g e t t or e a c ht h et a r g e tn e e d sap e r i o do f t i m eo f t a 2 t a 2 c a nb e c a l c u l a t e db ye q u a t i o n ( 3 ) 互一口 = ”胁等a 2 ( 3 ) t h e a v e r a g ed r y i n g r a t ed u r i n gt i m e i n t e r v a l 【0 ，t 】c a n b ec a l c u l a t e db ye q u a t i o n ( 4 ) d m r i ：一丝竺土 d t l p 2 t o e 鲁+ l t h e l o r em i c r o w a v ea f f e c t i o nb e h a v e s t h eb e t t e rt h er e g r e s s i o nc u r v e f i t s v ( 4 ) ! ! = = = = 尘娑些些尘些婆些坚垡墼尘些些婆= = = 竺一 e q u a t i o n ( 5 ) d e s c r i b e st h em e c h a n i c so f m o i s t u r et r a n s f e r 詈- d 【肾0 2 m + ，20 咖m ) 州矿0 2 t + 詈勃 ( 5 ) v a r i a b l e si nt h es e c o n d p a r e n t h e s e s o nt h er i g h to fe q u a t i o n ( 5 ) r e f l e c tt h e t h e r m a l m o i s t u r ed i f f u s i o n m o i s t u r eb o u n d a r yc o n d i t i o ni sl i s ti n e q u a t i o n ( 6 ) ( m ，一m 。) = ( 6 ) t h e s p e c i a lh e a t i n gm a n n e r o f m i c r o w a v ea c t sa sa ni n t e r n a lh e a ts o u r c ei nt h ec f c f a b s o r b sm i c r o w a v et or a i s ei t st e m p e r a t u r ea sw e l l 嬲t om a k et h ew a t e r v a p o r i z i n g d i r e c t l y t h eh e a tt r a n s f e rm e c h a n i c si sd e s c r i b e d i n e q u a t i o n ( 7 ) 堡：口( 罂+ 三驾+ 三坐+ 墨 百础矿+ 7 一+ 石百+ 亩 t h et h e r m a l b o u n d a r yc o n d i t i o ni sl i s t e di ne q u a t i o n ( 8 ) 玛( 7 , - t o m 乱 ( 8 ) s o l v et h ee q u a t i o ng r o u pw i t he x p l i c i tf i n i t ed i f f e r e n c ec a l c u l u s c o m p a r et h e s o l u t i o n 、航t l lt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s w ef i n dt h a tt h ea v e r a g ea n dm a x i m a lr e l a t i v e d e v i a t i o n so ft e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l yd on o te x c e e d7 a n d1 4 t h o s eo ft h e m o i s t u r ec o n t e n