盐泥颗粒热风干燥特性及动力学模型

朱桂华，洪泽玉，杜雅明，李忠锴

（中南大学，湖南 长沙 410083）

盐泥是制盐企业卤水净化后的废弃物，具有含水率高、体积大及有一定腐蚀性等特点[1]。盐泥综合利用日渐重要，其中干燥环节能源消耗巨大，因此需要对盐泥颗粒本身的热风干燥特性进行研究，以便找到适合盐泥颗粒的热风干燥方法。

干燥动力学模型可预测物料在干燥过程中水分的变化规律，为设计干燥设备及优化结构参数提供理论基础。目前常用的干燥动力学模型包括：Page、Midilli、Lewis、Two-term、Henderson and Pabis等模型。周炀[2]等设计恒温干燥实验，表明薄层污泥的水分容易受热蒸发去除。章华熔[3]等搭建小型实验平台，发现提高风温和过流速度、降低干燥过程热空气含湿量、减少泥条直径和泥层厚度都能够提高污泥干燥效率。黄光群[4]等研究奶牛粪固形物热风干燥特性，得出干燥温度越高，粪层厚度越小，干基含水率下降越快。王建波[5]等研究鸡粪的干燥特性，表明考虑干燥效率，鸡粪存在较优厚度。目前干燥特性及动力学模型对于盐泥颗粒热风干燥特性及动力学模型的研究少有报道。本文通过不同风温、风速及堆积厚度条件对盐泥进行干燥实验，研究盐泥的热风干燥特性及动力学模型。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

1.1.1 原材料

实验所选用的物料为经过水洗压滤粉碎的颗粒状盐泥，取自某盐化公司盐泥资源化处理生产线，测得平均干基含水率为30%。选择大小均匀、平均粒径为15 mm 的盐泥颗粒作为实验材料。对取到的盐泥颗粒进行密封处理2 h，使得颗粒含水率均匀。

1.1.2 实验设备

本课题干燥实验在某盐化公司盐泥处理现场，自行搭建盐泥颗粒干燥实验台用于研究盐泥颗粒在干燥过程中不同因素对干燥特性的影响研究。整个实验台抗干扰能力强、工作稳定可靠，同时可调节热风温度和风速，因此可通过调节不同的风温、风速及设置不同盐泥含水率、盐泥层厚度等进行盐泥颗粒的干燥实验研究。实验台的工作装置示意图如图1 所示。

1.2 实验指标及测定方法

1.2.1 干基含水率

采用干基含水率测定盐泥颗粒含水率，计算公式采用式（1）。

式中：Mt—t时刻盐泥颗粒干基含水率，g·g-1；

mt—盐泥颗粒干燥到t时刻的重量，g；

m0—盐泥颗粒完全干燥的干基重量，g。

1.2.2 水分比MR及干燥速率DR水分比按式（2）计算。

式中：Me—盐泥颗粒平衡含水率，g·g-1；

M0—盐泥颗粒初始干基含水率，g·g-1；

Mt—盐泥颗粒t时刻的干基含水率，g·g-1。

由于盐泥颗粒在某一温度及湿度条件下的平衡含水率远小于起始的干基含水率及干燥到某一时刻的干基含水率，因此在实验数据的处理过程中，可忽略平衡含水率。将式（2）简化为式（3）。

干燥速率表征了盐泥颗粒热风干燥过程中去除水分的快慢程度，可按式（4）计算。

式中：DR—盐泥颗粒干燥速率，g·(g·s)-1；

Mt—盐泥颗粒t时刻的干基含水率，g·g-1；

Mt+dt—盐泥颗粒t+dt时刻的干基含水率，g·g-1；

dt—干燥时间段，s。

1.2.3 有效水分扩散系数Deff及活化能Ea

有效水分扩散系数表征了盐泥颗粒热风干燥过程中水分从内部扩散到表面的难易程度，是干燥过程中最重要的干燥参数之一。根据Fick 第二定律理论对有效水分扩散系数的解析解进行分析，并取对数化简为式（5）。

式中：Deff—盐泥颗粒有效水分扩散系数，m2·s-1；

L—盐泥颗粒堆积厚度的一半，m；

t—盐泥颗粒的干燥时间，s。

由式（5）可见lnMR的值与干燥时间t为线性关系，计算lnMR-t曲线的斜率可得到有效水分扩散系数Deff。活化能与有效扩散系数、温度相关，可采用Arrhenius 公式计算，取对数转化成式（6）。

式中：D0—指前因子，m2·s-1；

Ea—湿分扩散活化能，kJ·mol-1；

R—通用气体常数，8.314×10-3J·(mol·K)-1；

T—气体绝对温度，K。

由式（6）可知，lnDeff与1/T成一次函数关系，通过计算lnDeff-1/T曲线的斜率得到活化能Ea。

1.2.4 干燥动力学模型

参考相关文献[6-10]，引入5 种常用的干燥动力学模型。分别对不同干燥实验条件下的盐泥层水分比随时间变化的干燥曲线进行拟合，采用决定系数R2、均方根误差RMSE及卡方值χ2等评价指标对拟合后的结果进行评估，选取预测盐泥颗粒热风干燥过程含水率变化的最适模型。

1.3 数据处理

采用Excel 对数据进行计算，origin 对数据进行拟合绘图，得到各模型拟合参数及评价模型参数。

2 实验方案

按表1 所示热风干燥实验安排，进行风温、风速、堆积厚度对盐泥颗粒含水率的单因素影响实验。在时刻t时从干燥实验箱中取样称重得mt，然后将取出的样品放入微波炉内进行再次干燥，并采用电子天平测其重量，至3 次质量无变化得m0。为保证实验数据的准确性，每组干燥条件下的热风干燥实验进行3 次，测得的干基含水率取3 次的均值。

