真空膜蒸馏-过热蒸汽干燥系统设计与实验

林家辉 李晓琼 章学来 杨俊玲 赵丹丹 彭跃莲 张振涛

(1 上海海事大学商船学院 上海 201306；2 中国轻工业食品药品保质加工储运装备与节能技术重点实验室 中国科学院理化技术研究所 北京 100190;3 河北科技大学食品与生物学院 石家庄 050018；4 北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124)

过热蒸汽干燥技术有近百年的历史，在逆转温度以上，干燥速率快，废热便于回收利用，净能耗小[1]，国际干燥会议主席A.S.Mujumdar[2]称其为一种未来的干燥技术。常压下过热蒸汽干燥温度过高、不能干燥热敏性物料，低压过热蒸汽干燥不仅能保留过热蒸汽干燥的优点，而且干燥温度低、干燥质量好[3]，但由于低压过热蒸汽的过热度调控困难、能耗高等原因，相关研究较少。由于热泵具有高效节能等特点，常用作过热蒸汽干燥系统中的热源,温区135～215 ℃的过热蒸汽热泵干燥系统，比能耗最低可达约850 kJ/kg[4]。在常规热泵干燥系统中添加真空泵和温度隔板等即可实现系统的低压运行，通过闪蒸现象将进入箱体的水变为水蒸气[5]。

膜蒸馏(membrane distillation，MD)技术起源于20世纪60年代，是与传统低温蒸发工艺相结合的一种新型膜分离过程，工业上常使用海水余热或用工业废热加热海水进行膜蒸馏海水淡化，具有成本低、设备简单、操作容易、能耗低等优点，一般根据冷凝液在透过侧蒸汽的收集方式不同，将膜蒸馏工艺分为4类：直接接触式、气隙式、气扫式和真空式[6]。真空膜蒸馏(vacuum membrane distillation，VMD)本来用于液体分离，但由于两侧分别需要热量和冷量导致热效率低，常将热泵与膜蒸馏耦合实现能量回收。由于过程中会产生一定的过热蒸汽，Zhang Yonggang等[7]提出不在外部冷凝，进行一定的调控后将其作为低压过热蒸汽干燥的介质，真空泵在物料侧抽吸，透过膜的过热蒸汽加热物料，并带走汽化的水蒸气，命名为真空膜蒸馏-过热蒸汽干燥。干燥过程中膜仅起到产生过热蒸汽的作用，与现有物料与膜直接接触的技术不同[8]，物料干燥的过程本质上是过热蒸汽干燥。本文对真空膜蒸馏-过热蒸汽干燥进行系统设计，并选取鲜辣椒籽作为对象进行干燥实验，以期为真空膜蒸馏-过热蒸汽干燥除湿干燥技术优化设计提供参考。

1 系统设计与主要参数确定

1.1 系统结构与工作原理

真空膜蒸馏-过热蒸汽系统干燥工艺如图1所示。设备主要由VMD中空纤维膜组件、干燥器、真空泵、蒸汽发生器、辅助部件及控制系统组成，系统可由VMD中空纤维组件划分为常压侧和真空侧。

常压侧提供系统工质和主要热源，运行时冷凝水罐中的工质由进水泵打入板式换热器，蒸汽发生器的蒸汽作为系统热源，工质经预热后进入真空膜组件的料液进口侧，再由料液出口侧排出，返回冷凝水罐进行下一个循环。

真空侧为物料干燥侧，运行时先开启干燥器中的预热器加热干燥器壁面，减少壁面上过热蒸汽的冷凝滞留，随后开启真空泵使系统达到设定真空度，系统压力降低过程中预热的工质由真空膜组件真空侧逐渐进入过热蒸汽干燥系统，经温度调控阀和加热器的选择性加热后进入干燥箱干燥待干物料，干燥后的乏汽由真空泵排入回水罐，经由冷水机组降温后可以排入冷凝水罐作为系统储备用水。

1冷凝水罐；2过滤器；3电子调节阀；4进水泵；5板式换热器；6蒸汽发生器；7真空膜组件；8温度调控阀；9管道加热器；10预热器；11干燥器；12真空泵；13回水罐；14冷水机组。图1 真空膜蒸馏-过热蒸汽干燥系统Fig.1 The vacuum membrane distillation-superheated steam drying system

1.2 系统设计与参数确定

选定辣椒籽作为示范干燥目标，辣椒籽平均直径dp=4.5 mm，密度ρp=840 kg/m3，辣椒籽干燥前湿基含水率X1=37.5%，比热容c=0.55～0.59 J/(kg·K)，进料量为0.4 kg/h，对干燥所需热量进行衡算：