ta r e1 0 a n d2 0 i n r e s p e c tt h a tt h em e c h a n i c so fm a s sa n dt h e r m a l t r a n s f e ro fd r y i n gc f b y m i c r o w a v ei sv e r yc o m p l i c a t e dt h em o d e le s t a b l i s h e dh e r ei sm o r ec l o s et o a c t u a l s i t u a t i o nt h a no t h e rm o d e l s i tc a l lb eu s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so f m i c r o w a v ed r y i n g t i l cr e g r e s s i o nc 1 l r v eo ft h et e m p e r a t u r ed a t ag a i n e df r o mt h es o l u t i o nt ot h ee q u a t i o n s a b o v ei sl i s t e di ne q u a t i o n ( 9 ) t = a + b l 州j 2 t 2 + b 3 t 3 ( 9 ) t h er e g r e s s i o nc n r v eo ft h ec a l c u l a t e dm o i s t u r ec o n t e n t si st h es a m ea se q u a t i o n ( 1 ) k e y w o r d s c o m p o u n d f e r t i l i z e r ；m i c r o w a v e ；d r y i n g ；m o d e l v i 复台艇料的搬渡千燥研究 ! ! ：，! ! ! ! ，! !：磐翌箸2 型虫! 盥：罂! ：盟罂毪! ：罂i 罂拦2 ：墨翌 兰磐 i 弓l 言 1 1 复脆干燥过程中存在的问题 我国是一个人日大国，粮食淘嚣一盛是各个时期备受政搿关心酌重要闻题。 虽然经几十年的鼹辛努力，全国墨基本解决了温饱翘题，餐随着我曩人嗣静不敝 增长，耕地甏积豹丑蕴减少，粮食阏题仍然是我们必须瑟对的重大闼题。恧提离 粮食产量的投本办法是提态单位蘧毅粮食产率。在提高作物单产豹诸多因素中肥 料鲍赞献率大约为4 0 - 7 0 “1 。可见化肥在这方蘧的馋用是举足轻重的。在今年举 行的十届全国人大一次会议上，朱铬基憨理的报告中提副将来的五年内需要解决 的中心问题之一就是“纛农”问题，即农业、农村、农民的发展问蹶。作为与农 业和农民有着密切关系的化腮行业无疑将会迎来更大的发展机遇。 近年来，随着科学施肥的需要和化肥消费观念的改变，复混肥料的增长带动 了复肥工业迅速的发展。截止2 0 0 1 年底，国魂复混肥料生产能力超过6 0 0 0 万吨， 实现纯养分产量约1 0 0 0 万吨。干燥趋复混肥料生产中的个重要工序，往往成为 产品产量和质量的制约西素。干燥过程的特点是传热和传质并存，稻互影响又榴 奠帝约。 在复混邑生产串采用豹干燥梳有西转式、气流振动式和远红井式等e 阐转 式予燥梳因机械亿稷度较高、揉作弹性大、适应性强等优点两得到广泛鹃应用n 在予缭撬串，物料与熟丧毛流童接接魅传热，要求豢；气流提供麴热量爨须满足怒料 蒸发水分靛需要。保持饬料与热气流问足够的温差霸物料在平燥提审有一定的停 衷1 i 嶷家标准对复嬲含承量驹要袋 t a b l e1 1n a t i o n a ls t a n d a r do i lc o m p o t t n d 觚i l k e r s 丽日l塑 ”8 裹浓度中浓度低浓度 总分( n + p 。o ；+ k 。o )l 4 0 03 0 0 2 5 0 水溶性磷占有效磷百分率； 7 0 5 04 0 水分( 如o ) s l 2 02 5 5 0 粒度( 1 0 0 4 7 5 r a m 或3 3 5 5 6 0 1 m ) i 9 09 0 8 0 塑堕王坚! 