真空干燥箱应用中存在的问题及解决方法

赵广滨，吴相诚

（石家庄以岭药业股份有限公司，河北 石家庄 050035）

0 引 言

原有真空干燥箱型号为FZG15，蒸汽加热，水环真空泵（2BV5121 0KC00-7P 最大排气量为280 m3/h，功率为7.5 kW） 抽真空，真空度为0.06～0.08 MPa。干燥的物料主要是浓缩后的中药浸膏，含水率为40%～60%。干燥一批浸膏（32 盘80 kg左右），需要3 天4 夜左右，既费时又耗能。

1 真空干燥箱干燥过程中存在的问题

真空干燥箱干燥过程中，由于在真空状态下，对流传热严重削弱，传热主要靠热传导及盘管和箱壁对物料的热辐射。但因温度低，故辐射传热占的比重不大。

热传导占的比重较大，但物料盘和盘管的接触面积小，传热效果不好。

另一个原因，随着物料的干燥，底面干燥硬化，形成热阻层，降低了盘管和物料盘的传热量；上表面板结，致使内部产生的蒸汽不易排出，影响了干燥速度，且当气泡压力足够大，冲破板结层时，物料崩出盘外，造成浪费。

2 原因分析

2.1 传热效率低

传热主要靠热传导，辐射传热很少，对流传热严重削弱。物料盘和盘管的接触面积小，传热效果不好。

根据传热学理论，热传导和热辐射几乎不受真空影响，而对流传热随着真空度的增加而减少，各种传热方式和真空度的关系近似曲线如图1 所示。

图1 各种传热方式和真空度的关系近似曲线Fig.1 Approximate curve of relationship between various heat transfer modes and vacuum degree

2.2 物料上下两层板结层影响干燥速度

非金属固体材料导热系数不足纯铁导热系数的十分之一，板结层对传热的影响很大，上层的板结层影响水分蒸发的速度。

3 干燥过程的分析

3.1 物料干燥过程

根据实际情况将物料干燥过程大致分为水分快速蒸发、从液态到固态和物料固态干燥的过程3 个阶段。

3.1.1 水分快速蒸发阶段

物料状态从粘稠到极粘稠。在真空状态下，物料内部对流传热强烈，水分快速蒸发，在这一阶段，蒸发掉一半以上的水分，而耗时很少。

3.1.2 从液态到固态

物料状态从极粘稠到全部固化。在这一阶段，物料内部对流传热逐渐减弱，过程缓慢，较早出现的上下两层板结层，很大程度上影响了干燥速度。

3.1.3 物料固态干燥的过程

物料慢慢脱水至含水率达标的块状物。这一阶段蒸发的水分很少，干燥的速度要比第二阶段稍快一些。

3.2 各阶段和真空度的关系

第一阶段，换热过程比较理想，真空度越高，水分蒸发越快。

第二阶段，随着对流的减弱，以及热阻的增大，含水量越来越少，如果还维持真空泵功率不变，真空度越来越大，对流越来越弱，干燥效率越来越低。使用波动的真空度，合理调配真空度和对流传热至最佳结合点，干燥过程会更快。

第三阶段，由于含水率很小，真空度小一些可能更合适。如果使用干燥的热空气加热，干燥过程更快。

4 解决方案

4.1 改善对流换热

根据各阶段的特点，调整每一阶段的真空度，尽可能的增大传热量。

真空度调整示意图如图2 所示。

图2 真空度调整示意图Fig.2 Schematic diagram of vacuum adjustment

4.2 改善热传导

由于物料盘难于避免物理撞击，盘底有很多突起，如果在盘管上铺一块平的薄钢板，接触面积不会很大。

建议使用多孔金属板，改善热传导。

改善热传导示意图如图3 所示。

图3 改善热传导示意图Fig.3 Schematic diagram of improving heat conduction

4.3 破坏板结面和机械振动

物料板结面的形成对热量的传递和水分的蒸发影响最大，解决这个问题是重中之重。方法有人工破坏和机械振动等。

实验时，可以先使用人工的方法测试多大的振动合适，实际生产中需要在干燥箱内设计相应的构件，达到这一目的。

5 小批样实验

5.1 实验装置及系统图

现有真空干燥箱箱内尺寸为1 500×1 400×1 220 mm，烘盘32 个，尺寸为460×640×45 mm，8 层，每层 4 个。

实验用干燥箱，尺寸500×450×300 mm，1层，每层放2 个烘盘。烘盘尺寸为100×150×40 mm，真空泵 1 台，2BV2061－0NC02-1P，功率1.45 kW，排气量50 m3/h，热源为蒸汽，人工振动方法破坏板结面。

实验装置系统图如4 所示。

图4 实验装置系统Fig.4 System diagram of experimental device

5.2 实验目的

（1） 实验总结每一阶段的特性。

（2） 实验得到每一阶段最佳的真空度。

（3） 实验得到第二阶段最合适的振动强度，如振动法不合适，实验其他方法。

（4） 改进前后，干燥同量物量所耗时间的差异，要求不低于20%。

5.3 实验设计

将物料装入2 个盘内，放入箱内加热，每30 min 观察一次物料的干燥状况，观察物料慢慢变稠的过程，注意观察板结面的出现，记录这一时间。板结后，因为难以观察第二阶段的结束，每次观察时，敲击干燥箱，观察物料液面是否晃动，不动时记录这一时间。重复3 次，记录起始、每阶段、结束时间、蒸汽的压力、温度、流量和物量干燥前后的重量。

每次装一个盘，记录真空度在0.04、0.05、0.06、0.07、0.08 和0.09 MPa 时，每一阶段完成的时间和耗汽量。总结得出每一阶段耗汽最少时对应的真空度。

对于第二阶段的最佳真空度，在±0.01 MPa内，使用PLC 控制，分别设30 min 和1 h 为一个波长，使真空度波动，记录完成的时间和耗汽量。

第一阶段结束时，手持金属物品，使用不同的力度敲击物料盘的侧壁。如果效果明显，设计机械振动机构，记录第二阶段的耗时和蒸汽耗量。

比较没有真空度变化，没有振动和变化真空度，增加振动的耗时和蒸汽耗量。

6 结 语

真空干燥箱在干燥粘性物料的过程中，换热过程缓慢的原因在于物料本身的特性，及实际操作的复杂性。如板结面的破坏和物料的脱盘，操作工作量大，清理难度大。解决方案应该朝能够快速脱盘和粉碎后再进行干燥的方向发展，才能彻底解决这个问题。