微波干燥技术在分子筛生产中的应用探索

1、微波干燥技术在分子筛生产中的应用探索程 志（湖南建长石化股份有限公司）摘要：本文对微波干燥技术在钛硅分子筛干燥过程中的应用进行了探讨。通过小试、中试及工业放大等一系列数据表明，微波技术能够在不影响分子筛产品性能的条件下，大幅缩短干燥时间，提高生产效率。作为微波技术在分子筛行业的首次成功应用，为将来这一技术的推广和改进提供了良好的借鉴。关键词：微波技术 钛硅分子筛 干燥 应用微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波（波长1m 1mm），通常是作为信息传递而用于雷达、通讯技术中，我国目前用于工业加热的微波频率主要为2450兆赫。微波在化工业的研究是一门新兴的前沿交叉学科，其主要应用对象有：玻璃

2、纤维、化工原料、各种陶瓷氧化锆、纳米氧化铁、正温度系数（PTC）热敏材料陶瓷元器件及蜂窝式PTC元器件等。1 微波加热原理通常，介质材料由极性分子和非极性分子组成，在微波电磁场作用下，极性分子就引起极化，变成偶极子。按照电场方向定向，由于该电场属于交变电场，所以偶极子便随着电场变化而引起旋转和震动，产生了类似于分子之间相互摩擦的效应，从而吸收电场的能量而发热，物体本身成为发热体。在这一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能，使介质温度出现宏观上的升高，这就是对微波加热最通俗的解释。水是吸收微波最好的介质，所以凡含水的物质必定吸收微波。此外，有一部份介质虽然是非极性分子组成，但也能在不同程

3、度上吸收微波。微波加热与传统的加热方法相比有很大的区别，传统加热方法是依靠热源，通过辐射、传导、对流等途径，首先使物体的表面加热，然后经热传导，使内部的温度由表及里逐步升高。大多数物体内的热量传递速度很慢，如橡胶材料，因此达到物体整体加热需很长时间，同时容易造成物体加热的不均匀性，影响加热物体的质量，甚至改变加热物体的色泽、营养成分和物化性能。而微波加热具有独特的加热方式- 物料整体加热，因此微波加热具有以下优点：穿透性加热，加热速度快，均匀加热；选择性加热，节能高效；无热惯性，即具备即时性；操作方便，宜于控制；环保、清洁卫生；安全无害等。2 实验2.1 实验原料此次实验选用湖南建长公司生产的

4、A分子筛原液和中间产品进行实验。物料的基本性质见下表：表1 A浆液的基本性质名称粘度/mm2.s-1密度/g.cm-3浓度，粒度/nm浆液pHA原液527101.110.2100-2009-10A中间产品1325001.1719.21.0-2.012-132.2 实验装置及流程小试、中试试验机分别采用广州维嘉微波能应用有限公司和株洲华威工业微波设备有限公司的试验机进行，工业生产数据来自钛硅分子筛在株洲华威工业微波设备有限公司和天水微波设备有限公司工业设备上的生产数据。1234567图1 带式微波加热干燥装置1.控制柜 2.进料斗 3.框架 4.运输带 5.抽湿风机 6.磁控管 7.排湿线3 结

5、果与讨论3.1 微波加热小试试验微波干燥小试试验在WKSS-7型立式微波干燥器中进行，采用聚丙烯盘盛装物料。由于对微波干燥技术的认识还处于初级阶段，因此选用了A分子筛浆液、B分子筛干燥样品、C分子筛干燥样品、D分子筛滤饼等不同类型、不同阶段的分子筛进行试验，考察微波加热方式干燥和焙烧的效果，以及对分子筛性能的影响。表2 微波处理样品质量数据产品A分子筛B分子筛C分子筛D状态干燥焙烧干燥干燥干燥灼减，%前52.510.04807.0821.7后10.045.076.093.4219.6结晶度，%前90.5/95.596.8后93.980.7/88.797.8比表面/m2.g-1前355/4183

6、81576后349334416371549孔容/mL.g-1前0.2450.3020.2440.449后0.3020.3120.2890.2570.413在上表中可以看出，A分子筛微波干燥7分钟后，灼减即从52.5%下降至10.04%，B分子筛灼减下降更明显，12分钟即从80%下降至6.09%， C分子筛和D分子筛由于带去的是干燥样品，处理时间也很短（其中D分子筛仅干燥了3分钟），效果不是很明显。从XRD全图上看，在微波处理后，各种分子筛的图谱均没有变化，晶体结构并没有受到破坏；各种分子筛结晶度在干燥前后变化也很小，其中A分子筛和D分子筛经微波干燥之后结晶度有所升高，；而A分子筛在微波焙烧之后