一! i ! ：生一一 _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ p 一一 郑州大学硕士论文 留时间，以使肥料中的游离水降低至复混肥标准( 见表1 1 ) 所要求的范围之内。 传统的这些干燥方法为外部加热法，其形式各异。这些方法要么设备庞大干燥 费用高，要么干燥速率低处理量小。因此，复肥干燥过程存在着许多不利因素和 问题。一，生产中、高品位肥料时水分难以达标或水分达标但氮损失较大，从而 燃料消耗高。二，因复肥在高温下熔融结块，干燥温度不能太高，因而干燥推动力 小干燥时间长：三，干燥装置庞大，车间占地面积大，生产率低；四，投资费用 大生产成本高。而复合肥料生产中的氮源主要是尿素( 尿素产量为氮肥总产量的 5 0 以上) 。尿素系热敏物质( 尿素的性质见表1 2 ) 1 2 ，对干燥过程中的温度要求 很严格。特别是尿素在和磷、钾肥混合后其低共熔点都低于纯物质的熔点。控制 温度成了干燥过程中突出的问题。 表1 2 纯尿素的性质 t a b l e1 2n a t u r eo f p u r eu r e a 针对这些问题不少专家学者提出了很多解决办法。不少厂家实行多级干燥， 提高热利用率；赵玉辰等还研制了专用复肥干燥剂以降低干燥机的负荷i j j 。人们也 没有停止对快速高效大容量的干燥装置的探索，国产的喷雾干燥装置，旋转快速 干燥装置，振动流化床干燥机，用蒸汽管传热的回转圆筒干燥机等已接近和达到 9 0 年代国际先进水平“3 。但这些干燥装置都摆脱不了装置体积庞大，前处理和后 处理工序复杂等问题。所有这些努力都起到了部分作用，但都不能从根本上解决 问题。近年来微波干燥工艺和装置在陶瓷、木材、涂料、食品、矿物、香料等行 业的成功应用引起了我所张宝林老师和他的同行们的注意。因此提出了一个大胆 的设想，决定将微波引进肥料工业。本论文所研究的问题就是这一设想的一部分。 1 2 微波干燥原理 微波是指波长范围为l m m 1 m 、频率范围为3 0 0 m h z - 3 0 0 g h z 、具有穿透能力 的电磁波。国际无线电管理委员会规定的民用微波频率有：4 3 3 m h z ，9 1 5 m l - l z ， 2 4 5 0 m h z ，5 8 0 0 1 d h z 和2 2 1 2 5 m h z 。国内通常用于加热的微波频率为：9 1 5 m i z 和 2 4 5 0 m h z 。微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波，通过波导输送到微波加 复合肥料的微波干燥研究 ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! 竺s t u d yo n d r y i n g c o m p o u n d f e r t i l i z e r sb j ：m i c r o w a v e r a d i = a t = i o n = ! ! ! = = 竺! ! = 竺 热器，需要加热的物料在微波场的作用下被加热。微波加热不同于一般的加热方 式，后者是由外部热源通过热辐射由表及里的传导式加热。微波加热是材料在电 磁场中由介质损耗而引起的体加热。这种加热是将电磁能转变成热能，其能量是 通过空间或媒质以电磁波形式来传递的。对物质的加热过程与物质内部分子的极 化有着密切的关系。介质对微波场的极化，表现为对电场电流密度的损耗。物质 的微波损耗与物质的介电常数有关，介电常数大的物质更易吸收微波。文献已有 报道的与复肥生产过程有关的各物质的介电常数列于表1 3 1 5 ，6 1 。 表1 3 几种物质的介电常数 t a b l e1 3d i e l e c t r i cc o n s t a n t so f c e r t a i nm a t t e r s 当含水物料被置于由微波发生器产生的电磁场中时，微波场以每秒几亿次的 高速周期地改变外加电场的方向。使水分子迅速摆动，产生显著的热效应，从而 使物料内部和表面温度同时迅速升高。因此微波可以在极短的时间内提高物料温 度或在相同的温度下加快反应速率”1 。 微波加热造就物料体热源的存在，改变了常规加热干燥过程中某些迁移势和 迁移势梯度方向，形成了微波干燥的独特机理。