蒸发湿分所消耗的热量Q1:

Q1=W(H2-H0)

(1)

加热物料消耗的热量Q2:

Q2=Gc(θ2-θ1)

(2)

设备散热损失Q3:

Q3=0.15(Q2+Q1)

(3)

热消耗量Q:

Q=Q1+Q2+Q3=1.15(Q2+Q1)

(4)

所需过热蒸汽质量V：

(5)

VMD中空纤维膜组件(参数见表1)具有跨膜导热损失小、热效率较高、膜通量大的优势，系统运行时透过膜的水蒸气温度不会超过热水的温度，所以能够实现低恒温干燥。膜仅起到产生过热蒸汽的作用，物料与膜不直接接触，不会对膜造成物理损伤，使用寿命相应延长。

表1 真空中空纤维膜组件参数Tab.1 The parameter of vacuum hollow fiber membrane module

2 系统性能及干燥效果分析

2.1 蒸汽流量随膜面温度的变化

系统真空侧的工质均由真空中空纤维膜组件产出，因此运行时的蒸汽流量可近似由膜组件的膜通量表示。在维持真空膜组件的进料流量为1 m3/h，真空侧绝对压力为10 kPa时蒸汽流量随膜面温度的变化如图2所示。

图2 蒸汽流量随膜面温度的变化Fig.2 Variation of steam flow rate with temperature

蒸汽流量随料液进口温度的增加呈非线性增长，使用Boltamann拟合实验数据，结果表明蒸汽流量约在53 ℃开始增加，速度逐渐加快，实验条件下在70 ℃达到41 m3/h。膜通量指单位时间内通过单位膜面积上的流体量，即膜组件的传质效率，对于真空膜蒸馏来说，膜组件的膜通量可由式(6)得出[9]：

N=(C1+C2)(pvapor-pvacuum)/ρ

(6)

由于干燥侧抽真空，膜孔内可以视为只有水蒸气且非常稀薄，分子之间的碰撞造成的阻力可忽略不计，水蒸气传质的驱动力为进料侧饱和蒸汽压与透过侧绝对压强之间的跨膜压差[10]。由于水的饱和蒸汽压随温度升高呈指数倍增加，所以膜两侧蒸汽压差随料液进口温度的升高而增大，膜通量也相应增加，但外界的热损耗也随之增大，膜通量的增速逐渐减小。

2.2 热效率随进料温度的变化

系统的主要热源为膜组件中的工质，因此真空膜蒸馏-过热蒸汽系统运行能耗的传热性能指标可以通过膜蒸馏组件的热效率来体现。膜组件的热效率可以表示为水分汽化需要的汽化潜热与消耗总热量的比值，膜蒸馏过程中消耗的总热量包括料液的跨膜导热量(无效热负荷)和水分的汽化潜热中水分汽化潜热(有效热负荷)[11]。真空膜组件的热效率随进料温度的变化如图3所示。

图3 热效率随进料温度的变化Fig.3 Variation of efficiency with feed temperature

膜组件的热效率随温度升高而增加，由于外界环境等热耗散因素影响，高温后热效率增速逐渐放缓，但整体趋势仍继续升高，在70 ℃时高达90.6%。膜组件的热效率[12]可由下式推导：

料液中水分的汽化潜热(有效热负荷)Qm1：

Qm1=JΔHvA

(7)

跨膜导热量(无效热负荷)Qm2：

(8)

膜组件热效率η：

(9)

膜蒸馏过程的传热推动力是膜冷、热侧的温度差，虽然干燥时膜冷、热侧温度均升高，但由于水的蒸发焓随温度的升高呈指数倍增加，水分的汽化潜热增速远大于跨膜导热量[13]，有效热负荷的增速大于无效热负荷，因此膜组件的热效率随温度升高而增加，且增速逐渐加快。

2.3 不同温度下的干燥速率及品质

辣椒籽是一种高附加值的热敏性物料，B.Kozanoglu等[14-16]在绝对压力40 kPa、工质101 ℃等高温低压工况下，研究了辣椒籽过热蒸汽干燥特性，发现较高的温度和较低的压力能有效提高干燥速率并降低能耗，但并未对辣椒籽的发芽率干燥品质进行研究。本实验的干燥物料采用新鲜的湘辣1128朝天椒，干燥前物料在阴凉通风处存储，实验时手工取籽。为了减少真空干燥箱内蒸汽冷凝现象，待干燥箱预热至40 ℃时开始实验。实验时维持系统的进料流量为2 m3/h，干燥箱的绝对压力为10 kPa，维持过热蒸汽的温度稳定开展实验，每隔30 min测量一次含水率，系统压力稳定在绝对压力10 kPa，分别在过热度4、9、14 ℃(即干燥工质50、55、60 ℃)下进行湘辣1128朝天椒辣椒籽的干燥实验，干燥速率曲线如图4所示。