7、结晶度仅为80.7，估计是焙烧过程中局部超温造成结晶度损失较大。在微波处理后，样品的比表面、孔容均无大的变化，在合格范围内。从小试结果来看，微波加热技术由于对富含水的介质效率较高，适用于分子筛的干燥工序，但对于干燥后含水较少的物料的后处理则不太合适。与现有的干燥技术相比，微波干燥技术具有以下优点：（1）干燥速度快。在10分钟左右的时间内，即可将物料干燥到灼减为20%以下，其原因在于微波干燥与传统干燥不同，其干燥过程为整体加热，极性水分子直接吸收能量挥发，加热速度快；（2）对产品性能影响小。从分析评价数据可以看出，经过微波干燥处理后，样品的结构基本上没有变化；（3）热效率高。由于是分子直接吸收能

8、量，其热效率高与传统的传导、对流为主的干燥方式，一般一度电可以干燥一千克水；（4）可以连续自动操作。微波干燥可以采取类似带滤机的连续进料，连续出料方式进行，有效地降低劳动强度和人工成本。3.2 微波加热中试试验为了进一步考察微波干燥的可行性，在株洲华威工业微波设备有限公司进行了连续进料干燥的相关试验，所有样品均计算设备加热能耗与水分蒸发量的比例，考察微波使用效率，具体数据见表3。表3 微波干燥效率分析表产品状态A分子筛（重排）A分子筛（晶化）浆液（带式连续）浆液*（带式）浆液（箱式）设备功率/kW28282.1干燥时间/min75/15干燥前灼减，%75.280.280.2干燥后灼减，%10.

9、724.6518.8设备能耗/kwh）功率*时间）32.2/0.525水分蒸发量/kg37.6/0.51水分蒸发速度/kg.min-10.50/0.034微波使用效率（kg水/度电）1.17/0.97能量利用率，%84.28/70.0*因为干燥不透，在带式干燥设备上停留干燥了一段时间。注：1、水在100条件下的汽化热为2257千焦/千克，设物料初始温度为20，则每蒸发1千克水需要能量为：2257 + 4.2*80 = 2593千焦。2、每度电的能量为1*3600 = 3600 千焦。3、能量利用率是指从电能转化为水蒸发所需的热能的效率。经计算微波干燥的总耗费为981.3 元/吨，蒸汽干燥的费用

10、为 1041.6 元/吨，经济性方面基本相当，蒸汽干燥耗费稍微多些；本次试验发现连续运转时效率比间断操作效率高，每度电约蒸发1.17kg水，同时随着煤气油的涨价，蒸汽的价格也将会上扬，因此经济性方面微波干燥在将来可能更有优势。微波干燥对产品的性能影响见表4。从表中可以看出，微波干燥对产品的物化性质影响不大。A分子筛分子筛使用微波干燥的产品苯酚羟基化反应活性评价时，转化率反而比正常生产的偏高，产品的孔容也比正常生产的稍高，微波干燥可能有利于产品催化性能的提高。3.3 微波加热工业生产HTS工业生产分别在株洲华威工业微波设备有限公司和天水华园微波设备有限公司提供的微波设备上进行，其中株洲微波通过抽

11、排风对系统进行冷却，而天水微波则采用水冷的方式。两种微波干燥效果与传统的箱式干燥对比数据见表5。表4 微波干燥产品性能影响分析表产品状态A分子筛HTS分子筛B分子筛原液中间产品箱式灼减，%前75.280.275后10.724.6515晶相结晶度，%前/后晶相无变化晶相无变化晶相无变化比表面/m2.g-1前422/后420447367孔容/mL.g-1前0.306/后0.3300.3080.312催化性能正常24.50%21.45%/微波24.61%/25.83%21.70%/注：A分子筛评价苯酚羟基化反应活性（转化率）。为了更准确的对比，选择了两组微波干燥的平行样进行了反应评价分析。表5 带式

12、微波干燥与箱式干燥工业数据对比表类别水冷微波风冷微波箱式干燥干燥能力/kg.h-150-7050-7020产品灼减，%10-3012-335-25跑损，%0.50.51结晶度损失，%335杂质含量，%0.060.060.08从表中可以看出，采用微波干燥方式获得的钛硅分子筛产品结晶度和杂质含量均能符合要求。与传统的箱式干燥相比，微波干燥具有：干燥效率高、可连续生产、自动化程度高、跑损少等优点。而水冷和风冷这两种干燥方式各有优劣，水冷微波的水冷管线易破裂烧坏磁控管，而风冷微波的冷却效果较差。目前这两台微波干燥设备在建长公司以运行一年，运行情况基本正常。4 结论（1）微波干燥对分子筛干燥速度快，处理能力大、跑损少、收率及效率