由于物料中的水分介质损耗较大， 能大量吸收微波能并转化成热能，因此物料的升温和蒸发是在整个物体中同时进 行的。在物料表面，由于蒸发冷却的缘故，使物料表面温度略低于里层温度，同 时由于物料内部产生热量，以至于内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度，如果物料 的初始含水率很高，物料内部的压力非常快的升高，则水分可能在压力梯度的作 用下从物料中排除。初始含水率越高，压力梯度对水分排除的影响越大，也即有 一种“泵”的效应，驱使水分流向表面，加快干燥速度。由此可见，微波干燥过 程中，温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向均一致，从而大大改善了干燥过程中的 水分迁移条件，当然要优于常规干燥。同时由于压力迁移动力的存在，使微波干 燥具有由内向外的干燥特点，即对物料整体而言，将是物料内层首先干燥，这就 克服了在常规干燥中因物料外层首先干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移 的缺点【8 j 。 基于以上原因微波干燥表现出许多优点。一，干燥速度快，干燥时间短a 由 于微波特殊的加热方式使物料温度短时快速升高，而体加热使湿度梯度同水分蒸 发方向一致，提高干燥推动力致使干燥时间非常短，一般可缩短5 0 左右或更多。 二，利于肥料、药物等对温度敏感的物质的低温干燥以保持物料的性质。微波对 郑州大学硕士论文 兰等亨三；号亨! d i s s e r t a t i o n f o r t h e m a s t e r d e g r e eo f z h e n g z h o uu n i v e r s i t y , = ! = = = 竺 物质的作用除有热效应以外，还可能有非热效应加速干燥过程。三，产品质量高， 微波加热温度均匀，表里致干燥产品可以做到水分分布均匀。四，微波还是节 能环保无公害型能源。微波源可即开即用，功率连续可调，过程易于控制，能源 利用率高，热能几乎全部作用在物料上，即不浪费能量又不污染环境。 1 3 国际国内研究状况和进展 1 3 1 微波干燥技术在国外的研究和应用 目前，国外微波干燥技术已在轻工业、食品工业、化学工业、农业和农产品 加工等领域得到应用。具体在造纸、陶瓷、木材、食品、沥青、污水处理、表面 活性剂、香料、矿石、药物、混凝土、涂料、油漆等方面进行研究和应用。 德国的j s u h m t g l 对微波干燥陶瓷等材料进行了研究。他认为由于被干燥物料 能量吸入各不相同，干燥过程各异。物料湿度大于1 5 时则没有实质性的不同。 在这种情况下，水分决定着干燥过程。湿度在5 到1 5 之间时，被干燥物质起着 重要的作用。如果物料本身能够吸收微波能，则其温度可以升高。此时介电常数 的温度相关性起着决定性作用。对某些化学舷来说，可以脱去化学结合水。进行 必要的材料试验可以确定能够达到所需温度。湿度低于5 干燥过程趋于缓和。他 得出确定微波干燥所需功率的一条经验规律是这样的：微波输入功率每增加l k w 可在l 小时内多蒸发掉l k g 的水分，只要开始水分含量充分这条经验规律就可行。 德国的s c h l e u s e n e r _ f l o l 进行了微波干燥大量水体的油漆试验，将几块薄木片涂 上层漆在微波中干燥，在1 5 小时内进行了2 0 个不同的干燥系列。在考虑了磁 电管的功率、物料的湿度、厚度、空气的湿度和温度以及木材的类型之后得出结 论：磁电管功率由低度到中度干燥时间从6 到8 分钟缓慢增加能够得到最佳效果。 英国的m c l o u g h l i n t “】研究了微波干燥药物粉的情况，认为尽管微波干燥技术 在多种工业应用中都证明是成功的，但药物对微波的吸收率仍然很低。由于药物 是温度敏感物质，因此其干燥状况应受苛刻条件的限制。微波对物质的加热效果 取决于介电损耗因数的大小。作者利用一种特殊的空气微波干燥系统测定了几种 常见的药物纯物质和两种组分系统的介电损耗因数。结果表明含有氨基和醋酸基 的药物有高介电损耗，而含有阿斯匹林基的药物都有低的介电损耗，但它们都比 试验用的溶剂水的介电损耗要明显的低。 