图4 不同过热度下辣椒籽含水率随时间的变化Fig.4 Variation of moisture content of pepper seeds with time under different superheat conditions

由于辣椒籽初始温度为室温(14 ℃)，表面有一定水分，且10 kPa过热蒸汽的焓值较低，60 ℃时仅比饱和蒸汽的焓值2 583.9 kJ/kg高约27.3 kJ/kg，由图4可知，1.5 h前的辣椒籽含水率下降速度差距较小，初始干燥阶段的主要干燥动力为低压过热蒸汽的吹扫作用。此后干燥时间受温度的影响较大，干燥温度越高所需的干燥时间越短，温度每升高5 ℃，干燥时间减少约1 h。

干燥开始时由于新鲜辣椒籽表层水分较多，干燥速率很快；待表面水分干燥完后干燥速率开始下降，由于湿物料内的水分在过热蒸汽中几乎没有传质阻力，表面不易形成硬壳，有利于水分快速迁移出来。物料干燥速率可由式(10)计算(忽略显热，其他传热方式和热损)[17]：

(10)

将干燥后的种子中随机数取试样约100粒，每样取5组，采取毛巾卷发法后加权计算所得干燥辣椒籽发芽率如图5所示。在相同干燥介质温度下，真空膜干燥的发芽率略高于热风干燥。虽然在60 ℃时两种干燥方式的辣椒籽均失去了发芽活力，但在50 ℃和55 ℃时，辣椒籽的发芽率分别达到了98.72%和93.11%，相比相同温度下热风干燥的发芽率分别提升了3.47%和1.79%，在干燥品质方面，真空膜蒸馏-过热蒸汽干燥适用于辣椒籽干燥。

图5 不同温度下真空膜干燥与热风干燥辣椒籽的发芽率Fig.5 Germination rate of pepper seeds in vacuum film drying and hot air drying at different temperatures

3 结论

1)在真空膜蒸馏-过热蒸汽干燥系统中真空纤维膜组件具有较好的传热传质性能，在70 ℃时达到41 m3/h的膜通量和90.6%的热效率，系统的传热传质性能整体变化趋势与膜组件一致，进料温度升高后系统的蒸汽流量和热效率均持续增加；变化速率则略有不同，蒸汽流量随温度上升且增长速度加快，而热效率的增长速度则减慢。

2)在相同干燥介质温度下，真空膜蒸馏-过热蒸汽干燥发芽率高于热风干燥，在过热蒸汽50 ℃时，干燥辣椒籽发芽率高达98.72%，提升了3.47%，表明新型干燥方式可满足种子的低温干燥工艺需求，且真空膜组件对料液的品质要求较低，可以在废水余热回收开展进一步研究。

3)实验时使用的工质为自来水，进入系统的初始温度为14 ℃，此时空气在水中溶解度为20.97 mL/1 000 mL，而真空膜组件不能过滤气体分子，运行时大量不凝性气体进入系统真空侧，因此实验测得的膜通量偏高、热效率偏低，干燥速率也相应偏低，如果对水进行脱气处理，可以进一步提高物料的干燥速率。

符号说明

G——干料产量,kg/h

W——湿分蒸发量,kg/h

H0——辣椒籽初始温度时液体焓，kJ/kg

H2——干燥器出口过热蒸汽的焓，kJ/kg

θ1——干燥物料的进口温度，℃

θ2——干燥物料的出口温度，℃

H1——干燥器进口过热蒸汽的焓，kJ/kg

N——膜通量，m3/h

C1——努森扩散系数，s/m

C2——黏性流系数，s/m

pvapor——当前温度水的饱和蒸汽压，Pa

pvacuum——膜组件真空侧压强，Pa

J——跨膜蒸汽量，g/(m2·s)

ΔHv——水的蒸发焓，J/g

A——膜内面积，m2

km——膜的平均热导率，g/(m2·s)

δ——膜壁厚度，m

Tfm——膜热侧表面温度，℃

Tpm——膜冷侧表面温度，℃

M——干燥速率，kg/(m2·h)

h——传热系数，W/(m2·K)

Tm——过热蒸汽的温度，K

Ts——干燥物料的表面温度，K

Qm1——有效热负荷，W

Qm2——无效热负荷，W

η——热效率

Q1——蒸发湿分所消耗的热量，W

Q2——加热物料消耗的热量，W

Q3——设备散热损失，W

Q——热消耗量，W

V——所需过热蒸汽质量流量，kg/h