表1 单因素盐泥颗粒热风干燥实验设计

3 结果与分析

3.1 盐泥颗粒热风干燥特性

3.1.1 风温对盐泥干燥特性的影响

图2 为盐泥颗粒堆积厚度为10 mm、风速为3 m·s-1、热风温度分别为50～80 ℃时盐泥层水分比随干燥时间的变化曲线，风温越高，水分比随时间的变化曲线越陡峭，说明风温对干燥过程中含水率有较大影响。

图2 风温对盐泥干燥特性的影响

图3 为50～80 ℃下盐泥颗粒干燥速率随干燥时间的变化曲线。盐泥颗粒热风干燥过程中干燥速率逐渐降低，且热风温度对盐泥颗粒干燥起始段影响较大，干燥后期则差别不大。这主要是由于实验中所用的盐泥颗粒经过压滤脱水后含水率降低到30%左右[11]，内部大部分自由水及少部分结合水已经通过机械方式去除，盐泥颗粒内部的水分主要以结合水及吸附水为主。

图3 不同风温下干燥速率曲线

3.1.2 风速对盐泥干燥特性的影响

图4 为盐泥层厚度为10 mm、热风温度为60 ℃条件下，不同风速下水分比随时间的变化曲线。从图4 可以看到，随着速度的增加，可以更快降低盐泥颗粒的含水率。这是由于提高风速可以使干燥室内水分更快逸出, 从而使干燥室内水蒸气浓度减小,使其与物料间的浓度差增大, 干燥速率加快。图5为3、4、5、6 m·s-1下干燥速率随干燥时间的变化曲线。干燥速率逐渐降低，不同风速对盐泥层干燥速率的影响较小，风速对干燥初期的影响较大，对干燥后期的影响较小，这是由于干燥后期干燥速率主要受到盐泥颗粒内部水分的扩散速率的制约。

图4 风速对盐泥干燥特性的影响

图5 不同风速下干燥速率曲线

3.1.3 堆积厚度对盐泥干燥特性的影响

图6 为热风温度60 ℃、热风速度3 m·s-1不同盐泥颗粒堆积厚度下水分比随时间的变化曲线。热风干燥过程盐泥颗粒堆积厚度对盐泥层含水率随时间的变化影响较大，盐泥层厚度越薄，干燥曲线越陡峭，相同时间内的水分比越小，其干燥速率越快。

图6 堆积厚度对盐泥干燥特性的影响

堆积厚度对初始阶段干燥速率有影响如图7所示。

图7 不同盐泥层厚度干燥速率曲线

由于堆积厚度的增加，使得内部水分扩散到表层的路径变长，内部水分扩散阻力大。堆积厚度对盐泥颗粒干燥后期的影响类似于温度及风速对其的影响。

3.2 干燥动力学模型

3.2.1 干燥模型拟合及筛选

采用5 种常用干燥模型对实验数据进行拟合，其中评价指标相关系数R2值越高、RMSE值与χ2值越低，表明模型拟合度高。表2 列出了风速为4 m·s-1、堆积厚度为10 mm 条件下，盐泥层热风干燥与5 种模型的拟合结果。由表2 可知，Midilli 模型平均相关系数R2为0.999 43，且均方根误差RMSE为0.000 549，卡方χ2为0.000 14，因此Midilli模型可较为准确地预测盐泥颗粒热风干燥过程中的含水量变化规律。

3.2.2 干燥模型的有效性

为检验干燥模型的有效性，在风温为80 ℃、风速为4 m·s-1、堆积厚度为10 mm 条件下，进行干燥动力学模型的验证，结果见图8。由图8 可知，实验值与干燥模型预测值高度吻合，表明Midilli干燥模型能预测盐泥层热风干燥的水分变化规律。

图8 实验值与预测值的比较

3.3 有效水分扩散系数及活化能

表3 给出了风速为4 m·s-1、堆积厚度为10 mm干燥条件下，不同风温干燥的有效水分扩散系数。随着风温的增加，有效水分扩散系数也随之增加，说明提高风温有利于物料湿分的迁移。表4 给出了风温为60 ℃、风速为4 m·s-1条件下，不同堆积厚度对应的有效水分扩散系数，可以得到随着堆积厚度的增加，有效水分扩散系数随之减小。这与实验结果相符。

表3 不同风温条件下的有效水分扩散系数

表4 不同堆积厚度下的有效水分扩散系数

根据式（5）得到lnDeff-1/T 曲线的斜率即可计算出干燥活化能。因此可得在风速为4 m·s-1、堆积厚度为 10 mm 条件下盐泥颗粒活化能为44.54 kJ·mol-1。

4 结 论

本文对盐泥资源化处理生产线中的盐泥颗粒进行了热风干燥实验研究，研究了热风温度在50～80 ℃、风速为3～6 m·s-1、堆积厚度为5～15 mm的干燥特性，可为干燥装置的设计及结构参数优化提供参考。获得如下主要结论：

1）盐泥颗粒的热风干燥过程中干燥速率逐渐下降。盐泥干燥速率与风温和堆积厚度有密切关系，相同条件下，热风干燥速率随着温度的增加而增加，随厚度的减少而提高。

2）Midilli 模型可以预测盐泥层在热风干燥过程中的水分变化。

3）通过对有效水分扩散系数及活化能的计算，得出热风风速为4 m·s-1、堆积厚度为10 mm、热风温度范围为40～80 ℃，水分有效扩散系数范围2.038 389×10-9～8.137 643×10-9m2·s-1。10 mm 厚盐泥颗粒床层的活化能为44.54 kJ·mol-1。