南非s t e l l e n b o s c h 大学化工系的b r a d s h a w l l 2 】研究了微波加热在矿物处理中的 应用，认为许多矿石都吸收微波，而脉石则不吸收微波。 法国的l e d i o n t l 3 1 对微波加热大量水溶液时表现出的系列性能进行了研究。指 出微波加热可在瞬时改变碳酸钙的平衡，并研究了控温和进行选择性加热的方法。 复合肥料的微波干燥研究 _ 竺! 竺= 竺= 暑暑= s t u d y o n d r y i n g c o m p o u n 。df = e r t i = l i z e = r sb = ym = i c = r o w = a v = er = a d i = a t i o = n = = = = 竺竺竺 n i s e h e r 等l l 4 j 进行了微波干燥混凝土的试验。测定新混混凝土中水分含量，并 对微波干燥和常规干燥作了对比，结果表明混凝土混合后利用1 0 0 0 w 的微波源照 射9 0 分钟后可完全除去其中的水分。 微波干燥技术在国外的发展非常迅速，该技术在以上领域的应用大都达到了 工业应用的程度。 1 3 2 微波干燥技术在国内的研究和应用 我国微波干燥技术的应用始于7 0 年代初期，到目前已应用于轻工、化工及农 产品加工等方面。 最近，中山大学的李源英等【l5 】研究了微波加热方法分散浓缩合成荧光粉并申 请专利。在微波场的作用下驱使掺杂离子扩散进入荧光粉基质晶格中而合成荧光 粉。南京大学的郭学峰博士等【l6 】制造纳米级催化剂f e p 0 4 的过程中就利用微波进 行了处理。 杭州电予工业学院的胡建人等【i ”研究了微波快速烘干硅胶的生产工艺。将微 波干燥过程分为三个阶段( 快速驱除硅胶内部水分，逐步蒸发硅胶表面水分和高温 驱湿脱去化合水) 。经过这三个阶段的处理，硅胶呈强烈的深蓝色，可立即封闭保 存。整个过程大约需要9 0 1 2 0 r a i n ，远短于热力驱湿的2 4 4 8 h ，节省时间1 5 3 0 倍。 太原工业大学的赵庆玲等【i 列对微波干燥煤的情况进行了总结，认为随着煤等 级的上升，其介电常数和介质损耗因数是下降的，这是由于煤中固有的水分随着 煤等级的下降而增加的结果。煤的电导率也是随着等级的提高而下降的。对于同 等级的煤来说，随着湿度的提高，其介电常数和损耗因数增加，则干燥的速度也 就越快。她们对微波干燥褐煤的情况研究结果表明：微波干燥比对流干燥快1 到2 个数量级。 清华大学同方研究中心的马国远和西安交通大学的郁永章1 1 9 j 共同研究了热泵 微波联合干燥系统。他们先建立了一个数学模型得出各干燥参数的预测值，再利 用设计系统对泡沫橡胶进行干燥试验，以试验值与预测值进行比较从而得出结论： 与热泵干燥相比，热泵微波联合干燥可以提高产量，但单位能耗除湿量降低；通 过精心设计，热泵微波联合干燥在能量消耗方面可以做到与传统对流干燥相当。 2 0 0 1 年李成义【2 0 1 发明了一种药用蔗糖的生产方法。因原料甘蔗和甜菜的化学 组成相当复杂，除水分和糖分以外就有十几种非糖分，传统的药用蔗糖生产都要 经过二次加工。该发明包括从种植到制剂的全部连续性过程。 其中的干燥过程 是利用微波干燥技术，保证了产品的质量和卫生条件。 可用微波进行干燥的其它产品类型很多，像瓜果、蔬菜、肉类、海产品、中 兰亨号；竺竺些尘垫鬯坐坚墅笙垒型些些些= = ! 一 药材、动植物标本等。研究表明微波干燥能够最大程度的保留物料中原有冉勺营养 成分。例如，晒干青菜的维生素、叶绿素等营养成分只能保留原有的3 ，阴干可 以保留1 7 ，热片快速干燥可保留4 0 ，f d 真空冷冻干燥可以保留到7 0 以上， 微波升华干燥的有效成分可以保留到9 7 ，因此被称为不变性脱水。 1 4 本文研究的目的和意义 鉴于复肥干燥生产中存在的问题和微波干燥的特点提出本课题。拟探索微波 干燥复合肥料的特点和工艺条件，以期能低温高效地干燥复肥并降低干燥成本简 化操作过程。 化肥工业是国民经济的支柱产业之一，我国是世界第化肥生产和消费大国。 2 0 0 0 年，我国的化肥产量为3 1 8 5 7 万吨，其中氮肥为2 3 9 8 1 万吨，磷肥为6 6 3 0 万吨，钾肥为1 2 4 6 万吨，复合肥为7 3 6 7 万吨。2 0 0 0 年复肥占化肥总产量的2 3 1 ， 距3 0 的目标还有很大差距【2 1 1